CN1156005C - 集成mos力敏运放压力传感器用的力敏运算放大器器件 - Google Patents

Abstract

一种集成MOS力敏运放压力传感器用的力敏运算放大器器件，其特征在于它含有：凹形硅杯，做在N型(100)硅膜片上由完全对称但沟道相互垂直的一对运算放大器构0成以取代力敏运放电路输入端一对运算放大器的PMOS差分输入对管(M1，M2)，做在厚体硅上和上述(M1，M2)管相连的上述力敏运放电路的其余部分。它具有结构简单，压力响应灵敏度高，线性度好，只需一次调零，输入端调零方便，系统温漂和功耗低，元件数量少，无电阻制作工艺，成品率高和生产成本低的优点。

Description

集成MOS力敏运放压力传感器用的力敏运算放大器器件

技术领域

一种集成MOS力敏运放压力传感器用的力敏运算放大器器件属于力敏运算放大器器件制造领域。

背景技术

制造一般的单晶硅压阻式压力传感器是在(100)晶面选择合适晶向采用扩散或离子注入法形成四个阻值相等的力敏电阻条，将它们连接成一个惠斯登电桥；在背面加工成凹形并形成弹性膜片，俗称硅杯。在理想情况下，当没有外加压力作用到硅膜片上时，电桥处于平衡状态，输出电压为零。当有外加压力时，电桥失去平衡而产生与压力有关的输出电压，从而得出压力值。实际上由于制版、光刻、扩散或注入等过程造成了偏差。在通常情况下，不同晶片中的力敏电阻阻值偏离标称值高达10-25％。即使在同一晶片上，对于10μm宽的电阻，变化量在1-3％之间。另外，电桥还存在着零点失调和零点温度漂移问题。常用的补偿技术包括薄膜电阻网络的激光修正，外接电阻、二极管补偿法以及各种材料特性的巧妙结合等。但它们都因传感器而异，又需涉及多道制作工艺，无疑会增加传感器的制造周期和成本。更需指出的是：半导体压力传感器惠斯登电桥的差模输出电压一般为几十mV，利用表面微机械加工制作的微压传感器的输出电压只有几十-几百μv。因而，目前的集成压力传感器主要由力敏元件(惠斯登电桥)和多个运算放大器组成，功耗大，不仅力敏元件有零点漂移、温漂问题，运算放大器也同样有这些问题，因而都必须调零，从而使零点漂移和温漂问题复杂化。目前传感器的一个主要发展方向是使敏感元件与信号处理电路一体化即单片集成，甚至智能化。即把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，又起着相应的电路功能。有一种是把单片集成电路中的敏感元件取出来直接放在受力物体上以测量力的加速度的。如《传感器和执行器件》(Sensors and Actuators A65(1998)61-68)中名为＂利用MOSFET压阻效应的力敏差分放大器及其在三轴加速度计上的应用＂(Stress-sensitivedifferential amplifies using piezoresistive effects of MOSFETs and their applicationto three-axial accelerometers)一文中提出：可以把作为力敏元件的两个力敏CMOS差分放大器中的4个PMOS管放在加速度梁上的四角，中间加一个承重块，再在上述力敏CMOS差分放大器后连接加速度测量电路便可用于测量加速度。其中作为力敏元件的力敏CMOS差分放大器从整体上看实质上并未集成为一个器件同时起到传感和放大作用，而且作为传感器还需加一个与其力敏元件分立的放大测量电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一个集成MOS力敏运放压力传感器用的可以把力敏传感元件和运算放大器集成于一块衬底上的力敏运算放大器器件。

本发明的特征在于它含有：上端面的做有SiO₂层的衬底，开在衬底底面上且带弹性膜片的凹形硅杯，做在该硅片对侧面应力集中N型(100)硅膜片上由完全对称但沟道相互垂直的用以取代力敏运算放大器电路输入端一对差分对管的PMOS力敏差分输入对管(M1，M2)，做在厚体硅低应力区分别和上述M1、M2管的漏极相连但同时和其源极相连的取走上述输入端一对差分对管后的力敏运算放大器电路的其余部分。所述的硅杯是C型结构的。所述的力敏运算放大器电路可以是用NMOS、PMOS和/或双极晶体管组成的。所述的差分输入对管(M1，M2)的沟道方向分别是沿[011]和[0 11]方向的。

实验证明：它达到了预期目的。

附图说明：

图1：PMOS力敏差分对管电路原理图。

图2：力敏运放器件俯视示意图。

图3：图2的A-A’剖面图。

图4：力敏运算放大器器件的电路原理示意图。

图5：E/EPMOS运算放大器电路图。

图6：力敏运算放大器器件的结构示意图。

图7：力敏运算放大器器件的制作工艺流程图。

图8：作成的集成MOS力敏运放压力传感器的压力响应图。

具体实施方式：

请见图1。差分输入对管M1和M2是完全对称的，两者的沟道方向相互垂直，其栅极间短路并接地，

则栅压V_G1＝V_G2＝V_G＝0

漏电流I₀＝I_D1+I_D2

当在硅膜片上压力为零时MOS管沟道迁移率相等即μ₁＝μ₂＝μ则 $I_{D1}=I_{D2}=\frac{\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{OX}}W}{2L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_T)}^2$

其中，C_ox为单位面积栅氧化层电容，W为沟道宽度，V_T为开启电压，L为沟道长度。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方向的变化，

即μ₁＝μ+Δμ₁，μ₂＝μ-Δμ₂，Δμ₁＞0，Δμ₂＞0，因而 ${\mathrm{\ΔI}}_D=I_{D1}-I_{D2}=\frac{({\mathrm{\Δ\μ}}_1+{\mathrm{\Δ\μ}}_2)}{2\mathrm{\μ}}{I}_0.$

因此，Δμ₁+Δμ₂的作用与普通差分对管的输入差值电压V_ID的作用相同，可视为PMOS力敏差分对管的输入信号。如果在M1管和M2管的漏极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。它将电流输出转换为电压输出，从而通过测定输出电压就可求出压力值。但MOS差分放大器一般存在电压增益低，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，只能作集成MOS力敏运放压力传感器的输入级用。

再见图2-图6。图2是把一对PMOS力敏差分输入管放在硅膜片上的高应力区，把运算放大器电路中的其他元件放在厚体硅上的低应力区的示意图，从而构成力敏运放器件。其中，1是运算放大器电路，2是运算放大器电路中不含输入差分对管后的其余元件，这些元件可以是NMOS，PMOS和/或双极晶体管。图3是图2的A-A’剖示图，3是铝制金属连线。其具体的电路连接方式见图4，整个运放采用开环或闭环模式，放大倍数为几十～几千倍。为了便于制造，我们采用的是图5所示的一种普通E/E PMOS运放电路，它由26个MOS管和一个反馈电容组成。经Pspice软件模拟，设计制作的运算放大器的开环增益为60.8db，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增大和减少6％的条件下，用Pspice软件对力敏运算放大器器件进行模拟，结果表明输出电压为2.14V。

在图6中，硅杯4采用C型硅杯结构，芯片尺寸为5mm×5mm，膜片尺寸为2mm×2mm×20μm。把PMOS力敏差分输入对管M1、M2集中设置在N型(100)硅膜片上的最大应力区，并使它们的沟道方向分别沿[011]和[0 11]方向；运放电路的其他元件全部集中设置在离膜片200μm以外的厚体硅区，其应力可忽略不计。压焊块5是力敏运放器件的输入端，在此接调零电路，6是衬底。在制作时用MOS或BiMOS工艺实现力敏元件和放大电路的单片集成，即先采用5μm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4。

图7是其制作工艺流程图。图7a表示在N型(100)硅片上制作力敏运算放大器器件，要将PMOS差分输入管M1和M2的沟道方向分别沿硅片的[011]和[0 11]方向。图7b是在双面淀积抗腐蚀层7。图7c是在背面光刻并刻蚀出腐蚀窗口。图7d是在背面用KOH溶液腐蚀出硅杯4。图7e是双面去除抗腐蚀层7。从而制成力敏运放器件。

在力敏运算放大器器件中力敏差分对管M1、M2的栅极间，即力敏运算放大器器件的输入端，如图6所示，在压焊块5处接入调零电路即构成MOS力敏运放压力传感器，其压力响应化。调零电路在本实施例中用电压V_调零代替。由此可见，本发明提出的力敏运算放大器器件做成的集成MOS力敏运放压力传感器有以下优点：用简单结构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；在其输入端只需调零一次即可，操作灵活方便；它可明显降低系统温漂和功耗，成本低廉，适于批量生产；它包含的元件数量最少且无电阻制作工艺，可明显提高成品率并降低生产成本。

Claims (4)

1、一种集成MOS力敏运放压力传感器用的力敏运算放大器器件，含有力敏运算放大器电路和带硅杯的衬底，其特征在于它含有：上端面做有SiO₂层的衬底，开在衬底底面上且带弹性膜片的凹形硅杯，做在该硅杯对侧面应力集中的N型(100)硅膜片上由完全对称但沟道相互垂直的用以取代力敏运算放大器电路输入端一对差分对管的PMOS力敏差分输入对管(M1，M2)，做在厚体硅低应力区分别和上述力敏差分输入对管的漏极相连但同时和其源极相连的取走上述输入端一对差分对管后的力敏运算放大器电路的其余部分。

2、根据权利要求1所述的集成MOS力敏运放压力传感器用的力敏运算放大器器件，其特征在于：所述的硅杯是C型结构的。

3、根据权利要求1所述的集成MOS力敏运放压力传感器用的力敏运算放大器器件，其特征在于：所述的力敏运算放大器电路可以是用NMOS、PMOS和/或双极晶体管组成的。

4、根据权利要求1所述的集成MOS力敏运放压力传感器用的力敏运算放大器器件，其特征在于：所述的差分输入对管(M1，M2)的沟道方向分别是沿[011]和[0 11]方向的。

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