COMS-MEMS集成的基于MOSFET嵌入式橋梁結(jié)構(gòu)的壓力傳感器

COMS-MEMS集成的基于MOSFET嵌入式橋梁結(jié)構(gòu)的壓力傳感器摘要這篇文章主要講了基于MOSFET嵌入式橋梁結(jié)構(gòu)的高靈敏度壓力傳感的電流鏡傳感器的設(shè)計(jì)和仿真。一個輸出電流為1mA電流鏡電路是使用標(biāo)準(zhǔn)的5μmCMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的。電流反射鏡的晶體管輸出形成了主動壓力傳感MOSFET，由于通道流通外部施加的壓力，它的漏極電流產(chǎn)生了改變。溝道區(qū)域的壓力傳感MOSFET形成了橋梁結(jié)構(gòu)和應(yīng)變傳感元件，MOSFET的壓阻效應(yīng)已經(jīng)被用于計(jì)算應(yīng)變引起的載流子遷移率的變化。COMSOLMultiphysics是用于壓力傳感橋梁結(jié)構(gòu)的仿真。T-Spice是用來評估電流反射鏡壓力傳感電路的特性。仿真結(jié)果表明了嵌入式MOSFET橋梁結(jié)構(gòu)具有24.08mV/MPa的靈敏度。結(jié)構(gòu)優(yōu)化以后可以得到1.61V/MPa的壓力靈敏度。此外，由于電流鏡像晶體管和負(fù)載電阻和電源電壓和工作溫度之間的不匹配所引起的壓力傳感MOSFET的漏極電流變化也進(jìn)行了討論。這些基于嵌入式MOSFET壓力傳感器的橋梁結(jié)構(gòu)適用于醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。I簡介作為一個有前景的應(yīng)用技術(shù)，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和金屬互補(bǔ)氧化物半導(dǎo)體（CMOS）結(jié)合的壓力傳感器在生物醫(yī)療傳感器和儀器的領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷增加[1]。血壓是一個最重要的參數(shù)去檢測一個病人的健康。動脈血壓（IABP）測量技術(shù)[2]包括用一個放在插入了主要動脈并且充滿液體的導(dǎo)管的壓力傳感器直接測量動脈血壓。動脈血壓通過流體運(yùn)輸使壓力傳感器的彈性膜片產(chǎn)生偏移。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的壓阻效應(yīng)[3-4]是一種最有前途的不同尋常的傳感技術(shù)，它提供了完全兼容標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝。最近，基于MOSFET的CMOS和MEMS結(jié)合的壓力傳感器被提出，且發(fā)展起來了。在最簡單的MOSFET壓力傳感器的實(shí)現(xiàn)過程中，壓阻式應(yīng)變傳感和彈性元件在壓力下產(chǎn)生偏移形成了溝道區(qū)域的MOSFET[5]。溝道里的分布的應(yīng)力調(diào)制漏極電流使MOS晶體管溝道遷移率改變。MOSFETS連接在惠斯頓電橋上去感應(yīng)膜片的偏移也有被報(bào)道[6-7].這些膜片基于嵌入式的MOSFET壓力傳感器只有很低的壓力靈敏度。基于可移動的懸浮柵MOSFET壓力傳感器也同樣在發(fā)展。這些傳感器主要問題是制造過程復(fù)雜和靈敏度低?，F(xiàn)在的工作是利用硅橋結(jié)構(gòu)去設(shè)計(jì)一個高靈敏度的基于MEMS的CMOS壓力傳感器。在這篇文章中，我們首先描述了電流鏡橋式MOSFET的基本理論模型。接下來討論了一系列關(guān)于用COMSOLMultiphysics和T-Spice軟件去仿真壓力傳感器的結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性的問題。此外，優(yōu)化了這個基于橋梁結(jié)構(gòu)MOSFET以保證傳感器靈敏度。在健康和生物醫(yī)療智能傳感器應(yīng)用的設(shè)計(jì)上，這個項(xiàng)目邁出了一大步。II基于嵌入式橋梁結(jié)構(gòu)MOSFET的電流鏡傳感嵌入式電流反射鏡MOSFET橋梁結(jié)構(gòu)是基于MOSFET壓阻效應(yīng)的壓力傳感器設(shè)計(jì)的。電流反射鏡壓力傳感器的電路如圖1(a)所示。這些傳感電路的設(shè)計(jì)是為了有1mA的電流輸出且使用標(biāo)準(zhǔn)5μmCMOS工藝。這個壓力傳感電流反射鏡電路由參考MOSFET(M1)和壓力傳感MOSFET(M2)所組成。這個壓力傳感MOSFET結(jié)構(gòu)原理圖如圖1（b）.在這個結(jié)構(gòu)里，M2的溝道區(qū)由可變橋梁在壓力下產(chǎn)生偏移組成。這個偏移的結(jié)果導(dǎo)致漏極電流變化，因?yàn)闇系肋w移率改變了。這個電流的變化通過電阻RD轉(zhuǎn)化成電壓的變化。輸出電壓是和漏極終端電流鏡晶體管M1和M2獲得的壓力成比例的。這些表1給設(shè)備的參數(shù)是用來設(shè)計(jì)和仿真這個基于橋梁的壓力傳感器的。圖1.（a）帶有參考MOSFET（M1）和壓力傳感MOSFET（M2）的壓力傳感電流鏡電路（b）基于橋梁壓力傳感MOSFET的橫截面視圖1、橋：形狀、大小和形狀方形1、橋：形狀、大小和形狀方形的橋梁、100μm×100μm×2.5μm、硅2、使用5μmCMOS技術(shù)的n-MOSFET壓敏電阻（1）漏極電流，ID(sat)=1mA=1000μA（2）驅(qū)動電壓，Vov=8.104V柵源電壓,VGS=9.104V（3）初始電壓,VA=V′A×L=2000V（4）輸出電阻,r0=VA/ID(sat)=2M?（5）n-MOSFET的等效壓敏電阻的電阻,R=2M?（6）N溝道MOSFET等效壓敏電阻的尺寸:100μm×100μm×0.5μm（7）N溝道MOS等效壓敏電阻器的電阻率,ρ=(R×W×t)/L=1?m（8）N溝道MOSFET的壓阻系數(shù):π11=1020×10-12Pa-1,π12=-534×10-12Pa-1,π44=136×10-12Pa-13.使用TSpice路設(shè)計(jì)電流鏡電路（1）參考電流,Iref=1mA=1000μA（2）柵源電壓,VGS=8.71892V（3）電阻,R=(VDD-VGS)/Iref=1280?III．基于橋梁MOSFET壓力傳感器的理論模型壓力傳感器的仿真機(jī)械傳感元件：橋著這個項(xiàng)目中的基于壓力傳感器的嵌入式MOSFET橋是由硅組成的。在負(fù)載下橋梁結(jié)構(gòu)的位移和壓力分布的分析方法很發(fā)達(dá)。在MOSFET中的壓阻效應(yīng)在這個部分，依據(jù)的是MOSFET的漏極電流在機(jī)械壓力用壓阻效應(yīng)在n溝道，當(dāng)MOSFET運(yùn)行在飽和狀態(tài)漏極電流ID(sat)和輸出電阻r0的關(guān)系為，在這兒，μn代表著溝道里的電子遷移率，COX是每個單位的氧化層電容，W和L是溝道的寬和長，VTN和VA是閾值電壓和n溝道MOSFET的初始電壓。在機(jī)械壓力下MOSFET管漏極電流的變換僅僅是由于溝道遷移的變化引起的。[10]因此，MOSFET溝道能被組織等于MOSFET輸出電阻的的等效電阻（RH）代替(RH=r0)。因此，在流動過程中微小的變化(Δμ/μ)與在溝道中電阻的變化(ΔRch/Rch)成反比，公式為：在這里，πl(wèi),πt,σl和σt是縱向和橫向的壓阻系數(shù)和應(yīng)變分量。在飽和區(qū)域的漏極電流這可以寫為C.電流反射鏡感應(yīng)一個基于電流反射鏡電路而且有負(fù)載電阻(RD)的n溝道MOSFET被用于感應(yīng)輸出電壓，這個輸出電壓被漏極段子電流源晶體管M1和有源晶體管M2獲得，輸出電壓公式為IV基于壓力傳感器的嵌入式橋梁結(jié)構(gòu)MOSFET的仿真基于COMSOLMultiphysics的有限元分析是用于分析嵌入式橋梁結(jié)構(gòu)的MOSFET的結(jié)構(gòu)行為，和n溝道MOSFET管相當(dāng)于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)。一個嵌入n溝道MOSFET等效壓敏電阻（參數(shù)在表1）的硅橋結(jié)構(gòu)組成的三維有限模型是用COMSOL幾何工具構(gòu)造的。接下來是材料的定義，幾何的嚙合，然后是合適的結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)置和電流傳導(dǎo)問題。2000V(DC)電壓的輸出相當(dāng)于在MOS等效壓敏電阻施加2M?壓力時MOSFET的初始電壓。壓力是以向下的方向加在橋梁的上表面的。然后就可以執(zhí)行這個方案了。圖2（a）顯示了硅橋結(jié)構(gòu)外面的偏移量。最大的偏移量是在兩個固定邊的中間。圖2（b）顯示了在1MPa壓力下上表面的正常的x方向的應(yīng)力分布。這個仿真結(jié)果清晰表明了最大的應(yīng)力是在固定的邊附近。壓力導(dǎo)致溝道電阻的變化從而使得通過MOSFET等效電阻通過的電流變化。圖3顯示了溝道電阻隨著壓力變化而變化（數(shù)據(jù)從COMSOL仿真獲得）。然后計(jì)算了等效遷移率隨著壓力的變化（4）。圖（4）顯示了溝道遷移率隨著施加壓力變化的細(xì)節(jié)。在1MPa壓力下每減少37.33K?MOSFET等效電阻，溝道遷移率增強(qiáng)14.27cm2/Vs。圖3.從圖3.從COMSOL獲得的MOSFET等效壓敏電阻和壓力的關(guān)系T-Spice是用來估計(jì)使用5μmCMOS技術(shù)且基于電流鏡電路的n溝道MOSFET的特性的。這個電流鏡電路不僅提供了對壓力傳感MOSFET所必要的偏置電流，而且將漏極電流轉(zhuǎn)化成輸出電壓。COMSOL的仿真中得到隨著壓力改變遷移率的數(shù)據(jù)，可以使用到壓力傳感MOSFET的spice模型中。圖5（a）顯示了在施加壓力情況下壓力傳感MOSFET漏極電流的變化函數(shù)。圖5（b）顯示了在施加壓力在（0~1）MPa，且每次改變100KPa的情況下壓力傳感MOSFET的ID和VDD特性。圖5中的插圖是漏極電流ID與VDD

的關(guān)系且VDD變化范圍是（3.5～5）V。在VDD=5V且壓力為1MPa的情況下漏極電流大約提高了19μA。圖6顯示了在壓力下輸出電壓（VDS1，VDS2）的函數(shù)關(guān)系。仿真結(jié)果表明基于橋梁結(jié)構(gòu)壓力傳感器MOSFET的靈敏度大約是24mV/MPa.圖4.從圖4.從COMSOL獲得的等效遷移率和壓力的關(guān)系圖圖6在壓力下，從電流晶體管M1和M2漏極終端獲得輸出電壓（VDS1-VDS2）函數(shù)關(guān)系圖圖5.（a）漏極電流和壓力傳感MOFET施加壓力的關(guān)系（b）從T-SPICE獲得的MOSFET壓力變化時電流和電壓的特性V結(jié)果和討論從圖6的仿真的結(jié)果可以看出，獲得了24mV/MPa的低傳感靈敏度，這主要是因?yàn)闇系肋w移率有效改變比較低。在圖2（b）橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力在外表面的分布表明最大應(yīng)力分布在固定的邊，而且是正向應(yīng)力和拉伸的。這種應(yīng)力漸變成負(fù)應(yīng)力或者壓縮應(yīng)力且在橋的中央達(dá)到最大。拉伸和壓縮這兩種應(yīng)力的組合導(dǎo)致了低的有效遷移率改變，從而導(dǎo)致了低的靈敏度。通過將MOSFET’s溝道放在最大拉伸或者最大壓縮的區(qū)域可以提高有效的溝道遷移率改變，這樣的話流動性改變要么是正的要么是負(fù)的?；谶@個，傳感器的結(jié)構(gòu)可以改變成圖7，兩個MOSFET和一個長10μm寬100μm放置在橋梁結(jié)構(gòu)的中間（壓縮區(qū)域）和兩邊（拉伸區(qū)域）。這些MOSFETs的溝道電阻是200K?.這個用來設(shè)計(jì)和仿真這個被改進(jìn)的壓力傳感器的參數(shù)在表2給出1、橋：形狀、大小和形狀方形的橋梁1、橋：形狀、大小和形狀方形的橋梁、100μm×100μm×2.5μm、硅2、使用5μmCMOS技術(shù)的n-MOSFET壓敏電阻（1）漏極電流，ID(sat)=1mA=1000μA（2）驅(qū)動電壓，Vov=2.536V柵源電壓,VGS=3.563V（3）初始電壓,VA=V′A×L=2000V（4）輸出電阻,r0=VA/ID(sat)=200K?（5）n-MOSFET的等效壓敏電阻的電阻,R=200K?（6）N溝道MOSFET等效壓敏電阻的尺寸:10μm×100μm×0.5μm（7）N溝道MOS等效壓敏電阻器的電阻率,ρ=(R×W×t)/L=1?m（8）N溝道MOSFET的壓阻系數(shù):π11=1020×10-12Pa-1,π12=-534×10-12Pa-1,π44=136×10-12Pa-13.使用TSpice路設(shè)計(jì)電流鏡電路（1）參考電流,Iref=1mA=1000μA（2）柵源電壓,VGS=3.33915V（3）電阻,R=(VDD-VGS)/Iref=6650?圖7.改進(jìn)的基于橋梁結(jié)構(gòu)的壓力傳感MOSFET圖8顯示了每個MOSFET溝道電阻隨著施加壓力線性變化的函數(shù)。在壓力下，一個MOSFET的溝道區(qū)域放在固定的邊附近感應(yīng)拉伸壓力，其余的放在硅橋梁結(jié)構(gòu)的中間感應(yīng)壓縮壓力，MOSFET1的溝道電阻在壓力下增長一個線性單位，然而，MOSFET2的溝道電阻增長了兩個線性單位。在1MPa的壓力下MOSFET1和MOSFET2的溝道電阻分別增長了31.68K?和減少了21.55K?圖8，從COMSOL仿真中獲得的改進(jìn)等效電阻的阻值隨著壓力變化的函數(shù)在變化壓力下MOSFET1和MOSFET2的等效溝道遷移率接著從（4）計(jì)算出來。圖9顯示了在每個MOSFET的溝道遷移率和壓力的線性函數(shù)關(guān)系。在拉伸應(yīng)力下溝道遷移率減小，在壓縮壓力下增加。在1MPa壓力下，將MOSFET放在拉伸區(qū)域，溝道遷移率減少了102.57cm2/Vs，但是，將MOSFET放在壓縮區(qū)域，溝道遷移率增加了90.58cm2/Vs。圖9.從COMSOL仿真獲得的改進(jìn)MOSFET等效電阻遷移率和壓力的關(guān)系圖10顯示了改進(jìn)的電流鏡壓力傳感電路的原理圖。和之前討論的部分相似，這個電路圖由作為參考晶體管的電流源MOSFET（M1）和兩個分別放置在固定邊和中間的晶體管，作為壓力傳感晶體管的輸出MOSFETs（M2和M3）圖10.由參考MOSFET（M1）和主動MOSFETs（M2放置在橋梁結(jié)構(gòu)的固定邊附近，M3放置在中間）電流鏡壓力傳感電路原理圖圖11顯示了在壓力下兩個主動MOSFETs（M2和M3）的漏極電流的變化，從獲得的數(shù)據(jù)，M2和M3的漏極電流分別大約減少了130μA和21μA。這些漏極電流的變化通過負(fù)載電阻RD被轉(zhuǎn)化成了電壓。圖12（a）顯示了在壓力下M2和M3的電流和柵源電壓的關(guān)系。我們可以再次看到在晶體管M2和晶體管M3的漏極和源極電壓是相反的。圖12（b）顯示了輸出電壓和壓力的關(guān)系。在1MPa的壓力下，(VDS1–VDS2),(VDS1–VDS3)和(VDS2–VDS3)的輸出電壓分別為862.9mV,750.29mV和1.61V。仿真結(jié)果表明改進(jìn)的基于橋式的MOSFET壓力傳感器的壓力靈敏度大約為1.61V/MPa。這個項(xiàng)目研究的橋式結(jié)構(gòu)MOSFET的壓力靈敏度要比最近報(bào)道的基于膜片的傳感器更高[11-12]圖11.放在橋式結(jié)構(gòu)固定邊和中間的壓力傳感MOSFET的漏極電流和壓力的函數(shù)關(guān)系圖12.（a）MOSFET放在橋式結(jié)構(gòu)固定邊和中間的主動MOSFET的漏極和源極電壓和壓力的函數(shù)關(guān)系。（b）從電流晶體管M1，M2和M3的漏極終端獲得的輸出電壓(VDS1-VDS2),

(VDS1-VDS3)and(VDS2-VDS3)基于嵌入式壓力傳感MOSFET的傳感器性能可以被主動和被動設(shè)備之間的不匹配影響[13-14],圖13說明了漏極電流的變化和鏡晶體管（a）閾值電壓VTH不匹配（b）載流子遷移率μn不匹配（c）負(fù)載電阻RD2不匹配（d）供給電壓變化（e）溫度的變化這些參數(shù)的變化都能影響主動MOSFET的漏極電流從而導(dǎo)致M1和M2漏極終端輸出的偏置電壓，因此，為了達(dá)到足夠的產(chǎn)量，設(shè)計(jì)電路時必須考慮設(shè)備之間的匹配因素。圖13.（a）基于電阻負(fù)載的n溝道MOSFET的電流鏡電路。使用T-SPICE仿真時，MOSFETs的長和寬分別為10μm和100μm.M2漏極電流變化和閾值電壓曲線（b）[VthM1=1V,VthM2=(1±0.05)V]的斜率是–804.48μA/V。（c）載流子遷移率[μnM1=750cm2/VsandμnM2=(750±10)cm2/Vs]的斜率為1.255μA/(cm2/Vs)，（d）負(fù)載電阻[[RD1=6650?andRD2=(6650±100)?]]的斜率為–9.1nA/?。變化漏極電流ID(=ID1=ID2)和供給電壓[VDD=(10±0.5)V]的關(guān)系（e）的斜率為128.12μA/V。（f）操作溫度[(25±5)℃]的斜率為–0.438μA/℃VI．結(jié)論本文章對基于橋式電流鏡MOSFET壓力傳感器進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，包括其性能和分析模型的特性描述。用有限元分析軟件COMSOLMutiphysics和T-Spice仿真了壓力傳感器的結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性。此外，由于設(shè)備、變化的電壓和操作溫度導(dǎo)致電流鏡MOSFETs的漏極電流的變化也被討論了。這個優(yōu)化的基于橋式結(jié)構(gòu)的MOSFET保證了壓力傳感器的靈敏度并且可以集成到復(fù)雜的信號處理CMOS電路，實(shí)現(xiàn)了一個完整的片上系統(tǒng)（SOC）的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用參考文獻(xiàn)[1]A.C.R.Grayson,R.S.Shawgo,A.M.Johnson,N.T.Flynn,Y.Li,M.J.Cima,andR.Langer,“ABioMEMSReview:MEMSTechnologyforPhysiologicallyIntegratedDevices,”Proc.IEEE,vol.92,pp.6–20,2004.[2]S.N.Hunyor,J.M.Flynn,andC.Cochineas,“Comparisonofperformanceofvarioussphygmomanometerswithintra-arterialbloodpressurereadings,”BritishMedicalJournal,vol.2,pp.159–162,1978.[3]C.Canali,G.Ferla,B.Morten,andA.Taroni,“PiezoresistivityeffectsinMOSFETusefulforpressuretransducers,”J.Phys.D:Appl.Phys.,vol.12,pp.1973–1983,1979.[4]Z.Z.Wang,J.Suski,D.Collard,andE.Dubois,“PiezoresistivityeffectsinN-MOSFETdevices,”IEEEInternationalConferenceonSolid-StateSensorsandActuators,pp.1024–1027,24–27Jun.1991.[5]DianzhongWen,“StudyonPiezoresistiveEffectofPressureMOSFETFormedbyPolysiliconFilms,”Proceedingsofthe3rdIEEEInt.Conf.onNano/MicroEngineeredandMolecularSystems,pp.86–89,6–9Jan.2008.[6]Z.H.Zhang,Y.H.Zhang,L.T.Liu,T.L.Ren,“ANovelMEMSPressureSensorwithMOSFETonChip,”IEEESensorsConference,pp.1564–1567,26–29Oct.2008.[7]X.Zhao,D.Wen,andGangLi,“FabricationandCharacteristicsofannc-Si/c-SiHeterojunctionMOSFETsPressureSensor,”Sensors,vol.12,pp.6369–6379,2012.[8]C.L.Dai,P.H.Kao,Y.W.Tai,C.C.Wu,“MicroFETpressuresensormanufacturedusingCMOS-MEMStechnique,”MicroelectronicsJournal,vol.39,pp.744–749,2008.[9]M.H.Bao,AnalysisandDesignPrinciplesofMEMSdevices,ElsevierPublications,FirstEdition,2005.[10]A.T.Bradley,R.C.Jaeger,J.C.Suhling,andK.J.O'Connor,“Piezoresistivecharacteristicsofshort-channelMOSFETson