CMOS工艺下微压力传感器研究

CMOS工艺下微压力传感器研究,姓名：,班级：,指导教师：,学号：,答辩报告,研究目的和意义,01,研究内容,总结与展望,02,03,目录,一、研究目的和意义,硅压力传感器是具有体积小、重量轻、精度高等优点。其制作工艺与集成电路工艺兼容，是各类传感器中最具性价比的传感器，在工业实践中已经得到了广泛应用。CMOS工艺是集成电路的主流制造工艺，主要特点是加工工艺流程固定，有利于量产化。而MEMS工艺能加工更多的传感器结构，两者结合可以满足传感器的量产化和多样性的需求。虽然两种工艺还不能完全兼容，但未来发展市场相当可观。,二、研究内容,1、传感器工作原理2、电路设计3、压力特性仿真4、电路特性仿真5、版图设计6、后续加工,二、研究内容,1、传感器工作原理,传感器结构示意图,二、研究内容,2、电路的设计,传感器电路原理图,3、压力特性的仿真（仿真软件：COMSOL）,二、研究内容,约束条件：P型单晶硅等效硅衬底边界固定约束等效未减薄区域对形变区域的约束1Mpa边界载荷代替外界压力,芯片的形变量,（1）形变量的观察,二、研究内容,0Mpa压力下电压的分布,1Mpa压力下电压的分布,给电阻一端固定的电流（1mA），并将其接地，观察不同压力下最大电压的变化,将电导率固定,二、研究内容,压力仿真失败分析,各项异性,解决方法：根据压阻效应公式推导,二、研究内容,二、研究内容,压阻系数：l，t,对于任意方向：l=11-2(11-12-44)(l12m12+m12n12+l12n12)t=12-2(11-12-44)(l12l22+m12m22+n12n22),l=t24.4*10-11Pa-1,二、研究内容,应力：,二、研究内容,（2）主应力仿真,第一主应力l,第二主应力2,二、研究内容,（2）主应力仿真,第三主应力3,数据采集,仿真分析：1、忽略沟道区域的宽度和厚度2、将p型衬底的应力分布作为n型沟道区域受到的应力,二、研究内容,（2）主应力仿真,M2主应力数据,M3主应力数据,二、研究内容,（2）主应力仿真,横向应力和纵向应力：,沟道迁移率的变化率：,二、研究内容,（2）主应力仿真,压力随沟道迁移率的变化关系,位于固定端MOS管的沟道区域的迁移率大概增加40cm2/Vs，外加压力每增加200Kpa沟道迁移率增加8cm2/Vs，而位于正中间的MOS管的沟道区域迁移率大概增加了12cm2/Vs，外加压力每增加200Kpa沟道迁移率增加2.4cm2/Vs。,二、研究内容,4、电路特性的仿真,电路原理示意图,简化后的电路图,三、研究内容,4、电路特性的仿真,MOS管主要工艺参数,电路程序,二、研究内容,4、电路特性的仿真,沟道宽的实验数据,二、研究内容,4、电路特性的仿真,位于固定端（M2）和正中间的(M3)的MOS管的漏端电压,二、研究内容,4、电路特性的仿真,压力和输出电压的关系,结论：从图可以分析出压力和输出电压呈现线性变化关系。通过计算得知传感器的灵敏度大约为185mV/Mpa。从以上的仿真可知，影响传感器灵敏度的主要是应力和压阻系数。可以通过优化传感器结构和提高沟道区域的掺杂度来提高传感器的灵敏度。,二、研究内容,5、版图设计,（1）器件选型,电阻：N+、P+、NWELL、P_Poly、NLDD、HighPloy2,MOS管：标准型N/PMOS、耗尽型N/PMOS、低阈值N/PMOS,电阻版图,MOS管版图,二、研究内容,5、版图设计,（2）注意事项,天线效应,设计规则,寄生电容,寄生电阻,对称分布,二、研究内容,5、版图设计,（3）版图设计,最终版图,二、研究内容,5、版图设计,（3）DRC和LVS,DRC:设计规则检查,LVS:版图与电路的一致性检查,错误提示,二、研究内容,5、版图设计,（4）寄生参数的提取,部分寄生参数,一个寄生电容和对应的网表,二、研究内容,5、版图设计,（5）后仿真,每条线路的寄生参数总和,二、研究内容,5、版图设计,（5）后仿真,每条支路对应的总寄生电容和电阻,二、研究内容,5、版图设计,（5）后仿真,后仿真电路程序,二、研究内容,5、版图设计,（5）后仿真,结论：从图我们可以计算出传感器的灵敏度大约为155mV/Mpa，寄生参数的加入使得传感器灵敏度大约降低了30mV/Mpa。,加入寄生参数后压力和输出电压的关系,二、研究内容,5、后续工艺,版图设计后需要经过CMOS工艺加工出芯片，然后需要通过MEMS工艺加工出传感器的结构。此次采用CMOS工艺是0.5mn阱CMOS制造工艺，流片厂商为华润上华。MEMS加工的目的是将芯片发生形变的区域从300m减薄到2.5m。,二、研究内容,5、后续工艺,方案1：金属夹具,夹具模板,MEMS工艺,二、研究内容,5、后续工艺,方案1：金属夹具,MEMS工艺,优点：效率高不用考虑对齐操作缺点：刻蚀精度差,二、研究内容,5、后续工艺,MEMS工艺,方案2光刻,底膜处理涂胶前烘曝光后烘显影坚膜刻蚀除胶,光刻,三、总结与展望,本次课题研究，对CMOS工艺下微压力传感器进行研究。主要类容是设计了传感器的电路图、对传感器的压力特性和电路特性进行了仿真、设计了传感器版图、最后对芯片后续加工工艺进行了探讨，设计了MEMS加工所需的掩膜版。由于在CMOS工艺加工后对芯片进行了划片，过