CMOS-MEMS低功率壓力感測系統單晶片(SSoC)

CMOS-MEMS LOW POWER PRESSURE SENSING SYSTEM-ON-A-CHIP(SSoC)

邱奕翔(Eason Yi-Hsiang Chiu)

指導教授 ： 徐永珍 ； 盧向成

國立清華大學/電機資訊學院/積體電路設計產業研發碩士專班/碩士(2009年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2009.00043

摘要

本論文提出一種以CMOS標準製程 ，實現整合類比電路與微機電結構為單晶片(SENSING SYSTEM-ON-A-CHIP,SSoC)，之低功率消耗壓力感測晶片的新穎設計架構。其設計原理是利用半導體材料POLY SILICON之壓阻(PIEZORESISTIVE)特性，並設計成四個電阻之電橋電路，將壓力轉換成電阻變化量，進而使電壓準位改變，再經由低功率消耗之儀表放大器(LOW POWER INSTRUMENT AMPLIFIER)對改變之電壓進行雜訊抑制與訊號放大，最終成功將壓力轉成類比訊號輸出；此外，此架構可不必像傳統微機電(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS,MEMS)製程設計之壓力感測晶片一樣，需使用微機電元件與類比電路分別為兩獨立晶片之Two Die解決方案，可有效降低微機電元件與類比電路之間之雜訊(NOISE)產生，以及可有效降低生產成本。

晶片的製作是透過國家晶片設計中心，以TSMC 2P4M 0.35um CMOS標準製程來完成，整個系統設計包括：(1)MEMS壓力感測器，其壓阻變化為100mV的數量級；(2)儀表放大器，為低功率消耗之儀表放大器，其功率消耗為30uW的數量級；(3)CMOS-MEMS後製程；其透過標準CMOS製程製造出來後，再經由乾蝕刻(DRY ETECHING)的RIE(REACTIVE ION ETECHING)與等向性蝕刻(ISOTROPIC ETECHING)兩道半導體製程，釋放金屬铝(METAL)及介電質二氧化矽(OXIDE)兩堆疊之半導體材料，實現微機電結構；最後以一穩定壓力，對MEMS壓力感測器施予壓力，並於示波器量測輸出端得到相對應之電壓訊號。

本研究論文很重要的意義，在於整合單晶片之設計，符合台灣現有之半導體標準製程，在未來更有機會能大量生產，並且應用於市場。除此之外，我們採用低功率消耗的介面放大電路，非常適合應用於未來輪胎壓力監控系統(TIRE PRESSURE MONITORING SYSTEM,TPMS)等，需無線遠端監控壓力感測的應用中。

關鍵字

微機電 ； 壓力 ； 感測

並列摘要

無資料

並列關鍵字

CMOS-MEMS ； MEMS ； PRESSURE ； SENSOR

參考文獻

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