随着微加工工艺和单片集成技术的发展，许多类型的微型温度传感器得到了广泛的研究和应用。与传统温度传感器相比，微型温度传感器具有响应时间短、节能和成本低的优点。众所周知，CMOS制造工艺已经成为了商业化的方法，用于制造基于硅的微型温度传感器，这些传感器多采用二极管、硅双极晶体管或热电阻。
作为最广泛使用的温度传感器之一，基于PN结的IC集成温度传感器具有结构简单、成本低和功耗低的优点。然而，PN结温度传感器无法在-55°C以下工作。因此，它不能用于探空气球，探空气球要求温度传感器能够在最低-90°C下工作。此外，最近提出了一些用于低温检测领域的微型温度传感器。即便如此，几乎没有兼容CMOS制造工艺的微型温度传感器能够在-90°C到60°C的范围内工作。
科研团队在Nature Scientific Reports发表了一篇文章《压阻式温度传感器的表面微加工CMOS MEMS制造工艺》（Piezoresistive Temperature Sensors Fabricated by a Surface Micromachining CMOS MEMS Process）提出了一种改进的微加工单晶硅压阻式温度传感器，以实现小型化、高适应性和低响应时间。该温度传感器由四个多层悬臂梁构成，通过表面单晶硅CMOS MEMS工艺制造。多层悬臂梁的底层和顶层分别为单晶硅和铝，中间为Si3N4/SiO2复合层。硅层通过离子注入形成压阻元件。
温度传感器采用6英寸生产线-CSMC Technologies制造，该公司是中国首家开放的6英寸代工厂，并且与CMOS IC工艺兼容。
压阻式温度传感器的设计
压阻式温度传感器的热响应是由于硅、Si3N4/SiO2和铝材料的热膨胀系数不同造成的。由于多层结构中材料热膨胀系数的不匹配，温度变化时会产生热应力。在应力作用下，悬臂梁随温度的升高或降低向上或向下弯曲。由于压阻效应，应变会影响压阻器的电阻率，温度变化被感知并转化为电阻的变化。
团队通过建模，分析了各层的轴向拉力和弯矩。假设各层材料均匀且具有良好弹性，温度在整个梁上均匀，物理参数如杨氏模量和热膨胀系数为常数。
团队测量了硅层的三种压阻系数（π11、π12和π44），获得了表面杂质浓度从10^18到10^21 cm^-3的硅层压阻系数的温度依赖性。在P型硅层中，压阻系数π44的温度依赖性随着杂质浓度的增加而减小。
团队提出的这种通过表面微加工CMOS MEMS工艺制造的单晶硅压阻式温度传感器具有较高的灵敏度和宽温度范围，适用于低温探测应用。
Work Consulted:
[1] Cai, C., Tan, J., Hua, D. et al. Piezoresistive temperature sensors fabricated by a surface micromachining CMOS MEMS process. Sci Rep 8, 17065 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-018-35113-z
