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1、第8期电子学报Vol.29No.82001年8月ACTAELECTRONICASINICAAugust2001MOS力敏运算放大器岳瑞峰,刘理天,李志坚(清华大学微电子学研究所,北京100084)摘要:利用MOSFET的压阻效应,本文提出了力敏运算放大器的概念、基本原理和设计思想.作为其应用之一,研制出一种新型集成压力传感器———集成MOS力敏运放压力传感器.这种压力传感器具有很高的压力响应灵敏度,可望在诸多领域有广泛应用.关键词:力敏运算放大器;压阻效应;集成压力传感器+中图分类号:TP212112;TN722177文献标识码:A文章编号:037222112
2、(2001)0821032203Stress2SensitiveMOSOperationalamplifierYUERui2feng,LIULi2tian,LIZhi2jian(InstituteofMicroelectronics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Theconcept,fundamentalanddesignmethodologyofstress2sensitiveoperationalamplifierareproposedonthebasisofpiezoresistivee
3、ffectofMOSfield2effecttransistor.Asoneofitsapplications,anovelintegratedpressuresensorwithstress2sensitiveMOSoperationalamplifierisdesignedandfabricated.Thiskindofpressuresensorisofveryhighpressuresensitivityandpromisingtoachievewidespreadapplicationinmanyfields.Keywords:stress2sens
4、itiveoperationalamplifier;piezoresistiveeffect;integratedpressuresensor1引言向垂直情况下的横向压阻系数.由于MOSFET的漏电流ID与在模拟集成电路中,运算放大器是最常用的基本单元,它载流子迁移率μ成正比,则:能用来处理各种模拟信号,完成放大、振荡、调制和解调、模拟ΔID/ID=Δμ/μ=ΔR/R(2)信号的加、减、乘、除和比较等功能.由于力学量敏感元件的输这里R为反型层沟道电阻.由式(1)则同样有:出信号一般都很小,必须经过处理电路放大变换才能满足应ΔID/ID=π1σ1+πσtt(3)
5、用的要求,所以实现敏感元件与信号处理电路一体化(即单由文献[3]可[1,2]知,MOSFET的漏电片集成)直至智能化是传感器的一个主要发展方向.当前,集成传感器的发展已显示出这样一种趋势,即将敏感元件流相对变化率与应作为处理电路的一部分,使敏感元件既起着探测信号的作用,变为线性关系,其随[3～5]晶面、晶向和沟道导作为处理电路中的元件又起着相应的电路功能的作用.这种趋势使敏感元件与处理电路的联系越来越紧密,给集成电类型的不同而有传感器的设计带来了极大的灵活性,有可能使电路大为简化.显著差异;在有些情为此,本文利用MOSFET的压阻效应提出了力敏运算放大器况下,
6、受张应力和压的设想,并将其应用于压力检测中,研制出了高灵敏度集成应力时的压阻系数MOS力敏运放压力传感器.也有明显不同;P沟图1PMOS力敏差分对管器件压阻特性明显2工作原理好于N沟器件,并且在(100)面上,沟道沿[011]方向时压阻根据压阻效应,在应力作用下,硅材料的电阻率和载流子效应显著;N沟器件的压阻系数与栅压关系密切,而P沟器件迁移率将会发生变化.电阻的相对变化量与应力有如下关系:的压阻系数几乎不受栅压影响.因此,在(100)面上沿[011]ΔR/R=π1σ1+πσtt(1)方向的PMOSFET最适于作为压阻力敏元件.式中σ1、σt分别为纵向和横向应
7、力,π1是指电流方向与应力现在考察图1所示PMOS差分输入对管M1和M2.如果方向一致情况下的纵向压阻系数,πt是指电流方向与应力方采用将其栅级间短路并接地,则:收稿日期:2000207212;修回日期:2000211220第8期岳瑞峰:MOS力敏运算放大器1033VG1=VG2=VG=0(4)型硅杯结构,芯片尺寸为5mm×5mm,膜片尺寸为2mm×2mmI0=ID1+ID2(5)×20μm.根据有限元法分析硅杯结构的应力分布,将PMOS差当受到应力为零时,PMOS差分输入对管的沟道迁移率相分输入对管集中设置在N型(100)Si上的最大应力区,并使它等,们的沟
8、道方向分别沿[011]和[011]方向
