CN115129103B - 一种电流补偿电路、电流补偿方法及超薄柔性芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于CMOS器件的电流补偿电路、电流补偿方法及超薄柔性芯片，电流补偿电路包括第一级CMOS模块、检测及反馈模块、第二级CMOS模块；本发明通过“第一级CMOS模块+检测及反馈模块+第二级CMOS模块”的结构设计，基于第一级CMOS模块能对沿第一方向的单轴弯曲应力作用下待补偿CMOS器件的工作电流变化量进行补偿调节，基于第一级CMOS模块和第二级CMOS模块能对沿第二方向的单轴弯曲应力作用下待补偿CMOS器件的工作电流变化量进行补偿调节，对外输出稳定的工作电流，可使得超薄柔性芯片中的CMOS器件始终保持稳定的电信号输出，可解决因第一方向或者第二方向的弯曲形变应力而导致的器件参数漂移和性能退化问题，提升了超薄柔性芯片的性能稳定性。

Description

一种电流补偿电路、电流补偿方法及超薄柔性芯片
技术领域
本发明涉及柔性电子技术领域，特别是涉及一种基于CMOS器件的电流补偿电路、电流补偿方法及超薄柔性芯片。
背景技术
柔性电子在智能穿戴、柔性显示、人工智能和物联网等新兴领域具有重要的应用前景。其中，硅基超薄芯片兼具传统芯片的高密度集成与柔性芯片可弯折形变的特点，是构建高性能柔性电子系统的最佳选择。但是，当柔性电子器件承受一定程度的形变应力时，产生的应变效应会引起器件电学参数出现漂移或退化，从而影响终端应用。
具体地，在研究CMOS器件的应力形变效应时，发明人发现：将常规硅基芯片的厚度减薄到一定程度后可使其具有机械柔性，弯曲形变应力会使超薄柔性CMOS器件的工作电流出现明显变化，其变化趋势及变化量与所承受的应力类型、应力大小以及应力方向均有直接关联；虽然单个CMOS器件的电参数变化量不大，但是多个CMOS器件电参数变化量的累计叠加不可忽视，这将导致由多个CMOS器件构成的反相器、环形振荡器、电流镜等超薄柔性模块电路的响应特性明显偏离预期情况。
由此可见，一旦超薄柔性器件电学参数的漂移变化量超出集成电路设计的容错范围，将使集成电路模块的输出信号出现偏差，严重影响柔性芯片系统的精度和性能稳定性。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于硅基超薄柔性芯片的CMOS器件工作电流调节补偿技术方案，以在一定程度上解决基于CMOS器件的柔性芯片系统中因弯曲形变应力而导致的参数漂移和性能退化问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案如下。
一种基于CMOS器件的电流补偿电路，对超薄柔性芯片内部待补偿CMOS器件的工作电流进行补偿调节，包括：
第一级CMOS模块，设置在所述超薄柔性芯片内，包括所述待补偿CMOS器件，对所述待补偿CMOS器件上由第一方向的单轴弯曲应力所引起的工作电流变化量进行补偿调节，得到并输出第一电流；
检测及反馈模块，设置在所述超薄柔性芯片内，接收所述第一电流并对所述第一电流进行转换，得到第一电压信号，接收参考电流并对所述参考电流进行转换，得到参考电压信号，还对所述第一电压信号与所述参考电压信号进行比较，得到并输出反馈信号；
第二级CMOS模块，设置在所述超薄柔性芯片内，与所述第一级CMOS模块、所述检测及反馈模块连接，在所述反馈信号的控制下，对所述第一级CMOS模块上由第二方向的单轴弯曲应力所引起的工作电流变化量进行补偿调节，其输出端与所述第一级CMOS模块的输出端接在一起后作为所述电流补偿电路的输出端，在所述电流补偿电路的输出端输出稳定的第二电流；
其中，在所述超薄柔性芯片的延展平面内，所述第一方向垂直于所述第二方向；所述超薄柔性芯片受所述单轴弯曲应力的作用，所述单轴弯曲应力沿所述第一方向设置或者所述单轴弯曲应力沿所述第二方向设置。
可选地，所述第一级CMOS模块包括第一PMOS单元及NMOS单元，所述第一PMOS单元的输入端接第一电压，所述第一PMOS单元的控制端接第二电压，所述NMOS单元的输入端接第三电压，所述NMOS单元的控制端接第四电压，所述第一PMOS单元的输出端与所述NMOS单元的输出端接在一起后作为所述第一级CMOS模块的输出端。
可选地，所述第一PMOS单元包括M个第一PMOS管，所述第一PMOS管的沟道电流方向沿所述第一方向设置，M为大于等于1的整数；当M等于1时，在所述第一PMOS单元中，所述第一PMOS管的源极作为所述第一PMOS单元的输入端，所述第一PMOS管的栅极作为所述第一PMOS单元的控制端，所述第一PMOS管的漏极作为所述第一PMOS单元的输出端；当M大于1时，在所述第一PMOS单元中，M个所述第一PMOS管并联设置，M个所述第一PMOS管的源极接在一起后作为所述第一PMOS单元的输入端，M个所述第一PMOS管的栅极接在一起后作为所述第一PMOS单元的控制端，M个所述第一PMOS管的漏极接在一起后作为所述第一PMOS单元的输出端。
可选地，所述NMOS单元包括N个NMOS管，所述NMOS管的沟道电流方向沿所述第一方向设置，N为大于等于1的整数；当N等于1时，在所述NMOS单元中，所述NMOS管的漏极作为所述NMOS单元的输入端，所述NMOS管的栅极作为所述NMOS单元的控制端，所述NMOS管的源极作为所述NMOS单元的输出端；当N大于1时，在所述NMOS单元中，N个所述NMOS管并联设置，N个所述NMOS管的漏极接在一起后作为所述NMOS单元的输入端，N个所述NMOS管的栅极接在一起后作为所述NMOS单元的控制端，N个所述NMOS管的源极接在一起后作为所述NMOS单元的输出端。
可选地，所述检测及反馈模块包括第一电阻、第二电阻、电流源及比较器，所述第一级CMOS模块的输出端经串接的所述第一电阻后对外输出，所述第一电阻与所述第一级CMOS模块的公共端处产生所述第一电压信号，所述电流源经串接的所述第二电阻后接地，所述电流源提供所述参考电流，所述第二电阻与所述电流源的公共端处产生所述参考电压信号，所述比较器的同相输入端接所述第一电压信号，所述比较器的反相输入端接所述参考电压信号，所述比较器的输出端输出所述反馈信号。
可选地，所述第二级CMOS模块包括第二PMOS单元，所述第二PMOS单元的输入端接所述第一电压，所述第二PMOS单元的控制端接所述反馈信号，所述第二PMOS单元的输出端作为所述第二级CMOS模块的输出端，所述第二PMOS单元的输出端接所述第一电阻与所述第一级CMOS模块的公共端，在所述第一电阻远离所述第一级CMOS模块的一端对外输出稳定的工作电流。
可选地，所述第二PMOS单元包括S个第二PMOS管，所述第二PMOS管的沟道电流方向沿所述第二方向设置，S为大于等于1的整数；当S等于1时，在所述第二PMOS单元中，所述第二PMOS管的源极作为所述第二PMOS单元的输入端，所述第二PMOS管的栅极作为所述第二PMOS单元的控制端，所述第二PMOS管的漏极作为所述第二PMOS单元的输出端；当S大于1时，在所述第二PMOS单元中，S个所述第二PMOS管并联设置，S个所述第二PMOS管的源极接在一起后作为所述第二PMOS单元的输入端，S个所述第二PMOS管的栅极接在一起后作为所述第二PMOS单元的控制端，S个所述第二PMOS管的漏极接在一起后作为所述第二PMOS单元的输出端。
可选地，所述待补偿CMOS器件为所述第一PMOS管或者所述NMOS管；所述第一PMOS单元的电参数特性与所述NMOS单元的电参数特性相同，在沿所述第一方向的单轴弯曲应力作用下，所述第一PMOS单元的工作电流变化量和所述NMOS单元的工作电流变化量相互抵消，在所述第一级CMOS模块内部实现了电流自补偿调节，对外输出稳定的工作电流；所述第一PMOS单元的电参数特性与所述第二PMOS单元的电参数特性相同，在沿所述第二方向的单轴弯曲应力作用下，所述第一PMOS单元的工作电流变化量和所述第二PMOS单元的工作电流变化量相互抵消，进而所述第一级CMOS模块的工作电流变化量和所述第二级CMOS模块的工作电流变化量相互抵消，对外输出稳定的工作电流。
一种基于CMOS器件的电流补偿方法，对超薄柔性芯片内部待补偿CMOS器件的工作电流进行补偿调节，包括：
提供超薄柔性芯片，所述超薄柔性芯片内部包括所述待补偿CMOS器件，所述待补偿CMOS器件的沟道电流方向沿第一方向设置，且所述待补偿CMOS器件工作在饱和区；
针对沿所述第一方向的单轴弯曲应力，提供第一CMOS补偿结构，将所述第一CMOS补偿结构设置在所述超薄柔性芯片内，所述第一CMOS补偿结构工作在饱和区，且所述第一CMOS补偿结构的沟道电流方向平行于所述待补偿CMOS器件的沟道电流方向；
在沿所述第一方向的单轴弯曲应力作用下，通过所述第一CMOS补偿结构的工作电流变化量对所述待补偿CMOS器件的工作电流变化量进行对冲抵消，对外输出稳定的第一电流；
针对沿所述第二方向的单轴弯曲应力，提供第二CMOS补偿结构，将所述第二CMOS补偿结构设置在所述超薄柔性芯片内，所述第二CMOS补偿结构工作在饱和区，且所述第二CMOS补偿结构的沟道电流方向垂直于所述待补偿CMOS器件的沟道电流方向；
在沿所述第二方向的单轴弯曲应力作用下，通过所述第二CMOS补偿结构的工作电流变化量对所述第一CMOS补偿结构的工作电流变化量与所述待补偿CMOS器件的工作电流变化量之和进行对冲抵消，对外输出稳定的第二电流；
其中，在所述超薄柔性芯片的延展平面内，所述第一方向垂直于所述第二方向；所述超薄柔性芯片受所述单轴弯曲应力的作用，所述单轴弯曲应力沿所述第一方向设置或者所述单轴弯曲应力沿所述第二方向设置。
一种基于CMOS器件的超薄柔性芯片，包括基板、功能集成电路及上述任一项所述的基于CMOS器件的电流补偿电路，所述功能集成电路及所述电流补偿电路分别设置在所述基板上，所述电流补偿电路与所述功能集成电路连接，所述功能集成电路包括待补偿CMOS器件，所述电流补偿电路也包括所述CMOS器件，所述电流补偿电路对所述待补偿CMOS器件的工作电流进行补偿调节。
可选地，所述功能集成电路包括i个所述待补偿CMOS器件，所述超薄柔性芯片包括i个所述电流补偿电路，i个所述电流补偿电路与i个所述待补偿CMOS器件一一对应进行工作电流补偿调节，其中，i为大于等于1的整数。
可选地，所述功能集成电路包括i个所述待补偿CMOS器件，所述超薄柔性芯片包括j个所述电流补偿电路，至少一个所述电流补偿电路同时对两个或以上的所述待补偿CMOS器件进行工作电流补偿调节，其中，i、j为大于等于1的整数且i大于j。
如上所述，本发明提供的基于CMOS器件的电流补偿电路、电流补偿方法及超薄柔性芯片，至少具有以下有益效果：
通过包括待补偿CMOS器件的第一级CMOS模块，能对待补偿CMOS器件上由第一方向的单轴弯曲应力所引起的工作电流变化量进行补偿调节，对外输出稳定的第一电流；通过第一级CMOS模块、检测及反馈模块、第二级CMOS模块的配合，能对第一级CMOS模块上由第二方向的单轴弯曲应力所引起的工作电流变化量进行补偿调节，对外输出稳定的第二电流；因此，通过“第一级CMOS模块+检测及反馈模块+第二级CMOS模块”的结构设计，能对沿第一方向或者第二方向的单轴弯曲应力作用下待补偿CMOS器件的工作电流变化量进行补偿调节，对外输出稳定的工作电流，进而可使得超薄柔性芯片中的CMOS器件始终保持稳定的电信号输出，可有效解决因第一方向或者第二方向的弯曲形变应力而导致的器件参数漂移和性能退化问题，明显提升了超薄柔性芯片的性能稳定性。
附图说明
图1显示为PMOS器件在单轴弯曲应力作用下的工作电流变化量示意图。
图2显示为NMOS器件在单轴弯曲应力作用下的工作电流变化量示意图。
图3显示为本发明中基于CMOS器件的电流补偿电路的结构框图。
图4显示为本发明一可选实施例中基于CMOS器件的电流补偿电路的电路图。
图5显示为本发明另一可选实施例中基于CMOS器件的电流补偿电路的电路图。
图6显示为本发明又一可选实施例中基于CMOS器件的电流补偿电路的电路图。
图7显示为本发明再一可选实施例中基于CMOS器件的电流补偿电路的电路图。
图8显示为本发明一可选实施例中超薄柔性芯片的结构示意图。
图9显示为本发明另一可选实施例中超薄柔性芯片的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
如前述在背景技术中所提及的，发明人研究发现：将常规硅基芯片的厚度减薄至50μm以下可使其具有机械柔性，弯曲形变应力会使超薄柔性CMOS器件的工作电流出现明显变化，其变化趋势及变化量与所承受的应力类型(张/压应力、单/双轴应力)、应力大小(曲率半径R、应变量ε)以及应力方向(相对于器件沟道电流方向)均有直接关联。对于单轴弯曲应力，PMOS器件表现出较高的应力方向敏感性，在沿平行于沟道电流方向和垂直于沟道电流方向的应力作用下具有相反的电参数变化量，而NMOS器件只在平行于沟道电流方向的应力作用下有明显的电参数变化。单个CMOS器件的电参数变化量可超过10％，导致由多个CMOS器件构成的反相器、环形振荡器、电流镜等超薄柔性单元电路也出现响应特性偏离预期的情况，使得输出信号出现偏差，严重影响了超薄柔性芯片系统的精度与性能稳定性。
详细地，如图1所示，当单轴压应力大小一定且PMOS器件工作在饱和区时，PMOS器件在沿平行于沟道电流方向的单轴压应力作用下的电参数变化量(主要指工作电流的变化量)为正，PMOS器件在沿垂直于沟道电流方向的单轴压应力作用下的电参数变化量为负，且在沿所述两个方向的单轴压应力作用下电参数变化量大小相等；类似的，当单轴张应力大小一定且PMOS器件工作在饱和区时，PMOS器件在沿平行于沟道电流方向的单轴张应力作用下的电参数变化量为负，PMOS器件在垂直于沟道电流方向的单轴张应力作用下的电参数变化量为正，且在沿所述两个方向的单轴张应力作用下电参数变化量大小相等。
详细地，如图2所示，NMOS器件只在沿平行于沟道电流方向的单轴压应力或者单轴张应力作用下有明显的电参数变化，NMOS器件在沿垂直于沟道电流方向的单轴压应力或者单轴张应力作用下的电参数变化量可忽略不计，NMOS器件在平行于沟道电流方向的单轴压应力作用下的电参数变化量为负，NMOS器件在平行于沟道电流方向的单轴张应力作用下的电参数变化量为正，且单轴压应力与单轴张应力大小相等时对应的电参数变化量大小相等。
更详细地，如图1所示，在平行于沟道电流方向或者垂直于沟道电流方向的单轴压应力(或者单轴张应力)作用下，PMOS器件的饱和漏极电流(即工作电流)相对变化量ΔIdsat与弯曲曲率(1/R)或者相对应变量ε近似呈线性关系；如图2所示，在平行于沟道电流方向的单轴压应力(或者单轴张应力)作用下，NMOS器件的饱和漏极电流(即工作电流)相对变化量ΔIdsat与弯曲曲率(1/R)或者相对应变量ε近似呈线性关系。
基于此，本发明提出一种超薄柔性芯片中CMOS器件的工作电流补偿调节技术方案：针对待补偿CMOS器件，设计一个基于PMOS管和NMOS管且包括待补偿CMOS器件的第一级CMOS模块，其中，PMOS管的沟道电流方向和NMOS管的沟道电流方向均沿第一方向设置，使得在沿第一方向的单轴弯曲应力作用下PMOS管的沟道电流变化量和NMOS管的沟道电流变化量相互抵消，实现第一级CMOS模块电流自补偿调节，以对待补偿CMOS器件在沿第一方向的单轴弯曲应力作用下的沟道电流变化量进行补偿调节；在第一级CMOS模块的基础上，针对与第一方向垂直的第二方向上的单轴弯曲应力，引入基于PMOS管的第二级CMOS模块，该PMOS管的沟道电流方向沿第二方向设置，使得在沿第二方向的单轴弯曲应力作用下第一级CMOS模块中PMOS管的沟道电流变化量和第二级CMOS模块中PMOS管的沟道电流变化量相互抵消，通过第一级CMOS模块和第二级CMOS模块共同实现电流的补偿调节，以对待补偿CMOS器件在沿第二方向的单轴弯曲应力作用下的沟道电流变化量进行补偿调节。
首先，如图3所示，本发明提供一种基于CMOS器件的电流补偿电路，对超薄柔性芯片内部待补偿CMOS器件的工作电流进行补偿调节，其包括：
第一级CMOS模块1，设置在超薄柔性芯片内，包括待补偿CMOS器件，对待补偿CMOS器件上由第一方向(即Y轴方向)的单轴弯曲应力所引起的工作电流变化量进行补偿调节，得到并输出第一电流Iout1；
检测及反馈模块2，设置在超薄柔性芯片内，接收第一电流Iout1并对第一电流Iout1进行转换，得到第一电压信号V1，接收参考电流并对参考电流进行转换，得到参考电压信号VREF，还对第一电压信号V1与参考电压信号VREF进行比较，得到并输出反馈信号VB；
第二级CMOS模块3，设置在超薄柔性芯片内，与第一级CMOS模块1、检测及反馈模块2连接，在反馈信号VB的控制下，对第一级CMOS模块1上由第二方向(即X轴方向)的单轴弯曲应力所引起的工作电流变化量进行补偿调节，其输出端与第一级CMOS模块1的输出端接在一起后作为电流补偿电路的输出端，在电流补偿电路的输出端输出稳定的第二电流Iout2；
其中，在超薄柔性芯片的延展平面(即XY平面)内，第一方向垂直于第二方向；超薄柔性芯片受单轴弯曲应力的作用，单轴弯曲应力沿第一方向设置或者单轴弯曲应力沿第二方向设置。
详细地，如图4所示，第一级CMOS模块1包括第一PMOS单元11及NMOS单元12，第一PMOS单元11的输入端接第一电压VDD1，第一PMOS单元11的控制端接第二电压VS1，NMOS单元12的输入端接第三电压VDD2，NMOS单元12的控制端接第四电压VS2，第一PMOS单元11的输出端与NMOS单元12的输出端接在一起后作为第一级CMOS模块1的输出端，第一PMOS单元11的输出端输出第一工作电流I1，NMOS单元12的输出端输出第二工作电流I2，第一级CMOS模块1的输出端对外输出第一电流Iout1，Iout1＝I1+I2。
更详细地，第一PMOS单元11包括M个第一PMOS管，第一PMOS管的沟道电流方向沿第一方向设置，M为大于等于1的整数；NMOS单元12包括N个NMOS管，NMOS管的沟道电流方向沿第一方向设置，N为大于等于1的整数；第一PMOS管及NMOS管均工作在饱和区。
在本发明的一可选实施例中，如图4所示，M等于1，第一PMOS单元11仅包括一个第一PMOS管，即第一PMOS管P1，在第一PMOS单元11中，第一PMOS管P1的源极作为第一PMOS单元11的输入端，第一PMOS管P1的源极接第一电压VDD1，第一PMOS管P1的栅极作为第一PMOS单元11的控制端，第一PMOS管P1的栅极接第二电压VS1，第一PMOS管P1的漏极作为第一PMOS单元11的输出端，第一PMOS管P1的漏极输出第一工作电流I1；N等于1，NMOS单元12仅包括一个NMOS管，即NMOS管N1，在NMOS单元12中，NMOS管N1的漏极作为NMOS单元12的输入端，NMOS管N1的漏极接第三电压VDD2，NMOS管N1的栅极作为NMOS单元12的控制端，NMOS管N1的栅极接第四电压VS2，NMOS管N1的源极作为NMOS单元12的输出端，NMOS管N1的源极输出第二工作电流I2。
在本发明的一可选实施例中，如图5所示，M大于1，第一PMOS单元11包括两个或两个以上的第一PMOS管，即第一PMOS管P11、…、P1M，在第一PMOS单元11中，M个第一PMOS管并联设置，M个第一PMOS管的源极接在一起后作为第一PMOS单元的输入端，M个第一PMOS管的源极接第一电压VDD1，M个第一PMOS管的栅极接在一起后作为第一PMOS单元的控制端，M个第一PMOS管的栅极接第二电压VS1，M个第一PMOS管的漏极接在一起后作为第一PMOS单元的输出端，M个第一PMOS管的漏极接在一起后对外输出第一工作电流I1。
在本发明的一可选实施例中，如图6所示，N大于1，NMOS单元12包括两个或两个以上的NMOS管，即NMOS管N11、…、N1N，在NMOS单元12中，N个NMOS管并联设置，N个NMOS管的漏极接在一起后作为NMOS单元12的输入端，N个NMOS管的漏极接第三电压VDD2，N个NMOS管的栅极接在一起后作为NMOS单元12的控制端，N个NMOS管的栅极接第四电压VS2，N个NMOS管的源极接在一起后作为NMOS单元12的输出端，N个NMOS管的源极接在一起后对外输出第二工作电流I2。
详细地，如图4-图6所示，检测及反馈模块2包括第一电阻R1、第二电阻R2、电流源I0及比较器U1，第一级CMOS模块1的输出端经串接的第一电阻R1后对外输出，第一电阻R1与第一级CMOS模块1的公共端处产生第一电压信号V1，电流源I0经串接的第二电阻R2后接地，电流源I0提供参考电流I0，第二电阻R2与电流源I0的公共端处产生参考电压信号VREF，比较器U1的同相输入端接第一电压信号V1，比较器U1的反相输入端接参考电压信号VREF，比较器U1的输出端输出反馈信号VB。其中，第一电阻R1的阻值等于第二电阻R2的阻值。
更详细地，如图4-图6所示，检测及反馈模块2接收第一电流Iout1并对第一电流Iout1进行转换，得到第一电压信号V1，接收参考电流I0并对参考电流I0进行转换，得到参考电压信号VREF，还对第一电压信号V1与参考电压信号VREF进行比较，得到并输出反馈信号VB。
详细地，如图4-图6所示，第二级CMOS模块3包括第二PMOS单元31，第二PMOS单元31的输入端接第一电压VDD1，第二PMOS单元31的控制端接反馈信号VB，第二PMOS单元31的输出端作为第二级CMOS模块3的输出端，第二PMOS单元31的输出端接第一电阻R1与第一级CMOS模块1的公共端，在第一电阻R1远离第一级CMOS模块1的一端对外输出稳定的工作电流，即第二电流Iout2。
更详细地，第二PMOS单元31包括S个第二PMOS管，第二PMOS管的沟道电流方向沿第二方向设置，S为大于等于1的整数；第二PMOS管工作在饱和区。
在本发明的一可选实施例中，如图4-图6所示，S等于1，第二PMOS单元31仅包括一个第二PMOS管，即第二PMOS管P2，在第二PMOS单元31中，第二PMOS管P2的源极作为第二PMOS单元31的输入端，第二PMOS管P2的源极接第一电压VDD1，第二PMOS管P2的栅极作为第二PMOS单元31的控制端，第二PMOS管P2的栅极接反馈信号VB，第二PMOS管P2的漏极作为第二PMOS单元31的输出端，第二PMOS管P2的漏极输出第三工作电流I3。
在本发明的一可选实施例中，如图7所示，S大于1，第二PMOS单元31包括两个或两个以上的第二PMOS管，即第二PMOS管P21、…、P2S，在第二PMOS单元31中，S个第二PMOS管并联设置，S个第二PMOS管的源极接在一起后作为第二PMOS单元31的输入端，S个第二PMOS管的源极接第一电压VDD1，S个第二PMOS管的栅极接在一起后作为第二PMOS单元31的控制端，S个第二PMOS管的栅极接反馈信号VB，S个第二PMOS管的漏极接在一起后作为第二PMOS单元31的输出端，S个第二PMOS管的漏极接在一起后对外输出第三工作电流I3。
需要说明的是，待补偿CMOS器件为第一级CMOS模块1中的第一PMOS管或者NMOS管；第一PMOS单元11的电参数特性与NMOS单元12的电参数特性相同，在沿第一方向的单轴弯曲应力作用下，第一PMOS单元11的工作电流变化量和NMOS单元12的工作电流变化量相互抵消，在第一级CMOS模块1内部实现了电流自补偿调节，对外输出稳定的工作电流，即稳定的第一电流Iout1；第一PMOS单元11的电参数特性与第二PMOS单元31的电参数特性相同，在沿第二方向的单轴弯曲应力作用下，第一PMOS单元11的工作电流变化量和第二PMOS单元31的工作电流变化量相互抵消，进而第一级CMOS模块1的工作电流变化量和第二级CMOS模块3的工作电流变化量相互抵消，对外输出稳定的工作电流，即稳定的第二电流Iout2。
更详细地，如图4-图7所示，所述基于CMOS器件的电流补偿电路的工作原理如下：
1)、当超薄柔性芯片仅受到沿第一方向的单轴弯曲压应力作用时，由于第一PMOS单元11的电参数特性与NMOS单元12的电参数特性相同，二者对应的等效CMOS管在正常工作时的工作电流大小相等，且在同一个单轴弯曲应力作用下的工作电流变化量相等，假定没有应力作用时第一PMOS单元11的工作电流为I，在沿第一方向的单轴弯曲压应力作用下第一PMOS单元11的工作电流变化量为+ΔI，则在沿第一方向的单轴弯曲压应力作用下第一PMOS单元11的工作电流I1＝I+ΔI，与此对应的，没有应力作用时NMOS单元12的工作电流为I，在沿第一方向的单轴弯曲压应力作用下NMOS单元12的工作电流变化量为-ΔI，则在沿第一方向的单轴弯曲压应力作用下NMOS单元12的工作电流I2＝I-ΔI；因此，在沿第一方向的单轴弯曲压应力作用下，第一PMOS单元11的工作电流变化量和NMOS单元12的工作电流变化量相互抵消，在第一级CMOS模块1内部实现了电流自补偿调节，对外输出稳定的工作电流，即稳定的第一电流Iout1＝I1+I2＝I+ΔI+I-ΔI＝2I，此时不需要开启第二级CMOS模块进行额外的补偿，参考电流I0略小于2I且大于2I-ΔI，第一电流Iout1经第一电阻R1到地构成回路，参考电流I0经第二电阻R2到地构成回路，且第一电阻R1的阻值等于第二电阻R2的阻值，则对应电流-电压转换得到的参考电压信号VREF小于第一电压信号V1，检测及反馈模块2输出的反馈信号VB为高电平，第二PMOS单元31关闭，最终输出的第二电流Iout2＝Iout1＝2I。
2)、当超薄柔性芯片仅受到沿第二方向的单轴弯曲压应力作用时，由于NMOS单元12对应的等效NMOS管的工作电流变化量可忽略不计，而第一PMOS单元11对应的等效PMOS管的工作电流变化量为-ΔI，第一级CMOS模块1对外输出的第一电流Iout1＝I1+I2＝2I-ΔI，此时在第一级CMOS模块1内部无法实现电流自补偿调节，需要通过检测及反馈模块2开启第二级CMOS模块3，在检测及反馈模块2中，第一电流Iout1经第一电阻R1到地构成回路，参考电流I0经第二电阻R2到地构成回路，且第一电阻R1的阻值等于第二电阻R2的阻值，则对应电流-电压转换得到的参考电压信号VREF大于第一电压信号V1，检测及反馈模块2输出的反馈信号VB为低电平，第二PMOS单元31开启，由于第一PMOS单元11的电参数特性与第二PMOS单元31的电参数特性相同，与此对应的，在没有应力作用时第二PMOS单元31的工作电流为I，在沿第二方向的单轴弯曲压应力作用下第二PMOS单元31的工作电流变化量为+ΔI，第二PMOS单元31输出的工作电流I3＝I+ΔI，则在沿第二方向的单轴弯曲压应力作用下，第一PMOS单元11的工作电流变化量和第二PMOS单元31的工作电流变化量相互抵消，进而第一级CMOS模块1的工作电流变化量和第二级CMOS模块3的工作电流变化量相互抵消，对外输出稳定的工作电流Iout2＝Iout1+I3＝2I-ΔI+I+ΔI＝3I。
其中，上述仅仅是基于单轴弯曲压应力的作用对所述基于CMOS器件的电流补偿电路的工作原理进行了说明，对于单轴弯曲张应力的作用可照此进行解释说明，在此不再赘述。
需要说明的是，在本发明中，第一PMOS单元11可以等效为一个PMOS管，第二PMOS单元31也可以等效为一个PMOS管，NMOS单元12可以等效为一个NMOS管；“第一PMOS单元11的电参数特性与第二PMOS单元31的电参数特性相同”是指二者对应的等效PMOS管的电参数特性相同，当沟道电流方向一样时，二者对应的等效PMOS管在相同驱动电压下的工作电流大小相等，且在同一个单轴弯曲应力作用下的工作电流变化量相等，使得第一PMOS单元11对应的沟道电流方向沿第一方向设置的等效PMOS管与第二PMOS单元31对应的沟道电流方向沿第二方向设置的等效PMOS管在相同驱动电压下的工作电流大小相等，且在同一个单轴弯曲应力作用下的工作电流变化量大小相等、方向相反。
其次，基于上述电流补偿电路，本发明还提供一种基于CMOS器件的电流补偿方法，对超薄柔性芯片内部待补偿CMOS器件的工作电流进行补偿调节，其包括步骤：
S1、提供超薄柔性芯片，超薄柔性芯片内部包括待补偿CMOS器件，待补偿CMOS器件的沟道电流方向沿第一方向设置，且待补偿CMOS器件工作在饱和区；
S2、针对沿第一方向的单轴弯曲应力，提供第一CMOS补偿结构，将第一CMOS补偿结构设置在超薄柔性芯片内，第一CMOS补偿结构工作在饱和区，且第一CMOS补偿结构的沟道电流方向平行于待补偿CMOS器件的沟道电流方向；
S3、在沿第一方向的单轴弯曲应力作用下，通过第一CMOS补偿结构的工作电流变化量对待补偿CMOS器件的工作电流变化量进行对冲抵消，对外输出稳定的第一电流；
S4、针对沿第二方向的单轴弯曲应力，提供第二CMOS补偿结构，将第二CMOS补偿结构设置在超薄柔性芯片内，第二CMOS补偿结构工作在饱和区，且第二CMOS补偿结构的沟道电流方向垂直于待补偿CMOS器件的沟道电流方向；
S5、在沿第二方向的单轴弯曲应力作用下，通过第二CMOS补偿结构的工作电流变化量对第一CMOS补偿结构的工作电流变化量与待补偿CMOS器件的工作电流变化量之和进行对冲抵消，对外输出稳定的第二电流；
其中，在超薄柔性芯片的延展平面内，第一方向垂直于第二方向；超薄柔性芯片受单轴弯曲应力的作用，单轴弯曲应力沿第一方向设置或者单轴弯曲应力沿第二方向设置。
在上述方法中，利用“在正常工作时，在沿平行于沟道电流方向的同一个单轴弯曲应力作用下，PMOS器件的电参数变化量与NMOS器件的电参数变化量大小相等、方向相反”原理以及“在相同的驱动电压下，PMOS器件在沿平行于沟道电流方向和垂直于沟道电流方向的、大小相同的单轴弯曲应力作用下的电参数变化量大小相等、方向相反”原理，对待补偿CMOS器件在沿第一方向或者第二方向的单轴弯曲应力作用下的工作电流变化量进行补偿调节，使得待补偿CMOS器件输出稳定的工作电流，进而使得超薄柔性芯片中的CMOS器件始终保持稳定的电信号输出，可有效解决因第一方向或者第二方向的弯曲形变应力而导致的器件参数漂移和性能退化问题，明显提升了超薄柔性芯片的性能稳定性。
最后，基于上述电流补偿电路，本发明还提供一种基于CMOS器件的超薄柔性芯片，如图8-图9所示，其包括基板10、功能集成电路20及上述基于CMOS器件的电流补偿电路30，功能集成电路20及电流补偿电路30分别设置在基板10上，电流补偿电路30与功能集成电路20连接，功能集成电路20包括待补偿CMOS器件，电流补偿电路30也包括所述CMOS器件，电流补偿电路30对待补偿CMOS器件的工作电流进行补偿调节。
详细地，在本发明的一可选实施例中，如图8所示，功能集成电路20包括2个待补偿CMOS器件(即PMOS管P01和PMOS管P02)和2个电流补偿电路30，2个电流补偿电路30与2个待补偿CMOS器件一一对应进行工作电流补偿调节，对外输出稳定的工作电流。可以理解的是，除了图8所示的2个待补偿CMOS器件，功能集成电路20还可以包括i个待补偿CMOS器件，与此对应地，硅基超薄柔性芯片包括i个电流补偿电路30，i个电流补偿电路30与i个待补偿CMOS器件一一对应进行工作电流补偿调节，i为大于等于1的整数。
详细地，在本发明的一可选实施例中，如图9所示，功能集成电路20包括2个待补偿CMOS器件(即PMOS管P01和NMOS管N01)和1个电流补偿电路30，1个电流补偿电路30同时对2个待补偿CMOS器件进行工作电流补偿调节，对外输出稳定的工作电流。可以理解的是，除了图9所示的2个待补偿CMOS器件，功能集成电路20还可以包括i个待补偿CMOS器件，与此对应地，硅基超薄柔性芯片包括j个电流补偿电路30，至少一个电流补偿电路30同时对两个或两个以上的待补偿CMOS器件进行工作电流补偿调节，i为大于等于1的整数且i大于j。
需要说明的是，在本发明中出现了PMOS器件、NMOS器件、CMOS器件、PMOS管及NMOS管，严格意义上说，CMOS器件包括PMOS器件和NMOS器件，PMOS器件可以等同于PMOS管，NMOS器件可以等同于NMOS管，在本发明中为了强调待补偿调节的对象，特意用了待补偿CMOS器件从字面意义上进行区分。
同时，在上述实施例中，仅仅示出了对待补偿CMOS器件的工作电流进行补偿调节的技术方案，可以理解的是，基于待补偿CMOS器件工作电流的补偿调节，也可以补偿调节基于该工作电流的电压(如电流转电压，作为运放的输入信号)，还可以补偿调节其它基于该工作电流的更复杂的电参数，在此不再赘述。
综上所述，在本发明提供的基于CMOS器件的电流补偿电路、电流补偿方法及超薄柔性芯片中，通过包括待补偿CMOS器件的第一级CMOS模块，能对待补偿CMOS器件上由第一方向的单轴弯曲应力所引起的工作电流变化量进行补偿调节，对外输出稳定的第一电流；通过第一级CMOS模块、检测及反馈模块、第二级CMOS模块的配合，能对第一级CMOS模块上由第二方向的单轴弯曲应力所引起的工作电流变化量进行补偿调节，对外输出稳定的第二电流；因此，通过“第一级CMOS模块+检测及反馈模块+第二级CMOS模块”的结构设计，能对沿第一方向或者第二方向的单轴弯曲应力作用下待补偿CMOS器件的工作电流变化量进行补偿调节，对外输出稳定的工作电流，进而可使得超薄柔性芯片中的CMOS器件始终保持稳定的电信号输出，可有效解决因第一方向或者第二方向的弯曲形变应力而导致的器件参数漂移和性能退化问题，明显提升了超薄柔性芯片的性能稳定性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种基于CMOS器件的电流补偿电路，其特征在于，对超薄柔性芯片内部待补偿CMOS器件的工作电流进行补偿调节，包括：
第一级CMOS模块，设置在所述超薄柔性芯片内，包括所述待补偿CMOS器件，对所述待补偿CMOS器件上由第一方向的单轴弯曲应力所引起的工作电流变化量进行补偿调节，得到并输出第一电流；
检测及反馈模块，设置在所述超薄柔性芯片内，接收所述第一电流并对所述第一电流进行转换，得到第一电压信号，接收参考电流并对所述参考电流进行转换，得到参考电压信号，还对所述第一电压信号与所述参考电压信号进行比较，得到并输出反馈信号；
第二级CMOS模块，设置在所述超薄柔性芯片内，与所述第一级CMOS模块、所述检测及反馈模块连接，在所述反馈信号的控制下，对所述第一级CMOS模块上由第二方向的单轴弯曲应力所引起的工作电流变化量进行补偿调节，其输出端与所述第一级CMOS模块的输出端接在一起后作为所述电流补偿电路的输出端，在所述电流补偿电路的输出端输出稳定的第二电流；
其中，在所述超薄柔性芯片的延展平面内，所述第一方向垂直于所述第二方向；所述超薄柔性芯片受所述单轴弯曲应力的作用，所述单轴弯曲应力沿所述第一方向设置或者所述单轴弯曲应力沿所述第二方向设置。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS器件的电流补偿电路，其特征在于，所述第一级CMOS模块包括第一PMOS单元及NMOS单元，所述第一PMOS单元的输入端接第一电压，所述第一PMOS单元的控制端接第二电压，所述NMOS单元的输入端接第三电压，所述NMOS单元的控制端接第四电压，所述第一PMOS单元的输出端与所述NMOS单元的输出端接在一起后作为所述第一级CMOS模块的输出端。
3.根据权利要求2所述的基于CMOS器件的电流补偿电路，其特征在于，所述第一PMOS单元包括M个第一PMOS管，所述第一PMOS管的沟道电流方向沿所述第一方向设置，M为大于等于1的整数；当M等于1时，在所述第一PMOS单元中，所述第一PMOS管的源极作为所述第一PMOS单元的输入端，所述第一PMOS管的栅极作为所述第一PMOS单元的控制端，所述第一PMOS管的漏极作为所述第一PMOS单元的输出端；当M大于1时，在所述第一PMOS单元中，M个所述第一PMOS管并联设置，M个所述第一PMOS管的源极接在一起后作为所述第一PMOS单元的输入端，M个所述第一PMOS管的栅极接在一起后作为所述第一PMOS单元的控制端，M个所述第一PMOS管的漏极接在一起后作为所述第一PMOS单元的输出端。
4.根据权利要求3所述的基于CMOS器件的电流补偿电路，其特征在于，所述NMOS单元包括N个NMOS管，所述NMOS管的沟道电流方向沿所述第一方向设置，N为大于等于1的整数；当N等于1时，在所述NMOS单元中，所述NMOS管的漏极作为所述NMOS单元的输入端，所述NMOS管的栅极作为所述NMOS单元的控制端，所述NMOS管的源极作为所述NMOS单元的输出端；当N大于1时，在所述NMOS单元中，N个所述NMOS管并联设置，N个所述NMOS管的漏极接在一起后作为所述NMOS单元的输入端，N个所述NMOS管的栅极接在一起后作为所述NMOS单元的控制端，N个所述NMOS管的源极接在一起后作为所述NMOS单元的输出端。
5.根据权利要求4所述的基于CMOS器件的电流补偿电路，其特征在于，所述检测及反馈模块包括第一电阻、第二电阻、电流源及比较器，所述第一级CMOS模块的输出端经串接的所述第一电阻后对外输出，所述第一电阻与所述第一级CMOS模块的公共端处产生所述第一电压信号，所述电流源经串接的所述第二电阻后接地，所述电流源提供所述参考电流，所述第二电阻与所述电流源的公共端处产生所述参考电压信号，所述比较器的同相输入端接所述第一电压信号，所述比较器的反相输入端接所述参考电压信号，所述比较器的输出端输出所述反馈信号。
6.根据权利要求5所述的基于CMOS器件的电流补偿电路，其特征在于，所述第二级CMOS模块包括第二PMOS单元，所述第二PMOS单元的输入端接所述第一电压，所述第二PMOS单元的控制端接所述反馈信号，所述第二PMOS单元的输出端作为所述第二级CMOS模块的输出端，所述第二PMOS单元的输出端接所述第一电阻与所述第一级CMOS模块的公共端，在所述第一电阻远离所述第一级CMOS模块的一端对外输出稳定的工作电流。
7.根据权利要求6所述的基于CMOS器件的电流补偿电路，其特征在于，所述第二PMOS单元包括S个第二PMOS管，所述第二PMOS管的沟道电流方向沿所述第二方向设置，S为大于等于1的整数；当S等于1时，在所述第二PMOS单元中，所述第二PMOS管的源极作为所述第二PMOS单元的输入端，所述第二PMOS管的栅极作为所述第二PMOS单元的控制端，所述第二PMOS管的漏极作为所述第二PMOS单元的输出端；当S大于1时，在所述第二PMOS单元中，S个所述第二PMOS管并联设置，S个所述第二PMOS管的源极接在一起后作为所述第二PMOS单元的输入端，S个所述第二PMOS管的栅极接在一起后作为所述第二PMOS单元的控制端，S个所述第二PMOS管的漏极接在一起后作为所述第二PMOS单元的输出端。
8.根据权利要求7所述的基于CMOS器件的电流补偿电路，其特征在于，所述待补偿CMOS器件为所述第一PMOS管或者所述NMOS管；所述第一PMOS单元的电参数特性与所述NMOS单元的电参数特性相同，在沿所述第一方向的单轴弯曲应力作用下，所述第一PMOS单元的工作电流变化量和所述NMOS单元的工作电流变化量相互抵消，在所述第一级CMOS模块内部实现了电流自补偿调节，对外输出稳定的工作电流；所述第一PMOS单元的电参数特性与所述第二PMOS单元的电参数特性相同，在沿所述第二方向的单轴弯曲应力作用下，所述第一PMOS单元的工作电流变化量和所述第二PMOS单元的工作电流变化量相互抵消，进而所述第一级CMOS模块的工作电流变化量和所述第二级CMOS模块的工作电流变化量相互抵消，对外输出稳定的工作电流。
9.一种基于CMOS器件的电流补偿方法，对超薄柔性芯片内部待补偿CMOS器件的工作电流进行补偿调节，其特征在于，包括：
提供超薄柔性芯片，所述超薄柔性芯片内部包括所述待补偿CMOS器件，所述待补偿CMOS器件的沟道电流方向沿第一方向设置，且所述待补偿CMOS器件工作在饱和区；
针对沿所述第一方向的单轴弯曲应力，提供第一CMOS补偿结构，将所述第一CMOS补偿结构设置在所述超薄柔性芯片内，所述第一CMOS补偿结构工作在饱和区，且所述第一CMOS补偿结构的沟道电流方向平行于所述待补偿CMOS器件的沟道电流方向；
在沿所述第一方向的单轴弯曲应力作用下，通过所述第一CMOS补偿结构的工作电流变化量对所述待补偿CMOS器件的工作电流变化量进行对冲抵消，对外输出稳定的第一电流；
针对沿第二方向的单轴弯曲应力，提供第二CMOS补偿结构，将所述第二CMOS补偿结构设置在所述超薄柔性芯片内，所述第二CMOS补偿结构工作在饱和区，且所述第二CMOS补偿结构的沟道电流方向垂直于所述待补偿CMOS器件的沟道电流方向；
在沿所述第二方向的单轴弯曲应力作用下，通过所述第二CMOS补偿结构的工作电流变化量对所述第一CMOS补偿结构的工作电流变化量与所述待补偿CMOS器件的工作电流变化量之和进行对冲抵消，对外输出稳定的第二电流；
其中，在所述超薄柔性芯片的延展平面内，所述第一方向垂直于所述第二方向；所述超薄柔性芯片受所述单轴弯曲应力的作用，所述单轴弯曲应力沿所述第一方向设置或者所述单轴弯曲应力沿所述第二方向设置。
10.一种基于CMOS器件的超薄柔性芯片，其特征在于，包括基板、功能集成电路及权利要求1-8中任一项所述的基于CMOS器件的电流补偿电路，所述功能集成电路及所述电流补偿电路分别设置在所述基板上，所述电流补偿电路与所述功能集成电路连接，所述功能集成电路包括待补偿CMOS器件，所述电流补偿电路也包括所述CMOS器件，所述电流补偿电路对所述待补偿CMOS器件的工作电流进行补偿调节。
11.根据权利要求10所述的基于CMOS器件的超薄柔性芯片，其特征在于，所述功能集成电路包括i个所述待补偿CMOS器件，所述超薄柔性芯片包括i个所述电流补偿电路，i个所述电流补偿电路与i个所述待补偿CMOS器件一一对应进行工作电流补偿调节，其中，i为大于等于1的整数。
12.根据权利要求10所述的基于CMOS器件的超薄柔性芯片，其特征在于，所述功能集成电路包括i个所述待补偿CMOS器件，所述超薄柔性芯片包括j个所述电流补偿电路，至少一个所述电流补偿电路同时对两个或以上的所述待补偿CMOS器件进行工作电流补偿调节，其中，i、j为大于等于1的整数且i大于j。
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