多量程的mems cmos叉指电容加速度计的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种多量程的MEMS?CMOS叉指电容加速度计，其特征是：芯片共包括六个量程不同的加速度计结构，每个单元包括基底及结构层，结构层包括上下锚点、左右弹性梁、质量块、左右锚点，上下锚点和质量块的上下侧而均设有极板组；每个单元的极板组大小不同。工作时，不同量程的六个单元加速度计结构进行分段加速度测量的方式，从而通过一个传感器阵列来提高测量范围，弥补了单个传感器测量范围的不足，传感器可以在测量范围和灵敏度之间选择，实现了传感器的智能化。提高了电容式压力传感器的灵敏度和测量范围，并与CMOS工艺兼容。本发明所述电容加速度计的灵敏度高，提高了可制造性，制造成本低。
【专利说明】多量程的MEMS CMOS叉指电容加速度计
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多量程的MEMS CMOS叉指电容加速度计，尤其是一种基于CMOSDPTM (Double Poly Triple Metal)混合信号工艺的多量程单弹性梁MEMS CMOS加速度计，属于MEMS器件设计制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002]惯性测量是MEMS技术的一个主要应用方面，集成惯性传感器有着广泛的应用领域，包括汽车工程，航空导航，消费电子和军事运用等方面。如今主流的加速度检测技术有:电容检测技术、压阻检测技术以及隧道效应电流检测技术。相比于其它技术，电容检测在以下几点有突出的优势:低的温度系数、低功耗、良好的噪声性能，低的制造成本以及可以和现有的VLSI技术兼容性。这一系列的优势使基于叉指电容加速度计有着巨大的市场潜力，也使这方面的研究成为热点。传统电容式加速度计传感器芯片存在以下主要缺点:(1)无法使其与CMOS工艺兼容，传感器芯片的CMOS工艺集成化是传感器研究和发展的趋势；
[2]单一的量程，只能针对某一特定的量程范围进行测试，使其不能得到最大限度的使用，造成资源的浪费。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种多量程的MEMS CMOS叉指电容加速度计，灵敏度高，量程范围大，弥补了单个传感器测量范围不足的缺陷。
[0004]按照本发明提供的技术方案，所述多量程的MEMS CMOS叉指电容加速度计，其特征是:包括连接在一起的第一传感器单元、第二传感器单元、第三传感器单元、第四传感器单元、第五传感器单元和第六传感器单元，第一传感器单元、第二传感器单元、第三传感器单元、第四传感器单元、第五传感器单元和第六传感器单元分别具有两个输出端，第一传感器单元、第二传感器单元、第三传感器单元、第四传感器单元、第五传感器单元和第六传感器单元的输入端由金属连线合并连接；所述第一传感器单元、第二传感器单元、第三传感器单元、第四传感器单元、第五传感器单元和第六传感器单元分别包括基底及基底上的结构层，结构层包括上锚点、下锚点、第一叉指电容、第二叉指电容、第三叉指电容、第四叉指电容、左弹性梁、右弹性梁、左质量块、右质量块、连接梁、左锚点和右锚点，左质量块的左端通过左弹性梁连接左锚点，左质量块的右端通过连接梁连接右质量块的左端，右质量块的右端通过右弹性梁连接右锚点；在所述上锚点靠近左质量块和右质量块的一侧面上设有梳齿状排列的第一叉指电容，左质量块和右质量块的上侧面上设有梳齿状排列的第二叉指电容，每一个第一叉指电容位于两个第二叉指电容的空隙之间，且第一叉指电容与第二叉指电容呈等距离交错配置；在所述下锚点靠近左质量块和右质量块的一侧面上设有梳齿状排列的第三叉指电容，左质量块和右质量块的下侧面上设有梳齿状排列的第四叉指电容，每一个第三叉指电容位于两个第四叉指电容的空隙之间，且第三叉指电容与第四叉指电容呈等距离交错配置。[0005]所述第一传感器单元、第二传感器单元、第三传感器单元、第四传感器单元、第五传感器单元和第六传感器单元的叉指电容的大小不同。
[0006]所述第一叉指电容、第二叉指电容、第三叉指电容、第四叉指电容、左弹性梁、右弹性梁、左质量块、右质量块和连接梁的结构为垂直沉积叠加结构，该垂直沉积叠加结构自底层向上依次为第一 SiO2图层、第一金属铝图层、第二 SiO2图层、第二金属铝图层、第三SiO2图层、第三金属铝图层和钝化层，第一金属铝图层和第二金属铝图层)由设置在第二 SiO2图层中的第一钨塞连接，第二金属铝图层和第三金属铝图层由设置在第三SiO2图层中的第二钨塞连接；在该垂直沉积叠加结构上设置多个垂直于基底的侧墙，侧墙由钝化层的上表面延伸至基底的上表面，在该垂直沉积叠加结构下部的基底上设置悬空结构。
[0007]所述悬空结构在宽度方向上由基底的一侧向基底的另一侧延伸，且悬空结构的宽度小于基底的宽度；所述悬空结构在高度方向上由基底的上表面向基底的下表面延伸，且悬空结构的高度小于基底的高度。
[0008]所述上锚点、下锚点、左锚点和右锚点的中部为凹陷部，凹陷部的四周为凸出部；所述凸出部的结构自底层向上依次为第一 SiO2图层、第一金属铝图层、第二 SiO2图层、第二金属铝图层、第三SiO2图层、第三金属铝图层和钝化层，第一金属铝图层和第二金属铝图层由设置在第二 SiO2图层中的第一钨塞连接，第二金属铝图层和第三金属铝图层由设置在第三SiO2图层中的第二钨塞连接；所述凹陷部的结构自底层向上依次为第一 SiO2图层、第一金属铝图层、第二 SiO2图层、第二金属铝图层和第三SiO2图层，第一金属铝图层和第二金属铝图层由设置在第二 SiO2图层中的第一钨塞连接。
[0009]所述第一传感器单元、第二传感器单元、第三传感器单元、第四传感器单元、第五传感器单元和第六传感器单元的输出端由第三金属铝图层引出，第一传感器单元、第二传感器单元、第三传感器单元、第四传感器单元、第五传感器单元和第六传感器单元的输入端由第二金属铝图层引入。
[0010]所述的基底为娃基底。
[0011]所述上锚点和下锚点为沿左右方向延伸的长方块，左锚点和右锚点呈方块状。
[0012]本发明采用了不同量程的六个加速度计传感器进行分段测量的方式，从而通过一个传感器阵列来提高测量范围，弥补了单个传感器测量范围的不足，传感器工作时可以在测量范围和灵敏度之间选择，实现了传感器的智能化，并利用电路工艺加工在先，后处理工艺在后的方式，保证了 CMOS工艺的完整性和工艺次序的不被改变和打断；本发明不但提高了电容式加速度计传感器的灵敏度和测量范围，并与CMOS工艺兼容。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明所述加速度度的俯视图。
[0014]图2为本发明所述传感器单元的俯视图。
[0015]图3为第一叉指电容、第二叉指电容、第三叉指电容、第四叉指电容、左弹性梁、右弹性梁、左质量块、右质量块和连接梁的剖视图。
[0016]图4为左锚点、右锚点、上锚点和下锚点的剖视图。
[0017]图中的序号为:上锚点1-1、下锚点1-2、第一叉指电容2-1、第二叉指电容2-2、第三叉指电容2-3、第四叉指电容2-4、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、左质量块4_1、右质量块4-2、连接梁5、左锚点6-1、右锚点6-2、基底7、第一 SiO2图层8、第一金属铝图层9、第二 SiO2图层10、第一钨塞11、第二金属铝图层12、第三SiO2图层13、第二钨塞14、第三金属铝图层
15、钝化层16、侧墙17、悬空结构18、凹陷部19、凸出部20、第一传感器单元100、第二传感器单元200、第三传感器单元300、第四传感器单元400、第五传感器单元500、第六传感器单元 600。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
[0019]如图1所示:所述多量程的MEMS CMOS叉指电容加速度计包括连接在一起的第一传感器单元100、第二传感器单元200、第三传感器单元300、第四传感器单元400、第五传感器单元500和第六传感器单元600，第一传感器单元100、第二传感器单元200、第三传感器单元300、第四传感器单元400、第五传感器单元500和第六传感器单元600分别具有两个输出端(如图1所示，第一传感器单元100的输入端为110、120，第二传感器单元200的输入端为210、220，第三传感器单元300的输入端为310、320，第四传感器单元400的输入端为410、420，第五传感器单兀500的输入端为510、520，第六传感器单兀600的输入端为610、620)，第一传感器单元100、第二传感器单元200、第三传感器单元300、第四传感器单元400、第五传感器单元500和第六传感器单元600的输入端由金属连线合并连接后汇入总的输出端01、02 ；
如图2所示，所述第一传感器单元100、第二传感器单元200、第三传感器单元300、第四传感器单元400、第五传感器单元500和第六传感器单元600分别包括基底7及基底7上的结构层，结构层包括上锚点1-1、下锚点1-2、第一叉指电容2-1、第二叉指电容2-2、第三叉指电容2-3、第四叉指电容2-4、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、左质量块4_1、右质量块4_2、连接梁5、左锚点6-1和右锚点6-2，上锚点1-1和下锚点1-2均为沿左右方向延伸的长方块，左锚点6-1和右锚点6-2呈方块状；
所述左质量块4-1的左端通过左弹性梁3-1连接左锚点6-1，左质量块4-2的右端通过连接梁5连接右质量块4-2的左端，右质量块4-2的右端通过右弹性梁3-2连接右锚点6-2 ;所述左质量块4-1和右质量块4-2由连接梁5连接，可以一定程度上避免释放时多层结构中残留的应力在质量块伸展方向上存在变化梯度弓丨起的弯曲，影响叉指电容结构总电容量下降的问题；所述左质量块4-1和右质量块4-2可分成若干部分，每部分之间均由连接梁5连接；
如图2所示，在所述上锚点1-1靠近左质量块4-1和右质量块4-2的一侧面上设有梳齿状排列的第一叉指电容2-1，左质量块4-1和右质量块4-2的上侧面上设有梳齿状排列的第二叉指电容2-2，每一个第一叉指电容2-1位于两个第二叉指电容2-2的空隙之间，且第一叉指电容2-1与第二叉指电容2-2呈等距离交错配置；
如图2所示，在所述下锚点1-2靠近左质量块4-1和右质量块4-2的一侧面上设有梳齿状排列的第三叉指电容2-3，左质量块4-1和右质量块4-2的下侧面上设有梳齿状排列的第四叉指电容2-4，每一个第三叉指电容2-3位于两个第四叉指电容2-4的空隙之间，且第三叉指电容2-3与第四叉指电容2-4呈等距离交错配置；
工作的时候左质量块4-1和右质量块4-2连接的第二叉指电容2-2和第四叉指电容2-4与上锚点1-1和下锚点1-2连接的第一叉指电容2-1和第三叉指电容2-3在弹性梁的作用下相互作用，通过总电容量的改变来改变输出电信号，从而得到所测加速度；
所述第一传感器单元100、第二传感器单元200、第三传感器单元300、第四传感器单元400、第五传感器单元500和第六传感器单元600的叉指电容的大小不同；
其中，所述的基底7为硅基底；
其中，所述第一叉指电容2-1、第二叉指电容2-2、第三叉指电容2-3、第四叉指电容
2-4、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、左质量块4-1、右质量块4_2和连接梁5的结构为垂直沉积叠加结构，如图3所示，该垂直沉积叠加结构自底层向上依次为第一 SiO2图层8、第一金属铝图层9、第二 SiO2图层10、第二金属铝图层12、第三SiO2图层13、第三金属铝图层15和钝化层16，第一金属铝图层9和第二金属铝图层12由设置在第二 SiO2图层10中的第一钨塞11连接，第二金属铝图层12和第三金属铝图层15由设置在第三SiO2图层13中的第二钨塞14连接；在该垂直沉积叠加结构上设置多个垂直于基底7的侧墙17，侧墙17由钝化层16的上表面延伸至基底7的上表面，在该垂直沉积叠加结构下部的基底7上设置悬空结构18 ;所述悬空结构18在宽度方向上由基底7的一侧向基底7的另一侧延伸，且悬空结构18的宽度小于基底7的宽度；所述悬空结构18在高度方向上由基底7的上表面向基底7的下表面延伸，且悬空结构18的高度小于基底7的高度；
如图4所示，所述上锚点1-1、下锚点1-2、左锚点6-1和右锚点6-2的中部为凹陷部19，凹陷部19的四周为凸出部20 ;所述凸出部20的结构自底层向上依次为第一 SiO2图层8、第一金属铝图层9、第二 SiO2图层10、第二金属铝图层12、第三SiO2图层13、第三金属铝图层15和钝化层16，第一金属铝图层9和第二金属铝图层12由设置在第二 SiO2图层10中的第一钨塞11连接，第二金属铝图层12和第三金属铝图层15由设置在第三SiO2图层13中的第二钨塞14连接；所述凹陷部19的结构自底层向上依次为第一 SiO2图层8、第一金属铝图层9、第二 SiO2图层10、第二金属铝图层12和第三SiO2图层13，第一金属铝图层9和第二金属铝图层12由设置在第二 SiO2图层10中的第一钨塞11连接；
所述第一传感器单元100、第二传感器单元200、第三传感器单元300、第四传感器单元400、第五传感器单兀500和第六传感器单兀600的输出端由第三金属招图层15引出，第一传感器单元100、第二传感器单元200、第三传感器单元300、第四传感器单元400、第五传感器单元500和第六传感器单元600的输入端由第二金属铝图层12引入。
[0020]本发明所述多量程的MEMS CMOS叉指电容加速度计包含五个不同量程、大小的加速度计传感器单元和一个不随加速度变化的参考电容单元，每个传感器单元依据叉指电容大小的不同，分别用于不同范围的加速度计测量。六个传感器单元采用同一输入端(01、02)、以及不同的输出端(第一传感器单元100的输入端为110、120，第二传感器单元200的输入端为210、220，第三传感器单元300的输入端为310、320，第四传感器单元400的输入端为410、420，第五传感器单兀500的输入端为510、520，第六传感器单兀600的输入端为610,620).在工作时，在某一加速度计情况下，当第一传感器单元100和第二传感器单元200已经饱和，而第五传感器单元500和第六传感器单元600在此加速度计情况下变形很小，这时就可以选择第三传感器单元300作为测量单元，其中第四传感器单元400为参考单元。采用这种方法设计的传感器可以在测量范围和灵敏度之间选择，实现了传感器的智能化，提高了电容式加速度计传感器的灵敏度和测量范围，采用了不同量程的六个加速度计传感器进行分段加速度计测量的方式，从而通过一个传感器阵列来提高测量范围，弥补了单个传感器测量范围的不足。
【权利要求】
1.一种多量程的MEMS CMOS叉指电容加速度计，其特征是:包括连接在一起的第一传感器单元(100)、第二传感器单元(200)、第三传感器单元(300)、第四传感器单元(400)、第五传感器单元(500)和第六传感器单元(600)，第一传感器单元(100)、第二传感器单元(200)、第三传感器单元(300)、第四传感器单元(400)、第五传感器单元(500)和第六传感器单元(600)分别具有两个输出端，第一传感器单元(100)、第二传感器单元(200)、第三传感器单元(300)、第四传感器单元(400)、第五传感器单元(500)和第六传感器单元(600)的输入端由金属连线合并连接；所述第一传感器单元(100)、第二传感器单元(200)、第三传感器单元(300)、第四传感器单元(400)、第五传感器单元(500)和第六传感器单元(600)分别包括基底(7)及基底(7)上的结构层，结构层包括上锚点(1-1)、下锚点(1-2)、第一叉指电容(2-1)、第二叉指电容(2-2)、第三叉指电容(2-3)、第四叉指电容(2-4)、左弹性梁(3-1)、右弹性梁(3-2)、左质量块(4-1)、右质量块(4-2)、连接梁(5)、左锚点(6-1)和右锚点(6-2)，左质量块(4-1)的左端通过左弹性梁(3-1)连接左锚点(6-1)，左质量块(4-2)的右端通过连接梁(5)连接右质量块(4-2)的左端，右质量块(4-2)的右端通过右弹性梁(3-2)连接右锚点(6-2);在所述上锚点(1-1)靠近左质量块(4-1)和右质量块(4-2)的一侧面上设有梳齿状排列的第一叉指电容(2-1)，左质量块(4-1)和右质量块(4-2)的上侧面上设有梳齿状排列的第二叉指电容(2-2)，每一个第一叉指电容(2-1)位于两个第二叉指电容(2-2)的空隙之间，且第一叉指电容(2-1)与第二叉指电容(2-2)呈等距离交错配置；在所述下锚点(1-2)靠近左质量块(4-1)和右质量块(4-2)的一侧面上设有梳齿状排列的第三叉指电容(2-3 )，左质量块(4-1)和右质量块(4-2 )的下侧面上设有梳齿状排列的第四叉指电容(2-4)，每一个第三叉指电容(2-3)位于两个第四叉指电容(2-4)的空隙之间，且第三叉指电容(2-3)与第四叉指电容(2-4)呈等距离交错配置。
2.如权利要求1所述的多量程的MEMSCMOS叉指电容加速度计，其特征是:所述第一传感器单元(100)、第二传感器单元(200)、第三传感器单元(300)、第四传感器单元(400)、第五传感器单元(500)和第六传感器单元(600)的叉指电容的大小不同。
3.如权利要求1所述的多量程的MEMSCMOS叉指电容加速度计，其特征是:所述第一叉指电容(2-1)、第二叉指电容(2-2)、第三叉指电容(2-3)、第四叉指电容(2-4)、左弹性梁(3-1)、右弹性梁(3-2)、左质量块(4-1)、右质量块(4-2)和连接梁(5)的结构为垂直沉积叠加结构，该垂直沉积叠加结构自底层向上依次为第一 SiO2图层(8)、第一金属铝图层(9)、第二 SiO2图层(10)、第二金属铝图层(12)、第三SiO2图层(13)、第三金属铝图层(15)和钝化层(16)，第一金属铝图层(9)和第二金属铝图层(12)由设置在第二 SiO2图层(10)中的第一钨塞(11)连接，第二金属铝图层(12)和第三金属铝图层(15)由设置在第三SiO2图层(13)中的第二钨塞(14)连接；在该垂直沉积叠加结构上设置多个垂直于基底(7)的侧墙(17)，侧墙(17)由 钝化层(16)的上表面延伸至基底(7)的上表面，在该垂直沉积叠加结构下部的基底(7)上设置悬空结构(18)。
4.如权利要求3所述的多量程的MEMSCMOS叉指电容加速度计，其特征是:所述悬空结构(18)在宽度方向上由基底(7)的一侧向基底(7)的另一侧延伸，且悬空结构(18)的宽度小于基底(7)的宽度；所述悬空结构(18)在高度方向上由基底(7)的上表面向基底(7)的下表面延伸，且悬空结构(18)的高度小于基底(7)的高度。
5.如权利要求1所述的多量程的MEMSCMOS叉指电容加速度计，其特征是:所述上锚点(1-1)、下锚点(1-2)、左锚点(6-1)和右锚点(6-2)的中部为凹陷部(19)，凹陷部(19)的四周为凸出部(20);所述凸出部(20)的结构自底层向上依次为第一 SiO2图层(8)、第一金属铝图层(9)、第二 SiO2图层(10)、第二金属铝图层(12)、第三SiO2图层(13)、第三金属铝图层(15)和钝化层(16)，第一金属铝图层(9)和第二金属铝图层(12)由设置在第二 SiO2图层(10)中的第一钨塞(11)连接，第二金属铝图层(12)和第三金属铝图层(15)由设置在第三SiO2图层(13)中的第二钨塞(14)连接；所述凹陷部(19)的结构自底层向上依次为第一SiO2图层(8)、第一金属铝图层(9)、第二 SiO2图层(10)、第二金属铝图层(12)和第三SiO2图层(13)，第一金属铝图层(9)和第二金属铝图层(12)由设置在第二 SiO2图层(10)中的第一钨塞(11)连接。
6.如权利要求3所述的多量程的MEMSCMOS叉指电容加速度计，其特征是:所述第一传感器单元(100)、第二传感器单元(200)、第三传感器单元(300)、第四传感器单元(400)、第五传感器单兀(500)和第六传感器单兀(600)的输出端由第三金属招图层(15)引出，第一传感器单元(100)、第二传感器单元(200)、第三传感器单元(300)、第四传感器单元(400)、第五传感器单元(500)和第六传感器单元(600)的输入端由第二金属铝图层(12)引入。
7.如权利要求1所述的多量程的MEMSCMOS叉指电容加速度计，其特征是:所述的基底(7)为硅基底。
8.如权利要求1所述的多量程的MEMSCMOS叉指电容加速度计，其特征是:所述上锚点(1-1)和下锚点(1-2)为沿左右方向延伸的长方块，左锚点(6-1)和右锚点(6-2)呈方块状。
【文档编号】G01P15/125GK103645344SQ201310676685
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】薛惠琼, 王玮冰, 田龙坤 申请人:江苏物联网研究发展中心