近日，深圳大学射频异质异构集成全国重实验室许威副教授、赵晓锦教授课题组在IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）上发表了高性能CMOS-MEMS集成量热式流量传感SoC的合作研究成果，这是深圳大学首次以第一作者及通讯作者单位在JSSC上发表论文。

IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）是国际集成电路领域最高级别期刊之一，致力于发布集成电路设计领域的最新技术进展和纪录性成果，代表着业内当前最高技术水平。

创新成果

高性能CMOS-MEMS集成量热式流量传感SoC基于独创的多物理场耦合模型及Pe数线性区间优化模型设计，实现了CMOS电路与MEMS结构非线性协同优化，并在0.18μm CMOS工艺节点上设计了精准温控（<0.01K）和近地低噪（<12.4nV/rtHz）读取接口电路。采用内部研发的Post-CMOS工艺进行MEMS结构释放使其结构减薄至2.52μm，大幅改善了信噪比及功耗。流量传感灵敏度高达156mV/(m/s)、流量范围达到±11m/s，系统芯片功耗小于5mW，且在±6m/s的范围内具有极佳的线性度，能实现低至86µm/s的检测极限，综合性能指标世界领先。

图1 高性能CMOS-MEMS集成流量传感系统及其实验测试

图2 高性能CMOS-MEMS集成流量传感系统的稳定性及检测极限

该成果突破了多场耦合下微结构与接口电路协同设计等关键技术，从硬件底层拓宽热学传感芯片固有线性输出的约束，可快速评估输入/输出、灵敏度、功耗、量程、以及温湿度漂移等性能指标，克服了传感器微结构与片上接口电路的协同设计与优化难以实现的问题。

图3 内部研发的Post-CMOS工艺步骤

呼吸机在我国现代医学领域中占据着重要地位，被广泛应用于因各种原因导致的呼吸衰竭、大手术期间的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和急救复苏等场景。在全球疫情大爆发背景下，呼吸机作为新冠肺炎患者的“救命机”，成为各国最紧俏的抗疫物资，且缺口巨大。流量传感器是实现呼吸机基本传感功能的重要组成部分，是气流参数监测和报警的核心器件。该成果研制的工艺和设计技术必将极大地推动呼吸机用高性能CMOS-MEMS集成传感器国产化发展进程。

完成人

该项工作完成人包括：深圳大学许威副教授、赵晓锦教授、韩素婷教授，硕士研究生生李芝娟、方泽涛、洪林泽，北京理工大学合作者王晓毅副教授，硕士研究生杨盖，以及哈马德·本·哈利法大学合作者王波副教授。

Wei Xu, Zhijuan Li, Zetao Fang, Bo Wang, Linze Hong, Gai Yang, Su-Ting Han, Xiaojin Zhao, and Xiaoyi Wang, “A Sub-5mW Monolithic CMOS-MEMS Thermal Flow Sensing SoC With ±6 m/s Linear Range,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2023. DOI: 10.1109/JSSC.2023.3314765.