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论文介绍了北京大学开发的采用深隔离沟槽来实现CMOS-MEMS惯性器件单片集成的技术。在对原有工艺和流片结果进行分析后改进了原有的集成工艺,设计了新的陀螺的接口电路,并与两种结构的电容式Z轴双解耦陀螺实现了单片集成。
论文首先介绍了北京大学开发的采用深沟槽隔离的单芯片体硅陀螺集成工艺的基本流程,分析了该集成工艺中的关键技术,主要包括无空洞填充隔离沟槽、填充后实现平坦化工艺、背腔腐蚀工艺等。对原有的集成工艺中存在的残余硅问题进行了分析,提出了去除残余硅的方法
第二章介绍了CMOS-MEMS集成系统的电学仿真。将整个集成系统分为陀螺结构部分、隔离沟槽部分、电路部分并且分别建立模型,然后结合实际的加工工艺进行参数提取并进行模拟,从而起到指导集成系统设计的作用。
第三章和第四章介绍了陀螺驱动端和检测端的接口电路,主要包括环形二极管接口电路和连续时间电荷放大器。其中针对陀螺的驱动端还设计了闭环自激的振荡电路,使得陀螺驱动端工作在本征频率。
本文还研究了陀螺失调电容的补偿技术,包括数字控制的外接电压补偿技术和自适应的闭环失调电容补偿技术。其中自适应的闭环失调电容补偿技术的原理是:利用分离出的失调电容信号来控制可变增益放大器的增益,然后将可变增益放大器的输出负反馈到电荷放大器的输入端,将失调电容所引起的输出电压信号从电荷放大器的输出中消除,从而实现对失调电容的补偿。
环形二极管电路在CSMC进行了流片,电路测试性能良好,电容的检测效率达到3mv/fF。电荷放大器电路和闭环驱动电路已经在CSMC流片完成,进行了初步的功能验证,即将进行进一步的测试。
集成工艺的测试结果表明,沟槽的隔离性能良好,结构的强度大,同时针对该进行的工艺兼容性分析表明该工艺和5微米以上的CMOS工艺完全兼容。