COMS-MEMS集成的基于MOSFET嵌入式桥梁结构的压力传感器

COMS-MEMS集成的基于MOSFET嵌入式桥梁结构的压力传感器摘要这篇论文主要讲了基于MOSFET嵌入式桥梁结构的高灵敏度压力传感的电流镜传感器的设计和仿真。一个输出电流为1mA电流镜电路是使用标准的5 m CMOS技术设计的。电流反射镜的晶体管输出形成了主动压力传感MOSFET，由于通道流通外部施加的压力，它的漏极电流产生了改变。沟道区域的压力传感MOSFET形成了桥梁结构和应变传感元件，MOSFET的压阻效应已经被用于计算应变引起的载流子迁移率的变化。COMSOL Multiphysics是用于压力传感桥梁结构的仿真。T-Spice是用来评估电流反射镜压力传感电路的特性。仿真结果表明了嵌入式MOSFET桥梁结构具有24.08 mV/MPa的灵敏度。结构优化以后可以得到1.61 V/MPa的压力灵敏度。此外，由于电流镜像晶体管和负载电阻和电源电压和工作温度之间的不匹配所引起的压力传感MOSFET的漏极电流变化也进行了讨论。这些基于嵌入式MOSFET压力传感器的桥梁结构适用于医疗和生物医学中的应用。I简介作为一个有前景的应用技术，微机电系统（MEMS）和金属互补氧化物半导体（CMOS）结合的压力传感器在生物医疗传感器和仪器的领域的应用正在不断增加1。血压是一个最重要的参数去检测一个病人的健康。动脉血压（IABP）测量技术2包括用一个放在插入了主要动脉并且充满液体的导管的压力传感器直接测量动脉血压。动脉血压通过流体运输使压力传感器的弹性膜片产生偏移。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的压阻效应3-4是一种最有前途的不同寻常的传感技术，它提供了完全兼容标准的CMOS工艺。最近，基于MOSFET的CMOS和MEMS结合的压力传感器被提出，且发展起来了。在最简单的MOSFET压力传感器的实现过程中，压阻式应变传感和弹性元件在压力下产生偏移形成了沟道区域的MOSFET5。沟道里的分布的应力调制漏极电流使MOS晶体管沟道迁移率改变。MOSFETS连接在惠斯顿电桥上去感应膜片的偏移也有被报道6-7.这些膜片基于嵌入式的MOSFET压力传感器只有很低的压力灵敏度。基于可移动的悬浮栅MOSFET压力传感器也同样在发展。这些传感器主要问题是制造过程复杂和灵敏度低。现在的工作是利用硅桥结构去设计一个高灵敏度的基于MEMS的CMOS压力传感器。在这篇论文中，我们首先描述了电流镜桥式MOSFET的基本理论模型。接下来讨论了一系列关于用COMSOL Multiphysics和T-Spice软件去仿真压力传感器的结构和电学特性的问题。此外，优化了这个基于桥梁结构MOSFET以保证传感器灵敏度。在健康和生物医疗智能传感器应用的设计上，这个项目迈出了一大步。II基于嵌入式桥梁结构MOSFET的电流镜传感嵌入式电流反射镜MOSFET桥梁结构是基于MOSFET压阻效应的压力传感器设计的。电流反射镜压力传感器的电路如图1(a)所示。这些传感电路的设计是为了有1mA的电流输出且使用标准5 m CMOS工艺。这个压力传感电流反射镜电路由参考MOSFET(M1)和压力传感MOSFET(M2)所组成。这个压力传感MOSFET结构原理图如图1（b）.在这个结构里， M2的沟道区由可变桥梁在压力下产生偏移组成。这个偏移的结果导致漏极电流变化，因为沟道迁移率改变了。这个电流的变化通过电阻RD转化成电压的变化。输出电压是和漏极终端电流镜晶体管M1和M2获得的压力成比例的。这些表1给设备的参数是用来设计和仿真这个基于桥梁的压力传感器的。图1.（a）带有参考MOSFET（M1）和压力传感MOSFET（M2）的压力传感电流镜电路 （b）基于桥梁压力传感MOSFET的横截面视图1、桥：形状、大小和形状方形的桥梁、100 m 100 m 2.5 m、 硅2、使用5 mCMOS技术的n- MOSFET压敏电阻（1）漏极电流，ID(sat) = 1 mA = 1000 A（2）驱动电压，Vov = 8.104 V 栅源电压, VGS = 9.104 V（3）初始电压, VA = VA L = 2000 V（4）输出电阻, r0 = VA/ID(sat) = 2 M（5）n- MOSFET的等效压敏电阻的电阻, R = 2 M（6）N沟道MOSFET等效压敏电阻的尺寸: 100m 100 m 0.5 m（7）N沟道MOS等效压敏电阻器的电阻率, = (R W t)/L = 1 m（8）N沟道MOSFET的压阻系数: 11 = 1020 10-12 Pa-1, 12 = -534 10-12 Pa-1, 44 = 136 10-12 Pa-13.使用TSpice路设计电流镜电路（1）参考电流, Iref = 1 mA = 1000 A（2）栅源电压, VGS = 8.71892 V（3）电阻, R = (VDD - VGS)/ Iref = 1280 表1 基于桥梁结构的MOSGET压力传感器的各种参数III基于桥梁MOSFET压力传感器的理论模型压力传感器的仿真A 机械传感元件：桥着这个项目中的基于压力传感器的嵌入式MOSFET桥是由硅组成的。在负载下桥梁结构的位移和压力分布的分析方法很发达。B 在MOSFET中的压阻效应在这个部分，依据的是MOSFET的漏极电流在机械压力用压阻效应在n沟道，当MOSFET运行在饱和状态漏极电流ID(sat)和输出电阻r0的关系为，在这儿，n代表着沟道里的电子迁移率，COX是每个单位的氧化层电容，W和L是沟道的宽和长，VTN和VA是阈值电压和n沟道MOSFET的初始电压。在机械压力下MOSFET管漏极电流的变换仅仅是由于沟道迁移的变化引起的。10因此，MOSFET沟道能被组织等于MOSFET输出电阻的的等效电阻（RH）代替(RH=r0)。因此，在流动过程中微小的变化(/)与在沟道中电阻的变化(Rch/Rch)成反比，公式为：在这里，l, t, l和t是纵向和横向的压阻系数和应变分量。在饱和区域的漏极电流这可以写为C.电流反射镜感应一个基于电流反射镜电路而且有负载电阻(RD)的n沟道MOSFET被用于感应输出电压，这个输出电压被漏极段子电流源晶体管M1和有源晶体管M2获得，输出电压公式为IV基于压力传感器的嵌入式桥梁结构MOSFET的仿真基于COMSOL Multiphysics的有限元分析是用于分析嵌入式桥梁结构的MOSFET的结构行为，和n沟道MOSFET管相当于压敏电阻的压阻效应。一个嵌入n沟道MOSFET等效压敏电阻（参数在表1）的硅桥结构组成的三维有限模型是用COMSOL几何工具构造的。接下来是材料的定义，几何的啮合，然后是合适的结构边界条件设置和电流传导问题。2000V(DC)电压的输出相当于在MOS等效压敏电阻施加2 M压力时MOSFET的初始电压。压力是以向下的方向加在桥梁的上表面的。然后就可以执行这个方案了。图2（a）显示了硅桥结构外面的偏移量。最大的偏移量是在两个固定边的中间。图2（b）显示了在1MPa压力下上表面的正常的x方向的应力分布。这个仿真结果清晰表明了最大的应力是在固定的边附近。压力导致沟道电阻的变化从而使得通过MOSFET等效电阻通过的电流变化。图3显示了沟道电阻随着压力变化而变化（数据从COMSOL仿真获得）。然后计算了等效迁移率随着压力的变化（4）。图（4）显示了沟道迁移率随着施加压力变化的细节。在1MPa压力下每减少37.33KMOSFET等效电阻，沟道迁移率增强14.27 cm2/Vs。 图3.从COMSOL获得的MOSFET等效压敏电阻和压力的关系T-Spice是用来估计使用5 m CMOS技术且基于电流镜电路的n沟道MOSFET的特性的。这个电流镜电路不仅提供了对压力传感MOSFET所必要的偏置电流，而且将漏极电流转化成输出电压。COMSOL的仿真中得到随着压力改变迁移率的数据，可以使用到压力传感MOSFET的spice模型中。图5（a）显示了在施加压力情况下压力传感MOSFET漏极电流的变化函数。图5（b）显示了在施加压力在（01）MPa，且每次改变100KPa的情况下压力传感MOSFET的ID和VDD特性。图5中的插图是漏极电流ID与VDD的关系且VDD变化范围是（3.55）V。在VDD=5V且压力为1MPa的情况下漏极电流大约提高了19A。图6显示了在压力下输出电压（VDS1 ， VDS2）的函数关系。仿真结果表明基于桥梁结构压力传感器MOSFET的灵敏度大约是24 mV/MPa.图4.从COMSOL获得的等效迁移率和压力的关系图6在压力下，从电流晶体管M1和M2漏极终端获得输出电压（VDS1-VDS2）函数关系图5.（a）漏极电流和压力传感MOFET施加压力的关系（b）从T-SPICE获得的MOSFET压力变化时电流和电压的特性V结果和讨论从图6的仿真的结果可以看出，获得了24 mV/MPa的低传感灵敏度，这主要是因为沟道迁移率有效改变比较低。在图2（b）桥梁结构应力在外表面的分布表明最大应力分布在固定的边，而且是正向应力和拉伸的。这种应力渐变成负应力或者压缩应力且在桥的中央达到最大。拉伸和压缩这两种应力的组合导致了低的有效迁移率改变，从而导致了低的灵敏度。通过将MOSFETs沟道放在最大拉伸或者最大压缩的区域可以提高有效的沟道迁移率改变，这样的话流动性改变要么是正的要么是负的。基于这个，传感器的结构可以改变成图7，两个MOSFET和一个长10 m宽100m放置在桥梁结构的中间（压缩区域）和两边（拉伸区域）。这些MOSFETs的沟道电阻是200K.这个用来设计和仿真这个被改进的压力传感器的参数在表2给出1、桥：形状、大小和形状方形的桥梁、100 m 100 m 2.5 m、 硅2、使用5 mCMOS技术的n- MOSFET压敏电阻（1）漏极电流，ID(sat) = 1 mA = 1000 A（2）驱动电压，Vov =2.536 V 栅源电压, VGS = 3.563 V（3）初始电压, VA = VA L = 2000 V（4）输出电阻, r0 = VA/ID(sat) = 200K（5）n- MOSFET的等效压敏电阻的电阻, R = 2 00K（6）N沟道MOSFET等效压敏电阻的尺寸: 10m 100 m 0.5 m（7）N沟道MOS等效压敏电阻器的电阻率, = (R W t)/L = 1 m（8）N沟道MOSFET的压阻系数: 11 = 1020 10-12 Pa-1, 12 = -534 10-12 Pa-1, 44 = 136 10-12 Pa-13.使用TSpice路设计电流镜电路（1）参考电流, Iref = 1 mA = 1000 A（2）栅源电压, VGS = 3.33915 V（3）电阻, R = (VDD - VGS)/ Iref =6650 表2用来设计和仿真这个被改进的嵌入式压力传感器的参数图7.改进的基于桥梁结构的压力传感MOSFET图8显示了每个MOSFET沟道电阻随着施加压力线性变化的函数。在压力下，一个MOSFET的沟道区域放在固定的边附近感应拉伸压力，其余的放在硅桥梁结构的中间感应压缩压力，MOSFET 1的沟道电阻在压力下增长一个线性单位，然而，MOSFET 2 的沟道电阻增长了两个线性单位。在1MPa的压力下MOSFET 1和MOSFET 2的沟道电阻分别增长了31.68 K和减少了21.55 K 图8，从COMSOL仿真中获得的改进等效电阻的阻值随着压力变化的函数在变化压力下MOSFET 1和MOSFET 2的等效沟道迁移率接着从（4）计算出来。图9显示了在每个MOSFET的沟道迁移率和压力的线性函数关系。在拉伸应力下沟道迁移率减小，在压缩压力下增加。在1MPa压力下，将MOSFET放在拉伸区域，沟道迁移率减少了102.57cm2/Vs，但是，将MOSFET放在压缩区域，沟道迁移率增加了90.58cm2/Vs。图9.从COMSOL仿真获得的改进MOSFET等效电阻迁移率和压力的关系图10显示了改进的电流镜压力传感电路的原理图。和之前讨论的部分相似，这个电路图由作为参考晶体管的电流源MOSFET（M1）和两个分别放置在固定边和中间的晶体管，作为压力传感晶体管的输出MOSFETs（M2和M3）图10.由参考MOSFET（M1）和主动MOSFETs（M2放置在桥梁结构的固定边附近，M3放置在中间）电流镜压力传感电路原理图图11显示了在压力下两个主动MOSFETs（M2和M3）的漏极电流的变化，从获得的数据，M2和M3的漏极电流分别大约减少了130 A和21 A。这些漏极电流的变化通过负载电阻RD被转化成了电压。图12（a）显示了在压力下M2和M3的电流和栅源电压的关系。我们可以再次看到在晶体管M2和晶体管M3的漏极和源极电压是相反的。图12（b）显示了输出电压和压力的关系。在1MPa的压力下，(VDS1 VDS2), (VDS1 VDS3) 和 (VDS2 VDS3)的输出电压分别为862.9 mV, 750.29 mV 和 1.61 V。仿真结果表明改进的基于桥式的MOSFET压力传感器的压力灵敏度大约为1.61 V/MPa。这个项目研究的桥式结构MOSFET的压力灵敏度要比最近报道的基于膜片的传感器更高11-12图11.放在桥式结构固定边和中间的压力传感MOSFET的漏极电流和压力的函数关系图12.（a）MOSFET放在桥式结构固定边和中间的主动MOSFET的漏极和源极电压和压力的函数关系。（b）从电流晶体管M1，M2和M3的漏极终端获得的输出电压(VDS1-VDS2),(VDS1-VDS3) and (VDS2-VDS3)基于嵌入式压力传感MOSFET的传感器性能可以被主动和被动设备之间的不匹配影响13-14,图13说明了漏极电流的变化和镜晶体管（a）阈值电压VTH不匹配 （b）载流子迁移率n不匹配（c）负载电阻RD2不匹配 （d）供给电压变化 （e）温度的变化这些参数的变化都能影响主动MOSFET的漏极电流从而导致M1和M2漏极终端输出的偏置电压，因此，为了达到足够的产量，设计电路时必须考虑设备之间的匹配因素。图13.（a）基于电阻负载的n沟道MOSFET的电流镜电路。使用T-SPICE仿真时，MOSFETs的长和宽分别为10m和100m.M2漏极电流变化和阈值电压曲线（b）VthM1 = 1 V , VthM2 =(1 0.05) V的斜率是 804.48 A/V。（c）载流子迁移率nM1 = 750cm2/Vs and nM2 = (750 10) cm2/Vs的斜率为1.255 A/(cm2/Vs)，（d）负载电阻RD1 = 6650 and RD2 = (6650 100) 的斜率为9.1nA/。变化漏极电流ID (= ID1 = ID2)和供给电压VDD = (10 0.5) V的关系（e）的斜率为128.12 A/V。（f）操作温度(25 5) 的斜率为 0.438 A/ VI结论本文章对基于桥式电流镜MOSFET压力传感器进行了仿真和优化，包括其性能和分析模型的特性描述。用有限元分析软件COMSOL Mutiphysics和T-Spice仿真了压力传感器的结构和电学特性。此外，由于设备、变化的电压和操作温度导致电流镜MOSFETs的漏极电流的变化也被讨论了。这个优化的基于桥式结构的MOSFET保证了压力传感器的灵敏度并且可以集成到复杂的信号处理CMOS电路，实现了一个完整的片上系统（SOC）的生物医学应用确认这篇文章的作者非常感谢印度新德里政府、科学技术部门对这篇文章的支持参考文献1 A.C.R. 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