一种电压输出型CMOS集成电容湿度传感器*

2014-09-25曹新亮黄宝瑞

传感器与微系统 2014年9期

曹新亮，黄宝瑞

(延安大学物理与电子信息学院，陕西延安 716000)

0 引言

在片感测系统是传感器微型化、集成化和智能化发展的必然趋势。微电容式湿度传感器因其结构简单,相对于电阻式感湿器件温度适应性强、电容测量方式具有干扰小及精度高等特点而为微传感器技术领域所关注[1]。早在1988年，英国Silverthorne S V[2]第一次尝试将湿度传感器与测量电路集成在同一芯片上，湿敏电容器为三明治结构，p+掺杂区作下极板，多孔金属为上极板，上下极板间的夹层是聚合物，聚合物通过上极板空隙吸收环境水汽分子改变自身介电常数来改变湿敏电容值。但在制造中，这种结够并非标准的CMOS工艺所能实现，额外的处理工序将大大增加制造成本。

本文基于CMOS兼容的湿度传感器研究[3]已取得的成果，提出利用CMOS模拟开关实现电荷转移的微电容测量电路。出于简化电路结构的考虑，重新设计出一种单片集成湿度传感器。

1 湿敏电容器的结构与模型

1.1 集成湿敏电容器的CMOS工艺结构

在标准的CMOS工艺下(如图1)，芯片的左侧是P阱CMOS电路、右侧为与CMOS工艺兼容的平面梳状湿度传感器；湿敏感测处理电路所用的标准固定电容器是以高掺杂p型层为下极板、栅氧化层为介质、多晶硅为上极板制成MOS电容器，控制栅氧化层的厚度可做成比较精确的标准参考电容器。

图2为叉指湿敏电容器的平面结构图，2s为叉指宽度、2g为相邻叉指电极的间距、L为叉指长度。制作时，按此结构布上厚度约0.7 μm的铝电极叉指线，再在上面涂敷一层厚度约为2.5 μm的聚酰亚胺作为感湿介质。由于环境的相对湿度变化，感湿介质吸附/脱附水汽分子使其介电常数发生变化，从而引起湿敏电容的改变，通过片上电路检测此湿敏电容，最终获得所在环境的相对湿度信息。将湿敏电容器与检测电路集成在同一芯片上将大大降低寄生电容、增强传感器的抗干扰能力和检测灵敏度。

1.2 湿敏电容器的模型

湿敏电容器的截面图及其电力线的分布图3所示。可见，n根条形铝电极组成叉指结构中，除去两端1.5根外，共有(n-3)个相同的电极。

图1 片上集成湿度传感器芯片剖面图

图2 叉指夹心电容器的平面结构图

图3 湿敏电容器的截面图与电力线分布

图中，h1,h2,h3分别为硅衬底、二氧化硅及聚酰亚胺的厚度。

湿敏电容器是由边缘电容器和横向平行板电器容两部分组成[4]，即

C=C11+C22.

(1)

而边缘电容的表达式

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

(2)

式(2)中各电容计算如下

(3)

(4)

结合式(2)、式(3)、式(4)得到

(5)

其中

(6)

(7)

(8)

式中K(·)为第一类椭圆积分；k,k′为第一类椭圆积分的模数，它们可表示为

(9)

(10)

横向平行板电容为

(11)

式中ε3为聚酰亚胺介质的介电常数，ε0为真空中的介电常数，ε1为衬底Si的介电常数，ε2为SiO2的介电常数。

ε3与相对湿度x的关系[3]为

(12)

2 微变电容检测电路的设计与仿真

微变电容的检测电路[5]是利用方波信号把电容的变化转换为直流电压输出，通过输出电压就可以测量27 ℃下环境相对湿度的大小。测量电路原理如图4所示。

图4 微变电容测量电路

电路由方波信号发生器、开关电路、门控电路和输出电阻电容构成。方波信号发生器产生方波信号，作为电路的激励信号；开关电路由4个CMOS模拟开关K1,K2,K3,K4构成，在由2个非门G1,G2构成的门控电路的控制下，交替导通，从而使测量电容和参考电容在方波正半周期上轮流与2个耦合电容构成交流通路，进行充、放电。模拟开关由CMOS传输门和非门构成。CMOS传输门由一个NMOS管TN和一个PMOS管TP并联而成。当TN的控制端为高电平、TP的控制端为低电平时，TN或TP其中之一导通，相当于开关接通；当TN的控制端为低电平、TP的控制端为高电平时，TN和TP同时截至，输入与输出之间呈高阻状态，相当于开关断开。在激励信号的正半周期，非门G1输出低电平而非门G2输出高电平，此时，模拟开关K1的TP管控制端低电平、TN管的控制端高电平，耦合电容C0与Cr之间的模拟开关K1接通。同时，C0与被测电容CX之间的模拟开关K2断开；耦合电容C1与CX间的模拟开关K4导通，C1和参考电容Cr之间的模拟开关K3断开。激励信号通过耦合电容分别从电路的A点、B点通过模拟开关K1,K4对Cr与CX充电，在耦合电容较大时，出现在A,B点的交流信号的幅值基本上等于激励信号的幅值。负半周时，CX上的电荷通过开关K2向A点放电、Cr上的电荷通过模拟开关K3向B点放电，这样，在方波信号一个周期内将一定的电荷量从A点经电容Cr转移到B点，同时也有一定的电荷从B点经电容CX转移到A点。若构成模拟开关的4个传输门的特性一致且测量电容等于参考电容，则2个传输方向移动的电荷量相等，A,B两点不存在电势差，输出电压V为0。如果环境湿度增加，CX的电容值增大，则这种平衡条件被破坏，在激励信号的作用下从B点转移到A点的电荷多于从A点转移到B点的电荷，A点电位上升幅度高于B点电位上升幅度，这将使从B点转移到A点的电荷减少而从A点转移到B点的电荷增加，输出电容和输出电阻组成了自放电回路，经若干周期后，输出电容充电和放电在一个周期内的达到动态平衡。达到平衡后，A,B两点各自的直流电位同叠加在它们上面的交流激励信号通过双端输出抵消交流分量，输出信号只有直流信号VO，即A,B两点的直流电位差。输出直流信号大小的变化就可以反映出电容CX所处环境绝对湿度的变化。

参考文献[4] 制作工艺中各项取值和仿真结果如图5(a)。从曲线选取相对湿度的6个点所对应的电容值逐点赋予图4中的CX，在方波频率为25 MHz、幅度为3 V，输出电阻取10 kΩ、输出电容取2 pF、参考标准电容Cr取3 pF、电源电压3.3 V，用Candence spectre进行仿真，得到输出电压随相对湿度变化的关系曲线如图5(b)。在室温应用下无需补偿[6,7]。

3 结束语

研究用标准CMOS工艺的制作湿敏电容器的微结构，分析得出湿敏电容器的计算模型，设计了以电荷转移为特征的电压输出型微电容检测电路。模拟仿真结果表明：在整个相对湿度范围内湿度传感器输出电压为20～96 mV，并且呈现出良好的线性，适用于室温下湿度的检测而无需温度补偿，但微弱信号处理电路还有待进一步研究设计。

参考文献:

[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.