金氧半微機電壓力感測器與感測電路

Design of CMOS MEMS Pressure Sensor and Readout Circuits

辛親德(Chin-Te Hsin)

指導教授 ： 施鴻源

淡江大學/工學院/電機工程學系碩士班/碩士(2019年)

https://doi.org/10.6846/TKU.2019.00719

摘要

在電子產業蓬勃發展，醫學技術先進的情況下，導致人口老化增加、死亡率下降、人口越來越多，文明病等疾病也層出不窮，因此將電子產業結合醫療成為一種趨勢。而台灣擁有先進的製程技術，能夠製作低功耗且面積小的晶片，達到生醫電子超低功耗的需求。感測方面由於目前微機電系統(MEMS)結構可相容於CMOS製程，可經由半導體製作出IC，因此在產業界和應用方面都是一個重大的突破。
由於世界趨勢走向生物醫學，在生物醫學和現代科技中最困難的地方就是生理需求的量測和應用，包括生理訊號感測，讀取和解讀。像是發現症狀，透過生理訊號來傳遞數據，醫療研究單位就能透過數據來了解症狀，找出治療方法。近年來，心血管疾病越來越受重視，病患只有在定期測量時才能發現血壓狀況，如果透過植入式血壓感測晶片，搭配附近醫院的聯絡機制，便能即時發現血壓狀況，因而有效降低心血管疾病的死亡率。
血壓是循環血液對血管壁施加的壓力，血壓通常以收縮壓(最大)與舒張壓(最小)表示，並以毫米汞柱(mmHg)為量測單位。在醫學治療中量測血壓主要有兩種方法：侵入式與非侵入式兩種，非侵入式像是聽診法與示波法量測起來比侵入式更簡單，更快速，不需要過多的專業知識，也幾乎沒有併發症，對於患者來說不這麼痛苦，但是非侵入式的準確度較低。侵入式系統除了擁有較高準確度外，還能夠持續監測患者血壓。
微機電系統結合半導體製程技術與精密機械技術，制造出小元件及功能整合的微系統。目前MEMS是世界各國積極介入的新興領域。微機電系統的製造技術主要是由目前半導體製造技術為基礎再加以延伸應用，主要的製造方式有體型微加工技術、面型微加工技術及LIGA技術。從1980年以來，半導體產業興起，使得商品得以縮小化、智慧化。然而微機電的成功發展，使得微感測器與微致動器也隨之產生。微機電產品擁有性能加強、成本低廉等優勢，目前已成為生活中息息相關的產品，像是能夠測量不同壓力範圍的壓力計、耳溫槍裡的溫度計、安裝在汽車上用來觸發安全氣囊的加速度計，還有正在研發中的生醫檢測與微光機電元件等許許多多的應用。
在本文中設計了 MEMS壓力感測器和讀取電路，侵入式MEMS壓力感測器採用電容式水平結構，當MEMS受到血壓的壓力後產生形變，而MEMS結構形變導致了電容容值的變化，讀取電路收到電容變化，經由電容電壓轉換器(CVC)電路把電容值轉換成電壓值，在經由開關式電容放大器(SCOP)電路將電壓值放大，最後經由類比數位轉換器(ADC)電路將類比電壓轉換為數位電壓輸出。
此設計中採用UMC0.18um CMOS MEMS來實現電容式壓力感測器並應用於檢測血壓，壓力感測器可量測範圍從4-40kPa，相當於30-300mmHg，感測器之靈敏度為6.53fF/kPa，經由讀取電路輸出結果效率為4.72mV/kPa。感測讀取電路功耗為6.46uW。
最後設計一個SAR 7-Bit ADC將類比訊號轉換成數位訊號，使用UMC0.18um CMOS標準製程來實現電路。其工作電壓為1.8V，取樣頻率為5000Hz，對大功耗為48.114uW。

關鍵字

微機電系統 ； 壓力感測器 ； SAR ADC

並列摘要

A CMOS MEMS pressure sensor for blood pulse and pressure measurement applications is proposed. A capacitive pressure sensor implemented in UMC 0.18 μm CMOS MEMS process is adopted to sense blood pulses and pressure. A readout circuit is designed and integrated with the MEMS sensor. The MEMS sensor has a simulated sensitivity of 6.53 fF/kPa with a sensing range of 4-40 kPa (30-300 mmHg). The overall system has a measured conversion gain of 4.72 mV/kPa. The power dissipation of the whole circuit is only 6.46 μW.
Finally, a SAR-ADC is designed to convert the output analog signal of the previous sensing circuit into a digital signal .The sampling rate is 5KHz.The maximum concumed power is 48.114uW under 1.8V power supply.

並列關鍵字

CMOS ； MEMS ； PressureSensor ； SAR-ADC

參考文獻

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