专利名称：环形振荡器式数字压力传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字压力传感器，特别涉及一种利用环形振荡器和硅梁结构的环形振荡器式数字压力传感器。本发明还涉及上述传感器的制作方法。
背景技术：
汽车安全已变得越来越重要，“轮胎压力监测报警系统(TPMS)”是继安全带和安全气囊之后美国为汽车安全第三次立法。现有的轮胎压力监测报警系统一般使用的都是模拟传感器，精确度、反应速度都不佳，并且工作状态受温度变化的影响。数字化是当今时代的一个特征，轮胎压力监测报警系统(TPMS)中的核心器件的压力传感器的数字化是很多人希望实现的一个课题。随着研究工作的进展，现在已经有很多方法可以实现这一课题，但是，一般都是采用片外集成的方式，单片集成的数字式压力传感器还是很难制作的。几种常用的压力计结构各有缺点，实现数字化是比较困难和复杂的。谐振式压力计在原理上可以容易的实现数字化，但是它的制作和封装非常困难，需要精密的屏蔽设计，以消除附加应力对谐振梁的影响。压阻式压力计的输出信号是模拟电压，要实现数字化就需要有复杂的接口电路和后处理数字电路相连接。另外，压阻式压力计的敏感元件是电阻，存在温度漂移，不可避免的需要解决复杂的温度补偿问题。电容式压力计的敏感元件是微小电容，一般情况下很难制作高灵敏度传感器。另外，微小电容的检测也是很困难的，需要非常复杂的匹配和处理电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环形振荡器式数字压力传感器，其具有结构简单，能够实现数字化的准确、相应速度快的目的。
本发明的环形振荡器式数字压力传感器，包括至少二电学参数一致的环形振荡器、一混频器和一滤波器构成，二环行振荡器分布设置在硅梁结构的应力敏感集中区，其中一个环行振荡器的源漏极平行于应力方向；另一个环行振荡器的源漏极和应力方向垂直；混频器设置在非应力敏感的厚体硅上，滤波器是片外集成的；二环形振荡器输出连接到混频器输入，混频器输出连接到滤波器输入，滤波器输出作为压力传感器的输出。
上述所述的环形振荡器可以采用PMOS工艺制作。
上述所述的环形振荡器可以为奇数个反相器首尾相连构成。
上述所述的混频器可以是双栅MOS晶体管混频电路。
上述所述的传感器采用质量块和四硅梁结构，在硅梁的硅片上设置有两个电学参数相同相互垂直设置的环形振荡器、混频器和外接的滤波器。
本发明的环形振荡器式数字压力传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤A采用(100)晶向的双抛硅片作为衬底和结构材料，首先在双面生长SiO23000，然后双面淀积氮化硅2000，氧化硅和氮化硅的作用是作体硅腐蚀时的掩蔽层，保护硅片免受KOH的腐蚀；B光刻氮化硅窗口，露出需要腐蚀的窗口，利用KOH腐蚀形成硅梁结构，硅梁的厚度约为100μm，所述的KOH溶液的浓度是33％wt，腐蚀温度为80℃；C采用典型的EDPMOS工艺制作环形振荡器以及混频器，其中制作工艺包括5次光刻，4次离子注入，3次热氧，采用LPCVD淀积氧化硅和氮化硅各一次，最后溅射铝电极和铝引线；D利用各向异性体硅腐蚀减薄硅梁，使其厚度达到15μm，并释放出硅梁结构。
本发明的压力传感器的特点是采用环行振荡器作为敏感器件，其输出信号是频率信号。压力是一种模拟量，频率信号是一种准数字量，这样就实现了从模拟量向数字量的转化。和传统谐振式压力计相比较，环形振荡器式压力传感器的优点是制作简单，不需要精密的屏蔽设备。另外，采用混频器作为片内信号处理器件，既能减小温度对输出的影响，而且可以消除很大的共模基频信号，便于后处理电路的直接应用。和传统的压阻式压力计相比较，环形振荡器式压力传感器的优点是它的输出信号是频率信号，数字化程度高。此外，和传统的压阻式压力计比较，环形振荡器式压力传感器的温度性能改进了很多。
图1是MOS晶体管的结构特性示意图；图2图1的剖面结构示意图；
图3本发明的环形振荡器式数字压力传感器的电器原理框图；图4是本发明的环形振荡器的电路原理图；图5是本发明的混频器电路原理图；图6是本发明的硅梁结构的正面结构示意图；图7是本发明的图6的A-A剖面图；图8的a至d是本发明的环形振荡器式数字压力传感器的制作工艺流程剖面图；图9是本发明的纵向环形振荡器的输出频率随压力的变化曲线图；图10是本发明的横向环形振荡器的输出频率随压力的变化曲线图；图11环形振荡器式压力传感器的频率输出曲线图。
具体实施例方式
本发明是一种环形振荡器式数字压力传感器，下面结合附图对本发明做进一步详细阐述。
如图1、图2所示，在应力2的作用下，由于硅的压阻效应，MOS晶体管硅栅5的源极1和漏极3之间的沟道区4的沟道电阻将发生变化。这主要是因为沟道区4载流子的迁移率随应力2的改变而变化。载流子迁移率随应力2的变化和载流子的类型以及晶向有关。对于(100)晶面的PMOS晶体管，如果应力的方向是沿<110>晶向，那么源漏极平行于<110>晶向的PMOS晶体管(即源漏极之间的电流方向和<110>晶向平行)，其载流子迁移率随应力2变大而变大；源漏极垂直于<110>晶向的PMOS晶体管(即源漏极之间的电流方向和<110>晶向垂直)，其载流子迁移率随应力2变大而减小。
由于迁移率的变化，使MOS晶体管的特性发生变化。当在沟道区有应力S作用时，其沟道电阻将随应力S改变而变化。若把MOS晶体管6放在硅悬臂梁结构9的应力敏感区，如图2所示，当质量块7在压力a的作用下使硅梁8发生弯曲形变时，在硅梁根部产生应力S，从而使MOS晶体管的特性发生改变。
本发明的环形振荡器式数字压力传感器就是利用晶体管的压敏效应，压力使由晶体管组成的环形振荡器的谐振频率发生变化，通过检测环形振荡器的振荡频率的改变来检测压力的大小。
如图3、图6和图7所示，本发明的环形振荡器式数字压力传感器主要由环形振荡器、混频器和滤波器构成。在图中，有两个电学参数一致的环行振荡器，它们分布在硅梁结构的应力敏感集中区。一个环形振荡器14的源漏极平行于应力方向(即源漏极之间的电流方向和应力方向平行)，称为纵向环形振荡器；另一个环形振荡器13的源漏极和应力方向垂直(即源漏极之间的电流方向和应力方向垂直)，称为横向环形振荡器。在图2中，混频器12做在非应力敏感的厚体硅上，滤波器11是片外集成的。
当有压力a作用时，由于压敏效应，分布在硅梁结构应力敏感区的两个环形振荡器13、14的振荡频率发生变化，纵向环形振荡器14的振荡频率增加，而横向环形振荡器13的振荡频率减小，它们的输出频率通过混频器12实现相减，从混频器12输出的频率信号通过一个低通滤波器11，消除高次谐波，得到输出信号f。通过检测信号f的频率，就可以得到压力a的值。
如图4所示，本发明的环形振荡器的电路原理是这样的。环形振荡器由奇数个反相器首尾相连构成，其振荡频率取决于反相器的延迟时间和反相器的级数，它们之间的具体关系如式(1)f=12nτPD---(1)]]>其中，n为反相器的级数，τPD是反相器的延迟时间，它可以表示为反相器上升时间tr和下降时间tf的函数，如式(2-4)τPD=tr+tf2---(2)]]>tr=2CLμCOXfr(V)---(3)]]>tf=2CLμCOXff(V)---(4)]]>其中，CL为反相器的负载电容，COX为反相器的栅电容，fr(V)、ff(V)是和工作电压有关的函数。综合以上表达式，环形振荡器的谐振频率可以表示为晶体管迁移率μ的函数，如式(5)f=μCOX2nCL1fr(V)+ff(V)---(5)]]>
从以上分析可以看出，环形振荡器的谐振频率和晶体管的迁移率成正比。而由晶体管的压敏效应我们知道，晶体管的迁移率正比于晶体管所受到的由压力引起的应力，所以，通过检测环形振荡器谐振频率的变化，就可以得到压力的大小。
环行振荡器有多种电路形式，最常见的有NMOS、PMOS和CMOS环振电路。通过比较，可以发现，NMOS环行振荡器制作工艺最简单，但是输出特性比较差，存在阈值损失。CMOS环行振荡器的特性最好，但是制作工艺比较复杂。所以本专利采用PMOS环形振荡器。用PMOS器件作为敏感元件，是因为和NMOS器件相比，PMOS器件的压敏系数大，压敏效应更明显，并且PMOS器件的温度系数小。用PMOS工艺制作电路，是因为和CMOS工艺相比，PMOS工艺流程简单，成品率高。
图4是用SPICE进行模拟优化得到的环形振荡器电路原理图，该环振共有11级反相器，后面是输出级。该环振的输出波形为正弦波，谐振频率为f0＝1.5MHz，输出信号的幅度为2V。
图6、图7是压力传感器的结构示意图。压阻式压力传感器一般都采用质量块和硅梁结构。单梁和双梁虽然结构简单，但是他们的横向灵敏度比较大。另外八梁和六梁结构太复杂，不容易制作，并且每个梁的应力也比较小。通过比较各种硅梁结构的优缺点，本设计采用四梁结构。
我们采用的硅梁结构如图所示，图6为结构正视图，图7是剖面图。在图中，14、13是两个电学参数完全相同的环形振荡器，12是混频器，11是外接的滤波器。另外，a是压力，S是由压力产生的应力。硅梁10的结构尺寸，长2000μm；宽400μm；厚15μm。
混频器有多种形式，很多电路都可以实现混频作用，比较典型的有电感电容耦合混频器。在微电子领域，很难做比较大的电感和电容，一般不采用电感电容来实现混频。根据晶体管的小信号特性，单个晶体管就可以实现混频。所以为了实现单片集成，一般采用晶体管混频电路。
为了改善混频特性，我们设计了一种双栅MOS混频器，如图5所示，在图中，-5V是直流电源，为混频器提供直流偏置，IN1、IN2是两个频率输入信号，OUT是输出信号。用SPICE对双栅MOS混频器进行了仿真设计，输入信号频率范围是2MHz，混频之后的输出信号范围是0～1MHz，该混频器的输出信号幅度为0.5V。三角波和方波的混频特性比较差，这是因为这两种波形比较复杂，无法等效成比较简单的正弦波。因此，为了得到比较好的混频特性，环形振荡器的输出波形要求和正弦波比较相似。
当有压力作用时，在同一个硅梁上的纵向环行振荡器和横向环行振荡器的谐振频率随压力的变化是不一样的，纵向环行振荡器的谐振频率fl随压力变大而变大，如式(6)fl＝f0+Δfl+fl(T) (6)横向环行振荡器的谐振频率ft随压力变大而变小，如式(7)
ft＝f0-Δft+ft(T) (7)其中，f0为环振本征频率，Δfl、Δft为压力引起的频率变化，fl(T)、ft(T)为环振频率随温度的变化函数。
由于两个环振的电学参数完全一样，并且它们在硅片上分布在一起，其温度影响也应该基本相同，因此fl(T)＝ft(T)。把这两个环振的振荡频率相减，可以得到两个环振的差频输出，如式(8)f＝fl-ft＝Δft+Δft(8)通过对环振频率信号的处理，得到环振的差频输出。这样不但可以减小温度对输出的影响，而且增大了对压力的输出响应频率，另外，还可以消除很大的共模基频信号，便于后处理电路的直接应用。在本设计中采用混频器来实现频率相减功能。
图8中的a至d是本发明的环振式数字压力传感器的制作方法。
采用(100)晶向的双抛硅片作为衬底和结构材料，首先在双面生长SiO23000，然后双面淀积氮化硅2000，氧化硅和氮化硅的作用是作体硅腐蚀时的掩蔽层，保护硅片免受KOH的腐蚀；接着光刻氮化硅窗口，露出需要腐蚀的窗口，利用KOH腐蚀形成硅梁结构，硅梁的厚度约为100μm，所述的KOH溶液的浓度是33％wt，腐蚀温度为80℃；采用典型的EDPMOS工艺制作环形振荡器以及混频器，其中制作工艺包括5次光刻，4次离子注入，3次热氧，采用LPCVD淀积氧化硅和氮化硅各一次，最后溅射铝电极和铝引线；
利用各向异性体硅腐蚀减薄硅梁，使其厚度达到15μm，并释放出硅梁结构。
在传感器的制作过程中，必须非常精确的控制硅梁的厚度，这是因为硅梁的厚度对器件的性能和均匀性以及重复性有很大的影响。为了达到精确控制硅梁的厚度，我们在传感器的制作中，分两步来制作硅梁结构，首先预腐蚀硅片，使硅梁厚度达到100μm，然后制作环形振荡器和混频器，最后，采用比较低的腐蚀速率来腐蚀硅片，使硅梁的厚度达到15μm。
图9给出了纵向环形振荡器的输出频率随压力的变化曲线，从图中可以看出，纵向环形振荡器的振荡频率随压力增大而变大，其变化率约为3.48kHz/g。图10给出了纵向环形振荡器的输出频率随压力的变化曲线，从图中可以看出，纵向环形振荡器的振荡频率随压力增大而减小，其变化率约为-3.46kHz/g。
图11给出了压力传感器的输出频率和压力的关系曲线，滤波器是采用片外集成的方式，该压力传感器的零压力频率输出是355Hz，灵敏度为6.95kHz/g。该器件的温度系数以及零点漂移等特性有待进一步测试。
权利要求
1.一种环形振荡器式数字压力传感器，其特征在于包括至少二电学参数一致环形振荡器、一混频器和一滤波器构成，二环行振荡器分布设置在硅梁结构的应力敏感集中区，其中一个环行振荡器的源漏极平行于应力方向；另一个环行振荡器的源漏极和应力方向垂直；混频器设置在非应力敏感的厚体硅上，滤波器是片外集成的；二环形振荡器输出连接到混频器输入，混频器输出连接到滤波器输入，滤波器输出作为压力传感器的输出。
2.根据权利要求1所述的环形振荡器式数字压力传感器，其特征在于所述环形振荡器采用PMOS工艺制作。
3.根据权利要求1所述的环形振荡器式数字压力传感器，其特征在于所述环形振荡器为奇数个反相器首尾相连构成。
4.根据权利要求1所述的环形振荡器式数字压力传感器，其特征在于所述混频器是双栅MOS晶体管混频电路。
5.根据权利要求1所述的环形振荡器式数字压力传感器，其特征在于所述传感器采用质量块和四硅梁结构，在硅梁的硅片上设置有两个电学参数相同相互垂直设置的环形振荡器、是混频器和外接的滤波器。
6.一种权利要求1到5中任何一项所述的环形振荡器式数字压力传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤A采用(100)晶向的双抛硅片作为衬底和结构材料，首先在双面生长SiO23000，然后双面淀积氮化硅2000，氧化硅和氮化硅的作用是作体硅腐蚀时的掩蔽层，保护硅片免受KOH的腐蚀；B光刻氮化硅窗口，露出需要腐蚀的窗口，利用KOH腐蚀形成硅梁结构，硅梁的厚度约为100μm，所述的KOH溶液的浓度是33％wt，腐蚀温度为80℃；C采用典型的EDPMOS工艺制作环形振荡器以及混频器，其中制作工艺包括5次光刻，4次离子注入，3次热氧，采用LPCVD淀积氧化硅和氮化硅各一次，最后溅射铝电极和铝引线；D利用各向异性体硅腐蚀减薄硅梁，使其厚度达到15μm，并释放出硅梁结构。
全文摘要
本发明公开了一种环形振荡器式数字压力传感器，包括至少二电学参数一致的环形振荡器、一混频器和一滤波器构成，二环行振荡器分布设置在硅梁结构的应力敏感集中区，其中一个环行振荡器的源漏极平行于应力方向；另一个环行振荡器的源漏极和应力方向垂直；混频器设置在非应力敏感的厚体硅上，滤波器是片外集成的；二环形振荡器输出连接到混频器输入，混频器输出连接到滤波器输入，滤波器输出作为压力传感器的输出。所述环形振荡器采用PMOS工艺制作奇数个反相器首尾相连构成。所述混频器是双栅MOS晶体管混频电路。
文档编号B60C23/00GK1932462SQ20061015216
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月15日 优先权日2006年9月15日
发明者杨旸 申请人:杨旸