基于CMOS工艺的电容型湿度传感器研究

摘要

本文的前两章首先概述了湿度传感器的研究意义，描述了湿度传感器的概述及分类。在比较了多种类型的湿度传感器优缺点的基础上，分析CMOS兼容电容型湿度传感器的优点，并把它作为了本论文研究对象。 本课题的重点在第三章和第四章中进行了研究。主要研究内容为： 1.本文研究的是采用梳状铝电极结构，聚酰亚胺作为感湿介质的电容型湿度传感器。对于这种湿度传感器进行物理建模的过程中，已有的模型存在着仿真结果与实验结果相差很大的问题，因此通过分析感湿介质的介电常数吸附水分后变化，考虑其电场分布，对这种可与CMOS工艺兼容的电容型湿度传感器进行了理论推导，物理建模，并且对该模型进行了计算，利用matlab软件对所建理论模型进行了仿真。 2.分析和研究了运算放大器的理论知识，在基于华润上华(CMSC)0.6um的工艺上对两级运算放大器进行了设计，利用Cadence公司的Virtuoso工具对其进行了模拟与仿真，得出符合设计要求的电路，主要的指标是直流增益为72dB，相位裕度为62°等。 3.对不同的湿度传感器测量方法进行分析，得出最优的测量电路。同时对测量电路的输出电压与敏感电容之间的关系进行推导，利用Cadence公司的Virtuoso工具和华润上华(CMSC)0.6um的库对其进行模拟，得出了输出电压与相对湿度的关系图形。 论文的第五章介绍了标准CMOS工艺下版图设计的一些主要要求，对CMOS兼容电容型湿度传感器的版图进行设计，介绍了湿度传感器后加工工艺的重要性。第六章结束语对本课题的集成湿度传感器设计工作进行了总结，概述了本论文的重点和缺点。由于目前国外在对于集成湿度传感器方面的研究比较深入，制造工艺相当成熟，但是国内在这方面的研究还较少，希望本课题的工作能够对该方面的研究起到一定的作用。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1湿度传感器的研究意义

1.2本论文的主要工作

第二章湿度传感器的概述及分类

2.1传感器的定义

2.2传感器系统实现的途径

2.2.1非集成化实现

2.2.2集成化实现

2.2.3混合实现

2.3湿度传感器的概述

2.3.1湿度传感器的应用领域

2.3.2湿度的单位和表示方法

2.4湿度传感器的分类

2.4.1电容型

2.4.2电阻型

2.4.3离子敏型

2.5总结

第三章CMOS兼容电容型湿度传感器的理论模型

3.1电容型湿度传感器物理结构与模型

3.2理论推导与计算

3.3仿真结果

3.4总结

第四章CMOS兼容电容型湿度传感器的测量电路分析和仿真

4.1电容型湿度传感器的模型

4.2电容型湿度传感器测量电路的分析和推导

4.2.1简单测量电路的分析和推导

4.2.2带开关的测量电路的分析和推导

4.2.3精确测量电路的分析和推导

4.3运算放大器电路的理论分析

4.3.1 CMOS单级放大器

4.3.2 CMOS差动放大器

4.3.3电流镜的影响与改善

4.3.4 MOS开关

4.3.5噪声

4.3.6相位裕度

4.3.7频率补偿

4.4两级运算放大器电路的推导

4.4.1开环增益

4.4.2频率与相位补偿

4.4.3输入噪声

4.5利用Cadence公司的工具和华润上华0.6um的库对电路的模拟与仿真

4.5.1对两级运放进行仿真

4.5.2简单测量电路的仿真

4.5.3带开关的测量电路的仿真

4.5.4精确测量电路的仿真

4.6总结

第五章CMOS兼容电容型湿度传感器的版图

5.1版图设计

5.1.1版图设计的规则，主要有以下几个方面

5.1.2电容的版图

5.1.3 CMOS兼容电容型湿度传感器的版图设计

5.2后加工工艺

5.3总结

第六章结束语

参考文献

附录

致谢

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