低功耗集成电容式压力传感器设计

阴雨晴，邓芳明，郝 勇

(1.华东交通大学现代教育技术中心，江西南昌 330013；2.华东交通大学机电学院，江西南昌 330013)



低功耗集成电容式压力传感器设计

阴雨晴1，邓芳明2，郝 勇2

(1.华东交通大学现代教育技术中心，江西南昌 330013；2.华东交通大学机电学院，江西南昌 330013)

采用0.18 μm CMOS工艺设计并制造了一种集成压力传感器。压力传感器单元由可移动上电极、介质膜及固定下电极组成，并由牺牲的金属层获得空气间隙。集成接口电路采用反相器替代传统开关电容放大器中的运算放大器，有效降低了电源电压，极大的降低了整体功耗。后期测试结果显示，所设计的集成压力传感器线性度高，温度稳定性好，在1.0 V电源电压下获得11.5 bits有效位数，仅消耗8.9 μW功率。

压力传感器；接口电路；CMOS工艺；低功耗设计

0 引言

基于微机电系统 (MEMS) 技术的压力传感器广泛应用于汽车电子、消费电子、以及工业电子中[1]。根据工作原理，MEMS压力传感器可以分为压阻式、电容式和谐振式3类。和其它2种压力传感器相比，电容式压力传感器具有低温漂、低噪声和较大的动态范围等优点[2]。互补金属氧化物(CMOS)工艺是当今集成电路设计和制造的主流工艺，基于CMOS工艺的MEMS压力传感器的设计研究不仅有利于集成接口电路等其他信号处理模块，而且适合大规模市场化。近年来，国内外已有一些关于CMOS MEMS电容式压力传感器的报到[3-7]，但文献[3]～文献[6]中方案没有集成接口电路设计，文献[7]所设计的压力传感器集成了电容—频率转换接口电路，但实际应用中还需额外采用频率—数字转换电路。

物联网已被确定为中国战略性新兴产业之一，随着物联网技术的飞速发展，适用于无线传感器网络节点和射频识别标签的低功耗传感器的研究成为热点。相对于接口电路，电容式压力传感器以电容器形式接入，不消耗静态功率，因此集成电容式压力传感器的功耗主要来源于接口电路。传统的电容式接口电路设计[8-10]首先采用电容-电压转换器，产生一个与传感器电容和参考电容差值成正比例的电压信号，再经过模数转换器完成电压-数字转换。这种设计方法能够获得高速和高分辨率性能，但由于采用了运算放大器，电路结构复杂，功耗高。近年来，将电容式传感器信号转换到时/频域处理的方法[11-12]可以获得超低功耗，但这种方法局限于速率较低的应用。

本文旨在采用CMOS工艺设计一种低功耗集成压力传感器。文中首先介绍了集成压力传感器单元设计，然后基于锁相环原理设计了一种全数字电容式传感器接口电路，最后对制造的集成压力传感器进行了测试，并得出结论。

1 压力传感器单元设计

MEMS压力传感器类似于平行板电容器，当外界压力作用于电容式传感器时，传感器两电极间受力引起极间距离的变化，从而引起传感器电容值的变化。假设平行板的面积为A，两板间距为d，则传感器电容值可以表示为

(1)

式中：C为电容值；ε为两极板间介质的介质常数。

式(1)中可以得到，电容值的相对变化为

(2)

式中：面积变化ΔA由外界压力引起的结构弯曲面积决定；Δd/d和ΔA/A是由结构的几何变化决定，一般假设为不变化；Δε/ε代表了电容率变化。

当外界压力作用于传感器上时，传感器腔体产生弯曲，上下电极位移增大，从而引起电容值变大。由于上下电极的弯曲不是处处相等，因此将x和y方向上的所有电容集成在一起可以得到总的电容值[4]

(3)

基于标准CMOS工序及MEMS后处理工艺，本文设计的压力传感器单元由可移动上电极、介质膜及固定下电极组成，其中介质膜由二氧化硅(SiO2)及空气间隙层构成。

图1为本文设计的压力传感器的制造工序图，可以分为3步：(1)在200 ℃下沉积并刻画一层多晶硅形成下电极，并旋涂一层SiO2作为电极保护层；随后溅射刻画一层厚度为1.5 μm的金属铝(Al)作为形成空气间隙的牺牲层，并在其之上覆盖一层SiO2保护层,如图1(a)所示；(2)在80 ℃真空环境下，采用用硫酸(H2SO4)蚀刻Al层以形成空气间隙层，如图1(b)所示；(3)在间隙层表面旋涂一层Al层作为上电极，再覆盖一层SiO2保护层，如图1(c)所示。图1(a)采用标准CMOS工序完成，而图1(b)与图1(c)由MEMS后处理工艺完成。如图2所示，为了增加压力传感器的灵敏度，本文设计的压力传感器由3×3个正方形压力传感器单元组成，每个单元具有相同的结构和尺寸，每个单元边长为200 μm。

图1 压力传感器制造过程

图2 压力传感器单元微照片

2 接口电路设计

综合考虑功耗与速率等因素，文中提出一种基于反相器的电容-数字转换接口电路图，它基于三阶Delta-Sigma调制器结构，并采用反相器替代传统Delta-Sigma调制器中的运算放大器，极大地降低了接口电路的功耗，同时具有高速率的特点。图3为本文提出的接口电路模块图，前馈滤波电路的使用有利于减小积分器的输出摆幅和提高调制器的线性度，而且减小的积分器输出摆幅能够采用反相器替代积分器中的运算放大器。与传统的三阶调制器[13]相比，为简化电路结构，本设计没有采用输入至量化器的直接前馈通路。为了获得调制器的量化噪声和kT/C噪声的最佳平衡状态，接口电路采用了3阶滤波器，经过推导可以获得接口电路比特流密度μ为

(4)式中：Cx为传感器电容值；Cref为外接参考电容;Coff为偏置电容。

图3 本文采用的接口电路模块图

图4为本文设计的接口电路图，传感器电容Cx作为采样电容接入调制器中，参考电容Cref为0.4 pF，偏置电容Coff用于抵消Cx的固定偏置部分，提高了接口电路分辨率。由于工艺偏差等因素容易造成传感器电容Cx的偏差较大，因此Coff采用可编程电容设计，范围为0.1～1.5 pF，步长为0.1 pF。与传统调制器设计方案[8-10]相比，本设计采用反相器替代完成运算放大器功能，且反相器设计采用电流受限型结构有利于提高电路的稳定性,如图5(a)所示。在初始阶段，如图5(b)所示，反相器完成单位增益功能，反相器通过电容Cc储存输入偏置电压。在随后的积分阶段，如图5(c)所示，这些电容提供电平移动来得到无偏虚地电压。共源共栅结构为了使反相器的直流增益提高至70 dB以上从而获得所需的精准度。调制器采用前馈拓扑电路保证积分器仅处理量化误差以获得较反馈拓扑更低的输出摆幅[14]。

3 测试结果

本文设计的集成压力传感器采用台湾积体电路制造公司 (TSMC) 0.18 mCMOS工艺制造，其测试示意图如图6所示。压力传感器被放置在真空箱中，其电容值测试采用安捷伦4284A电感电容电阻 (LCR) 测试仪，氮气箱为真空箱提供压力源，其压力大小由压力测试仪控制。

图7显示了不同温度下传感器接口电路数字输出和作用于传感器之上的绝对压力值之间的关系。分别在0 ℃、40 ℃和80 ℃下，绝对压力0～800 kPa范围内每隔50 kPa测试1次。从图中可以得到，在压力范围内，集成压力传感器输出都保持了良好的线性；在测量温度0～80 ℃范围内，传感器保持良好的温度稳定性，误差不超过8%。

图4 本文设计的接口电路

(a)电流型反相器

(b)自动归零相位

(c)积分相位

图6 集成压力传感器测试示意图

图7 传感器输出与绝对压力关系图

图8为常温27 ℃下压力传感器回滞特性测试图。在0～800 kPa的绝对压力范围内，测试了增压和减压两种情况，每隔50 kPa测试1次。从图中可以判断，增压和减压的测试中压力传感器都保持良好的线性，且无明显偏差，所设计的压力传感器具有良好的回滞特性。

图8 压力传感器回滞特性图

表1总结了本文设计的电容式传感器接口电路的性能，并与国内外近年来发表的电容式传感器接口电路方案进行了性能对比。与文献[8]～文献[10]相比，由于采用了反相器替代运算放大器，可以采用较低的1.0 V电源电压，极大的降低了整体功耗。虽然文献[12]获得了更低的功耗，但其有效位数仅为8.1 bits。

表1 集成电容式传感器接口电路性能对比

4 结论

采用标准CMOS工艺，本文设计一种集成了接口电路的压力传感器。压力传感器单元由可移动上电极、介质膜及固定下电极组成，其中介质膜由SiO2及空气间隙层构成。集成接口电路，采用反相器替代传统开关电容放大器中的运算放大器，极大降低了整体功耗。后期测试结果显示，所设计的集成压力传感器线性度高，温度稳定性好，在1.0 V电源电压下获得了11.5 bits有效位数和8.9 μW功率，在速率和功耗性能中获得了较好的折中。

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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

国家自然科学基金资助项目(21265006)；江西省科技厅青年科学基金资助项目(20142BAB217008)；华东交通大学校立科研基金资助项目(14DQ08)

2015-01-05 收修改稿日期：2015-03-13

TP212.2

A

1002-1841(2015)08-0016-03

阴雨晴(1984—)，助理工程师，研究方向为微机械传感器设计。E-mail：13755633966@163.com