智能多模态传感器技术

引言

近年来，多模态传感器技术因能提供全面的环境信息而备受关注。传统多模态传感器系统采用分离封装的传感器件和处理器，并将这些组件安装在印刷电路板上。这种传统方法存在空间利用效率低、延迟大、能耗高等问题，主要是因为需要将大量传感数据传输到远程处理单元进行处理[1]。

图1：传统体积庞大的传感器系统与新型智能多模态传感器系统的示意图对比，展示了在单一基底上集成多种传感功能和处理功能的优势。一种新型智能多模态传感器技术实现了气体、气压和温度传感功能与基于存内计算(IMC)的高效处理功能在同一基底上的集成。这种创新集成方案在保持可靠性能的同时，显著降低了成本。

1器件结构与制造工艺

该集成传感器系统在单一硅基底上结合了多个传感元件和处理组件。主要组件包括气体传感器、气压传感器、温度传感器和非易失性存储器(NVM)阵列。

图2：横截面视图展示了各种传感器类型和存储组件在单一基底上的集成，包括具有不同气隙配置的气体传感器、压力传感器、温度传感器和非易失性存储器元件。

制造工艺采用常规的硅基CMOS技术，与标准半导体制造工艺兼容。具体工艺步骤包括：

形成200纳米厚的热氧化层刻蚀线形孔的图形化使用SF6气体通过各向同性刻蚀形成气隙使用等离子体增强型正硅酸乙酯(PE-TEOS)薄膜沉积密封刻蚀孔形成压阻和浮栅沉积和图形化传感材料

图3：集成气压传感器阵列和AND型非易失性存储器阵列的详细视图，包括不同传感器配置和存储器阵列结构的扫描电镜图像。

2基于存内计算的压力传感

系统通过传感器阵列与AND型非易失性存储器阵列的集成，实现了线性且可靠的气压传感。压力传感机制利用具有不同气隙和电阻器图形配置的压阻传感器。

图4：不同压力传感器配置的特性表征，展示了压力变化与传感器响应之间的关系，包括温度变化的影响。

传感信号通过存内计算技术进行处理，非易失性存储器阵列执行乘法和累加运算。这种方法实现了线性压力测量，并对温度变化进行了补偿。

图5：利用存内计算的气压传感系统示意图，展示了信号转换过程和压力与输出电流之间的线性关系。

3温度补偿与多模态集成

系统在刚性基底上集成了多晶硅温度传感器，可以独立于压力变化提供准确的温度测量。这种温度传感功能使得系统能够补偿由温度引起的压力测量变化。

图6：温度传感器特性表征，展示了线性响应及对压力和气体环境变化的独立性。

图7：展示了在各种工作条件下，利用温度和气压传感器信号组合实现准确压力测定的结果。

4气体传感与神经网络处理

集成气体传感系统采用了具有两种不同气隙配置的硅场效应晶体管型气体传感器。这些传感器通过阈值电压和漏极电流的变化可以检测氧化性(NO2)和还原性(H2S)气体。

图8：气体传感器的扫描电镜图像和特性表征，展示了不同气隙配置及其在各种气体浓度和工作条件下的响应。为实现可靠的气体识别，系统采用了电容型二值化神经网络(BNN)处理多模态传感输入。这种方法即使在混合气体环境和温度、压力变化的条件下也能实现准确的气体检测。

图9：不同条件下的气体传感器响应特性和具有神经网络处理功能的多模态传感系统示意图。

5系统性能与可靠性

集成系统在气体识别方面表现出97.8%的准确率，即使在环境条件和传感信号变化的情况下也能保持稳定性能。电容型二值化神经网络的实现显示出优异的保持特性和对阈值电压变化的容忍度。

图10：神经网络实现的全面特性表征，包括阵列结构、器件特性和系统性能指标。

参考文献

[1] G. Jung, H. Kim, C. Lee, J. Kim, W. Y. Choi, and J.-H. Lee, "Intelligent Multimodal Sensors Integrating Gas, Barometric Pressure, and Temperature Sensing," in 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2024.