（微电子学与固体电子学专业论文）基于018umcmos集成压力传感器设计.pdf

中文摘要 中文摘要 本文提出了一种融合了m e m s 技术和集成电路技术的新型m o s 晶体管式集成 压力传感器。在基于0 1 8 u r nc m o s 工艺的基础上，设计m o s 晶体管式压力传感 器，利用计算机仿真模拟了传感器敏感膜片的应力分布情况，得到了输出电压随 外界压力的变化规律并得到传感器满量程输出电压为：5 4 4 m v 。设计完成两级共 源共栅运算放大器，仿真结果显示该运放开环增益可达1 0 0 d b ，同时具有较高的共 模抑制和电源抑制能力，并采用传感器信号放大常用方式差动放大，达到了对传 感器输出信号直接处理的目的。同时采用模拟集成电路设计中常用偏置技术，带 隙基准原理，完成了对带有信号处理功能的传感器供电电路的设计，仿真结果显 示带隙基准电压源温度在一5 0 0 c 一1 5 0 0 c 范围内变化时，基准电压温度系数仅为 4 p p i l l 。电桥电路恒流源温度从一5 0 0 c 1 5 0 0 c 变化时，电流变化小于0 0 1 8 u a ， 温度系数为8 4 p p 叭。同时利用共源共栅管的屏蔽特性改进了基准电流的镜像电 路，使给c m o s 电阻电桥供电的恒流源电流在相同温度范围内变化仅为0 1 2 5 u a 。 ，从而提高了传感器的精度，进一步解决了温漂问题。并给出了各电路模块版图的 设计结果。 关键词m e m s ；m o s 晶体管式压力传感器；模拟集成电路设计；版图设计 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t 1 1 i sp a p e rp r o p o s ean e wm o s f e ti n t e g r a t e dp r e s s u r es 睨l s o rw h i c hm e r g e m e m st e c h n o l o g ya n di ct e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , am o s f e tp r e s s u r es e n s o ri s d e s i g n e db a s e do no 18 u r nc m o sp r o c e s s ，t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n o nt h ef i l m ，g e tt h eo u t p u tv o l t a g ep a t t e r nv i ap r e s s u r ec h a n g eo nt h es e n s o r ，a c h i e v ea t h e o r e t i c a lr e s u a l to ft h es e n s o ro u t p u ts i g m lt h r o u g hf u l lr a n g e ：5 4 4 m v i nt h i sp a p e r , d e s i g n e dat w os t a g ec a s c o d ea m p l i f i e r 鹪k e yo p r a t i o n a la m p l i f i e r , w h i c hh a sh i g h g a i n ：10 0 d b ，h i g hp a r ra n dc m r r , u s i n gd i f f e r e n t i a la m p l i f yp a t t e r na st h es i g n a l e n l a r g ec i r c u i t , a c h i e v et h eg o a lo fd i r e c t l yh a n d l et h eo u t p u ts i g n a lo fs e n s o r a d o p t i n g b a n d g a pt e c h n o l g yw h i c hi su s u a l l yu s e di na n a l o gi cb i a s g r o u p ，d e s i g n e dt h es u p p l y c i r c u i tf o r t h es e n s o r , a c h i e v e dt h ed e s i g nt a r g e to ft e m p e r a t u r ei n d e p e d e n c e ：w h e n t e m p e r a t u r ev a r yf r o m _ 5 0 。ct o 15 0 。c ，t h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ti s4 p p m * c ，t h e s e n s o rs u p p l yc u r r e n tv a r i a t i o ni sl e s st h e n0 018 u a ，t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ti s8 4 p p m w h i c hi m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no ft h es e n s o ra n ds o l v i n gt e m p e r a t u r ed r i f tp r o b l e m a taf u t u r es t e p i nt h i sp a p e ra l s og i v et h el a y o u to fd i f f e r e n tb l o c k s k e yw o r dm e m s ；m o s f e tp r e s s u r es e n s o r ；a n a l o gi cd e s i g n ；l a y o u td e s i g n 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀下匕 1 1 课题研究的背景及意义 传感器技术是发展迅猛令人瞩目的高新技术之一，也是支撑现代信息社会的基 石，无论是工业生产还是日常生活，每一项技术都离不开传感器的支持，美国早 在8 0 年代就声称进入了传感器时代，日本则把传感器技术列为六大核心技术之一， 世界上的科技大国都对传感器技术十分重视。 在各类传感器中，压力传感器体积小、重量轻、灵敏度高、成本低、便与集成， 成为了各类传感器中性价比最高，应用最广泛的一类传感器。随着微电子技术、 集成电路技术、微机械加工技术等新技术的发展，推动了压力传感器不断创新： 从最初的发明阶段( 1 9 4 5 1 9 6 0 年) ：将应变片黏在金属薄膜上应用，到技术发展 阶段( 1 9 6 0 - - , 1 9 7 0 年) ：将应变电阻扩散在硅杯上应用，再到商业化集成加工阶段 ( 1 9 7 0 - , 1 9 8 0 年) ：利用各向异性腐蚀技术，实现了硅膜厚度的自动控制及工厂化 的自动加工模式，到微机械加工阶段( 1 9 8 0 - 至今) p 。2 l ，使得压力传感器进入了 微米阶段。不仅传感器的尺寸越来越小，传感器的性能也越来越高，压力传感器 正朝向集成化，智能化的方向发展，在此背景下，本文提出了一种融合m e m s 技 术和i c 技术的集成压力传感器，在传统m e m s 加工技术的基础上，利用集成电 路的设计思想，将应变电阻及信号处理电路一并集成与硅杯之上，可实现高性能 传感器的产业化加工，达到提高性能和降低成本的双赢效果，具有一定的实际应 用价值。 1 1 1m e m s 技术在传感器中的应用 m e m s 的开展始于2 0 世纪6 0 年代，是微电子学和微机械学结合的产物。1 9 5 9 年，诺贝尔物理学奖获得者费曼教授在美国的物理学会年会上，发表了“t h e r e s p l e n t yo fr o o ma tt h eb o r o m 的演讲，预示了制造微小器具技术的出现【3 1 。1 9 8 2 年，p e t c r s e n 在i e e e 会刊上发表题为“s i l i c o n a s a m e c h a n i c a lm a t e r i a l s ”的文章， 黑龙江大学硕士学位论文 概括了代表当时m e m s 研究最高水平的微加工技术和微机械器件 4 1 。1 9 8 7 年加州 大学伯克利首次做出直径1 0 0 u m x 6 0 u m 的微电机，引起国际学术界和产业界的高 度重视，标志着m e m s 雏形的出现【5 1 。同一年美国在一次报告会上首次提出微机 电系统一词，使得m e m s 成为一个世界性的名词术语1 6 1 。美国著名的a d i 公司在 1 9 9 3 年成功地将微型加速度传感器商品化，并大批量应用十汽车防撞气囊，是 m e m s 技术商品化的开端【2 】。 时至今日，m e m s 技术最成熟的产品便是m e m s 压力传感器、加速度传感器， 应用领域从汽车到航天，从医疗保健到环境测量。产品种类包括各种绝压、差压、 真空压力、剪切应力的加速度等产品。在同类产品中具有十分强大的市场竞争力。 据市场资料显示，全球目前m e m s 市场需求约为1 4 0 亿美元，按每年平均5 0 的 增长率计算，到2 0 0 4 年应达到4 0 0 亿美元，而其带动的相关产品的产值将以千亿 美元计，正如集成电路技术把我们带入信息时代一样，m e m s 将会给人类社会带 来另一次技术革命n 1 1 2m e m s 技术与i c 技术的主要不同 1 、产品种类不同：由于m e m s 技术融合了多学科基础理论，多种加工工艺， m e m s 器件种类比i c 器件种类繁多，从光学，到射频到生物m e m s ，其应用环境 和功能结构都比i c 器件丰富得多。 2 、加工工艺不同：传统的i c 工艺包括氧化，光刻，腐蚀，外延，注入，溅 射等，m e m s 在传统i c 工艺的基础上还必须有其他诸如体机械加工，表面机械加 工，l i g a 等新的工艺相结合，才能完成器件的制作。 3 、封装形式不同：i c 产品一般为单芯片封装，一般只起到与外界环境隔离保 护内部器件的作用，而m e m s 器件由于既包含信号处理集成电路，又包含感知被 测量的微型结构或微型执行器件，所以对m e m s 器件的封装提出了更高的要求： 一般既要提供机械支撑，同时起到与外界环境隔离的作用，又要提供与外界媒质 的接1 ：3 ，必要时还要提供热的传输通道【2 】。 2 第一章绪论 1 2m e m s 硅微机械压力传感器的发展及应用 1 2 1 硅微机械压力传感器国内外发展现状 目前的压力传感器按照工作原理可以分为：硅电容式压力传感器、硅压阻式 压力传感器和硅谐振式压力传感器。 电容式压力传感器利用m e m s 技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔 栅成为组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横 隔栅的间距，也就改变了板间电容量的大小，即压力变化量等于电容量变化量【9 】。 硅电容式压力传感器发热量少在低功耗和便携式设备中应用广泛，固有频率 高，灵敏度高，在低压应用上具有较大优势【l o l 。1 9 8 0 年s a n d e r 等人采用体微机械 加工和阳极键合技术制造了检测心脏病人治疗情况的电容式压力传感器【1 1 1 。1 9 8 2 年，k o e t a l 针对温度和寄生电容对传感器精度产生影响的问题，提出并联参考电容 的方法，使参考电容与传感器电容处于同样工作环境而不对压力敏感【1 2 1 。1 9 9 1 年， e s a s h i 的研究组提出将传感器与接口电路封装在一起出了隔膜背面暴露，其余电子 器件全部密封在一起。此后利用m e m s 加工技术有将近4 0 种电容式压力传感器 被开发出来【1 3 】。经过多年的发展，目前甚至有输出电容为0 3 - 4 ) 5 p f 的传感器问世 0 4 1 o 硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力 电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电 桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗甘1 5 】。 早在八十年代，复旦大学吴宪平、鲍敏航等研制了p t - 2 型集成化生理压力传 感器。该传感器由压敏电阻全桥，放大器，灵敏度温度系数补偿电路及温度传感 器构成。全部器件集成在面积为2 4 m m 2 4 r a m 的硅片上。其灵敏度为约 10 u v m m h g ，带测试仪时频响大于2 0 0 h z ，量程为- 5 0 - - + 3 0 0 m m h g ，适用于人体压 力测量【1 6 1 。1 9 9 6 年，天津大学电子工程系，张维新，毛赣如等人对一种利用集成 电路技术和微机械加工技术相结合，将半导体力敏电阻和双稳态触发器电路结合 黑龙江大学硕士学位论文 在一起，制作的触发器型集成压力传感器【1 7 1 。2 0 0 7 年，清华大学微电子研究所， 刘理天，谢会开，费圭甫于研制了用于测量微小压力或流速的硅杯型集成压力传 感器。它将敏感元件与信号放大电路以及恒流供电电路都集成在同一芯片内，实 现了硅杯型压力传感器的单片集成。该集成传感器有较小的体积和较高的灵敏度， 可用于测量小区域内的压力及流速分布情况【l 明。在八十年代初，美国密执安大学 和空军技术学校就已经研制成功测定心脏血管内压力和生物医学用的硅单片集成 化压力传感器，实现了超小型化，芯片尺寸小于1 2 x 1 2 m m 2 ，测压范围为( 0 - - 2 5 0 ) 1 3 3 3 2 2 p a ，分辨率为1 3 3 3 2 2 p a ，精度达i f s l l 9 1 。目前，采用压阻技术开发和 制造硅微机械压力传感器的主要公司有m o t o r o l a 、l u c a sn o v a s e n s o r 、e g & gi c s e n s o m 、d e l c oe l e c t r o n i c s 、h is m t 、n i p p o nd e n z o 、s i e m e n s 和t e x a si n s t n u n e n t s 等公司【2 0 】。其中a l p se l e c t r i c 已利用多年积累的薄膜处理技术、微细加工技 术及封装技术成功开发出了h s p p 系列产品，该系列产品在世界上现有同类产品中 堪称最小，可用以监测绝对压力。横河电气公司采用谐振原理开发成功硅超高精 度谐振式压力传感器，具有极好的一致性，性能良好【2 l 】。在美国，微机械加工技 术制造的硅压力传感器已形成一个产业，其年产量达3 0 0 0 万只以上瞄l 。 硅谐振式压力传感器是目前精度较高的硅微机械压力传感器，它频带宽，响 应快，体积小，功耗低。测量原理是：通过检测物体的固有频率间接测量压力， 精度主要由机械结构特性决定，因此稳定好抗干扰能力强。由于输出数字信号， 可直接与计算机接口常用于直接显示数字的仪表】。8 0 年代中后期英国的 g r e e n w o o d 等人利用浓硼自停止刻蚀技术制作了一种静电激励电容拾振的高精密 校准用气压计，整体误差小于0 0 1 ，测量范围1 0 - q 3 0 0 m b z 4 】。9 0 年代初，日 本的i k e d a 等人利用选择性外延生长和牺牲层技术研制出了一种基于内置于真空 腔中谐振梁的电磁激励电磁拾振的硅微谐振式压力传感器，利用两个承受不同方 向应力谐振梁的频率差分来消除温度等因素的干扰，整体精度优于0 0 1 f s ，温 度系数小于5 p p m k 嘲。美国的s c l l l 岫b e 曜e r 航空传感器分公司也研制出了一种静 电激励、压阻拾振的硅微谐振式压力传感器，精度达到了0 0 1 f s ，年稳定性达 0 0 1 ，温度范围在5 5 1 2 5 ( 2 t 2 6 1 。 4 第一章绪论 1 2 2 硅微机械压力传感器的应用 l 、压力传感器在汽车工业中的应用 由于可靠性高成本低，m e m s 压力传感器在汽车工业中很受欢迎，用量极大， a b s 刹车面压力、轮胎压力、气囊贮气压力、传动系统流体压力、注人燃料压力、 发动机机油压力、进气管道压力、h v a c 流体压力等多种压力传感器。硅微机械 压力传感器体积小，重量轻，而且没有活动部件，因而非常可靠。由于m e m s 传 感器可成批加工，因此，其单价要比它所取代的机电传感器低得多，世界硅微机 械压力传感器厂家都在竞相开发，以谋求占有较大的市场份额。 2 、硅压力传感器在医疗保健领域的应用 硅压力传感器在医疗保健领域中最大的应用产品是血压监视器。e g & g i c s e n s o r s 公司去年推出一种陶瓷基底的硅压阻式压力传感器，这种新型传感器可 批量生产，在陶瓷衬底上作成1 肛1 2 部件排列，陶瓷部件装在一个防静电的托盘 内向外发送，适于客户自动化包装，批发单价仅1 5 美元。 3 、硅压力传感器在仪器仪表领域的应用 硅压力传感器在仪器仪表中的典型应用便是飞思卡尔的m p l l l 5 a 数字压力传 感器，它可以侦测硬盘内的气压，有助于修正磁头抬起的高度，让磁盘驱动器内 储存空间最大化。还可以提供工业用设备所需的绝对压力侦测。并且不需外接额 外的a d c ，给客户节省了一定的成本。并且传感器尺寸小巧( 3 r a m 5 m i n x l 2 m m ) ， 在很多空间有限的便携式应用中起到了关键作用。并且由于微型化，电流损耗极 低，适合太阳能应用系统或电池驱动系统【2 7 1 。 1 3 硅微机械压力传感器发展趋势 展： 观察现有技术的发展方向及需要，硅微机械压力传感器必将朝向以下趋势发 l 、提高精度及可靠性 随着随着工业发展程度的提高和应用领域的条件越来越苛刻，对传感器的性 黑龙江大学硕士学位论文 能要求也在不断提高，需要传感器具有较高的灵敏度、准确性、较快的响应速度， 同时又能抵抗外界变化量例如温度、湿度等的影响，从而保证系统的抗干扰性， 这将是传感器发展的永久性的方向。 2 、降低功耗 在野外或远离电网的地方，往往利用太阳能或电池供电，提供的电压有限，传 感器必须保证在这种应用条件下仍然可以正常工作。同时随着集成电路技术正朝 着低功耗节能的方向发展，如t 1 2 7 0 2 运算放大器静态功耗只有1 5 1 u a ，而集成 电路与传感器是密不可分的，它承担着传感器信号处理，传输，显示等功能，传 感器的发展必定要符合集成电路发展的方向。 3 、智能化数字化网络化 目前，传感器的功能己突破传统的功能，其输出不再是单一的模拟信号。现在 已有将多种或同种多个传感器集成与一体传感器，也有将传感器与信号处理电路 集成与一体的产品，有的甚至带有控制功能，可以实现自补偿，自校准，自诊断 的功能。同时由于互联网技术的作用和优势逐步显现，网络传感器必将促进电子 科技的发展【2 9 】。 1 4 本课题研究内容 本课题主要研究m o s 晶体管式集成压力传感器，主要完成的工作有： l 、分析课题研究的目的与意义以及m e m s 传感器国内外发展现状与发展趋 势，提出一种结合m e m s 工艺和i c 设计的c m o s 集成压力传感器，无需外接放 大电路，且可以进一步解决压阻式传感器的温漂问题的高性能传感器。 2 、阐述半导体的压阻效应，分析方形敏感膜片的应力分布及m o s 晶体管沟 道电阻的压阻效应，给出传感器硅杯结构的设计值，m o s 晶体管沟道电阻的设计 值和m o s 晶体管电桥电路，结合m o s 晶体管沟道电阻的压阻效应及电桥电路特 点，得到传感器输出电压随压力变化的规律，并计算出满量程理论输出值。 3 、在得到传感器输出电压变化规律及满量程输出值的基础上，确定信号放大 6 第一章绪论 电路采用的放大方式，结合c m o s 电路设计方法，确定运算放大器基本结构，通 过计算机仿真软件c a d e n c e 仿真验证运放性能，从而达到无需外接电路即可直接处 理传感器输出信号，提高传感器精度的目的。 4 、在分析比较了传感器供电方式及对传感器精度的影响的基础上，确定采用 与温度无关的恒流源的供电方式，并结合c m o s 带隙基准基本原理，设计带隙基 准电压源电路再通过电流电压转换电路，将与温度无关的电压转化为与温度无关 的电流，通过计算机仿真软件c a d e n c e 仿真验证电流源的温度特性，从而使恒流源 供电的传感器不受由于电源温漂产生的输出电压的温漂。 5 、介绍版图设计规则和匹配技巧，给出具体元器件及电路的版图。 6 、给出本课题研究的结论与不足。 7 黑龙江大学硕士学位论文 第二章基于m e m s 技术的m o s f e t 压力传感器 2 1 半导体的压阻效应 制造半导体压力传感器的基本原理是利用硅晶体的压阻效应。贝尔实验室在 5 0 年代初发现了硅和锗的压阻效应，1 9 5 4 年，史密斯发表了“硅和锗的压阻效应” 的论文，当沿半导体材料某一方向施加一定的应力时，其电阻率会发生变化，这 种现象称为半导体材料的压阻效应。 2 1 1 流体静压力对晶体电导率的影响 n 型单晶的电导率表达式为： 仃= q j u n ( 2 - 1 ) 式中矿为电导率； 留电子电量； 以载流子迁移率； 1 截流子浓度。 n 型硅电导率随流体静压p 的变化可以表示为： 塞= 万d n + q n q p 警 ( 2 2 ) 面2 万+ 芾 忆乞) 可见导带中电子浓度的变化和电子迁移率的变化，是压力作用下电导率的改变 的原因。在压力的作用下载流子的迁移率会发生变化。非极性晶体的载流子迁移 率如下式： 土：上+ 土 ( 2 3 ) 一= 一+ 一 l z j ， pp 呻 氓 式中朋电离杂质散射引起的迁移率； 协是形变势散射迁移率。 8 第二罩m o s f e t 压力传感器 在压力作用下，晶体会产生形变势，这是由于价带顶或导带底由于声学波在 压力作用时发生形变，导致价带顶或导带底的位置移动造成的。形变势的产生使 得载流子被散射。原子之间的力常数会在晶体膨胀导致点阵距离变大的情况下减 小。原子位移的变化引起能带变化。晶体在膨胀时，格波振幅增加引起形变势的 增加。电阻率由于迁移率如的下降而增加，有下式： dl n p ：2 a v o ( 2 - 4 ) d i r t y 筋c v 式中口是热膨胀系数； 可压缩性； c 热比。 上式实验测定值为2 6 ，由此可知：在流体静压力作用下，载流子的迁移率 会变大导致电阻率降低。 而导带中电子浓度发生变化是由于半导体的禁带宽度和杂质能级的深度会在 压力的作用下发生改变。 1 、在压力的作用下能级深度会发生变化 在掺杂半导体中，杂质的掺杂浓度和能级深度都会影响电子的浓度。如果杂质 的能级深度较浅，那么半导体中载流子的数量便由电离杂质来决定，因此，由于 压力的作用使本征载流子数量的增加就显得微不足道，压力的作用便体现在改变 能级深度的影响上。由费米分布： f ( e t ) 2 百矛斋丽( 2 - 5 ) 式中g - 能级简并度。 b 费米能级。 可知，当巨( p ) 在由于压力增加而变低时，电子占据该能级的几率变小，使得 导带电子数量增加。不过，这种增加的影响是很小的。 2 、在压力作用下禁带宽度会发生变化 当晶体受到流体静压力作用的时候，点阵系数减小，原子间的距离就变小了， 9 黑龙江大学硕士学位论文 而原子之间距离的减小会使得晶体中周期性势场发生迭加，势场的幅值变小，根 据准自由电子理论，禁带宽度等于电子在晶体中周期性势场傅立叶级数展开式系 数的两倍，因此禁带宽度变小。当禁带宽度减小时可以从价带跃迁至导带的载流 子数量就会增加。所以，压力增加时硅单晶中的本征载流子数量便会增加，在压 力作用下能级深度会发生变化。 2 1 2 单轴应力下压阻效应 l 、p 型硅中的压阻效应 在硅的价带顶一共有三个能带，这三个能带分别为：轻空穴能带k 、重空穴能 带虼和一个分裂带，并且价带项空穴的总数量是恒定的。在没有应力作用时，轻 空穴和重空穴的能带是简并的。轻空穴能带和重空穴能带极值点在受到应力作用 时会朝相反方向移动，重空穴能带上移，轻空穴能带下移，简并度消失，轻、重 空穴的数目发生改变。由于价带顶空穴的总数量是恒定的，有： 皑= 叫蝎 0 ( 2 - 6 ) 电导率的变化： a o = g ( 叱+ a t | a ：) = q a p h ( z ：- , u # ) = q 2 a p h ( r ) ( 1 m ：一) o ( 2 1 3 ) 其中已考虑到【1 0 0 】方向上的两个能谷= m ，【0 1 0 】和【0 0 1 】方向上的共四个 能谷。= “。因为： a c r o o l = - 石1 1 z = 一巧l o 1 1 0 0 1 得到【1 0 0 】方向单轴应力作用下的纵向压阻系数巧： ( 2 1 4 ) 鲁= 鲨雩学型1 3 星k t 紫12 l 2 小，q l l所+ 2 鸬 + 其中： q 啪i = i 1g 甩( 2 所+ ) = 卵2 + 鸬) ，工= 鸬朋 ( 2 1 6 ) 同样有横向压阻系数： 巧：i 熹盟墨立缈 0 ( 2 - 1 7 )“- 一) “3 灯 1 + 2 l 1 2 乞 第二章m o s f e t 压力传感器 以及剪切压阻系数= o 。 2 1 3 任意晶向的压阻系数 压阻效应具有明显的各向异性的性质。沿晶体的不同方向施以拉力或压力， 再以不同方向施以电流，电阻率的变化随两者方向的不同而不同。 如图2 1 ，以t 表示应力，并规定压力取正值，拉力取负值。 ( a )( b ) 图2 l 压阻系数与晶体方向的关系 f i 9 2 - 1t h er e l a t i o no fp i e z o r e s i s t i v ec o e f f i c i e n ta n dc r y s t a jo r i e n t a t i o n 沿晶体 方向通电流，测得电阻率为p o ；再沿 方向施加应力t 时， 再测电阻率p 如图2 1 ( a ) 则电阻率的相对变化： ( p - p o ) p o = a , c , 岛 ( 2 1 8 ) 其与应力成正比，写为； 丝= r( 2 1 9 ) 岛 硝。称为压租系数如沿 方向施加应力，再沿与之垂直的 方向通电 流，如图2 l ( b ) 贝l j 户，岛仍与t 成正比，但比例系数不同，常用表乃2 示这一系数， 即： 竺= 万1 2 r ( 2 2 0 ) 黑龙江大学硕士学位论文 巧：也称压阻系数。 独立压阻系数分量仅有乃，乃2 ，三个分量。覆。为纵向压阻系数，乃2 为横向 压阻系数，为剪切压阻系数。 任意晶向的纵向压阻系数和横向压阻系数的公式分别为： g = 磊l - 2 ( m l 一万1 2 一2 鸭2 + 2 强2 + 五2 惕2 ) ( 2 - 2 1 ) 式中，铂，任意方向的方向余弦 万上= 乃2 + 2 ( 万1 1 一乃2 一) ( 2 ，2 2 + 鸭2 ，2 + 啊2 他2 ) ( 2 - 2 2 ) 式中乞，鸭，与任意方向垂直的方向余弦 硅和锗的压阻系数如表2 1 所示： 表2 1g e 、s i 的压阻系数 里塑堡兰：! 巳! 皇兰唑墅壁i 堡! 竺堕! i 型堕鱼! ! 璺! 压阻系数【l o 1 l p a - 1 】 材料 岛( q c m ) 。 2 1 4 电阻率的变化与压阻系数和应力之间的关系 对于一均匀半导体材料，其长度方向的电阻值为： r = p 喜 ( 2 2 3 ) 式中i ，_ 长度； s _ 一截面积； p 电阻率。 在外力作用下，半导体材料的长度l 、横截面积s 及电阻率p 均发生改变，则 电阻r 的相对变化量为： 1 4 第二罩m o s f e t 压力传慰器 等=竺+丝(1一竺丝)=竺+(12ql)(2-24)p lsl p r 、7、 ， “ 式中g 。半导体的纵向应变。 占，半导体的横向应变。 即： 占，：竺 ( 2 2 5 ) b 2 t z 设，为半导体的横向线度，则横向应变为： g 产竺= 一a s ( 2 2 6 ) s = 了= 西 旺 对于半导体材料，当受到纵向压力时，横向尺寸展宽；纵向受到拉力时，横向 尺寸变窄，根据泊松系数定义，泊松比为： ，：一a s 2 s ( 2 2 7 ) 1 ，= 一一 lz 一 乩| l 对于单晶硅材料，= 0 3 5 。将式( 2 - 2 7 ) 代入式( 2 - 2 4 ) 司得： 等：竺+ ( 1 + 2 1 ，) 竺：竺+ ( 1 + 2 ，) q ( 2 2 8 ) rp 、7 lp 、 。 式中等半导体材料的电阻率相对变化。 即： 竺：万西， ( 2 2 9 ) 一= 丌n 片 z - p 式中：e 为半导体材料弹性模量； 为半导体材料的压阻系数，式( 2 2 9 ) 带 入到( 2 2 8 ) 得； 百a r = ( 1 + 2 ，+ 刀e ) q ( 2 - 3 0 ) 上式表明，有两个因素引起半导体材料电阻变化，一是半导体材料几何形变可 以引起半导体材料的电阻发生变化，表示为l + 2 v ；二是由导体材料压阻效应导致 半导体材料电阻率变化从而引起电阻的变化，表示为n e 。实验表明，对半导体材 黑龙江大学硕士学位论文 料，刀e l + 2 v ，故将几何形变引起电阻变化的1 + 2 v 项忽略，得 竺万如。 ( 23 1 ) - j 一7 r 乜s k z r 。 由弹性元件应力与应变关系： 啦= 盯 ( 2 - 3 2 ) 式( 2 3 2 ) 代入式( 2 3 1 ) 得： 竺：砸 ( 2 3 3 ) 尺 由上述可以看出，半导体材料的电阻值变化主要是由电阻率变化引起的。而电 阻率的变化是由半导体材料受应力作用产生应变引起的。应力包括纵向应力q 和 横向应力呒，则半导体材料电阻在应力作用下的相对变化可表示为为： 等：乃q + 巧 (234)o0 = 万i 仃j + 7 r l z r 。 式中仉纵向应力； 仉- 横向应力； 筋电流方向与应力方向一致下的纵向压阻系数； 羁电流方向与应力方向垂直下的横向压阻系数。 任意晶向的纵向压阻系数和横向压阻系数求出以后，只要知道纵向应力q 和 横向应力矾的表达式，便可求出在此晶向上电阻变化率。 2 2 m o s 晶体管式压力传感器的原理 1 6 第二章m o s f e t 压力传感器 筐二： 图2 - 2m o s 晶体臂的结构图 f i 9 2 - 2t h es t r u c t u r eo fm o s t r a n s i s t e r 如图2 - 2 中g 为m o s 晶体管的栅极，s 为m o s 晶体管的源极，d 为m o s 晶 体管的漏极。 工作于线性区和饱和区的m o s 晶体管漏源电流和漏源电压的关系是不相同 的，分别可以表示为： l o s = w l ( g g s 一吩一争( 线性区) ( 2 3 5 ) k = c 似警华 ( 饱和区) ( 2 - 3 6 ) 式中：q 晶体管的栅电容。 巧阈值电压； 孚长宽比； 栅源电压； 源漏电流。 晶体管的漏源电流与迁移率成正比。由前面对半导体压阻效应的分析知，在 应力作用下，载流子的迁移率会发生变化，因而晶体管的漏源电流也会随着载流 子迁移率的变化而变化，即源漏极间电阻如就随迁移率的变化而变化。 在许多c m o s 工艺条件下，制作具有精确控制的阻值和具有合理物理尺寸的 电阻是很困难的，且较难达到四个电阻完全匹配。我们采用m o s 晶体管的沟道电 阻作为压力传感器的压敏电阻。 1 7 黑龙江大学硕士学位论文 如果把晶体管的栅极和漏极短接，如图2 3 ，这个m o s 器件可以起一个小信 号电阻的作用，与双极对应，在模拟电路里叫做二极管连接器件。 叫叫 ( a ) 二极管连接的n m o s 和p m o s 器件( b ) 小信号等效电路 图2 - 3 二极管连接形式的m o s 晶体管及小信号等效电路 f i 9 2 - 3 d i o d ec o n n e c t e dm o s t a m i s t e ra n ds m a l ls i g n a le q u i v a l e mc i r c u i t 这样的结构表现了与两端电阻相似的小信号特性。由于漏极和栅极电势相同， 这晶体管总是工作在饱和区。利用图2 3 ( b ) 的小信号等效电路，可以得到器件 的小信号阻抗，图中： 巧= 圪且l = 圪+ 岛圪 ( 2 - 3 7 ) 式中g 。- m o s 晶体管的跨导。 所以二极管的阻抗等于： 如= ( 1 ) r oll 岛= 瓦丽l ( 2 - 3 8 ) 由于半导体的压阻效应主要是由于电阻率受力变化引起的， 敞p r2 亏q 奶q 电阻率： l 户= n q l a 式中刀载流子浓度； g 电子电量； 1 8 由式( 2 3 4 ) 知 ( 2 3 9 ) 第二苹m o s f e t 压力传感器 载流子迁移率。 由以上两式可得t 等= 等= 业n q l a = 等= 等= 乃q + 乃q ( 2 舶) p o h k 由式( 2 - 3 9 ) 知m o s 二极管小信号沟道电阻： 如2 瓦翻( 2 - 4 1 ) 在力的作用下阻值由于载流子迁移率的变化而变化即m o s 晶体管的沟道电阻 具有与压敏电阻同样的力敏感效应。即： aros=丝=坐：乃q+乃q(2-42)ro s p 川 从上面的分析可以得到，m o s 晶体管的沟道电阻与沟道内迁移率的变化量成 正比，而迁移率的变化量和所受应力成正比。 基于此关系，在n 型硅片上扩散四个m o s 晶体管组成惠斯通电桥，如图2 _ 4 所示： 四个m o s 晶体管的栅源电压、阈值电压巧、尺寸( w l ) 、偏置电流都相同。 在不受外力作用时m o s 晶体管的工作状态完全相同，沟道电阻也完全相同，晶体 管电桥电路处于平衡状态，输出电压为零，当有外力作用时，m o s 晶体管沟道区 的压阻效应使得沟道电阻发生变化，电桥平衡被打破，器件输出与压力成正比的 电压信号。 该传感器中，四个m o s 晶体管均工作在饱和状态，由于电路具有对称性，在 无压力作用时： l2 2 = v o ( 2 - 4 3 ) 1 9 黑龙江大学硕士学位论文 器 蒙 m 9 躺 霪 麟 呤 敏感膜边缘 芯片边缘 ( a ) 传感器基本结构 v d d ( b ) 晶体管电桥电路 图2 - 4 压力传感器结构及压敏电路 f i 9 2 - 4 t h es t r u c t u r eo fp r e s s u r es e n s o ra n ds t r e s ss e n s t i v ec i r c u i t 有应力作用时，m o s 晶体管的沟道电阻发生变化，通过设计晶体管的位置， 使得其中两个阻值由于应力作用变大，另外两个阻值变小，电桥处于不平衡状态， 则输出电压为： = 。一：= ，( 如+ ) 一，( 一) = 2 1 ( 2 - 4 4 ) 由于譬与压力p 成正比，故m o s 晶体管式压力传感器的输出电压正比与 测量压力p ，这就是该传感器的工作原理。 2 3 m o s 晶体管式压力传感器的设计 2 3 1 硅杯的设计 l 、材料的选择 第二章m o s f e t 压力传感器 利用各向异性腐蚀工艺在( 1 0 0 ) 晶向的硅片上很容易得到理想的方形硅杯， 同时相同电阻率的p 型电阻比n 型电阻具有显著的压阻效应，选择n 型( 1 0 0 ) 晶 向的硅片作为制作硅杯的材料。 2 、硅杯弹性膜片的尺寸 考虑到工艺水平及量程指标，硅杯弹性膜片边长选为6 m m ，即2 a = 6 m r n 。 硅杯膜片的厚度应满足小挠度近似条件以减小非线性误差，即： 去 4 8 3 9 u r n 。在此取h = 5 0 u r n 不同压力下硅膜厚度的理论计算值如表2 2 ； 表2 2 不同压力作用下硅膜厚度的理论计算。 t i b l e2 - 2 t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to ff i l mt h i c k n e s su n d e rd i f f e r e n ts u e s s 2 i 黑龙江大学硕士学位论文 3 、硅杯支撑部分的设计 当硅杯受外力作用时，支撑部分也要产生形变，为满足刚度要求，支撑部分的 厚度应满足： 日堕 ( 1 一d ( 2 5 0 ) 式中a 刚度比。 a = 1 5 在此取a = 0 3 c m ，b = 0 2 c m ，g = 0 4 c m ，h = 3 5 x 1 0 。3 c m ，以上各值代入式( 2 5 0 ) 得h 3 8 0 u m ，在此取h = 5 0 0 u m ，如图2 5 ： 第二章 m o s f e t 压力传感器 剖 f i 9 2 5 t h es t r u c t u r ea n ds i z eo fs i l i c o nc u p 4 、方形硅膜的应力分析 由方形膜片受力的平衡方程得： ”咧害+ v 一c 等+ v 窘， ：6 m 了一y y 力 = 竿 其中帆m 弯矩； 疗)棒唐 h ( 2 5 1 ) ( 2 5 2 ) ( 2 5 3 ) ( 2 5 4 ) 黑龙江大学硕士学位论文 盯珂纵向和横向应力： e _ q 氏模量： h - 一为膜片厚度。 方形硅杯膜片的挠度为： = o 0 2 1 3 南( x 2 _ q 2 ) 2 ( y 2 _ a 2 ) 2 ( 2 - 5 5 ) 由上边几式可以得出： 2 _ 0 5 1 1 2 寿 ( 3 x 2 - a 2 x y 2 - d 2 ) 2 + v ( 3 y 2 _ a 2 ) ( x 2 - t 2 ) 2 】 ( 2 - 5 6 ) = - 0 5 1 1 2 寿陟( 3 x 2 - a 2 ) ( y 2 _ a 2 ) 2 “3 y 2 - - a 2 ) ( x 2 - - q 2 ) 2 】 ( 2 - 5 7 ) 方形硅膜纵向应力和横向应力如图2 - 6 ： 厂卜； c r ，