CMOS集成电容绝对压力传感器
2016-06-20 23:15:31
传感器是构成微电子机械系统（MEMS）的重要单元，它将非电学量转化为电学量用于电子测量，从而实现MEMS与外部环境的接口。压力传感器是传感器中最成熟的一种，60年代出现的硅压阻压力传感器则是MEMS发展的一个重要里程碑。保证传感器在苛刻条件下的可靠运行己成为MEMS器件研究与设计新的挑战之一，压力传感器的研制尤其如此。目前应用的压力传感器存在以下缺陷：苛刻环境条件下，传感器灵敏度降低或工作失效；硅压阻压力传感器的工作功耗偏高；温度范围小，高频性能差。
上述原因的存在，需要人们对压力传感器的结构进行改进，并考虑CMOS工艺条件下实现传感器与信号处理电路的系统集成问题。CMOS集成电容绝对压力传感器便是基于上述考虑的新式传感器。
CMOS集成电容绝对压力传感器采用硅微机械加工自停止腐蚀技术在硅片上刻蚀出硅体空腔，在真空环境下与玻璃键合形成真空密封式平板电容，由于电容空腔内真空度极高（气体压力可忽略不计），因此传感器测量的为外部环境的绝对压力。外部压力的变化表现为传感器的电容变化，通过后继电路的处理，可以将环境压力以数字输出的方式显示于电子仪表中。传感器在电路结构中等效为一电容，静态功耗极小，适合低电压工作模式，电容空腔处于真空状态，消除了相对电容传感器中的温度漂移而引起的传感器灵敏度降低的问题，并使带宽大（无阻尼效应）2，可以及时响应外部环境的变化。
CMOS工艺为超大规模集成电路的主流工艺。实现压力传感器的微机械加工技术与信号处理电路的CMOSIC制造工艺的兼容，可提高系统性能并降低生产成本。CMOS集成电容绝对压力传感器的系统集成模式是在芯片的重掺杂区通过自停止腐蚀形成传感器电容的微机械结构，在浅掺杂的外延层区形成信号处理电路的等平面工艺结构，保持传统标准CMOS工艺流程，加前、后处理微机械加工工艺步骤，在整个工艺完成后保证传感器部分与电路通过内部引线（多晶硅或铝）相连集成在同一芯片中。
2电容绝对压力传感器2.1压力传感器结构给出了压力传感器的结构简图。电容式压力传感器在电学特性上表现为一个具有可动极板的平板电容器。可动极测力传感器板在外部压力作用下产生变形从而引起极板间距变化，将压力转化为平板电容值的变化（由于采用真空封闭结构，因此电容板膜总是下凹的，并且所测的为大气的绝对压力。）。可动极板有硅重掺杂自停止腐蚀形成。
22压力传感器数学模型假定电容压力传感器上极板膜为矩形图形（），建立传感器电容的二维模型。
用下，电容上极板膜与玻璃间距将减小为0.右，所产生电容值在8~10pf之间。
此模型考虑电容相对变化与压力的关系。
根据平面薄板的小挠度应变模型，可以推出电容随外部压力呈线性关系变化：根据基准电容和相对电容值的变化，可以得出外部压力的大小。
2.3信号处理电路矩形膜传感器模型数；为外压力为0时平板电容极板间距；w为二维模型中膜上各点在外压力作用下的下降高度。
根据具体图形而定。
压力作用于膜而产生应力，设计中应考虑膜所承受最大静应力。膜所承受的最大静应力也可由AN-SYS软件模拟得出。
22.2户一w模型151这种模型是针对圆形凸台结构的计算模型。
根据输入输出电压比可得出传感器电容值大小，从而推知外部压力的大小。
2多谐振荡电路多谐振荡电路将外部压力的变化转变为电路输出频率的变化，进行定标后确定外部大气压力的大小，电路输出呈数字特性，有利于智能控制。
3多级开关电容电路多级开关电容电路采用放大器级联形式，并利用电流共模反馈以保持直流量的稳定。这种电路是对开关电容电路的改进，电路输出依然依赖于电容比值的大小。所给电路的输出可用下式给出151：pw存在如下关系：膜凸台面积比以及泊松比；w为圆膜中心下降高度。
当膜为10.2/m，膜厚为4/%i，圆膜直径在1000电容值由如下表达式给出：1100Pm，凸台半径为250~300/%i时，在大气压力作23.4多电容形式的处理电路为达到一定的测量范围和高的传感器灵敏度，在电容传感器中设计了多电容结构形式，它们具有不同的电容极板间距和圆膜面积。在相同压强条件下，圆膜面积越大，承受压力越大，因此圆膜变形越大，从而在相同压强条件下，灵敏度提高，其测量范围则相应降低。当两极板相互接触时，认为此电容己不处于正常工作状态，因此为扩大测量范围，在芯片上制作多电容结构，这就需要对后继信号处理电路作相应改进。
该电路结构基本形式仍然为电容开关电路，只是对每个电容都加上一个门控开关，开关选择可由编程电路决定。这是压力传感器为扩大量程及提高灵敏度而采取的新结构和想法。
3其他类型的压力传感器的结构及工作原理31低压静电力平衡压力传感器低压力平衡压力传感器是基于力平衡原理采用闭环结构形式制成的压力传感器。
传感器结构如所示12.可动极板在外部压力和静电引力作用下保持平衡，静电引力由信号反馈电路作用于电荷泵产生，因为在力平衡情况下，可以不考虑材料的变形，杨氏弹性模量及内部应力的影响得到补偿，因此传感器的灵敏度得到保证，材料的影响得到抵消。
固定电极巧=最| |可动传感器电极静电力平衡压力传感器原理图在力平衡状态下，两极板面积相等时，P=Pe，P与电荷泵的驱动电压Vdrive存在如下关系：为极板间距。
这样，外界的大气压力便与电路驱动电压建立了一定的关系。当极板面积不相等时（）为保持可动传感器极板平衡，此时PAs=PfAd，而P与电荷泵的驱动电压Kdrke的关系变为：As/A《1时，可降低驱动电压Vdrive.静电力平衡原理在加速度计、微型阀门中己得到很好的应用，但其高电压工作影响了器件的实际可行性。增大固定极板和可动极板的面积比可适度降低工作电压，扩大了传感器的工作范围（）。
静电力平衡压力传感器剖面结构。2热压力传感器热压力传感器是基于热导随外界压力变化的原理而制成的传感器，由于其加工过程中采用牺牲层表面微机械加工技术且不需玻璃高温键合，因此更容易与CMOSIC兼容。
热功耗p热导G（p）温差AT存在以下关系表达式：在传感器后继信号处理电路中确定热功耗和相应的温度差，便可求得热导在外部压力作用下的映射值。
4电容压力传感器的系统集成模式。
4.2单片集成系统模式保持CMOSIC工艺流程次序不变，在前、后处理中采用微机械加工工艺制作形成微机械传感器和执行器部分，将IC和传感器、执行器制作在同一芯片中，这就是系统芯片模式。采用这种模式可一次形成多种传感器及电路，系统外部引脚数大大降低，IC制作能力得到扩展，系统性能得到增强：硅圆膜、SiO2氧化层以及玻璃之间的热膨胀系数失配；杨氏模量的负温度特性。
硅圆膜、SiO2氧化层以及玻璃之间的热膨胀系数分别为2.6X此温度升高后，玻璃膨胀速率快于硅和SiO2，引起电容圆膜下压应力，在固定电压下输出电容值相应抬高。杨氏模量随温度升高呈负温度特性，温度升高使硅膜强度降低从而产生高压力灵敏度，电容空腔内气体膨胀同样会对硅膜的弹性应力有影响，但杨氏模量的变化是主要因素。
2电容压力传感器中的电容寄生效应1在Si*Glass键合的锚区，由于P++层与多晶硅间存在SiO2介质，因此形成一个与传感器电容Cs并联的寄生电容Cp.实际电路所测得的电容值应当为传感器电容和寄生电容之和，即C=Cp+Cs.若锚区面积很大（与硅膜面积相比），则寄生电容便不可忽略，这就影响了p 7压力传感器的应用压力传感器是传感器中最成熟的技术。压力传感器与CMOSIC工艺相兼容，进行批量生产可进一步降低成本，提高性能，从而推广其应用范围。
目前，压力传感器主要应用于压力测量、压力控制。利用压力量转换为其他量的测量，还可用于一些不很严格要求测量精度的应用场合如压力监控等。具体应用概括为：压力测量（大气压力、燃料气体压力、水压等）用于测量其他力（重力、触摸压力、声波压力、脉搏跳动、流量等）。
可以相信，随着压力传感器性能提高，其应用范围产业自动化、汽车制造、航空航天、石油化工、家用电器、医疗设备等众多应用领域将逐步加。
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上述原因的存在，需要人们对压力传感器的结构进行改进，并考虑CMOS工艺条件下实现传感器与信号处理电路的系统集成问题。CMOS集成电容绝对压力传感器便是基于上述考虑的新式传感器。
CMOS集成电容绝对压力传感器采用硅微机械加工自停止腐蚀技术在硅片上刻蚀出硅体空腔，在真空环境下与玻璃键合形成真空密封式平板电容，由于电容空腔内真空度极高（气体压力可忽略不计），因此传感器测量的为外部环境的绝对压力。外部压力的变化表现为传感器的电容变化，通过后继电路的处理，可以将环境压力以数字输出的方式显示于电子仪表中。传感器在电路结构中等效为一电容，静态功耗极小，适合低电压工作模式，电容空腔处于真空状态，消除了相对电容传感器中的温度漂移而引起的传感器灵敏度降低的问题，并使带宽大（无阻尼效应）2，可以及时响应外部环境的变化。
CMOS工艺为超大规模集成电路的主流工艺。实现压力传感器的微机械加工技术与信号处理电路的CMOSIC制造工艺的兼容，可提高系统性能并降低生产成本。CMOS集成电容绝对压力传感器的系统集成模式是在芯片的重掺杂区通过自停止腐蚀形成传感器电容的微机械结构，在浅掺杂的外延层区形成信号处理电路的等平面工艺结构，保持传统标准CMOS工艺流程，加前、后处理微机械加工工艺步骤，在整个工艺完成后保证传感器部分与电路通过内部引线（多晶硅或铝）相连集成在同一芯片中。
2电容绝对压力传感器2.1压力传感器结构给出了压力传感器的结构简图。电容式压力传感器在电学特性上表现为一个具有可动极板的平板电容器。可动极测力传感器板在外部压力作用下产生变形从而引起极板间距变化，将压力转化为平板电容值的变化（由于采用真空封闭结构，因此电容板膜总是下凹的，并且所测的为大气的绝对压力。）。可动极板有硅重掺杂自停止腐蚀形成。
22压力传感器数学模型假定电容压力传感器上极板膜为矩形图形（），建立传感器电容的二维模型。
用下，电容上极板膜与玻璃间距将减小为0.右，所产生电容值在8~10pf之间。
此模型考虑电容相对变化与压力的关系。
根据平面薄板的小挠度应变模型，可以推出电容随外部压力呈线性关系变化：根据基准电容和相对电容值的变化，可以得出外部压力的大小。
2.3信号处理电路矩形膜传感器模型数；为外压力为0时平板电容极板间距；w为二维模型中膜上各点在外压力作用下的下降高度。
根据具体图形而定。
压力作用于膜而产生应力，设计中应考虑膜所承受最大静应力。膜所承受的最大静应力也可由AN-SYS软件模拟得出。
22.2户一w模型151这种模型是针对圆形凸台结构的计算模型。
根据输入输出电压比可得出传感器电容值大小，从而推知外部压力的大小。
2多谐振荡电路多谐振荡电路将外部压力的变化转变为电路输出频率的变化，进行定标后确定外部大气压力的大小，电路输出呈数字特性，有利于智能控制。
3多级开关电容电路多级开关电容电路采用放大器级联形式，并利用电流共模反馈以保持直流量的稳定。这种电路是对开关电容电路的改进，电路输出依然依赖于电容比值的大小。所给电路的输出可用下式给出151：pw存在如下关系：膜凸台面积比以及泊松比；w为圆膜中心下降高度。
当膜为10.2/m，膜厚为4/%i，圆膜直径在1000电容值由如下表达式给出：1100Pm，凸台半径为250~300/%i时，在大气压力作23.4多电容形式的处理电路为达到一定的测量范围和高的传感器灵敏度，在电容传感器中设计了多电容结构形式，它们具有不同的电容极板间距和圆膜面积。在相同压强条件下，圆膜面积越大，承受压力越大，因此圆膜变形越大，从而在相同压强条件下，灵敏度提高，其测量范围则相应降低。当两极板相互接触时，认为此电容己不处于正常工作状态，因此为扩大测量范围，在芯片上制作多电容结构，这就需要对后继信号处理电路作相应改进。
该电路结构基本形式仍然为电容开关电路，只是对每个电容都加上一个门控开关，开关选择可由编程电路决定。这是压力传感器为扩大量程及提高灵敏度而采取的新结构和想法。
3其他类型的压力传感器的结构及工作原理31低压静电力平衡压力传感器低压力平衡压力传感器是基于力平衡原理采用闭环结构形式制成的压力传感器。
传感器结构如所示12.可动极板在外部压力和静电引力作用下保持平衡，静电引力由信号反馈电路作用于电荷泵产生，因为在力平衡情况下，可以不考虑材料的变形，杨氏弹性模量及内部应力的影响得到补偿，因此传感器的灵敏度得到保证，材料的影响得到抵消。
固定电极巧=最| |可动传感器电极静电力平衡压力传感器原理图在力平衡状态下，两极板面积相等时，P=Pe，P与电荷泵的驱动电压Vdrive存在如下关系：为极板间距。
这样，外界的大气压力便与电路驱动电压建立了一定的关系。当极板面积不相等时（）为保持可动传感器极板平衡，此时PAs=PfAd，而P与电荷泵的驱动电压Kdrke的关系变为：As/A《1时，可降低驱动电压Vdrive.静电力平衡原理在加速度计、微型阀门中己得到很好的应用，但其高电压工作影响了器件的实际可行性。增大固定极板和可动极板的面积比可适度降低工作电压，扩大了传感器的工作范围（）。
静电力平衡压力传感器剖面结构。2热压力传感器热压力传感器是基于热导随外界压力变化的原理而制成的传感器，由于其加工过程中采用牺牲层表面微机械加工技术且不需玻璃高温键合，因此更容易与CMOSIC兼容。
热功耗p热导G（p）温差AT存在以下关系表达式：在传感器后继信号处理电路中确定热功耗和相应的温度差，便可求得热导在外部压力作用下的映射值。
4电容压力传感器的系统集成模式。
4.2单片集成系统模式保持CMOSIC工艺流程次序不变，在前、后处理中采用微机械加工工艺制作形成微机械传感器和执行器部分，将IC和传感器、执行器制作在同一芯片中，这就是系统芯片模式。采用这种模式可一次形成多种传感器及电路，系统外部引脚数大大降低，IC制作能力得到扩展，系统性能得到增强：硅圆膜、SiO2氧化层以及玻璃之间的热膨胀系数失配；杨氏模量的负温度特性。
硅圆膜、SiO2氧化层以及玻璃之间的热膨胀系数分别为2.6X此温度升高后，玻璃膨胀速率快于硅和SiO2，引起电容圆膜下压应力，在固定电压下输出电容值相应抬高。杨氏模量随温度升高呈负温度特性，温度升高使硅膜强度降低从而产生高压力灵敏度，电容空腔内气体膨胀同样会对硅膜的弹性应力有影响，但杨氏模量的变化是主要因素。
2电容压力传感器中的电容寄生效应1在Si*Glass键合的锚区，由于P++层与多晶硅间存在SiO2介质，因此形成一个与传感器电容Cs并联的寄生电容Cp.实际电路所测得的电容值应当为传感器电容和寄生电容之和，即C=Cp+Cs.若锚区面积很大（与硅膜面积相比），则寄生电容便不可忽略，这就影响了p 7压力传感器的应用压力传感器是传感器中最成熟的技术。压力传感器与CMOSIC工艺相兼容，进行批量生产可进一步降低成本，提高性能，从而推广其应用范围。
目前，压力传感器主要应用于压力测量、压力控制。利用压力量转换为其他量的测量，还可用于一些不很严格要求测量精度的应用场合如压力监控等。具体应用概括为：压力测量（大气压力、燃料气体压力、水压等）用于测量其他力（重力、触摸压力、声波压力、脉搏跳动、流量等）。
可以相信，随着压力传感器性能提高，其应用范围产业自动化、汽车制造、航空航天、石油化工、家用电器、医疗设备等众多应用领域将逐步加。
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