CMOS工藝兼容電容式絕對壓力傳感器的設(shè)計.pdf

1、傳感器作為電子電路與外面環(huán)境的接口部分,具有重要的作用.壓力傳感器是一種重要的傳感器,在工業(yè)控制領(lǐng)域以及大氣探測領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用.用硅技術(shù)加工制作壓力傳感器是利用微電子技術(shù)的優(yōu)勢,代表著傳感器加工制作的新的發(fā)展方向.CMOS工藝是集成電路的主流工藝,并且是集成電路大批量生產(chǎn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn).利用CMOS工藝兼容設(shè)計傳感器有利于降低傳感器加工成本,實現(xiàn)傳感器的片上系統(tǒng)化和微型化.該論文提出一種加工電容式絕對壓力傳感器的CMOS兼容工藝,將壓力

2、傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)單元和集成電路集成在同一芯片上.這種工藝可以實現(xiàn)具有真空腔的壓力傳感器結(jié)構(gòu),用于檢測大氣絕對氣壓大小.薄板理論是傳感器敏感膜數(shù)學(xué)模型建立的理論依據(jù).該論文依據(jù)此理論對傳感器單元進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型分析,給出了小變形和大變形情況下傳感器的解析模型,分析了考慮殘余應(yīng)力情況下正方形膜和圓形膜的應(yīng)變-負(fù)載關(guān)系,并以此設(shè)計了傳感器單元的具體幾何尺寸.考慮殘余應(yīng)力作用,得到的分析結(jié)果與沒有殘余應(yīng)力情況的撓度變化相差5％左右.有限元方法是傳感

3、器設(shè)計的驗證工具.用有限元軟件ANSYS<'TM>對傳感器膜進(jìn)行了變形分析,應(yīng)力分布,強(qiáng)度分析,大變形和小變形情況下的模擬結(jié)果,保證了設(shè)計的正確性.根據(jù)理論分析和有限元軟件模擬,對傳感器膜進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計.根據(jù)設(shè)計的傳感器膜,計算了單個傳感器單元的電容大小.在CMOS工藝條件下,基于上述設(shè)計上的考慮,選擇傳感器多晶硅膜的尺寸為邊長為50μm,厚度為0.5μm,選擇了非線性度比較小的實際范圍0.5~0.5×10<'5>pa,非線性度小于10

4、％.接口電路是傳感器信號的分析處理部分,是實現(xiàn)傳感器和集成電路片上系統(tǒng)的關(guān)鍵.該論文給出了微電容測量電路的分析和設(shè)計,并選擇電容/頻率測量電路作為傳感器接口電路.分析了電容/頻率測量電路的功能,設(shè)計了接口電路的具體參數(shù),并給出了Hspice模擬結(jié)果.比較了開關(guān)電容電路和電容/頻率電容的異同,分析了各自的優(yōu)勢.根據(jù)傳感器接口電路的設(shè)計,得出傳感器的靈敏度為1Hz/4fF,傳感器的分辨率為1Hz/500pa.CMOS工藝兼容的傳感器加工工藝

5、設(shè)計是傳感器加工的關(guān)鍵.該論文提出了CMOS兼容傳感器加工工藝的設(shè)計思想,分析提出了由CMOS工藝加中間表面微機(jī)械加工工藝組合而成的傳感器加工工藝,保證了CMOS工藝的兼容性,給出了具體工藝設(shè)計流程,能夠?qū)崿F(xiàn)片上系統(tǒng).加工工藝中主要討論了傳感器結(jié)構(gòu)的加工生成,對其中的特殊工藝進(jìn)行了討論.在加工工藝確定的基礎(chǔ)上,根據(jù)傳感器膜的分析和設(shè)計,接口電路的選擇和設(shè)計,該論文闡述了傳感器的版圖設(shè)計.版圖設(shè)計中考慮了傳感器設(shè)計需要解決的問題,給出了為