一種電壓輸出型CMOS集成電容濕度傳感器*

曹新亮， 黃寶瑞

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引 言

在片感測系統是傳感器微型化、集成化和智能化發展的必然趨勢。微電容式濕度傳感器因其結構簡單,相對于電阻式感濕器件溫度適應性強、電容測量方式具有干擾小及精度高等特點而為微傳感器技術領域所關注[1]。早在1988年，英國Silverthorne S V[2]第一次嘗試將濕度傳感器與測量電路集成在同一芯片上，濕敏電容器為三明治結構，p+摻雜區作下極板，多孔金屬為上極板，上下極板間的夾層是聚合物，聚合物通過上極板空隙吸收環境水汽分子改變自身介電常數來改變濕敏電容值。但在制造中，這種結夠并非標準的CMOS工藝所能實現，額外的處理工序將大大增加制造成本。

本文基于CMOS兼容的濕度傳感器研究[3]已取得的成果，提出利用CMOS模擬開關實現電荷轉移的微電容測量電路。出于簡化電路結構的考慮，重新設計出一種單片集成濕度傳感器。

1 濕敏電容器的結構與模型

1.1 集成濕敏電容器的CMOS工藝結構

在標準的CMOS工藝下(如圖1)，芯片的左側是P阱CMOS電路、右側為與CMOS工藝兼容的平面梳狀濕度傳感器；濕敏感測處理電路所用的標準固定電容器是以高摻雜p型層為下極板、柵氧化層為介質、多晶硅為上極板制成MOS電容器，控制柵氧化層的厚度可做成比較精確的標準參考電容器。

圖2為叉指濕敏電容器的平面結構圖，2s為叉指寬度、2g為相鄰叉指電極的間距、L為叉指長度。制作時，按此結構布上厚度約0.7 μm的鋁電極叉指線，再在上面涂敷一層厚度約為2.5 μm的聚酰亞胺作為感濕介質。由于環境的相對濕度變化，感濕介質吸附/脫附水汽分子使其介電常數發生變化，從而引起濕敏電容的改變，通過片上電路檢測此濕敏電容，最終獲得所在環境的相對濕度信息。將濕敏電容器與檢測電路集成在同一芯片上將大大降低寄生電容、增強傳感器的抗干擾能力和檢測靈敏度。

1.2 濕敏電容器的模型

濕敏電容器的截面圖及其電力線的分布圖3所示。可見，n根條形鋁電極組成叉指結構中，除去兩端1.5根外，共有(n-3)個相同的電極。

圖1 片上集成濕度傳感器芯片剖面圖

圖2 叉指夾心電容器的平面結構圖

圖3 濕敏電容器的截面圖與電力線分布

圖中，h1,h2,h3分別為硅襯底、二氧化硅及聚酰亞胺的厚度。

濕敏電容器是由邊緣電容器和橫向平行板電器容兩部分組成[4]，即

C=C11+C22.

(1)

而邊緣電容的表達式

C11=(n-3)(C0+C1+C2+C3)L.

(2)

式(2)中各電容計算如下

(3)

(4)

結合式(2)、式(3)、式(4)得到

(5)

其中

(6)

(7)

(8)

式中K(·)為第一類橢圓積分；k,k′為第一類橢圓積分的模數，它們可表示為

(9)

(10)

橫向平行板電容為

(11)

式中ε3為聚酰亞胺介質的介電常數，ε0為真空中的介電常數，ε1為襯底Si的介電常數，ε2為SiO2的介電常數。

ε3與相對濕度x的關系[3]為

(12)

2 微變電容檢測電路的設計與仿真

微變電容的檢測電路[5]是利用方波信號把電容的變化轉換為直流電壓輸出，通過輸出電壓就可以測量27 ℃下環境相對濕度的大小。測量電路原理如圖4所示。

圖4 微變電容測量電路

電路由方波信號發生器、開關電路、門控電路和輸出電阻電容構成。方波信號發生器產生方波信號，作為電路的激勵信號；開關電路由4個CMOS模擬開關K1,K2,K3,K4構成，在由2個非門G1,G2構成的門控電路的控制下，交替導通，從而使測量電容和參考電容在方波正半周期上輪流與2個耦合電容構成交流通路，進行充、放電。模擬開關由CMOS傳輸門和非門構成。CMOS傳輸門由一個NMOS管TN和一個PMOS管TP并聯而成。當TN的控制端為高電平、TP的控制端為低電平時，TN或TP其中之一導通，相當于開關接通；當TN的控制端為低電平、TP的控制端為高電平時，TN和TP同時截至，輸入與輸出之間呈高阻狀態，相當于開關斷開。在激勵信號的正半周期，非門G1輸出低電平而非門G2輸出高電平，此時，模擬開關K1的TP管控制端低電平、TN管的控制端高電平，耦合電容C0與Cr之間的模擬開關K1接通。同時，C0與被測電容CX之間的模擬開關K2斷開；耦合電容C1與CX間的模擬開關K4導通，C1和參考電容Cr之間的模擬開關K3斷開。激勵信號通過耦合電容分別從電路的A點、B點通過模擬開關K1,K4對Cr與CX充電，在耦合電容較大時，出現在A,B點的交流信號的幅值基本上等于激勵信號的幅值。負半周時，CX上的電荷通過開關K2向A點放電、Cr上的電荷通過模擬開關K3向B點放電，這樣，在方波信號一個周期內將一定的電荷量從A點經電容Cr轉移到B點，同時也有一定的電荷從B點經電容CX轉移到A點。若構成模擬開關的4個傳輸門的特性一致且測量電容等于參考電容，則2個傳輸方向移動的電荷量相等，A,B兩點不存在電勢差，輸出電壓V為0。如果環境濕度增加，CX的電容值增大，則這種平衡條件被破壞，在激勵信號的作用下從B點轉移到A點的電荷多于從A點轉移到B點的電荷，A點電位上升幅度高于B點電位上升幅度，這將使從B點轉移到A點的電荷減少而從A點轉移到B點的電荷增加，輸出電容和輸出電阻組成了自放電回路，經若干周期后，輸出電容充電和放電在一個周期內的達到動態平衡。達到平衡后，A,B兩點各自的直流電位同疊加在它們上面的交流激勵信號通過雙端輸出抵消交流分量，輸出信號只有直流信號VO，即A,B兩點的直流電位差。輸出直流信號大小的變化就可以反映出電容CX所處環境絕對濕度的變化。

參考文獻[4] 制作工藝中各項取值和仿真結果如圖5(a)。從曲線選取相對濕度的6個點所對應的電容值逐點賦予圖4中的CX，在方波頻率為25 MHz、幅度為3 V，輸出電阻取10 kΩ、輸出電容取2 pF、參考標準電容Cr取3 pF、電源電壓3.3 V，用Candence spectre進行仿真，得到輸出電壓隨相對濕度變化的關系曲線如圖5(b)。在室溫應用下無需補償[6,7]。

3 結束語

研究用標準CMOS工藝的制作濕敏電容器的微結構，分析得出濕敏電容器的計算模型，設計了以電荷轉移為特征的電壓輸出型微電容檢測電路。模擬仿真結果表明：在整個相對濕度范圍內濕度傳感器輸出電壓為20～96 mV，并且呈現出良好的線性，適用于室溫下濕度的檢測而無需溫度補償，但微弱信號處理電路還有待進一步研究設計。

參考文獻:

[1] Shi F,Ramesh P,Mukherjee S.Simulation methods for micro-electro-mechanical system(MEMS)with application to a micro-tweezer[J].Computer & Structures,1995,56(5):769-783.

圖5 相對濕度的2種感知曲線

[2] Silverthorne S V,Watson C W,Baxter R D.Integrated relative humidity sensor[C]∥IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop,1988:67.

[3] 彭韶華,黃慶安.CMOS工藝兼容的單片集成濕度傳感器[J].半導體學報,2006,27(2):358-362.

[4] 陳軍寧,于峰崎.CMOS兼容電容型濕度傳感器的理論模型[J].半導體學報,2005,26(7):1374-1378.

[5] 馮勇建.MEMS電容應變傳感器[J].儀器儀表學報,2008,29(3):629-632.

[6] 于 進,馬 鋟,張洪泉.具有環境溫度自補償功能的微濕度傳感器設計[J].傳感器與微系統,2009(10):70-72.

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