低功耗集成電容式壓力傳感器設(shè)計(jì)

陰雨晴，鄧芳明，郝 勇

(1.華東交通大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江西南昌 330013；2.華東交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江西南昌 330013)

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低功耗集成電容式壓力傳感器設(shè)計(jì)

陰雨晴1，鄧芳明2，郝 勇2

(1.華東交通大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江西南昌 330013；2.華東交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江西南昌 330013)

采用0.18 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)并制造了一種集成壓力傳感器。壓力傳感器單元由可移動(dòng)上電極、介質(zhì)膜及固定下電極組成，并由犧牲的金屬層獲得空氣間隙。集成接口電路采用反相器替代傳統(tǒng)開關(guān)電容放大器中的運(yùn)算放大器，有效降低了電源電壓，極大的降低了整體功耗。后期測試結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的集成壓力傳感器線性度高，溫度穩(wěn)定性好，在1.0 V電源電壓下獲得11.5 bits有效位數(shù)，僅消耗8.9 μW功率。

壓力傳感器；接口電路；CMOS工藝；低功耗設(shè)計(jì)

0 引言

基于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)的壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子、以及工業(yè)電子中[1]。根據(jù)工作原理，MEMS壓力傳感器可以分為壓阻式、電容式和諧振式3類。和其它2種壓力傳感器相比，電容式壓力傳感器具有低溫漂、低噪聲和較大的動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)[2]?；パa(bǔ)金屬氧化物(CMOS)工藝是當(dāng)今集成電路設(shè)計(jì)和制造的主流工藝，基于CMOS工藝的MEMS壓力傳感器的設(shè)計(jì)研究不僅有利于集成接口電路等其他信號(hào)處理模塊，而且適合大規(guī)模市場化。近年來，國內(nèi)外已有一些關(guān)于CMOS MEMS電容式壓力傳感器的報(bào)到[3-7]，但文獻(xiàn)[3]～文獻(xiàn)[6]中方案沒有集成接口電路設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[7]所設(shè)計(jì)的壓力傳感器集成了電容—頻率轉(zhuǎn)換接口電路，但實(shí)際應(yīng)用中還需額外采用頻率—數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。

物聯(lián)網(wǎng)已被確定為中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和射頻識(shí)別標(biāo)簽的低功耗傳感器的研究成為熱點(diǎn)。相對(duì)于接口電路，電容式壓力傳感器以電容器形式接入，不消耗靜態(tài)功率，因此集成電容式壓力傳感器的功耗主要來源于接口電路。傳統(tǒng)的電容式接口電路設(shè)計(jì)[8-10]首先采用電容-電壓轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生一個(gè)與傳感器電容和參考電容差值成正比例的電壓信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成電壓-數(shù)字轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計(jì)方法能夠獲得高速和高分辨率性能，但由于采用了運(yùn)算放大器，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗高。近年來，將電容式傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)/頻域處理的方法[11-12]可以獲得超低功耗，但這種方法局限于速率較低的應(yīng)用。

本文旨在采用CMOS工藝設(shè)計(jì)一種低功耗集成壓力傳感器。文中首先介紹了集成壓力傳感器單元設(shè)計(jì)，然后基于鎖相環(huán)原理設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字電容式傳感器接口電路，最后對(duì)制造的集成壓力傳感器進(jìn)行了測試，并得出結(jié)論。

1 壓力傳感器單元設(shè)計(jì)

MEMS壓力傳感器類似于平行板電容器，當(dāng)外界壓力作用于電容式傳感器時(shí)，傳感器兩電極間受力引起極間距離的變化，從而引起傳感器電容值的變化。假設(shè)平行板的面積為A，兩板間距為d，則傳感器電容值可以表示為

(1)

式中：C為電容值；ε為兩極板間介質(zhì)的介質(zhì)常數(shù)。

式(1)中可以得到，電容值的相對(duì)變化為

(2)

式中：面積變化ΔA由外界壓力引起的結(jié)構(gòu)彎曲面積決定；Δd/d和ΔA/A是由結(jié)構(gòu)的幾何變化決定，一般假設(shè)為不變化；Δε/ε代表了電容率變化。

當(dāng)外界壓力作用于傳感器上時(shí)，傳感器腔體產(chǎn)生彎曲，上下電極位移增大，從而引起電容值變大。由于上下電極的彎曲不是處處相等，因此將x和y方向上的所有電容集成在一起可以得到總的電容值[4]

(3)

基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工序及MEMS后處理工藝，本文設(shè)計(jì)的壓力傳感器單元由可移動(dòng)上電極、介質(zhì)膜及固定下電極組成，其中介質(zhì)膜由二氧化硅(SiO2)及空氣間隙層構(gòu)成。

圖1為本文設(shè)計(jì)的壓力傳感器的制造工序圖，可以分為3步：(1)在200 ℃下沉積并刻畫一層多晶硅形成下電極，并旋涂一層SiO2作為電極保護(hù)層；隨后濺射刻畫一層厚度為1.5 μm的金屬鋁(Al)作為形成空氣間隙的犧牲層，并在其之上覆蓋一層SiO2保護(hù)層,如圖1(a)所示；(2)在80 ℃真空環(huán)境下，采用用硫酸(H2SO4)蝕刻Al層以形成空氣間隙層，如圖1(b)所示；(3)在間隙層表面旋涂一層Al層作為上電極，再覆蓋一層SiO2保護(hù)層，如圖1(c)所示。圖1(a)采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工序完成，而圖1(b)與圖1(c)由MEMS后處理工藝完成。如圖2所示，為了增加壓力傳感器的靈敏度，本文設(shè)計(jì)的壓力傳感器由3×3個(gè)正方形壓力傳感器單元組成，每個(gè)單元具有相同的結(jié)構(gòu)和尺寸，每個(gè)單元邊長為200 μm。

圖1 壓力傳感器制造過程

圖2 壓力傳感器單元微照片

2 接口電路設(shè)計(jì)

綜合考慮功耗與速率等因素，文中提出一種基于反相器的電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換接口電路圖，它基于三階Delta-Sigma調(diào)制器結(jié)構(gòu)，并采用反相器替代傳統(tǒng)Delta-Sigma調(diào)制器中的運(yùn)算放大器，極大地降低了接口電路的功耗，同時(shí)具有高速率的特點(diǎn)。圖3為本文提出的接口電路模塊圖，前饋濾波電路的使用有利于減小積分器的輸出擺幅和提高調(diào)制器的線性度，而且減小的積分器輸出擺幅能夠采用反相器替代積分器中的運(yùn)算放大器。與傳統(tǒng)的三階調(diào)制器[13]相比，為簡化電路結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)沒有采用輸入至量化器的直接前饋通路。為了獲得調(diào)制器的量化噪聲和kT/C噪聲的最佳平衡狀態(tài)，接口電路采用了3階濾波器，經(jīng)過推導(dǎo)可以獲得接口電路比特流密度μ為

(4)式中：Cx為傳感器電容值；Cref為外接參考電容;Coff為偏置電容。

圖3 本文采用的接口電路模塊圖

圖4為本文設(shè)計(jì)的接口電路圖，傳感器電容Cx作為采樣電容接入調(diào)制器中，參考電容Cref為0.4 pF，偏置電容Coff用于抵消Cx的固定偏置部分，提高了接口電路分辨率。由于工藝偏差等因素容易造成傳感器電容Cx的偏差較大，因此Coff采用可編程電容設(shè)計(jì)，范圍為0.1～1.5 pF，步長為0.1 pF。與傳統(tǒng)調(diào)制器設(shè)計(jì)方案[8-10]相比，本設(shè)計(jì)采用反相器替代完成運(yùn)算放大器功能，且反相器設(shè)計(jì)采用電流受限型結(jié)構(gòu)有利于提高電路的穩(wěn)定性,如圖5(a)所示。在初始階段，如圖5(b)所示，反相器完成單位增益功能，反相器通過電容Cc儲(chǔ)存輸入偏置電壓。在隨后的積分階段，如圖5(c)所示，這些電容提供電平移動(dòng)來得到無偏虛地電壓。共源共柵結(jié)構(gòu)為了使反相器的直流增益提高至70 dB以上從而獲得所需的精準(zhǔn)度。調(diào)制器采用前饋拓?fù)潆娐繁ＷC積分器僅處理量化誤差以獲得較反饋拓?fù)涓偷妮敵鰯[幅[14]。

3 測試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的集成壓力傳感器采用臺(tái)灣積體電路制造公司 (TSMC) 0.18 mCMOS工藝制造，其測試示意圖如圖6所示。壓力傳感器被放置在真空箱中，其電容值測試采用安捷倫4284A電感電容電阻 (LCR) 測試儀，氮?dú)庀錇檎婵障涮峁毫υ矗鋲毫Υ笮∮蓧毫y試儀控制。

圖7顯示了不同溫度下傳感器接口電路數(shù)字輸出和作用于傳感器之上的絕對(duì)壓力值之間的關(guān)系。分別在0 ℃、40 ℃和80 ℃下，絕對(duì)壓力0～800 kPa范圍內(nèi)每隔50 kPa測試1次。從圖中可以得到，在壓力范圍內(nèi)，集成壓力傳感器輸出都保持了良好的線性；在測量溫度0～80 ℃范圍內(nèi)，傳感器保持良好的溫度穩(wěn)定性，誤差不超過8%。

圖4 本文設(shè)計(jì)的接口電路

(a)電流型反相器

(b)自動(dòng)歸零相位

(c)積分相位

圖6 集成壓力傳感器測試示意圖

圖7 傳感器輸出與絕對(duì)壓力關(guān)系圖

圖8為常溫27 ℃下壓力傳感器回滯特性測試圖。在0～800 kPa的絕對(duì)壓力范圍內(nèi)，測試了增壓和減壓兩種情況，每隔50 kPa測試1次。從圖中可以判斷，增壓和減壓的測試中壓力傳感器都保持良好的線性，且無明顯偏差，所設(shè)計(jì)的壓力傳感器具有良好的回滯特性。

圖8 壓力傳感器回滯特性圖

表1總結(jié)了本文設(shè)計(jì)的電容式傳感器接口電路的性能，并與國內(nèi)外近年來發(fā)表的電容式傳感器接口電路方案進(jìn)行了性能對(duì)比。與文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10]相比，由于采用了反相器替代運(yùn)算放大器，可以采用較低的1.0 V電源電壓，極大的降低了整體功耗。雖然文獻(xiàn)[12]獲得了更低的功耗，但其有效位數(shù)僅為8.1 bits。

表1 集成電容式傳感器接口電路性能對(duì)比

4 結(jié)論

采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，本文設(shè)計(jì)一種集成了接口電路的壓力傳感器。壓力傳感器單元由可移動(dòng)上電極、介質(zhì)膜及固定下電極組成，其中介質(zhì)膜由SiO2及空氣間隙層構(gòu)成。集成接口電路，采用反相器替代傳統(tǒng)開關(guān)電容放大器中的運(yùn)算放大器，極大降低了整體功耗。后期測試結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的集成壓力傳感器線性度高，溫度穩(wěn)定性好，在1.0 V電源電壓下獲得了11.5 bits有效位數(shù)和8.9 μW功率，在速率和功耗性能中獲得了較好的折中。

[1] 王陽,徐加歡,陳軍寧,等.集成微電容式傳感器檢測電路設(shè)計(jì)與研究.電子器件,2013,36(2)：230-234.

[2] 馮勇建.MEMS高溫接觸式電容壓力傳感器.儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(7)：804-807.

[3] YU H,QIN M,HUANG Q A,et al.A MEMS capacitive pressure sensor compatible with CMOS process.Proceedings of 2012 IEEE Sensors,Taipei,2012.

[4] NIE M,HUANG Q A,QIN M,et al.A capacitive pressure sensor using hybrid silicon-glass structure for hermetic wafer level packaging.The 11th International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging,Xi’an,2010.

[5] CHENG C L,CHANG H C,CHANG H C,et al.Mechanical force-displancement transduction structure for performance enhancement of CMOS-MEMS pressure sensor.The 27th International Conference on MEMS,San Francisco,2014.

[6] SUN C M,WANG C W,TSAI M H,et al.Monolithic integration of capacitive sensors using a double-side CMOS MEMS post process.Journal of Micromechanics and Micro- engineering,2009,19：015023.

[7] DAI C L,LU P W,CHANG C,et al.Capacitive micro pressure sensor integrated with a ring oscillator circuit on chip.Sensors,2009,9(12)：10158-10170.

[8] PAAVOLA M,KAMARAINEN M,LAULAINEN E,et al.A micropower-based interface ASIC for a capacitive 3-axis micro-accelerometer.IEEE Journal of Solid-State Circuits,2009,44(11)：3193-3210.

[9] SHIN D Y,LEE H,KIM S.A delta-sigma interface circuit for capacitive sensors with an automatically calibrated zero point.IEEE Transactions on Circuits and Systems II：Express Briefs,2011,58(2)：90-94.

[10] XIA S,MAKINWA K，NIHTIANOV S.A capacitance-to-digital converter for displacement sensing with 17b resolution and 20μs conversion time.2012 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC),San Franciso,2012.

[11] NIZZA N,DEI M,BUTTI F,et al.A low-power interface for capacitive sensors with PWM output and intrinsic low pass characteristic.IEEE Transactions on Circuits and Systems II-Express Briefs,2013,60(6)：1419-1431.

[12] 鄧芳明,何怡剛,張朝龍,等.低功耗全數(shù)字電容式接口電路.儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35(5)：994-998.

[13] SILVA J,MOON U,STEENSGAARD J,et al.Wideband low-distortion delta-sigma ADC topology.Electronics Letters,2001,37(12)：737-738.

[14] CHAE Y,HAN G.Low voltage,low power,inverter-based switched-capacitor delta-sigma modulator.IEEE Journal of Solid-State Circuits,2009,44(2)：458-472.

Design of Integrated Capacitive Pressure Sensor for Low Power Application

YIN Yu-qing1,DENG Fang-ming2,HAO Yong2

(1.Modern Educational Technology Center，East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China；2.School of Mechatronic Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

An integrated capacitive pressure sensor based on 0.18 μm CMOS technology was manufactured.The pressure sensor part consists of a movable top-electrode,a medium membrane and a fixed bottom-electrode.The air gap of the membrane was fabricated by sacrificing the metal layer.The integrated interface replaces the operational amplifier in conventional designs by the inverter,resulting in lowing supply voltage and power dissipation.The measurement results show the proposed pressure sensor achieves 11.5 bits ENOB under power supply voltages of 1.0 V and consumes 8.9 μW power with excellent linearity and temperature stability.

pressure sensor;interface circuit;CMOS technology;low power design

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21265006)；江西省科技廳青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20142BAB217008)；華東交通大學(xué)校立科研基金資助項(xiàng)目(14DQ08)

2015-01-05 收修改稿日期：2015-03-13

TP212.2

A

1002-1841(2015)08-0016-03

陰雨晴(1984—)，助理工程師，研究方向?yàn)槲C(jī)械傳感器設(shè)計(jì)。E-mail：13755633966@163.com