单片集成CMOS电容式压力传感器的设计、制备与测试

摘要

硅压力传感器广泛应用于气象测量与监控领域。最早出现的是压阻式压力传感器，其后出现的电容式压力传感器发展最为迅速。它具有高灵敏度、结构坚固、温度漂移小等优点。为了与当前标准的CMOS IC工艺兼容来实现硅压力传感器的低成本，大批量生产。本文提出了一种标准IC工艺与MEMS后处理工艺相结合制备的单片集成CMOS电容式压力传感器。与传统的电容式压力传感器相比，这种结构具有更大的初始固有电容，这样可以抑制寄生电容的影响，从而简化检测电路的设计。 传感器的敏感电容部分即为CMOS工艺中的栅多晶硅/栅氧化层/N阱硅组成的多层膜结构。多晶硅栅和N阱硅为电容的上下电极，栅氧化层为中间介质层。针对压力敏感膜的性能，进行了理论模型分析。并运用 ANSYS仿真软件模拟了敏感膜的负载．形变模型和热翘曲引起的温度系数。考虑到电容真空腔内残余气体的存在，对理论模型进行了改进。在外界温度改变时，残余气体热胀冷缩会使传感器产生一定的温漂。进一步分析了传感器的温度特性。最终设计的压力敏感膜边长为800μm，零压电容值为1104pF，在800hpa～1060hpa的全量程范围内，电容变化量为 12pF，灵敏度为4.6fF/hpa，传感器的工作温度范围为．-40℃～80℃。 为了将传感器电容值转换为可以检测的电学量，本文中设计了一种电容～频率转化电路。采用的电路形式是以施密特触发器为核心的张弛振荡器。这种电路结构简单，频率输出具有准数字输出的优点。在文中给出了电路结构的设计，重点介绍了恒流源模块、施密特触发器模块、D触发器模块的设计。用PSPICE软件对电路整体进行了模拟，模拟结果显示电路的分辨率为3.2Hz/hpa。同时针对本文设计的敏感电容的零压值大，而全量程变化量小的问题，提出了电路的改进设想。 压力传感器先在无锡58所进行标准CMOS工艺加工，制备出微电容检测电路，并定义出传感器的结构部分，之后，到本校的礼西实验室进行MEMS后处理工艺加工，完成传感器的制备。在文中针对后处理的关键工艺进行了一些预备实验。如 PN 结自停止腐蚀试验，测试了 P 型硅和N型硅的极化曲线，同时验证了自停止条件。针对硅片背面腐蚀正面保护的问题，设计了一款夹具，结构简单，轻便。通过多次实验验证，证实夹具的密封性很好，完全可以满足长时间腐蚀的密封性要求以及PN结自停止腐蚀正面电极的引出。体硅腐蚀的条件是针对硅片背面不是抛光面的问题先使用23％的TMAH腐蚀得到较好的表面，再在80℃40％KOH溶液中加快腐蚀速度，最终完成电容空腔的制备。 芯片加工完成后，对芯片进行了测试。传感器电容的零压值以及参考电容的多次测量取平均值与设计值基本符合。电路各模块的测量值基本满足了设计指标。 本文最后总结了整个课题的主要工作，同时提出了工作中的一些问题和进一步改进的办法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的背景与意义

1.1.1现有的压力传感器类型

1.1.2电容式压力传感器集成化发展现状

1.2本论文的主要工作

1.3论文纲要

第二章CMOS电容式压力传感器的结构设计

2.1多层膜结构电容式压力传感器的结构与工作原理介绍

2.2传感器的结构分析

2.2.1传感器敏感膜的理论模型

2.2.2传感器敏感膜的有限元分析

2.2.3改进模型

2.2.4传感器电容值计算以及灵敏度分析

2.3传感器的温度特性分析

2.3.1压力敏感膜的热翘曲分析

2.3.2当腔内残余气体压力一定时，传感器的温度漂移量

2.4传感器压力敏感膜的设计

2.5小结

第三章片上传感器电容检测电路的设计

3.1微电容检测电路的类型

3.1.1电容—电压转换电路

3.1.2电容—周期转换电路

3.1.3电容—频率转换电路

3.1.4电容—电流转换电路

3.2片上传感器检测电路的设计

3.2.1电容检测电路的原理介绍

3.2.2恒流源的设计与模拟

3.2.3施密特触发器的设计与模拟

3.2.4 D触发器的设计

3.3整体电路的PSIPCE仿真模拟

3.4小结

第四章CMOS电容式压力传感器的制备工艺与版图设计

4.1PN结自停止腐蚀工艺

4.1.1实验系统

4.1.2硅的电化学特性

4.1.3腐蚀自停止的标志

4.1.4实验的进一步改进

4.2体硅腐蚀中硅的单面保护工艺

4.2.1芯片背面腐蚀正面保护的几种方法

4.2.2硅片单面腐蚀保护夹具装置的设计

4.2.3硅片单面腐蚀保护的试验结果

4.3传感器的制备工艺

4.3.1 58所标准1μm N阱CMOS工艺

4.3.2传感器的后处理工艺

4.4 CMOS电容式压力传感器版图的设计

4.4.1版图设计的流程

4.4.2版图的匹配性设计

4.4.3传感器电容的版图设计

4.4.3检测电路的版图设计

4.6小结

第五章流水芯片的测试

5.1工艺参数的测试

5.1.1 MOS管的阈值电压及Ⅰ-Ⅴ特性测试

5.1.2传感器电容的测试

5.2施密特触发器的测试

5.3差频电路的测试

5.4电容-频率转化特性的测试

5.5小结

第六章工作总结与展望

6.1 CMOS电容式压力传感器设计总结

6.2存在的问题与工作展望

参考文献

附录

作者简介

攻读硕士学位期间发表论文

致谢