（微电子学与固体电子学专业论文）采用mems技术研制硅脉象传感器.pdf

中文摘要 i ii_iii 中文摘要 本文研制的硅脉象传感器是在硅杯的方形硅膜上采用m j m s 技术制作四个 p m o s f e t s 沟道等效电阻组成惠斯通电桥，令两个p m o s f e t s 沟道等效电阻置 于硅敏感膜边缘的径向位置，而另外两个置于横向位置。当脉象传感器接通电源 后，对硅敏感膜施加压力，电桥中两个径向的p m o s f e t s 沟道等效电阻阻值增大， 两个横向p m o s f e t s 沟道等效电阻阻值减小，致使桥路失去平衡，产生了端电压 输出，从而实现了对微小的脉搏信号的采集。 本课题介绍了国内外脉象传感器研究概况，详细阐述了硅脉象传感器的工作原 理、结构设计及制造工艺，对实验研制的硅脉象传感器的二矿特性、温度特性进行 了实验测试和静态特性分析。实验结果表明，研制的硅脉象传感器灵敏度为 1 6 2 2 6 m v 1 0 0 k p a ，线性度为士2 0 1 ，迟滞为士0 1 8 1 ，重复性为士o 2 1 ，准确度 是2 0 2 9 ，符合设计要求。 本课题采用p m o s f e t 沟道等效电阻做压敏电阻的结构研制硅脉象传感器， 这种结构有以下优点：测量信号稳定，温度特性较好，灵敏度较高，传感器的稳 定性增强了，传感器的噪声降低了，而且能够客观地、准确地采集到微小的脉搏 信号。基于m e m s 技术制作的硅脉象传感器的制作工艺与集成电路工艺相兼容， 有广泛的应用前景。 关键词：硅脉象传感器；m e m s 技术；惠斯通电桥；硅杯 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep u l s es e n s o rm a d eb ym e m st e c h n o l o g yh a ss q u a r es i l i c o nf i l m w i t hf o u rpt y p em o s f e t sc h a n n e le q u i v a l e n tr e s i s t a n c e sw h i c hm a k eu po f w h e a t s t o n eb r i d g e ，a n dt h et w opt y p em o s f e t sc h a n n e le q u i v a l e n tr e s i s t a n c e sa l e l o c a t e da tt h el o n g i t u d i n a lo r i e n t a t i o n , a n dt h eo t h e rt w oa l el o c a t e da tt h et r a n s v e r s e o r i e n t a t i o n w h e nt h ep o w e ri ss u p p l i e da n dt h ep r e s s u r ei sa p p l i e d ，t h et w ol o n g i t u d i n a l pt y p em o s f e t sc h a n n e le q u i v a l e n tr e s i s t a n c eb e c o m eb i g g e r t h eo t h e rt w ob e c o m e s m a l l e r , s ot h a tt h eb r i d g ei so u to fb a l a n c e ，t h ev o l t a g eo u t p u ti sp r o d u c e d , s ow ec a n u s et h ep u l s es e n s o rt oc o l l e c tt h es l i g h tp u l s es i g n a l t h i st a s ki n t r o d u c e st h er e l a t e dr e s e a r c ho fp r e s s u r es e n s o ra th o m ea n da b r o a d , a n d d e s c r i b e st h ew o r kt h e o r y , t h es t r u c t u r ed e s i g n , a n dt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so fs i l i c o n p u l s es e n s o r d u r i n gt h ee x p e r i m e n t , t h e - vc h a r a c t e r i s t i c ，a n d t h et e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i ca l et e s t e d ；a f t e rt h a tt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i ci sa l 谢y z e d t h ee x p e r i m e n t r e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e n s i t i v i t yo fs i l i c o np u l s es e n s o ri s 16 2 2 6 m v 10 0 k p a , t h e l i n e a r i t yi s 士2 01 ，t h eh y s t e r e s i si s ：k - 0 181 ，t h er e p e a t a b i l i t yi s 士o 21 ，t h ep r e c i s i o n i s2 0 2 9 t h es i l i c o np u l s es e l l s o rm e e t st h ed e s i g nd e m a n d t h i st a s ku s e st h es t r u c t u r eo fp m o s f e tc h a n n e la sp r e s s u r es e n s i t i v er e s i s t a n c e t or e s e a r c ht h ep u l s es e n s o r , w h i c hh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：t h et e s ts i g n a li s s t a b i l i z e d , t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i ci sb e t t e r ，t h es e n s i t i v i t yi sh i g h e r , s ot h e s t a b i l i t yo ft h es e n s o ri se n h a n c e d ，t h ed i s t u r b a n c eo f t h es e n s o ri sm i n i m i z e d ，a n dw e c a l lu s ei tt oc o l l e c tt h es l i g h tp u l s es i g n a lo b j e c t i v e l ya n da c c u r a t e l y t h ep r o c e s so f s i l i c o np u l s es e n s o rb a s e do nm e m st e c h n o l o g yi sc o m p a t i b l ew i t hi cp r o c e s s , w h i c h h a se x p e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：s i l i c o np u l s es e n s o r ；m e m st e c h n o l o g y ；w h e a t s t o n eb r i d g e ；s i l i c o nc u p 独创性声明 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 入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉选太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名：已迎 签字日期：o 形7 年s 月 i ) 1 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉江太堂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、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名：i l 签字日期：盘朋7 年s 月i q - e j 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：0 斫年岁月e l 电话： 邮编： 第1 章绪论 ii i-i rti i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 置 第1 章绪论 1 1 硅脉象传惑器的研究背景及意义 脉诊是中医诊断最主要的方法之一，并因其简便、可靠、无创伤而受到历代医 家的高度重视。中医认为，心、脉是形成脉象的主要器脏，气、血是形成脉象的 物质基础；与肺的呼吸系统、脾的生化、肝的疏泻、肾的温煦推动都有关，反映 的是人体整体功能。所以，脉象可对人体的许多疾病的性质和发展趋势提供重要 信息。但是，脉象反映的是人体生物信息，包含有人体自身在生命运动过程中产 生的生理、生化信息，也有人体受到外界环境刺激所产生的信息，因而，它具有 重复性差，具有整体性和可调性，非线性等特点i l 】。 脉象定义的拟物类语言，初看起来非常容易理解，但在具体实践中却很难应用， 想要学习和掌握脉诊是有一定的困难的，这些原因都束缚了中医事业的发展，也 限制了中医疗效的提高。再者，脉诊是“切”诊的主要内容，从古到今，人们只是靠 不同指法下的指面感觉来分辨脉象，尽管已经尽量用生动的自然现象来取类比象， 但是由于缺乏明确的物理含义，再加上切脉者的主观差异，对脉象的鉴别始终没 有统一的客观标准【2 j 。 因此，人们希望能有专门的测量和记录仪器，将中医脉象客观化、规范化，这 样的话可以建立一定的指标，直接用于临床诊断。随着现代科学技术的发展和应 用，客观、准确地将脉搏信号提取出来并进行相应的信号处理、分析，具有重要 的临床诊疗意义。为了将中医脉诊发扬光大，并走向世界，脉诊客观化、规范化、 现代化，势在必行【2 】。 使脉诊客观化，是中医脉学迫切需要解决的首要问题。它具有以下几个方面的 重要意义： 1 、弄清经络的本质及气血病理的真实含义； 2 、如果脉诊有了共同的客观标准，中医们就可以用共同的语言互相讨论、交 流脉诊的实践经验和研究成果，进而提高中医临床诊断水平； 1 黑龙江大掌硕士学位论文 3 、应用脉诊的客观指标，有利于保存名家中医的诊脉技巧和学术观点： 4 、客观指标使初学者在学习切脉时有所依据，有利于掌握和推广切脉技术。 1 。2 脉象传感器的研究现状 1 2 1 脉象传感器的种类 现阶段，用于脉象信息采集的传感器主要有：液态传感器、光电式传感器、p v d f 传感器、应变式压力传感器、传声器等 6 1 ( 1 ) 液态传感器 液态传感器的原理是，薄膜制成的感压面受压后变形，使容器内部的导电液柱 发生升降，进而电阻发生改变，最后将脉搏压力信号转换为电信号。江西的m x 8 1 1 型脉象仪采用的就是这样的传感器。m x - 8 11 型脉象仪是采用银稀盐水和乳胶膜组 成的传感器，所测电阻的信号变化与水银的多少、盐水的浓度、乳胶膜的厚薄等 均有关。临床应用中水银的多少，膜的厚薄、松紧，环境温度的变化等等都能对 被测信号产生影响，这样的话就对被测信号的真实程度带来影响。这类传感器的 缺点是：虽然有较高的灵敏度，但是由于液态传感器本身结构特点的限制，测量 过程不十分方便 9 1 。 ( 2 ) 光电式传感器 光电式传感器如图1 1 所示，原理是由直径2 m m 的细杆受力后，向上移动， 从而改变透光量，通过光电池输出的电信号来反映受力大小；血液波动式流动引 起了血管内血容量的变化，而血容量的多寡又决定了光线经过组织被血液吸收量 的多少，因而，当照明光线投照到组织时，其透过组织的光线也随着血流波动的 变化而变化，光电转换器将接收的光信号转换为电信号，以此反映脉搏波的变化 情况【6 】。 第1 章绪论 em一 mt i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i 措 套 图1 1 光电式传感器 f i g 1 - lo p t i c a ls e n s o r ( 3 ) p v d f 传感器 2 0 世纪9 0 年代末，出现了一些新型传感器，如p v d f 传感器等，见图1 2 。 p v d f ( 压电薄膜) 传感器使用的是新型压电薄膜，利用其压电效应将压力信号转化 为电信号，其特点是频响宽( o 1 - - 10 m h z ) ，材料薄( 几g m 到几百聊) 且柔软，有很 好的时间及温度稳定性【1 0 1 。p v d f 与水及人体软组织的声阻抗匹配良好，比较适合 采集脉搏信号【1 1 1 。 图1 - 2 p v d f 传感器 f i g 1 - 2p v d f s e n s o r ( 4 ) 应变式压力传感器 应变式压力传感器是脉象仪普遍采用的一类传感器，如图1 3 所示【引。应变式 压力传感器通常有三种：压磁式传感器、压阻式传感器和压电式传感器。压磁式 传感器也被称为磁弹性传感器，是近年来国内外新兴的一种传感器，它的作用原 理是建立在磁弹性效应的基础上，也就是说这种传感器可将作用力变换成传感器 3 熏龙江大学硕士学位论文 导磁率的变化，并通过导磁率的变化输出相应变化的电信号。但是因为理论上和 技术上还没有成熟，所以限制了其广泛应用。压阻式传感器主要是利用电阻率随 应力变化的性质制成的，目前它的应用最为广泛，根据压力的传导方式不同，压 阻式传感器可分为固态压阻式传感器、液压传感器及气导式传感器。压电式传感 器是利用压电材料的特性将脉搏的压力信号转换为电信号，根据压电材料的不同， 压电式传感器可分为压电晶体式传感器、压电陶瓷式传感器、压电聚合物传感器 及复合压电材料传感器凹。 图l o 应变式压力传感器 f i g 1 - 3s t r a l n - p r e s ：s u r es e l l s o r ( 5 ) 传声器 传声器是利用声学原理，拾取由脉搏引起的振动，即所谓的听信号，如图1 - 4 所示。它是一种非接触式的脉搏信号采集方式。以电容传声器作为提取脉搏信号 的传感器，在传声嚣的前端紧套一个圆柱形的耦合腔，使传声器不直接与皮肤接 触。在传声器与皮肤之间形成了一段空气柱脉搏声波经空气腔耦合后传到传声器 振膜上被拾取m 。第1 章绪论 秘 图1 - 4 传声器 f i g 1 _ 4s o u n dc o n d u c t i n ga p p a r a t u s 1 2 2 脉象传感器国内外研究现状 我国脉诊客观化的研究开始于五十年代，但是限于当时的仪器水平，所以未能 取得较大的进展；二十世纪七十年代中期，天津、上海、贵州、江西等地相继成 立了跨学科的脉象研究协作组，同时研制出了一批性能和质量都较好的脉图仪， 如北京的b y s - 4 型脉象仪等；1 9 8 1 年，台湾的汪叔游教授把电子计算机运用到脉 诊研究方面，并完成了硬件分析电路；2 0 0 1 年，电子第四十九研究所的张东青在 传统传感器的基础上研制出了一种新型的自检脉搏传感器。 现今应用较广的是b y s 1 4 型心电脉象仪，它采用的是钢性触头的悬臂梁式测 力传感器。b y s 1 4 型心电脉象仪的传感器材料是半导体应变片，其灵敏系数大 ( 1 0 0 ) ，谐振频率高( 5 0 0 n z ) ，应变桥是选用的是铍青铜，它具有弹性好、性能稳定、 重复性好，固有振荡频率高等特点，将其经定性处理，在结构上对半导体应变电 阻片的温度系数进行了补偿。这种传感器的优点是灵敏度高，谐振频率大，受环 境温度影响较小 9 1 。 为了采集更全面、丰富的脉象信息，人们在传感器信息采集方式上作了一些改 进。天津医疗器械研究所制造出7 个探头的脉象采集传感器，它能均匀地对脉道 进行加压，获得脉道粗细的图像。汤伟昌在原来单探头传感器基础上，设计了双 探头复合式脉象传感器，这样便可得到脉象信息采集过程中软组织变形程度及软 黑龙江大学硕士学位论文 组织固有的弹性、硬度等力学参数对切脉压力的影响程度【1 4 1 。郑行一等人研制的 多维脉象采集传感器，利用压电薄膜材料作为传感元件，在寸、关、尺的三部不 同位点，同时描记出6 道压力脉图来检测各部脉的不同变化，赋予脉象分析空间 的概念，对脉象进行空间上的多维分析，将脉象从平面图形发展成立体脉图，以 此来消除由单点测量而带来的偶然误差【1 3 】。 国外对脉诊仪的研究开始于1 8 6 0 年，法国的v i e r o r d t 制造了第一台杠杆式脉 搏描记仪，应用描记挠动脉脉搏图的方法研究脉象，使脉图研究由模式图阶段进 入到了示波图阶段，但是限于当时的科技水平，进展并不大【1 5 】。 2 0 世纪5 0 年代，研究者将杠杆式描记器引入中医脉诊研究，人们开始通过描 记挠动脉脉搏图，对多种脉象进行脉图描记及分析。但是，限于当时的科技水平， 描记出的脉图并不清晰，甚至失真，但是这清楚地表明：脉象信息是可以使用仪 器记录的，并且各种不同的脉象可以用不同的图形来区分。 近年来，国外对脉诊仪的研究，大多是把脉象传感器置于被测部位，将脉搏的 搏动转换成为电信号，再输入放大电路，将微弱的生理病理信号用记录仪记录， 或者用计算机处理，再对脉搏波进行分析诊断，如石山仁等人用把半导体的应变 计贴于手指部位的手术的胶皮手套，作为检测压脉波并作记录的脉波计，并用此 脉波计测定了2 0 一4 0 岁健康人的六部定位脉波【3 】。冈田腾用陶瓷型压力传感器， 开发出适用于浮、中、沉各压力等级的元件，并用此传感器描述了全部脉象对应 的脉搏图形，分析后得到满意结果【5 1 。藤田六郎研制出了不接触诊脉部位就能测出 最大脉波的光电管容积脉诊仪，之后还用日本光电k k 超声波脉诊仪进行了实验， 证实了作者提出的存在1 0 种体型的可能性，同时还确认了在脉诊部位有五行循环 的存在 a l 。由此可见，国外对脉搏波的研究，在仪器上正朝着超声显像方面发展， 脉搏图也进入了由波示图到声像图的研究新阶段。 第1 章绪论 i_-l i i i i i i i i i i i i i i 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1 3 常见的脉象仪 1 3 1 帅一i 型脉像仪 山东轻工业学院设计研制的w d i 型脉像仪如图1 5 所示，传感器是由铍青铜 片和半导体应变片组成的，可将脉搏的搏动信号转变成电信号，并与计算机连接， 对脉象图进行初步的定量分析和处理【1 6 1 。 图l - 5w d - i 型脉像仪 1 壳体；2 调节器；3 取压头：4 悬臂梁；5 半导体应变片；6 螺钉；7 分线板 f i g 1 - 5w d - it y p ep u l s es e n s o r 1 s h e l l ；2 r e g u l a t o r ；3 g e t t i n gp r e s s u r eh e a d ；4 c a n t i l e v e rb e a m ； 5 s e m i c o n d u c t o r $ 1 1 a i ng a u g e ；6 b o l t ；7 l a yp l a t e 上文所述的半导体应变传感器均为刚性触头，基本工作原理是将脉管的周期性 搏动作用于触头，使半导体应变片发生形变，从而使电阻值发生相应的变化。即 半导体应变片把脉搏的波动信号转变成电信号，通过电子仪器描记下来形成压力 脉图。这类刚性触头经常出现触头的机械中心不能与脉管中心完全重合的现象 ( 凇3 型脉图仪将圆形触头改为梯形，允许触头放置部位有少许横向偏移而不 影响测定的重复性) ，这样常常会出现同一受试者脉图描记不能重复的情况，为了 避免这类现象的发生，在操作中就需要特别注意触头中心要与脉管中心重合。 1 3 2 多维脉象换能器 天津医疗器械研究所设计制造了七个探头式的脉象换能器。经临床试验表明， 7 黑龙江大学硕士学位论文 它能均匀地对脉道加压以获得脉道粗细的图像。他们还公布了用这种换能器描记 的中医脉象图谱口2 1 。这一尝试对后来的研究者开展多路脉象检测研究很有启发。 2 0 0 0 年，汤伟昌等人研制了多路换能器，不但能检测到普通换能器所能检测的脉 象信息，还能检测到脉象宽度方向上的有关信息 2 3 1 。 1 3 3 中医指套传感器脉象仪 2 0 0 5 年，浙江中医学院的郑小伟等人发明研制了中医指套传感器，传感器设 计成三指指套，模拟医生的脉诊，在桡动脉上寸、关、尺三部位用食指、中指、无 名指三指来诊断病人寸口的脉象。将微型传感器经改造直接粘贴在指套下，使用时 与平常诊脉一样，压力、疏密等由医生手指控制，可以实施医生的手法，在手指感触脉 象的同时还可以从计算机上观察到脉象的波形1 1 7 1 。 1 3 4 脉象采集数字手套 同年，上海交通大学的马利庄等人设计发明了脉象采集数字手套，如图1 5 所 示，在手套的食指、中指、无名指三指套上设有触觉感应器，三个触觉感应器形 成触觉感应器阵列，手套的背部设有一个带监测显示屏的嵌入式计算机，嵌入式 计算机与触觉感应器由信号线连接。此发明采用触觉感应器阵列来采集触觉图像 和触觉视频信号，丰富了中医脉诊技术；数字手套形式的采集仪利用人的手指进 行定位和施压的灵巧性，来简化寸、关、尺三部定位，和浮、中、沉施压的操作； 通过监测显示屏来帮助操作人对采集过程进行有量化控制的初始化和交互；通过 移动通讯技术使得采集设备便携8 1 。 图1 - 6 脉象采集数字手套 1 手套：2 触觉感应器：3 监铡显示屏；4 嵌入式计算机 f i g 1 - 6d i g h m p u l s e a c q u i s i t i o ng l o v e s g i v e ；2 i k f i l es e m o r s ；3 m o u l t o t _ i l l g d i s p l a y ；4e m b e d d e dc o m p u t e r 1 3 5 高精度阵列脉搏传瘟器 2 0 0 8 年，由中国科学院锻电子研究所的淮永进、韩邦生提出了一种可以把脉 搏压力信号直接转换为电流信号输出的高精度阵列脉搏传感器，如图1 - 7 所示。采 用牺牲层法加工晶体管的栅极与c m o s 工艺具有良好的兼容性。对传感器栅电容 和输出电流进行测试，在1 5 - , 0 5 k p a 的动态范围，传感器电容的灵敏度约为 0 5 f f h p a ；传感器输出电流与压力呈现较好的线性和指数特性l j9 1 。 榉 图i 7 高精度阵列脉搏传癌器 f i g i - 7 h i 皂h p r e c i s i o na r r a y p u l s es l x s o r 1 4 脉象传感嚣的发展趋势 目前脉象仪的研究，主要有两个方向，一方面是在传感器上进行改进，模仿中 黑龙江大学硕士学位论文 医把脉，提取尽可能全面的脉象信息，重点在于客观反映脉象；另一个方面是脉 象信息分析，即在上一步的基础上与中医理论结合，寻求临床应用途径，制成各 种病情诊断专家系统。对于脉象仪的研究，今后的研究方向也就是在这两个方面 寻求突破。 1 5m e m s 技术的概况及特点 微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，简称m e m s ) 是2 0 世纪8 0 年代末在欧美日等发达国家兴起的高新技术，它是在微电子工艺基础上结合其它 特殊工艺发展起来的新学科。 其主要技术途径有3 种： ( 1 ) 以美国为代表的以集成电路工艺技术为基础的硅基微加工技术； ( 2 ) 以德国为代表发展起来的l i g a 技术； ( 3 ) 以日本为代表发展起来的精密加工技术。 m e m s 技术有以下主要特点： ( 1 ) 微型化：m e m s 器件有体积小、准确度高、重量轻、耗能低、惯性小、 响应时间短等特点。其体积可达亚微米以下，尺寸精度可达纳米级，而重量可至 纳克； ( 2 ) 集成化：可以把不同功能、不同敏感及不同致动方向的多个传感器或执 行器集成于一体，形成了微传感器阵列或微执行器阵列，甚至可以把器件集成在 一起，以形成更为复杂的微系统。微传感器、执行器和i c 集成在一起可以制造出 高可靠性及高稳定性的m e m s ； ( 3 ) 机械电气性能优良：以硅为主要材料，硅材料的强度、硬度和杨氏模量 都与铁相当，其密度类似于铝，热传导率接近于钼和钨； ( 4 ) 能耗低、灵敏度及工作效率高：很多的微机械装置所消耗的能量远远小 于传统机械的十分之一，但是却能以十倍以上的速度来完成同样的工作： ( 5 ) 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可以同时制造成百上千个微机 械部件或完整的m e m s ，批量生产可以大大降低生产成本； 1 0 第1 章绪论 ( 6 ) 学科上的交叉综合：以微电子及机械加工技术为依托，范围涉及微电子 学、机械学、力学、自动控制学、材料学等多种工程技术和学科： ( 7 ) 应用上的高度广泛：m e m s 的应用领域包括信息、生物、医疗、环保、 电子、机械、航空、航天、军事等等。它不仅可形成新的产业，还能通过产品的 性能提高、成本降低，有力地改造传统产业【2 0 1 。 1 6 主要研究内容。 本课题研究的目的在于采用m e m s 技术研制一款能够客观地、准确地采集到 微小的脉搏信号的硅脉象传感器，使脉诊客观化、规范化、现代化。本课题设计 的硅脉象传感器，它具有以下优点：灵敏度高；准确度高；体积小，重量轻；耐 磨损，无疲劳，无老化。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 搜集课题相关资料，了解国内外硅脉象传感器的发展概况及趋势； ( 2 ) 研究硅脉象传感器的工作原理，设计硅脉象传感器的基本结构，并进行 分析； ( 3 ) 探讨工艺过程，制定工艺流程并进行实验研究，对工艺方案中存在的实 际问题进行改进，并确定优化方案； ( 4 ) 完成对硅脉象传感器的静态及温度特性测试。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章硅脉象传感器的工作原理 2 1 应力和应变的概念 任何固体在外力作用下都要变形，外力停作用后，形变也消失，这种形变称为 弹性形变。最简单的形变是沿某一方向进行纵向拉伸或压缩。在拉力的作用下， 物体的伸长量不仅与力的大小有关，而且还与物体的横截面的大小有关。为了计 入横截面大小的影响，引入单位面积的作用力应力这个概念。应力的数学表达 示为【2 4 】： 万寺 协- ， 式中，样品的横截面积； 五- 作用力； 万应力。 通常规定：作用力为拉力时，8 0 ；作用力为压力时，万 v r v 时，随着v o s 的减小，n 型硅衬底表面逐渐形成耗尽层。耗尽层电 阻很大，因而流过漏源端的电流很小，只是p n 结反向饱和电流。截止区的电流 电压方程是： k = 0 ( 2 - 7 ) ( 2 ) 线性区 当v 6 匹v r v 且巧正v d s 时，n 型硅衬底表面形成强反型导电沟道，此时若 在漏源之间加上负偏压v d s ，空穴就会通过反型层导电沟道从源端向漏端漂移，形 成电流l v s ，如下式所示： k = 了k t w 【2 ( 一) 一2 】( 2 - 8 ) 式中么广- p m o s 漏电流( 刎) 。 k 器件的跨导系数仳4 吻； 彤_ p m o s 沟道宽度0 m ) ； o _ p m o s 沟道宽度( 朋) ； 圪矿_ p m o s 栅压( y ) ； 旷- p m o s 源漏电压( y ) ； 玢r p m o s 开启电压( 功。 跨导系数k 由式( 2 9 ) 给出： 肚作巳：学 ( 2 - 9 ) 式中以空穴迁移率( c m 2 v s ) ： c ：栅电容( ，) ； 第2 覃硅脉象传感器的工作原理 岛- 真空介电常数； 相对介电常数。 线性区p m o s f e t 的沟道电阻为 肚等= 去( 2 - 1 甜dk 形( 一) 7 由式( 2 1 0 ) 知，w l 越小，r 值越大。m o s f e t s 压力传感器要求沟道电阻 满足一定范围，我们设计的m o s f e t s 宽长比w l = 1 ：6 。 ( 3 ) 饱和区 当匹嘞且v o s - v r e _ _ v m 时，i v s 与v d s 无关，但由于沟道长度调制效应，饱 和区i - v 模型就变成： k = 了k i w ( 一) 2 q + 名瞄 ( 2 - 1 1 ) 式中扛曲道长度调制系数。 2 4 硅脉象传感器的调零问题 我们设计的硅脉象传感器是在硅敏感薄膜上，沿一定的晶向扩散四个沟道电阻 值差不多的p m o s f e t ，其中两个p - m o s f e t 设计在拉应力区，另外两个 p m o s f e t 设计在压应力区，将这四个p m o s f e t 组成惠斯通电桥。当对敏感膜 施加压力时，桥路中两个p - m o s f e t 的沟道电阻变大，另外两个p m o s f e t 的沟 道电阻变小，惠斯通电桥失去平衡。理论上，桥路平衡时，输出应为零，但由于 种种原因，传感器往往有零漂产生。设计的硅脉象传感器四个p m o s f e t 组成惠 斯通电桥和等效电路如图2 3 所示： 黑龙江大学硕士学位论文 v o t m ( a ) 图2 - 3 硅脉象传感器中四个p - m o s f e t 组成惠斯通电桥及其等效电路图 ( a ) 惠斯通电桥( b ) 等效电路 f i g 2 3w h e a t s t o n eb r i d g ew h i c hm a d eu po fb yt h ef o u rp - m o s f e ti ns i l i c o np u l s es e n s o r a n dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t ( a ) w h e a t s t o n eb r i d g e ( b ) e q u i v a l e n tc i r c u i t 压阻式压力传感器零漂的产生通常有以下几个原因： ( 1 ) 传感器封装时硅芯片表面涂硅油中含有气泡，硅油中气泡的胀缩产生对硅膜 的压力而导致零漂； ( 2 ) 桥路的四个电阻阻值不完全相等，导致桥路输出端电压不为零； ( 3 ) 硅杯的膜厚不均匀，四个电阻热耗散不均匀导致阻值不完全相等； ( 4 ) 硅表面的钝化膜问题。若铝电极厚度为0 5 1 m a 就可以较好解决由钝化膜 产生的零漂问题【冽。 图2 3 为硅脉象传感器中四个p m o s f e t 组成惠斯通电桥及其等效电路图，其 中( a ) 为由四个p - - m o s f e t 构成的惠斯通电桥结构，以p - m o s f e t 线性区沟道 电阻r 卜r 2 、r 3 和& 作为压敏电阻，图( b ) 为等效电路。如图2 3 ( b ) 所示。 当未受到外界压力时，桥路是平衡的。此时，由零漂产生的原因( 2 ) 可知，四个 扩散电阻应完全相等才能保证桥路输出端电压为零。 由式( 2 11 ) 知，p m o s f e t 的沟道电阻为： 第2 章硅脉象传感器的工作原理 肚而葫( 2 - 1 3 ) k 形( 坎。一p ) 7 m o s f e t 的栅压和沟道电阻j f c 存在一一对应的关系。因此我们可以通过 m o s f e t 的栅压来调整沟道电阻的初始值，使平衡时的四个m o s f e t s 的沟道电 阻阻值完全相等。 2 5 硅脉象传感器的灵敏度温度补偿 压阻式压力传感器的灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度的变化引起的。图 2 4 是不同掺杂浓度的压阻系数随温度变化的关系曲线。由这个曲线可以看出，温 度升高时，压阻系数变小，温度降低时，压阻系数变大。也就是说压力传感器的 灵敏度温度系数是负的。如果表面浓度高些，压阻系数随温度变化要小些，传感 器的灵敏度系数也要小些。但浓度增加也会导致压阻系数的降低，所以应选择恰 当的扩散杂质表面浓度 2 4 1 。 图2 - 4 压阻系数与温度的关系【2 4 1 f i g 2 - 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np i e z o r e s i s t i v ec o e f f i c i e n ta n dt e m p e r a t u r e 灵敏度温度漂移可以在电源中用串联二极管的方法进行补偿。温度升高时，传 感器灵敏度降低，这时如果使电桥的电源电压提高些，让电桥的输出变大些，就 可以达到补偿的目的。反之，温度降低时，让电桥的输出变小些，也一样能达到 补偿的目的。二极管p n 结的温度特性是负的，温度每升高1 时，正向压将要减 小1 9 2 4 m v 。将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中，如图2 5 所示，而 黑龙江大学硕士学位论文 电源采用恒压源，当温度升高时，二极管的正向压将减小，就必然提高电桥的桥 压，使电桥输出变大，达到补偿的目的。补偿时所用的二极管的数目为 拧= 万i 万v 2 - 1 4 ) 式中彳弘一电压变化范围( 肌功； 彳弘韫度变化范围( 功； 9 一二极管p n 结正向压将的温度系数，一般取值为- 2 m v 。 用该方法补偿时，必须考虑n - 极管的正向压降阈值，硅管为o 7 儿锗管为 0 3 v o 因此，恒压源提供的电压应该要有一定的提高。而且式( 2 1 4 ) 中的刀只能 为整数，不能实现完全补偿皿4 州。 源 图2 5 串联二极管的温度补偿电路图 2 - 6 串联三极管的灵敏度温度完全补偿电路 f i g 2 - 5s e n s i t i v i t yt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n f i g 2 - 6c o m p l e t ec o m p e n s a t i o ns e n s i t i v i t y c i r c u i tu s i n gd i o d e si ns e r i e s t e m p e r a t u r ec i r c u i tu s i n gt r a n s i s t o ri ns e r i e s 为了克服二极管补偿中的一些缺点，可以采用倍增电路代替多个二极管串 连电路，如图2 6 所示，其中利用硅晶体管的作为基准电压。如果电路中满足 基极电流厶小于流过电阻r b l 和r b 2 的电流这一条件，则可近似认为流过尺6 ，和r b 2 的电流相等。根据分压关系，只要基极电阻r 6 j 和r b 2 的比值选择适当，在理论上 第2 章硅脉象传感器的工作原理 就可以实现对灵敏度温度漂移的完全补偿，由图2 - 6 有： 等= 急+ = 惫+ 等( 2 - 1 5 ) 式中圪广一晶体管集电结压降( m ； 晶体管发射结压降( m v ) ； 踣一基极电流( m a ) ； 扩一发射结的等效电阻，即r e b - - - - v b e b ( q ) ： r b l ，如广碥置电阻( 踊， 则有 么= + = 【1 + 器+ 等】 ( 2 - 1 6 ) 式中圪广一晶体管集电结和发射结间压降( r 。 在图2 - 6 所示的补偿电路中，设v d d 为电源电压，并令r l = r b d r b e ，被补偿的电 桥所加电压为以显然v = v d 矿v c e ，传感器电桥的灵敏度系数为k ，外加压力为尸， 则传感器电桥的输出电压场与所加电压为y 满足下列关系： v o = v k p ：【一( 1 + r ，b 1 ) k p 一1 ( 2 1 7 ) e b 式中川感器电桥的输出电压( m ； 忐础感器电桥的灵敏度系数( ，) 。 p - _ 夕 加压力a 四a ) ； 旷一电源电压； 缮偏置电阻比例系数。 完全补偿时，只要上式中对温度求导等于零，不难得到： 7 7 = a e - i b r 蕊b l ( 西两- - 8 2 ；广+ a 一+ r ) ( 2 18 ) 吖 ( 甜力 一7 式中4 越6 j 的温度系数( ) 。 矗屯6 的温度系数( ) ； 口灵敏度k 的温度系数( 唰) ； 黑龙江大学硕士学位论文 y 的温度系数( ) 。 当基极电流厶很小时，( 2 1 8 ) 式可以简化为： ，7 丽a e l ( 2 - 1 9 ) ，7 可否孑葡一1 。z 。 设计时只要电阻的比值r b l r b 2 等于( 2 1 8 ) 式或( 2 1 9 ) 式中的叩，在理论上 就可以实现对被补偿的传感器电桥的灵敏度温度漂移完全补偿。 2 6 硅脉象传感器的输出 硅脉象传感器的四个p m o s f e t 沟道电阻形成惠斯通电桥，将在应力作用下 沟道掺杂区阻值增加的两个电阻对接，将在应力作用下沟道掺杂区阻值减小的两 个电阻对接。电桥既可以采用恒压源供电，又可以采用恒流源供电。 2 6 1 恒压源供电 如图2 7 所示，假设四个沟道电阻的初始值都相等且为j i c ，当有应力作用时， 两个电阻的阻值增加，增加量为彳r ，两个电阻阻值减小，减小量为刁尺。由于温 度影响，使每个电阻都有a r t 的变化量。则桥路的输出为 v o = 而篙一而器( 2 - 2 0 ) 整理得 v o = v 面a r ( 2 - 2 1 ) 如果, d r 7 = o ，即没有温度影响，则 = y 等( 2 - 2 2 ) 式( 2 1 8 ) 说明电桥输出与a r r 成正比，也就是与被测量成正比；同时又与v 成 正比，这是说明电桥的输出与电源电压的大小与准确度都有关。 如果a r r o ，则圪与彳尺r 有关，也就是说与温度有关，而且与温度的关系是 非线性的，所以用恒压源供电时不能消除温度的影响【2 4 1 。 第2 章硅脉象传感器的工作原理 i i i i 宣i i i i i i i i i i i i - - i mmi i_!i i i v 图2 7 恒压源供电图 f i g 2 - 7c o n s t a n tv o l t a g ep o w e rs u p p l y v 2 - 8 恒流源供电 f i g 2 - 8c o n s t a n tc u r r e n tp o w e rs u p p l y 2 6 2 恒流源供电 恒流源供电如图2 - 8 所示，假设电桥的两支路的沟道电阻均相等。则 = = 2 ( r + 屿) ( 2 2 3 ) 所以式( 2 2 4 ) 成立： i a b c = i 雠= 去i q 一2 4 1 圪= = 圭地+ a r + 罅) 一圭地一a r + a e v ) ( 2 - 2 5 ) 整理之后，得 v o = ，丝 ( 2 - 2 6 ) 电桥的输出与电阻的变化量成正比，也与电源电流成正比。输出与恒流源的 电流大小与准确度有关。但是电桥的输出与温度无关，不受温度的影响，这是恒 流源供电的优点。恒流源供电时，一个传感器最好匹配一个恒流源，这在使用中 是不太方便的【2 4 1 。 应当指出的是，上述沟道电阻是指p m o s f e t 沟道电阻与源和漏结串联的等 效电阻。 黑龙江大学硕士学位论文 2 7 本章小结 本章介绍了应力和应变的概念以及压阻效应和压阻系数，并通过对 p m o s f e t s 的工作原理及特性的描述，阐明了硅脉象传感器的基本工作原理。同 时还对硅脉象传感器的零漂问题以及灵敏度温度补偿问题的解决方法进行了说 明，并对传感器的两种供电方式进行了比较。 第3 章硅脉象传感器的结构设计与分析 一- - 一m _ t nt 一一 - - i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 鼍 第3 章硅脉象传感器的结构设计与分析 3 1 半导体材料选择 本文设计的硅脉象传感器采用的是压阻式压力传感器结构，而对于压阻式压力 传感器，相同电阻率p 的p 型硅电阻比n 型硅电阻具有更显著的压阻效应，采用 c o m s 工艺制作由p - m o s f e t 导电沟道作为压敏电阻的压力传感器比n - m o s f e t 压力传感器具有更加优异的特性。所以我们选用1 1 型单晶硅片，采用c o m s 工艺 和m e m s 工艺在c 型硅杯硅膜上不同位置制作四个p - m o s f e t 沟道电阻构成的惠 斯通电桥结构，当外加压力作用在硅膜上，惠斯通电桥桥路输出电压随外加压力 变化而发生变化，实现对脉搏信号的采集。 3 。2 硅杯膜片厚度设计 考虑到可供选择的工艺条件和力敏传感器的量程指标，硅杯膜片的边长选为 3 m m x 3 m