CN100580956C - 电容型动态量传感器 - Google Patents

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Abstract

在金属电极中形成凹槽或孔的图形，所述金属电极在电容型动态量传感器中布置在和振动元件相关的上侧和下侧。因此，即便使用单一导电材料例如Al制作电极时，也可以避免在该电极表面产生小丘，并且电极的膜脱落的危险性降低。此外，也可以减少制造成本。

Description

电容型动态量传感器
技术领域
本发明总的涉及用于探测例如加速度或角速度的动态物理量的传感器。具体而言，本发明涉及用于探测动态物理量的电容型动态量传感器，该传感器通过探测由于半导体工艺中制造的结构的移动引起的电容的变化来探测动态物理量。
背景技术
在此之前，电容型动态量传感器是已知的，其中在半导体衬底内形成适于因从外部施加的加速度或角速度而移动的重物以及用于支持该重物的横梁，以探测在重物的可移动电极和距该可移动电的极微小间隔处形成的固定电极之间得到的电容的变化(参考，例如JP 08-094666A)。图7是示出了传统电容型动态量传感器的结构的截面图。在该传感器中，重物71和横梁72通过精细图形化工艺在半导体衬底73中形成，并且从两侧被上衬底74和下衬底75接合和密封。所述电容型传感器具有对微隙76和77敏感的传感器灵敏度，因此微隙的波动对传感器灵敏度特性产生很大的影响。微隙76和77基于通过选择性地蚀刻掉上、下衬底74和75或半导体衬底73而形成的间隙以及在上、下衬底74和75朝向半导体衬底73的内表面上形成的上、下固定电极78的厚度来确定。因此，可以说控制固定电极的厚度很重要。例如，固定电极的表面上产生的小丘会引起微隙76和77的波动，也会使重物的活动范围变窄从而导致灵敏度降低。
在JP 08-094666A中所公开的电容型动态量传感器的制作方法中，上、下衬底分别采用玻璃衬底。然后，为了防止在各玻璃衬底上形成的固定电极的表面上有小丘产生，采用两层电极结构：Al层以及作为基础层(base layer)的Ti层。然而，采用多层电极结构增加了制造成本。此外，由于不同种类电极层之间的热膨胀系数不同，容易发生两层电极的膜脱落，降低了传感器的可靠性。此外，由于Ti层的电阻值高，必须加厚Al层以减小整个固定电极的电阻值。因此，整个固定电极变厚，从而容易发生电极厚度的波动。
发明内容
根据前述产生了本发明，因此，本发明的目的是提供造价低的电容型动态量传感器，该传感器能够避免在电极的表面上产生小丘，并且能够防止电极的膜脱落从而具有优良的可靠性。
为了获得上述目的，根据本发明，提供了基于由于通过半导体工艺制造的结构的移动所导致的电容的变化来测量例如加速度或者角速度的物理动态量的电容型动态量传感器，该电容型动态量传感器包括：具有被横梁支撑且能够因为外部施加的动态量诸如加速度或角速度而移动的重物的半导体衬底；与半导体衬底的表面的一部分接合的上衬底，该上衬底具有层叠在其上从而被布置成在面对所述重物的位置中有微隙的第一固定电极；以及与半导体衬底的背面的一部分接合的下衬底，该下衬底具有层叠在其上从而被布置成在面对所述重物的位置中有微隙的第二固定电极，该电容型动态量传感器基于由于重物的移动所引起的在第一和第二固定电极之间得到的电容的变化来测量动态量，其中在第一固定电极的一部分中或在第二固定电极的一部分中形成多个凹槽或多个孔。
此外，根据本发明的一个方面，所述多个凹槽或多个孔以相同间距布置。
同样，根据本发明的另一个方面，第一或第二固定电极由单一金属材料制成。
因此，即便第一或第二固定电极由单一材料制成，也可以避免在固定电极的表面上产生小丘并消除膜脱落等的发生。因此，可以增加可靠性。此外，由于第一或第二固定电极可以采用便宜的材料例如Al，因此可以期望降低制造成本以及增加产量，并且减少电极厚度的波动。
由于多个凹槽或孔以固定间距在形成于上或下衬底的表面上的第一或第二金属电极中形成，所以即便第一或第二固定电极由单一金属材料制成时，也能避免在第一或第二固定电极的表面上产生小丘。因此，可以提供可靠性高、造价低且能够避免膜脱落的动态量传感器。
附图说明
在附图中：
图1是解释根据本发明的实施例的电容型动态量传感器的截面示意图。
图2是解释了在根据本发明的实施例的电容型动态量传感器中由于外界施加角速度导致横梁弯曲的状态的截面示意图。
图3是示出了根据本发明的实施例的电容型动态量传感器的电极的结构的平面图。
图4是示出了根据本发明的实施例的电容型动态量传感器的电极的另一种结构的平面图。
图5是表示根据本发明的实施例的电容型动态量传感器的电极的另一种结构的平面图。
图6是表示根据本发明的实施例的电容型动态量传感器的电极的另一种结构的平面图。
图7是解释传统电容型动态量传感器的截面示意图。
具体实施方式
下面将参照附图、以作为本发明的电容型动态量传感器的典型的角速度传感器为例详细描述本发明的优选实施例。
首先，图1示出了根据本发明的实施例的电容型动态量传感器的截面示意图。参照图1，这种电容型动态量传感器具有包括上玻璃衬底1、硅衬底2和下玻璃衬底3的三层结构。这三个衬底1、2和3相互接合在一起以形成三层结构。具有横梁4和重物5的振动元件通过蚀刻工艺在硅衬底2中形成。该振动元件能够由于从外部施加的力而振动或扭曲。设计每一个横梁4的形状与其厚度、长度和宽度有关，和重物5的形状与其厚度、面积等有关，以获得任意的共振频率和任意的弹簧常数。此外，微隙6被确定在硅衬底2的横梁4和重物5的上侧与面对横梁4和重物5的上侧的上衬底1的背面之间。同时，微隙7被确定在硅衬底2的横梁4和重物5的下侧与面对横梁4和重物5的下侧的下衬底3的背面之间。通孔8在上衬底1和下衬底3的一部分中形成，具有其中形成有振动元件的硅衬底2竖直夹在上衬底1和下衬底3之间。在上衬底1和下衬底3的内表面上形成的电极通过那些通孔8延伸到外部。导电材料9叠置在通孔8的每个出口处，因此保持了对在上衬底1和下衬底3之间确定的内部空间的密封。分别在上、下玻璃衬底1和3的内表面上形成的固定电极分别通过在通孔8的侧壁上形成的布线被导电材料9引到外部。
在这种角速度传感器中，必需控制硅衬底2的电势。因此，在上、下玻璃衬底1和3的内表面上形成的电极的一部分与在硅衬底2上形成的衬底电极12接触以保证硅衬底2的电势。此处，将简要描述该角速度传感器的工作原理。分别向在上、下玻璃衬底1和3的内表面上形成的激励固定电极施加A.C电压，以使重物由于在激励固定电极10和具有保持接地电势的振动元件(包括可移动电极)之间的静电力作用而垂直振动。如果将围绕y轴的角速度施加到振动元件上，并且以这种方式向该振动元件施加z轴方向的速度，然后与所述角速度和所述速度的乘积成比例的科里奥利力(coriolis force)沿x轴方向作用在振动元件上。因此，横梁如图2所示的那样弯曲。在上、下玻璃衬底1和3的内表面侧分别设有探测固定电极11。因此，探测固定电极11和振动元件的可移动电极之间得到的电容由于由横梁弯曲所造成的重物的倾斜而变化。然后基于电容的变化探测出角速度的大小。
如上所述，在电容探测型角速度传感器中，探测固定电极11和可移动电极之间的距离与电容的大小直接有关。因此，如果该距离有波动，则作用于激励固定电极10和可移动电极之间的静电力变化，因此垂直振动的速度变化并且在探测固定电极11和可移动电极之间获得的电容也变化。这对探测的灵敏度有很大影响。此外，如果在激励固定电极10或者在探测固定电极11上产生小丘，就会产生由于微隙6和7的波动引起的探测灵敏度的波动，并且横梁的可活动范围也变窄从而导致传感器的灵敏度降低。通常说来，在电极中使用金或铂可以避免在该电极上产生小丘，同时也能够将电极的电阻值设定为低。然而，金或铂是昂贵的材料，因此会增加制造成本。此外，由于这些金属材料与玻璃材料之间的粘附力弱，必须形成用于加强在这种金属材料和玻璃材料之间的粘附力的膜，这需要采用多层结构。由于多层结构会导致膜脱落，因此，可靠性差。
图3是示出了根据本发明的实施例的角速度传感器的固定电极(对应于激励固定电极10或者探测固定电极11)31的结构的平面图。圆形孔32以相等间距规则地形成在固定电极31中。例如，在使用诸如Al的材料制成没有孔32的固定电极的情况下，该材料的原子容易在低能量下迁移，因此在热处理过程中容易在固定电极的表面产生小丘。然而，在固定电极中形成如图3所示的圆形孔32的情况下，Al的能量在圆形孔32的侧面方向被分散，因此难以在固定电极的表面上产生小丘。圆形孔32的间隔是任意设定的。因此，采用适于处理(尤其是热处理)的孔32之间的间距能够阻碍小丘在固定电极的表面上产生。应当理解，孔32的形状不限于圆形，因此其也可以是多边形。
此外，如图4所示，当在固定电极41中以相等间距形成凹槽42时，也可以获得与图3的情况相同的效果。凹槽42的形状不限于矩形，因此其也可以是多边形或者椭圆形。此外，矩形的长边和椭圆的主轴的延伸方向也不限于图中所示。此外，如图5和6所示，也可能采用凹槽52的一边与固定电极51或61的外边缘的位置一致的结构。换言之，只要电极依照电势连续延伸，对于固定电极就可以采用这种结构。通过在形成固定电极31、41、51和61时将其图形形成在光刻掩模上，以与通常的半导体工艺相似的工艺很容易地形成固定电极31、41、51和61的结构。此外，由于固定电极可采用金属材料制成，例如材料成本便宜且电阻值低的Al，因此可以降低成本。同时，由于固定电极可以采用单膜形成，在固定电极中很难引起膜脱落。因此，可以制造可靠性高的传感器器件。
这些例子不限于角速度传感器，其可以应用于所有的电容变化探测型动态量传感器，例如加速度传感器和压力传感器。
根据本发明的该实施例的电容型动态量传感器适于小型化，且成本低，因此主要应用于便携/手提型装置，或者在功能方面用作在虚拟现实等中监测运动。例如，根据本实施例的电容型动态量传感器可有效用于利用重力探测倾斜角的信息的传感器，或者用于在相机中校正手的运动的传感器等。因此，从低成本和小型化的优点看来，根据本发明的这一实施例的电容型动态量传感器可以广泛应用于消费者传感器器件。

Claims (6)

1.一种电容型动态量传感器，用于根据由于通过半导体工艺制造的结构的移动所导致的电容的变化来探测物理动态量，该电容型动态量传感器包括：
包括振动元件的半导体衬底，该振动元件具有横梁和由该横梁支撑的并且能够因为外部施加的动态量而移动的重物；
与半导体衬底的第一表面的一部分接合的上衬底，该上衬底具有层叠在其上从而被布置成在面对所述重物的位置中有微隙的第一固定电极，该第一固定电极具有在第一固定电极的相对主表面之间延伸的多个通孔；以及
与半导体衬底的第二表面的一部分接合的下衬底，该下衬底具有层叠在其上从而被布置成在面对所述重物的位置中有微隙的第二固定电极，该第二固定电极具有在第二固定电极的相对主表面之间延伸的多个通孔；
其中该第一固定电极和第二固定电极的每一个的多个通孔阻止在该第一固定电极和第二固定电极的表面上产生小丘。
2.根据权利要求1的电容型动态量传感器，其中该第一固定电极和第二固定电极的每一个的多个通孔中的相邻通孔是以相等距离彼此分隔开。
3.根据权利要求1的电容型动态量传感器，其中所述第一固定电极和第二固定电极中的至少其中之一是由单一金属材料制成。
4.根据权利要求1的电容型动态量传感器，其中所述第一固定电极和第二固定电极的每一个的多个通孔是圆形或多边形。
5.根据权利要求1的电容型动态量传感器，其中所述第一固定电极和第二固定电极的每一个的多个通孔被设计成包括矩形或椭圆形的凹槽形式。
6.根据权利要求1的电容型动态量传感器，其中所述动态量为加速度或角速度。
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