东南大学硕士论文：单片集成MEMS电容压力传感器设计与性能分析

本文是一篇东南大学硕士学位论文，标题为"单片集成MEMS电容式压力传感器研究"，作者黄晓东，专业为微电子学与固体电子学，导师为秦明。研究旨在探讨如何利用先进的微电子技术实现低成本、低功耗、微型化的压力传感器，特别是在电容式传感器领域，这在工业自动化和物联网应用中具有重要意义。 论文的核心内容集中在设计一种一体式电容压力传感器，其构造采用了多晶硅、二氧化硅和硅等多层膜结构，借鉴了CMOS工艺中的MoS电容设计，实现了与CMOS工艺的高度兼容。这种设计的一个关键优势是解决了传统电容式传感器中密封腔内电极引出的问题，简化了制造工艺，从而提高了传感器的可靠性和生产效率。 作者使用有限元方法对传感器的复合膜机械特性和灵敏度进行了深入分析。研究中制造并测试了四种不同边长（1000nm、1200nm、1400nm和1500nm）的多层膜压力传感器，它们在460hPa至1060hPa的压力范围内，展现了不同的灵敏度，如1000nm传感器的灵敏度为1.8fF/hPa，1500nm传感器的灵敏度为4.6fF/hPa。这些传感器表现出良好的线性和非线性特性，其中1000nm传感器的全程线性度约为5%，而1500nm传感器的全程非线性度为6.4%，最大滞后误差为3.6%。 论文的亮点在于，通过对传感器性能的细致分析，发现电容的变化主要受介电常数变化的影响，而极板间距变化对电容灵敏度的影响可以忽略不计。为了检测压力，文章还介绍了基于振荡原理的接口电路设计，它能够将电容信号转换为频率，便于后续的信号处理和读取。 总体而言，这篇论文不仅提供了单片集成电容式压力传感器的设计方法，还通过实验验证了其性能，为微电子传感器领域的研发和应用提供了有价值的技术参考。在未来，随着物联网技术的发展，这种小型、高效的压力传感器有着广泛的应用前景，如环境监测、医疗器械、工业自动化等领域。