系統識別號 | U0002-2912201617314200 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2017.01066 |
論文名稱(中文) | 應用於壓力感測之微機電感測器與感測電路 |
論文名稱(英文) | MEMS Sensor and Readout Circuit for Pressure Sensing |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 電機工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Electrical and Computer Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 105 |
學期 | 1 |
出版年 | 106 |
研究生(中文) | 李玟澄 |
研究生(英文) | Wen-Cheng Lee |
學號 | 603440024 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2016-12-02 |
論文頁數 | 57頁 |
口試委員 |
指導教授
-
施鴻源
指導教授 - 易志孝 委員 - 饒建奇 委員 - 柯鈞琳 |
關鍵字(中) |
微機電 壓力感測器 CMOS 感測電路 |
關鍵字(英) |
MEMS Pressure sensor CMOS readout circuit |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
在電子產業蓬勃發展,醫學技術日新月異的現代,將電子產業的技術運用在醫學用途上已成為一種趨勢,目的在於治療目前無法醫治的重大疾病,延長人類壽命,而台灣擁有先進的製程技術,可以製作出低功耗面積小的晶片,也才有機會達到生醫電子超低功耗的需求。 在感測器方面也由於MEMS結構可於CMOS製程相容,由半導體製程所製作出的MEMS架構可於CMOS電路直接做成IC,在整個產業界和應用方面是個重大的突破。 由於世界趨勢走向生物醫學,而研究所需突破的也就是現在人類社會所需要面臨的挑戰,故而往生醫方面發展是可以對人類社會有所貢獻。 在植入式生醫訊號量測中,血壓感測系統在現代醫學中有很多相關應用和研究,包括心血管疾病、高血壓、心臟病、中風等等,血壓感測器搭配聯絡附近醫院和家屬能有效降低病患的死亡率,此設計採用UMC180um post CMOS製程。 在本文中設計了一個MEMS血壓感測器和其解讀電路的部分,埋入血管的晶片MEMS結構受到血壓的壓力因此產生變形,而MEMS結構變形造成了電容容值的變化,電路部分接收到電容變化,經由read-out電路架構把電容轉成電壓訊號,考慮到轉換的線性度和穩定性,採取降低放大倍率來換取的方式,在後端在接一級放大電路,來放大電壓訊號。 此設計中MEMS血壓感測器 可測量血壓範圍從0-0.04Mpa,相當於0-300mmHg,而一般高血壓之收縮壓是超過140mmHg以上,此設計可到300Hg可測量到非常高之血壓,感測之解析度為1.5fF/mmHg,在解讀電路的部分轉換效率為1mV/1fF,最後之輸出結果效率10mV/1fF。 |
英文摘要 |
The purpose of this research is the estimation of the trend of blood stent pressure of surgical patients. Blood pressure (BP) is the pressure exerted by circulating blood upon the walls of blood vessels. Blood pressure is usually expressed in terms of the systolic (maximum) pressure over diastolic (minimum) pressure and is measured in millimeters of mercury ( mm Hg ). There are two major ways to measure blood pressure during medical treatment:invasive and noninvasive methods. Both them have advantages and disadvantages. The noninvasive auscultatory and oscillometric measurements are simpler and quicker than invasive measurements, require less expertise, have virtually no complications, are less unpleasant and less painful for the patient. The invasive system is that pressure is constantly monitored beat-by- beat, and a waveform (a graph of pressure against time) can be displayed. It is used for surgical operations, and it can response the true situation of arterial blood pressure, but the damage and uncomfortable are the most disadvantages for itself. Patients with invasive arterial monitoring require very close supervision, as there is a danger of severe bleeding if the line becomes disconnected. This work uses noninvasive method, because we want to capture the signal ( blood pressure signal ) if signal was unusual, it can send message to neighboring hospital. On patient to ensure the patient can anytime be observed, and they can do they want to do, instead of lying on the bed to allow doctors to collect information. This paper presents a blood pressure (BP) sensing system. In modern medicine, a lot of people are suffered by Cardiovascular disease like hypertension and heart disease. A pressure sensor and nearby hospital calling service can reduce mortality of patients. Design using 180-nm CMOS MEMS process, the BP sensing system is consisted of a micro-electro-mechanical systems (MEMS) capacitive sensor, capacitor-to-voltage converter (CVC) and a switched-capacitor amplifier. The MEMS capacitive sensor has a simulated sensitivity of 0.55 fF/mmHg with a sensing range of 0-300 mmHg. The overall system has a simulated conversion gain of 0.643 mV/mmHg. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 內文目錄 III 圖表目錄 VI 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 血壓感測原理 3 2.1 血壓感測方式 3 2.2 非侵入式 3 2.2.1 聽診法 3 2.2.2 示波法 5 2.3侵入式 6 第三章 微機電系統 7 3.1微機電系統概論 7 3.2微機電系統製造技術 9 3.3微機電系統特性與優點 13 第四章 CMOS MEMS電容式壓力感測器結構設計 14 4.1 壓力感測方法 14 4.1.1 壓電式感測方法 15 4.1.2 壓阻式感測方法 17 4.1.3 電容式感測方法 19 4.2 COMS MEMS製程介紹 22 4.3 Post COMS MEMS製程步驟 24 4.4 MEMS電容感測器設計 28 4.4.1 指叉式電容式感測 28 4.4.2 平板電容感測設計和佈局 29 4.5 電容式壓力感測器模擬 34 第五章 感測器讀取電路 41 5.1感測器讀取電路設計 41 5.1.1運算放大器 42 5.1.2電容電壓轉換器 43 5.1.3 開關式電容放大器 45 5.2電路模擬 46 5.3晶片佈局 48 第六章 晶片量測 49 6.1 量測方式 49 6.2 量測結果 50 第七章 結論與未來展望 55 參考文獻 56 圖目錄 圖2.1聽診法示意圖 4 圖2.2聽診法壓力量測示意圖 4 圖2.3示波法壓力檢測圖 5 圖2.4侵入式血壓量測圖 6 圖3.1微機電系統尺寸概念圖 8 圖3.2體型加工技術 10 圖3.3面型加工技術 11 圖3.4 LIGA加工技術 12 圖4.1壓力訊號轉換圖 14 圖4.2壓電式感測器 16 圖4.3壓電式壓力計 17 圖4.4壓阻效應 18 圖4.5壓阻式感測器 19 圖4.6惠斯通電橋電路 19 圖4.7電容效應 20 圖4.8電容變化圖 21 圖4.9 Pre-CMOS 製程截面示意圖 23 圖4.10 Intra-CMOS 製程截面示意圖 24 圖4.11標準CMOS製程 25 圖4.12 MEMS後製程加M7和保護層 25 圖4.13打開passivation 26 圖4.14上光阻層 26 圖4.15進行蝕刻 27 圖4.16掏空基底使結構懸浮 27 圖4.17指叉式感測結構 28 圖4.18殘餘應力和其模擬 29 圖4.19平板電容感測結構 29 圖4.20 plate cell和plate 30 圖4.21 beam 30 圖4.22 anchor和整個layout設計佈局圖 31 圖4.23 beam受力變形圖 32 圖4.24材料形變計算圖 33 圖4.25材料示意圖 33 圖4.26 Coventorware模擬 34 圖4.27結構layout圖 35 圖4.28 MEMS製程設定 36 圖4.29 modeling&mesher 36 圖4.30 mesher setting 37 圖4.31模擬分析設定 38 圖4.32電容變化矩正 39 圖4.33壓力對電容變化圖 39 圖4.34 3D result 40 圖5.1設計架構圖 41 圖5.2運算放大器 43 圖5.3電容電壓轉換器 44 圖5.4開關式電容放大器 45 圖5.5 OP postsim 46 圖5.6 CVC postsim 47 圖5.7 CVCOP postsim 47 圖5.8佈局圖 48 圖6.1訊號量測示意圖 49 圖6.2 MEMS結構白光干涉圖(a) 50 圖6.3 MEMS結構白光干涉圖(b) 51 圖6.4 CVC 5KHz 52 圖6.5 CVC 2.5KHz 52 圖6.6 CVC 1KHz 53 圖6.7 OUTPUT 1KHz 53 圖6.8晶片微影圖 54 表目錄 表5.1預計規格表 41 表6.1規格表 54 |
參考文獻 |
[1] 丁蒼毅. 使用低壓量測方法之連續血壓量測系統. 中央大學電機工程學系學位論文 (2007年), pp. 1-68. 2007. [2] 陳敬修. 利用非侵入式plethysmography信號評估手術病患舒張壓變化趨勢之研究. 機械與機電工程學系研究所 碩士pp. 77. 2004. [3] J. Moraes, M. Cerulli and P. Ng. A strategy for determination of systolic, mean and diastolic blood pressures from oscillometric pulse profiles. Presented at Computers in Cardiology 2000. 2000,. [4] G. Mancia, G. Parati, G. Pomidossi, G. Grassi, R. Casadei and A. Zanchetti. Alerting reaction and rise in blood pressure during measurement by physician and nurse. Hypertension 9(2), pp. 209-215. 1987. [5] Y. Haga and M. Esashi. Biomedical microsystems for minimally invasive diagnosis and treatment. Proc IEEE 92(1), pp. 98-114. 2004. [6] M. A. Fraga, R. S. Pessoa, M. Massi and H. S. Maciel. Applications of SiC-based thin films in electronic and MEMS devices. 2013. [7] “微機電系統(MEMS)之介紹” 合肥月刊產業報導 第四十四卷第三期 中華民國九十二年三月十五出刊. [8] Kenichi Takahata, Advances in Micro/Nano Electromechanical Systems and Fabrication Technologies. 2013 May29. [9] 蓋永鋒. 微型壓阻式壓力感測器製作之研究. 工程科學系 碩士pp. 114. 2000. [10] 高宦疇. 無線顱內壓感測器與靜脈導管血壓計/血糖計的開發. 機電整合研究所 碩士. [11] F. Ravariu, C. Ravariu and O. Nedelcu. The modeling of a sensor for the human blood pressure. Presented at Semiconductor Conference, 2002. CAS 2002 Proceedings. International. 2002,. [12] U. Kawoos, R. Warty, M. Tofighi, F. Kralick, D. Yoo, T. Neal and A. Rosen. Embedded microwave system for monitoring of intracranial pressure. Presented at 2009 IEEE Radio and Wireless Symposium. 2009,. [13] R. Singh, L. L. Ngo, H. S. Seng and F. N. C. Mok. A silicon piezoresistive pressure sensor. Presented at Electronic Design, Test and Applications, 2002. Proceedings. the First IEEE International Workshop on. 2002,. [14] 4-11壓力微感測器(Pressure micro sensor)。2013年4月4日,取自http://www.hightech.tw/index.php/2012-06-06-14-12-38/19-mems-nanotechnology/424-pressure-micro-sensor. [15] 4-4 LIGA微機械加工技術 (LIGA micromachining) 。2013年4月4日,取自http://www.hightech.tw/index.php/2012-06-06-14-12-38/19-mems-nanotechnology/417-liga-micromachining. [16] 4-2表面微機械加工技術(Surface micromachining)。2013年4月4日,取自http://www.hightech.tw/index.php/2012-06-06-14-12-38/19-mems-nanotechnology/417-liga-micromachining. [17] Ching-Liang Dai, CMOS MEMS Fabrication Technologies and Devices. 31 August 2015. [18] J. Smith, S. Montague, J. Sniegowski, J. Murray and P. McWhorter. Embedded micromechanical devices for the monolithic integration of MEMS with CMOS. Presented at Electron Devices Meeting, 1995. IEDM'95., International. 1995,. [19] Analog Devices, Inc. Available online: http://www.analog.com (accessed on 20 January 2016). [20] 鄭英周,李其源,張培仁,陳炳輝, " CMOS-MEMS 製程技術與電腦輔助 微機電系統設計的整合研究 製程技術與電腦輔助 微機電系統設計的整合研究, " 國立臺灣大學台大工程學刊,第九十一期, 第 21-32 頁,民國 93 年. [21] CIC CMOS MEMS Design and Simulation講義. [22] C. Cheng, H. Chang, C. Chang, Y. Tuan and W. Fang. Mechanical force-displacement transduction structure for performance enhancement of CMOS-MEMS pressure sensor. Presented at 2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). 2014,. [23] Micro Sensors/Actuators 微感測器 Mechanical Structures and Modeling 田維誠博士教學講義. [24] N. Arfah, A. Z. Alam and S. Khan. Capacitance-to-voltage converter for capacitance measuring system. Presented at Mechatronics (ICOM), 2011 4th International Conference on. 2011,. [25] O. Akar, T. Akin and K. Najafi. A wireless batch sealed absolute capacitive pressure sensor. Sensors and Actuators A: Physical 95(1), pp. 29-38. 2001. [26] J. N. Palasagaram and R. Ramadoss. MEMS-capacitive pressure sensor fabricated using printed-circuit-processing techniques. IEEE Sensors Journal 6(6), pp. 1374-1375. 2006. [27] N. Verma, A. Shoeb, J. Bohorquez, J. Dawson, J. Guttag and A. P. Chandrakasan. A micro-power EEG acquisition SoC with integrated feature extraction processor for a chronic seizure detection system. 2010. |
論文全文使用權限 |
如有問題,歡迎洽詢!
圖書館數位資訊組 (02)2621-5656 轉 2487 或 來信