一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构制造技术

本发明专利技术提供一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，该传感器具有固定的第一敏感电极和可动的第二敏感电极，其中，所述防静电结构包括分别连接在所述第一敏感电极与一地电极之间、所述地电极与一输出电极之间、所述输出电极与所述第二敏感电极之间的三个多晶硅结构层，其中，每个多晶硅结构层与其相邻的两个电极构成一对背靠背二极管。本发明专利技术能够保证电容式传感器两电极在非工作状态下不被吸合或击穿，同时又不会对传感器的正常工作产生影响。 1

【技术实现步骤摘要】
一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构
本专利技术涉及传感器领域，尤其涉及一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构及其应用电路。
技术介绍
利用硅微机电技术(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)制作的硅基电容式传感器包括电容式加速度传感器、电容式压力传感器和电容式声发射传感器等已经成为硅基传感器领域广泛研究的方向之一。目前很多硅基MEMS电容式传感器的工作原理就是通过MEMS工艺制作一个可动结构2作为电容式传感器的一个电极，如图1所示，它与衬底1构成一个检测电容，待测信号可驱动可动结构2振动引起传感器电容值的改变，通过测试电容的变化来实现对待测信号的检测。在生产、运输和操作过程中，硅基MEMS电容式传感器没有连接在电路中，电容两极板间没有直流通路，因此，对静电敏感。这与集成电路中的MOS器件类似，MOS管的结构如图2a所示，包括硅衬底3、源极4、栅极5、绝缘层6和漏极7，其中，MOS管衬底3与栅极5也构成一个电容，两者之间没有直流通路时，对静电也非常敏感。这是因为：电容式器件的电容值与电压满足的关系式为(式中C为两个电极间的电容值，Q为电极上的电荷量，V为电极间的电压差)，制作的硅基电容式器件的电容值往往很小，只有pF量级，如果在电容式器件的两极板上积累一定的静电电荷Q，就很容易产生很大的电压V，引起硅基电容式器件的两电极板发生吸合或者击穿现象，造成硅基电容式器件不能正常工作，因此，做好硅基电容式器件的防静电工作，已成为保证硅基电容式器件正常工作的重要前提。MOS结构常规的防静电措施是：在MOS管的栅极制作两个PN结二极管，MOS管防静电的结构示意如图2b所示，在MOS管8的栅极a端制作了两个PN结二极管9和10，由于PN结存在漏电流，所以这两个PN结二极管的c端和d端均与MOS管的衬底b端建立了直流通路关系(图中的虚线表示通路关系)，即MOS管没有连接到工作电路时，通过制作的PN结二极管9和10，在MOS管电容两端a和d端累积的静电电荷可在该直流通路上流动，从而保证了MOS管栅极5与衬底电极3不能产生大的电压差，MOS管栅极5与衬底3之间就不能造成击穿，使得MOS具备了静电防护的功能；当MOS管8连接到工作电路中时，如图2c所示，积累的静电电荷可瞬间通过外接电路释放，此外，MOS管工作时输入信号的电压处于-Vdd与Vcc之间，这时PN结二极管9和10均处于反向偏置，即9和10处于开路状态，因此，MOS管制作的防静电结构不影响MOS管的正常工作。MOS管防静电结构的核心思路是：(1)建立电容两极板间的直流通路；(2)该直流通路不影响器件在电路中正常工作。MOS管的防静电方法难以直接用于硅基MEMS电容式传感器。这是因为：如果按照MOS管的防静电连接方式，在电容式传感器两端也制作类似的PN结二极管，如图3a所示，在硅基MEMS电容式传感器11的b端和c端制作了四个PN结二极管12、13、14和15，电容式传感器的两极板间通过四个二极管构成了直流通路，也能保证电容式传感器两极板间积累的静电电荷不能形成大的电压差，保证硅基电容式传感器在无外接电路时两电极板不被吸合或击穿；但是，如果将该防静电结构连接到硅基MEMS电容式传感器的工作电路中时，如图3b所示，硅基MEMS电容式传感器11的电容比较小，检测过程引起的电流变化量也比较小，该微小的电流变化量可通过连接在传感器11的c端上的PN结二极管14或15以漏电流的方式流失，不能流入放大系统18中的反馈电阻R和反馈电容C的支路中，导致无法检测到传感器的输出信号，造成MEMS电容式传感器无法正常工作。因此，这种防静电连接方式影响MEMS电容式传感器的正常工作。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构及其应用电路，以保证电容式传感器两电极在非工作状态下不被吸合或击穿，同时又不会对传感器的正常工作产生影响。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，该传感器具有固定的第一敏感电极和可动的第二敏感电极，其特征在于，所述防静电结构包括分别连接在所述第一敏感电极与一地电极之间、所述地电极与一输出电极之间、所述输出电极与所述第二敏感电极之间的三个多晶硅结构层，其中，每个多晶硅结构层与其相邻的两个电极构成一对背靠背二极管。进一步地，所述地电极、输出电极、第二敏感电极设置在所述第一敏感电极上，且所述地电极、输出电极、第二敏感电极与所述第一敏感电极之间设有氧化层。进一步地，所述第一敏感电极上还设有通过金属焊盘与其连接的过渡电极，其中，与所述第一敏感电极连接的多晶硅结构层通过所述过渡电极与所述第一敏感电极相连。进一步地，所述第一敏感电极由衬底硅制成，所述地电极、输出电极、第二敏感电极和过渡电极由顶层硅制成。进一步地，所述第一敏感电极、输出电极、第二敏感电极设置在所述地电极上，且所述第一敏感电极、输出电极、第二敏感电极与所述地电极之间设有绝缘层。进一步地，所述地电极由衬底硅制成，所述第一敏感电极、输出电极和第二敏感电极由多晶硅制成。进一步地，所述第一敏感电极、地电极、输出电极、第二敏感电极上分别设有金属焊盘。通过采用上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术提供的防静电结构在硅基MEMS电容式传感器的两敏感电极之间通过三对背靠背的PN结二极管建立了一个直流通路，电容传感器两电极之间积累的静电电荷可在该直流通路中流动，使得电容传感器两电极板不能产生大的电压差，保证电容式传感器两电极在非工作状态下不被吸合或击穿。(2)所述的硅基电容式传感器积累在直流通路中的静电电荷在其连接到外部工作电路中时可以释放至大地。(3)所述三对背靠背PN结二极管是通过在硅电极之间制作多晶硅结构层实现的，多晶硅结构层的掺杂类型与所有的硅电极相反，多晶硅结构层的两端与其相连接的两个硅电极形成两个PN结，它是一种背靠背的PN结二极管。(4)防静电结构在应用时，连接在电源端子与接地端子之间的背靠背PN结二极管寄生电阻要远大于电源内阻，对检测电容传感器输入信号无影响；所述的连接在接地端子与放大器输出端子之间的背靠背PN结二极管寄生电阻要远大于运放的输出电阻与负载电阻，对传感器输出信号没有影响；所述的连接在放大器输出端子与信号端子之间的背靠背的PN结二极管在适当的结面积以及掺杂浓度下，其寄生电阻远大于反馈电阻，远小于反馈电容的电阻，即对传感器信号的放大没有影响，因此，所述的三对背靠背的PN结二极管对硅基电容式传感器正常工作是没有影响的。附图说明图1为常规硅基MEMS电容式传感器的结构示意图；图2a为常规MOS管的结构示意图；图2b为MOS管的防静电结构在无外接电路时的连接图；图2c为MOS管的防静电结构在有外接电路时的电路简化图；图3a为类似MOS管防静电方式实现的MEMS电容式传感器在无外接电路时的连接图；图3b为类似MOS管防静电方式实现的MEMS电容式传感器在工作电路中的连接图；图4a为本专利技术用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构在无外接电路时的连接图；图4b为本专利技术用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构在工作电路中的连接图；图5a为本专利技术第一个实施例的硅基MEMS电容式敏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，该传感器具有固定的第一敏感电极

【技术特征摘要】
1.一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，该传感器具有固定的第一敏感电极和可动的第二敏感电极，其特征在于，所述防静电结构包括分别连接在所述第一敏感电极与一地电极之间、所述地电极与一输出电极之间、所述输出电极与所述第二敏感电极之间的三个多晶硅结构层，其中，每个多晶硅结构层与其相邻的两个电极构成一对背靠背二极管。2.根据权利要求1所述的用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，其特征在于，所述地电极、输出电极、第二敏感电极设置在所述第一敏感电极上，且所述地电极、输出电极、第二敏感电极与所述第一敏感电极之间设有氧化层。3.根据权利要求2所述的用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，其特征在于，所述第一敏感电极上还设有通过金属焊盘与其连接的过渡电极，其中，与所述第一敏感电极连接的多晶硅结构层通过所述过渡电极与所述第一敏感电极相连。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：豆传国，杨恒，孙珂，戈肖鸿，吴燕红，李昕欣，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31