[發(fā)明專(zhuān)利]一種靈敏大信號(hào)輸出微型壓力傳感器有效
| 申請(qǐng)?zhí)枺?/td> | 200710099061.8 | 申請(qǐng)日: | 2007-05-10 |
| 公開(kāi)(公告)號(hào): | CN101303240A | 公開(kāi)(公告)日: | 2008-11-12 |
| 發(fā)明(設(shè)計(jì))人: | 姜巖峰 | 申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人: | 北方工業(yè)大學(xué) |
| 主分類(lèi)號(hào): | G01D5/24 | 分類(lèi)號(hào): | G01D5/24;G01L1/14 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關(guān)鍵詞: | 一種 靈敏 信號(hào) 輸出 微型 壓力傳感器 | ||
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域,尤其涉及一種靈敏大信號(hào)輸出微型壓力傳感器。
背景技術(shù)
隨著科技的發(fā)展,在傳感器領(lǐng)域中,需要采集處理的信號(hào)越來(lái)越微弱,已 經(jīng)達(dá)了納米級(jí),這些信號(hào)容易被噪聲淹沒(méi)且不易檢測(cè)。同時(shí)傳感器的尺寸也隨 之不斷減小,目前微弱信號(hào)傳感器的尺寸已突破100nm向40nm尺寸進(jìn)軍,如 果繼續(xù)減小,傳感器的尺寸將接近電子的德布羅意波長(zhǎng),量子效應(yīng)將變得更加 顯著,尺寸小于10nm就會(huì)出現(xiàn)一些如庫(kù)侖阻塞等新的特點(diǎn);另一方面處理電 路也越來(lái)越復(fù)雜,一般傳感器輸出信號(hào)為電容信號(hào)、溫度信號(hào)或化學(xué)量等非電 學(xué)信號(hào),在對(duì)這些微弱信號(hào)處理時(shí),要保證一定的精度和分辨率,一般信號(hào)處 理電路包括信號(hào)采集部分、信號(hào)放大部分、校準(zhǔn)部分和信號(hào)轉(zhuǎn)換部分等,而傳 感器和后端處理電路之間的接口部分一直是阻礙傳感器系統(tǒng)實(shí)用化發(fā)展的“瓶 頸”。
現(xiàn)在主要采用的方法是利用微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS技術(shù)把傳感器加工成 微型懸臂梁、微型橋結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在微型橋和襯底間形成一個(gè)電 容,當(dāng)負(fù)載沿垂直方向作用時(shí),極板間距減小,電容量增加,其變化就可以通 過(guò)適當(dāng)電路進(jìn)行檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。這種傳感器可以較為準(zhǔn)確的測(cè)量 微弱信號(hào),但后繼電路設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜,而且后端讀出電路難以標(biāo)準(zhǔn)化,這是因 為各種傳感器輸出的信號(hào)截然不同,對(duì)后端讀出電路不可能統(tǒng)一,這樣每一種 傳感器都需要一套信號(hào)處理專(zhuān)用電路。這樣對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),既需要傳感器的設(shè)計(jì) 又需要后繼電路的設(shè)計(jì),同時(shí)由于微型傳感器的集成度高,輸出信號(hào)非常小, 容易受到系統(tǒng)中寄生電容、分布電容等的影響。所以,目前在微型傳感器領(lǐng)域 研究的核心問(wèn)題,就是通過(guò)對(duì)微米及納米尺度范圍內(nèi)傳感信號(hào)處理結(jié)構(gòu)的改 進(jìn),使其具有以下幾方面的功能:一是直接把傳感信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào);二是完 成信號(hào)的放大;三是可以對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行處理。
目前較為先進(jìn)的是CAP-FET(電容-場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的新型MEMS傳感 器結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,其設(shè)計(jì)方法是將傳感器電容設(shè)計(jì)到MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)器件柵極的電介質(zhì)中,使MOSFET器件柵 極作為傳感器電容的上極板,這樣當(dāng)上極板移動(dòng)時(shí),MOSFET器件柵極的電介 質(zhì)電容就會(huì)改變,從而使得MOSFET器件源-漏極間的輸出電流直接改變,創(chuàng) 建出了電容-電流傳感器。圖2中傳感器上極板是密封真空諧振腔上的多晶硅 薄膜,這種結(jié)構(gòu)可以作為壓力傳感器來(lái)使用。
采用這樣的結(jié)構(gòu)可以把MOSFET器件浮柵的機(jī)械位移直接轉(zhuǎn)化為電流,通 過(guò)浮柵來(lái)控制傳感器的電流輸出,并在制造傳感器時(shí)可以與CMOS制造工藝兼 容,使用一種工藝模塊。
這種CAP-FET結(jié)構(gòu)的傳感器,主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接把傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為 電信號(hào)輸出,但是輸出的信號(hào)非常微弱,如圖3的曲線(xiàn)圖所示,所以對(duì)輸出信 號(hào)必須加上復(fù)雜的處理電路,而一般放大電路仍然是以晶體管為核心構(gòu)成的, 另外還需加上各種外圍電路,這樣依然會(huì)使電路結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜,不能突出顯 現(xiàn)CAP-FET結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性,甚至?xí)馆敵鼋Y(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差,這也正是 CAP-FET結(jié)構(gòu)沒(méi)有廣泛使用的原因;另外,從CAP-FET的結(jié)構(gòu)方面來(lái)講, 它是直接將傳感器電容部分設(shè)計(jì)到MOSFET器件的柵電介質(zhì)中,把MOSFET 器件的浮柵作為傳感器的上極板,但同時(shí)卻使得MOSFET器件的面積容易受傳 感器電容面積的影響,使MOSFET的柵長(zhǎng)度過(guò)大,導(dǎo)致信號(hào)傳輸困難;另外, 由于柵上電容的影響,使MOSFET器件有很高的閾值電壓,不適合在CMOS電 路中工作;而從CAP-FET的尺寸方面來(lái)講,它的尺寸已經(jīng)達(dá)到深亞微米級(jí)和 納米尺度范圍內(nèi),MOSFET器件的短溝道效應(yīng)非常明顯,這樣為了保持對(duì)短溝 道效應(yīng)的柵控,柵電介質(zhì)的厚度必須減小,就需要開(kāi)發(fā)使用高介電常數(shù)的材料, 提高了傳感器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用成本。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題,本發(fā)明實(shí)施方式提供一種靈敏大信號(hào)輸 出微型壓力傳感器。
本發(fā)明實(shí)施方式所述靈敏大信號(hào)輸出微型壓力傳感器,包括傳感器電容部 分和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET器件,其中所述傳感器電容部分 的導(dǎo)電浮動(dòng)層調(diào)整延伸到MOSFET器件的柵絕緣層,形成MOSFET器件的浮 柵。
所述導(dǎo)電浮動(dòng)層在一個(gè)電介質(zhì)層上形成傳感器電容部分的底板。
所述MOSFET器件的柵絕緣層包括氧化膜或氮氧化介質(zhì)。
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G01D 非專(zhuān)用于特定變量的測(cè)量;不包含在其他單獨(dú)小類(lèi)中的測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)變量的裝置;計(jì)費(fèi)設(shè)備;非專(zhuān)用于特定變量的傳輸或轉(zhuǎn)換裝置;未列入其他類(lèi)目的測(cè)量或測(cè)試
G01D5-00 用于傳遞傳感構(gòu)件的輸出的機(jī)械裝置;將傳感構(gòu)件的輸出變換成不同變量的裝置,其中傳感構(gòu)件的形式和特性不限制變換裝置;非專(zhuān)用于特定變量的變換器
G01D5-02 .采用機(jī)械裝置
G01D5-12 .采用電或磁裝置
G01D5-26 .采用光學(xué)裝置,即應(yīng)用紅外光、可見(jiàn)光或紫外光
G01D5-42 .采用流體裝置
G01D5-48 .采用波或粒子輻射裝置
- 信號(hào)調(diào)制方法、信號(hào)調(diào)制裝置、信號(hào)解調(diào)方法和信號(hào)解調(diào)裝置
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- 信號(hào)調(diào)制方法、信號(hào)調(diào)制裝置、信號(hào)解調(diào)方法和信號(hào)解調(diào)裝置
- 雙耳信號(hào)的信號(hào)生成
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- 信號(hào)處理裝置、信號(hào)處理方法、信號(hào)處理程序
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- 信號(hào)盒(信號(hào)轉(zhuǎn)換)
- 信號(hào)調(diào)制方法、信號(hào)調(diào)制裝置、信號(hào)解調(diào)方法和信號(hào)解調(diào)裝置





