1  引言

      微机械半导体压力传感器按工作原理通常可分为压阻式、电容式、谐振式等，其中压阻式线性度和稳定性好，制作工艺简单，输出信号是方便使用的电压；电容式和谐振式灵敏度高，温度稳定性好，可实现数字化频率输出。但是各类压力传感器又有自身的限制和不足，相比于电容式和谐振式，压阻式的灵敏度较小，但电容式制作工艺难度大，而且检测的电容信号过小，易于被寄生电容淹没。谐振式制作工艺更加复杂，且机械耦合会引起一些非线性等不良问题。目前使用最为广泛的是压阻式压力传感器。

      为了进一步提高和完善压力传感器的性能，本文在压阻式压力传感器的基础上，基于MOS晶体管的力敏效应，提出了一种新型的MOS晶体管式压力传感器。

      目前国内外对MOS晶体管的力敏效应还没有系统的理论研究，但利用此效应研究人员已研制了一些器件，如MOS偏转检测器，MOS环振式加速度传感器等。本文将MOS晶体管和压敏电阻组成电桥结构制作在薄膜上，利用其力敏效应来感知压力。

      2  MOS晶体管力敏效应

      半导体材料受到作用力后，电阻率发生变化的现象称为半导体的压阻效应。对于MOS晶体管，在沟道区也存在类似的效应，称之为力敏效应。

      图1为MOS晶体管的结构图，图中的MOS晶体管有三个电极：栅极G、源极S和漏极D。根据工作状态的不同，MOS晶体管的源漏电流和源漏电压的关系分成线性区和饱和区两部分。源漏电流对应有如下两个表达式

      式中：COX为MOS晶体管的栅电容；VT为阈值电压；W／L为宽长比；VGS为栅源电压；VDS为源漏电压。

      由式(1)和式(2)可以看出，MOS晶体管的源漏电流与迁移率成正比。在应力作用下，MOS晶体管的源漏电流会因为载流子迁移率的变化而变化，这就是MOS晶体管的力敏效应。类似硅材料的压阻效应，MOS晶体管的力敏效应可由下式表示

      式中：σl，σt分别为纵向应力和横向应力(图1)；πl，πt分别为纵向压阻系数和横向压阻系数。实验证明，p型沟道的MOS晶体管比n型沟道的晶体管具有更稳定的力敏效应，且在(100)晶面上沟道为[110]方向时力敏效应更为显著。

      3  MOS晶体管式压力传感器的设计和原理

      从上面的分析可以得到，MOS晶体管的源漏电流和沟道内迁移率成正比，而迁移率的变化量和所受应力成正比。考虑到这种力敏效应，提出了一种新型的MOS电路结构的力敏传感器，其结构和电路框架如图2所示。两个PMOS晶体管和两个压敏电阻被制作在压敏薄膜上构成压敏电路。为了获得高灵敏度，晶体管和压敏电阻被放置在靠近薄膜边缘的高应力区域。

      两个MOS晶体管有完全相同的尺寸(W／L)、阈值电压VT以及相同的栅源电压，且两个压敏电阻具有相同的阻值，故MOS晶体管的起始工作状态完全相同。当器件不受应力作用时，压敏电路处于平衡状态，输出为零；当器件有应力作用时，MOS晶体管的力敏效应和电阻的压阻效应使得电桥平衡被打破，器件输出和压力成正比的电压信号。

      该传感器中，两个MOS晶体管均工作在饱和状态，由于电路的对称性，在无压力作用时

      Vout1=Vout2=V0    (4)

      有应力作用时，硅材料的电阻率发生变化。压敏电阻的相对变化量与应力有如下关系

      式中：R为桥臂电阻；σ为应力；π为硅材料的压阻系数。同时，MOS晶体管的迁移率也要发生变化，假设其变化量为△μP，则输出电压为

      由于，故MOS晶体管式压力传感器的输出电压Vout∝测量压力p，这就是该传感器的工作原理。
     
      4  器件制作及性能

      MOS晶体管式压力传感器采用先制作硅杯结构后制作电路的工艺方案，其主要工艺步骤如下：选用<100>晶向的n型硅片；双面热氧化和LPCVD，分别生长SiO2和Si3N4；然后在硅片背面腐蚀形成硅杯结构和压敏薄膜；去除SiO2和Si3N4后在硅片正面生长场氧；先后三步离子注入形成压敏电阻条、源漏区和电阻连接条并凋节沟道开启电压；接着在高温下顺序通入Nz和O2的氛围中退火；溅射Al并刻蚀Al条；最后采用金硅键合形成压力参考腔。

      灵敏度和功耗是表征微机械压力传感器的两个重要参数，针对这两个参数对MOS力敏传感器和传统压阻式力敏传感器进行了如下分析比较。

      4.1  灵敏度
     
      当有压力作用时，MOS晶体管1和电阻2的迁移率变小，而MOS晶体管2和电阻1的迁移率变大，假设在单位压力作用下，MOS晶体管和电阻的变化量分别为△μP和△μR，则其灵敏度为

      式中，μR0和μP0分别指电阻和晶体管在无压力作用下的迁移率。

      4.2  功耗

      功耗是传感器芯片的另一个重要的性能指标，特别是当传感器用于外接电池环境时。当电源电压为Vdd时，MOS晶体管式压力传感器的功耗为

      4.3  灵敏度和功耗比较

      传统压阻式压力传感器采用硅杯结构，4个等值的p型薄膜电阻沿同一方向分布在薄膜边缘，并组成惠斯通电桥电路。压敏电阻在薄膜上的分布和压敏电桥结构见图3。

      当使用电压源供电时，压阻式压力传感器的灵敏度和功耗分别为

      比较式(7)～(10)，可得MOS式压力传感器的灵敏度和功耗分别是压阻式压力传感器灵敏度和功耗的2α(1+β)和2α倍，即

      式中：α表征电路结构的一个参数，通过调整MOS晶体管的工作点对其值进行调节；β表征MOS晶体管的力敏效应，可通过MOS晶体管的结构和制作工艺进行调节。
     
      该MOS晶体管式压力传感器的性能如图4所示，当其和压阻式压力传感器采用相同电源电压Vdd并使得其压敏电桥中流过相同的电流时，两种传感器功耗相等，α取值0.5；当β分别取0.6，0.8，1时，MOS晶体管式压力传感器的灵敏度分别是压阻式压力传感器灵敏度的1.6，1.8，2.0倍。此外，当改变α取值时，可以获得更高的灵敏度或更低的功耗。

      5  总  结

      本文提出了一种新型MOS晶体管式压力传感器，该器件在保持传统压阻式压力传感器稳定性好、制作工艺简单且与标准IC工艺兼容等优势的基础上，灵敏度大幅提高并可具有更小的功耗。