多层膜结构电容式压力传感器及其CMOS兼容工艺的研究

摘要

硅微机械加工压力传感器是MEMS的重要研究领域之一，在汽车系统、工业控制、环境监控和测量以及生物医疗诊断等众多领域有着广泛的应用。电容式压力传感器是硅微压力传感器的一种主要类型，其基本原理是将压力变化转换为电容的变化。与压阻式压力传感器相比，电容式压力传感器具有多方面的优势，例如较高的灵敏度、较低的温度偏移系数、更加坚固的结构以及更低的功耗等等。传统电容式压力传感器主要缺点：(1)由于电容值与极板的间距成反比，传统结构的电容式压力传感器具有较大的非线性，这一固有的非线性给传感器的校准带来了困难。(2)由于在两个电极之间存在空腔，并且传感器的下电极需要从空腔中引出。这些因素致使传感器的加工复杂化。 本文首次提出多层膜结构电容式压力传感器结构，消除了空腔中电极引出的问题，极大的降低了加工的复杂性，采用这种结构，还获得了电容式压力传感器固有特点基础上的一些其它优势，例如对残余应力的补偿、传感器强度的增加、较大的固有电容等等。较大的固有电容有效地抑制了寄生电容的影响，为接口电路的设计带来了方便。本文提出多层膜的机械、热模型，采用理论模型和有限元方法分析和模拟了多层膜的负载一形变效应，热翘曲和热应变以及温度系数。根据弹性电介质材料的电致伸缩增强效应，本文首次提出了弯曲状态下弹性电介质的改进电致伸缩增强效应模型，在模型中附加了电介质膜厚度方向应变梯度引起的介电常数变化项。以介电常数变化模型定性解释了传感器灵敏度的增强效应，这一模型较好的解释了实验结果，根据实验结果提取了变化项的系数。采用SOG加工工艺研制出多层膜电容式压力传感器，(1)用3块光刻版实现了P<'++>/SiO<,2>/Si<,3>N<,4>/Au结构的压力传感器，膜的边长分别为800gm，1000gm，1200μm，1500gm。传感器的灵敏度在0.00810F/hPa-0.02 pF/hPa间变化。传感器测量范围为800-1060hPa。传感器的非线性度小于1.2﹪。最大滞回约为3.3。1010hPa压力下，失调温度系数TCO约为192.3ppm。室温下空腔内残余压力大小为80hPa。(2)采用4块光刻版实现了P<'++>7SiO<,2>/Au结构的单层介质膜压力传感器，传感器膜边长为1400gm。传感器的灵敏度为0.012pF/hPa。非线性小于3.2﹪。滞回约为2.4﹪。FCO约为282.4ppm。室温下空腔内残余压力约为82hPa。对传感器进行了简易封装。对传感器的长期稳定性进行了评估，测试时间为两周，传感器输出无明显变化。传感器具有较好的稳定性。 本文基于开关电容基本原理提出、设计并实现了一种差分输入形式的电容-电压转换传感器接口电路体系结构。采用HSPICE对电路进行了模拟和验证，电路的分辨率为2mV/5fF。电路建立精度0.01﹪，建立时间0.51μs。等效输入热噪声7.137μV，电路带宽300 kHz。主体部分功耗14.42mW。对部分电路性能进行了测试，电路工作线性电压范围为-4V-3V。 传感器的CMOS工艺集成化是传感器研究和发展的趋势。本文在多层膜电容式压力传感器结构的基础上提出了一种CMOS工艺兼容的电容式绝对压力传感器的实现形式，采用电路工艺加工在先，后处理工艺在后的方式，保证了CMOS工艺的完整性和工艺次序的不被改变和不被打断。对后处理中的关键工艺给予了实验研究，明确了后处理工艺对CMOS IC的影响和实际可行性。 本论文的主要贡献：(1)提出了多层膜结构电容式绝对压力传感器形式，并以介电常数变化作为传感器的基本原理，拓展了传统电容式压力传感器变电极间距或变电极接触面积的原理：(2)提出并设计了一种CMOS兼容的高精度电容一电压转换电路，可应用于集成电容式传感器的设计和加工；(3)提出了一种CMOS工艺完全兼容的电容式绝对压力传感器的实现方式，避免了原有集成方式中对CMOS工艺步骤和次序的改变。 本论文中提出的固体电容式传感器结构可以作为MEMS器件设计的一个基本原理单元。论文中所进行的研究工作对。MEMS传感器以及CMOS集成传感器的设计和加工有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2压力传感器的应用

1.3硅微型压力传感器的进展

1.3.1压力传感器的工作方式

1.3.2压阻式压力传感器

1.3.3电容式压力传感器

1.3.4热型压力传感器

1.3.5静电力平衡压力传感器

1.3.6真空微电子压力传感器及谐振式压力传感器

1.3.7集成压力传感器

1.3.8综合评述与总结

1.3.9压力传感器的设计指标

1.4本论文主要工作

第二章多层膜结构电容式压力传感器的分析和设计

2.1引言

2.2弹性电介质材料的电致伸缩增强效应

2.3多层膜结构电容式压力传感器结构描述

2.4传感器基本原理及模型

2.5传感器结构的理论分析

2.5.1膜的能量理论

2.5.2周边固支平板矩形膜负载-形变模型

2.5.3多层膜结构的机械、热分析模型

2.5.4传感器灵敏度、温度系数分析

2.6有限元模型及传感器的设计

2.6.1材料参数

2.6.2传感器热翘曲和热应变的分析

2.6.3传感器膜的负载-形变分析和模拟

2.6.4传感器膜的设计

2.7小结

第三章传感器CMOS接口电路的设计

3.1引言

3.2微电容检测电路的类型

3.3开关电容电路原理

3.4相关双采样技术(CDS)

3.5电容-电压转换电路的分析和设计

3.5.1差分输入方式

3.5.2电路体系结构

3.5.3电路结构

3.5.4电路设计分析

3.6设计举例

3.7其它设计考虑

3.8 CMOS电路的测试和分析

3.8.1单管特性测试

3.8.2两相不重叠时钟电路

3.8.3 Buffer放大器的输入输出特性测试

3.9小结

第四章传感器的加工和测试

4.1引言

4.2材料特性

4.3多层膜结构压力传感器的表面牺牲层工艺加工

4.3.1加工结构

4.3.2加工工艺步骤

4.2.3加工结果

4.4多层膜压力传感器的SOG工艺加工

4.4.1硅的浓硼掺杂

4.4.2硅的浓硼重掺杂自停止腐蚀

4.4.3硅-玻璃阳极键合

4.4.4加工工艺

4.4.5加工结果

4.4.6传感器的封装

4.5压力传感器的测试和分析

4.5.1测试系统

4.5.2表面牺牲层工艺加工的压力传感器的测试

4.5.3 SOG工艺加工的P++/SiO2/Si3N4/Au结构压力传感器的测试

4.5.4 SOG工艺加工的P++/SiO2/Au结构压力传感器的测试

4.5.5测试结果讨论以及弹电效应系数的确定

4.6小结

第五章CMOS工艺兼容电容式压力传感器设计与初步加工

5.1引言

5.2传感器的集成技术

5.3电容式压力传感器的集成方式

5.3.1 CMOS工艺与表面牺牲层加工工艺相结合的集成

5.3.2 CMOS工艺与体硅微机械加工以及硅-玻璃阳极键合相结合的集成

5.4 CMOS全兼容多层膜结构压力传感器的加工

5.5 小结

第六章总结与工作展望

6.1结论

6.2工作展望

致谢

参考文献

图表索引

攻读博士期间发表论文与专利目录