CMOS压力传感器

CMOS压力传感器1、 研究背景和意义1.1压力传感器的发展背景 传感器的作用就是将自然界中存在的各种非电量信息转化成可测的电信号，为人们探知和控制提供必要的条件和依据1。随着现代测量、控制和自动化的技术不断发展，传感器技术越来越为人们所重视，已成为制造自动化和信息化的基础2。传感器技术同计算机科学技术与通信技术被称为信息技术的三大产业3，其发展是一个代表国家工业现代化水平的重要标志。传感器与生活中的各行各业也有着紧密的联系。在普通一个汽车的电控系统中大约有1020只传感器，有的高级汽车更是高达300个，这些传感器直接影响着汽车技术性能的发挥。在现代医学领域，医学传感器得到了广泛的应用，如在图像处理、临床化学检验、生命体征参数的监护检测、心血管疾病的诊断和治疗等方面，传感器已经十分普及。在环境检测，军事等方面也有着很多的应用 4。可以说我们的生活已经离不开传感器了。 传感器的种类很多，以传感器的功能来说可以分为速度传感器、温度传感器、压力传感器等。其中压力传感器具有体积小、灵敏度高、成本低、便于集成等优点，被广泛应用于医疗卫生、工业过程监控、生物、航空、环境监测等各个领域156，。可以说是工业实践中最为常用的一种传感器。压力传感器的材料也可以分成很多种类，但是根据相关文献资料大部分都是用硅来制作的。自1954年Smith等人开始研究半导体的压阻效应开始，基于压阻效应制作的传感器就开始得到了实际的应用。之后由压阻效应制作的压力传感器在控制理论和测量技术得到了很大的发展。后来又由于硅集成工艺的发展，以硅衬底为材料的压力传感器更是得到了惊人的发展7。采用硅压力传感器具有体积小、重量轻、精度高等特点、特别是半导体传感器制造工艺与集成电路工艺相兼容，满足了传感器向智能化方向发展的要求 8 。近年来，各个领域都迫切需要研制能链接到微型计算机的压力传感器。以硅为材料的压力传感器肯定还是未来压力传感器的主流材料。压力传感器的微型化也必然是未来压力传感器的发展趋势之一。1.2 CMOS工艺发展背景在很多领域微型计算机使用的越来越广泛，这就要求压力传感器更加小、更加准确，并且能与集成电路相兼容。而在集成电路的领域里面，现在CMOS技术仍然是主流的技术。CMOS是指互补式金属半导体。从上个世纪八十年代起，已经有人开始研究利用标准CMOS工艺技术来制作各种传感器，如电容式传感器、压阻式传感器、光电式传感器，场效应晶体管式传感器等2。CMOS具有它具有极低的静态功耗密度、抗干扰性好、工作电源电压范围宽、输入阻抗高、电容设计容差大等优点9。随着集成工艺的发展，COMS工艺也在逐步改善，使其能满足各种集成微型集成传感器的制作要求。现在CMOS标准工艺上所需的材料的种类，材料的加工流程，加工参数都是固定的。这些都非常有利于大规模的生产和制造集成电路和传感器的产量化和市场化。对于集成电路来说，用CMOS工艺设计传感器还有以下优点。一是CMOS工艺现在比较广泛使用，所以相对来说比较容易获得。在国内台积电、华晶、华虹等半导体工艺厂商都可以提供加工服务，在国外美国的MOSIS公司向全世界都会提供相关服务。所以对于传感器设计人员来说，采用CMOS工艺设计的方法，其加工服务比较容易获得，这也迎合了压力传感器的商品化的要求。二是CMOS电路相对来说集成度高，相比GaAs、双极性硅等工艺来说都有着无法替代的优点。三是利用CMOS工艺兼容设计传感器利于降低传感器成本，实现传感器的片上系统和微型化。10四是功耗小，在规模很大而且很复杂的电路中采用CMOS是一个比较好的方案11。在集成电路领域，CMOS工艺有着其它工艺无法替代的优势。但是在CMOS标准工艺设计传感器也存在各种各样的挑战，如对于微型的传感器，体积越小的传感器，外界物理量、化学量对传感器检测量的改变就会越小，这个对于传感器系统的封装和CMOS工艺兼容来说都是一个挑战1213。（3）MEMS工艺的发展背景微型化是当今传感器发展的一个重要技术领域，因为微小技术所制作的微小器件能完成许多大系统无法完成的工作，当尺寸小到一定程度，会有许多意想不到甚至令人惊喜的现象出现14。于是MEMS开始发展起来。MEMS就是微机电系统（Micro ElectroMechanical Systems），是指可批量制作的，集微型机构，微型传感器、微型执行器以及信号处理电路、通信和电源为一体的微型器件或系统，也可以说是微电子加工技术和多种微机械加工技术相融合而成的微型系统 5。MEMS技术是作为力学，声学，光学和化学等物理域与电子电路沟通的桥梁1516。完整的MEMS是由感知外界信息（力、热、光、化、磁）的微传感器、控制对象的微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统（如下图），形成了与人的感知系统、大脑、手相同的作用的智能传感系统。17微机电系统现在可以说是一个多学科交叉的前沿研究领域，其特点有（1） 微型化：MEMS器件体积小、重量轻、能耗低、响应时间短。其中体积可达亚微米以下，尺寸精度达到了纳米的级别。（2） 性能好：以硅作为主要材料，强度接近铁，密度和热传导率接近铝。（3） 效率高：由于其尺寸微小，重量轻，所以其能耗低，灵敏度也比较高（4） 集成化：由于MEMS器件尺寸微小，所以比较容易将多个传感器集成在一个芯片上。也适合大批量生产，降低了生产的成本11。 MEMS压力传感器随着MEMS工艺的发展也越来越成熟。MEMS的压力传感器是在硅片的基础上所生成的微电子机械传感器。从1962年第一个微硅机械压力传感器的问世，到现在MEMS压力传感器的商品化，我们生活已经离不开MEMS压力传感器。比如说在医疗行业里面，有学者研究出的MEMS电容式压力传感器，可以对义齿进行检测18。在汽车行业，传统的多路绝对压力传感器和气囊加速度计已经完全被微型化的传感器所替代11。在近年流行的高端运动手表里，也都采用了MEMS压力传感器的技术。压力传感器技术发展到现在的阶段，可以说就是与MEMS技术结合的阶段。 运用MEMS加工技术制作的压力传感器凭借其体积小、功耗低、灵敏度高、重量轻、易于集成以及耐恶劣工作环境等优点，MEMS压力传感器将变得更智能18，并将有更多的应用发展空间。（4）CMOS工艺与MEMS工艺结合当今传感器还有一个探究重点就是将CMOS标准加工工艺和MEMS加工工艺结合。在早期，人们认为将CMOS和MEMS结合没什么必要。而且当时的技术将两者结合比较困难，因为在制作过程上MEMS和CMOS存在很大的差异，如MEMS包含一些可动的机械构件，不能采用CMOS传统方法进行封装.还有设计思路也不相同，CMOS是从上往下设计，而MEMS是从下往上设计。但是随着MEMS器件研究的发展和应用领域的拓宽，MEMS迫切需要量产和走入市场，这时选择一个已经成型的标准工艺方案就显得很重要了，MEMS和CMOS集成的就正好可以解决这个问题。现在MEMS和CMOS集成工艺的加工过程一般可分为3种制作方式，前段CMOS制作方式,中段CMOS制作方式和后段CMOS制作方式1。前中后代表了MEMS和CMOS加工顺序。由于CMOS和与MEMS结合的技术尚不完全成熟，每种方法都有自己的优点和缺点。如后段CMOS就是先完成CMOS工艺的加工，然后在根据设计需要在MEMS后加工过程中完成传感的部分，不需要和CMOS工艺流程绑定在一起，但是后加工时容易受到温度或刻蚀的影响。前段可以避免温度或刻蚀的影响，但是CMOS电路制作时很难保证表面的光滑。在实际传感器的制作过程中，需根据实际的需要选用不同的方法。由于MEMS工艺中采用CMOS工艺易于集成在一个芯片上，可以实现芯片的多样性，与信号处理电路相兼容，能够有效降低外部干扰等优点2，已经在各个领域得到了越来越多的应用。虽然两种工艺不能现在还不能完全的兼容，但是随着MEMS器件的量产化需求，CMOS与MEMS相结合的集成器件是未来发展的大趋势，未来的市场发展也相当可观。2、 研究现状CMOS工艺与MEMS工艺的结合凭借其易于集成，成本低廉等优点。两个工艺结合制作的压力传感器，已经被广泛应用于各个领域的研究。刘娜，黄庆安等人采用一种新型的CMOS工艺结合MEMS工艺研制出了一种电容式绝对压力传感器(如图1-1)。其传感器是由导体和介质层组成可变电容等结构组成。采用的是后段CMOS工艺，先采用CMOS工艺加工，然后用体硅腐蚀、PN结自停止腐蚀等MEMS工艺做后处理。这种电容绝对压力传感器，具有更大的初始固有电容，并且能抑制寄生电容。将其应用在热风速计中时，可以将热应力对压力传感器的影响降低到预期的水平19。 图1-1Pradeep Kumar Rathore等人设计出一种基于COMS和MEMS工艺的桥梁式结构的压力传感器（如图1-2），其中采用的是标准5m的CMOS工艺。其原理（图1-3）主要是基于压阻效应，当压力改变时，MOSFET里面的载流子迁移率发生改变，从而改变电路的输出电压。最后优化后的灵敏度为1.61V/pa，这种结构适用于在医疗和生物医学等相关领域。并介绍了此类传感器在相关领域的应用正逐步增多。20图1-2 图1-3李凌宇针对市场和科研的需求设计了一种基于MEMS和CMOS加工的SOI基纳米硅薄膜的压阻式压力传感器(图1-4)，这个传感器主要是用SOI埋层氧化层，SOI上层硅和AIN绝缘层构建了去构建一个压力敏感薄膜结构，并证明了该传感器良好的线性度和高温性能。这种传感器填补了国内超微压、高精度传感器的空白，虽然工艺实现有所不足，但是对MEMS压力传感器研究打下了一定基础12。 图1-4王阳设计了一种与CMOS工艺兼容的梳状电极结构的集成微电容传感器。其中CMOS工艺采用的是后段CMOS制作方式。在这个传感器中，敏感电容与信号读出电路集成在同一个芯片上，实现了传感器的微型化、低成本、高性能生产的特点。但是存在的不足有不能预测微小电容的变化，对后期加工、测试造成了一定的影响1。Zhao-Hua Zhang等人设计了一种MEMS压力传感器（图1-5），其中用两个MOSFET和两个压敏电阻组成惠斯顿电桥作为传感器的敏感元件，与传统的压阻式压力传感器相比，该传感器的灵敏度更高，制造成本更加低廉，而且能与标准的IC工艺兼容。这种芯片可用于研究汽车电子领域的压力检测系统21。 图1-5参考文献1王亚峰，新型传感器技术及应用。北京：中国计量出版社。2009年2王阳，基于CMOS工艺的集成微电容式传感器研究。安徽：安徽大学，2012年4月3陆遥，传感器技术的研究现状与发展前景 。经济师2009年第9期4池雪莲，传感器技术应用及发展趋势展望。湖北：襄樊职业技术学院 信息技术系 ，2005年8月5张鑫，郭清南，李学磊，压力传感器的研究现状及发展趋势。山东：山东农业大学机械与电子工程学院 2004年4月6周伟，基于倒装技术的MEMS电容式压力传感器的研究。江苏：东南大学，2006年3月7张维连，半导体硅压力传感器，河北：河北工学院8万灵，基于MEMS技术制MOSFET压力传感器研究。黑龙江：黑龙江大学，2008年5月9童勤义，庄庆徳，唐国洪，陈徳英，以N阱CMOS为基础的各种兼容工艺。江苏：南京工学院电子研究所，1984年1月10周闽新，CMOS工艺兼容电容式绝对压力传感器。江苏：东南大学，2003年3月11姜辉，基于0.18mCMOS工艺的低电压、低功耗、超高速集成电路设计。江苏：东南大学，2006年3月12BAO M H,Wang W Y.Future of mecroelectro mechanical system MEMS Sensors and actuator A,199613Fukumoto Y,Suzuki F,Maenaka K.SOI-MEMS sensor for mutil-enviromental sensing-system. 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