CN100403552C - 容性动量传感器 - Google Patents

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Abstract

一种容性动量传感器，包括衬底(1)、平衡块(11)、可移动电极(10a、10b)、固定器(17a、17b)、弹簧(12)、以及应变缓冲器(13)。平衡块(11)通过动量而位移。可移动电极(10a、10b)与平衡块(11)结合在一起。固定器(14)固定到衬底(1)上以将平衡块(11)和可移动电极(10a、10b)悬挂在衬底(1)的上方。固定电极(17a、17b)面对可移动电极(10a、10b)设置。由响应动量产生的可移动电极(10a、10b)的位移作为电极(10a、10b、17a、17b)之间的电容变化而被检测。弹簧(12)设置在固定器(14)和平衡块(11)之间并响应动量而弹性变形，以便可移动电极(10a、10b)移动对应该动量的距离。应变缓冲器(13)位于固定器(14)和弹簧(12)之间，以便减少在衬底(1)上产生的应变对弹簧(12)的影响。

Description

容性动量传感器
发明背景
本发明涉及一种容性动量传感器。
技术领域
例如，图4A中所示的容性半导体加速度传感器27或传感器芯片27是这种容性动量传感器。如图4A所示，在传感器芯片27中，平衡块11通过可伸长和收缩的弹簧12由可移动单元固定器14支撑。第一和第二梳齿状可移动电极10a、10b与平衡块11结合在一起。如图4A所示，分别面向第一和第二可移动电极10a、10b的第一和第二梳齿状固定电极17a、17b在一端由固定单元固定器19a、19b支撑。
例如，传感器芯片27利用粘接剂28固定到传感器外壳29上，传感器外壳29利用另一粘接剂30如焊料粘接到印刷电路板31上，如图4B所示。其上安装传感器芯片27等元件的印刷电路板31采用紧固件如螺钉固定到车辆的预定位置上。
然而，由于印刷电路板31、传感器外壳29、粘接剂28、30和传感器芯片27的线性膨胀系数不同，因此在传感器芯片27的半导体衬底中可能产生变形，如弯曲。如果在半导体衬底中产生变形，则由该变形产生的应变通过可移动单元固定器14输送到与半导体衬底连接的弹簧12。
结果是，弹簧12响应该应变而弹性变形，使可移动电极10a、10b位移。因此，可移动电极10a、10b和固定电极17a、17b之间的电极距离改变，由此改变可移动电极10a、10b和固定电极17a、17b之间的电容。结果是，偏置电压的热特性变坏。
发明内容
鉴于上述问题做出了本发明，本发明的目的是提供一种容性动量(capacitive dynamic quantity)传感器，抑制了由衬底变形引起的偏置电压的热特性变坏。
为实现上述目的，根据本发明的容性动量传感器包括衬底、平衡块(weight)、可移动电极、可移动单元固定器、固定电极、弹簧和应变缓冲器。平衡块由动量引起位移。可移动电极与平衡块结合在一起。可移动单元固定器固定到衬底上，以便将平衡块和可移动电极悬挂在衬底上方。固定电极与可移动电极面对设置。响应动量而引起的可移动电极的位移作为可移动电极和固定电极之间的电容的变化而被检测。弹簧位于可移动单元固定器和平衡块之间，并响应该动量而弹性变形，以便可移动电极移动对应该动量的距离。应变缓冲器位于可移动单元固定器和弹簧之间，以便减少在衬底中产生的应变对弹簧的影响。
附图说明
通过下面参照附图的详细说明使本发明的上述和其它目的、特点和优点更明确。附图中：
图1A是根据本发明第一实施例的容性半导体加速度传感器的示意平面图；
图1B是沿着图1A中的线IB-IB截取的传感器的示意剖视图；
图1C是沿着图1A中的线IC-IC截取的传感器的示意剖视图；
图2是用于图1A的传感器的检测电路的等效电路图；
图3A是图1A中的弹簧和应变缓冲器的放大图，表示初始状态；
图3B是图1A中的弹簧和应变缓冲器的放大图，表示当第一半导体层变形时的状态；
图3C是图1A中的弹簧和应变缓冲器的放大图，表示当施加加速度时的状态；
图4A是已经被提出的容性半导体加速度传感器的示意平面图；和
图4B是表示图4A中的传感器组装在印刷电路板上的状态的示意剖视图。
优选实施例
下面参照各个实施例详细说明本发明。
第一实施例
如图1A-1C所示，根据第一实施例的半导体加速度传感器5包括具有硅上绝缘体(SOI)结构的衬底4。衬底4由半导体衬底1、或第一半导体层1、第二半导体层2、和绝缘层3构成，其中绝缘层3是例如由氧化硅构成的电解浸蚀层(sacrificial layer)。半导体层1、2由单晶硅构成。图1A中的传感器5包括检测部分，该检测部分是通过采用半导体工艺技术的公知微切削加工技术形成的。
如图1A所示，检测部分5包括可移动单元6、第一和第二固定单元7、8和围绕可移动单元6和固定单元7、8的外围部分9。在可移动单元6、固定单元7、8和外围部分9之间有预定间隙，以便使它们互相绝缘。
可移动单元6包括四个第一梳齿状可移动电极10a、四个第二梳齿状可移动电极10b、一个平衡块11、两个矩形框架状弹簧12、两个应变缓冲器13或两个应变缓冲弹簧13、两个可移动单元固定器14以及可移动电极焊盘15。可移动电极10a、10b与平衡块11结合在一起，以便从平衡块11的两边垂直延伸到平衡块11的纵向。弹簧12连接到平衡块11，它是施加加速度的集中部分。每个弹簧12具有通孔，该通孔垂直延伸到可移动电极10a、10b的位移方向，并处于矩形框架的形状。
弹簧12连接到可移动单元固定器14，而可移动单元固定器14通过绝缘层3、通过应变缓冲弹簧13连接到第一半导体层1，应变缓冲弹簧13与弹簧12一样是矩形框架状的。在本例中，应变缓冲弹簧13形成在平衡块11的两端，，弹簧12位于其间，如图1A所示。然而，如果只形成应变缓冲弹簧13，也能实现基本上相同的效果。
可移动电极10a、10b、平衡块11、弹簧12和应变缓冲弹簧13与第一半导体层1隔开，如图1B和1C所示。通过从其表面刻蚀第二半导体层2并连续选择刻蚀绝缘层3，以便在第二半导体层2的下面形成间隙16，从而形成这种结构。间隙16的外形在图1A中由虚线22表示。因此，应变缓冲弹簧13可移动地被支撑在可移动单元固定器14和弹簧12之间。因此，即使第一半导体层1由于温度的影响而变形，也可以在应变传输给弹簧12之前，利用应变缓冲弹簧13释放通过可移动固定器14传输的应变，这对于精确地检测加速度是很重要的。应变缓冲弹簧13将在后面详细说明。
每个弹簧12用做弹簧，以便沿着垂直于其纵向的方向伸长和收缩。因此，当传感器5在图1A中的箭头所示的方向被加速时，平衡块11和可移动电极10a、10b在由图1A中的箭头所示的方向移动，并在加速度为零时返回到原始位置。可移动电极焊盘15在预定位置连接到可移动单元固定器14之一。可移动电极焊盘15用于将可移动电极10a、10b电连接到C-V转换器电路，该电路将在后面说明。
第一和第二固定单元7、8分别包括：四个梳齿状第一固定电极17a和四个梳齿状第二固定电极17b；第一和第二固定单元固定器19a、19b；和第一和第二固定电极焊盘18a、18b。第一和第二固定电极焊盘18a、18b分别位于第一和第二固定单元固定器19a、19b上，用于将固定电极17a、17b电连接到C-V转换器电路。固定单元固定器19a、19b平行于平衡块11的纵向设置。第一和第二固定电极17a、17b分别从第一和第二固定单元固定器19a、19b延伸，以便分别面对并平行于第一和第二可移动电极10a、10b，而可移动电极10a、10b从平衡块11的两边延伸，以便在固定电极17a、17b和可移动电极10a、10b之间形成预定检测间隙。
固定单元固定器19a、19b固定到半导体衬底1上，其间设置绝缘层3。第一和第二固定电极17a、17b在一端由第一和第二固定单元固定器19a、19b支撑。通过从其表面刻蚀第二半导体层2并连续选择刻蚀绝缘层3，以便形成间隙16，从而形成该结构。第一可移动电极10a和第一固定电极15a形成提供第一电容CS1的第一检测部件20，第二可移动电极10b和第二固定电极15b形成提供第二电容CS2的第二检测部件21。
电极10a、17a、10b、17b如此设置，以便在不施加加速度时，第一电容CS1和第二电容CS2之间的电容差ΔC或(CS1-CS2)基本上等于零。当传感器5被加速时，弹簧12变形以改变可移动电极10a、10b和固定电极17a、17b之间的距离。因此，第一和第二电容CS1和CS2利用该距离变化而改变。因此，通过检测第一和第二电容CS1和CS2之间的电容差ΔC或(CS1-CS2)作为电位差，可以采用C-V转换器电路检测加速度。
图2是用于图1A中的传感器的检测电路的等效电路图。如图2所示，检测电路包括C-V转换器电路或开关电容器电路23。C-V转换器电路23将第一和第二电容CS1和CS2之间的电容差(CS1-CS2)转换成电压差并输出该电压差。该C-V转换器电路23包括运算放大器24、具有电容Cf的电容器25和开关26。
运算放大器24的反相输入端通过可移动电极焊盘15电连接到可移动电极10a、10b。电容器25和开关26并联连接在运算放大器24的反相输入端和输出端之间。从电源(图中未示出)给运算放大器24的非反相输入端施加Vcc/2的电压。
该检测电路还包括图中未示出的控制电路。该控制电路从第一固定电极焊盘18a向第一检测部件20的第一固定电极17a输入第一载波，该第一载波具有Vcc的恒定幅度并周期性变化。同时，该控制电路从第二固定电极焊盘18b向第二检测部件21的第二固定电极17b输入第二载波，该第二载波具有Vcc的恒定幅度，并且其相位与第一载波偏移180°。
因此，当不施加加速度时，检测部件20、21的每个电位变为Vcc/2，因为第一检测部件20的第一电容CS1基本上等于第二检测部件21的第二电容CS2。C-V转换器电路23中的开关26与载波同步地定时导通和关断。当开关26关断时，检测加速度。C-V转换器电路23响应该加速度而输出Vout电压。Vout由下列等式1表示。
Vout＝(CS1-CS2)×Vcc/Cf       等式1
当该传感器被加速时，第一电容CS1与第二电容CS2的比发生变化，并输出Vout，该Vout与电容差(CS1-CS2)成正比例，如等式3所示。输出的电压被放大电路或低通滤波器(图中未示出)处理，并作为加速度检测信号被检测。
虽然从电源(图中未示出)将Vcc/2的电压施加于运算放大器24的非反相输入端，为了产生自诊断功能，可提供不等于Vcc/2的电压V1，其中通过采用开关(未示出)将Vcc/2转换到V1，在与载波同步的预定时间内强制地使可移动电极10a和10b移动。
本发明的特征在于应变缓冲器13或应变缓冲弹簧13设置在弹簧12和可移动单元6中的可移动单元固定器14之间，如图3A所示。如果印刷电路板31、传感器外壳29、粘接剂28、30和传感器芯片5在如图4B所示的装置的组装中或在使用中被加热，由于它们之间的线性膨胀系数的差异，导致传感器芯片的第一半导体层1变形。在图1A-1C所示的传感器中，由第一半导体层的变形产生的应变传输到可移动单元固定器14，可移动单元固定器14通过绝缘层3连接到第一半导体层1，如图3B所示，可移动单元固定器14变为被传输应变的开始点，如图3B中椭圆形所示的。
在图4A所示的已有传感器27中，由第一半导体层1的变形产生的应变直接作用在弹簧12上，使其弹性变形。结果是，可移动电极10a、10b发生位移，并偏离原始位置。相反，在图1A-1C中所示的传感器中，连接到平衡块11的每个弹簧12和设置在弹簧12和可移动单元固定器14之间的应变缓冲弹簧13用做沿着垂直于其纵向的方向伸展和收缩的弹簧。
如图3B所示，由于应变缓冲弹簧13设置在弹簧12和可移动单元固定器14之间以便用做弹簧，因此应变缓冲弹簧13由于该应变而弹性变形，在该应变作用在弹簧12上之前释放该应变。因此，可以减少由第一半导体层的变形产生的应变对弹簧12的影响。
当沿着由图3C中的箭头所示的方向即垂直于弹簧12的纵向的方向施加加速度时，作为集中部分的平衡块11受到该加速度的影响。由于连接到平衡块11的弹簧12用做弹簧，因此位移的开始点变成由图3C中的椭圆形所示的部分。因此，矩形框架状弹簧12弹性变形，以便吸收该能量。
然而，如上所述，连接到弹簧12的应变缓冲弹簧用做弹簧，在沿着平行于平衡块11的纵向的方向伸展和收缩。因此，如果应变缓冲弹簧13由于施加的加速度而弹性变形，则可移动电极10a、10b的位移量响应该变形而改变。这样，应变缓冲弹簧13对可移动电极10a、10b的位移的影响必须处于应变缓冲弹簧13对可移动电极10a、10b的位移的影响的误差范围内。
由于作用于平衡块11上的加速度造成的弹簧12和应变缓冲弹簧13弹性变形，导致可移动电极10a、10b的位移量与弹簧12和应变缓冲弹簧13的每个弹性常数成正比。因此，应变缓冲弹簧13的弹性常数必须大于弹簧12的弹性常数，以便在检测加速度时，使可移动电极10a、10b不受应变缓冲弹簧13的影响。
如果应变缓冲弹簧13对可移动电极10a、10b的位移的影响为1％，这在应变缓冲弹簧13对可移动电极10a、10b的位移的影响的误差范围内，为了在检测加速度时使可移动电极10a、10b基本上不受应变缓冲弹簧13的影响，弹簧12的弹性常数K1和应变缓冲弹簧13的弹性常数K2必须满足下列等式2。
K2≥K1×100     等式2
因此，如果弹簧12和应变缓冲弹簧13都形成得满足等式2，在施加加速度时应变缓冲弹簧13对可移动电极10a、10b的位移的影响与弹簧12的影响相比变为可以忽略不计。
弹性常数与其宽度和其厚度或其高度的三次方成正比，而与其长度的三次方成反比。因此，例如，如果弹簧12的宽度和厚度基本上等于应变缓冲弹簧13的宽度和厚度，则弹簧12和应变缓冲弹簧13都形成得满足下列等式3。
L1/L2＞4.7                等式3
其中L1和L2分别是在垂直于可移动电极10a、10b的位移方向的方向上的弹簧12的框架的长度和应变缓冲弹簧13的框架的长度，如图3A所示。
就是说，如果弹簧12的长度L1设置为比应变缓冲弹簧13的长度L2大4.7倍或更大以满足等式3，即使当应变缓冲弹簧13由于施加的加速度而弹性变形时，应变缓冲弹簧13对可移动电极10a、10b的位移的影响变为1％或更低，并且当施加加速度时应变缓冲弹簧13对可移动电极10a、10b的位移的影响与弹簧12的影响相比变为可以忽略不计。
在本例中，提供具有预定弹性的应变缓冲弹簧13，以便通过采用应变缓冲弹簧13的弹性变形吸收该应变而释放由第一半导体层1的变形产生的应变。因此，由第一半导体层1的变形产生的应变几乎不传输给弹簧12。结果是，可移动电极10a、10b几乎不因该应变而位移，因此可以减少由该应变造成的偏置电压的改变。
其它实施例
在上述实施例中，弹簧12的长度L1和应变缓冲弹簧13的长度L2可以调节，因此应变缓冲弹簧13不影响加速度测量。或者，如果弹簧12的长度和厚度基本上等于应变缓冲弹簧13的长度和厚度，则弹簧12和应变缓冲弹簧13形成得满足下列等式4。
d2/d1＞4.7               等式4
其中d1和d2分别是在平行于可移动电极10a、10b的位移方向的方向上的弹簧12的框架的宽度和应变缓冲弹簧13的框架的宽度，如图3A所示。
就是说，如果应变缓冲弹簧13的宽度d2设置为比弹簧12的宽度d1大4.7倍或更大以满足等式4，即使当应变缓冲弹簧13由于施加的加速度而弹性变形时，应变缓冲弹簧13对可移动电极10a、10b的位移的影响变为1％或更低，并且当施加加速度时应变缓冲弹簧13对可移动电极10a、10b的位移的影响与弹簧12的影响相比变为可以忽略不计。
在上述实施例中，单独改变长度L1和L2以及宽度d1和d2。然而，当然，长度L1和L2以及宽度d1和d2可以同时调整以满足等式2。
图1A-1C的半导体加速度传感器是通过从第二半导体层2的表面刻蚀第二半导体层2和绝缘层3而制造的。然而，本发明可适用于通过只从其表面刻蚀第二半导体层2制造的半导体传感器、以及通过从其表面或从其非绝缘层一侧刻蚀传感器的第一半导体层1而形成其膜片如可移动电极10a、10b的半导体传感器。
在第一实施例中，应变缓冲弹簧13是矩形框架状的。然而，应变缓冲弹簧13可以具有其它结构，只要它能吸收从第一半导体层1传输的应变即可。例如，可采用多重折叠结构。

Claims (6)

1.一种容性动量传感器，包括：
衬底(1)；
可被动量位移的平衡块(11)；
可移动电极(10a、10b)，其与平衡块(11)结合在一起；
第一可移动单元固定器(14)，固定到衬底(1)上以将平衡块(11)和可移动电极(10a、10b)悬挂在衬底(1)的上方；
固定电极(17a、17b)，其面对可移动电极(10a、10b)设置，其中由响应动量产生的可移动电极(10a、10b)的位移作为可移动电极(10a、10b)和固定电极(17a、17b)之间的电容变化而被检测；
第一弹簧(12)，其设置在第一可移动单元固定器(14)和平衡块(11)之间并响应动量而弹性变形，以便可移动电极(10a、10b)移动对应该动量的距离；和
第一应变缓冲器(13)，其位于第一可移动单元固定器(14)和第一弹簧(12)之间，以便减少在衬底(1)上产生的应变对第一弹簧(12)的影响。
2.根据权利要求1的传感器，还包括：
第二可移动单元固定器(14)，其固定到衬底(1)上以将平衡块(11)和可移动电极(10a、10b)悬挂在衬底(1)的上方；
第二弹簧(12)，其设置在第二可移动单元固定器(14)和平衡块(11)之间并响应动量而弹性变形，以便可移动电极(10a、10b)移动对应该动量的距离；和
第二应变缓冲器(13)，其位于第二可移动单元固定器(14)和第二弹簧(12)之间，以便减少应变的影响，其中第一和第二弹簧(12)在平衡块(11)的两个相对端连接到平衡块(11)。
3.根据权利要求1或2的传感器，其中第一应变缓冲器(13)是可弹性变形以吸收该应变的应变缓冲弹簧(13)，其中该应变缓冲弹簧(13)具有大于第一弹簧(12)的弹性常数。
4.根据权利要求3的传感器，其中第一弹簧(12)和应变缓冲弹簧(13)的弹性常数满足下列等式：
K2≥K1×100，
其中K1和K2分别是第一弹簧(12)和应变缓冲弹簧(13)弹性常数。
5.根据权利要求3的传感器，其中第一弹簧(12)和应变缓冲弹簧(13)的每个都是矩形框架状的，并具有垂直于可移动电极(10a、10b)的位移方向延伸的通孔，并且第一弹簧(12)和应变缓冲弹簧(13)在选自垂直于该位移方向的方向上的框架的长度(L1、L2)和平行于该位移方向的方向上的框架的宽度(d1、d2)中的一个尺度上互不相同，以便应变缓冲弹簧(13)具有大于第一弹簧(12)的弹性常数。
6.根据权利要求5的传感器，其中第一弹簧(12)和应变缓冲弹簧(13)具有相同的框架宽度，并且第一弹簧(12)的框架长度(L1)比应变缓冲弹簧(13)的框架长度(L2)大4.7倍或更大。
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