專利名稱：低頻振動(dòng)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動(dòng)測(cè)量裝置，尤其是涉及一種低頻振動(dòng)測(cè)量裝置。背景技術(shù)：
在某些領(lǐng)域，如大型旋轉(zhuǎn)機(jī)器、大型工程結(jié)構(gòu)、高層建筑、橋梁大壩等振
動(dòng)的頻率一般很低， 一般要求測(cè)量?jī)x器能測(cè)出0.5Hz左右的低頻振動(dòng)。對(duì)于低頻 乃至超低頻信號(hào)(S0.1Hz)是許多國(guó)內(nèi)外測(cè)量分析儀器的難點(diǎn)，對(duì)于S0.01Hz甚 至到O.OOlHz的極低頻信號(hào)，它們的測(cè)量分析幾乎是一個(gè)空白。對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行 監(jiān)測(cè)和故障診斷，都需要高的靈敏度和高的可靠性來滿足安全性的需要。如監(jiān) 測(cè)的發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)為發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行提供保證。橋梁自振特性測(cè)試為確定 橋梁運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)，當(dāng)橋梁長(zhǎng)年負(fù)荷運(yùn)行，或遭意外撞擊，橋梁的工作狀 態(tài)有可能發(fā)生改變。橋梁自振特性還可能導(dǎo)致影響車輛與橋梁發(fā)生共振。隨著 勘探技術(shù)的發(fā)展，用于接受地震信號(hào)的檢波器的需求量與日俱增，并提出了更 高的技術(shù)要求。.目前，在地震勘探中普遍使用的振動(dòng)傳感器的頻率有效范圍在 5Hz 500Hz之間，5Hz以下的地震信號(hào)很難準(zhǔn)確測(cè)量，而這些低頻信息對(duì)反演 地層結(jié)構(gòu)是非常有用的，但地震檢波器卻一直沒有大的突破。由于該類傳感器 得不到理想的原始信號(hào)，已成為石油物探的主要瓶頸之一。目前這類檢波器的 最大弊端就是靈敏度低。二是低頻段低的信噪比。由于在1Hz左右的振動(dòng)頻率 對(duì)慣性式傳感器的低頻特性提出了苛刻的要求，然而目前該類傳感器由于其機(jī) 械結(jié)構(gòu)的固有缺陷，在超低頻段(lHz及以下)，其輸出信號(hào)完全"淹沒"在噪聲中， 難以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。因此超低頻絕對(duì)振動(dòng)檢測(cè)一直是工程測(cè)試領(lǐng) 域的一大難題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種具有高靈敏度的低頻振動(dòng)測(cè)量裝置。 一種低頻振動(dòng)測(cè)量裝置，包括振動(dòng)傳感器和CMOS芯片，所述振動(dòng)傳感器
3集成在所述CMOS芯片上，所述振動(dòng)傳感器包含敏感單元，所述壽文感單元包括 含有浮柵的場(chǎng)效應(yīng)管和嵌入了金屬或多晶硅材料作柵極用于感應(yīng)振動(dòng)的質(zhì)量 塊，所述浮柵嵌入CMOS芯片的介質(zhì)層中，所述質(zhì)量塊置于CMOS芯片介質(zhì)層 的開口中，并與場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述質(zhì)量塊與場(chǎng)效應(yīng)管之間是空氣介質(zhì)層 與CMOS芯片的氧化硅介質(zhì)層，使得柵極與浮柵相對(duì)設(shè)置。
利用浮柵與漏極構(gòu)成的交疊電容，而增大場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)；柵極隨質(zhì)量塊 的振動(dòng)使柵極與浮柵構(gòu)成的耦合電容發(fā)生改變，進(jìn)而改變場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電流 大小，從而可以測(cè)量低頻振動(dòng)，達(dá)到高靈敏度的效果。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述介質(zhì)層中設(shè)有懸臂，所述質(zhì)量塊置于所述懸臂上， 使質(zhì)量塊可以自由振動(dòng)。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述場(chǎng)效應(yīng)管為厚氧晶體管，可以提高浮柵與漏極的 耦合電容在總電容的比例，從而進(jìn)一步提高靈敏度。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述場(chǎng)效應(yīng)管為自然場(chǎng)效應(yīng)管，所述自然場(chǎng)效應(yīng)管直 接內(nèi)置于襯底上，其溝道摻雜濃度為3x^"/cm^x川"/cm3。低的摻雜濃度降低 了雜質(zhì)散射，提高了信噪比。由于柵極懸空，從而降低單位面積的柵極氧化層 電荷波動(dòng)導(dǎo)致的溝導(dǎo)遷移率的波動(dòng)而造成的低頻噪聲，且降低了柵極泄漏電流 和亞閾值泄漏電流造成的噪聲，從而提高輸出電流并保持低的噪聲。


圖1為低頻振動(dòng)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2為測(cè)量裝置主要工作部分的結(jié)構(gòu)示意圖3為圖2所示的結(jié)構(gòu)的等效電路圖4為振動(dòng)位移-輸出電流圖5為0.05g慣性加速度下傳感器的幅頻特性圖6為自然場(chǎng)效應(yīng)管與常規(guī)場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲-頻率對(duì)比圖。
下面結(jié)合附圖進(jìn)行進(jìn)一步的說明。
具體實(shí)施方式
一種低頻振動(dòng)測(cè)量裝置，包括振動(dòng)傳感器和CMOS芯片，所述振動(dòng)傳感器 集成在同一CMOS芯片上，所述振動(dòng)傳感器是包含敏感單元的微電子機(jī)械系統(tǒng) (MEMS)，其中敏感單元為柵極浮置，即具有浮柵的場(chǎng)效應(yīng)管，利用浮柵與漏 極的耦合電容增加跨導(dǎo)，從而提高靈敏度，達(dá)到測(cè)量振動(dòng)的目的。
首先在SPICE工藝庫建才莫^沒計(jì)，在if反圖"^殳計(jì)中，選用0.18|um混合信號(hào)工 藝，3.3 V的厚氧場(chǎng)效應(yīng)管和自然場(chǎng)效應(yīng)管(Native MOS)。場(chǎng)效應(yīng)管寬長(zhǎng)比W/L 為208,場(chǎng)效應(yīng)管柵長(zhǎng)為1.2jnm，柵寬250(im。然后利用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。 CMOS流片后進(jìn)行無掩膜干法刻蝕和濕法腐蝕釋放微結(jié)構(gòu)。
CMOS芯片經(jīng)過干法刻蝕和濕法腐蝕工藝形成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。外層金 屬膜1覆蓋在CMOS芯片的氧化硅介質(zhì)層21上，作為微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS ) 的敏感單元的場(chǎng)效應(yīng)管3集成于CMOS芯片上。其中場(chǎng)效應(yīng)管3包括浮柵31、 源極(未標(biāo)示)、漏極32、襯底33及浮柵31與襯底33之間的厚氧柵氧化層34。 浮柵31置于所述CMOS芯片的氧化硅介質(zhì)層21中。
在CMOS芯片上有開口 22,在開口 22中與浮柵31對(duì)應(yīng)的位置的氧化硅介 質(zhì)層21設(shè)有包含金屬材料的柵極，即金屬柵極4的質(zhì)量塊5，場(chǎng)效應(yīng)管3與質(zhì) 量塊5相對(duì)設(shè)置。在質(zhì)量塊5和場(chǎng)效應(yīng)管3之間留出空間，形成空氣介質(zhì)層6。
在介質(zhì)層21中還設(shè)有懸臂7，質(zhì)量塊5置于懸臂7上，質(zhì)量塊5在懸臂7 上可以自由振動(dòng)。
本實(shí)施例中低頻振動(dòng)測(cè)量裝置的主要工作部分的示意圖如圖2所示，場(chǎng)效 應(yīng)管的浮柵31沒有與其它互連線相接，其上方間隔設(shè)置了包含金屬柵極4的質(zhì) 量塊5，質(zhì)量塊5可以上下振動(dòng)。其等效的工作電路圖如圖3所示，測(cè)量的工作 原理如下
結(jié)合圖2,在金屬柵極4上加CMOS芯片的一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)電壓，質(zhì)量 塊5振動(dòng)使金屬柵極4與浮柵31耦合形成可變電容Cfg。可變電容Cfg與場(chǎng)效應(yīng) 管的厚氧柵氧^層34的電容C。x串連。由于時(shí)鐘脈沖信號(hào)頻率遠(yuǎn)高于振動(dòng)傳感 器質(zhì)量塊5的振動(dòng)頻率，加在金屬柵極4上的電壓給可變電容Cfg與電容C。x充 電，并迅速達(dá)到平衡狀態(tài)。在振動(dòng)的某一時(shí)刻，可認(rèn)為可變電容Cfg是固定電容。由于浮柵31與漏極32也存在耦合電容Cfd，當(dāng)在漏極32和金屬柵極4分別加 電壓Vd和Vci時(shí)，通過漏極32和浮柵31的耦合電容Cfd以及可變電容Cfg在浮 柵31上感應(yīng)出高電位。質(zhì)量塊5在其振動(dòng)的每l/4個(gè)周期的任一時(shí)刻，可變電 容Cfg充電達(dá)到平衡后就對(duì)應(yīng)有不同的是固定電容值，于是不同的感生電場(chǎng)使浮 柵31下面的溝道區(qū)的電導(dǎo)性發(fā)生變化。進(jìn)而漏極電流發(fā)生變化，根據(jù)測(cè)量到的 漏極電流獲得振動(dòng)信號(hào)。
在本實(shí)施例中，選用的場(chǎng)效應(yīng)管為厚氧晶體管，由于厚氧晶體管的特性， 浮柵與漏極的耦合電容Cfd在總電容中的比例會(huì)比其他類型的晶體管的比例大， 增大Cfd在總電容中的比例能夠使浮柵上的電壓變化明顯，從而使場(chǎng)效應(yīng)管中溝 道的導(dǎo)電性變化，提高場(chǎng)效應(yīng)管在測(cè)量中的靈敏度，提高測(cè)量低頻振動(dòng)的效果。
利用HSPICE模擬的結(jié)果如圖4所示，質(zhì)量塊的柵極與浮柵的耦合電容的 可動(dòng)空氣間隙為0~ 100 nm時(shí)，單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的身文感單元，測(cè)量到的漏極 輸出電流在3.8mA-6.0mA之間。而在圖5中，振動(dòng)傳感器慣性力的慣性加速 度下，分辨率為0.05g/1.5埃，故敏感度達(dá)到3.7 juA/0.05g。。
另外，場(chǎng)效應(yīng)管為自然場(chǎng)效應(yīng)管(Native MOS ),如圖2所示，自然場(chǎng)效 應(yīng)管直接內(nèi)置于輕摻雜的P型襯底上，與標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)CMOS工藝完全兼容而不 需要額外的掩膜板，其溝道的摻雜濃度在3x7"Vcm^x/,/cm3,具有這種摻雜 濃度的場(chǎng)效應(yīng)管，其閾值電壓接近于零伏，從而提高輸出電流并保持低的噪聲 并消除了阱/體跨導(dǎo)造成的噪聲。利用HSPICE模擬的結(jié)果如圖6所示，從圖中 可以看出，自然場(chǎng)效應(yīng)管相對(duì)于常規(guī)的MOS管具有極低的噪聲。
在圖1中還可看到，4冊(cè)極4與浮柵31間的空隙分為兩部分，即一部分是空 氣層6, —部分是CMOS芯片的介質(zhì)層21，此種結(jié)構(gòu)的好處是可以避免因靜電 力超過彈性恢復(fù)力后導(dǎo)致質(zhì)量塊急劇向下移動(dòng)而產(chǎn)生吸合現(xiàn)象，導(dǎo)致無法回位。
以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的一種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)， 但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和 改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附 權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種低頻振動(dòng)測(cè)量裝置，包括振動(dòng)傳感器和CMOS芯片，其特征在于，所述振動(dòng)傳感器集成在所述CMOS芯片上，所述振動(dòng)傳感器包含敏感單元，所述敏感單元包括含有浮柵的場(chǎng)效應(yīng)管和嵌入了金屬或多晶硅材料作柵極用于感應(yīng)振動(dòng)的質(zhì)量塊，所述浮柵嵌入CMOS芯片的介質(zhì)層中，所述質(zhì)量塊置于CMOS芯片介質(zhì)層的開口中，并與場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述質(zhì)量塊與場(chǎng)效應(yīng)管之間是空氣介質(zhì)層和CMOS芯片的氧化硅介質(zhì)層，使得柵極與浮柵相對(duì)設(shè)置。
2. 如權(quán)利要求1所述的低頻振動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述介質(zhì)層中設(shè) 有懸臂，所述質(zhì)量塊置于所述懸臂上，使質(zhì)量塊可以自由振動(dòng)。
3. 如權(quán)利要求1所述的低頻振動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述場(chǎng)效應(yīng)管為 厚氧晶體管。
4. 如權(quán)利要求1所述的低頻振動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述場(chǎng)效應(yīng)管為 自然場(chǎng)效應(yīng)管，所述自然場(chǎng)效應(yīng)管直接內(nèi)置于襯底上，其溝道摻雜濃度為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低頻振動(dòng)測(cè)量裝置，包括振動(dòng)傳感器和CMOS芯片，所述振動(dòng)傳感器集成在所述CMOS芯片上，所述振動(dòng)傳感器是包含敏感單元的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)，其中敏感單元包括含有空氣柵介質(zhì)和浮柵的場(chǎng)效應(yīng)管，與浮柵相對(duì)設(shè)置有感應(yīng)振動(dòng)的包含有金屬柵極的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的振動(dòng)引起浮柵與金屬柵極間耦合電容的變化，導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管漏極電流變化，通過測(cè)量電流就可以獲知振動(dòng)信息，此外利用浮置的柵極與漏極的耦合電容增加跨導(dǎo)，從而提高靈敏度，達(dá)到測(cè)量低頻振動(dòng)的目的。
文檔編號(hào)H01L27/06GK101526394SQ20091010637
公開日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者于峰崎, 挺 俞, 彭本賢 申請(qǐng)人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院