（信号与信息处理专业论文）医用脉搏数据采集系统芯片的设计.pdf

北方工业大学硕+ 学位论文 摘要 脉诊学的客观化和科学化的发展，对传感器的准确性、灵敏性提出了新 的要求。m e m s 的诞生为传感器的发展开辟了新的途径，但是系统中传感器 和后端处理电路之间的接口部分仍是阻碍系统实用化发展的“瓶颈”。本文主 要完成传感器设计、读出电路设计和系统设计三方面的工作： 首次提出了一种新型的高灵敏度大信号输出的医用脉搏传感器，通过把 传感器电容设计到m o s f e t 器件栅的电介质中，把m o s f e t 栅极作为传感器 的可移动元件，创建了电容电流传感器；源极和漏极选择不同的掺杂类型， 应用量子隧穿效应，直接完成信号的放大功能，使传感器漏极输出电流增加 1 0 0 倍，并克服了器件的短沟道效应，避免了使用高k 介质材料。 基于o 6 岬 d o u b l ep o l yd o u b l em e t a lm i x e ds i g n a lt e c l l l l o l o g y t o p o l o 西c a ld e s i 盟r u l e 设计了医用脉搏传感器单元和读出电路，其中，医用 脉搏传感器单元工艺设计共分为3 3 道工序，包括9 道光刻工序；研究了制作医 用脉搏传感器s i 3 n 4 生长工艺和牺牲层工艺等关键工艺；完成了读出电路的源 随级、放大级、采样保持级、缓冲级、输出级和多路选择器的电路设计；最 终完成了医用脉搏传感器单元和读出电路的版图绘制。 以d a n c i6 4 4 6 为开发平台，建立了m i n i g u i 和s q l i t e 开发环境；基于消 息机制实现界面切换和数据流控制，通过接口实现流程交互，利用全局数据 控制文档维护系统；并使用小波变换、模式识别对信号进行处理；最终利用 专家系统推理出这些特征可能揭示的疾病或各种维生素、矿物质缺乏症，并 给出治疗所需的药物、相关的医院以及保健方面的建议。 关键词：医用脉搏传感器，数据采集系统，电容传感器，m o s f e t 栅，读出 电路 北方丁业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fe x t e m a l i z e da n ds c i e n t i f i co fs p h y g m o l o g yn e e d sm o r e v e m c i t ya n ds e n s i t i v 时s e i l s o r t h eb i n ho fm e m so p e n su pan e ww a yf o rm e s e n s o rd e v e l o p m e n t h o w e v t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h es e n s o ra n dp r o c e s s i n g c i r c u i ti st h er e s 砸c t i v ef a c t o rf o rm ed e v e l o p m e n to fs y s t e mp r a c t i c a l an e ws e n s o ro fm e d i c a lp l u s ea r c h i t e c t u r e ，w h i c hc o i l v e n sm e c h a n i c a l d i s p l a c e m e n to fac o n d u c t i v ed i 印h r a 盟】d i r e c t l yt 0ac u r r e n t ，锄dh ee l e c 砸c a l b i a so nm em e c h a i l i c a le l e m e i l ti sc a p a c i t i v e l yc o u p l e dt oa i le l e c t r i c a l l ym o s g a t e t 1 1 a tc o m r o l st l l es e n s o r o u t p u tc u i r ti so r i 西n a l l yi n t r o d u c e di i lm i s d i s s e n a t i o n t h eh e a v i l yd o p e dn 柚dpr e 西o n s ( d r a i na n ds o u r c e ) ，w i t h p h o s p h o r o u 跏o r o nc o n c e l l t r a t i o nh i 曲e rt h a n2 l0 2 0c m 3a tt h es i l i c o ns u r f a c e ， a r et oa d dd r a i nc u r r e n t10 0t i m e s ni sa i la l t e m a t i v ed e v i c ef o rd e 印s u b m i c r o n c m o sw i t hv e 巧9 0 0 ds h o r tc h 锄e la i l d1 e a k a g ec h a r a c t 谢s t i c s t h ed e s i g np r i n c i p l ea 1 1 dp e r f 0 肌狮c ei n d e xo fr o i cw e r ea n a l y z e di nd e t a i l ， b a s e do no 6 岬1d o u b l ep o l yd o u b l em e t a lm i x e ds i g i l a lt e c l l i l o l o g y t o p o l o 舀c a l d e s i 印r u l e r o i ch a db e e nd e s i 印e d 觚di tc o n t a i n e ds u c hm o d u l e s ：p r e s o u r c e f o l l o w e r ，a n l p l i f i e r ，l o wp a s sf i l t s 锄p l e 狮dh 0 1 ds t a g e ，c r o s s t a l kb u 腩r ，o u t p u t p o w e rs t a g ea n dd i 百t a lc o n t r o lc i r c u i t s a tl a s t ，t h el a y o u to fm e d i c a lp l u s e s e n s o r sa 1 1 dr o i ch a db e e i lp l o t t e d t h ed e v e l o p m e n te n v i r o m e n to fm 1 1 i g u ia l l ds q l i t eh a db e e ne s t a b l i s h e d o nd a n c i6 4 4 6 t l l eu s e ri n t e r f 如ec h a i l g ea n dt h ed a t an o wc o r l t r 0 1h a db e e l l r e a l i z e do ni n f o 肌a t i o nm e c h a n i s m h lt h ep 印e rt h es i g n a lp r o c e s s i n gh a db e e n u s e dw a v e l e t 咖l s f o n l la i l dp a t t e mr e c o g n i t i o n a t1 a s t ，t h es y s t e m ，w h i c hu s e d e x p e ns y s t e m ，r e a s o n so u td i s e a s eo rd e f i c i e n c yd i s e a s e ( s u c ha sv i t a m i na n d m i n e m lc o m p o s i t i o n ) ，a n ds h o w s p r o p o s a l s ，s u c ha sm e d i c i n e ，h o s p i t a l ，a n dh e a l t h p r o t e c t i o n k e yw o r d s ： m e d i c a lp l u s es e n s o r ，d a t a a c q u i s i t i o ns y s t 锄，c a p a c i t a i l c e t r a n s d u c e r m o s f e tg a t e ，r e a d i n gc i r c u i t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得韭直王 些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：砑晶晶签字日期：弘才年f 月少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北方工业大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权北方工业大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：刁晶晶 签字日期：夕伪乒祜月房租 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：差乞_ 签字日期：方矿口扩年月一阳 电话： 邮编： 北方- t 业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题来源与意义 脉诊是中医的精髓，它历史悠久、内容丰富，是我国传统医学中最具特 色的一项诊断方法。中医把用手指触觉所获得的脉搏的频率、节律、形状、 深浅与强弱等变化的综合形象，称为脉象。但由于“脉理精微，其体难辨，在 心易了，指下难明”，影响着脉学的客观化和科学化的发展【l 】。 长期以来，人们希望研制的脉象仪能模拟中医手指切脉方法，检测人体 挠动脉寸、关、尺的脉象信息，使脉象的研究不只是停留在用语言来形象描 述的阶段，而能用波形、量化指标进行客观地描述、分析与判别【2 】【3 】。但是， 实践表明现有的脉象分析仪还远远达不到这样的要求。通过中医专家用双盲 法鉴别脉象，对脉象仪进行效果测验，结果表明，现有脉象仪的符合率并不 高，其主要原因在于脉象传感器的设计与脉象信息分析方法两方面关键技术 尚未能实现根本的突破。 首先，脉象信息的采集手段单一。目前传感器的设计，尚不能实现脉象 信息的全面采集，一般只能实现脉象图的压力描记及分析。有关专家认为2 8 种脉象中只有几种脉象图与脉象的对应较好，其它脉象图的变化较大，没有 公认的明显特征。虽然传感器设计已从最初的单点采集，发展到阵列式多点 采集，但是仍与实际的切脉有很大差距：一方面，中医切脉要根据具体情况 定位布指，总按与单按结合，不断调节指力。整个诊察过程是推理、辨证与 取脉相结合进行的过程，而现有的采集手段还不能达到这种自适应调整；另 一方面，脉象形成极为复杂，它与血管结构和特性( 血管硬度、血管弹性等) 、 管外肌肉和皮肤组织、血液特性( 血流量、血液粘稠度等) 和血液循环系统 特性等多种因素有关。仅采集压力脉搏信息，显然是远远不够的，应实现三 维的和动态的采集。 近年来，对脉象的客观化检测和描述受到国内外的高度重视，提出了多 种脉搏信号检测方法，并研制出相应的脉象采集装置，其中多数系统都是基 于压力传感器开发【4 】【5 1 。压力传感器可极为快速、敏感地反映待测物理量的变 化，在临床检验、诊断领域中有巨大的应用潜能和优势。试验研究显示，由 于传感器的结构限制，传感器在使用上有一定的局限性，不能全面反映脉象 北方： 业大学硕十学位论文 的丰富信息。因而，传感器的准确性、灵敏性成为脉学的客观化和科学化的 发展所要解决的首要问题。 另外，脉象分析仪的特征提取与信息分析方法简单。现有的脉象分析仪 提取脉象图的参数较少，信息分析方式也仅限于时域、频域分析和简单聚类。 必须开展血流参数基本理论及脉象形成机理的深入研究，并以此为基础，提 取更丰富的脉象参数，针对其特点进行信息处理【6 】。 1 2 微压力传感器研究与发展 微压力传感器( m i c r o p r e s s u r es e n s o r ) 是微传感器的一种。它是最早开始研 制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品【7 】【8 】【9 】。 其原理是将压力( 被测量) 转换成电信号( 电压、电流) 输出的器件。最常 见的微压力传感器有压阻式、电容式、谐振式三种。 近年来，国际范围内在微纳机电系统( m e m s n e m s ) 领域内所取得的一 系列进展，预示微纳机电系统在未来几年内将走向实用1 0 】【l l 】。但系统中传感 器和后端处理电路之间的接口部分仍是阻碍系统实用化发展的“瓶颈”。传感 器输出信号一般为电容信号、温度信号、化学量等非电学信号，通过电路直 接对这些信号进行处理，增加了系统设计的难度，影响了系统的精度。直接 用传统电路对传感器信号进行处理，主要存在下列缺点【1 2 】： ( 1 ) 对微弱信号处理时，要保证一定的精度和分辨率，电路设计复杂。一 般信号处理电路包括信号采集部分、信号放大部分和校准部分( 保证精度、 提高信噪比) 等。近年世界范围内重点研发的“红外焦平面阵列读出电路”就 是这样的一个例子【1 3 】【1 4 】： ( 2 ) 工艺兼容性问题，目前微纳机电系统领域内一个主要研究方面就是 m 烈e m s 工艺与集成电路( i c ) 工艺的兼容问题，m e m s t 艺目前并没有象i c 工艺一样标准化，而且m e m s 中有很多工艺与i c 工艺不兼容，目前解决m e m s 兼容性问题主要采取的方法是将m e m s 器件部分和电路部分的制作工艺分离 引。具体在一块芯片上，根据工艺顺序的不同，可以分为器件在电路工艺之 前做( p r e c m o s ) ，器件在电路工艺之后做( p o s tc m o s ) 和器件在电路工艺的中 间步骤完成( h y b r i d ) 等三大类。为了避免工艺实施过程中的相互影响，需要将 m e m s 器件部分和电路部分进行一定距离的隔离，但对信号的传输不利，同 时对系统集成度的提高也存在着影响6 】； 北方t 业大学硕士学位论文 ( 3 ) 后端电路难以标准化【17 1 ，由于各种传感器输出的信号截然不同，后端 电路不可能统一。这样，每一种传感器都需要一套信号处理专用电路，对系 统既需要传感器设计又需要电路设计，延滞了产品上市时间，影响了系统实 用化的进程； ( 4 ) 随着集成度不断提高，微机械系统正朝着纳机械系统过渡，纳米级传 感器的输出信号非常小，容易受系统中寄生电容、分布电容等影响，需要开 辟新的途径来解决n e m s 器件与后端电路的通讯问题。目前学术界和企业界 正在寻找其他有效的途径来弥补这些不足【1 8 】。 针对常用传感输出信号越来越微弱导致处理电路越来越复杂等问题，目 前研究的核心问题就是寻求适用于微米及纳米尺度范围内的传感信号处理结 构，这种结构应具有以下两方面的功能：一是直接把传感信号转化为电信号； 二是直接完成信号的放大。 目前，关于直接把传感信号转变为电信号的工作主要有以下几种： ( 1 ) 1 9 6 7 年，h c n a t h a n s o n 等提出了“谐振栅晶体管”的概念，将传感 器电容作为m o s 器件的栅绝缘介质，首次将传感电容信号直接转变为电信号 输出【1 9 1 ； ( 2 ) 1 9 9 0 年，日本的j t s u m i n t o 等利用m e m s 中的牺牲层技术，在多晶栅 下面形成一个密封腔，构成了一个压力传感器，并且将其作为m o s 晶体管的 栅区，将压力信号通过m o s 晶体管转变为电流输出。但主要缺点是重复性差， 压传感器所对应的晶体管的阈值电压太高，阻碍其在低压电路中的应用。另 外由于工艺不成熟，空腔的表面电荷过多，对应的阈值电压的差别较大，与 实用化相距较远【2 0 】； ( 3 ) 2 0 0 1 年爱尔兰的e h y l l e s 提出了c a p f e t 结构，仿照e e p r o m 存储器 结构中电容耦合的设计方法，将浮栅结构应用到s 啪i n t o 的结构中，降低了晶 体管的阈值电压【2 l 】。 关于完成信号放大的工作主要有以下几方面： ( 1 ) 一般放大电路仍是以晶体管为核心构成，加上外围电路，使放大尽可 能线形化，不受工作电压、频率的影响【2 引，但随着芯片尺寸的不断减小和集 成度不断提高，常规晶体管越来越小，到深亚微米级和纳米尺度范围内，短 沟道效应会越来越明显。通过提高沟道区掺杂浓度一定程度上可以降低短沟 道效应，但其代价是电子迁移率降低、速度变慢，容易发生电子雪崩击穿； 同时为了保持短沟道的栅控，栅极介质的厚度也必须减小，必须开发使用高 北方r 业大学硕七学位论文 k 介质材料【2 3 】【2 4 1 。以上是电路进入纳米级尺度时首先必须考虑的问题。国内 许多工作都是针对这方面开展的，在深亚微米、纳米级器件和工艺等方面做 了许多卓有成效的工作：国家自然科学基金委员会从1 9 9 5 年至今已经资助了 1 9 个与此相关的基础项目；北京大学、清华大学、中科院微电子所、半导体 所、复旦大学等都有代表性工作成果和论文发表。 ( 2 ) 2 0 0 4 年，英飞凌公司和慕尼黑大学共同提出了t f e t 结构，借助于集成 化基板和阱接触，在沟道的源极内侧形成一个隧道结。在不导电的t f e t 结构 中，源极和漏极之间形成一个反向二极管，使得器件在静态时具有极低的漏 电流。当栅极加正偏压形成沟道时，齐纳隧道电流具备陡然接通特性，在4 5 n m 尺度下，电路放大倍数可达1 1 0 倍，并且从常规尺寸到2 0 纳米范围，短沟道效 应都可忽略，表现出优异的模拟属性，这样就不需要采用高k 栅极电介质 【2 5 1 【2 6 】【2 7 】。该项成果被认为是2 0 0 4 年度微电子发展的一个重要里程碑，对纳米 电路的发展起到了积极推动作用。利用这种结构，可以把从传感器转换出来 的信号直接放大，并具有良好的线性【2 8 】【2 9 】【3 0 】。 1 3 课题的主要任务及章节安排 医用脉搏数据采集系统芯片的设计主要包括三方面的工作：传感器设计、 读出电路设计和系统级设计。论文共分为五章： 第一章为对中医脉诊和微压力传感器综合性的论述，分析课题研究的意 义和章节安排。 第二章进行传感器设计。依据脉搏数据特征，设计电容式微压力传感器， 并通过a n s y s 仿真、建立等效电路宏模型对传感器进行优化；计设制作医用 脉搏传感器的工艺流程和绘制芯片版图，研究制作这种微压力传感器的关键 工艺。 第三章设计读出电路。分析医用脉搏数据采集系统芯片读出电路设计原 理和性能指标；完成读出电路源随级、放大级、采样保持级、缓冲级、输出 级和多路选择器的电路设计和版图绘制；最终完成医用脉搏数据采集系统芯 片读出电路的电路设计和版图绘制。 第四章进行系统级设计。分析系统总体设计方案和开发环境，建立开发 环境，最终完成系统数据库和用户界面设计。 第五章全文工作的总结和展望。 4 北方t 业大学硕士学位论文 2 传感器设计 2 1 脉搏数据特征分析 为了确定传感器的精度和测量范围，分析了健康组、高血压、乳腺癌和 胃炎等8 组脉象主要特征值数据1 1 ，如表2 1 所示。 表2 1 各种疾病脉象特征参数比较 桥本氏 住血吸 健康组 甲亢高血压肝癌乳腺癌 胃炎 病虫症 2 1 42 2 1 81 7 o l1 9 1 62 1 5 61 8 5 51 5 8 42 1 2 6 j i l i 删g ) 5 76 1 95 0 86 0 55 2 94 9 25 2 55 5 7 2 2 0 72 3 2 51 0 8 l2 4 0 1 2 1 1 92 2 1 2 1 9 8 7 2 1 7 9 f ( s ) 2 5 72 9 74 2 32 3 53 7 84 4 02 5 2 2 7 2 0 7 20 7 7o 6 3o 9 3o 7 3o 8 2o 7 6o 7 3 坞啊 o 1 5o 1 8o 2 10 1 91 2 60 2 20 1 60 2 l 0 4 3o 4 50 3 6o 5 60 4 2o 4 60 4 2 o 4 3 么啊 0 1 lo 0 5o 1 10 1 4o 1 0o 1 4o 0 9o 1 2 0 2 1o 2 20 2 30 2 4o 2 3o 2 40 2 1o 2 1 w 1 o 0 7o 0 7o 0 70 3 60 0 4 o 0 7o 0 6o 0 6 脉象图的基本图形为三峰波，由升支和降支组成。升支和降支组成主波， 降支上的一切迹称降中峡；主波和降中峡之间往往出现重搏前波，又称潮波； 紧接降中峡出现的重搏波又称降中波，如图2 1 所示。 n q 恻 图2 1 脉图的幅值与时值特征 t 国 北方t 业大学硕+ 学位论文 其中， h l ：主波幅度，为主波峰顶到脉搏波图基线的高度。主要反映左心室的 射血功能和大动脉的顺应性，即左心室收缩力强，大动脉顺应性好的状态下， h 1 高大，反之则小。 h 2 ：主波峡幅度，是主波与重搏前波之间的一个低谷的幅度。其生理意 义与h 3 一致，脉图分析时可略去。 h 3 ：重搏前波幅度，为重搏前波峰顶到脉搏波图基线的高度。主要反映 动脉血管弹性和外周阻力状态。如动脉血管由于管壁张力高，或者硬化，或 者外周阻力增高时，均可引起h 3 幅度增高。 h 4 ：降中峡幅度，为降中峡谷底到脉搏波图基线的高度。降中峡的高度 与舒张压相应。主要与动脉血管外周阻力、主动脉瓣关闭功能有关，外周阻 力增加时，表现为h 4 增加；反之降低。 h 5 ：重搏波幅度，为重搏波峰项到降中峡谷底所作的基线平行线之间的 高度。重搏波幅度主要反映大动脉的弹性( 顺应性) 和主动脉瓣功能情况， 当大动脉顺应性降低时，h 5 减少；当主动脉瓣硬化、闭锁不全时h 5 可以为o ， 甚至出现负值。 t 1 ：脉搏波图起始点到主波峰点的时值，t 1 对应左心室的快速射血期； t 4 ：脉搏波图起始点到降中峡之间的时值，t 4 对应左心室的收缩期； t 5 ：降中峡到脉搏波图终止点之间的时值，t 5 对应左心室的舒张期； t ：脉搏波图的起始点到终止点的时值，对应左心室的一个心动周期，对 应于脉搏，即一个脉动周期； w ：主波上l 3 处的宽度，相当于动脉内高压力水平所维持的时间。 由表2 1 数据分析，确定传感器测量精度为1 4 p a ，测量范围为 14 0 0 7 0 0 0 p a 。 2 2 医用脉搏传感器设计 2 2 1 结构原理 本课题设计了一款新型微压力传感器，可以直接把脉搏压力信号转换为 电流信号输出，传感器结构如图2 2 所示。其设计方法是把传感器电容设计到 m o s f e t 器件栅的电介质中，m o s f e t 栅极作为传感器的可移动机械元件， 在脉搏压力作用下，机械元件m o s f e t 器件的栅极向下移动，使m o s 栅极电 6 北方t ：业大学硕 学何论文 容改变，m o s f e t 输出电流随之改变，形成压力一电容一电流传感器。这种传 感器主要优点是把压力信号直接转换为电流信号输出。 这种结构是一种新型m e m s 传感器结构，机件上的电偏压是m o s 浮栅的 电容性，通过栅极控制传感器的电流输出。浮栅射频的改变可以改变传感器 的阈值电压。制造传感器时使用一种工艺模块，这种工艺模块可以与c m o s 工艺兼容。传感器结构和工艺模块是把一般c m o s 器件按比例缩小或放大， 因而与c m o s 工艺具有良好的兼容性。 由图2 2 可知，栅极电容c 。由四部分电容组成，c 1 与c 2 串联后，再与c 3 、 c 。并联，则栅极电容： g = c t a i + c 3 + c 4 ( 2 1 ) 其中， c 1 一，c 22 等( n ，删彤4 枷垅胁， 占。= 3 4 5 1 0 - 1 1 f 垅，a ：w l ，w 为有效沟道宽度，l 为有效沟道长度；d 1 、 d ，分别为真空和二氧化硅厚度，则： = 器= 岛 一8 8 3 4 5 1 0 4 嗄+ 么雹8 8 ( 2 + 3 4 5 d 1 ( 2 2 ) 当v g s 2 v t h 时，栅极电荷被沟道电荷镜像，从而产生一个均匀的沟道电 荷密度，其值为： q 。= c 刚( 。一，) ( 2 3 ) 当漏极电门i 大于o ，沟道电势从源极的0 变化到漏极的v d ，栅与沟道的局 部电压从v g 变化到( v r j v d ) 。因此，沟道任意。点x 处的电荷密度【l 丁表示为 【3 0 1 【3 2 】 北方t 业大学硕十学位论文 q d ( x ) = 三器【k 西一y ( x ) 一巧w 】 ( 2 4 ) 由，= 幺v 得： ，d = 一暑器 k 话一y ( x ) 一巧w 】v ( 2 5 ) 负号是因为载流子电荷为负而引入的，v 表示沟道电子的漂移速率，对 于半导体，= “e ，其中p 是载流子的迁移率，e 为电场，e ( x ) = d v d x ，电子 迁移率用( = l3 5 0 c 伽2 s ) 表示，则： 厶2 器哦川矿掣 ( 2 6 ) 对应边界条件为v ( o ) - o 和v ( l ) = v d s ，对上式两边积分得； 。l 出= 仁专器以 一矿( x ) 一f y 法7 ) 厶2 以警篙等【( 一) 一圭吃】 ( 2 8 ) 当v d s 一定时，i d 与c 成线性关系。 对于微型传感器来说，矩形膜片的性能优于圆形膜片的性能【3 3 1 ，如图2 3 所示，a 是直径为a 的圆形平膜片，b 是边长为a 的正方形平膜片，c 是短边为a 、 长边为1 5 a 的长方形膜片。研究表明，正方形平膜片在边缘中心点处的应力 约为圆形的1 6 倍，而长方形膜片在边缘中心处则约为圆形的2 倍。在正方形 膜片边缘中心点处应变最大，其值约为膜片中心处最大应变的3 倍，在膜片的 四个角点上应变为o 。因而为使膜片具有更高的灵敏度，把膜片的形状设计为 下芹形。 图2 3 膜片形状比较 北方工业大学硕士学位论文 2 2 2 几何尺寸的确定 前文提出了传感器的测量精度为1 4 p a ，测量范围为1 4 0 7 0 0 0 p a ，选择 传感器膜片的形状为正方形。为了确定传感器的结构尺寸，设计出满足传感 器性能的结构，应用a n s y s 软件进行了以下三个方面的建模分析： ( 1 ) 微桥膜片在自身重力作用下，形变与几何结构( 长、宽、高) 之间 的关系。 模型选择s h e l l 6 3 ，材料选择多晶硅：s h e l l 6 3 具备弯曲和膜的特性， 能承受平面内和法线方向的荷载【3 4 1 【3 5 】；多晶硅及= 1 5 6 1 0 朋2 、 p r 。秽= 0 2 2 、d 绷= 2 3 3 0 堙聊3 。对微桥膜片长1 5 0 0 岬、宽1 0 5 0 0 岬、 高0 5 5 岬，进行模拟仿真。在重力作用下，微桥膜片的最大形变与几何结 构之间的关系如表2 2 所示。 表2 2 重力作用下微桥膜片形变与几何结构之间的关系 长宽鬲 最大变形( 岬1 ) 长宽高最人变形 ( 岬)( 岬)( 岬)( 岬1 )d m x ( 岬) 0 5 5 0 2 1 0 1 z o 55 8 0 lo 1 u 0 7 55 0 2 1 0 1 z0 7 55 8 0 1 0 1 u l5 0 2 1 0 啦l5 8 0 10 1 u l o1 55 0 2 l o 。1 z1 0 01 55 8 0 1 0 1 u 25 0 2 1 0 1 z25 8 0 1 0 。1 u 35 0 2 1 0 。1 z35 8 0 1 0 。1 u 55 0 2 1 0 。1 z55 8 0 1 0 1 u 0 52 3 2 1 0 川o 52 3 2 1 0 掣 0 7 5 2 3 2 1 0 川 o 7 52 3 2 l o 母 12 3 2 l o 川l2 3 2 1 0 母 2 01 5 2 3 2 1 0 川2 0 0 1 52 3 2 1 0 9 22 3 2 1 0 川22 3 2 1 0 。 32 3 2 1 0 川 3 2 3 2 1 0 母 52 3 2 1o 儿52 3 2 l o 。， o 51 4 5 1 0 1 ”o 51 4 5 1 0 。s 0 7 51 4 5 1 0 1 uo 7 51 4 5 10 8 l1 4 5 1 0 1 ul1 4 5 1 0 。8 5 0 1 51 4 5 x1 0 一1 u 5 0 01 5 1 4 5 1 0 。苎 21 4 5 1 0 一1 u21 4 5 l o 。苎 31 4 5 1 0 1 u31 4 5 1 0 。摹 51 4 5 l o 1 u 51 4 5 1 0 甚 9 北方i ：业人学硕 j 学化论文 由表2 2 发现，这种结构在重力作用f ，微桥膜 。的形变厚度无天，与 面积成i f 比，变化范围为5 0 2 1 0 m 1 4 5 x 1 0 一u m ，故微桥膜片存重力作用卜 的形变可忽略f i 汁。 ( 2 ) 在自身重力和电场力作用卜，微桥膜片、下极板i 、自j 电容l j 长、宽和 极板l 、 i j 距离的关系 单元维数形状或特征自由度 s o l i d l 2 23 一d砖形( 六面体) ，2 0 = 宵点 每个1 ，点上的电压 i n f i n l l l3 一d八面体，8 或2 0 仃点 a x a y a z 磁矢量，温度，i u 势，或磁标量势 如图2 4 所示，义寸板长为1 0 5 0 0 “m 、宽为1 0 5 0 0 肛m 、高为o 5 5 “m ，两级 板j 【| j 足巨离高为o 5 5 u m 的两层多晶硅极进行模拟仿真。在两极板周围建立一 边长为3 0 1 5 0 0 u m 的f 方体空气介质， 相对的外表面节点表示导体节点。 6 0 3 0 0 0 m 远场。 并减去两极板建立几何模型，两极板 在空气介质f 方体外建立边长为 图2 4 两层多品硅极板仿真模型 ， ；。n m f h ：。l j l ：h 。搿p f 图2 5 电容仿真结果 使用a n s y s 分析软件对两极板间的电容进行计算，电容仿真结果如图2 5 所示。使f | a n s y s 分析软件分别仿真了层多晶硅极板在长为1 0 5 0 0 “m 、宽 o 北方 业大学硕士学位论文 为l 肚5 0 0 岬、两级板间距离高为0 5 5 岬之间变化的电容。微桥膜片极板间 电容与长、宽和极板间距离的关系如表2 3 所示。 表2 3 微桥膜片极板间电容与长、宽和极板间距离的关系 长宽距离两极板间电容 长宽高 两极板间电容 ( 岬)( 岬) ( p f )( 岬)( p m ) o f ) 0 51 7 7 1 1 0 )0 50 1 7 7 1 o 7 5 1 1 8 l 1 旷0 7 5o 1 1 8 l 10 8 8 5 10 - 10 0 8 8 5 1 0 1 5 o 5 9 0 1 0 )1 0 01 5o 0 5 9 0 2o 4 4 2 1 0 )2 0 0 4 4 3 3o 2 9 5 1 0 - j3o 0 2 9 5 50 1 7 7 1 0 。50 0 1 7 7 0 57 0 8 3 1 0 - j0 5o 7 0 8 3 o 7 54 7 2 2 1 0 。o 7 5o 4 7 2 2 l3 5 4 1 1 0 - jl o 3 5 4 1 2 01 52 3 6 1 1 0 。2 0 01 5o 2 3 6 l 21 7 7 0 l o j 2o 1 7 7 0 31 1 8 0 1 0 。3o 1 1 8 l 5 0 7 0 8 lo 5o 0 7 0 8 o 54 4 2 7 0 lo _ 0 54 4 2 7 0 0 7 5 2 9 5 1 3 1 0 。j0 7 52 9 5 1 3 12 2 1 3 5 1 0 。12 2 1 3 5 5 01 51 4 7 5 6 1 0 - j5 0 01 51 4 7 5 6 2 1 1 0 6 7 1 0 。21 1 0 6 7 37 3 7 8 1 0 - j3o 7 3 7 8 54 4 2 7 1 0 j5o 4 4 2 7 分别把仿真得到的电容值代入式2 8 中，当微桥膜片长为1 0 0 岬、宽为 1 0 0 “m 与下极板距离为l 肛m 时，i d 的输出值可以满足系统设计的要求。因而， 最终确定微桥膜片的长为1 0 0 岬、宽为1 0 0 岬与下极板距离为1 阻。 ( 3 ) 在重力和外力作用下，微桥膜片形变与梁的几何结构之间的关系 选择s h e l l 6 3 ，微桥膜片长为1 0 0 “m 、宽为1 0 0 i m ，厚为o 5 5 岬，使用 多晶硅材料建立模型。对微桥膜片表面施加均匀压强2 0 0 0 p a ，进行a n s y s 仿 真的应力云图如图2 6 所示。从图2 6 中可以看出，微桥膜片中心处应力最大， 在膜片的四个角点上应力为o ，符合设计需要。 北方l ：、世人、硕十学位沦文 图2 6 微桥膜片廊力云图 转换应力云图的视角，可以得到微桥膜片纵向形变云图，如图2 7 所示。 从图中可以发现膜片中心向外有明显的位移，并且位移随外部压强的增大而 增大。使用a n s y s 软件对膜片中心位移s 与外部压强p 的关系进行了仿真，仿 真结果如图2 名所示，s 随p 的增大旱线性变化，当p 到达一定值时，膜片中心 位移s 发生突变，膜片的弹性性能失效。 刚2 7 微桥膜片纵向形变图图2 8 外部压强与微桥膜片形变的关系 为了确定膜片的厚度，分别对膜片厚度为0 5 5 u m 的微桥膜片进行建模、 对外部压强为1 4 7 0 0 0 p a 时进行仿真，获得微桥膜片在重力和电场作用下的 彤变与厚度和外部压强之间的天系，如表2 4 所示，其中压强p 的单位为p a ， 膜片厚度h 的单位为m ，形变s 的单f 、! ，：为“m 。当厚度h 茎1 u m 时，外部压强为 7 0 0 0 p a 时，膜片性能失效，不能达到i 父计的需要；j 厚度h 之2 u m 时，膜片的 灵敏度降低。为了满足传感器灵敏度和测量范 ：| ，微桥膜片的厚度最终确定 为1 5 l i m 。 北方 业大学硕士学位论文 表2 4 微桥膜片在重力和电场作用下，形变与厚度和外部压强之间的关系 、逡。 1 41 41 4 01 4 0 02 5 0 03 5 0 05 0 0 07 0 0 0 o 5o 。6 0 3 e 3o 6 0 3 e 2o 6 0 3 e 1o 6 0 31 1 8 o 7 50 1 7 9 e - 3o 1 7 9 e 20 1 7 9 e - l0 1 7 9o 3 1 90 4 4 6o 6 3 8 l o 7 5 3 e - 40 7 5 3 e - 30 7 5 3 e 一2o 7 5 3 e 1 o 1 3 5o 1 8 8o 2 6 9o 3 7 7 1 5o 2 2 3 e 40 2 2 3 e 30 2 2 3 e 20 2 2 3 e 10 3 9 9 c 10 5 5 8 e - lo 7 9 7 e 1o 1 1 2 2o 9 4 2 e 5o 9 4 2 e 4o 9 4 2 e 3o 9 4 2 c 2o 1 6 8 e 1o 2 0 2 e 1o 3 3 6 e 1 o 4 7 l e 1 30 2 7 9 e 5o 2 7 9 e 4o 2 7 9 e - 3o 2 7 9 e 2o 4 9 8 e - 2o 6 9 7 e 20 9 9 6 e 一2o 1 3 9 e 1 50 6 0 3 e - 60 6 0 3 e 5o 6 0 3 e - 4o 6 0 3 e 3o 1 0 8 c - 2o 1 5 1e - 20 2 1 5 e 20 3 0 1 e - 2 2 2 3 结构优化 这种传感器结构的主要优点是直接把传感器信号转换为电信号输出，但 是输出的信号非常微弱，如图2 9 所示，必须加上复杂的处理电路，一般放大 电路仍然是以晶体管为核心构成的，另外还需加外围电路，使放大尽可能线 性化，不受工作电压、频率的影响，但会使电路结构非常复杂，不能突出显 现该结构的优越性，甚至会使输出结果产生严重的误差【3 6 】【3 7 1 。 o 从尺寸方面讲，它的尺寸已经达到微米级，短沟道效应非常明显。通过 提高沟道区掺杂一定程度上可以降低短沟道效应，但其代价是电子迁移率降 低、速度变慢，容易发生电子雪崩击穿；同时为了保持对短沟道的栅控，栅 级介质的厚度也必须减小，需要开发使用高k 介质材料【3 引。 图2 9 传感器压力和输出电流的曲线图 为解决以上问题，对传感器结构进行了优化。具体实现方案是利用量子 隧穿效应，借助于集成化基板和阱接触法，克服器件的短沟道效应，避免使 用高k 介质材料【3 9 】。如图2 1 0 所示，m o s 管的源极和漏极分别为p 型掺杂和n 型掺杂，在沟道的源极内侧形成一个隧道结。沟道的一边是高度简并的半导 体，一边是弱简并的半导体( 即f e 衄冶皂级接近能带底，但未进入能带) ，使 一 培口哥簿 晴僚苹 北方l 业人学硕十。、佗论文 得沟道在萨向电压作用时不出现隧道电流( 即正向特性与普通的p n 结的相 似) ，在反向电压作用时出现隧道电流( 即隧道击穿) ，构成所谓的二极管。 图2 1 l 显示了在导通和不导通情况下高灵敏度大信号输出的微型压力传感器 结构的能带图，在不导通的微型压力传感器结构中，源极和漏极之问有反向 二极管，使得器件在静态时具有极低的漏电流。当栅极加正偏压形成沟道时， 齐纳隧道电流具备陡然接通特性，使器件在4 5 n m 一3 5 0 n m 的尺度范围内，具有 很好的放大特性，在4 5 n m 尺度f ，电路放大倍数可达11 0 倍。 图2 1 0 优化后的传感器结构 这种结构既町以把传感器信号直接转换微电学信号，又r ， 以深业微米级 器件中的短沟道效应，使此处理结构可以随工艺等比例缩小，适用于微纳级 系统使用。另外，由于降低了器件的短沟道效应，改善了电路的模拟属性， 使此结构具有较大的放大倍数，可以直接完成信号的放大。 p 十源 p 十源厂一 n + 漏n + 漏 ( a ) f i 导通状态( b ) 导通状念 图2 。1 1优化后的微，驯氏力传感器结构能带图 但是，不是简译的改变掺杂类型就呵以使器件诈常工作，高掺杂n 、p 区 的掺杂浓度直接关系剑传感器部分、信弓放大部分和信号转换接ij 部分是否 相适应的问题。n _ h a l o 注入角度太大或p d r a i n 注入剂量过高会导致p d r a i n 漏极 区剑d s u b 存n h a l o 和n d r a i n 漏极区接合处产生穿通效应，如图2 1 2 所示。 北方工业大学硕士学位论文 _ 图2 1 2 漏极区的接合处的穿通效应示意图 栅漏 r 叫酣哦1 0 ： i g r l 图2 1 3m o s 器件电路等效模型 图2 1 4m o s 器件n 沟道仿真结果 为此建立了m o s 器件等效电路模型，如图2 1 3 所示。这个等效电路包含 一个齐纳击穿二极管和一个并联电阻( 作为漏电流) 。齐纳电阻r z 被控制m o s 沟道的栅代替。图2 1 4 ( a ) 和( b ) 为m o s 器件等效电路图的s p i c e 仿真结果。 最终发现，在高掺杂区硅表面磷、硼的掺杂浓度在1 1 0 州2 1 0 2 u 硎。范 围内，可以有效克服短沟道效应，有较大的放大倍数。 北方t 业大学硕十学位论文 2 2 4 等效电路宏模型 为了使传感器更好的结合外围电路进行系统级的仿真，依据梁结构分布 参数换能器的机电耦合关系式建立耦合部分的小信号等效电路。图2 1 5 给出 了中医用高精度脉搏传感器的分布参数机电换能器示意图，它包含一个两端 固定的梁，梁的表面充当可变电容器的一个极板，下面的水平固定面作为可 变电容器的另一极板，两端的支柱等效为弹性模量为k 的弹簧。 盟卜一? 一 - - - - i 图2 1 5 梁结构的分布参数机电换能器示意图 其中：梁长为l ，宽为w ，厚度为h ；两电极间的总电压为k = + v ( r ) ， 为直流偏置电压v ( t ) 为交流小信号部分；未施加电压时两电极的间距为d 。 根据模态分析和偏