压阻式压力传感器信号噪声比改进研究(2)

时间:2013-07-16 19:24:45 来源:论文投稿

 
  Bae通过考虑改变压阻条的几何形状及输入信号[2]来提高信噪比(SNR),其中几何形状包括压阻条的长度[L]以及拐点数[n。]由上述的噪声公式知[V1f]与压阻条总载流子数目[N]有关,也与电阻条阻值有关,而[Vj∝R,]也与电阻值有关,Bae等人在针对几何形状的压阻条推导出信噪比: 
  [SNR=VnoiseVin=4kBTV2inρlwtl+αqfwtl1l] 
  前半部分为热噪声,SNR随着压阻条长度[l]增加而增加,后半部分是[1f]噪声,SNR随着压阻条长度[l]增加而减小,因此两者趋势相反,需要折衷考虑求最优解。 
  若考虑SNR最大化,则对应的参数[(n,l)=](10,2.7 mm),SNR=60,而假若考虑输出信号摆幅最大化,则[(n,l)=](4,0.75 mm),对应的SNR=24,前者SNR是后者的2.5倍。为了使SNR最大化,需要以牺牲输出摆幅为代价。 
  C Pramanik等人研究了压力传感器SNR与压阻条长度[L,]厚度[d,]以及掺杂浓度的关系[3],对应的图形如图3所示。由于[V1f∝1N,]即[1f]噪声与压阻条总载流子数目[N]成反比。随着掺杂浓度的增加,则压阻条总载流子数增加,对应的[V1f]降低,其SNR增加。同时SNR也随着长度[L]的增加而增加,增加幅度较明显,而SNR也随着厚度[d]的增加而增加,增加幅度不是很明显。因此考虑SNR最大化时主要考虑提高掺杂浓度和长度[l。] 
   
  图3 SNR与压阻条长度、厚度及掺杂浓度的关系 
  文献[4]考虑了相关的优化参数:薄膜的形状(圆形还是方块);薄膜厚度的一致性(有没有中心凸起座);压阻条的各向异性和弹性等。他们通过引入一个修正的信噪比参数[η]来优化薄膜的晶面和压阻条的晶向,其中[η]考虑了非线性与噪声的关系,但是没有考虑尺寸关系。由图4可以看到,在{110}薄膜上沿<111>晶向排列的压阻条,比在{100}薄膜上沿<110>晶向排列的压阻条的[η]大,因此当{110}薄膜为方形且有中心凸起座,而压阻条沿<111>晶向排列,此时为最优化解,即其修正信噪比[η]最高。 
   
  图4 修正的信噪比参数[η]与角度关系 
  4 结 语 
  通过对噪声起源分析,并通过文献搜索与阅读[5?6],汇集了一些有针对性的降低噪声的方法,这也为将来设计高信噪比的压力传感器提供了参考。但是上述的提高SNR方法中往往是以牺牲其他参数为代价的。例如提高掺杂浓度能够降低噪声和温度系数,但是也降低了灵敏度;而Bae 等人通过优化[n,][l]来提高SNR则是以牺牲输出摆幅为代价;而在传感器表面增加很厚的保护凝胶来抑制感应电荷的形成,由于凝胶弹性问题有可能引起严重的迟滞问题,即输出电压跟随输入气压变化时的延迟时间增加。因此器件设计往往是一个折衷式设计,往往需要考虑多个性能参数,来达到所需要的最优化方案。 
  参考文献 
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  [3] BAE B, FLACHSBART B R, PARK K, et al. Design optimization of a piezoresistive pressure sensor considering the output signal?to?noise ratio [J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004, 14: 1597?1607. 
  [4] KANDA Y, YASUKAWA A. Optimum design considerations for silicon piezoresistive pressure sensors [J]. Sens Actuators, A, 1997, 62: 539?542. 
  [5] HOA P L P, SUCHANECK G, GERLACH G. Low?frequency noise spectroscopy of semiconductor piezoresistive sensors [C]// Proceedings of 2000 MICRO Tech. [S.l.]: [s.n.], 2000,2:711?715. 
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  [7] NERI B, CIOFI C, DATTILO V. Noise and fluctuations in submicrometric Al?Si interconnect lines [J]. IEEE Transactons on Electron Devices, 1997, 44: 1454?1459. 
  [8] O.N.Tufte,E.L.Stelzer,Piezoresistive properties of silicon diffused layers [J]. Journal of Applied Physics, 1963, 34: 313?318.


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