专利名称：低频振动测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种振动测量装置，尤其是涉及一种低频振动测量装置。背景技术：
在某些领域，如大型旋转机器、大型工程结构、高层建筑、桥梁大坝等振
动的频率一般很低， 一般要求测量仪器能测出0.5Hz左右的低频振动。对于低频 乃至超低频信号(S0.1Hz)是许多国内外测量分析仪器的难点，对于S0.01Hz甚 至到O.OOlHz的极低频信号，它们的测量分析几乎是一个空白。对低频振动进行 监测和故障诊断，都需要高的灵敏度和高的可靠性来满足安全性的需要。如监 测的发电机组的振动为发电机组安全运行提供保证。桥梁自振特性测试为确定 桥梁运行状态提供依据，当桥梁长年负荷运行，或遭意外撞击，桥梁的工作状 态有可能发生改变。桥梁自振特性还可能导致影响车辆与桥梁发生共振。随着 勘探技术的发展，用于接受地震信号的检波器的需求量与日俱增，并提出了更 高的技术要求。.目前，在地震勘探中普遍使用的振动传感器的频率有效范围在 5Hz 500Hz之间，5Hz以下的地震信号很难准确测量，而这些低频信息对反演 地层结构是非常有用的，但地震检波器却一直没有大的突破。由于该类传感器 得不到理想的原始信号，已成为石油物探的主要瓶颈之一。目前这类检波器的 最大弊端就是灵敏度低。二是低频段低的信噪比。由于在1Hz左右的振动频率 对惯性式传感器的低频特性提出了苛刻的要求，然而目前该类传感器由于其机 械结构的固有缺陷，在超低频段(lHz及以下)，其输出信号完全"淹没"在噪声中， 难以实现对振动参数的准确测量。因此超低频绝对振动检测一直是工程测试领 域的一大难题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有高灵敏度的低频振动测量装置。 一种低频振动测量装置，包括振动传感器和CMOS芯片，所述振动传感器
3集成在所述CMOS芯片上，所述振动传感器包含敏感单元，所述壽文感单元包括 含有浮栅的场效应管和嵌入了金属或多晶硅材料作栅极用于感应振动的质量 块，所述浮栅嵌入CMOS芯片的介质层中，所述质量块置于CMOS芯片介质层 的开口中，并与场效应管对应设置，所述质量块与场效应管之间是空气介质层 与CMOS芯片的氧化硅介质层，使得栅极与浮栅相对设置。
利用浮栅与漏极构成的交叠电容，而增大场效应管的跨导；栅极随质量块 的振动使栅极与浮栅构成的耦合电容发生改变，进而改变场效应管的输出电流 大小，从而可以测量低频振动，达到高灵敏度的效果。
在优选的实施例中，所述介质层中设有悬臂，所述质量块置于所述悬臂上， 使质量块可以自由振动。
在优选的实施例中，所述场效应管为厚氧晶体管，可以提高浮栅与漏极的 耦合电容在总电容的比例，从而进一步提高灵敏度。
在优选的实施例中，所述场效应管为自然场效应管，所述自然场效应管直 接内置于衬底上，其沟道掺杂浓度为3x^"/cm^x川"/cm3。低的掺杂浓度降低 了杂质散射，提高了信噪比。由于栅极悬空，从而降低单位面积的栅极氧化层 电荷波动导致的沟导迁移率的波动而造成的低频噪声，且降低了栅极泄漏电流 和亚阈值泄漏电流造成的噪声，从而提高输出电流并保持低的噪声。
图1为低频振动测量装置的结构示意图2为测量装置主要工作部分的结构示意图3为图2所示的结构的等效电路图4为振动位移-输出电流图5为0.05g惯性加速度下传感器的幅频特性图6为自然场效应管与常规场效应管的噪声-频率对比图。
下面结合附图进行进一步的说明。
具体实施方式
一种低频振动测量装置，包括振动传感器和CMOS芯片，所述振动传感器 集成在同一CMOS芯片上，所述振动传感器是包含敏感单元的微电子机械系统 (MEMS)，其中敏感单元为栅极浮置，即具有浮栅的场效应管，利用浮栅与漏 极的耦合电容增加跨导，从而提高灵敏度，达到测量振动的目的。
首先在SPICE工艺库建才莫^没计，在if反图"^殳计中，选用0.18|um混合信号工 艺，3.3 V的厚氧场效应管和自然场效应管(Native MOS)。场效应管宽长比W/L 为208,场效应管栅长为1.2jnm，栅宽250(im。然后利用CMOS工艺实现。 CMOS流片后进行无掩膜干法刻蚀和湿法腐蚀释放微结构。
CMOS芯片经过干法刻蚀和湿法腐蚀工艺形成如图1所示的结构。外层金 属膜1覆盖在CMOS芯片的氧化硅介质层21上，作为微电子机械系统(MEMS ) 的敏感单元的场效应管3集成于CMOS芯片上。其中场效应管3包括浮栅31、 源极(未标示)、漏极32、衬底33及浮栅31与衬底33之间的厚氧栅氧化层34。 浮栅31置于所述CMOS芯片的氧化硅介质层21中。
在CMOS芯片上有开口 22,在开口 22中与浮栅31对应的位置的氧化硅介 质层21设有包含金属材料的栅极，即金属栅极4的质量块5，场效应管3与质 量块5相对设置。在质量块5和场效应管3之间留出空间，形成空气介质层6。
在介质层21中还设有悬臂7，质量块5置于悬臂7上，质量块5在悬臂7 上可以自由振动。
本实施例中低频振动测量装置的主要工作部分的示意图如图2所示，场效 应管的浮栅31没有与其它互连线相接，其上方间隔设置了包含金属栅极4的质 量块5，质量块5可以上下振动。其等效的工作电路图如图3所示，测量的工作 原理如下
结合图2,在金属栅极4上加CMOS芯片的一个时钟脉沖信号电压，质量 块5振动使金属栅极4与浮栅31耦合形成可变电容Cfg。可变电容Cfg与场效应 管的厚氧栅氧^层34的电容C。x串连。由于时钟脉冲信号频率远高于振动传感 器质量块5的振动频率，加在金属栅极4上的电压给可变电容Cfg与电容C。x充 电，并迅速达到平衡状态。在振动的某一时刻，可认为可变电容Cfg是固定电容。由于浮栅31与漏极32也存在耦合电容Cfd，当在漏极32和金属栅极4分别加 电压Vd和Vci时，通过漏极32和浮栅31的耦合电容Cfd以及可变电容Cfg在浮 栅31上感应出高电位。质量块5在其振动的每l/4个周期的任一时刻，可变电 容Cfg充电达到平衡后就对应有不同的是固定电容值，于是不同的感生电场使浮 栅31下面的沟道区的电导性发生变化。进而漏极电流发生变化，根据测量到的 漏极电流获得振动信号。
在本实施例中，选用的场效应管为厚氧晶体管，由于厚氧晶体管的特性， 浮栅与漏极的耦合电容Cfd在总电容中的比例会比其他类型的晶体管的比例大， 增大Cfd在总电容中的比例能够使浮栅上的电压变化明显，从而使场效应管中沟 道的导电性变化，提高场效应管在测量中的灵敏度，提高测量低频振动的效果。
利用HSPICE模拟的结果如图4所示，质量块的栅极与浮栅的耦合电容的 可动空气间隙为0~ 100 nm时，单个场效应管构成的身文感单元，测量到的漏极 输出电流在3.8mA-6.0mA之间。而在图5中，振动传感器惯性力的惯性加速 度下，分辨率为0.05g/1.5埃，故敏感度达到3.7 juA/0.05g。。
另外，场效应管为自然场效应管(Native MOS ),如图2所示，自然场效 应管直接内置于轻掺杂的P型衬底上，与标准的商业CMOS工艺完全兼容而不 需要额外的掩膜板，其沟道的掺杂浓度在3x7"Vcm^x/,/cm3,具有这种掺杂 浓度的场效应管，其阈值电压接近于零伏，从而提高输出电流并保持低的噪声 并消除了阱/体跨导造成的噪声。利用HSPICE模拟的结果如图6所示，从图中 可以看出，自然场效应管相对于常规的MOS管具有极低的噪声。
在图1中还可看到，4册极4与浮栅31间的空隙分为两部分，即一部分是空 气层6, —部分是CMOS芯片的介质层21，此种结构的好处是可以避免因静电 力超过弹性恢复力后导致质量块急剧向下移动而产生吸合现象，导致无法回位。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。
权利要求
1.一种低频振动测量装置，包括振动传感器和CMOS芯片，其特征在于，所述振动传感器集成在所述CMOS芯片上，所述振动传感器包含敏感单元，所述敏感单元包括含有浮栅的场效应管和嵌入了金属或多晶硅材料作栅极用于感应振动的质量块，所述浮栅嵌入CMOS芯片的介质层中，所述质量块置于CMOS芯片介质层的开口中，并与场效应管对应设置，所述质量块与场效应管之间是空气介质层和CMOS芯片的氧化硅介质层，使得栅极与浮栅相对设置。
2. 如权利要求1所述的低频振动测量装置，其特征在于，所述介质层中设 有悬臂，所述质量块置于所述悬臂上，使质量块可以自由振动。
3. 如权利要求1所述的低频振动测量装置，其特征在于，所述场效应管为 厚氧晶体管。
4. 如权利要求1所述的低频振动测量装置，其特征在于，所述场效应管为 自然场效应管，所述自然场效应管直接内置于衬底上，其沟道掺杂浓度为
全文摘要
本发明涉及一种低频振动测量装置，包括振动传感器和CMOS芯片，所述振动传感器集成在所述CMOS芯片上，所述振动传感器是包含敏感单元的微电子机械系统(MEMS)，其中敏感单元包括含有空气栅介质和浮栅的场效应管，与浮栅相对设置有感应振动的包含有金属栅极的质量块，质量块的振动引起浮栅与金属栅极间耦合电容的变化，导致场效应管漏极电流变化，通过测量电流就可以获知振动信息，此外利用浮置的栅极与漏极的耦合电容增加跨导，从而提高灵敏度，达到测量低频振动的目的。
文档编号H01L27/06GK101526394SQ20091010637
公开日2009年9月9日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者于峰崎, 挺 俞, 彭本贤 申请人:深圳先进技术研究院