4集成化电容式压力传感器

二.设计与制造工艺 2.1敏感单元 敏感单元的顶视、剖面图如图一所示：敏感单元的顶视、剖面图
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2.2接口电路 图二显示的是整个传感器的结构示意。其中用可变电容替代了敏感单元，处理电 路部分包括四个部分：C/I转换、I/V转换、I/F转换及三相时钟产生电路
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图三-a：C/I转换电路示意图 C/I转换原理如图三-a所示，电路由一个三相互不覆盖时钟控制，在时钟Ф 1 时 .Cx和C0被分别充电到Vg和V0，并有VgCx>V0C0。Cx为敏感单元电容，C0 为 参考电容。V0C0可以用来调整输出偏置。而Vg用于调节C/I电路增益。
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Technology
图五：传感器版图原型
图六(a):传感器的输出频率-压力曲线
图六(b):传感器的输出直流电压-压力曲线
图七：模拟（实线）的和实测（点）的C-P曲线
图八：归一化的零偏输出温度曲线
图九：传感器的噪声分布
• 4 .结论
• 这种集成的表面微机械电容式传感器能 与标准 CMOS 工艺兼容，在 8-60Psi 范围 内有良好线性，输出为 5.0-25.0Hz/Psi, 和 10-50mv/Psi ，有好的温度特性，功耗小 于5mW。 是一种经济的、高性能的、能 批量生产的传感器。
集成传感器介绍之二 – 一种单片集成表面微机械的接触式电容压力
Байду номын сангаас
传感器
– A monolithically integrated surface micromachined touch mode capacitive pressure sensor
• 电容式压力传感器因其具有高的灵敏度，低温度漂移， 坚固的结构以及对环境地影响不敏感的特点。已经在 工业领域应用广泛。但是，由于其输出电容通常很小， 很容易被外部的寄生参数影响，因此需要一个好的精 心设计的外部读出电路，并且将其放在与敏感单元尽 可能近的地方。所以将他们单片集成是必要的，并必 能明显改善其性能。表面微机械加工技术的发展，使 我们能在不需要很大代价的情况下将敏感单元和外部 处理电路集成在单一硅片上成为了可能。
• 2.3版图设计 整个传感器版图用 L-EDIT 设计，设计规则是 Orbit 2.0um标准CMOS设计规则,另加上一些用于敏感单元的 特殊的设计规则。版图设计完成后，进行了 ERC ， DRC，网表提取，以及LVS，保证了版图设计正确。 • 传感器由 MOSIS 服务实现，通过设计不同的电路 单元及相应实验证明，即使额外的表面微机械加工工 艺的高温对阈值电压、薄层电阻等工艺参数影响很小， 所以他们对CMOS处理电路性能影响可以忽略。
Q=VgCx-(Vo-vt)Co I1=f((Vg-VT)Cx-(V0Vt)C0)
Fout=[f((Vg-VT)Cx-(V0-VT)C0)]/(2VcCst) 其中Vc=VH-VL; ⊿Fout=(f(Vg-VT)⊿Cx)/(2VcCst)
在时钟 Ф 2时，C0通过M1放电，同样Cx通过M2放出同样的电荷，则Cx 在Ф 2后，留下的电荷是Q=VgCx-(V0-VT)C0。其中VT为M1，M2的阈值电 压。在时钟Ф 3控制下，Cx上的残余电荷通过M3放电。如果在连续周期 的时钟控制下，M4通过镜相M3的电流，则它的平均电流为 I1=f((Vg-VT)Cx-(V0-Vt)C0) 因此I1∝Cx。 I/F转换原理如图三-b所示，它是由一个Schmitt触发器和一套充放电路 构成.Schmitt触发器由两个触发电平VH,VL，当 Cst上的电压小于VL时， Schmitt触发器输出为低电平，Fout为高电平，S6闭合，S7打开，与I1镜 相的通过Mf2的电流给Cst充电直到VH，然后Schmitt触发器翻转输出高电 平，Fout为低电平，S6打开,S7闭合。Cst通过Mf3放电，放电电流也与I1 镜相，直到Cst上的电压为VL ,这时Schmitt触发器翻转，对Cst进行 新的一轮充电、、、、、、。整个电路将进行周期翻转，通过推导Fout 输出频率为 Fout=[f((Vg-VT)Cx-(V0-VT)C0)]/(2VcCst) 其中Vc=VH-VL; ⊿Fout=(f(Vg-VT)⊿Cx)/(2VcCst) I/V转换电路即直流电压输出电路可以由I1通过一个电阻网络后滤波得 到。整个电路用PSPICE模拟并优化，同时还产生用于LVS的SPICE网表。