單片集成CMOS電容式壓力傳感器的設(shè)計、制備與測試.pdf

1、硅壓力傳感器廣泛應(yīng)用于氣象測量與監(jiān)控領(lǐng)域。最早出現(xiàn)的是壓阻式壓力傳感器，其后出現(xiàn)的電容式壓力傳感器發(fā)展最為迅速。它具有高靈敏度、結(jié)構(gòu)堅固、溫度漂移小等優(yōu)點。為了與當前標準的CMOS IC工藝兼容來實現(xiàn)硅壓力傳感器的低成本，大批量生產(chǎn)。本文提出了一種標準IC工藝與MEMS后處理工藝相結(jié)合制備的單片集成CMOS電容式壓力傳感器。與傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器相比，這種結(jié)構(gòu)具有更大的初始固有電容，這樣可以抑制寄生電容的影響，從而簡化檢測電路的設(shè)計。

2、 傳感器的敏感電容部分即為CMOS工藝中的柵多晶硅/柵氧化層/N阱硅組成的多層膜結(jié)構(gòu)。多晶硅柵和N阱硅為電容的上下電極，柵氧化層為中間介質(zhì)層。針對壓力敏感膜的性能，進行了理論模型分析。并運用 ANSYS仿真軟件模擬了敏感膜的負載．形變模型和熱翹曲引起的溫度系數(shù)?？紤]到電容真空腔內(nèi)殘余氣體的存在，對理論模型進行了改進。在外界溫度改變時，殘余氣體熱脹冷縮會使傳感器產(chǎn)生一定的溫漂。進一步分析了傳感器的溫度特性。最終設(shè)計的壓力敏感膜邊長

3、為800μm，零壓電容值為1104pF，在800hpa～1060hpa的全量程范圍內(nèi)，電容變化量為 12pF，靈敏度為4.6fF/hpa，傳感器的工作溫度范圍為．-40℃～80℃。 為了將傳感器電容值轉(zhuǎn)換為可以檢測的電學量，本文中設(shè)計了一種電容～頻率轉(zhuǎn)化電路。采用的電路形式是以施密特觸發(fā)器為核心的張弛振蕩器。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，頻率輸出具有準數(shù)字輸出的優(yōu)點。在文中給出了電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，重點介紹了恒流源模塊、施密特觸發(fā)器模塊、D觸發(fā)

4、器模塊的設(shè)計。用PSPICE軟件對電路整體進行了模擬，模擬結(jié)果顯示電路的分辨率為3.2Hz/hpa。同時針對本文設(shè)計的敏感電容的零壓值大，而全量程變化量小的問題，提出了電路的改進設(shè)想。 壓力傳感器先在無錫58所進行標準CMOS工藝加工，制備出微電容檢測電路，并定義出傳感器的結(jié)構(gòu)部分，之后，到本校的禮西實驗室進行MEMS后處理工藝加工，完成傳感器的制備。在文中針對后處理的關(guān)鍵工藝進行了一些預備實驗。如 PN 結(jié)自停止腐蝕試驗，測試

5、了 P 型硅和N型硅的極化曲線，同時驗證了自停止條件。針對硅片背面腐蝕正面保護的問題，設(shè)計了一款夾具，結(jié)構(gòu)簡單，輕便。通過多次實驗驗證，證實夾具的密封性很好，完全可以滿足長時間腐蝕的密封性要求以及PN結(jié)自停止腐蝕正面電極的引出。體硅腐蝕的條件是針對硅片背面不是拋光面的問題先使用23％的TMAH腐蝕得到較好的表面，再在80℃40％KOH溶液中加快腐蝕速度，最終完成電容空腔的制備。 芯片加工完成后，對芯片進行了測試。傳感器電容的零壓