目前,硅压力传感器正朝着低成本、低功耗、微型化、智能化的方向发展,而单片集成是实现以上趋势的有效途径。硅压阻式传感器和电容式传感器是压力传感器的两种主要类型。与前者比较,电容式传感器具有高灵敏度、低功耗、低温票等优点,但是压阻式传感器更容易实现单片集成,原因在于它不存在从密封腔内引出电极的问题。目前单片集成电容式传感器主要采用CMOS工艺与表面微机械相结合的方式制造。使用这种方式制造的传感器除了工艺复杂以外,牺牲层释放时的粘连性问题也降低了传感器的成品率。此外通过该方法加工的电容式传感器,通过电容极板间距的变化来响应压力的变化,由于电容值与极极间距呈反比,该类型电容具有很大的非线性。 本文设计了一种固体式电容压力传感器,传感器由多晶硅/二氧化硅/N阱硅等三层膜组成,该传感器电容结构与CMOS工艺中的MOS电容相同,因而完全与CMOS工艺兼容。该传感器还避免了密封腔内电极引出的问题,简化了工艺步骤,提高了传感器的可靠性。使用有限元方法对传感器复合膜的机械特性以及灵敏度进行了分析。设计并制造了1000μm、1200μm、1400μm、1500μm等四种不同边长多层膜压力传感器,在460hPa到1060hPa的动态范围,相应灵敏度分别为1.8 fF/hPa、2.3 fF/hPa、3.6 fF/hPa、4.6fF/hPa。对于边长为1000μm传感器,其灵敏度为1.8fF/hPa,全程非线性度约为5％,在460-660hPa、660-860hPa以及860-1060hPa分段压力范围,相应的局部非线性度分别约为2.2％、2.7％、3.9％。对于边长为1500μm传感器,其灵敏度为4.6fF/hPa,全程非线性度为6.4％,最大滞回误差为3.6％。分析结果表明：介电常数变化使电容减小,而极板的几何形变使电容值增加,两者变化趋势恰好相反,同时介电常数变化是引起电容变化的主要原因,极板间距变化对电容灵敏度的贡献可忽略。 本研究采用的接口电路基于振荡原理,它将电容转化为频率,完成电容检测。接口电路主要由两部分组成：电容-频率转化电路和差频电路。电容-频率转化电路通过张驰振荡器实现,用于将电容转化为与之相关的频率。差频电路用于实现两个频率之差,该级电路的作用是使用类似“差分”方法,消除了温度,寄生等共模干扰对电路稳定性的影响。这部分电路利用D触发器实现。测试结果表明：接口电路精度约为11Hz/fF。集成传感器采用标准CMOS工艺和后处理工艺相结合的方法加工。后处理工艺主要包括：体硅背面刻蚀,PN结自停止腐蚀和阳极键合。采用Post-CMOS微机械加工技术制造传感器,保证了CMOS工艺次序不被打断。与普通电容式传感器比较,该传感器具有以下特点：(1)避免了密封腔极板电极引出,简化了工艺步骤,而且该电容传感器与CMOS工艺完全兼容。(2)传感器主要因为电容介质层介电常数变化引起电容变化,具有较高的灵敏度和线性度。(3)确定了使用Post-CMOS工艺制作传感器,避免打断正常的CMOS 工艺流程。采用背面体硅加工艺制造传感器,避免了表面微机械加工的粘连问题,提高了产品成品率。(4)大的初值电容和较高的灵敏度降低了对接口电路的要求。