MEMS与CMOS的工艺整合创造新型传感器

用于整合信号调节电路与传感元件的传统技术往往迫使厂商在产品成本和性能方面作出技术与商业上的妥协。现在,通过整合微机电系统(MEMS)工艺与标准的0.65微米CMOS工艺,工程师可以创建一种新的合成压力传感器,它克服了以前单芯片设计中的许多性能限制。

通过整合硅微机械工艺与高级的混合信号CMOS电路,我们可以克服单芯片传感器的许多早期限制。一个典型案例是,由压阻型压力传感器组成的合成压力传感器可以在与CMOS电路相同的6英寸晶圆上制造。CMOS电路将执行偏置、灵敏度、多级温度补偿和误差纠正等校正功能。片上的E²PROM可以存储器件的校正系数。

现在的制造工艺流程允许在前半阶段执行所有标准的CMOS步骤,而在完成硅电路后执行微机械加工步骤。

集成是出于以下考虑:压阻型压力传感器要求信号调节电路能够兼容大多数电子控制系统,甚至与之互换。每个传感器元件具有其自己的特性,而且对压力和温度都非常敏感。

信号调节功能包括对偏置和全范围变化进行校正,从而确保每个单元能够互换；对偏置和全范围变化进行温度补偿；以及其它功能,如线性纠正、诊断和滤波等。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图1:不同信号调节和误差纠正方法的比较。">

用于整合信号调节电路与传感元件的传统技术往往迫使厂商在产品成本和性能方面作出技术与商业上的妥协。

单芯片方法可以实现低成本和小尺寸,但在许多情况下不得不牺牲器件的性能,因为单片制造工艺对电路和传感器设计有许多限制。

混合方法采用ASIC或者分立电路来调节信号。在许多情况下,这些方法比单片器件具有更好的性能,并提供了更大的灵活性:只需简单地更换元件就能适应新的设计。不过,这些混合方法的成本通常没有单片方法那么低,而且尺寸更大,并需要额外的装配步骤。更多的电气和机械连接也令人担心潜在的可靠性问题。

许多技术可以用来存储每个传感器的校正和补偿值。方法之一涉及到厚膜电阻,即在完成器件测试后利用激光调节厚膜电阻以达到温度补偿的目的。另一种方法涉及电子调节校正,即采用熔丝、齐纳二极管、片上可调电阻等一次性可编程技术或E²PROM等可重编程技术将补偿和校正值写入芯片中。

E²PROM等可重编程技术允许将系数多次写入器件中,并允许在制造过程中实时编程,或根据给定器件的测试数据在完成装配后进行编程。

Silicon Microstructures公司的合成压力传感器是MEMS传感器设计师与混合信号IC设计师的合作成果,它吸收了每种技术的优势,使器件达到最大的性能。该传感器带有E²PROM,采用了标准的0.65微米混合信号CMOS工艺。所有CMOS工艺都在前期执行,后期则执行MEMS工艺。这种工艺流程使电路性能不必作出那么大的牺牲,同时能获得更好的传感器性能。

此外,“CMOS优先”的方法能够使CMOS工艺流程保持连续性,从而获得更佳的制造流程。采用这种方法,我们能在大批量生产中保持对工艺的控制。

紧随CMOS工艺步骤之后的MEMS工艺不会对CMOS功能造成负面影响。这些工艺包括硅蚀刻,以形成压敏膜；以及对玻璃衬底的阳极邦定,用于绝对压力配置、探测、晶圆切割和检查。

合成压力传感器上的电路提供了许多可调节的参数。根据生产测试数据,工程师可以通过采用E²PROM对器件编程,来调整ASIC中的以下参数:

＊预放大器增益:共16级,32到152(2.5V偏置时为16到76)；

＊ 预放大器增益标志:1位(正或负输出)；

＊ 预放大器偏置:共16级,0到49.5mv；

＊ 预放大器偏置标志:1位(正或负输入)；

＊ 用于压力和温度校正的20个系数；

＊ 输出钳位:以40mV为一步的独立调节；

＊ 输出滤波器:以1、2、4、8、16、32、64、128和256步完成1到256的转换,相当于1至256ms。

合成压力传感器电路包括信号调节和校正的所有功能:放大、纠正、跨距校正以及调节压力与温度系数的温度补偿和多级非线性校正等。

该系统使用一个8倍过采样的11位模数转换器,可以提供有效的14位数据转换分辨率。然后,数据被送到板上DSP接受处理,它将根据存储在板上E²PROM中的校正系数对A/D数据进行纠正。纠正后的信号被输入到12位数模转换器,然后再由此DAC驱动输出放大器。输出放大器可以驱动超过2nF的电容,因此能符合汽车环境对电势抑制的要求。

校正精度

校正是通过在多个温度和压力下测量传感器来完成的。从A/D转换器获得的未校正数据通过每个数据点的数字I/O读出。然后,由外部校正计算机决定最小误差,并将压力、温度的校正顺序和校正系数载入E²PROM,再执行校正验证以检查是否满足所期望的校正精度。

在线性化之前,未纠正的输出数据包含正负误差(相对理想的传递函数)。在本例中,一个三阶压力传递函数足以用来定义压力的非线性。采用这种曲线拟合法后,总误差能够从约1.75%减少到约0.2%。器件的性能会随温度而变化,因此在其它温度点的校正将增加那些温度点的压力精度。通过减少第二温度点的压力误差,总误差将会降低。

采用的DSP算法能够纠正不同程度的压力非线性,并进一步修正来自其它介质接口且与温度有关的压力非线性。

在CMOS工艺步骤完成后,晶圆从CMOS工厂被运送到MEMS工厂,然后进行硅蚀刻以及晶圆邦定、切割和测试等最终的工艺步骤。得到的裸片被发运给客户或组装在各种封装中。

这种新的单片压力传感器在同一芯片上构建了所有信号调节和压力传感功能。合成压力传感器克服了以前单芯片设计中的许多性能限制。

合成压力传感器提供了比单芯片压力传感器更高的性能,同时与混合配置方案相比,减少了尺寸和成本。它采用与标准0.65微米CMOS工艺兼容的工艺流程以及MEMS工艺,其片上E²PROM可以存储传感器的校正和补偿值。测试结果表明,与未补偿的器件相比,合成压力传感器的性能得到显著提高。

除了压力传感器外,这种合成技术还可以扩展到其它器件,如加速计、陀螺仪及其它类型的传感器。

作者:Machael

战略客户开发部总监

Henry

工程副总裁

Silicon Microstructures公司