CN101046491A - 电容传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种电容传感器，该电容传感器包括误差补偿单元，在作为边缘部分的固定电极的一部分和活动电极的一部分在检测单元错位的方向上彼此相对并保持一定间隙的布置中，误差补偿单元利用根据错位引起的间隙的变化的电容的变化，减小检测单元中由梳齿部分彼此错位产生的电容的检测误差。

Description

电容传感器
相关申请的交叉引用
本申请基于2006年3月28日递交的日本专利申请No.TOKUGAN2006-089122并要求其优先权；该申请的整个内容以参考的方式并入本申请中。
技术领域
本发明涉及一种电容传感器，该电容传感器通过检测固定电极和活动电极之间的电容量检测预定的物理量。
背景技术
传统地，如日本专利公开No.2005-83972(下文中为“专利文献1”)所披露的，已知一种电容传感器，该电容传感器被配置以具有这样的结构：通过利用已知的半导体工艺处理半导体基片，活动电极通过弹性元件被支撑在固定部分处，以便活动电极根据施加到其上的外部力接触和离开固定电极，并且该电容传感器被配置以通过检测这些电极之间的电容的变化从而检测诸如加速度和角速度的各种物理量。
在专利文献1所披露的电容传感器中，总共在四点设置检测单元，所述检测单元根据固定电极和活动电极之间的间隙的变化检测电容。每一检测单元被构造为，固定电极和活动电极以它们的梳齿状部分彼此接合的方式彼此相对，并保持它们之间的预定间隙。
然而，专利文献1中所披露的电容传感器根据固定电极和活动电极之间的扩大和缩小(即，在专利文献1的情况下，梳齿状部分之间的狭缝的宽度的扩大和缩小)检测电容的变化，并且如果固定电极和活动电极错位而未彼此对齐(即，在梳齿的长度方向上错位)，错位改变了固定电极和活动电极彼此相对的区域的面积，由此改变电容。电容的这种变化导致检测误差从而降低了传感器的检测精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种电容传感器，该电容传感器能够减少因固定电极和活动电极的错位所引起的检测误差。
一种根据本发明的电容传感器，具有形成在半导体层上的固定电极和活动电极，其中检测单元被构造为，固定电极的一部分和活动电极的一部分彼此相对并在其间保持间隙，并且所述电容传感器通过检测根据间隙的尺寸变化的电容而检测预定的物理量，所述电容传感器包括：误差补偿单元，在固定电极的另一部分和活动电极的另一部分在检测单元错位的方向上彼此相对并保持另一间隙的布置中，所述误差补偿单元利用根据错位引起的另一间隙的变化的电容的变化，减小检测单元中由于电极彼此错位产生的电容的检测误差。
根据本发明的电容传感器，当电容在检测单元中由于固定电极与活动电极彼此相对的部分彼此错位而变化时，误差补偿单元中的电容由于根据错位的另一间隙的变化而变化。因此，检测单元中的电容变化量被误差补偿单元中的电容变化量减少，由此提高检测精度。
附图说明
从结合附图的以下说明和权利要求中，本发明的示例性实施例将变得更完全地清楚。请注意，这些附图仅描绘了示例性实施例，并且因此并不认为是对本发明范围的限制，利用附图将更具体并详细地描述本发明的示例性实施例，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的电容传感器的半导体层的俯视图；
图2沿着图1中所示的线II-II截取的电容传感器的截面图；
图3是图1的局部放大图；
图4A和4B是固定电极和活动电极的示意性视图，用于解释根据实施例的误差补偿单元的结构和动作；
图5是根据本发明第二实施例的电容传感器的半导体层的局部放大图。
具体实施方式
以下将参照附图解释本发明的实施例。
图1是根据本发明的一个实施例的电容传感器的半导体的俯视图，图2是沿图1中所示的线II-II截取的电容传感器的截面图，图3是图1的局部放大图，图4A和图4B是固定电极和活动电极的示意性视图，用于解释误差补偿单元的结构和动作。
根据本实施例的电容传感器1被构造为，玻璃衬底等的绝缘层20和21利用阳极结合(anodic bonding)等连接到半导体层2的两侧，所述半导体层通过加工半导体衬底形成。相对浅的凹入部分22形成在半导体层2与每一绝缘层20和21之间的结合表面上，以提供半导体层2的不同部分处的绝缘和活动电极5的可移动性。
另外，导电层23形成在绝缘层20的表面上并用作电极以获得半导体层2的每一部分的电位(electric potential)。在本实施例中，通孔24利用喷沙(sandblasting)等形成在绝缘层20上，以便半导体层2的表面(在绝缘层20的一侧的表面)的一部分是暴露的，电连接的一导电层23形成在绝缘层20的表面上、在通孔24的内圆周表面上、和在半导体层2的表面上(图2中所示实例中的固定电极6的表面)。因而，配置为，从导电层23检测半导体层2的每一部分的电位。优选地，用树脂层(未显示)覆盖(模制)绝缘层20的表面。
如图2和3中所示，间隙10通过普通半导体工艺形成在半导体衬底上，结果，框架部分3、梁部分4、活动电极5、制动部分(stopperportion)7等形成在半导体层2中。
如图2中所示，半导体层2作为整体形成为大致正方形形状，并且框架部分3布置为框架形式，沿着半导体层2的四周(四边)具有大致不变的宽度。
四个梁部分4布置在该框架部分3内，所述四个梁部分4分别地平行于框架部分3的每一边从框架部分3的四个角延伸，并且以螺旋的方式朝着中心以直角转向。梁部分4被布置为，沿着框架部分3的两边延伸而不彼此干涉，并且梁部分4的内侧端部连接到活动电极5的端部，以便梁部分4用作弹簧元件(螺旋弹簧)，所述弹簧元件弹性地支撑活动电极5，以使活动电极5相对于框架部分3是可活动的。
即，在本实施例中，活动电极5设置有质量元件(mass element)(质量)的功能，活动电极5被作为弹簧元件的梁部分4可移动地支撑。利用这些弹簧元件和质量元件，建立了弹簧-质量系统，并且可从作为质量元件的活动电极5的位移获得加速度。
为检测活动电极5的位移，在本实施例中，通过将活动电极5的一部分和固定元件6的一部分布置为彼此相对并在其间保持间隙，检测单元8被构造。通过检测检测单元8中的活动电极5和固定电极6之间的电容，间隙的变化、即活动电极5相对于固定元件6的位移被检测。
具体地，如图3中所示，活动电极5包括梳齿部分5c，所述梳齿部分5c以细带的形式从中心部分5a向框架部分3的一条边的中心部分在大致垂直于该一条边的方向上延伸。在本实施例中，梳齿部分5c以规则的间距(regular pitches)平行于彼此布置。尽管各个梳齿部分5c的端部被对齐，但梳齿部分5c形成为当其位置越接近束的最内部时具有更长长度，当其位置越接近束的最外部时具有更短的长度。
另一方面，固定电极6包括：角部分6a，所述角部分6a被布置为邻近活动电极5；和边缘部分6b，所述边缘部分6b以细带的形式从该角部分6a沿着框架部分3的一条边延伸。朝活动电极5的中心部分5a延伸的梳齿部分6c被连接到该边缘部分6b。在本实施例中，梳齿部分6c以规则的间距(与活动电极5的梳齿部分5c的间距相同的间距)彼此平行地布置，从而与活动电极5的梳齿部分5c接合，并保持间隙10。梳齿部分6c还被形成为，当其位置越接近束的最内部时具有更长的长度，当其位置越接近束的最外部时具有更短的长度，对应于活动电极5的梳齿部分5c，并且梳齿部分6c被布置为使梳齿部分5c和6c彼此相对的面积保持尽可能大。
在检测单元8中，梳齿部分5c和6c之间的间隙10被布置为相对于梳齿部分5c在一侧(间隙10a)小，在另一侧(间隙10c)大。小间隙侧的间隙10a用作检测间隙，并且通过间隙10a彼此相对的梳齿部分5c和6c之间的电容、即固定电极6和活动电极5之间的电容被检测。
如图1中所示，检测单元8被设置在框架部分3的每一边的中心部分，并且用于X方向检测的检测单元8(图2中在顶部和底部的检测单元8)和用于Y方向检测的检测单元8(图2中右侧和左侧的检测单元8)都被设置在两点处。
另外，如图2和3中所示，通孔24形成在固定电极6的角部分6a上方的绝缘层中，并且被配置为，通过形成在通孔24的内圆周表面上的导电层23获得固定电极6的电位。在绝缘层20中，与图2中的那些相同的通孔和导电层(均未显示)形成在两点上，所述两点定位在框架部分3的四个角中的一对角之间的对角线上，以便通过形成在四个梁部分4、框架部分3和通孔中的导电层获得活动电极5的电位。框架部分3可视为整体形成有活动电极5的电极。
在以上结构的检测单元8中，当梳齿部分5c和6c在长度方向(即，垂直于检测方向的方向；另一轴向方向)上彼此错位，梳齿部分5c和6c彼此相对的面积波动，由此改变电容。电容的这种变化不是由于检测目标方向(检测方向)上的位移，而是检测误差。
因此，在本实施例中，通过将固定电极的一部分(边缘部分6b；另一部分)和活动电极5的一部分(边缘部分5b；另一部分)布置为在梳齿部分5c和6c的错位方向上彼此相对并保持预定间隙(10b；另一间隙)，误差补偿单元9被构造。利用该误差补偿单元9，检测单元8中的电容的检测误差被减小。
具体地，边缘部分5d形成在固定电极6的边缘部分6b的外侧，以便边缘部分5d以细带形式平行于边缘部分6b延伸，即，在检测单元8的检测间隙(间隙10a)的宽度方向上(梳齿部分5c和6c的延伸方向；梳齿部分5c和6c的错位方向；图3中所示的用于检测单元8的X方向)延伸，并且构造为，边缘部分5d和6d之间的电容根据间隙10b的尺寸而变化。
在本实施例中，沿着框架部分3的边延伸的边缘部分5d以活动电极围绕固定电极6的方式位于活动电极5的两个角部分5b之间。因此，利用活动电极5的边缘部分5d的内侧表面与固定电极6的边缘部分6b的外侧表面彼此相对的这种结构，形成误差补偿单元9的结构被非常容易地获得。
特别是利用形成误差补偿单元9的边缘部分5d位于两个角部分5b之间的布置，边缘部分5d在两端处被支撑，由此与仅在一侧支撑的情况相比，易于确保边缘部分5d的刚度和强度。因此，具有的优点是可以进一步减小活动电极5的尺寸和重量。
在半导体层2中，制动部分7被布置为既不与活动电极5连接，也不与固定电极6连接，从而防止将损坏活动电极5和固定电极6的碰撞。在本实施例中，突出7a适当地设置在与活动电极5相对的制动部分7的一侧。
参照图4A和4B解释误差补偿单元9的动作。与图4A中所示的状态相反，在所述状态中梳齿部分5c和6c不在沿着检测单元8中梳齿部分5c和6c彼此相对的表面的方向(即，间隙10b的长度的方向)上错位，当活动电极5在如图4B中所示的Y方向上向下错位时，作为检测单元8中的电极的梳齿部分5c和6c彼此相对的相对面积从A1减小到A2(＜A1)，而同时用作误差补偿单元9中的电极的边缘部分5d和6b之间的间隙10b的间隔从δ21减少到δ22到(＜δ21)。
彼此相对的两个电极之间的电容C表达为C＝ε×S/d(其中ε：介电常数，S：相对面积，d：间隙尺寸)。因此，在检测单元8中，当电极的相对面积根据错位减小时，电容减小ΔC1＝ε×(A1-A2)/δ1。另一方面，在误差补偿单元9中，当电极之间的间隙根据错位变得更小时，电容增加ΔC2＝ε×A3(δ21-δ22)(其中A3：误差补偿单元9中的边缘部分5d和6b的相对面积)。因此，如果误差补偿单元9(或者检测单元8)的规格(间隙、相对面积等)被设定为ΔC1≈C2，检测单元8中的错位所引起的电容的变化(检测误差)被误差补偿单元9中的错位所引起的电容的变化减小。
根据本实施例，通过将作为边缘部分6d的固定电极6的一部分和作为边缘部分5d的活动电极5的一部分布置为在检测单元8的错位的方向上彼此相对并保持间隙10b，误差补偿单元9被构造为，误差补偿单元9利用根据由错位引起的间隙10b的变化的电容的变化减小检测单元9中的电极之间的错位引起的电容的检测误差，由此提高检测精度。
在此情况下，应当构造为，当检测单元8中固定电极6和活动电极5彼此相对的面积变得更小时，间隙10b变得更小。
此外，在本实施例中，布置为，固定电极6被活动电极5围绕。因此，可以非常容易地获得作为一部分的误差补偿单元9，在所述一部分处活动电极5的边缘部分5d的内侧表面和固定电极6的边缘部分6b的外侧表面彼此相对并在其间保持间隙10b。
特别是利用形成误差补偿单元9的边缘部分5d位于活动电极5的两个角部分5b之间的布置，边缘部分5d在两端被支撑，由此与仅在一侧被支撑的情况相比，易于确保边缘部分5d的刚度和强度。因此，具有的优点是可进一步减小活动电极5的尺寸和质量。
图5是根据本发明第二实施例的电容传感器的半导体层的局部放大图。根据本实施例的电容传感器具有与根据上述第一实施例的电容传感器相似的部件。因此，相同附图标记给予共同的构成元件，并且将省略多余的解释。
如图5中所示，与第一实施例的检测单元相同的检测单元8形成在根据本实施例的半导体层2A中。
在本实施例中，棒状部分5e和6d设置在固定电极6和活动电极5两者中，并且通过将这些棒状部分5e和6d布置为彼此相对并保持预定间隙10d，误差补偿单元9被构造。如图5中所示，棒状部分5e和6d以细带的形式在检测单元8的检测间隙(间隙10a)的宽度方向(梳齿部分5c和6c的延伸方向；梳齿部分5c和6c的错位方向；图5中所示的用于检测单元8的X方向)上延伸，并且被构造为，棒状部分5e和6d之间的电容根据间隙10b的尺寸变化。
因此，根据本实施例，利用与第一实施例的原理相同的原理，由检测单元8中电极的错位引起的检测误差可以被误差补偿单元9A的动作减小。
尽管此处已解释了本发明的优选实施例，但本发明并不限于此，并且可以做出各种修改。
根据本发明的电容传感器可以构造为检测各种物理量的传感器，而不限于加速度，只要由位移的错位引起的检测误差被减小。
另外，检测单元和误差补偿单元的结构和布置并不限于以上实施例的那些，只要构造为，当检测单元中固定电极和活动电极彼此相对的面积变得更小时，固定电极和活动电极之间的间隙变得更小。
另外，尽管在第二实施例中，棒状部分被设置在固定电极和活动电极两者中，但只要将棒状部分设置到该电极中的任一个并且可被布置为与棒状部分的一侧相对的并保持间隙的区域被设置到另一个，并不必须形成为棒状部分。

Claims (4)

1.一种具有形成在半导体层(2)上的固定电极(6)和活动电极(5)的电容传感器，其中检测单元(8)被构造为固定电极(6)的一部分和活动电极(5)的一部分彼此相对并在其间保持间隙(10a)，并且所述电容传感器通过检测根据间隙(10a)的尺寸变化的电容而检测预定的物理量，所述电容传感器包括：
误差补偿单元(9)，在固定电极(6)的另一部分(6b)和活动电极(5)的另一部分(5d)在检测单元(8)错位的方向上彼此相对并保持另一间隙(10b)的布置中，所述误差补偿单元(9)利用根据错位引起的另一间隙(10b)的变化的电容的变化，减小检测单元(8)中由电极彼此错位产生的电容的检测误差。
2.根据权利要求1所述的电容传感器，其中：
随着在检测单元(8)中固定电极(6)和活动电极(5)彼此相对的面积根据错位减少，另一间隙(10b)减小。
3.根据权利要求1或2所述的电容传感器，其中：
所述活动电极(5)被布置为围绕固定电极(6)，并且活动电极(5)的内侧表面的部分和固定电极(6)的外侧表面的部分彼此相对的部分被形成为误差补偿单元(9)。
4.根据权利要求1或2所述的电容传感器，其中：
棒状部分(5e，5d)被设置到固定电极(6)和活动电极(5)中的一个，并且棒状部分(5e，5d)和被布置为与棒状部分(5e，5d)彼此相对并在其间保持预定间隙(10b)的部分被形成为误差补偿单元(9A)。
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