單片集成CMOS電容式壓力傳感器的設(shè)計(jì)、制備與測(cè)試.pdf

1、硅壓力傳感器廣泛應(yīng)用于氣象測(cè)量與監(jiān)控領(lǐng)域。最早出現(xiàn)的是壓阻式壓力傳感器，其后出現(xiàn)的電容式壓力傳感器發(fā)展最為迅速。它具有高靈敏度、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn)。為了與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的CMOS IC工藝兼容來(lái)實(shí)現(xiàn)硅壓力傳感器的低成本，大批量生產(chǎn)。本文提出了一種標(biāo)準(zhǔn)IC工藝與MEMS后處理工藝相結(jié)合制備的單片集成CMOS電容式壓力傳感器。與傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器相比，這種結(jié)構(gòu)具有更大的初始固有電容，這樣可以抑制寄生電容的影響，從而簡(jiǎn)化檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。

2、 傳感器的敏感電容部分即為CMOS工藝中的柵多晶硅/柵氧化層/N阱硅組成的多層膜結(jié)構(gòu)。多晶硅柵和N阱硅為電容的上下電極，柵氧化層為中間介質(zhì)層。針對(duì)壓力敏感膜的性能，進(jìn)行了理論模型分析。并運(yùn)用 ANSYS仿真軟件模擬了敏感膜的負(fù)載．形變模型和熱翹曲引起的溫度系數(shù)?？紤]到電容真空腔內(nèi)殘余氣體的存在，對(duì)理論模型進(jìn)行了改進(jìn)。在外界溫度改變時(shí)，殘余氣體熱脹冷縮會(huì)使傳感器產(chǎn)生一定的溫漂。進(jìn)一步分析了傳感器的溫度特性。最終設(shè)計(jì)的壓力敏感膜邊長(zhǎng)

3、為800μm，零壓電容值為1104pF，在800hpa～1060hpa的全量程范圍內(nèi)，電容變化量為 12pF，靈敏度為4.6fF/hpa，傳感器的工作溫度范圍為．-40℃～80℃。 為了將傳感器電容值轉(zhuǎn)換為可以檢測(cè)的電學(xué)量，本文中設(shè)計(jì)了一種電容～頻率轉(zhuǎn)化電路。采用的電路形式是以施密特觸發(fā)器為核心的張弛振蕩器。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率輸出具有準(zhǔn)數(shù)字輸出的優(yōu)點(diǎn)。在文中給出了電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了恒流源模塊、施密特觸發(fā)器模塊、D觸發(fā)

4、器模塊的設(shè)計(jì)。用PSPICE軟件對(duì)電路整體進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果顯示電路的分辨率為3.2Hz/hpa。同時(shí)針對(duì)本文設(shè)計(jì)的敏感電容的零壓值大，而全量程變化量小的問(wèn)題，提出了電路的改進(jìn)設(shè)想。 壓力傳感器先在無(wú)錫58所進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝加工，制備出微電容檢測(cè)電路，并定義出傳感器的結(jié)構(gòu)部分，之后，到本校的禮西實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行MEMS后處理工藝加工，完成傳感器的制備。在文中針對(duì)后處理的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了一些預(yù)備實(shí)驗(yàn)。如 PN 結(jié)自停止腐蝕試驗(yàn)，測(cè)試

5、了 P 型硅和N型硅的極化曲線，同時(shí)驗(yàn)證了自停止條件。針對(duì)硅片背面腐蝕正面保護(hù)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款?yuàn)A具，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕便。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)夾具的密封性很好，完全可以滿足長(zhǎng)時(shí)間腐蝕的密封性要求以及PN結(jié)自停止腐蝕正面電極的引出。體硅腐蝕的條件是針對(duì)硅片背面不是拋光面的問(wèn)題先使用23％的TMAH腐蝕得到較好的表面，再在80℃40％KOH溶液中加快腐蝕速度，最終完成電容空腔的制備。 芯片加工完成后，對(duì)芯片進(jìn)行了測(cè)試。傳感器電容的零壓