（微电子学与固体电子学专业论文）用于mems传感器的小电容读取技术的研究.pdf

摘要 l l l 3 5 0 近年来，微机电系统( m s ) 技术随着微纳机械加工技术的快速发展而一直不断 发展，m e m s 传感器在汽车、生物医学、电子和国防等领域的应用越来越广泛。m e m s 传感器的检测机制主要有压阻、压电和电容检测三种机制，其中电容检测具有功耗低、 温度稳定性高、与c m o s 工艺兼容等优点，因此，电容式m e m s 传感器的应用最广泛。 由于一般具有较小的检测电容和机械灵敏度，微小电容的精确读出成为电容式m e m s 传感器设计的一个关键技术。 小电容读出技术主要有连续时间电压读出、连续时间电流读出、开关电容电荷读出 三种技术。其中，连续时间电压读出技术由于具有较好的噪声性能，使其在m e m s 传 感器中得到了广泛应用。本工作主要采取连续时间电压读出技术来实现微变电容的读 取，其设计思想不仅要结合传统的i c 设计方法，而且还要考虑具体的微机械加工工艺。 本论文首先从噪声性能、功耗性能和载波信号的优化三方面着手进行研究。就噪声 性能而言，在新型c m o s m e m s 工艺下，基于对小电容读出电路的噪声源分析，并结 合电容匹配原理，对小电容读出电路的噪声性能进行了优化；就功耗性能而言，基于单 级结构与多级结构模型，通过对多级结构功耗进行归一化，分别对每级增益及级数进行 了优化；就载波信号而言，结合静电驱动一维简化结构模型，对其幅值和频率进行了优 化。噪声性能、功耗性能和载波信号的优化为小电容读出电路的设计提供了指导。 其次，基于小电容读出电路的性能参数优化，本论文对电路的各个子模块进行了电 路级设计。除了在电路性能指标方面作了优化设计，还研究了温度对主要性能参数的影 响。在c s m c0 5 岫c m o s 工艺下，用c a d e n c es p e c t r e 对整体电路进行了仿真验证， 结果表明能精确检测出a f 量级的微电容。输出电压变化量与电容变化量呈线性关系， 输出失调电压为o 2 3m v ，等效输入噪声电压为1 7n v h z 屺，灵敏度为0 5 6m v a f ，在 5v 电源电压下功耗仅为2 1 4 5m w ，输出延时为9 5 6 3 斗s 。小电容读出电路的整体性能 满足了m e m s 传感器的要求，并在功耗性能上相对同类研究有所提高。 最后，基于整体电路的仿真验证，本论文在新型c m o s m e m s 工艺下对工艺误差 引起的检测电容失配进行了初步研究；对i c 工艺中器件的失配对基准电压造成的影响 进行了分析和讨论，以间接评估对载波信号的影响。其中，对工艺误差及失配分析的讨 论是本文的一个尝试性研究，也是相对于同类研究的一个改进之处。 关键词：m e m s 传感器；检测电容；小电容读出电路；c m o s m e m s ；斩波稳定 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l yr a p i dp r o g r e s sh a sb e e nc o n t i n u o u s l ym a d eo nm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ( m e m s ) t e c h n o l o g yw i mt h ed e v e l o p i n gm i c r o - n a n of a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s m e m s s e n s o r sh a v eb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di na u t o m o t i v e ，b i o m e d i c a l ，e l e c t r o n i ca n d n a t i o n a ld e f c n c ea r e a s p i e z o r e s i s t i v e ，p i e z o e l e c t r i ca n dc a p a c i t i v es e n s i n ga r et h r e em a i n t y p e so fs e n s i n gm e c h a n i s m sf o rm e m ss e n s o r s a m o n gt h e m ，t h ec a p a c i t i v es e n s i n gh a st h e a d v a n t a g e so fl o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，h i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n dc o m p a t i b i l i t y 谢廿lc m o s p r o c e s s a sar e s u l t ，c a p a c i t i v em e m ss e n s o r sa r em o s tw i d e l yu s e d h o w e v e r , t h ep r e c i s e r e a d o u to fs m a l lc a p a c i t a n c ei so n ek e yt e c h n o l o g yf o rd e s i g n i n gc a p a c i t i v em e m ss e n s o r s b e c a u s et h e yu s u a l l yh a v es m a l l e rs e n s i n gc a p a c i t a n c ea n ds m a l l e rm e c h a n i c a ls e n s i t i v i t y c o n t i n u o u st i m ev o l t a g er e a d o u tt e c h n o l o g y , c o n t i n u o u st i m ec u r r e n tr e a d o u tt e c h n o l o g y a n ds w i t c h e dc a p a c i t o rc h a r g er e a d o u tt e c h n o l o g ya r et h r e e m o s t l yc o m m o ns m a l lc a p a c i t a n c e r e a d o u tt e c h n o l o i e sf o rc a p a c i t i v es e n s i n g a m o n gt h e m , t h ec o n t i n u o u st i m e v o l t a g es e n s i n g i sw i d e l yu s e di nc a p a c i t i v em e m ss e n s o r sd u et oi t ss u p e r i o rn o i s ep e r f o r m a n c e i nt h i s w o r k , t h ec o n t i n u o u st i m ev o l t a g es e n s i n gh a sb e e ne m p l o y e dt or e a l i z es m a l lc a p a c i t a n c e r e a d o u t ，n l ed e s i g ni d e ah a sc o n s i d e r e dt h et r a d i t i o n a li cd e s i g nm e t h o d sa sw e l la st h e s p e c i f i cm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y f i r s t l y , t h eo p t i m i z a t i o na n a l y s i so fn o i s ep e r f o r m a n c e ，p o w e rd i s s i p a t i o na n dc a r r i e r s i g n a lh a sb e e np e r f o r m e d f o rt h en o i s ep e r f o r m a n c e ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fn o i s es o u r c e s i ns m a l lc a p a c i t a n c er e a d o u tc i r c u i t ，t h em e t h o do fc a p a c i t a n c em a t c h i n gh a sb e e ne m p l o y e d t oo p t i m i z et h en o i s ep e r f o r m a n c eu n d e rn e wc m o s m e m st e c h n o l o g y f o rt h ep o w e r d i s s i p a t i o n ，b a s e do nm o d e l so fs i n g l es t r u c t u r ea n dm u l t i - s t a g es t r u c t u r e ，t h eg a i no fe a c hs t a g e a n dt h en u m b e ro fs t a g e sh a v eb e e no p t i m i z e db yn o r m a l i z i n gt h ep o w e rd i s s i p a t i o no f m u l t i s t a g es t r u c t u r e a s 栅a st h ec a r r i e rs i g n a li sc o n c e m e d ，t h es i m p l i f i e do n e d i m e n s i o n a l m o d e lo fe l e c t r o s t a t i ca c t u a t o rh a sb e e na p p l i e dt oo p t i m i z et h e s i g n a l sa m p l i t u d ea n d f r e q u e n c y t h eo p t i m i z a t i o no fn o i s ep e r f o r m a n c e ，p o w e rd i s s i p a t i o na n dc a r r i e rs i g n a lc a n p r o v i d eg u i d a n c et ot h ed e s i g no fs m a l lc a p a c i t a n c er e a d o u tc i r c u i t s e c o n d l y , b a s e do nt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n a l y s i s ，e a c hs u b m o d u l eo f s m a l lc a p a c i t a n c er e a d o u tc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e do nt h ec i r c u i tl e v e l t h eo p t i m i z a t i o no f c i r c u i tp e r f o r m a n c e ，a sw e l la st h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo nm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s h a sb e e n s t u d i e d t h ec o m p l e t ec i r c u i th a sb e e ns u c c e s s f u l l yv e r i f i e db yu s i n gc a d e n c es p e c t r ei n c s m c0 5t t mc m o sp r o c e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec a p a c i t a n c ed e t e c t i o n r e s o l u t i o nc a nr e a c ht h eo r d e ro fa f , a n dt h ec a p a c i t a n c ev a r i a t i o ns h o w sa g o o dl i n e a rr e l a t i o n w i t ht h eo u t p u tv o l t a g ev a r i a t i o n t h eo u t p u tv o l t a g eo f f s e ti so n l yo 2 3m v , t h ee q u i v a l e n t i n p u t - r e f e r r e dn o i s ei sa b o u t l71 1 v h z “2 ，a n dt h er e s o l u t i o ni s0 5 6m v 挑u n d e rt h e5 v p o w e rs u p p l y , t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni so n l y2 14 5m w , a n dt h eo u t p u td e l a yi s9 5 6 3p , s t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n e ds m a l lc a p a c i t a n c er e a d o u tc i r c u i tc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fm e m ss e n s o r s ，a n di t sp o w e rd i s s i p a t i o np e r f o r m a n c ei se v e nb e t t e rt h a n r e p o r t e dd a t ai ns i m i l a rw o r k f i n a l l y , b a s e do ns i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o no ft h ew h o l ec i r c u i t ，t h es e n s i n gc a p a c i t a n c e i i c m o s m e m s ；c h o p p e r s t a b l i z a t i o n i i i 目录 目录 摘j 耍。i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 小电容读出技术的研究现状2 1 3 论文的主要内容3 第二章m e m s 传感器的检测技术5 2 1 机械检测一5 2 2 电容检测6 2 2 1 差分电容的形成6 2 2 2c 原理6 2 3 新型c m o s m e m s 工艺8 2 3 1c m o s m e m s 工艺的研究现状一8 2 3 2 新型c m o s m e m s 工艺流程9 2 4 本章小结1 0 第三章小电容读出技术的研究1 1 3 1 噪声优化技术1 1 3 1 1 小电容读出电路的噪声源1 l 3 1 2 低噪声优化技术1 3 3 2 功耗优化技术l5 3 3 载波信号的优化1 7 3 4 本章小结1 9 第四章斩波稳定读出电路的设计2 0 4 1 斩波稳定技术：2 0 4 1 1 斩波稳定技术的原理2 0 4 1 2 噪声性能分析。2 1 4 1 3 斩波稳定读出电路一2 2 4 2 电路设计2 2 4 2 1 前置放大器的设计2 2 4 2 2 调制解调开关的设计2 5 4 2 3 缓冲器的设计2 9 4 2 4 低通滤波器的设计3 3 4 2 5 两相非交叠时钟的设计3 5 4 2 6 带隙基准源的设计一3 7 目录 4 3 小电容读出整体电路的仿真与分析4 0 4 4 本章小结4 1 第五章非理想因素分析4 3 5 1 检测电容失配分析4 3 5 2 载波信号的稳定性分析4 5 5 2 1 误差源分析4 5 5 2 2 仿真结果与分析4 6 5 3 本章小结4 8 第六章总结与展望4 9 6 1 论文工作总结4 9 6 2 后续工作展望5 0 致谢5 l 参考文献一5 2 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文。5 8 n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 是一种多学科交叉融合并 具有战略意义的前沿高科技技术，是未来的主导产业之一。m e m s 技术在集成电路技术 和微机械加工技术的快速发展下孕育而生，并随其不断地发展与完善，正渗透到我们生 活的方方面面。特别是小型化、低成本的m e m s 传感器在很多应用领域都呈现出了高 速增长的趋势，除了广泛应用在国防、汽车交通和生物医学等领域，在快速发展的消费 类电子产品上也具有巨大的市场前景i 啦j 。 在当今商业化的m e m s 传感器市场上，精度高、成本低的产品一直备受青睐；而 且，随着应用领域的拓展，低功耗也成为一个日益受到重视的指标。图1 1 给出了不同 技术条件下，不同类型的加速度计的性能和成本比较。可以看出，压阻检测和电容检测 是最主要的两种m e m s 传感器检测机制，其中压阻检测机制由于对本征电阻热噪声和 温度具有较强的依赖性，综合性能较差，因此主要面向低端传感器产品。基于隧道电流 检测的方法能实现较低的噪声基底，但器件工艺制造成本较高，同时也较难实现集成。 另外，压电检测也是一种常用的检测手段，但其与i c 工艺的兼容性及对环境的依赖性 问题限制了它的性能和应用。电容检测机制相比其它方法具有功耗低、温度稳定性高、 与c m o s 工艺兼容等优点【3 ，钔，近几年来受到了高度重视，呈现出了更高的商业价值。 然而，在高端惯性仪器市场，伺服电机加速度计和体加工电容式加速度计目前仍占主导。 图1 1 不同类型加速度计的性能和成本比较 f i g 1 - 1c o s ta n dp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n so f v a r i o u sa c c e l e r o m e t e r s m e m s 器件的加工工艺主要分为体加工和表面加工两大类。相对于表面加工工艺， 体加工工艺能制造出较大的质量块和检测电容，从而使电容性的m e m s 传感器具有高 灵敏度和低噪声基底，但难以实现单片集成。另一方面，表面加工工艺下相对较小的质 量块和检测电容则导致传感器性能较差，但成本低、易于集成。以电容性加速度计为例， 过去二十年间的制造工艺主要基于多晶硅表面加工工艺【5 6 7 8 ，9 】，使其在汽车交通领域得 到了大量应用。另外，c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y 的g k f e d d e r 等人提出的新型 江南大学硕士学位论文 c m o s m e m s 表面加工工艺【l o j 是一种典型的表面微机械加工方法，它与标准c m o s 工 艺完全兼容，同时克服了多晶硅表面加工工艺中的高温工艺，只用三次刻蚀和三层金属 层即可实现微机械结构的制造。近年来，c m o s m e m st 艺在m e m s 传感器的制造上 得到了广泛的应用【1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 】。 在许多电容性m e m s 传感器中，尤其在便于单片集成的表面加工工艺下，较小的 检测电容和较小的质量块往往带来较大的噪声( 包括机械噪声和电噪声) 。一般来说， 机械噪声( 即布朗噪声) 可以通过真空封装来减小，但电噪声一般比机械噪声大一个数 量级( 在体加工工艺中甚至高出几个数量级) 。因此，电路中的噪声问题显得格外重要， 已成为当前m e m s 惯性传感器性能提升的一个瓶颈，由此使得低噪声检测电路的设计 成为众多业内学者研究的一个重点。此外，随着无线传感网和消费电子市场的增长，低 功耗也日渐成为一个重要的电路设计指标 1 5 , 1 6 , 1 7 。 1 2 小电容读出技术的研究现状 小电容读出技术主要有三种，即连续时间电压读出、连续时间电流读出、开关电容 电荷读出。其中，连续时间电流读出电路主要是通过跨阻放大器实现，但其噪声性能较 差l l 引，因此并不常用于电容式m e m s 传感器。过去二十年间，开关电容电荷读出电路在 电容式m e m s 传感器的接口电路中得到了较广泛的应用 5 , 9 , 1 9 , 2 0 ，2 1 2 2 2 3 ，2 4 】，但是k t c 噪声 和噪声折叠严重影响了电路的噪声性能。l e m k i n 等人虽然采用相关双采样技术来消除 k t c 噪声【5 9 j ，但采样带来的噪声折叠问题仍难以解决。连续时间电压读出电路也是常 采用的一种电路结构【2 5 , 2 6 , 2 7 , 2 8 , 2 9 , 3 0 】，相对开关电容电荷读出电路而言，它具有较好的噪声 性能 2 7 , 2 9 , 3 1 】，应用也最为广泛。j f w r u 等人采用连续时间电压读出电路，并运用斩波稳 定技术来消除，噪声、d c 失调及噪声折叠现象，实现了5 0p g h z m 的低噪声性能【2 9 】；q u h o n g w e i 等人基于斩波稳定技术原理，采用双斩波技术，不仅实现了低噪声性能，而且 还进行了低功耗设计l l5 1 。本工作主要基于斩波稳定技术，通过对噪声和功耗进行理论优 化和推导，选取适当的电路结构来实现信号读取。 为了实现高精度的传感器，多采用闭环力反馈控制系统。a n a l o gd e v i c e s 公司的 a d x l 0 5 * 采用了模拟力反馈环路【2 5 】，但由于模拟反馈技术在线性度和动态范围方面存 在一定的局限，因此目前往往采用数字反馈技术( s i g m a - d e l t a 反馈技术) 。数字反馈 技术同时还可降低对读出电路的要求，且输出的数字信号易于被后续系统处理，因此正 成为m e m s 惯性传感器研究的一个焦点 6 , 2 2 , 3 2 , 3 3 , 3 4 , 3 5 , 3 6 , 3 7 】。 对数字闭环控制系统而言，常采用补偿滤波器的方法来确保其稳定性【6 1 。然而，大 多数商业m e m s 加速度计并未采用闭环反馈系统，如a n a l o gd e v i c e s 在近期产品( 如 a d 甩1 0 5 ) 中放弃采用力反馈技术，主要是因为闭环反馈技术增加了系统的复杂性，甚 至导致成本的大幅增加。由于动态范围小于8 0d b 即可满足大多数商业m e m s 加速度 计的需求，因此采用开环控制系统即可实现。在本研究中我们主要采用开环系统来实现 电容读取电路。 近些年来，国内许多研究机构对m e m s 传感器的小电容读出技术也开展了不少研 2 第一章绪论 究，如北京大学、中国科学院电子所、东南大学、哈尔滨工业大学等。其中，在电容信 号的转换方面，曹新平等人通过在电容电压转换电路中，引入参考微变电容，提出了改 进的电荷传送电路，有效地消除了寄生电容的影响【3 8 】；nl i u 等人通过采用电容频率转 换电路，并采用差频技术，很好地抑制了环境温度和工艺波动影响1 3 9 j 。在小电容读取技 术的整体电路结构方面，一般采用相关双采样技术来消除1 f 噪声和失调电压的影响 4 0 , 4 1 4 2 1 ，主要是因为目前国内大部分微加工工艺与标准c m o s 工艺不兼容，导致较大的 寄生电容，使开关电容读取技术更有优势。然而，连续时间电压读出技术相对其它读出 技术具有较高的分辨率，更适合于单片集成的m e m s 传感器，也适应了s o c 芯片的发 展趋势。另外，在电路的环路结构上，开环和闭环结构也都有相继的研究和报道【4 0 4 l 4 2 朋j 。 为了更好地适应m e m s 传感器低功耗、低成本的发展趋势，本工作在借鉴国内外 研究经验的基础之上，对小电容读出技术做了一些尝试性的研究，不仅为小电容读出技 术的研究提供了有益的参考，而且也为单片集成m e m s 传感器的发展提供了一定的技 术指导。表1 1 对本文的技术路线与近期发表的一些同类研究工作进行了简单的比较。 表1 1 本文技术路线与同类研究的比较 t a b l e1 1 c o m p a r i s o no f t e c h n i c a la p p r o a c h e su s e di nt h i st h e s i sa n do t h e rs i m i l a rw o r k 1 3 论文的主要内容 本文基于新型的c m o s m e m s 工艺，在开环条件下采用连续时间电压读出电路， 并结合斩波稳定技术，通过电容匹配原理对电噪声进行了理论优化，同时采用功耗优化 技术对多级结构的功耗进行了理论优化。然而，考虑到失调和电荷注入会带来可靠性问 题，我们采用对二极管连接的p m o s 管进行偏置的方法来进行补偿，并通过耦合电容来 消除放大器带来的直流失调。尽管耦合电容的引入在一定程度上会降低灵敏度，但可用 带增益的低通滤波器进行补偿，由检测电容失配带来的交流失调可通过校准的方法消 除。另外，用互补开关实现对信号的解调，不仅降低了由电荷注入带来的失调，而且不 消耗额外的功耗。然后，对小电容读出电路的各个模块进行了电路设计，并在c s m c0 5 岬c m o s 工艺下用c a d e n c es p e c t r e 对设计的整体电路进行了仿真验证。最后，结合新 型c m o s m e m s 工艺，通过考虑非理想因素，对检测电容的工艺失配及载波信号的稳 定性进行了分析与研究。 本文的主要特色可归纳如下：( 1 ) 基于小电容读出电路的噪声模型，通过电容匹配 原理对噪声进行理论优化；( 2 ) 基于多级级联结构模型，通过功耗优化技术对功耗进 行理论优化；( 3 ) 基于静电驱动一维结构简化模型，对载波信号进行优化分析； ( 4 ) 江南大学硕士学位论文 考虑c m o s m e m s 工艺误差及i c 工艺过程中的本征涨落，对检测电容的工艺失配及载 波信号的稳定性进行分析。 本文各章的主要内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍课题的研究背景及意义、小电容读出技术的研究现状，并 简要叙述了本工作的设计思想及创新点。 第二章以电容式m e m s 加速度计为例，介绍机械检测原理、电容检测原理及新型 c m o s m e m s 工艺。 第三章首先结合小电容读出电路的噪声模型，通过电容匹配技术，重点从理论上对 噪声进行优化；然后结合多级级联结构模型，通过功耗优化技术来对功耗进行理论优化； 最后，对载波信号的稳定性进行分析和讨论。 第四章对小电容读出电路的各个模块进行电路设计，对各个模块进行仿真验证，最 后对整体电路进行仿真验证。 第五章通过考虑工艺的非理想因素，来对检测电容的工艺失配及载波信号的稳定性 进行分析。 第六章对全文进行总结，并对今后的工作方向提出建议。 4 第二章m e m s 传感器的检测技术 第二章m e m s 传感器的检测技术 微弱信号的检测技术是m e m s 传感器的基本理论之一，主要包括物理信号的提取 和电信号的读出。一般而言，物理信号包括加速度、压力、角速度等物理量，在m e m s 传感器中主要是通过机械检测来实现；电信号的读出一般有压阻检测、压电检测和电容 检测三种方法，其中电容检测的应用最广泛。本章重点介绍机械检测和电容信号检测的 基本原理，为后文对噪声的优化提供一定的理论基础。 2 1 机械检测 加速度计是应用最普遍的一种m e m s 传感器，此处以加速度计为例来描述机械检 测原理。个加速度计系统的机械结构主要由质量块、弹簧、阻尼系统组成，其机械集 总参数模型如图2 1 所示。 e x - t e n l a la c c e l e r a t i o n a l n ( t ) a n c h o r 图2 - 1 加速度计的机械集总参数模型 f i g 2 1m e c h a n i c a ll u m p e dp a r a m e t e rm o d e lo fa na c c e l e r o m e t e r 当外部有加速度产生时，由牛顿第二定律可知： 。瓦o ) = 聊( f ) = 聊了d 2 x ( t ) + 6 掣+ 奴( f ) ( 2 1 ) 掣+ 告掣+ 以x ( f ) = ( f ) 旺2 ) 其中主要物理参数的含义如图中所示，固有频率- ( 砌) m ，机械品质因数驴( 砌) 1 a l b 。 由l a p l a c e 变换有： s 2 x g ) + 妥睹g ) + 记x g ) = 屯g ) ( 2 3 ) 由此可得加速度计在机械检测中的传递函数为： m ) 2 端。币磊1 泣4 ) g ” 当机械品质因数q o 5 时，机械系统为欠阻尼情况，q = o 5 时为阻尼情况，q o 5 时为过阻尼情况。通常为了减小布朗噪声，加速度计工作在欠阻尼情况下。一般来说， 江南大学硕士学位论文 加速度计的工作频率都比固有频率小，因此式( 2 4 ) 可近似为： 删= 器= 可1 ( 2 5 ) 此时，加速度计的机械敏感度为： 三= 1 1 ：_ m ( 2 6 ) 一= 一= 一 nj 嵋 七 2 2 电容检测 2 2 1 差分电容的形成 当系统感受到外部产生的加速度时，质量块移动，导致可动梳指与静止梳指间形成 微变的差分电容。差分电容检测原理如图2 2 所示。由于一般由多个梳指电容并联而成， 所以，总的差分梳指电容分别可近似为： 印札卷+ - 器+ 一棚 泣7 ， c s 2 = n l 卷+ j - 嚣+ 一 泣8 ， 其中，印为真空介电常数；n 为梳指电容的对数，三为梳指长度，t 为梳指厚度；拗为可 动梳指与静止梳指间的初始距离，x 为当外部加速度产生时，可动梳指与静止梳指间相 对初始距离的偏移量；g l 、c 乏为不受外部加速度时总的梳指电容；岛嚼棚为边缘电容， 对差分微变电容影响很小，一般不予考虑。 弋一。 a 隰 一 嬲 一、 一 第二章m e m s 传感器的检测技术 的损失，接口电路的输入电阻一般要很大，因此，我们一般只采用m o s 管，而不用双 极晶体管( b 汀) 。图2 3 所示的c n 原理图中，+ 坛，一分别为幅值相同、相位相反 的两个调制方波信号，o 为寄生电容( 包括检测电容的边缘电容、连线电容、读出电路 输入端的寄生电容) ，g o 为接口电路的输入电导，圪为读出电路输入端的电压。由基尔 霍夫定律可知： 一e l 眠一k ) = 括o + j w c p 肛+ j w c 2 化+ 吒) ( 2 9 ) + 正 g 1 矽 弋2t 彳毒勋 一匕 图2 3c 原理图 f i g 2 - 3f u n d a m e n t a ld i a g r a mo fo n 将式( 2 。7 ) 、( 2 8 ) 代入( 2 9 ) ，忽略检测电容的边缘电容，可得读出电路输入端的 电压为： 一= 圪 由式( 2 1 0 ) 可变为： 对式( 2 1 1 ) 进行泰勒级数展开： 圪2 蔬翻。一9 0 + 一( 2 e + c ，) 而 由式( 2 6 ) 和( 2 1 2 ) 可得加速度计的敏感度为： 旦： 业堑r 监上 口i 月g o + ( 2 c + c p ) 嵋 如果把输入电导看成无限小，则加速度计的敏感度变为： 旦：兰g 丘上 2 g + c 口j c o 嵋 7 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 器 。一x一一 c 一吨 五少 南 江南大学硕士学位论文 在c m o s m e m s 工艺下，m e m s 传感器的检测结构一般采用全差分读取m 】，不仅 有较好的共模抑制比( c m r r ) ，而且也不需要额外的输入共模反馈电路，降低了电路 的复杂程度，同时也有效地改善了传感器的灵敏度。全差分电容检测原理如图2 - 4 所示， 其中加速度计的灵敏度为： 旦：怎丘三 ( 2 1 5 ) a m2 c , + c 。x o 图2 - 4 全差分电容检测 f i g 2 4f u l l yd i f f e r e n t i a lc a p a c i t a n c es e n s i n g 由式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 可以看出，通过降低寄生电容、增大检测电容、增大调制 信号的幅值、减小固有频率以及减小梳指电容间距，可以有效地改善加速度计的灵敏度。 检测电容、梳指电容间距、固有频率主要由微加工工艺所决定，而调制信号幅值的上限 在一定程度上由静电吸合现象所决定。 2 3 新型c m o s m e m s 工艺 2 3 1c m o s m e m s 工艺的研究现状 小型化、低成本是m e m s 传感器的发展趋势和动力，同时也面临着一些技术挑战， 如微加工工艺与c m o s 工艺的兼容性问题。文献【2 0 采用体加工工艺实现了高精度的 m e m s 加速度计，但面积大、成本高；l uc 等人通过多晶硅表面加工工艺实现了z 一轴 加速度计的单片集成，然而由于z 轴检测的非对称性，导致不能实现差分读出1 5 1 。另外， 表面多晶硅工艺实现的传感器具有大的寄生电容和互联电阻，更为重要的是，不能实现 全差分读取m 】，因此必须引入额外的输入共模反馈电路，增加了电路的复杂性。 c m o s m e m s 工艺的出现，克服了以上微加工工艺下出现的问题，并在一定程度上适 应了m e m s 传感器的发展潮流。 单片集成m e m s 技术主要分为p r e c m o s 方法、i n t e r m e d i a t e c m o s 方法及 p o s t c m o s 方法。但是，传感器中电路互连台阶覆盖性问题与工艺中的复杂性分别严重 限制了p r e c m o s 方法与i n t e r m e d i a t e - c m o s 方法的应用。目前，p o s t - c m o s 方法是单 片集成m e m s 技术主要采用的工艺方法，也是c m o s m e m s 工艺主要采用的方法【4 5 撕】。 1 9 9 6 年，g k f e d d e r 等人第一次提出了用三次刻蚀技术来实现c m o s m e m s 工 8 第二章m e m s 传感器的检测技术 艺【1 0 】，与标准的c m o s 工艺具有完全的兼容性，同时克服了表面多晶硅工艺中的高温 工艺，但仍存在严重的残余应力等缺点。 2 0 0 2 年，h k x i e 等人提出了s c s ( s i n g l e c r y s t a ls i l i c o n ) c m o s m e m s 工艺， 一方面充分应用了互连线在复合结构中灵活布线的优点，一另一方面也应用了s i 单晶良 好的机械性能，并增大了质量块，同时在一定程度上减小了残余应力，但存在严重的底 切现象1 4 1 。 其后，文献【1 4 】与专利【4 8 】提出了新型c m o s m e m s - r 艺，通过多淀积一层金属， 使s i 衬底的电学隔离过程( 由同性刻蚀技术实现) 与梳齿电容的形成过程( 由异性刻 蚀技术实现) 分开，从而有效消除了梳齿电容的底切现象。 2 0 0 7 年，h w q u 等人在新型c m o s m e m s 基础上，通过在第一步异性刻蚀后在 腔内生长一层抗蚀剂，来去除侧壁残存污染离子，并有效抑制了过热效应一】。 2 3 2 新型c m o s m e m s 工艺流程 此处以c m o s m e m s 加速度计为例介绍新型c m o s m e m s 工艺流程1 5 0 l ，如图2 5 所示。首先在结构背部进行刻蚀( 图2 5 ( a ) ) ，确定结构的厚度；为了使s i 在电学上 隔离，如图2 5 ( b ) 所示对s i 0 2 进行异性刻蚀( 除隔离区外，其他结构全被砧层所覆盖) ； 并如图2 5 ( c ) 所示刻蚀掉顶部的触层( m e t a l4 ) ；其次，对s i 先后进行深度的异性刻 蚀和同性刻蚀来底切掉绝缘横梁下的s i ( 图2 5 ( d ) ) ，使检测电容之间，以及与s i 衬 底之间相互隔离；然后，对s i 0 2 进行第二次异性刻蚀，来产生梳指电容、弹簧及其它 微结构( 图2 5 ( e ) ) ：最后，如图2 5 ( f ) 所示，再次对s i 进行深度刻蚀来释放微结构。 例0 s 噼i 硼m e m s 岫n 一4 洲4 ) 弧 珏- 仨l mf o r c h 5 l t r i c a l 妇。l 丑t i o n 肾 l 荔 f 荔藏i 蚕囊蕊 图2 5 新型c m o s m e m s 工艺流程( a ) 背部刻蚀；( b ) s i 0 2 的异性刻蚀；( c ) 顶部a j 刻 蚀；( d ) s i 的异性刻蚀和同性刻蚀；( e ) s i 0 2 的异性刻蚀来产生梳指和其他微结构；( f ) s i 的深度刻蚀，释放微结构 f i g 2 - 5n e wc m o s m e m sp r o c e s sf l o w ( a ) b a c k s i d ee t c h ；( b ) a n i s o t r o p i cs i 0 2e t c h ；( c ) t o pa 1 e t c h ；( d ) a n i s o t r o p i ca n di s o t r o p i cs ie t c h ；( e ) a n i s o t r o p i cs i 0 2e t c hf o rf o r m i n gf i n g e r sa n do t h