集成MOS力敏运放压力传感器
2018-03-22 20:39:15
实现敏感元件与信号处理电路一体化（即单片集成）直至智能化是传感器的一个主要发展方向。当前，集成传感器的发展己显示出这样一种趋势，即将敏感元件作为处理电路的一部分，使敏感元件既起着探测信号的作用，作为处理电路中的元件又起着相应的电路功能的作用。这种趋势使敏感元件与处理电路的联系越来越紧密，给集成传感器的设计带来了极大的灵活性，有可能使电路大为简化。为了提高压力响应灵敏度和简化处理电路，本文提出了一种新型集成压力传感器一一集成MOS力敏运放压力传感器，论述了它的工作原理并给出了初步。
为该传感器的差分输入对管。其中M1和M2是完全对称（匹配）的，但两者沟道方向相互垂当在硅膜片上的压力为零时，M0S管沟道迁移率相等，即：则：当在硅膜片上施加一定压力时，由于这对PMOS管的沟道方向相互垂直，它们分别受到横向和纵向应力的作用，沟道迁移率将同时发生向相反岳瑞峰男，1965年出生，副研宄员，主要从事微电子机械系统技术。微型传感器以及表面与界面物理研宄。
2001中国电子学会方向的变化（即一个加，一个减少）：（5）3电路设计和模拟结果其中A―iA>0，由此给出输出电流差值A/d为：从上式可以看出，Ai+A2的作用与普通差分对管的输入差值电压VlD的作用相同，可视为PMOS力敏的输入信号。如果在M1和M2的漏级分别接上不受应力影响的MOS管有源负载后，即构成力敏差分放大器。它将电流输出转换成电压输出，从而实现电压放大，这样通过测量输出电压，就可求出压力值。
MOS差分放大器一般存在电压益低，输出阻抗大，驱动负载能力弱，不能实现零输入时零输出等缺点，因此不能满足实用要求。如果使其成为运算放大器的输入级，则上述问题就迎刃而解了。
我们的设计思想是，除一对PMOS力敏输入管外，运算放大器中其它元件全部集中设置在厚体硅上的低应力区，这些元件可以是NMOSPMOS和（或）双极型晶体管。整个运放采用开环或闭环工作模式，放大倍数可为几十至几千倍，采用MOS或BiMOS工艺实现力敏元件和放大电路的单片集成。
考虑到实际需要和力敏运算放大器主要是开环工作，对设计的运放放大倍数要求并不高，几十至一千倍左右即可。为了便于制造，我们采用的是一种普通E/EPMOS运放电路，它由26个MOS管和一个反馈电容组成，如所示。经过Pspice软件模拟，设计制作的运算放大器的开环益为6Q8dB，静态功耗为4.91mW.在假设PMOS输入差分对管的沟道迁移率分别大和减小64的条件下，用Pspice软件对运算放大器进行了模拟，结果表明输出电压4压力传感器的结构和制作工艺设计的压力传感器采用c型硅杯结构，芯片尺寸为5mmX 5mm，膜片尺寸为2mm 2mmX20m.根据有限元法分析硅杯结构的应力分布，将PMOS差分输入管集中设置在N型（100）Si膜片上的最大应力区，并使它们的沟道方向分别沿和011方向；运放中其它元件全部集中设置在距离膜片200m以外的厚体硅区，该处的应力己可以忽略不计，如所示。另外，在同一膜片上的最大应力区还制作了四个阻值均为2幻的注入电阻，它们组成惠斯登压阻电桥。在制作过程中，先采用尹m硅栅等平面PMOS工艺在芯片正面制作出电路，对其进行保护处理后，用KOH溶液腐蚀芯片背面形成硅杯结构。考虑到实际运算放大器必然存在失调电压，可以采5实验结果用在输入端调零的方法很容易解决这个问题。
给出了力敏运算放大器压力响应的测试结果。作为比较，给出了惠斯登压阻电桥的压力响1994-2015ChinaAcademicournalElectronic应测试结果。由此可见，我们提出的集成MOS力敏运放压力传感器不仅具有很高的压力响应灵敏度，而且具有良好的线性度。
惠斯登电桥的压力响应6结论本文提出的集成MOS力敏运放压力传感器具有下列优点：（1）结构简单，原理明确，实现了力敏元件与信号处理电路的单片集成，具有很高的压力响应灵敏度和良好的线性度。（2）能大大简化调零步骤，明显降低系统温漂和功耗，成本低廉，适于批量生产。目前的集成压力传感器主要是由力敏元件和放大处理电路组成，后者本身通常就包含几个运放，只有对所有力敏元件和运放调零后才能使压力传感器正常工作。不仅力敏元件有零点漂移、温漂，运放也同样有零点漂移、温漂，这无疑会使零点漂移和温漂问题变得复杂化。如果采用力敏运放，在其输入端只需调零一次即可，操作非常灵活方便。由于它包含的元件数最少且无电阻制作工艺，因此能明显提高成品率和降低生产成本，实现低功耗。
为该传感器的差分输入对管。其中M1和M2是完全对称（匹配）的，但两者沟道方向相互垂当在硅膜片上的压力为零时，M0S管沟道迁移率相等，即：则：当在硅膜片上施加一定压力时，由于这对PMOS管的沟道方向相互垂直，它们分别受到横向和纵向应力的作用，沟道迁移率将同时发生向相反岳瑞峰男，1965年出生，副研宄员，主要从事微电子机械系统技术。微型传感器以及表面与界面物理研宄。
2001中国电子学会方向的变化（即一个加，一个减少）：（5）3电路设计和模拟结果其中A―iA>0，由此给出输出电流差值A/d为：从上式可以看出，Ai+A2的作用与普通差分对管的输入差值电压VlD的作用相同，可视为PMOS力敏的输入信号。如果在M1和M2的漏级分别接上不受应力影响的MOS管有源负载后，即构成力敏差分放大器。它将电流输出转换成电压输出，从而实现电压放大，这样通过测量输出电压，就可求出压力值。
MOS差分放大器一般存在电压益低，输出阻抗大，驱动负载能力弱，不能实现零输入时零输出等缺点，因此不能满足实用要求。如果使其成为运算放大器的输入级，则上述问题就迎刃而解了。
我们的设计思想是，除一对PMOS力敏输入管外，运算放大器中其它元件全部集中设置在厚体硅上的低应力区，这些元件可以是NMOSPMOS和（或）双极型晶体管。整个运放采用开环或闭环工作模式，放大倍数可为几十至几千倍，采用MOS或BiMOS工艺实现力敏元件和放大电路的单片集成。
考虑到实际需要和力敏运算放大器主要是开环工作，对设计的运放放大倍数要求并不高，几十至一千倍左右即可。为了便于制造，我们采用的是一种普通E/EPMOS运放电路，它由26个MOS管和一个反馈电容组成，如所示。经过Pspice软件模拟，设计制作的运算放大器的开环益为6Q8dB，静态功耗为4.91mW.在假设PMOS输入差分对管的沟道迁移率分别大和减小64的条件下，用Pspice软件对运算放大器进行了模拟，结果表明输出电压4压力传感器的结构和制作工艺设计的压力传感器采用c型硅杯结构，芯片尺寸为5mmX 5mm，膜片尺寸为2mm 2mmX20m.根据有限元法分析硅杯结构的应力分布，将PMOS差分输入管集中设置在N型（100）Si膜片上的最大应力区，并使它们的沟道方向分别沿和011方向；运放中其它元件全部集中设置在距离膜片200m以外的厚体硅区，该处的应力己可以忽略不计，如所示。另外，在同一膜片上的最大应力区还制作了四个阻值均为2幻的注入电阻，它们组成惠斯登压阻电桥。在制作过程中，先采用尹m硅栅等平面PMOS工艺在芯片正面制作出电路，对其进行保护处理后，用KOH溶液腐蚀芯片背面形成硅杯结构。考虑到实际运算放大器必然存在失调电压，可以采5实验结果用在输入端调零的方法很容易解决这个问题。
给出了力敏运算放大器压力响应的测试结果。作为比较，给出了惠斯登压阻电桥的压力响1994-2015ChinaAcademicournalElectronic应测试结果。由此可见，我们提出的集成MOS力敏运放压力传感器不仅具有很高的压力响应灵敏度，而且具有良好的线性度。
惠斯登电桥的压力响应6结论本文提出的集成MOS力敏运放压力传感器具有下列优点：（1）结构简单，原理明确，实现了力敏元件与信号处理电路的单片集成，具有很高的压力响应灵敏度和良好的线性度。（2）能大大简化调零步骤，明显降低系统温漂和功耗，成本低廉，适于批量生产。目前的集成压力传感器主要是由力敏元件和放大处理电路组成，后者本身通常就包含几个运放，只有对所有力敏元件和运放调零后才能使压力传感器正常工作。不仅力敏元件有零点漂移、温漂，运放也同样有零点漂移、温漂，这无疑会使零点漂移和温漂问题变得复杂化。如果采用力敏运放，在其输入端只需调零一次即可，操作非常灵活方便。由于它包含的元件数最少且无电阻制作工艺，因此能明显提高成品率和降低生产成本，实现低功耗。