單片集成MEMS電容式壓力傳感器研究.pdf

1、目前,硅壓力傳感器正朝著低成本、低功耗、微型化、智能化的方向發(fā)展,而單片集成是實現(xiàn)以上趨勢的有效途徑。硅壓阻式傳感器和電容式傳感器是壓力傳感器的兩種主要類型。與前者比較,電容式傳感器具有高靈敏度、低功耗、低溫票等優(yōu)點,但是壓阻式傳感器更容易實現(xiàn)單片集成,原因在于它不存在從密封腔內(nèi)引出電極的問題。目前單片集成電容式傳感器主要采用CMOS工藝與表面微機械相結(jié)合的方式制造。使用這種方式制造的傳感器除了工藝復(fù)雜以外,犧牲層釋放時的粘連性問題也降

2、低了傳感器的成品率。此外通過該方法加工的電容式傳感器,通過電容極板間距的變化來響應(yīng)壓力的變化,由于電容值與極極間距呈反比,該類型電容具有很大的非線性。 本文設(shè)計了一種固體式電容壓力傳感器,傳感器由多晶硅/二氧化硅/N阱硅等三層膜組成,該傳感器電容結(jié)構(gòu)與CMOS工藝中的MOS電容相同,因而完全與CMOS工藝兼容。該傳感器還避免了密封腔內(nèi)電極引出的問題,簡化了工藝步驟,提高了傳感器的可靠性。使用有限元方法對傳感器復(fù)合膜的機械特性以及

3、靈敏度進行了分析。設(shè)計并制造了1000μm、1200μm、1400μm、1500μm等四種不同邊長多層膜壓力傳感器,在460hPa到1060hPa的動態(tài)范圍,相應(yīng)靈敏度分別為1.8 fF/hPa、2.3 fF/hPa、3.6 fF/hPa、4.6fF/hPa。對于邊長為1000μm傳感器,其靈敏度為1.8fF/hPa,全程非線性度約為5％,在460-660hPa、660-860hPa以及860-1060hPa分段壓力范圍,相應(yīng)的局部非線

4、性度分別約為2.2％、2.7％、3.9％。對于邊長為1500μm傳感器,其靈敏度為4.6fF/hPa,全程非線性度為6.4％,最大滯回誤差為3.6％。分析結(jié)果表明：介電常數(shù)變化使電容減小,而極板的幾何形變使電容值增加,兩者變化趨勢恰好相反,同時介電常數(shù)變化是引起電容變化的主要原因,極板間距變化對電容靈敏度的貢獻可忽略。 本研究采用的接口電路基于振蕩原理,它將電容轉(zhuǎn)化為頻率,完成電容檢測。接口電路主要由兩部分組成：電容-頻率轉(zhuǎn)化電

5、路和差頻電路。電容-頻率轉(zhuǎn)化電路通過張馳振蕩器實現(xiàn),用于將電容轉(zhuǎn)化為與之相關(guān)的頻率。差頻電路用于實現(xiàn)兩個頻率之差,該級電路的作用是使用類似“差分”方法,消除了溫度,寄生等共模干擾對電路穩(wěn)定性的影響。這部分電路利用D觸發(fā)器實現(xiàn)。測試結(jié)果表明：接口電路精度約為11Hz/fF。集成傳感器采用標準CMOS工藝和后處理工藝相結(jié)合的方法加工。后處理工藝主要包括：體硅背面刻蝕,PN結(jié)自停止腐蝕和陽極鍵合。采用Post-CMOS微機械加工技術(shù)制造傳感器

6、,保證了CMOS工藝次序不被打斷。與普通電容式傳感器比較,該傳感器具有以下特點：(1)避免了密封腔極板電極引出,簡化了工藝步驟,而且該電容傳感器與CMOS工藝完全兼容。(2)傳感器主要因為電容介質(zhì)層介電常數(shù)變化引起電容變化,具有較高的靈敏度和線性度。(3)確定了使用Post-CMOS工藝制作傳感器,避免打斷正常的CMOS 工藝流程。采用背面體硅加工藝制造傳感器,避免了表面微機械加工的粘連問題,提高了產(chǎn)品成品率。(4)大的初值電容和較高的