郭凤鸣，李　兵，邓芳明（1.湖南机电职业技术学院汽车工程学院，长沙410151；.合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥30009）

适用无源射频识别标签的集成压力传感器设计*

郭凤鸣1*，李兵1，2，邓芳明2
（1.湖南机电职业技术学院汽车工程学院，长沙410151；2.合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230009）

针对无源射频识别（RFID）传感器标签发展的需求，采用商业化互补金属氧化物（CMOS）工艺，设计了一种集成电容式压力传感器及其接口电路。集成压力传感器采用金属层M1作为下电极，牺牲的金属层M2作为间隙层，通过过孔连接的金属层M3和M4及其介质构成上电极。传感器接口电路基于锁相环原理，采用全数字结构，将传感器信号转移到频率域处理。后期测试结果显示，所设计的压力传感器线性度高，温度稳定性好，接口电路在1 V电源电压下，只消耗了0.6μW功率，尤其适用于无源RFID标签的设计。

压力传感器；RFID标签；CMOS工艺

无源射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递和识别目的，具有识别准确率高、识别距离远、存储量大、成本低、无需单独电源供电等特点，被广泛应用于生产、物流、交通管理等领域［1］。无源RFID标签与传感器相集成，可以拓宽标签应用范围，降低系统成本、减小电路面积及提高系统稳定性，已成为一种趋势［2-3］。无源RFID标签接收阅读器发送的无线信号，并经标签内部电路转换为直流电压为芯片供电，其功耗是无源RFID标签关键的性能指标。

基于微机电系统MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术的压力传感器已广泛应用于消费类电子、汽车系统及环境监测等，可分为压阻式、电容式和谐振式3类。电容式压力传感器相比其它两种传感器，具有低温漂、低噪声和较大的动态范围等显著优点［4］。文献［5-6］采用非商业互补金属氧化物（CMOS）工艺设计压力传感器，制造成本高，不适合大规模制造；文献［7-8］提出了两种基于商业化CMOS工艺设计方案，但无集成接口电路；文献［9］设计了集成了电容-频率转换接口电路的压力传感器，但需额外采用频率-数字转换电路。

电容形式接入接口电路压力传感器的主要功耗来源于接口电路。文献［10-12］提出的基于开关电容运算放大器的接口电路可获得高速和高分辨率性能，但电路结构复杂，功耗甚高，不适合无源应用。文献［13］采用反相器替代运算放大器，极大降低了整体电路功耗，但电源工作电压较高。文献［14］提出了适合大电容变化范围的基于脉冲宽度调制的传感器电容值转换方法，但电路复杂，转换速度慢。

本文采用标准商业CMOS工序设计一种低功耗集成压力传感器，基于锁相环原理设计了一种全数字电容式传感器接口电路，并对集成压力传感器进行了相关测试。

1　集成压力传感器单元设计

当外界压力作用于电容式传感器时，传感器两电极间受力引起极间距离的变化，从而引起传感器电容值的变化。一个基本的传感器电容结构由一对平行板电极构成，假设平行板的面积为A，两板间距为d，则传感器电容值可以表示为［5］：

其中ε为两极板间介质的介质常数。

图1为本文设计的采用标准CMOS工艺的集成传感器与接口电路的电容式压力传感器结构图。金属层M1固定在硅衬底上作为静止下电极，金属层（M3、M4）及内部介电层构成可移动上电极。金属层M3与M4间通过多个过孔相连以增加上电极的硬度［14］。上下电极间的间隙是由牺牲的金属层M2产生，因此，传感器电容值由金属层M1与M4间的空气间隙及介电层决定。当外界压力作用于传感器时，上电极板产生变形并导致空气间隙减小，从而引起传感器电容值的变化。为了保证与标准CMOS的兼容，只能采用低温的后处理工序产生空气间隙。

图1　本文设计的压力传感器结构图

本文设计制造的CMOS压力传感器采用0.18 μm CMOS工艺，制造流程如图2所示。图2（a）为标准CMOS工序后结构图，利用金属层M1～M4构造上下电极，并以二氧化硅覆盖，其中金属层M3与M4通过过孔相连。图2（b）和图2（c）采用了CMOS MEMS后处理工序；图2（b）中采用磷酸蚀刻牺牲的金属层M2，从而得到上下电极间厚度大约为0.54 μm的间隙层，介电层起到保护上下电极及接口电路的作用。图2（c）显示了产生间隙层后，再沉积一层低强度的二氧化硅用于密封和覆盖蚀刻孔，此步骤在真空箱中完成以确保所制作的间隙层接近真空。

图2　CMOSMEMS压力传感器制造工序

图3为不同间隙层长度下的压力与间隙层位移的有限元仿真图。可见，在0～600 kPa压力测量范围内，空气间隙层长度为100μm可以取得压力范围和灵敏度的最佳折中。为了获得更大的灵敏度，整个压力传感器由一组4×4阵列的传感器单元组成（如图4），每个传感器单元为100μm×100μm的正方形。

图3　压力与间隙层位移仿真图

图4　压力传感器电子显微镜照片

2　集成接口电路设计

本文设计的传感器接口电路如图5所示。该电路基于锁相环原理，采用全数字结构，包括鉴相器（PD）、传感器控制振荡器（SCO）和数字控制振荡器（DCO）3部分。SCO和DCO都为三级反相器构成的环形振荡器。在SCO中，传感器电容（Cs）作为可变负载电容接入电路，因此产生一个受传感器控制的振荡频率fs。PD输出的SCO和DCO之间的相位差 bo控制 DCO。电容 Co和 Cm并联接入作为DCO的可变负载电容，其中电容Co与传感器电容中偏置电容大小一致，电容Cm略大于传感器电容的最大变化范围。电容Co始终接入DCO，bo决定Cm是否被接入。当整个环路稳定时，DCO频率fd在一个周期内表现为超前或者滞后于fs，但其平均值与fs相等（如图6）。因此，PD输出bo就代表了传感器电容值所对应的数字信号［15］。

图5　电容式传感器接口电路结构图

图6　环路稳定时各点波形图

环形振荡器的振荡频率是由是由信号传输整个环路所需的时间来决定。对于本文设计的环形振荡器，假设每级具有相同的上升沿和下降沿的时间，我们可以得到振荡频率fo为：

其中，Il为流经反相器的电流，Vm为反相器输出的电压幅度，N为环形振荡器的级数（本设计为3级），Cd为反相器极间电容，Cl为负载电容。本设计中，SCO 和DCO的Cl分别等于Cs和Co+Cm。在压力测试范围内，传感器电容值变化范围为1.1 pF～1.82 pF，因此，Co和Cm分别被设计为1.1 pF和0.9 pF。

环形振荡器反相器常常采用电流受限型反相器，虽然电源工作电压高，但工作电流低，振荡器温度稳定性高，且整体功耗低［21］。传统电流受限型反相器单元的输出电压一般都接近电源电压和地，可提高输出信号摆幅，但功耗亦增加。为兼顾功耗与输出电压摆幅，本文采用一种新型的环形振荡器结构（如图7）。

图7　本文采用的环形振荡器电路图

图7中M1～M6构成电流受限型三级反相器结构，M7～M9和M10～M12构成反相器的电流镜，相比传统结构，MH1、MH2和ML1、ML2额外加入为钳制前两级反相器的输出电压摆幅。以第1级反相器为例，当反相器输入信号从高转变为低电平时，反相器输出电压准备从低变为高电平。输出电压升高时，MH1的栅电压升高导致其栅源电压VGSH降低，当低于阈值电压时，MH1进入亚阈值工作状态，工作电流以指数方式迅速降低。因此，MH1输出电压上升坡度减缓，直到输出电压到达VDD-VGSH-VDS7，其中VDD为电源电压，VDS7为M7漏源电压。同理，当反相器输出电压从高变为低时，ML1进入亚阈值区从而限制了反相器输出电压低于VGSL+VDS10，其中VGSL为ML1栅源电压，VDS10为M10漏源电压。因此，前两级反相器的输出电压摆幅减小为：

电压VGSH和VGSL的大小主要由MH1和ML1的宽长比决定。

图8为本设计的环形振荡器的输出电压仿真图，由图可得，相比输出级，采用限幅二极管的前两级反相器的电压摆幅从1 V降低为0.4 V，环形振荡器整体功耗降低了约30%。

图8　本文设计的环形振荡器输出波形图

3　测试结果

本文设计制造的CMOS压力传感器及其接口电路采用台湾积体电路制造公司（TSMC）0.18μm CMOS工艺制造，其测试示意图如图5所示。压力传感器被放置在真空箱中，其电容值测试采用安捷伦4284A电感电容电阻（LCR）测试仪，氮气箱为真空箱提供压力源，其压力大小由压力测试仪控制。

图9　压力传感器及其接口电路微照图

图10为不同温度下传感器电容值和作用于传感器之上的绝对压力值之间的关系。在绝对压力0～600 kPa的范围内，传感器输出电容都保持了良好的线性，在温度30℃时获得了1.2 fF/kPa的灵敏度。在测量温度0～60℃范围内，传感器电容保持良好的温度稳定性，误差不超过8%。

图10　不同温度下绝对压力与传感器电容关系图

压力值600 kPa和200 kPa下，传感器接口电路的输出测试如图11所示。从图11可以判断，绝对压力越大，输出信号波形的占空比越大。图12绘制了在不同绝对压力下，传感器接口电路输出占空比与压力值的关系图。在0～600 kPa的绝对压力范围内，测试了增压和减压两种情况，传感器的输出都保持良好的线性，且在增压和减压的测试中传感器保持了良好的一致性，无明显误差。

图11　不同绝对压力下接口电路输出

图12　绝对压力与输出信号占空比关系图

本文设计的电容式传感器接口电路与近年来国际上低功耗设计的电容式传感器接口电路的性能对比如表1所示。

表1　集成电容式感器接口电路性能对比

本文设计的接口电路占用了较小的芯片面积，功耗性能优势明显。与文献［16］相比，由于采用了基于内部限幅反相器的环形振荡器，反相器的工作电流更低，所消耗功率进一步降低为0.6μW。

4　结论

本文针对无源RFID标签设计了一款新型的集成压力传感器及其接口电路，它采用商业标准CMOS工艺，适合大规模生产及应用。后期测试结果显示，在所测绝对压力范围内，本文设计的集成压力传感器线性度高，温度稳定性好，回滞特性优良，接口电路只具有中等的有效位数，但在1V电源电压下只消耗了0.6μW功率。在未来研究工作中，将进一步研究将本设计的集成压力传感器与无线收发模块相结合，从而完成无源RFID压力传感器标签的整体设计。

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郭凤鸣（1977-），男，硕士，副教授，主要研究方向为无线传感网络、射频测试，egfm2004@163.com。

Design of Integrated Pressure Sensor for Passive Radio Frequency Identification Tag App lication*

GUO Fengming1*，LI Bing1，2，DENG Fangming2
（1.School of Automobile Engineering，Hunan Mechanical&Electrical Polytechnic，Changsha 410151，China；2.School ofElectricaland Automation Engineering，HefeiUniυersity of Technology，Hefei 230009，China）

Aimed at the need of the development of the passive Radio Frequency Identification（RFID）sensor tag，based on commercial Complementary-Metal-Oxide Semiconductor（CMOS）process，an integrated pressure sensor and its interface circuits are presented.The pressure sensor uses themetal layer M1and the sacrificialmetal layes M2as the bottom electrode and the air gap.The top electrode of the pressure sensormakes use of themetal layers （M3，M4）and the corresponding dielectric layers.The sensor interface，based on phase-locked loop theory，adopts fully-digital architecture，resulting in transferring the sensor signal to frequency domain.Themeasurement results show that the proposed pressure sensor achieves high performance on linearity and temperature stability.The sensor interface，consuming only 0.6μWpower dissipation at 1 V supply voltage，is especially suitable for the design of passive RFID tag.

pressure sensor；RFID tag；CMOSprocess

TP212.1

A

1005-9490（2016）04-0796-05

项目来源：湖南省科技厅科学计划项目（2014FJ6017）；湖南省教育厅科学研究项目（13C260）；中国博士后基金项目（2014M561820）

2015-07-16修改日期：2015-11-25

EEACC:7230；7320G10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.009