低流速监测在工业过程控制、医疗设备与航空航天等场景中都有非常广泛的应用。尤其在呼吸监测医疗设备中，传感器往往需要识别低于4 m/s、甚至低于0.1 m/s的气流变化，但传统方案仍受限于体积大、成本高、灵敏度与测量精度不足等问题。
据麦姆斯咨询报道，近期，北京理工大学王晓毅教授、周波教授研究团队提出一种把热电堆CMOS-MEMS流量传感器与低噪声斩波稳定CCIA接口电路紧密集成的系统级方案，并通过定制post-CMOS工艺进一步提升器件性能。相关研究成果以“A High-Sensitivity Thermal-Based Integrated Sensor System With a Low-Noise Chopper-Stabilized CCIA Using Customized CMOS-MEMS Process”为题发表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement期刊上。
（a）流量传感器与CCIA接口电路集成系统示意图（b）恒温差控制电路（c）CCIA接口电路
这项研究工作首先利用CMOS工艺中高塞贝克系数（Seebeck coefficient）的n⁺/p⁺ polysilicon构成单热电偶，并将32对热电偶串联以提高热电输出；其次，在工艺层面提出了一个定制的post-CMOS后处理工艺，利用Metal-2层作为硬掩模，使自对准图案化和悬臂梁打薄；最后在接口电路上，利用斩波调制技术、纹波抑制回路和高开环增益运放等技术，设计了一个低噪声、低功耗、高精度的ASIC电容耦合仪表放大器（CCIA）。基于以上设计，研究人员实现了一个归一化灵敏度为3.42 mV/(m/s)/mW，最小可测流速为2.49 mm/s以及响应时间为3 ms的高性能流量传感集成系统。卓越的传感性能和集成设计相结合，使该传感器系统为高精度、便携式流量传感应用提供了解决方案。
基于热电堆结构的post-CMOS后处理工艺步骤
CCIA接口电路原理图
（a）CMOS-MEMS热电堆传感器芯片照片（b）CCIA接口电路芯片照片（c）系统测试示意图
CCIA接口电路性能测试
CMOS-MEMS传感系统性能测试
综上所述，这项研究工作从器件设计、定制工艺与电路优化、系统集成三方面入手，提出了一种高性能的集成流量传感系统。该系统具有高灵敏度、高精度、低功耗和小体积等特点，非常适合高精度、便携式流量监测应用。
为了进一步提升该CMOS-MEMS热式流量传感系统的整体性能，后续工作可聚焦与以下几方面：从测试/封装流道结构入手优化系统一致性与可重复性；从具体使用场景出发，对降低系统的环境漂移与噪声干扰等方面进行优化，以进一步提供系统的鲁棒性。此外，还可以利用CMOS-MEMS技术进行更多ASIC模块的集成拓展，在单芯片上实现“感-存-算”的智能传感节点，为物联网及边缘AI提供低功耗、高集成度的解决方案。
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