[發(fā)明專利]一種靈敏大信號(hào)輸出微型壓力傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710099061.8
• 申請日: 2007-05-10
• 公開（公告）號(hào): CN101303240A
• 公開（公告）日: 2008-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜巖峰
• 申請（專利權(quán)）人: 北方工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D5/24
• 分類號(hào): G01D5/24;G01L1/14
• 代理公司: 北京凱特來知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 趙鎮(zhèn)勇

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)越來越微弱，已 經(jīng)達(dá)了納米級，這些信號(hào)容易被噪聲淹沒且不易檢測。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，量子效應(yīng)將變得更加 顯著，尺寸小于10nm就會(huì)出現(xiàn)一些如庫侖阻塞等新的特點(diǎn)；另一方面處理電 路也越來越復(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 過適當(dāng)電路進(jìn)行檢測并轉(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)處理專用電路。這樣對系統(tǒng)來說，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 研究的核心問題，就是通過對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；三是可以對放大信號(hào)進(jìn)行處理。

目前較為先進(jìn)的是CAP-FET(電容-場效應(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 過浮柵來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的曲線圖所示，所以對輸出信 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)沒有廣泛使用的原因；另外，從CAP-FET的結(jié)構(gòu)方面來講， 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的柵長度過大，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的尺寸方面來講，它的尺寸已經(jīng)達(dá)到深亞微米級和 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，就需要開發(fā)使用高介電常數(shù)的材料， 提高了傳感器的開發(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)。