在電子產業蓬勃發展，醫學技術先進的情況下，導致人口老化增加、死亡率下降、人口越來越多，文明病等疾病也層出不窮，因此將電子產業結合醫療成為一種趨勢。而台灣擁有先進的製程技術，能夠製作低功耗且面積小的晶片，達到生醫電子超低功耗的需求。感測方面由於目前微機電系統(MEMS)結構可相容於CMOS製程，可經由半導體製作出IC，因此在產業界和應用方面都是一個重大的突破。
    由於世界趨勢走向生物醫學，在生物醫學和現代科技中最困難的地方就是生理需求的量測和應用，包括生理訊號感測，讀取和解讀。像是發現症狀，透過生理訊號來傳遞數據，醫療研究單位就能透過數據來了解症狀，找出治療方法。近年來，心血管疾病越來越受重視，病患只有在定期測量時才能發現血壓狀況，如果透過植入式血壓感測晶片，搭配附近醫院的聯絡機制，便能即時發現血壓狀況，因而有效降低心血管疾病的死亡率。
    血壓是循環血液對血管壁施加的壓力，血壓通常以收縮壓(最大)與舒張壓(最小)表示，並以毫米汞柱(mmHg)為量測單位。在醫學治療中量測血壓主要有兩種方法：侵入式與非侵入式兩種，非侵入式像是聽診法與示波法量測起來比侵入式更簡單，更快速，不需要過多的專業知識，也幾乎沒有併發症，對於患者來說不這麼痛苦，但是非侵入式的準確度較低。侵入式系統除了擁有較高準確度外，還能夠持續監測患者血壓。
    微機電系統結合半導體製程技術與精密機械技術，制造出小元件及功能整合的微系統。目前MEMS是世界各國積極介入的新興領域。微機電系統的製造技術主要是由目前半導體製造技術為基礎再加以延伸應用，主要的製造方式有體型微加工技術、面型微加工技術及LIGA技術。從1980年以來，半導體產業興起，使得商品得以縮小化、智慧化。然而微機電的成功發展，使得微感測器與微致動器也隨之產生。微機電產品擁有性能加強、成本低廉等優勢，目前已成為生活中息息相關的產品，像是能夠測量不同壓力範圍的壓力計、耳溫槍裡的溫度計、安裝在汽車上用來觸發安全氣囊的加速度計，還有正在研發中的生醫檢測與微光機電元件等許許多多的應用。
    在本文中設計了 MEMS壓力感測器和讀取電路，侵入式MEMS壓力感測器採用電容式水平結構，當MEMS受到血壓的壓力後產生形變，而MEMS結構形變導致了電容容值的變化，讀取電路收到電容變化，經由電容電壓轉換器(CVC)電路把電容值轉換成電壓值，在經由開關式電容放大器(SCOP)電路將電壓值放大，最後經由類比數位轉換器(ADC)電路將類比電壓轉換為數位電壓輸出。
    此設計中採用UMC0.18um CMOS MEMS來實現電容式壓力感測器並應用於檢測血壓，壓力感測器可量測範圍從4-40kPa，相當於30-300mmHg，感測器之靈敏度為6.53fF/kPa，經由讀取電路輸出結果效率為4.72mV/kPa。感測讀取電路功耗為6.46uW。
    最後設計一個SAR 7-Bit ADC將類比訊號轉換成數位訊號，使用UMC0.18um CMOS標準製程來實現電路。其工作電壓為1.8V，取樣頻率為5000Hz，對大功耗為48.114uW。

A CMOS MEMS pressure sensor for blood pulse and pressure measurement applications is proposed. A capacitive pressure sensor implemented in UMC 0.18 μm CMOS MEMS process is adopted to sense blood pulses and pressure. A readout circuit is designed and integrated with the MEMS sensor. The MEMS sensor has a simulated sensitivity of 6.53 fF/kPa with a sensing range of 4-40 kPa (30-300 mmHg). The overall system has a measured conversion gain of 4.72 mV/kPa. The power dissipation of the whole circuit is only 6.46 μW.
    Finally, a SAR-ADC is designed to convert the output analog signal of the previous sensing  circuit into a digital signal .The sampling rate is 5KHz.The maximum concumed power is 48.114uW under 1.8V power supply.

中文摘要………………………………………………………………………………………………………II
英文摘要	III
目錄	IV
圖目錄	VII
表目錄	XI
第一章 緒論	1
1.1研究背景	1
1.2研究動機	1
1.3論文架構	2
第二章   壓力感測器	3
2.1壓力感測器原理與分類	3
2.1.1 壓阻式壓力感測器	5
2.1.2 壓電式壓力感測器	7
2.1.3 電容式壓力感測器	9
2.1.3.1 單電容式壓力感測器	9
2.1.3.2 差動電容式壓力感測器	10
2.2壓力感測器應用	11
2.2.1血壓感測器	11
第三章   MEMS系統與CMOS MEMS製程介紹	13
3.1 MEMS系統介紹	13
3.2 MEMS製造技術	13
3.2.1體型微加工(Bulk micromachining)	13
3.2.2面型微加工(Surface micromachining)	16
3.2.3 微光刻電鑄造模(LIGA)	17
3.3 CMOS MEMS製程介紹	19
3.3.1 CMOS前製程加工(Pre-CMOS Process)	19
3.3.2 CMOS中製程加工(Intermediate-CMOS Process)	19
3.3.3 CMOS後製程加工(Post-CMOS Process)	20
第四章   電容式壓力感測器與感測讀取電路設計	23
4.1 MEMS電容式壓力感測器設計	24
4.2電容式感測模擬	27
4.3感測讀取電路設計	29
4.3.1電容電壓轉換器(CVC)	29
圖4.9電容電壓轉換器架構圖	29
4.3.2 交換電容式放大器架構(Switched-Capacitor Amplifiers)30
4.3.3讀取電路雜訊分析	31
4.4感測讀取電路模擬	35
4.5　MEMS壓力感測器電路佈局	39
第五章   SAR ADC介紹與設計	41
5.1基本原理	41
5.1.1解析度	41
5.1.2最小有效位元	42
5.1.3量化誤差	43
5.1.4微分非線性誤差(Differential Non-Linearity，DNL)	43
5.1.5積分非線性誤差(Integral Non-Linearity，INL)	44
5.1.6信號雜訊比	45
5.1.7信號雜訊失真比	46
5.1.8有效位元	46
5.1.9奈奎斯取樣定理	47
5.2 連續漸進式類比數位轉換器架構	48
5.2.1追蹤保持電路	49
5.2.2比較器電路設計	55
5.2.3連續漸進暫存式控制器電路	56
5.2.4 數位類比轉換器電路	58
5.3連續漸進式類比數位轉換器模擬結果	59
第六章   晶片量測	65
6.1 MEMS壓力感測器量測	65
6.1.1量測結果	67
第七章   結論與未來展望	69

圖2. 1壓力感測系統簡易架構圖	3
圖2.2壓阻式壓力感測器作用圖	5
圖2.3輸入壓力與輸出電壓轉換關係圖	5
圖2.4四個壓阻組成的惠斯同電橋(Wheatstone bridge)	6
圖2.5壓電式壓力感測器結構示意圖	7
圖2.6電壓效應(a)平常狀態 (b)正壓電效應 (c)逆壓電效應	8
圖2.7 單電容式壓力感測示意圖[2]	9
圖2.8 MEMS差動電容式感測器[3]	10

圖3.1體型微加工剖面圖[5]	14
圖3.2濕式蝕刻反應機制示意圖[6]	15
圖3.3等向性與非等向性蝕刻[7]	15
圖3.4 典型的平行板反應離子蝕刻系統[7]	16
圖3.5 面型微加工[5]	17
圖3.6 LIGA流程示意圖[8]	18
圖3.7 Pre-CMOS MEMS 截面圖[9]	19
圖3.8 Intra-CMOS 製程截面示意圖[10]	20
圖3.9 POST CMOS製程步驟	22

圖4.1電容式壓力感測器系統	23
圖4.2指叉式感測結構[12]	24
圖4.3 MEMS結構(a)截面圖(b)俯視圖	24
圖4.4由四個beam支撐Mass結構…...……………..…………………..…. 25                        
圖4.5兩平行電容結構	25
圖4.6 MEMS壓力感測設計	27
圖4.7 MEMS coventor模擬圖	28
圖4.8壓力對電容模擬圖	28
圖4.9電容電壓轉換器架構圖	29
圖4.10交換電容式放大器[14]	30
圖4. 11總電路雜訊分析圖	31
圖4. 12 SC Sampling Phase 雜訊分析圖	32
圖4. 13 SC Integrating Phase 雜訊分析圖	33
圖4.14電容電壓轉換器模擬(a)presim模擬(b)postsim tt模擬	36
圖4.15 壓力對電壓模擬圖	36
圖4.16 SCOP模擬圖(a)presim模擬(b)postsim tt模擬	37
圖4.17 讀取電路模擬(a)presim 模擬(b)postsim 模擬	38
圖4.18 Layout相對位置圖	39
圖4.19電路佈局圖Chip Size： 1.73873×1.06mm2	40

圖5.1類比數位轉換器資料轉換過程[15]	41
圖5.2理想3位元ADC類比數位轉換關係[15]	42
圖5.3轉換特性	43
圖5.4 ADC之量化誤差	43
圖5.5 INL、DNL示意圖[15]	44
圖5.6奈奎斯取樣頻譜圖[15]	47
圖5.7連續漸進式類比數位轉換器方塊圖	48
圖5.8 追蹤保持電路	49
圖5.9 互補式開關	50
圖5.10 電荷注入效應	51
圖5.11 NMOS電荷注入	52
圖5.12 假冒式開關	52
圖5.13 時脈饋入效應	53
圖5.14 假冒式開關原理圖	54
圖5.15互補式+假冒式開關	54
圖5.16重複歸零比較器電路	55
圖5.17七位元連續漸進暫存式控制器	56
圖5.18數位類比轉換器電路	58
圖5.19 比較器輸入位準0.3V	59
圖5.20 SAR 控制器對DAC模擬結果	60
圖5.21取樣電路輸出	61
圖5.22 SAR DAC輸出	61
圖5. 23 INL、DNL模擬結果	62
圖5.24 Layout相對位置圖	63
圖5.25電路佈局圖Chip Size： 1.22286×1.0512mm2	64

圖6.1 MEMS結構白光干涉圖	65
圖6.2量測方式示意圖	66
圖6.3施加0KPa及40KPa壓力下結果圖	67
圖6.4晶片微影圖	68
圖6.5 PCB照相	68

表2.1壓力感測器分類與其優缺點	4

表4.1壓力感測讀取電路預計規格表	39

表5.1多工器	57
表5.2連續漸進暫存控制器動作順序	58
表5.3 取樣電路輸出	61
表5.4 整體電路效能	62
表5.5電路預計規格表	62
表5. 6 ADC電路比較表	63

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