多量程mems cmos静电梳齿谐振器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种多量程MEMSCMOS静电梳齿谐振器，其特征是：包括六个量程不同的静电梳齿谐振器结构，每个谐振器单元包括上下锚点、第一叉指电容、第二叉指电容、第三叉指电容、第四叉指电容、上下弹性梁、振子质量块和左右锚点，振子质量块包括左部质量块和右部质量块；在所述左部质量块的上部和下部的左侧面上设有第一叉齿电容，在右部质量块的上部和下部的右侧面上设有第二叉指电容；在所述左锚点上设有第三叉指电容，在右锚点上设有第四叉电容；所述第一叉指电容与第三叉指电容等距离交叉配置，第二叉指电容与第四叉指电容等距离交叉配置；每个谐振器单元的叉指电容大小不同。本发明提高了电容式压力传感器的灵敏度和测量范围。
【专利说明】多量程MEMS CMOS静电梳齿谐振器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多量程MEMS CMOS静电梳齿谐振器，尤其是一种基于CMOS DPTM(Double Poly Triple Metal)混合信号工艺的多量程MEMS CMOS静电梳齿谐振器，属于MEMS器件设计制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展，MEMS技术在军民应用中越来越广泛。微结构的机械振动可以用很多方法来激励，例如:压电、热膨胀、静电力和静磁力，而由于用静电力激励的方式简单，工艺上又能与微机械加工技术兼容，所以静电梳齿谐振器成为了 MEMS中一种重要的基础功能单元。静电梳齿谐振器具有能实现机械能和其他能量之间的转换、可以产生较大的振动幅值、设计灵活等优点，可广泛用于微谐振器、微滤波器、微执行器等微电子机械系统(MEMS)器件中，在射频通信、国防军工、消费电子等领域有着十分重要的作用。
[0003]基于制造方法，微机械器件可以被划分为两大类:体材料加工得到的微机械器件和表面薄膜加工得到的微机械器件。体微谐振器相比于表面薄膜微谐振器有较高的灵敏度和较低的噪声。但是表面微机械技术的优势是相对低的制造成本，同时也能容易地实现MEMS和信号检测电路的单片集成。通过对比一系列MEMS工艺，发现CMOS MEMS工艺最容易实现低成本和高性能的结合。这主要是因为CMOS MEMS工艺可以使用标准CMOS工艺线加工MEMS系统，从而实现了低成本。同时该工艺允许MEMS器件和检测电路间采用金属互连，而且这两个模块可以布置的很近，这大大减小了互连寄生参数，从而保证了高精度和低噪声性能。
[0004]现有的谐振器结构一般包括设有梳齿的质量块，梳齿与电极交叉设置，由于质量块上连接一排梳齿，质量块的结构一般呈长条形；这种结构导致质量块的两端容易形成翘起，在实际使用时，影响到谐振器的正常工作。现有的谐振器主要存在以下缺陷:(1)无法与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】
[0005]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MEMS CMOS静电梳齿谐振器，提高了测量范围，弥补了单个传感器测量范围的不足。
[0006]按照本发明提供的技术方案，所述多量程MEMS CMOS静电梳齿谐振器，其特征是:包括连接在一起的第一谐振器单元、第二谐振器单元、第三谐振器单元、第四谐振器单元、第五谐振器单元和第六谐振器单元，第一谐振器单元、第二谐振器单元、第三谐振器单元、第四谐振器单元、第五谐振器单元和第六谐振器单元分别具有两个输出端，第一谐振器单元、第二谐振器单元、第三谐振器单元、第四谐振器单元、第五谐振器单元和第六谐振器单元的输入端由金属连线合并连接；所述第一谐振器单元、第二谐振器单元、第三谐振器单元、第四谐振器单元、第五谐振器单元和第六谐振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、上弹性梁、下弹性梁、振子质量块、左锚点和右锚点；所述振子质量块包括左部质量块和右部质量块，左部质量块和右部质量块由连接梁连接；所述上弹性梁和下弹性梁分别包括四条折梁，上弹性梁的四条折梁分别连接上锚点和振子质量块，下弹性梁的四条折梁分别连接下锚点和振子质量块；在所述左部质量块的左侧面上设有梳齿状排列的第一叉齿电容，在右部质量块的右侧面上设有梳齿状排列的第二叉指电容；在所述左锚点靠近左部质量块的侧面上设有梳齿状排列的第三叉指电容，在右锚点靠近右部质量块的侧面上设有梳齿状排列的第四叉电容；所述第一叉指电容位于两个第三叉指电容的空隙之间，且第一叉指电容与第三叉指电容呈等距离的交叉配置；所述第二叉指电容位于两个第四叉指电容的空隙之间，且第二叉指电容与第四叉指电容呈等距离的交叉配置。
[0007]所述第一谐振器单元、第二谐振器单元、第三谐振器单元、第四谐振器单元、第五谐振器单元和第六谐振器单元的叉指电容的大小不同。
[0008]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、上弹性梁、下弹性梁、振子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介质层、第一金属铝图层、第二介质层、第二金属铝图层、第三介质层、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介质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介质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。
[0009]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。
[0010]所述上锚点、下锚点、左锚点和右锚点包括凹陷部和凸出部；所述凸出部的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属铝图层、第二介质层、第二金属铝图层、第三介质层、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介质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介质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介质层、第一金属铝图层、第二介质层、第二金属铝图层和第三介质层，第一金属铝图层和第二金属铝图层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接。
[0011]所述第一谐振器单元、第二谐振器单元、第三谐振器单元、第四谐振器单元、第五谐振器单元和第六谐振器单元的输出端由第三金属铝图层引出，第一谐振器单元、第二谐振器单元、第三谐振器单元、第四谐振器单元、第五谐振器单元和第六谐振器单元的输入端由第二金属铝图层引入。
[0012]所述左部质量块左侧的中部设置向左部质量块内侧凹进的左部槽体，右部质量块右侧的中部设置向右部质量块内侧凹进的右部槽体。
[0013]所述左锚点和右锚点均呈长方块状，上锚点和下锚点呈方块状。
[0014]所述基底为硅基底。
[0015]本发明具有以下优点:(1)本发明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；(2)本发明采用不同量程的六个静电梳齿谐振器进行分段静电梳齿谐振器测量的方式，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，提高了电容式静电梳齿谐振器的灵敏度和测量范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明所述谐振器的俯视图。
[0017]图2为本发明所述谐振器单元的俯视图。
[0018]图3为所述第一叉指电容、第二叉指电容、第三叉指电容、第四叉指电容、上弹性梁、下弹性梁、振子质量块和连接梁的剖视图。
[0019]图4为所述锚点、右锚点、上锚点和下锚点的剖视图。
[0020]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、上弹性梁3-1、下弹性梁3-2、左部质量块4_1、左部槽体4-11、右部质量块4-2、右部槽体4-21、连接梁5、左锚点6_1、右锚点6_2、基底7、第一介质层8、第一金属铝图层9、第二介质层10、第一钨塞11、第二金属铝图层12、第三介质层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、第一谐振器单元100、第二谐振器单元200、第三谐振器单元300、第四谐振器单元400、第五谐振器单元500、第六谐振器单元600。
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
[0022]如图1所示:所述多量程MEMS CMOS静电梳齿谐振器包括连接在一起的第一谐振器单元100、第二谐振器单元200、第三谐振器单元300、第四谐振器单元400、第五谐振器单元500和第六谐振器单元600，第一谐振器单元100、第二谐振器单元200、第三谐振器单元300、第四谐振器单元400、第五谐振器单元500和第六谐振器单元600分别具有两个输出端(如图1所示，第一谐振器单元100的输入端为110、120，第二谐振器单元200的输入端为210、220，第三谐振器单元300的输入端为310、320，第四谐振器单元400的输入端为410、420，第五谐振器单元500的输入端为510、520，第六谐振器单元600的输入端为610、620)，第一谐振器单元100、第二谐振器单元200、第三谐振器单元300、第四谐振器单元400、第五谐振器单元500和第六谐振器单元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，所述第一谐振器单元100、第二谐振器单元200、第三谐振器单元300、第四谐振器单元400、第五谐振器单元500和第六谐振器单元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、上弹性梁3-1、下弹性梁3-2、振子质量块、左锚点6_1和右锚点6-2，左锚点6-1和右锚点6-2均呈长方块状，上锚点1-1和下锚点1-2呈方块状；所述振子质量块包括左部质量块4-1和右部质量块4-2,左部质量块4-1和右部质量块4-2由连接梁5连接；所述上弹性梁3-1和下弹性梁3-1分别包括四条折梁，上弹性梁3-1的四条折梁分别连接上锚点1-1和振子质量块，下弹性梁3-2的四条折梁分别连接下锚点1-2和振子质量块；所述左部质量块4-1左侧的中部设置向左部质量块4-1内侧凹进的左部槽体4-11，右部质量块4-2右侧的中部设置向右部质量块4-2内侧凹进的右部槽体4-21 ;在所述左部质量块4-1上部和下部(除了左部槽体4-11的部分)的左侧面上设有梳齿状排列的第一叉齿电容2-1，在右部质量块4-2上部和下部(除了右部槽体4-21的部分)的右侧面上设有梳齿状排列的第二叉指电容2-2 ;在所述左锚点6-1靠近左部质量块4-1的侧面上设有梳齿状排列的第三叉指电容2-3，在右锚点6-2靠近右部质量块4-2的侧面上设有梳齿状排列的第四叉电容2-4 ;所述第一叉指电容2-1位于两个第三叉指电容2-3的空隙之间，且第一叉指电容2-1与第三叉指电容2-3呈等距离的交叉配置；所述第二叉指电容2-2位于两个第四叉指电容2-4的空隙之间，且第二叉指电容2-2与第四叉指电容2-4呈等距离的交叉配置；工作的时候振子质量块连接的第一叉指电容结构2-1和第二叉指电容2-2和左锚点4-1连接的第三叉指电容结构2-3、右锚点4-2连接的第四叉指电容2-4在上弹性梁
3-1、下弹性梁3-2的弹力下相互作用，改变总电容量；
所述第一谐振器单元100、第二谐振器单元200、第三谐振器单元300、第四谐振器单元400、第五谐振器单元500和第六谐振器单元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、上弹性梁3-1、下弹性梁3-2、振子质量块和连接梁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介质层8、第一金属铝图层9、第二介质层10、第二金属铝图层12、第三介质层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由设置在第二介质层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由设置在第三介质层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；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和第四叉指电容2-4主要由第一金属铝图层9、第二金属铝图层12和第三金属铝图层15通过第二介质层10和第三介质层13上的第一钨塞11和第二钨塞14相连接处于等电势，构成极板；
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包括凹陷部19和凸出部20 ;所述凸出部20的结构自底层向上依次为第一介质层8、第一金属铝图层9、第二介质层10、第二金属铝图层12、第三介质层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由设置在第二介质层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由设置在第三介质层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介质层8、第一金属招图层9、第二介质层10、第二金属招图层12和第三介质层13，第一金属铝图层9和第二金属铝图层12由设置在第二介质层10中的弟一鹤塞11连接；
所述第一谐振器单元100、第二谐振器单元200、第三谐振器单元300、第四谐振器单元400、第五谐振器单兀500和第六谐振器单兀600的输出端由第三金属招图层15引出，第一谐振器单元100、第二谐振器单元200、第三谐振器单元300、第四谐振器单元400、第五谐振器单元500和第六谐振器单元600的输入端由第二金属铝图层12引入。
[0023]本发明所述多量程MEMS CMOS静电梳齿谐振器包括五个不同量程大小的静电梳齿谐振器单元(第一谐振器单元100、第二谐振器单元200、第三谐振器单元300、第五谐振器单元500、第六谐振器单元600)和一个不随加速度变化的参考电容单元(第四谐振器单元400)，每个谐振器单元依据叉指电容大小不同，分别用于不同范围的测量。在工作时，在某一静电梳齿谐振器情况下，第一谐振器单元100和第二谐振器单元200已经饱和，而第五谐振器单元500和第六谐振器单元600在此静电梳齿谐振器情况下变形很小，这时就可以选择第三谐振器单元300作为测量单元，其中第四谐振器单元400作为参考单元。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。提高了电容式静电梳齿谐振器的灵敏度和测量范围，采用了不同量程的六个静电梳齿谐振器进行分段静电梳齿谐振器测量的方式，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MEMS CMOS静电梳齿谐振器，其特征是:包括连接在一起的第一谐振器单元(100)、第二谐振器单元(200)、第三谐振器单元(300)、第四谐振器单元(400)、第五谐振器单元(500)和第六谐振器单元(600)，第一谐振器单元(100)、第二谐振器单元(200)、第三谐振器单元(300)、第四谐振器单元(400)、第五谐振器单元(500)和第六谐振器单元(600)分别具有两个输出端，第一谐振器单元(100)、第二谐振器单元(200)、第三谐振器单元(300)、第四谐振器单元(400)、第五谐振器单元(500)和第六谐振器单元(600)的输入端由金属连线合并连接；所述第一谐振器单元(100)、第二谐振器单元(200)、第三谐振器单元(300)、第四谐振器单元(400)、第五谐振器单元(500)和第六谐振器单元(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)、上弹性梁(3-1)、下弹性梁(3-2)、振子质量块、左锚点(6-1)和右锚点(6-2);所述振子质量块包括左部质量块(4-1)和右部质量块(4-2)，左部质量块(4-1)和右部质量块(4-2)由连接梁(5)连接；所述上弹性梁(3-1)和下弹性梁(3-1)分别包括四条折梁，上弹性梁(3-1)的四条折梁分别连接上锚点(1-1)和振子质量块，下弹性梁(3-2)的四条折梁分别连接下锚点(1-2)和振子质量块；在所述左部质量块(4-1)的左侧面上设有梳齿状排列的第一叉齿电容(2-1)，在右部质量块(4-2)的右侧面上设有梳齿状排列的第二叉指电容(2-2);在所述左锚点(6-1)靠近左部质量块(4-1)的侧面上设有梳齿状排列的第三叉指电容(2-3 )，在右锚点(6-2 )靠近右部质量块(4-2)的侧面上设有梳齿状排列的第四叉电容(2-4);所述第一叉指电容(2-1)位于两个第三叉指电容(2-3 )的空隙之间，且第一叉指电容(2-1)与第三叉指电容(2-3 )呈等距离的交叉配置；所述第二叉指电容(2-2)位于两个第四叉指电容(2-4)的空隙之间，且第二叉指电容(2-2)与第四叉指电容(2-4)呈等距离的交叉配置。
2.如权利要求1所述的多量程MEMSCMOS静电梳齿谐振器，其特征是:所述第一谐振器单元(100)、第二谐振器单元(200)、第三谐振器单元(300)、第四谐振器单元(400)、第五谐振器单元(500)和第六谐振器单元(600)的叉指电容的大小不同。
3.如权利要求1所述的多量程MEMSCMOS静电梳齿谐振器，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)、上弹性梁(3-1)、下弹性梁(3-2)、振子质量块和连接梁(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介质层(8)、第一金属招图层(9)、第二介质层(10)、第二金属招图层(12)、第三介质层(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)由设置在第二介质层(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)由设置在第三介质层(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MEMSCMOS静电梳齿谐振器，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MEMSCMOS静电梳齿谐振器，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)包括凹陷部(19)和凸出部(20);所述凸出部(20)的结构自底层向上依次为第一介质层(8)、第一金属铝图层(9)、第二介质层(10)、第二金属铝图层(12)、第三介质层(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)由设置在第二介质层(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)由设置在第三介质层(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介质层(8)、第一金属铝图层(9)、第二介质层(10)、第二金属铝图层(12)和第三介质层(13)，第一金属铝图层(9)和第二金属铝图层(12)由设置在第二介质层(10)中的第一钨塞(11)连接。
6.如权利要求3所述的多量程MEMSCMOS静电梳齿谐振器，其特征是:所述第一谐振器单元(100)、第二谐振器单元(200)、第三谐振器单元(300)、第四谐振器单元(400)、第五谐振器单元(500)和第六谐振器单元(600)的输出端由第三金属铝图层(15)引出，第一谐振器单元(100)、第二谐振器单元(200)、第三谐振器单元(300)、第四谐振器单元(400)、第五谐振器单元(500)和第六谐振器单元(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MEMSCMOS静电梳齿谐振器，其特征是:所述左部质量块(4-1)左侧的中部设置向左部质量块(4-1)内侧凹进的左部槽体(4-11)，右部质量块(4-2)右侧的中部设置向右部质量块(4-2)内侧凹进的右部槽体(4-21)。
8.如权利要求1所述的多量程MEMSCMOS静电梳齿谐振器，其特征是:所述左锚点(6-1)和右锚点(6-2)均呈长方块状，上锚点(1-1)和下锚点(1-2)呈方块状。
9.如权利要求1所述的多量程MEMSCMOS静电梳齿谐振器，其特征是:所述基底(7)为硅基底。
【文档编号】H03H9/24GK103647521SQ201310676737
【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