一种新型CMOS电容式绝对压力传感器的设计

图２ 弹性电介质体在外力作用下的形变 １．１模型计算
膜受力弯曲，在四边固支的边界条件下，选取膜 的位移函数为下式［６］：
首先详细介绍了电容式压力传感器的结构组成，利 用周闵新等人提出的多层膜理论模型［４１计算了压力 敏感膜的受力变形情况，并用有限元工具ＡＮＳＹＳ 对计算结果进行了验证，同时分析了传感器的灵敏 度．然后，文中给出了这种压力传感器接口电路的设 计；最后简单介绍了传感器的后处理工艺．
表１压力敏感膜的材料参数以及尺寸参数
多晶硅（Ｐｏｌｙ） 栅氧（Ｓｉ０２） ｎ－ｗｅｌｌ Ｓｉ
杨氏模量Ｅ （ＭＰａ）
１．６×１０５ ７．５×１０４来自百度文库１．９×１０５
泊松比
肛 ０．２３ ０．１７ ０．２２
热膨胀系数 ａ（×１０－６／℃）
２．５ ０．５ ２．３３
相对 介电常数
３．９
边长
厚度
（肛ｍ）
（ｐｍ）
８９０肛ｍ／８００ ｐｍ／０．３５
利用ＡＮＳＹＳ有限元分析工具，对压力传感器 的敏感膜结构进行负载一形变分析，以来验证前面所 选用的模型，从而进行传感器的优化设计．同样选取 边长为８００肚ｍ的正方形膜进行分析，在有限元模 型中去除体硅部分，仅对敏感膜进行分析．边界条件 设置为周边固置．根据前面分析提出的模型，忽略热
— 应力，当外加压力在１００ ｈＰａ～１ １００ ｈＰａ范围内变
由于标准ＣＭＯＳ工艺中各层的厚度是固定的， 因此传感器敏感膜的厚度不能改变．对传感器结构 的优化只能通过改变敏感膜的边长．图４给出了膜 取不同边长时，中心挠度随外加压力的变化曲线．从 图中可以看出，随着边长的增大，传感器的灵敏度增 加．但同时膜内的应力会相应增加，当应力超出膜的 弹性范围时，传感器的可靠性下降．此外，零压电容 值（即初始固有电容值）在增大（如图５所示），则在
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ ＭＥＭＳ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｍ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｓｔ ＣＭＯＳ ＭＥＭＳ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｐａｒｔ ｉｓ ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｗｉｔｈ ａ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ／ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｔｏｐ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ １ａｙｅｒｓ ａｒｅ ｐｏｌｙ－ｇａｔｅ ａｎｄ ｎ－ｗｅｌｌ Ｓｉ ｉｎ ｔｈｅ ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｌａｙｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｇａｔｅ Ｓｉ０２．Ａｆｔｅｒ ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｔｃｈｉｎｇ ｂｕｌｋ ｓｉｌｉｃｏｎ，ＰＮ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｓｅｌｆ ｅｔｃｈ—ｓｔｏｐ，ａｎｄ ａｎｏｄｉｃ ｂｏｎｄ— ｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎ— ｓｏｒ，ｔｈｉｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｌａｒｇｅｒ ｉｎｉｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｗｈｉｃｈ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃａ ｃｉｒ— ｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．Ａ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｓｅ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ａｌｓｏ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ．Ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｃｈａｎｇｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅ— ｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ８００肛ｍ×８００ ｐｍ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ，ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ４６ ｆＦ／ｈＰａ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｉｓ １ １０４ ｐＦ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｅ— ｓｉｇｎｅｄ ｔＯ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＭＯＳ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
感器和传感器接口电路实现系统集成成为可能．将 传感器结构和ＩＣ集成在同一芯片上已经成为智能
微型传感器设计和加工的一个显著趋势，实现传感
器微系统集成的优点在于传感器小型化、系统性能
提高以及依赖ＩＣ的标准加工能力，实现传感器大批
量低成本的加工．目前将压力传感器结构与ＩＣ加工
集成的方法主要有两种，一种是采用表面微机械加 工，利用牺牲层释放和材料淀积密封来得到压力传
力传感器、静电力平衡压力传感器等类型．其中又以 弯曲，其厚度、面积发生变化（见图２），根据本实验
电容式压力传感器发展最为迅速，它具有高灵敏度、 室的研究和实验结果显示介质的介电常数也会发生
结构坚固、温度漂移小、加工工艺较简单等特点［１。３］．
改变‘５｜，这三种因素导致敏感电容的变化．
同时，微电子技术与微加工技术的发展，使得传
黄庆安（１９６３一），男，教授、博士生导师、长江学者（通讯联系人），主要从事ＭＥＭＳ传感器研究，ｈｑａ＠ｓｅｎ．ｅｄｕ．ｃｎ； 秦明（１９６７一），男，教授，博士生导师，主要从事硅微机械传感器的研究及应用
１８６４
传感技术学报
２００６生
现了电容式压力传感器、谐振式压力传感器，热型压 空气腔．当有外部压力作用于敏感膜时，多层膜受力
电容检测时，对电容充放电所需的电流增加，导致传 感器功耗增大．因此在选取传感器边长时要综合考 虑灵敏度、可靠性、面积、功耗等多方面因素．本文中 选取敏感膜的有效边长为８００ ｇ．ｍ，零压电容约为
１ １０４ ｐＦ．
置 丑 、ｏ 享 世 嚣 审 岳
图４
图５零压电容值以及电容的相对变化量随膜边长变化的曲线 １．４传感器灵敏度分析
积会直接损坏传感器结构或者破坏传感器结构的材
料性能．
基于加工简单、提高灵敏度等因素的考虑，本文 提出了一种新型的采用ＣＭＯＳ工艺结合ＭＥＭＳ后
（ｂ）在实际平板固体电容中的应用，厚Ｅｌ。ｃ仃ｏｄ。８ 度变化为△ｄ，极板发生弯曲，面积改变
处理工艺加工的电容式绝对压力传感器．传感器的 压力敏感膜由ＣＭＯＳ工艺中的多晶硅、栅氧化层以 及ｎ阱硅组成．在电路加工完成后采用体硅腐蚀、 ＰＮ结自停止腐蚀等工艺来释放传感器结构．文中
ｓ。一Ｋｏ ｚＭｔ．／Ａ＋ｔ比Ｇ￡（薹≯十等芳＋嚣）（３）
１８６６
１ ４００ ｇｉｎ（有效边长０．０２
为８００哪）
５
一，学薹邕＋ｃｚ学薹岛＋ 第５期
刘 娜，黄庆安等：一种新型ＣＭＯＳ电容式绝对压力传感器的设计
１８６５
”和书ｃ。帮秘翱一誉帚赣㈤ 选ａ４［ｎ交ｉ＝１耳Ｅｉｈｉｉ＋Ｃ４·厂·奎ｉ＝１型号掣＋Ｃ５·尸·奎ｉ＝１ ｉＥｉｈｉ］
式中，Ｅｔ、ｈｉ、／１ｉ分别为第ｉ层材料的杨氏模量、 厚度以及泊松比；ａ压力敏感膜的边长．口Ｔ为多层膜 等效热膨胀系数．式中的参数：Ｃ１反应了热应力对 膜中心最大挠度妣的影响，Ｃ２表示大形变情况下， 压力与中心挠度锄的线性函数关系，Ｃ。、Ｃ４、ｃ５为 非线性系数．厂是与材料参数相关的系数． １．２有限元模拟
硅压力传感器已发展了四十多年，应用于从航 空航天到家居生活各个领域．最早出现并开始商业 化的是压阻式压力传感器，它是传感器发展和
ＭＥＭＳ技术发展的一个里程碑．具有结构简单、易 于与ＣＭＯＳ集成，处理电路简单等优点，但是受温 度影响很大．在硅压阻式压力传感器之后，又相继出
收稿日期：２００６—０７—０１ 基金项目：国家自然科学基金重点项目资助课题（９０６０７００２） 作者简介：刘娜（１９８２一），女，硕士研究生，研究方向为ＣＭＯＳ－ＭＥＭＳ，ｌｉｔｔｌｅａｐｐｌｅ＿ａｎｎｉｅ＠１６３．ｃｏｍ；
模型分析了传感器的灵敏度．对于边长为８００／ｚｍ的敏感方膜，初始电容值为１ １０４ ｐＦ，传感器灵敏度为４６ ｆＦ／１１Ｐａ．同时，本文
给出了传感器的电容检测电路的设计．
关键词：ＣＭＯＳ电容式绝对压力传感器；灵敏度；电容检测电路
中图分类号：ＴＰ２１２．１２
文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—１６９９（２００６）０５一１８６３一０５
“（ｚ，ｙ）一甜ｏ．ｓｉｎ ｎ＿＿ｆｉｘ．（１＋ｃＯｓ ｎｙ）
ａ
以
口（ｚ，ｙ）一甜ｏ．ｓｉｎ ｎｙ．（１＋ＣＯＳ ｎｘ）
口
ａ
Ｗ（Ｘ，ｙ）一等．（１＋ｃｏｓ警）·１１＋ｃｏｓ ｎｎｙ）（１）
式中，“ｏ为膜内位移的最大值，Ｗ０为膜外位移
１传感器结构
．
电容式压力传感器的压力敏感膜由标准
的最大值（中心挠度值）． 周闵新等人借助虚功原理，使用能量法建立了
本文中传感器的灵敏度由三部分提供，根据电 容表达式Ｃ一阱－Ｄ－可知，电容极板面积改变，极板间 距改变以及介电常数改变，都会引起敏感电容的改 变．本实验室的实验结果显示，引起电容变化的主要 因素为介电常数的改变［５］，介电常数的变化是由介 质层厚度改变以及介质层内存在应变梯度导致的． 则根据周闵新等人研究的弹性电介质材料的电致伸 缩增强效应以及弹电效应，可以得到由介电常数改 变决定的传感器灵敏度：
ＥＥＡＣＣ：２５７５Ｄ；２５７０Ｄ
一种新型ＣＭＯＳ电容式绝对压力传感器的设计
刘 娜，黄庆安。，秦 明
（东南大学ＭＥＭＳ教育部重点实验室，南京２１００９６）
摘 要：提出了一种新型的采用标准ＣＭＯＳ工艺结合ＭＥＭＳ后处理工艺加工的电容式绝对压力传感器．传感器结构部分是
由导体／介质层／导体组成的可变电容器．电容的上下极板分别为ＣＭＯＳ工艺中的多晶硅栅和ｎ阱硅，中间介质层为栅氧化
层．在ＣＭＯＳ工艺加工完之后，利用选择性的体硅腐蚀、ｐｎ结自停止腐蚀以及阳极键合等ＭＥＭＳ后处理工艺来得到传感器
结构．与传统的电容式压力传感器相比，这种结构具有更大的初始固有电容，这样可以抑制寄生电容的影响，从而简化检测电
路的设计．文中，应用多层膜理论模型分析了传感器的结构，并利用ＡＮＳＹＳ有限元分析对模型进行了验证，并利用电容变化
化时，对敏感膜进行分析和计算．并将有限元分析结 果与模型计算进行了对比．如图３所示，误差在５％ 以内，可见所选模型适用于本文中的结构．
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图３多层膜ｐｏｌｙ／Ｓｉ０２／ｎ－ｗｅｌｌ Ｓｉ的有限元分析与模型的比较 压力变化范围为１００～１ １００ ｈＰａ，膜中心最大变形为３．２ ～９．０￡￡ｍ １．３传感器优化设计
第１９卷第５期 ２００６年１０月
传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣｒＵＡＴＯＲＳ
Ｖ０１．１９ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２００６
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａ Ｎｏｖｅｌ ＣＭ
Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ
ＬｊＵＮａ，ＨＵＡＮＧＱｉｎｇ一口咒。，ＱＩＮＭｉｎｇ
多层膜机械模型［４］．现将这一模型应用到本文的传
ＣＭＯＳ工艺中的多晶硅层、栅氧化层以及ｎ阱硅多 感器结构，来计算敏感膜在外加压力下的形变．将加
层膜组成，如图１所示．多晶硅层和ｎ阱硅作为电容
工单位提供的材料参数和尺寸参数（见表１）带入压
的上下极板．中间用氧化层来代替传统的真空腔或
力～挠度关系式（式２）
图１ 电容式压力传感器的剖面图
感器［２］，这种方法打断ＣＭＯＳ工艺，没有实现真正
意义上的集成；另一种是基于溶硅工艺的集成压力
传感器［３］，先在硅片上腐蚀出一些深度不一的坑，分
别定义出电路和传感器部分；然后进行电路加工；最 后通过后处理工艺释放传感器结构．它的缺点是工
ｆａ）三维坐标显示
艺复杂，后续电路工艺中的高温条件以及材料的淀