多量程的叉指电容加速度计的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及一种多量程的叉指电容加速度计，其特征是：包括六个量程不同的加速度计结构，每个单元结构包括基底及结构层，结构层包括上下锚点、左右弹性梁、质量块、左右锚点；所述上下锚点和质量块上分别设有极板组；每个传感器单元的大小不同。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】多量程的叉指电容加速度计
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多量程的叉指电容加速度计，尤其是一种基于CMOS DPTM(DoublePoly 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，提供一种多量程的叉指电容加速度计，灵敏度高，量程范围大、可制造性高，制造成本低。
[0004]按照本发明提供的技术方案，所述多量程的叉指电容加速度计，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、左弹性梁、右弹性梁、质量块、左锚点和右锚点，质量块的左端通过左弹性梁连接左锚点，质量块的右端通过右弹性梁连接右锚点，质量块分成若干部分，每部分之间均由连接梁连接；所述上锚点靠近质量块的侧面、以及下锚点靠近质量块的侧面上设有呈梳齿状排列的极板组，每对极板组包括第一极板和第二极板，质量块的上、下侧面分别设有呈梳齿状排列与极板组交错配置的第三极板，每对极板组位于两个第三极板的空隙之间。
[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极板的大小不同。
[0006]所述第三极板、左弹性梁、右弹性梁、质量块和连接梁的结构自底层向上依次为第
一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层、第三金属层和钝化层，第一金属层和第二金属层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接，第二金属层和第三金属层由设置在第三介质层中的第二钨塞连接；在第三极板、左弹性梁、右弹性梁、质量块和连接梁的结构层上刻蚀形成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，在第三极板、左弹性梁、右弹性梁、质量块和连接梁结构层下部的基底上设置悬空结构。
[0007]所述第一极板的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层和钝化层，第一金属层和第二金属层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接；在第一极板的结构层上刻蚀形成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，在第一极板结构层下部的基底上设置悬空结构。
[0008]所述第二极板的结构自底层向上依次为第一介质层、第二介质层、第三介质层、第三金属层和钝化层；在第二极板的结构层上刻蚀形成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，在第二极板结构层下部的基底上设置悬空结构。
[0009]所述上锚点和下锚点上包括第一凹陷部和第一凸出部；所述第一凸出部的结构自底层向上依次为第一介质层、第二介质层、第三介质层、第三金属层和钝化层；所述第一凹陷部的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层，第一金属层和第二金属层由设置在第二介质层中的第一鹤塞连接。
[0010]所述左锚点和右锚点上包括第二凹陷部和第二凸出部；所述第二凸出部的结构自底层向上依次为第一介质层第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层、第三金属层和钝化层，第一金属层和第二金属层由设置在第二介质层中的第一鹤塞连接，第二金属层和第三金属层由设置在第三介质层中的第二钨塞连接；所述第二凹陷部的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层，第一金属层和第二金属层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接。
[0011 ] 所述基底为娃基底。
[0012]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。
[0013]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明所述加速度计的俯视图。
[0015]图2为本发明所述传感器单元的俯视图。
[0016]图3为第三极板、左弹性梁、右弹性梁、质量块和连接梁的剖视图。
[0017]图4为第一极板的剖视图。
[0018]图5为第二极板的剖视图。
[0019]图6为上锚点和下锚点的剖视图。
[0020]图7为左锚点和右锚点的剖视图。
[0021]图中的序号为:图中的序号为:上锚点1-1、下锚点1-2、第一极板2-1、第二极板2-2、第三极板2-3、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、质量块4、连接梁5、左锚点6_1、右锚点6-2、基底10、第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第一鹤塞14、第二金属层15、第三介质层16、第三金属层17、钝化层18、第二钨塞19、侧墙20、悬空结构21、第一凹陷部22-1、第二凹陷部22-2、第一凸出部23-1、第二凸出部23-2、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】
[0022]下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
[0023]如图1所示:所述多量程的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10及基底10上的结构层，结构层包括上锚点1-1、下锚点1-2、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、质量块4、左锚点6-1和右锚点6-2，质量块4的左端通过左弹性梁3-1连接左锚点6-1，质量块4的右端通过右弹性梁3-2连接右锚点6-2，质量块4可分成若干部分，每部分之间均由连接梁5连接，这种结构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引起的弯曲，影响叉指电容结构总电容量下降的问题；所述上锚点1-1靠近质量块4的侧面、以及下锚点1-2靠近质量块4的侧面上设有呈梳齿状排列的极板组，每对极板组包括第一极板2-1和第二极板2-2，质量块4的上、下侧面分别设有呈梳齿状排列与极板组交错配置的第三极板2-3，每对极板组位于两个第三极板2-3的空隙之间；工作的时候质量块4连接的第三极板2-3与上锚点1-1和下锚点1-2连接的第一极板2-1和第二极板2-2在弹性梁的作用下相互作用，改变总电容量；
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的极板的大小不同；
其中，如图3所示，所述第三极板2-3、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、质量块4和连接梁5的结构自底层向上依次为第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第二金属层15、第三介质层16、第三金属层17和钝化层18,第一金属层12和第二金属层15由设置在第二介质层13中的第一鹤塞14连接，第二金属层15和第三金属层17由设置在第三介质层16中的第二钨塞19连接；在第三极板2-3、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、质量块4和连接梁5的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底10的侧墙20，侧墙20由钝化层18的上表面延伸至基底10的上表面，在第三极板2-3、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、质量块4和连接梁5结构层下部的基底10上设置悬空结构21 ;所述悬空结构21在宽度方向上由基底10的一侧向基底10的另一侧延伸，且悬空结构21的宽度小于基底10的宽度；所述悬空结构21在高度方向上由基底10的上表面向基底10的下表面延伸，且悬空结构21的高度小于基底10的高度；
如图4所示，所述第一极板2-1的结构自底层向上依次为第一介质层11、第一金属层
12、第二介质层13、第二金属层15、第三介质层16和钝化层18,第一金属层12和第二金属层15由设置在第二介质层13中的第一钨塞14连接；在第一极板2-1的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底10的侧墙20，侧墙20由钝化层18的上表面延伸至基底10的上表面，在第一极板2-1结构层下部的基底10上设置悬空结构21 ;所述悬空结构21在宽度方向上由基底10的一侧向基底10的另一侧延伸，且悬空结构21的宽度小于基底10的宽度；所述悬空结构21在高度方向上由基底10的上表面向基底10的下表面延伸，且悬空结构21的高度小于基底10的高度；
如图5所示，所述第二极板2-2的结构自底层向上依次为第一介质层11、第二介质层
13、第三介质层16、第三金属层17和钝化层18;在第二极板2-2的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底10的侧墙20，侧墙20由钝化层18的上表面延伸至基底10的上表面，在第二极板2-2结构层下部的基底10上设置悬空结构21 ;所述悬空结构21在宽度方向上由基底10的一侧向基底10的另一侧延伸，且悬空结构21的宽度小于基底10的宽度；所述悬空结构21在高度方向上由基底10的上表面向基底10的下表面延伸，且悬空结构21的高度小于基底10的高度；
如图6所示，所述上锚点1-1和下锚点1-2上包括第一凹陷部22-1和第一凸出部23-1 ；所述第一凸出部23-1的结构自底层向上依次为第一介质层11、第二介质层13、第三介质层
16、第三金属层17和钝化层18 ;所述第一凹陷部22-1的结构自底层向上依次为第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第二金属层15和第三介质层16,第一金属层12和第二金属层15由设置在第二介质层13中的第一鹤塞14连接；
如图7所示，所述左锚点6-1和右锚点6-2上包括第二凹陷部22-2和第二凸出部23-2 ；所述第二凸出部23-2的结构自底层向上依次为第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第二金属层15、第三介质层16、第三金属层17和钝化层18,第一金属层12和第二金属层15由设置在第二介质层13中的第一鹤塞14连接，第二金属层15和第三金属层15由设置在第三介质层16中的第二钨塞19连接；所述第二凹陷部22-2的结构自底层向上依次为第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第二金属层15和第三介质层16,第一金属层12和第二金属层15由设置在第二介质层13中的第一鹤塞14连接；
其中，所述的基底7为硅基底；
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层17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、第五传感器单兀500和第六传感器单兀600的输入端由第二金属层15引入。
[0024]本发明所述多量程的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(第一传感器单元100、第二传感器单元200、第三传感器单元300、第五传感器单元500、第六传感器单元600)和一个不随加速度变化的参考电容单元(第四传感器单元400)，每个单元依据的极板大小不同，分别用于不同范围的加速度计测量，每个单元加速度计的结构。如图1所示，本发明所述多量程叉指电容加速度计的六个传感器单元采用同一输入端(01、02)，分别采用不同的输出端(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，第一传感器单兀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(10)及基底(10)上的结构层，结构层包括上锚点(1-1)、下锚点(1-2)、左弹性梁(3-1)、右弹性梁(3-2)、质量块(4)、左锚点(6-1)和右锚点(6-2)，质量块(4)的左端通过左弹性梁(3-1)连接左锚点(6-1)，质量块(4)的右端通过右弹性梁(3-2)连接右锚点(6-2)，质量块(4)分成若干部分，每部分之间均由连接梁(5)连接；所述上锚点(1-1)靠近质量块(4)的侧面、以及下锚点(1-2)靠近质量块(4)的侧面上设有呈梳齿状排列的极板组，每对极板组包括第一极板(2-1)和第二极板(2-2)，质量块(4)的上、下侧面分别设有呈梳齿状排列与极板组交错配置的第三极板(2-3)，每对极板组位于两个第三极板(2-3)的空隙之间。
2.如权利要求1所述的多量程的叉指电容加速度计，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)的极板的大小不同。
3.如权利要求1所述的多量程的叉指电容加速度计，其特征是:所述第三极板(2-3)、左弹性梁(3-1)、右弹性梁(3-2)、质量块(4)和连接梁(5)的结构自底层向上依次为第一介质层(11)、第一金属层(12)、第二介质层(13)、第二金属层(15)、第三介质层(16)、第三金属层(17)和钝化层(18)，第一金属层(12)和第二金属层(15)由设置在第二介质层(13)中的第一鹤塞(14)连接，第二`金属层(15)和第三金属层(17)由设置在第三介质层(16)中的第二钨塞(19)连接；在第三极板(2-3)、左弹性梁(3-1)、右弹性梁(3-2)、质量块(4)和连接梁(5)的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底(10)的侧墙(20)，侧墙(20)由钝化层(18)的上表面延伸至基底(10)的上表面，在第三极板(2-3)、左弹性梁(3-1)、右弹性梁(3-2)、质量块(4)和连接梁(5)结构层下部的基底(10)上设置悬空结构(21 )。
4.如权利要求1所述的多量程的叉指电容加速度计，其特征是:所述第一极板(2-1)的结构自底层向上依次为第一介质层(11)、第一金属层(12)、第二介质层(13)、第二金属层(15)、第三介质层(16)和钝化层(18),第一金属层(12)和第二金属层(15)由设置在第二介质层(13)中的第一钨塞(14)连接；在第一极板(2-1)的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底(10)的侧墙(20)，侧墙(20)由钝化层(18)的上表面延伸至基底(10)的上表面，在第一极板(2-1)结构层下部的基底(10)上设置悬空结构(21)。
5.如权利要求1所述的多量程的叉指电容加速度计，其特征是:所述第二极板(2-2)的结构自底层向上依次为第一介质层(11)、第二介质层(13)、第三介质层(16)、第三金属层(17)和钝化层(18);在第二极板(2-2)的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底(10)的侧墙(20)，侧墙(20)由钝化层(18)的上表面延伸至基底(10)的上表面，在第二极板(2-2)结构层下部的基底(10)上设置悬空结构(21 )。
6.如权利要求1所述的多量程的叉指电容加速度计，其特征是:所述上锚点(1-1)和下锚点(1-2)上包括第一凹陷部(22-1)和第一凸出部(23-1);所述第一凸出部(23-1)的结构自底层向上依次为第一介质层(11)、第二介质层(13)、第三介质层(16)、第三金属层(17)和钝化层(18);所述第一凹陷部(22-1)的结构自底层向上依次为第一介质层(11)、第一金属层(12)、第二介质层(13)、第二金属层(15)和第三介质层(16),第一金属层(12)和第二金属层(15)由设置在第二介质层(13)中的第一钨塞(14)连接。
7.如权利要求1所述的多量程的叉指电容加速度计，其特征是:所述左锚点(6-1)和右锚点(6-2)上包括第二凹陷部(22-2)和第二凸出部(23-2);所述第二凸出部(23-2)的结构自底层向上依次为第一介质层(11)、第一金属层(12)、第二介质层(13)、第二金属层(15)、第三介质层(16)、第三金属层(17)和钝化层(18),第一金属层(12)和第二金属层(15)由设置在第二介质层(13)中的第一鹤塞(14)连接，第二金属层(15)和第三金属层(15)由设置在第三介质层(16)中的第二钨塞(19)连接；所述第二凹陷部(22-2)的结构自底层向上依次为第一介质层(11)、第一金属层(12)、第二介质层(13)、第二金属层(15)和第三介质层(16),第一金属层(12)和第二金属层(15)由设置在第二介质层(13)中的第一鹤塞(14)连接。
8.如权利要求1所述的多量程的叉指电容加速度计，其特征是:所述基底(7)为硅基。
9.如权利要求3、4或5所述的多量程的叉指电容加速度计，其特征是:所述悬空结构(21)在宽度方向上由基底(10)的一侧向基底(10)的另一侧延伸，且悬空结构(21)的宽度小于基底(10)的宽度；所述悬空结构(21)在高度方向上由基底(10)的上表面向基底(10)的下表面延伸，且悬空结构(21)的高度小于基底(10)的高度。
【文档编号】G01P15/125GK103675349SQ201310674272
【公开日】2014年3月26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