CN100416227C - 半导体动态量传感器 - Google Patents

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Abstract

半导体动态量传感器包括一个半导体基底，上面有可移动电极，一对第一固定电极，一对第二固定电极。第一对和第二对第一检测电容和第一对和第二对第二检测电容是用电极形成的。当可移动电极在力的作用下沿着第一个方向或者第二个方向移动的时候，在第一对第一检测电容的差分输出，第二对第一检测电容的差分输出，第一对第二检测电容的差分输出，第二对第二检测电容的差分输出的和的基础之上测量与施加在传感器上面的力有关的动态量。

Description

半导体动态量传感器
技术领域
本发明涉及一种半导体动态量传感器，比方说加速度传感器，它包括一个可移动电极，能够沿着两个轴移动，还包括一个固定电极，相隔一个间隙部分地面对可移动电极，用于进行检测。根据两个电极之间电容的变化来检测沿着两个轴的方向，与施加在传感器上的力有关的动态量。
背景技术
JP-A-5-249138中公开的一种加速度传感器是半导体动态量传感器或者两轴传感器的一个实例，它能够检测沿着两个垂直轴方向上的加速度。本发明提出将图8所示的半导体传感器用作这种类型的加速度传感器。图8中的传感器可以用众所周知的半导体制造工艺来制造。在制造过程中，在半导体基底12上形成槽，从而构成可移动电极30和固定电极J40、J50、J60、J70。
在图8所示的半导体传感器中，可移动电极30可以沿着第一个方向X和第二个方向Y移动，它们在平行于半导体基底12的表面上互相垂直，对传感器的加速度做出响应。如图8所示，可移动电极30由桁架33、34支撑，能够移动，因此沿着第一个方向X有一个加速度的时候，在桁架33象弹簧一样的作用下，可移动电极30沿着第一个方向X移动，在第二个方向Y上有一个加速度的时候，在桁架34象弹簧一样的作用下，可移动电极30沿着第二个方向Y移动，这个方向与第一个方向X正交。
如图8所示，梳状并且包括多个可移动电极梳状牙齿的可移动电极部分36位于可移动电极30沿着第一个方向X的两端和可移动电极30沿着第二个方向Y的两端。每个固定电极J40、J50、J60、J70有梳状牙齿，包括多个固定电极牙齿。每个固定电极J40、J50、J60、J70都由半导体基底12支撑和固定。
每个固定电极J40、J50、J60、J70都与每个可移动电极部分36交叉，从而使固定电极J40、J50、J60、J70的每个固定电极牙齿分别在可移动电极30第一个方向X的两端和第二个方向Y的两端面对每个可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿。在第二个方向Y上可移动电极30的两端与可移动电极部分36交叉的固定电极J40、J50构成一对。
用第一固定电极J40、J50和可移动电极部分36形成两个第一检测电容CX1、CX2。如图8所示，在固定电极J40和可移动电极部分36中的一个之间形成第一检测电容中的一个CX1，在固定电极J50和可移动电极部分36的另一个之间形成另一个第一检测电容CX2。
在第一个方向X上可移动电极30的两端与可移动电极部分36交叉的固定电极J60、J70构成一对。第二固定电极J60、J70和可移动电极部分36构成两个第二检测电容CY1、CY2。如图8所示，在固定电极J60和可移动电极部分36中的一个之间形成第二检测电容CY1中的一个，在固定电极J70和可移动电极部分36的另一个之间形成第二检测电容CY2中的另一个。在图8中，每个电容CX1、CX2、CY1和CY2都用一个电容器符号表示。
如图8所示，用铝等等做成分别对应于可移动电极30和固定电极J40、J50、J60、J70的焊盘P30、P40、P50、P60、P70位于半导体基底12上。每个电极30、J40、J50、J60、J70与对应的每个焊盘P30、P40、P50、P60、P70有电连接。虽然图中没有画出，但是每个焊盘P30、P40、P50、P60、P70通过例如丝焊与外部电路有电连接。
当可移动电极30在图8所示两个轴传感器中的加速度沿着第一个方向X移动的时候，在第一检测电容CX1、CX2的变化的基础之上检测加速度。当可移动电极30在加速度下沿着第二个方向Y移动的时候，在第二检测电容CY1、CY2的变化的基础之上检测加速度。
具体而言，如图9所示，用与图8所示半导体传感器有电连接的外部电路中的一个开关电容器电路200检测检测电容CX1、CX2、CY1、CY2的变化。开关电容器电路200是一个C-V转换器电路，包括电容为Cf的一个电容器210，一个开关220和一个差分放大器电路230，用于将输入的电容转换成电压，作为开关电容器电路200的输出。
如图9所示，将一对载波Vcc发送给第一固定电极J40、J50，从而使电极J40、J50的相位相反。与此同时，另一对载波Vcc被发送给第二固定电极J60、J70，从而使电极J60、J70的相位相反。将这一对载波Vcc从外部电路通过焊盘P30、P40、P50、P60、P70中的每一个发送。与此同时，用预先确定的时序开关开关电容器电路200中的开关220。
在这种情况下，检测到的加速度作为输出S’，见公式1。
S’＝[(CY2-CY1)+(CX2-CX1)]＊Vcc/Cf    (公式1)
在提出的图8所示的两轴传感器里，当可移动电极30在加速度作用下沿着第一个方向X或者第二个方向Y移动的时候，在第一检测电容CX1、CX2的差分输出(CX2-CX1)和第二检测电容CY1、CY2的差分输出(CY2-CY1)的和的基础之上检测加速度。
具体而言，在提出的图8所示的两轴传感器里，当可移动电极30沿着第一个方向X，例如图8中的右手边，向前移动的时候，第一固定电极J40之一的每个固定电极牙齿与对应可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的距离更大，而另一个第一固定电极J50的每一个固定电极牙齿与对应的可移动电极部分36的每一个可移动电极牙齿之间的距离变得更小。结果，在第一检测电容CX1、CX2的差分输出(CX2-CX1)的基础之上检测出第一个方向X上的加速度。
另一方面，当可移动电极30例如沿着第二个方向Y在图8中向上移动的时候，第二固定电极J60之一的每个固定电极牙齿和对应可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的距离更大，而另一个第二固定电极J70的每个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的距离变得更近。结果，在第二个方向上电容CY1、CY2的差分输出(CY2-CY1)的基础之上检测出沿着第二个方向Y的加速度。
但是，当可移动电极30沿着第一个方向X移动的时候，不仅第一检测电容CX1、CX2会改变，而且第二检测电容CY1、CY2因为重叠面积的大小而略微改变，其中第二固定电极J60、J70的每个固定电极牙齿和对应可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿也发生改变。
当可移动电极30沿着第一个方向X向前，例如图8中的右手边，移动的时候，第二固定电极J60之一的每个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠面积更大，而另一个第二固定电极J70的每个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠面积则更小。换句话说，除了第一个方向X上加速度检测的预期输出以外，这个预期输出是第一检测电容CX1、CX2的差分输出(CX2-CX1)，第二检测电容CY1、CY2的差分输出(CY2-CY1)的变化，它们被用于检测第二个方向Y上的加速度，也被提取出来作为噪声。
当可移动电极30沿着第二个方向Y向着例如图8中的上方移动的时候，第一固定电极J40之一的每个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠面积更小，而另一个第一固定电极J50的每一个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每一个可移动电极牙齿之间的重叠面积则变大。换句话说，除了第二个方向Y上的加速度检测得到的预期输出以外，这个预期输出就是第二检测电容CY1、CY2的差分输出(CY2-CY1)，第一检测电容CX1、CX2的差分输出的变化也被提取出来作为噪声，这个噪声被用于检测第一个方向X中的加速度。
将利用数学公式来描述以上现象。假设第一和第二检测电容CX1、CX2、CY1、CY2中的每一个最初都是C0，第一检测电容CX1、CX2的变化是Cx，第二检测电容CY1、CY2的变化是Cy。当提出的图8所示传感器在加速的时候，
CX1＝CX2＝CY1＝CY2＝C0。
当可移动电极30沿着第一个方向X朝着图8中的右手边移动的时候，一个第一检测电容CX1因为第一固定电极J40之一的每个固定电极牙齿与对应可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的距离增大而减小，而另一个第一检测电容CX2则因为另一个第一固定电极J50的每个固定电极牙齿与对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的距离减小而增大。
与此同时，第二检测电容CY1之一因为一个第二固定电极J60的每个固定电极牙齿与对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠区域增大而增大，而另一个第二检测电容CY2则因为另一个第二固定电极J70的每个固定电极牙齿与对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠面积减小而减小。在这种情况下，将输出S’表示为公式2：
S’＝{(CY2-CY1)+(CX2-CX1)}×Vcc/Cf
＝[{(C0-Cy)-(C0+Cy)}+{(C0+Cx)-(C0-Cx)}]×Vcc/Cf
＝{(C0-Cy-C0-Cy)+(C0+Cx-C0+Cx)}×Vcc/Cf
＝2×(Cx-Cy)×Vcc/Cf    (公式2)
如同公式2所示，检测第一个方向X上的加速度的时候，除了预期的输出2Cx以外，被用于检测第二个方向Y上的加速度的第二检测电容CY1、CY2的差分输出-2Cy也被提取出来作为噪声。
当可移动电极30沿着第二个方向Y朝着图8中的上方移动的时候，一个第二检测电容CY1因为一个第二固定电极J60的每个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的距离增大而减小，而另一个第二检测电容CY2则因为另一个第二固定电极J70的每个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的距离减小而增大。与此同时，一个第一检测电容CX1因为一个第一固定电极J40的每个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠面积减小而减小，而另一个第一检测电容CX2则因为另一个第一固定电极J50的每个固定电极牙齿与对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠面积增大而增大。在这种情况下，输出S’可以表示为如下公式3：
S’＝{(CY2-CY1)+(CX2-CX1)}×Vcc/Cf
＝[{(C0+Cy)-(C0-Cy)}+{(C0+Cx)-(C0-Cx)}]×Vcc/Cf
＝{(C0+Cy-C0+Cy)+(C0+Cx-C0+Cx)}×Vcc/Cf
＝2×(Cx+Cy)×Vcc/Cf    (公式3)
如同公式3所示，检测第二个方向Y上的加速度的时候，除了预期输出2Cy以外，第一检测电容CX1、CX2的差分输出2Cx也被提取出来作为噪声，它们被用于检测第一个方向X上的加速度。
因此，在提出的图8所示的传感器中，不管传感器是在沿着第一个方向X加速还是在沿着第二个方向Y加速，不用于检测加速度的电容变化都被用作传感器的输出中的噪声。
发明内容
本发明的目的是补偿与动态量测量无关的电容变化，这种电容变化包括在半导体动态量传感器的输出中作为噪声，这个传感器包括能够沿着两个轴移动的一个可移动电极，以及一个固定电极，所述固定电极部分地面对可移动电极，与所述可移动电极之间有一个间隙，用来通过检测电极之间的电容变化，来测量所述动态量。
为了补偿电容变化，本发明提供了一种半导体动态量传感器，它包括：
一个可移动电极，所述可移动电极在施加在传感器上的力的作用下，在半导体基底内沿着第一个方向和第二个方向移动，这两个方向互相垂直；
固定到半导体基底的一对第一固定电极，其中第一固定电极部分地面对可移动电极在第二个方向上两端的可移动电极，形成第一对第一检测电容和第二对第一检测电容；和
固定到半导体基底的一对第二固定电极，其中第二固定电极部分地面对可移动电极在第一个方向的两端上的可移动电极，形成第一对第二检测电容和第二对第二检测电容，其中
当可移动电极沿着第一个方向移动的时候，第一对第一检测电容中的一个增大而另一个减小，
当可移动电极沿着第二个方向移动的时候，第一对第一检测电容同时增大或者减小，
当可移动电极沿着第一个方向移动的时候，第二对第一检测电容中的一个增大而另一个减小，
当可移动电极沿着第二个方向移动的时候，第二对第一检测电容同时增大或者减小，
当可移动电极沿着第二个方向移动时候，第一对第二检测电容中的一个增大而另一个减小，
当可移动电极沿着第一个方向移动的时候，第一对第二检测电容同时增大或者减小，
当可移动电极沿着第二个方向移动的时候，第二对第二检测电容中的一个增大而另一个减小，
当可移动电极沿着第一个方向移动的时候，第二对第二检测电容同时增大或者减小，
其中当可移动电极在施加在传感器上的力的作用下，沿着第一个方向或者第二个方向移动的时候，根据第一对第一检测电容之间的差分输出、第二对第一检测电容之间的差分输出、第一对第二检测电容之间的差分输出和第二对第二检测电容之间的差分输出的和测量与施加在传感器上的力有关的动态量。
根据本发明的传感器，其中第一固定电极和第二固定电极位于半导体基底中可移动电极周围，其中可移动电极沿着第二个方向的两端和可移动电极沿着第一个方向的两端是向外的端。
根据本发明的传感器，其中可移动电极位于半导体基底中第一固定电极和第二固定电极周围，其中可移动电极沿着第二个方向的两端和可移动电极沿着第一个方向的两端是向内的端。
根据本发明的的传感器，其中每个固定电极的形状象有牙齿的梳子，并且包括多个固定电极牙齿，其中可移动电极包括多个可移动电极部分，每个可移动电极部分的形状象有牙齿的梳子，并且包括多个可移动电极牙齿，其中每个固定电极与每个可移动电极部分交叉，从而使每个固定电极牙齿面对每个可移动电极牙齿，形成检测电容。
附图说明
通过以下详细描述，同时参考附图，本发明的以上目的、特征和优点，以及其它目的、特征和优点将更加显而易见。在这些附图中：
图1是本发明第一个实施方案中半导体加速度传感器的一个俯视图；
图2是图1中半导体加速度传感器沿着直线II-II的一个剖面图；
图3是图1所示传感器的一个等效电路图；
图4是图1所示传感器的一个俯视图，它说明可移动电极沿着第一个方向X移动的时候传感器的状态；
图5是本发明第二个实施方案中半导体加速度传感器的一个俯视图；
图6是本发明第三个实施方案中半导体加速度传感器的一个俯视图；
图7是图6中半导体加速度传感器沿着直线VII-VII的一个剖面图；
图8是提出的能够检测沿着两个轴的加速度的一个半导体加速度传感器的原理图；和
图9是图8所示传感器的一个等效电路图。
具体实施方式
下面将利用各种实施方案描述本发明。
第一个实施方案
如图1和2所示，第一个实施方案中的加速度传感器S1是一个差分电容半导体加速度传感器，它是一个半导体动态量传感器，能够测量两个轴方向上的动态量。
半导体传感器S1是利用已知的微加工工艺对半导体基底进行加工形成的。图1和2所示的传感器S1是利用矩形绝缘硅片(SOI)基底10形成的，它包括作为第一个半导体基底的第一个硅基底11，作为第二个半导体基底的第二个硅基底12，以及作为绝缘层的一个矩形框一样的氧化物薄膜13。氧化物薄膜13位于第一个和第二个硅基底11、12之间。
第二个硅基底12包括构成电容器的电极30、40、50、60、70，每个电容都是可变的。第一个硅基底11和氧化物薄膜13构成一个支撑基底20，支撑着第二个硅基底12。氧化物薄膜13在它的中心区域有一个矩形孔21。孔21位于电极30、40、50、60、70下面。第二个硅基底12覆盖着孔21。第二片基底12包括作为可移动部分的一个可移动电极30，以及通过第二个硅基底12上形成的槽与可移动电极30隔离的固定电极40、50、60、70。
如图1和2所示，在第二个硅基底12矩形框一样的四周，第二个硅基底12固定在氧化物薄膜13上，由氧化物薄膜13支撑。在每个固定电极40、50、60、70的一端，包括在四周的固定电极40、50、60、70固定在氧化物薄膜13上，由氧化物薄膜13支撑。固定电极40、50、60、70从第二个硅基底12中它们的固定端向内延伸。
可移动电极30能够响应第一个方向X和第二个方向Y上的加速度而移动，在平行于第二个硅基底12的表面，这两个方向互相垂直，用图1中的箭头X和Y表示。如图1所示，可移动电极30基本上位于矩形孔21中央部分的上面，包括矩形的第一个重块31和第二个重块32，它从第一个重块31的四个角向外延伸。
在矩形孔21第一桁架部分33和第二桁架部分34的四个角落，第二个重块32分别固定在固定部分35a、35b、35c、35d，第一桁架33能够在第一个方向X上伸缩，第二桁架34能够沿着第二个方向Y伸缩。固定部分35a、35b、35c、35d被第一个硅基底11固定在氧化物薄膜13的四个角落，由这四个角落支撑，它们之间有矩形框一样的氧化物薄膜13。结果，可移动电极30在第一个硅基底11的支撑下能够移动。
如图1和2所示，固定部分35a、35b、35c、35d通过槽与固定电极40、50、60、70绝缘，它们位于第二个硅基底12中，与氧化物薄膜13接触。在图1中，第二个硅基底12中的槽被画成阴影。固定部分35a、35b、35c、35d支撑的可移动电极30和桁架部分33、34位于孔21上面。
如图1所示，每个桁架33、34都是弹簧一样的多折桁架，因此每个桁架部分33、34都能够伸缩，折叠桁架的每个折叠部分发生弯曲形变。在每个桁架部分33、34弹簧一样的作用下，可移动电极30能够在加速度传感器S1内在两个方向X、Y上移动。
可移动电极30在有一个分量沿着第一个方向X的加速度的作用下沿着第一个方向X移动，当加速度消失的时候回到原始位置。另一方面，可移动电极30在有一个分量沿着第二个方向Y的加速度的作用下沿着第二个方向Y移动，当加速度消失的时候回到原始位置。
由于桁架部分33、34的结构，可移动电极30不能沿着两个方向X、Y同时移动，或者换句话说，不能在对角线上移动。也就是说，可移动电极30基本上是只能够响应加速度分量沿着第一个方向X和第二个方向Y中的一个方向移动。
如图1所示，每个都是具有牙齿的梳子形状，包括四个可移动电极牙齿的可移动电极部分36位于可移动电极第一个方向X的两端和可移动电极30第二个方向Y上的两端。可移动电极牙齿从第一个重块部分31的四边向外延伸。
每个固定电极40、50、60、70的形状是具有牙齿的梳子，它包括四个固定电极牙齿。每个固定电极40、50、60、70都与每个可移动电极部分36交叉，从而使固定电极40、50、60、70的每个固定电极牙齿在可移动电极30第一个方向X的两端和第二个方向Y的两端上面向可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿移动。
在可移动电极30的两端沿着第二个方向Y与可移动电极部分36交叉的固定电极40、50是一对第一固定电极。第一固定电极40、50和可移动电极部分36形成第一对和第二对第一检测电容CX11、CX21、CX12、CX22。如图1所示，在一个第一固定电极40的每个固定电极牙齿和一个可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间形成第一对第一检测电容CX11、CX21，在另一个第一固定电极50的每个固定电极牙齿和另一个可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间形成第二对第一检测电容CX12、CX22。
在可移动电极30两端沿着第一个方向X与可移动电极部分36交叉的固定电极60、70是一对第二固定电极。用第二固定电极60、70和可移动电极部分36形成第一对和第二对第二检测电容CY11、CY21、CY12、CY22。如图1所示，在一个第二固定电极的每个固定电极牙齿和另一个可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间形成第一对第二检测电容CY11、CY21，在另一个第二固定电极70的每个固定电极牙齿和另一个可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间形成第二对第二检测电容CY12、CY22。在图1中，每个电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22分别用一个电容器符号表示。
在第一检测电容CX11、CX21、CX12、CX22的变化的基础之上检测第一个方向X上的加速度，这些电容随着第一固定电极40、50的每个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的距离变化而变化。这个距离随着第一个方向X上可移动电极30的运动而改变。
另一方面，在第二检测电容CY11、CY21、CY12、CY22的变化的基础之上检测第二个方向Y上的加速度，这些电容随着第二固定电极60、70的每个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的距离变化而变化。这个距离随着第二个方向Y上可移动电极30的运动而变化。
图1中用于检测第一个方向X上的加速度的第一对第一检测电容CX11、CX21随着第二个方向Y上可移动电极30的移动同时增大或者减小。但是，随着第一个方向X上可移动电极30的移动，第一对第一检测电容CX11、CX21中的一个增大而另一个则减小。
类似地，图1中同样被用于检测第一个方向X上加速度的第二对第一检测电容CX12、CX22随着可移动电极30在第二个方向Y上的移动同时增大或者减小。但是，随着可移动电极30沿着第一个方向X的移动，第二对第一检测电容CX12、CX22中的一个增大而另一个则减小。
用于检测第二个方向Y上加速度的图1中的第一对第二检测电容CY11、CY21随着可移动电极30在第一个方向X上的移动而同时增大或者减小。但是，随着可移动电极30在第二个方向Y上的移动，第一对第二检测电容CY11、CY21中的一个增大而另一个则减小。
同样，也被用于检测第二个方向Y上加速度的第二对第二检测电容CY12、CY22随着可移动电极30在第一个方向X上的移动同时增大或者减小。但是，随着可移动电极30在第二个方向Y上的移动，第二对第二检测电容CY12、CY22中的一个增大而另一个则减小。
也就是说，随着可移动电极30在目标方向上的加速度的作用下的移动，第一对第一检测电容CX11、CX21，第二对第一检测电容CX12、CX22，第一对第二检测电容CY11、CY21，和第二对第二检测电容CY12和CY22中的一个电容增大，而另一个电容减小。
通过让每个电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22采用图1所示的方式配置，电容CX11和CX21，CX12和CX22，CY11和CY21，CY12和CY22中的每一对之间的上述关系得以实现。也就是说，构成一对电容CX11和CX21，CX12和CX22，CY11和CY21，CY12和CY22的两对可移动电极牙齿和固定电极牙齿的配置在一对电容CX11和CX21，CX12和CX22，CY11和CY21，CY12和CY22之间是对称的。
如图1所示，可移动电极30与固定部分35b上的焊盘P10有电连接。用于构成第一对第一检测电容CX11、CX21的第一固定电极40与一对焊盘PX11、PX21有电连接。用于构成第二对第一检测电容CX12、CX22的另一个第一固定电极50与另一对焊盘PX12、PX22有电连接。
用于构成第一对第二检测电容CY11、CY21的一个第二固定电极60与另一对焊盘PY11、PY21有电连接。用于构成第二对第二检测电容CY12、CY22的另一个第二固定电极70与另一对焊盘PY12、PY22有电连接。焊盘P10、PX11、PX21、PX12、PX22、PY11、PY21、PY21、PY22位于第二个硅基底12的四周。
如图1所示，与固定电极40、50、60、70和可移动电极30的焊盘P10、PX11、PX21、PX12、PX22、PY11、PY21、PY12、PY22有电隔离的焊盘80位于第二个硅基底12的四周。焊盘80被用于固定四周的电位，除了第二个硅基底12中的固定电极40、50、60、70以外。
每个焊盘P10、PX11、PX21、PX12、PX22、PY11、PY21、PY12、PY22与每个对应的电极有电连接，而它们之间则利用到达第二个硅基底12中氧化物薄膜13的槽通过空气隔离互相有电隔离，如图1所示。每个焊盘P10、PX11、PX21、PX12、PX22、PY11、PY21、PY12、PY22都是用例如铝制作的。虽然图中没有画出，但是每个焊盘P10、PX11、PX21、PX12、PX22、PY11、PY21、PY12、PY22都与一个外部电路或者通过例如焊丝与一个接线部件有电连接。
半导体加速度传感器S1可以通过例如在SOI基底10的第二硅基底12中用槽腐蚀方法，然后形成每个焊盘P10、PX11、PX21、PX12、PX22、PY11、PY21、PY12、PY22，然后利用牺牲腐蚀方法形成孔21，通过槽部分地去掉氧化物薄膜13，形成槽来制造，这些槽由电极30、40、50、60、70限定，深到氧化物薄膜13。
下面描述用于检测半导体加速度传感器S1中加速度的方法。如图3所示，用外部电路中的开关电容器电路200检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22的变化。开关电容器电路200是一个C-V转换器电路，包括电容位Cf的一个电容器210，一个开关220，和一个差分放大器电路230，用于将输入的电容转换成电压信号，作为开关电容器电路200的输出。
如图3所示，通过对应的焊盘PX11、PX21将一对载波发送给一个第一固定电极40，从而使对应电容CX11、CX21的相位相反。与此同时，通过对应的焊盘PX12、PX22将另一对载波被发送给另一个第一固定电极50，从而使对应电容CX12、CX22的相位相反。与此同时，通过对应的焊盘PY11、PY21将另一对载波发送给一个第二固定电极60，从而使对应电容CY11、CY21相位相反。与此同时，通过对应的焊盘PY12、PY22将另一对载波发送给另一个第二固定电极70，从而使对应电容CY12、CY22的相位相反。与此同时，按预先确定的时序开关开关电容器电路200中的开关220。
在这种情况下，检测加速度，作为公式4中的输出S：
S＝{(CX21-CX11)+(CX12-CX22)+(CY21-CY11)+(CY12-CY22)}×Vcc/Cf
也就是说，在图1所示的加速度传感器里，当可移动电极30在加速度的作用下沿着第一个方向X或者第二个方向Y移动的时候，在第一对第一检测电容CX21、CX11的差分输出(CX21-CX11)，第二对第一检测电容CX12、CX22的差分输出(CX12-CX22)，第一对第二检测电容CY21、CY11的差分输出，第二对第二检测电容CY12、CY22的差分输出(CY12-CY22)的和的基础之上检测加速度。
如图4所示，当可移动电极30在第一个方向X上的加速度的作用下，沿着第一个方向X向着图1中的右手边移动的时候，两个第一检测电容CX11、CX22因为每个可移动电极牙齿和对应电极36、40、50每个电极牙齿之间的距离增大的时候减小，而另外两个第一检测电容CX21、CX12则因为每个可移动电极牙齿和对应电极36、40、50的每个固定牙齿之间的距离减小而增大。
另一方面，第一对第二检测电容CY11、CY21因为一个第二固定电极60的每个固定电极牙齿和对应可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠区域增大而增大，而第二对第二检测电容CY12、CY22则因为另一个第二固定电极70的每个固定电极牙齿和对应可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠区域变小而减小。
假设每个检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22最初等于C0，第一检测电容CX11、CX21、CX12、CX22的变化分别等于Cx，第二检测电容CY11、CY21、CY12、CY22的变化分别等于Cy。在这种情况下，用以下公式描述检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22：
CX11＝C0-Cx，CX21＝C0+Cx，CX12＝C0+Cx，CX22＝C0-Cx，CY11＝C0+Cy，CY21＝C0+Cy，CY12＝C0-Cy，CY22＝C0-Cy。
用以上公式替换掉公式5中的检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22，得到：
S＝{(CX21-CX11)+(CX12-CX22)+(CY21-CY11)+(CY12-CY22)}×Vcc/Cf
＝{(C0+Cx-C0+Cx)+(C0+Cx-C0+Cx)+(C0+Cy-C0-Cy)+(C0-Cy-C0+Cy)}×Vcc/Cf
＝4×Cx×Vcc/Cf    (公式5)
因此，输出S只包括第一检测电容CX11、CX21、CX12、CX22的变化Cx，能够将它们用来检测第一个方向X上的加速度，因为第二检测电容CY11、CY21、CY12、CY22的变化Cy被抵消掉了，它们是输出S中的噪声。
在第一对第一检测电容CX21、CX11的差分输出(CX21-CX11)，第二对第一检测电容CX12、CX22的差分输出(CX12-CX22)的和的基础之上检测可移动电极30沿着第一个方向X的移动，而第二检测电容CY11、CY21、CY12、CY22的变化则因为第一对第二检测电容CY21、CY11的差分输出，第二对第二检测电容CY12、CY22的差分输出(CY12-CY22)而抵消。
虽然图中没有画出，但是当图1中传感器S1中的可移动电极30在第二个方向Y上加速度的作用下沿着第二个方向Y向上移动的时候，两个第二检测电容CY11、CY22因为每个可移动电极牙齿和对应电极36、60、70的每个固定电极牙齿之间的距离增大而减小，而另两个第一检测电容CY21、CY12则因为每个可移动电极牙齿和对应电极36、60、70的每个固定电极牙齿之间的距离减小而增大。
另一方面，第一对第一检测电容CX11、CX21因为一个第二固定电极40的每个固定电极牙齿和对应的可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠区域变小而减小，而第二对第一检测电容CX12、CX22则因为另一个第一固定电极50的每个固定电极牙齿和对应可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿之间的重叠区域增大而增大。
假设每个检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22最初等于C0，第一检测电容CX11、CX21、CX12、CX22的变化分别是Cx，第二检测电容CY11、CY21、CY12、CY22的变化分别是Cy。在这种情况下，检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22用以下公式描述：
CX11＝C0-Cx，CX21＝C0-Cx，CX12＝C0+Cx，CX22＝C0+Cx，CY11＝C0-Cy，CY21＝C0+Cy，CY12＝C0+Cy，CY22＝C0-Cy。
用以上公式替换掉公式4中的检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22，得到以下公式6：
S＝{(CX21-CX11)+(CX12-CX22)+(CY21-CY11)+(CY12-CY22)}×Vcc/Cf
＝{(C0-Cx-C0+Cx)+(C0+Cx-C0-Cx)+(C0+Cy-C0+Cy)+(C0+Cy-C0+Cy)}×Vcc/Cf
＝4×Cy×Vcc/Cf    (公式6)
因此，输出S只包括第二检测电容CY11、CY21、CY12、CY22的变化Cy，利用它们检测第二个方向Y上的加速度，因为第一检测电容CX11、CX21、CX12、CX22的变化Cx被抵消掉，它们是输出S中的噪声。
在第一对第二检测电容CY21、CY11的差分输出(CY21-CY11)和第二对第二检测电容CY12、CY22的差分输出(CY12-CY22)的和的基础之上检测可移动电极30沿着第二个方向Y的移动，而第一检测电容CX11、CX21、CX12、CX22的变化则被第一对第一检测电容CX21、CX11的差分输出(CX21-CX11)和第二对第一检测电容CX12、CX22的差分输出(CX12-CX22)的和抵消。
结果，在图1和图2所示的加速度传感器S1中，输出S基本上只包括对检测第一个方向X或者第二个方向Y上的加速度有贡献的电容的变化，因为输出S中否则成为噪声的其它电容的变化被抵消掉。
一开始，当可移动电极30围着与第一和第二个方向X、Y垂直的轴反时针方向转动的时候，输出S基本上等于零，如同公式7所示。
S＝{(CX21-CX11)+(CX12-CX22)+(CY21-CY11)+(CY12-CY22)}×Vcc/Cf
＝{(C0+Cx-C0+Cx)+(C0-Cx-C0-Cx)+(C0+Cy-C0+Cy)+(C0-Cy-C0-Cy)×Vcc/Cf
＝0(公式7)
输出S的检测方法不限于图3中的开关电容器电路200。只要响应可移动电极30沿着第一个方向X或者第二个方向Y，利用图1中半导体加速度传感器S1中的检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22，在四个差分输出(CX21-CX11)，(CX12-CX22)，(CY21-CY11)，(CY12-CY22)的和的基础之上检测输出S，就还有其它方法可以采用。
第二个实施方案
在图1所示的半导体加速度传感器S1中，每个固定电极40、50、60、70与每个可移动电极部分36交叉，从而使固定电极40、50、60、70的每个固定电极牙齿在可移动电极30第一个方向X的两端和第二个方向Y的两端分别面对可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿。每个检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22主要由距离和每个固定电极牙齿与每个可移动电极牙齿之间的相对区域，以及固定和可移动电极牙齿的数量决定。因此，每个检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY21、CY12、CY22都能相对于距离、相对面积和数量进行优化。
如图5所示，第二个实施方案中的半导体加速度传感器S2与图1中的传感器S1的差别在于固定电极牙齿和可移动电极牙齿的数目。在传感器S2中，每个固定电极40、50、60、70都有两个固定电极牙齿，可移动电极30的每个可移动电极部分36都有一个可移动电极牙齿，如图5所示。另一方面，图5中的传感器S2类似于图1中的传感器S1。
如图5所示，用一个第一固定电极40的两个固定电极牙齿和一个可移动电极部分36的一个可移动电极牙齿形成第一对第一检测电容CX11、CX21。用另一个第一固定电极50的两个固定电极牙齿和另一个可移动电极部分36的一个可移动电极牙齿形成第二对第一检测电容CX12、CX22。用一个第二固定电极60的两个固定电极牙齿和另一个可移动电极部分36的一个可移动电极牙齿形成第一对第二检测电容CY11、CY21。用另一个固定电极70的两个固定电极牙齿和可移动电极部分36的一个可移动电极牙齿形成第二对第二检测电容CY12、CY22。
因此，当可移动电极30在图5中的传感器S2里在加速度的作用下沿着两个方向X、Y之一移动的时候，在每一个可移动电极牙齿的一侧形成，沿着垂直于可移动电极30移动方向的方向上延伸的检测电容增大，而另一侧上形成的检测电容则减小。这样，图5中的半导体加速度传感器S2给加速度的检测提供基本相同的效果，就象图1中的半导体加速度传感器S1一样。
第三个实施方案
如图6和7所示，半导体加速度传感器S3与图1所示半导体加速度传感器S1的不同之处在于固定电极和可移动电极的结构。也就是说，在传感器S1中，第一固定电极40、50和第二固定电极60、70位于第二个硅基底12的四周，包围着可移动电极30。另一方面，在传感器S3中，可移动电极30位于第二个硅基底12的四周，包围着第一固定电极40、50和第二固定电极60、70。
具体而言，如图6和7所示，第二个硅基底12的中央部分是固定的，由支撑基底20支撑，它包括第一个硅基底11和一个氧化物薄膜13。氧化物薄膜13位于第二个硅基底12的中央部分，因此第二个硅基底12的四周可以在传感器S3中移动，成为可移动电极30。
如图6所示，在传感器S3中，固定部分35a、35b、35c、35d可以与图1中的第二个重块32相比，第二个硅基底12矩形框形状的四周构成了可移动电极30的第一个重块31。第二个重块32从第一个重块31的四个角落向内伸向固定部分35a、35b、35c、35d。
如图6所示，每个固定电极40、50、60、70的形状象有牙齿的梳子，包括四个固定电极牙齿。固定电极牙齿从中央部分向外突出，固定在支撑基底20上。形状象梳子一样有牙齿，并且包括四个可移动电极牙齿的可移动电极部分36位于可移动电极30矩形框形状的第一个重块31的每个内端。可移动电极牙齿从每个内端突出。
在图6所示的传感器S3中，第一固定电极40、50的每个固定电极牙齿面对两个可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿，它从内端沿着第二个方向Y突出。第二固定电极60、70的每个固定电极牙齿面对另两个可移动电极部分36的每个可移动电极牙齿，它从内端沿着第一个方向X突出。
在图6所示的传感器S3中，响应可移动电极30的运动，在目标方向加速度的作用下，第一对第一检测电容CX11、CX21，第二对第一检测电容CX12、CX22，第一对第二检测电容CY11、CY21和第二对第二检测电容CY12和CY22中的一个电容增大，而另一个电容则减小。也就是说，图6中传感器S3中的检测电容CX11、CX21、CX12、CX22、CY11、CY2、CY12、CY22之间的关系类似于图1所示传感器S1的那些关系。
如图6所示，可移动电极30和固定电极40、50、60、70分别与对应的焊盘P10、PX11、PX21、PX12、PX22、PY11、PY21、PY12、PY22有电连接。焊盘P10、PX11、PX21、PX12、PX22、PY11、PY21、PY12、PY22位于中央部分，固定在支撑基底20上，互相之间电隔离。
在检测加速度的时候，图6和7中的半导体加速度传感器S3与图1所示半导体加速度传感器S1具有基本相同的效果。也就是说，传感器S3的输出基本上只包括电容的变化，它们会对第一个方向X或者第二个方向Y上的加速度检测起作用，因为输出中否则就会成为噪声的其它电容的变化被对消掉。
在传感器S3中，可移动电极30位于第二个硅基底12的四周，包围着固定电极40、50、60、70，因此可移动电极30的大小和重量可以远大于图1所示传感器S1的那些。因此，传感器S3可以提供比图1所示传感器S1还要高的灵敏度，因为传感器S3的这个灵敏度随可移动电极30的重量成正比变化。
其它实施方案
在图1所示的传感器S1、图5所示的传感器S2、图6所示的传感器S3中，可移动电极30和第一电极40、50、60、70互相交叉，部分地互相面对。但是，可移动电极和固定电极不必交叉。

Claims (4)

1. 一种半导体动态量传感器，包括：
一个可移动电极(30)，所述可移动电极(30)在施加在传感器(S1，S2，S3)上的力的作用下，在半导体基底(20)内沿着第一个方向(X)和第二个方向(Y)移动，这两个方向互相垂直；
固定到半导体基底(12)的一对第一固定电极(40，50)，其中第一固定电极(40，50)部分地面对可移动电极(30)在第二个方向(Y)上两端的可移动电极(30)，形成第一对第一检测电容(CX11，CX21)和第二对第一检测电容(CX12，CX22)；和
固定到半导体基底(12)的一对第二固定电极(60，70)，其中第二固定电极(60，70)部分地面对可移动电极(30)在第一个方向(X)的两端上的可移动电极(30)，形成第一对第二检测电容(CY11，CY21)和第二对第二检测电容(CY12，CY22)，其中
当可移动电极(30)沿着第一个方向(X)移动的时候，第一对第一检测电容(CX11，CX21)中的一个增大而另一个减小，
当可移动电极沿着第二个方向(Y)移动的时候，第一对第一检测电容(CX11，CX21)同时增大或者减小，
当可移动电极(30)沿着第一个方向(X)移动的时候，第二对第一检测电容(CX12，CX22)中的一个增大而另一个减小，
当可移动电极(30)沿着第二个方向(Y)移动的时候，第二对第一检测电容(CX12，CX22)同时增大或者减小，
当可移动电极(30)沿着第二个方向(Y)移动时候，第一对第二检测电容(CY11，CY21)中的一个增大而另一个减小，
当可移动电极(30)沿着第一个方向(X)移动的时候，第一对第二检测电容(CY11，CY21)同时增大或者减小，
当可移动电极(30)沿着第二个方向(Y)移动的时候，第二对第二检测电容(CY12，CY22)中的一个增大而另一个减小，
当可移动电极(30)沿着第一个方向(X)移动的时候，第二对第二检测电容(CY12，CY22)同时增大或者减小，
其中当可移动电极(30)在施加在传感器上的力的作用下，沿着第一个方向(X)或者第二个方向(Y)移动的时候，根据第一对第一检测电容(CX21，CX11)之间的差分输出(CX21-CX11)、第二对第一检测电容(CX12，CX22)之间的差分输出(CX12-CX22)、第一对第二检测电容(CY21，CY11)之间的差分输出(CY21-CY11)和第二对第二检测电容(CY12，CY22)之间的差分输出(CY12-CY22)的和测量与施加在传感器上的力有关的动态量。
2. 权利要求1的传感器，其中第一固定电极(40，50)和第二固定电极(60，70)位于半导体基底(12)中可移动电极(30)周围，其中可移动电极(30)沿着第二个方向(Y)的两端和可移动电极(30)沿着第一个方向(X)的两端是向外的端。
3. 权利要求1的传感器，其中可移动电极(30)位于半导体基底(12)中第一固定电极(40，50)和第二固定电极(60，70)周围，其中可移动电极(30)沿着第二个方向(Y)的两端和可移动电极(30)沿着第一个方向(X)的两端是向内的端。
4. 权利要求1-3中任意一个的传感器，其中每个固定电极(40，50，60，70)的形状象有牙齿的梳子，并且包括多个固定电极牙齿，其中可移动电极(30)包括多个可移动电极部分(36)，每个可移动电极部分(36)的形状象有牙齿的梳子，并且包括多个可移动电极牙齿，其中每个固定电极(40，50，60，70)与每个可移动电极部分(36)交叉，从而使每个固定电极牙齿面对每个可移动电极牙齿，形成检测电容(CX11，CX21，CX12，CX22，CY11，CY21，CY12，CY22)。
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