[发明专利]一种灵敏大信号输出微型压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种灵敏大信号输出微型压力传感器。

背景技术

随着科技的发展，在传感器领域中，需要采集处理的信号越来越微弱，已 经达了纳米级，这些信号容易被噪声淹没且不易检测。同时传感器的尺寸也随 之不断减小，目前微弱信号传感器的尺寸已突破100nm向40nm尺寸进军，如 果继续减小，传感器的尺寸将接近电子的德布罗意波长，量子效应将变得更加 显著，尺寸小于10nm就会出现一些如库仑阻塞等新的特点；另一方面处理电 路也越来越复杂，一般传感器输出信号为电容信号、温度信号或化学量等非电 学信号，在对这些微弱信号处理时，要保证一定的精度和分辨率，一般信号处 理电路包括信号采集部分、信号放大部分、校准部分和信号转换部分等，而传 感器和后端处理电路之间的接口部分一直是阻碍传感器系统实用化发展的“瓶 颈”。

现在主要采用的方法是利用微电子机械系统MEMS技术把传感器加工成 微型悬臂梁、微型桥结构，其结构如图1所示。在微型桥和衬底间形成一个电 容，当负载沿垂直方向作用时，极板间距减小，电容量增加，其变化就可以通 过适当电路进行检测并转换成电压信号输出。这种传感器可以较为准确的测量 微弱信号，但后继电路设计相当复杂，而且后端读出电路难以标准化，这是因 为各种传感器输出的信号截然不同，对后端读出电路不可能统一，这样每一种 传感器都需要一套信号处理专用电路。这样对系统来说，既需要传感器的设计 又需要后继电路的设计，同时由于微型传感器的集成度高，输出信号非常小， 容易受到系统中寄生电容、分布电容等的影响。所以，目前在微型传感器领域 研究的核心问题，就是通过对微米及纳米尺度范围内传感信号处理结构的改 进，使其具有以下几方面的功能：一是直接把传感信号转化为电信号；二是完 成信号的放大；三是可以对放大信号进行处理。

目前较为先进的是CAP-FET(电容-场效应晶体管)的新型MEMS传感 器结构，其结构示意图如图2所示，其设计方法是将传感器电容设计到MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)器件栅极的电介质中，使MOSFET器件栅 极作为传感器电容的上极板，这样当上极板移动时，MOSFET器件栅极的电介 质电容就会改变，从而使得MOSFET器件源-漏极间的输出电流直接改变，创 建出了电容-电流传感器。图2中传感器上极板是密封真空谐振腔上的多晶硅 薄膜，这种结构可以作为压力传感器来使用。

采用这样的结构可以把MOSFET器件浮栅的机械位移直接转化为电流，通 过浮栅来控制传感器的电流输出，并在制造传感器时可以与CMOS制造工艺兼 容，使用一种工艺模块。

这种CAP-FET结构的传感器，主要优点是可以直接把传感器信号转换为 电信号输出，但是输出的信号非常微弱，如图3的曲线图所示，所以对输出信 号必须加上复杂的处理电路，而一般放大电路仍然是以晶体管为核心构成的， 另外还需加上各种外围电路，这样依然会使电路结构非常的复杂，不能突出显 现CAP-FET结构的优越性，甚至会使输出结果产生严重的误差，这也正是 CAP-FET结构没有广泛使用的原因；另外，从CAP-FET的结构方面来讲， 它是直接将传感器电容部分设计到MOSFET器件的栅电介质中，把MOSFET 器件的浮栅作为传感器的上极板，但同时却使得MOSFET器件的面积容易受传 感器电容面积的影响，使MOSFET的栅长度过大，导致信号传输困难；另外， 由于栅上电容的影响，使MOSFET器件有很高的阈值电压，不适合在CMOS电 路中工作；而从CAP-FET的尺寸方面来讲，它的尺寸已经达到深亚微米级和 纳米尺度范围内，MOSFET器件的短沟道效应非常明显，这样为了保持对短沟 道效应的栅控，栅电介质的厚度必须减小，就需要开发使用高介电常数的材料， 提高了传感器的开发应用成本。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明实施方式提供一种灵敏大信号输 出微型压力传感器。

本发明实施方式所述灵敏大信号输出微型压力传感器，包括传感器电容部 分和金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET器件，其中所述传感器电容部分 的导电浮动层调整延伸到MOSFET器件的栅绝缘层，形成MOSFET器件的浮 栅。

所述导电浮动层在一个电介质层上形成传感器电容部分的底板。

所述MOSFET器件的栅绝缘层包括氧化膜或氮氧化介质。