研究 · 2025
結合電容式與派藍尼機制之 CMOS-MEMS 壓力感測器以實現寬量測範圍
CMOS-MEMS Pressure Sensor with Extended Sensing Range via Integrated Capacitive and Pirani Mechanisms
國立清華大學動力機械工程學系畢業專題。我們四人在台積電 0.35 μm 製程上，設計一顆結合 Pirani 與電容式機制、目標量測 10²–10⁵ Pa 的單晶片壓力感測器；我負責電容式感測器的設計與量測分析。
- 我的角色
- 電容式壓力感測器元件設計、感測元件 layout 與量測分析（四人小組；指導教授：李銘晃 教授）
- 時間
- 2024 年 9 月 – 2025 年 12 月
- 狀態
- 完成
- 工具
- TSMC 0.35 μm 2P4M、COMSOL Multiphysics、L-Edit、Spectre、HSPICE、雷射都卜勒測振儀 (LDV)、LCR meter、AD7745
一、起點：一種感測原理，涵蓋不了從低真空到大氣壓
現有的氣壓感測器大多只針對一段壓力範圍設計，而且常常要外接讀出電路，很難做成單一晶片。Pirani 感測器在低壓很靈敏，但在常壓下變得非線性；電容式感測器適合高壓，靈敏度卻有限。
所以我們把兩種機制做在同一顆 CMOS-MEMS 晶片上：低壓段用以氮化鈦 (TiN) 為加熱元件的 Pirani 感測器，高壓段用 TiN 電容式薄膜，再接上晶片內建的九級環形振盪器 (Ring Oscillator)，把電容變化轉成頻率輸出。目標量測範圍是 10²–10⁵ Pa，可以用在氣密檢測、生醫晶片與微環境監測。
用頻率而不是類比電壓輸出，是為了降低雜訊，也讓後端比較容易數位化。
二、做法：我用 TiN 把電容間隙做到最小，再把四片薄膜接成陣列
我負責的是高壓段的電容式感測器。靈敏度取決於兩件事：電極間距要小、電極面積要大。
- 縮小間距：利用 CMOS 後段 (BEOL) 製程，選擇性去除金屬層，只留下上下兩層 TiN，形成懸浮的上下電極。間距越小，基準電容越大，壓力造成的相對變化也越明顯。
- 加大面積：把四片相同的薄膜接成 2×2 陣列，在不降低單片薄膜剛性的前提下，增加總電容面積。
- 兩種設計互為備案：一組間隙在 M2 層、一組在 M3 層。M3 薄膜較軟、靈敏度較高，但有殘留應力與變形的風險，所以另外做了剛性較高的 M2 版本。這組比較成了我們在「靈敏度與可靠度」之間取捨的依據。
- 後製程：先用硫酸與雙氧水濕蝕刻去除上層金屬，再用反應式離子蝕刻 (RIE) 開到 TiN，最後用鋁蝕刻液釋放薄膜，並以 Parylene-C 封膜讓薄膜下方保持真空。
模擬：先決定尺寸，再預估靈敏度
我用 COMSOL Multiphysics 模擬電容式薄膜在不同壓力下的撓曲、電容變化與共振頻率，最後選定 M2 薄膜 110 × 110 μm²、M3 薄膜 100 × 100 μm²。組員則用熱傳與結構力學模型，模擬不同導線長度與空氣間隙 (air gap) 對 Pirani 靈敏度的影響，再用實驗設計 (DOE) 挑出最佳組合。
模擬結果裡，M3 薄膜的頻率靈敏度是 109.1 Hz/Pa、M2 是 22.3 Hz/Pa，在 10–100 kPa 之間都維持良好線性。
讀出電路：讓訊號穩定，也讓功耗夠低
- Pirani 感測器搭配惠斯登電橋 (Wheatstone bridge) 和 dummy 元件做差動量測，抵消溫度漂移，讓低壓區的訊號更穩定。
- 電容式感測器接到九級環形振盪器，電容變化直接轉成頻率輸出。模擬的整體功耗約 0.02 W。
佈局：從感測元件畫到整顆晶片
我用 L-Edit 獨力完成感測元件的 layout 與 DRC (Design Rule Check) 驗證，也參與九級環形振盪器的 layout；下線前，由我負責整顆晶片的 layout 配置，確保設計完整一致。最後的下線報告獲得台灣半導體研究中心 (TSRI) 評定為 A 等級。
三、難點：薄膜確實放出來了，量到的電容卻大了四千多倍
晶片回來、做完後製程後，問題一個接一個：
-
共振頻率偏低：用雷射都卜勒測振儀 (LDV) 量到兩種設計都有共振峰，代表薄膜確實有釋放，但頻率都只有約 1.3 MHz，比模擬低（M3 模擬約 2.86 MHz、M2 約 1.91 MHz）。顯微鏡下看到 M3 的薄膜有位移、上層缺失、錨點 (anchor) 脫落；我判斷是蝕刻的側向侵蝕比設計時假設的寬。M3 版本因此確定無法使用。
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電容基值大得不合理：M2 版本用 LCR meter 量，電容確實隨壓力上升（75 kPa 時約 1,056 pF，100 kPa 時約 1,085 pF），趨勢正確；但模擬的電容只有約 0.25 pF，量到的大了四千多倍。
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換儀器也量不到：改用電容數位轉換器 AD7745（可量測 ±4 pF、內建補償上限約 17 pF），輸出卻直接飽和。
為了找出原因，我把感測元件拔掉，只量外接配線，結果還是飽和。也就是說，光是配線本身的寄生電容，就已經超過 AD7745 能補償的範圍。我確定了：問題不在薄膜，而在量測路徑上的寄生電容。
四、成果：完成下線、後製程與量測，找出每個失效的原因
- Pirani 感測器：換了真空腔後，量到從 1 Pa 起的完整響應曲線，在目標區段電壓與氣壓呈線性，趨勢與預期相符。
- 電容式感測器：M2 版本的電容隨壓力變化趨勢正確，並釐清寄生電容是量測失效的主因。
- 環形振盪器（組員主導，我參與 layout）：量到 195.4 MHz 的振盪輸出；把導線的寄生電感與電容加入模擬後得到 202.12 MHz，與實測相符。
和文獻比較
下表的「本作品」是設計階段的模擬值，兩篇文獻是實際量測值。
| 本作品 | 文獻 [1] | 文獻 [2] | |
|---|---|---|---|
| 數據來源 | 模擬 | 量測 | 量測 |
| 製程 | CMOS-MEMS（TSMC 0.35 μm） | CMOS-MEMS（TSMC 0.35 μm） | CMOS-MEMS（TSMC 0.35 μm） |
| 元件類型 | 雙機制（Pirani＋電容式） | 電容式壓力感測器 | Pirani 感測器 |
| 感測材料 | TiN | Metal 2 | TiN |
| 電容陣列 | 2 × 2 | 4 × 4 | — |
| 薄膜面積 | 100 × 100 與 110 × 110 μm² | 100 × 100 μm² | — |
| 靈敏度 | 電容式 0.000804 pF/kPa；Pirani 約 0.67 %/decade | 0.00042 pF/kPa | 0.8 %/decade |
| 量測範圍 | 約 0.1–10⁵ Pa | 0–3 × 10⁵ Pa | 約 8.3–10⁶ Pa |
| 整合讀出電路 | 電容式接環形振盪器 | 環形振盪器 | — |
和兩篇文獻相比，這個設計的特點是把 Pirani 和電容式感測器整合在同一套標準 CMOS 製程與後製程裡，用一顆晶片同時涵蓋低壓到高壓。
[1] C.-L. Dai, P.-W. Lu, C. Chang, and C.-Y. Liu, “Capacitive Micro Pressure Sensor Integrated with a Ring Oscillator Circuit on Chip,” Sensors, vol. 9, no. 12, pp. 10158–10170, 2009.
[2] M. Garg, P. Singh, and Y. Chiu, “Nanogap CMOS-MEMS Pirani Gauge Based on Titanium-Nitride Heating Element for Broad-Range Vacuum Characterization,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 71, no. 2, pp. 1214–1219, Feb. 2024.
五、下一步：補償蝕刻偏差，讓讀出電路靠近感測器
- 後製程：針對濕蝕刻與 RIE 的側向侵蝕做補償設計，例如調整開孔尺寸、保護層配置與強化錨點，降低薄膜位移與脫落的風險。
- 量測：把電容數位轉換器盡量放到感測元件旁、縮短配線，讓總輸入電容落在可補償範圍內，才能可靠地量到電容變化。
- 整合：晶片焊上 PCB 後，振盪器輸出卡在高電位；顯微鏡下薄膜出現色斑，推測 PECVD 後的殘留應力讓薄膜塌陷觸底。這也需要在後製程裡一併處理。