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多层膜结构电容式压力传感器及其CMOS兼容工艺的研究

周闵新  
【摘要】: 硅微机械加工压力传感器是MEMS的重要研究领域之一,在汽车系统、工业控制、环境监控和测量以及生物医疗诊断等众多领域有着广泛的应用。电容式压力传感器是硅微压力传感器的一种主要类型,其基本原理是将压力变化转换为电容的变化。与压阻式压力传感器相比,电容式压力传感器具有多方面的优势,例如较高的灵敏度、较低的温度偏移系数、更加坚固的结构以及更低的功耗等等。传统电容式压力传感器主要缺点:(1)由于电容值与极板的间距成反比,传统结构的电容式压力传感器具有较大的非线性,这一固有的非线性给传感器的校准带来了困难。(2)由于在两个电极之间存在空腔,并且传感器的下电极需要从空腔中引出。这些因素致使传感器的加工复杂化。 本文首次提出多层膜结构电容式压力传感器结构,消除了空腔中电极引出的问题,极大的降低了加工的复杂性,采用这种结构,还获得了电容式压力传感器固有特点基础上的一些其它优势,例如对残余应力的补偿、传感器强度的增加、较大的固有电容等等。较大的固有电容有效地抑制了寄生电容的影响,为接口电路的设计带来了方便。本文提出多层膜的机械、热模型,采用理论模型和有限元方法分析和模拟了多层膜的负载-形变效应,热翘曲和热应变以及温度系数。根据弹性电介质材料的电致伸缩增强效应,本文首次提出了弯曲状态下弹性电介质的改进电致伸缩增强效应模型,在模型中附加了电介质膜厚度方向应变梯度引起的介电常数变化项。以介电常数变化模型定性解释了传感器灵敏度的增强效应,这一模型较好的解释了实验结果,根据实验结果提取了变化项的系数。采用SOG加工工艺研制出多层膜电容式压力传感器,(1)用3块光刻版实现了P~(++)/SiO_2/Si3N4/Au结构的压力传感器,膜的边长分别为800μm,1000μm,1200μm,1500μm。传感器的灵敏度在0.008pF/hPa-0.02 pF/hPa间变化。传感器测量范围为800-1060hPa。传感器的非线性度小于1.2%。最大滞回约为3.3%。1010hPa压力下,失调温度系数TCO约为192.3ppm。室温下空腔内残余压力大小为80hPa。(2)采用4块光刻版实现了P~(++)/SiO_2/Au结构的单层介质膜压力传感器,传感器膜边长为1400μm。传感器的灵敏度为0.012pF/hPa。非线性小于3.2%。滞回约为2.4%。TCO约为282.4ppm。室温下空腔内残余压力约为82hPa。对传感器进行了简易封装。对传感器的长期稳定性进行了评估,测试时间为两周,传感器输出无明显变化。传感器具有较好的稳定性。 本文基于开关电容基本原理提出、设计并实现了一种差分输入形式的电容-电压转换传感器接口电路体系结构。采用HSPICE对电路进行了模拟和验证,电路的分辨率为2mV/5fF。电路建立精度0.01%,建立时间0.5μs。等效输入热噪声7.137μV,电路带宽300 kHz。主体部分功耗14.42mW。对部分电路性能进行了测试,电路工作线性电压范围为-4V-3V。 传感器的CMOS工艺集成化是传感器研究和发展的趋势。本文在多层膜电容式压力传感器结构的基础上提出了一种CMOS工艺兼容的电容式绝对压力传感器的实现形式,采用电路工艺加工在先,后处理工艺在后的方式,保证了CMOS工艺的完整性和工艺次序的不被改变和不被打断。对后处理中的关键工艺给予了实验研究,明确了后处理工艺对CMOS IC的影响和实际可行性。 本论文的主要贡献:(1)提出了多层膜结构电容式绝对压力传感器形式,并以介电常数变化作为传感器的基本原理,拓展了传统电容式压力传感器变电极间距或变电极接触面积的原理;(2)提出并设计了一种CMOS兼容的高精度电容-电压转换电路,可应用于集成电容式传感器的设计和加工; (3)提出了一种CMOS工艺完全兼容的电容式绝对压力传感器的实现方式,避免了原有集成方式中对CMOS工艺步骤和次序的改变。 本论文中提出的固体电容式传感器结构可以作为MEMS器件设计的一个基本原理单元。论文中所进行的研究工作对MEMS传感器以及CMOS集成传感器的设计和加工有一定的参考价值。


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