基于CMOS工艺的集成微电容式传感器研究

摘要

电容式传感器是利用电容器原理，将被测外界物理量的改变转换为电容量的变化，进而转换为电压、电流或频率等易测信号的器件。利用这一原理可制成加速度传感器、湿度传感器、压力传感器、气体传感器、生物传感器、化学传感器等各种传感器，其应用范围相当广泛。随着微电子技术和微机电技术的飞速发展，电容式传感器也逐步朝着微型化、智能化的方向前进。
　　 本文针对一种与CMOS工艺兼容的梳状电极结构的集成微电容传感器进行研究。采用后段-CMOS的制作方式实现微电容传感器的设计，将敏感电容与信号读出电路集成在同一芯片完成，有利于实现其尺度减小、低成本、高性能生产。集成微电容式传感器采用梳状电极结构，该结构与CMOS标准工艺兼容，且利于增加敏感电容值，提高传感器的灵敏度。利用保角变换原理对敏感电容的电容变化量进行理论分析，建立其精确解析模型，能够直观的分析各种参数变化对电容变化量的影响，并利用Ansys有限元软件对其进行仿真验证，结果表明所建解析解具有高的精度。因此，对其后期的制作及测试等具有很好的参考意义。
　　 在分析了电容信号检测电路的基础上，提出了一种将敏感电容信号转换为电压信号的读出电路，该电路利用CMOS标准工艺实现。电路利用差分式开关电容电路将敏感电容信号转换为电压信号读出，再将其放大、滤波处理，得到的输出信号能有效的反映敏感电容的变化。电路采用带误差存储电容的差分式开关电容电路，有效减少运算放大器的失调电压误差、偏置电压值，并通过采用CMOS开关、多种时钟源信号的方法抑制电荷注入和时钟馈通影响。
　　 本文利用Cadence公司的Spectre软件，在基于TSMC公司的0.18umCMOS工艺下对信号读出电路进行了仿真验证。仿真结果表明，当电容式传感器的敏感电容在10pF～11pF变化时，输出电压从0V变化到1V，电容到电压转换的分辨率为10mV/10fF，完成对微小电容的检测。其中，运算放大器的仿真结果表明，运放的开环增益为72dB，相位裕度为65°，单位增益带宽为7MHz，共模输入电压范围ICMR为-3～2.3V，输出动态的范围为-2.9V～2.9V，转换速率为8.1V/us，共模抑制比为85dB，低频时的电源抑制比PSRR+为99.3dB和PSRR-为96.4dB，静态功耗为1.47mW。
　　 利用Cadence公司的VirtuosoXL对传感器读出电路进行版图设计，并研究了梳状电极结构的集成微电容式传感器的后加工工艺流程。研究结果表明，这种结构的微电容式传感器是可以与标准CMOS工艺兼容的。
　　 因此，本论文的主要贡献为：(1)针对梳状电极结构的集成微电容传感器的敏感电容变化量进行了理论推导，利于预测和分析微小电容值的变化；(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，可应用于集成微电容式传感器的设计；(3)针对梳状电极结构的集成微电容式传感器的后加工工艺流程进行研究，表明这种结构的传感器可以与CMOS电路部分集成。