多層膜結(jié)構(gòu)電容式壓力傳感器及其CMOS兼容工藝的研究.pdf

1、硅微機(jī)械加工壓力傳感器是MEMS的重要研究領(lǐng)域之一，在汽車系統(tǒng)、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)控和測(cè)量以及生物醫(yī)療診斷等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電容式壓力傳感器是硅微壓力傳感器的一種主要類型，其基本原理是將壓力變化轉(zhuǎn)換為電容的變化。與壓阻式壓力傳感器相比，電容式壓力傳感器具有多方面的優(yōu)勢(shì)，例如較高的靈敏度、較低的溫度偏移系數(shù)、更加堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)以及更低的功耗等等。傳統(tǒng)電容式壓力傳感器主要缺點(diǎn)：(1)由于電容值與極板的間距成反比，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器

2、具有較大的非線性，這一固有的非線性給傳感器的校準(zhǔn)帶來了困難。(2)由于在兩個(gè)電極之間存在空腔，并且傳感器的下電極需要從空腔中引出。這些因素致使傳感器的加工復(fù)雜化。 本文首次提出多層膜結(jié)構(gòu)電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)，消除了空腔中電極引出的問題，極大的降低了加工的復(fù)雜性，采用這種結(jié)構(gòu)，還獲得了電容式壓力傳感器固有特點(diǎn)基礎(chǔ)上的一些其它優(yōu)勢(shì)，例如對(duì)殘余應(yīng)力的補(bǔ)償、傳感器強(qiáng)度的增加、較大的固有電容等等。較大的固有電容有效地抑制了寄生電容的影響，

3、為接口電路的設(shè)計(jì)帶來了方便。本文提出多層膜的機(jī)械、熱模型，采用理論模型和有限元方法分析和模擬了多層膜的負(fù)載一形變效應(yīng)，熱翹曲和熱應(yīng)變以及溫度系數(shù)。根據(jù)彈性電介質(zhì)材料的電致伸縮增強(qiáng)效應(yīng)，本文首次提出了彎曲狀態(tài)下彈性電介質(zhì)的改進(jìn)電致伸縮增強(qiáng)效應(yīng)模型，在模型中附加了電介質(zhì)膜厚度方向應(yīng)變梯度引起的介電常數(shù)變化項(xiàng)。以介電常數(shù)變化模型定性解釋了傳感器靈敏度的增強(qiáng)效應(yīng)，這一模型較好的解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提取了變化項(xiàng)的系數(shù)。采用SOG加工工藝研

4、制出多層膜電容式壓力傳感器，(1)用3塊光刻版實(shí)現(xiàn)了P<'++>/SiO<,2>/Si<,3>N<,4>/Au結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，膜的邊長(zhǎng)分別為800gm，1000gm，1200μm，1500gm。傳感器的靈敏度在0.00810F/hPa-0.02 pF/hPa間變化。傳感器測(cè)量范圍為800-1060hPa。傳感器的非線性度小于1.2﹪。最大滯回約為3.3。1010hPa壓力下，失調(diào)溫度系數(shù)TCO約為192.3ppm。室溫下空腔內(nèi)殘余壓力

5、大小為80hPa。(2)采用4塊光刻版實(shí)現(xiàn)了P<'++>7SiO<,2>/Au結(jié)構(gòu)的單層介質(zhì)膜壓力傳感器，傳感器膜邊長(zhǎng)為1400gm。傳感器的靈敏度為0.012pF/hPa。非線性小于3.2﹪。滯回約為2.4﹪。FCO約為282.4ppm。室溫下空腔內(nèi)殘余壓力約為82hPa。對(duì)傳感器進(jìn)行了簡(jiǎn)易封裝。對(duì)傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，測(cè)試時(shí)間為兩周，傳感器輸出無明顯變化。傳感器具有較好的穩(wěn)定性。 本文基于開關(guān)電容基本原理提出、設(shè)計(jì)并

6、實(shí)現(xiàn)了一種差分輸入形式的電容-電壓轉(zhuǎn)換傳感器接口電路體系結(jié)構(gòu)。采用HSPICE對(duì)電路進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證，電路的分辨率為2mV/5fF。電路建立精度0.01﹪，建立時(shí)間0.51μs。等效輸入熱噪聲7.137μV，電路帶寬300 kHz。主體部分功耗14.42mW。對(duì)部分電路性能進(jìn)行了測(cè)試，電路工作線性電壓范圍為-4V-3V。 傳感器的CMOS工藝集成化是傳感器研究和發(fā)展的趨勢(shì)。本文在多層膜電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種CMO

7、S工藝兼容的電容式絕對(duì)壓力傳感器的實(shí)現(xiàn)形式，采用電路工藝加工在先，后處理工藝在后的方式，保證了CMOS工藝的完整性和工藝次序的不被改變和不被打斷。對(duì)后處理中的關(guān)鍵工藝給予了實(shí)驗(yàn)研究，明確了后處理工藝對(duì)CMOS IC的影響和實(shí)際可行性。 本論文的主要貢獻(xiàn)：(1)提出了多層膜結(jié)構(gòu)電容式絕對(duì)壓力傳感器形式，并以介電常數(shù)變化作為傳感器的基本原理，拓展了傳統(tǒng)電容式壓力傳感器變電極間距或變電極接觸面積的原理：(2)提出并設(shè)計(jì)了一種CMOS兼