CN102654409A - 电容式传感器 - Google Patents

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Abstract

电容式传感器包括固定电极和通过梁部分由支座部分可动支撑的可动电极。固定电极和可动电极彼此相对，在其间夹有间隙，从而组成检测单元。检测适合间隙的尺寸的电容，以检测预定的物理值。连接到支座部分的梁部分的端部和连接到可动电极的梁部分的端部的至少之一设置有调节应力的应力调节单元。大板部分和小板部分相对于为扭转运动的中心的梁部分非对称形成，根据与小板部分相对的第一固定电极和与大板部分相对的第一固定电极相对于作为参考的对称轴的梁部分对称设置的状态考虑扭转中心的偏移量，与大板部分相对的第一固定电极在接近梁部分的方向，而与小板部分相对的第一固定电极在远离梁部分的方向。

Description

电容式传感器
技术领域
本发明涉及一种电容式传感器，所述电容式传感通过检测固定电极和可动电极之间的电容检测预定物理值。
背景技术
传统地，具有一种电容式传感器，其中形成具有通过弹性件由固定部分支撑的可动电极的结构，可动电极可以根据外力移近或远离固定电极，检测这些电极之间的电容，从而检测例如加速度和角速度(参见专利文献1)的各种物理值。作为此电容式传感器，具有可以通过例如加速度的物理值的位移的一个质量部分检测在垂直轴的方向的物理值的公知的电容式传感器(参见专利文献2和专利文献3)。
根据专利文献1的电容式传感器，弹性件形成作为从固定部分螺旋延伸的梁形成，而通过弹性件由固定部分可动支撑的可动电极主要在沿传感器(半导体层)的表面延伸的方向上位移。根据专利文献2和3的每个的电容式传感器，不对称的质量部分通过在对称的水平方向从称为支座部分的固定部分延伸的扭转梁支撑，使得失去质量平衡，而物理值可以根据在垂直方向增加的物理值通过由扭转梁造成的该质量部分的位置位移检测。
根据专利文献2的电容式传感器，此电容式传感器通过加工金属材料形成。根据专利文献3，电容式传感器通过例如利用公知的半导体加工工艺加工例如硅的半导体基板形成。当装置通过半导体加工工艺由加工硅形成时，由于可以进行微细加工，所以，与如在专利文献3中的情况一样的电容式传感器通过加工金属材料形成的情况相比，可以形成较小和更精确的电容式传感器。
在可动电极如专利文献1那样通过梁由固定部分可动支撑的结构的情况下，在梁中产生的应力根据作为弹性件的梁的形状和施加到传感器的最大加速度变化，但当设置薄和长的梁时，当传感器制作为紧凑或设定弹簧常数时，在梁中产生的应力倾向于变大，且在一些情况下，很难设定例如移动电极的位移量或重量的规格到理想值。
根据在专利文献3中公开的电容式传感器，由于单晶硅板通过晶体各向异性刻蚀形成，所以，具有例如支座部分的各个部分为锥形的问题，且件的缺陷(deficit)或粘着通过增加器件尺寸或移动可动电极产生。当基板通过晶体各向异性刻蚀加工时，因为质量部分具有一定程度的质量，所以，具有很难形成增强检测灵敏度的质量部分的问题。
鉴于以上情况，提出了本发明，本发明的目的是在具有通过梁由固定部分可动支撑的可动电极的电容式传感器中减少梁的应力。本发明的另一目的是提供具有可以避免通过装置尺寸增加或可动电极移动产生部件的缺陷或粘着的结构的电容式传感器。
专利文献1：日本专利申请公开号：第2000-28634
专利文献2：美国专利说明书：第4736629
专利文献3：美国专利说明书：第6000287
发明内容
本发明的第一方面提供一种电容式传感器，所述电容式传感器包括固定电极和通过梁由半导体层的固定部分可动支撑的可动电极，其中固定电极和可动电极彼此相对，在其间夹有间隙，从而组成检测单元，检测适合所述间隙的尺寸的电容，从而检测预定的物理值，其中连接到固定部分的梁的端部和连接到可动电极的梁的端部至少之一设置有调节局部应力集中的应力调节单元。
本发明的第二方面提供一种电容式传感器，所述电容式传感器包括通过梁部分由半导体层的固定部分可动支撑的第一检测单元，使得保持不对称重量平衡，其中根据在半导体层的厚度方向上的物理值的位移移动的第一可动电极、以及形成于支撑半导体层的支撑基板上的第一固定电极彼此相对，在其间夹有间隙，而第一检测单元根据基于第一可动电极和第一固定电极的尺寸检测的电容检测所述物理值，半导体层为单晶硅层，而电容式传感器包括第一可动电极的移动机构，所述移动机构包括固定部分、梁部分以及通过垂直刻蚀单晶硅层形成的第一可动电极。
根据本发明的第一方面的电容式传感器，应力倾向于在梁中变大的部分，即，连接到梁的固定部分的端部和连接到可动电极的梁的端部的至少之一设置有调节应力的应力调节单元。因此，可以减少在梁中产生应力。
根据本发明的第二方面的电容式传感器，可以增强检测的灵敏度，并可以避免通过装置尺寸的增加或可动电极的运动产生部件的缺陷或粘着。通过垂直刻蚀加工工艺形成移动机构，可以获得均匀的横截面形状，因此，可以大大减少另一轴的灵敏度。此外，由于半导体层为单晶硅，所以，没有膜应力，且容易加工。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的电容式传感器的半导体层的平面视图；
图2是沿图1的线A-A剖开的电容式传感器的剖面视图；
图3是沿图1的线B-B剖开的电容式传感器的剖面视图；
图4是根据本发明的实施例的电容式传感器(沿图2的线C-C剖开)的梁部分的剖面视图；
图5是根据本发明的实施例的电容式传感器的摆动可动电极的示意简图，其中(a)显示可动电极不摆动的状态，(b)显示其一侧接近固定电极的状态，而图(c)显示另一侧接近固定电极的状态；
图6是作为根据本发明的实施例的电容式传感器的半导体层的一部分的电势取得部分(potential taking-out portion)的放大简图，其中(a)为平面视图，(b)为沿(a)中的线D-D剖开的剖面视图，而(c)显示在装配前的状态；
图7是显示根据本发明的实施例的电容式传感器的应力调节单元的各个例子的平面视图(a)到(c)；
图8是显示根据本发明的实施例的电容式传感器的应力调节单元的另一例子的平面视图(a)和(b)；
图9是显示作为本发明的第一实施例的电容式传感器的半导体层的结构的说明视图；
图10是用于说明形成于电容式传感器的半导体层中的凹进部分的剖面视图；
图11是显示由晶体各向异性刻蚀形成的电容式传感器的半导体层中的凹进部分的状态的剖面视图；
图12是说明利用SOI(绝缘体上硅结构)基板形成电容式传感器的示例性视图；
图13显示电容式传感器的可动电极在垂直方向而不扭曲的位移的视图；
图14是电容式传感器的固定电极的安装位置的说明视图；
图15显示移动电容式传感器的可动电极的转换运动的中心偏移的状态；
图16是电容式传感器的固定电极的形状的说明视图；
图17是作为本发明的第二实施例的电容式传感器的半导体层的结构的说明视图；
图18是用于说明电容式传感器沿图14中显示的线D-D剖开的状态的剖面视图；
图19是电容式传感器的水平方向检测单元的检测单元的具体结构的说明视图；以及
图20是电容式传感器的可动电极的另一形状的说明视图。
具体实施方式
下面将参照图具体说明本发明的实施例。
[第一实施例]
如图2所示，作为本发明的第一实施例的电容式传感器1(在下文中，简称为传感器1)具有通过加工半导体基板获得的半导体层2，而例如玻璃基板的绝缘层20和21通过阳极结合(anodic bonding)结合到前和后侧上，相对浅的凹进部分22在半导体层2与绝缘层20和21之间的结合表面中形成，保证了半导体层2的绝缘性能和可动电极5的移动容易性。在本实施例中，在半导体层2和绝缘层20之间的结合表面设置有在半导体层2一侧上的凹进部分22，而半导体层2和半导体层2之间的结合表面设置有在绝缘层21一侧上的凹进部分22。
传导层23形成于绝缘层20的表面20a上，且传导层23用作用于获得半导体层2的各个部分的电势的电极。在本实施例中，绝缘层20被喷沙并形成有通孔24，露出半导体层2的一部分表面(在绝缘层20的一侧的半导体层2的表面)，连续传导层23形成以例如电连接绝缘层20的表面和通孔24的内周表面、以及半导体层2的表面(在图2中的支座部分3的表面)，使得在半导体层2中的每个部分的电势可以由传导层23检测。优选绝缘层20的表面用树脂层(未显示)涂敷(模制)。
如图1到3所示，半导体基板通过公知的半导体加工工艺形成有间隙10，从而形成支座部分3、梁部分4、可动电极5、框架部分7以及在半导体层2的电势取得部分B。如图1所示，从上方观看，半导体层2整体形成大致矩形形状，框架部分7沿半导体层2的四个周边(四个侧边)以具有基本恒定宽度的框架的形式设置。
间隙10通过活性离子刻蚀(RIE)被垂直刻蚀，使得间隙10的侧壁表面垂直于半导体层2的表面。以此方式通过垂直刻蚀形成的间隙10的侧壁表面基本平行地彼此相对。
作为活性离子刻蚀，可以通过具有例如感应耦合等离子体(ICP)的刻蚀装置利用ICP加工。由于大板部分5a和小板部分5b的每个由一个单晶硅基板形成，所以，尺寸大于小板部分5b的大板部分5a的质量较大。
从上方朝向框架部分7的一个长侧(图1中的上侧)观看，具有矩形横截面(在本实施例中为大致方形的截面)的柱状支座部分3设置在稍微偏离半导体层2的中心的位置处的框架部分7的内部。梁部分4和4从与框架部分7的短侧相对的支座部分3的一对侧壁大致平行地延伸，虽然在图2和图3所示的本实施例中，支座部分3只邻接(结合到)绝缘层20，但支座部分3可以进一步邻接(结合到)绝缘层21。
如图4所示，梁部分4作为具有恒定矩形(大致矩形)横截面的梁形成。例如，半导体层2在其厚度方向的高度h为10mm或更多(500mm或更少)，而半导体层2在沿其表面的方向的宽度W为几个毫米(大约3到10mm)，但是这些值可以根据整体尺寸改变。梁部分4具有恒定的横截面，并在沿框架部分7的长侧的方向延伸。与在支座部分3一侧的端部4a相反的梁部分4的端部连接到可动电极5。
可动电极5具有从上方观看的大致矩形的外周表面5d。外周表面5d与框架部分7的内周表面7a，在其间具有间隙10。可动电极5形成为例如以间隙10环绕支座部分3的外侧和梁部分4和4。如图1所示，可动电极5具有在框架部分7的长侧的一侧(图1中的下侧)具有间隙10的大致矩形的大板部分5a。而可动电极5具有在框架部分7的另一长侧的一侧(图1中的上侧)具有间隙10的大致矩形的小板部分5b。大板部分5a和小板部分5b通过沿框架部分7的短侧延伸的一对连接部分5C和5C彼此连接。梁部分4和4分别连接到相应连接部分5C和5C的大致基板中心部分。采用以上结构，由于大板部分5a和小板部分5b的每个由一个单晶硅基板形成，所以，具有大于小板部分5b的尺寸的大板部分5a的质量较大。
可动电极5通过具有不对称质量平衡的梁部分4和4由作为传感器1的固定部分的支座部分3可动支撑。此结构通过形成具有间隙10的半导体层2和形成具有凹进部分22的绝缘层20和21的至少之一获得。支座部分3、梁部分4和4、以及可动电极5一体地形成为半导体层2的一部分。支座部分3、梁部分4和4、以及可动电极5的电势可以认为基本相等。
梁部分4和4起到相对框架部分7弹性和可动支撑可动电极5的弹簧件的作用。在本实施例中，如图4所示，梁部分4和4具有在传感器的厚度方向上较长的横截面(垂直于梁部分4的延伸轴的横截面)，梁部分4在厚度方向不容易弯曲。可动电极5包括大板部分5a和小板部分5b，该两部分彼此相对，其间夹着梁部分4和4，并具有不同的质量。在梁部分4和4的两侧上的质量彼此不同。因此，如果在传感器1的厚度方向产生加速度，则梁部分4和4由于施加到大板部分5a和小板部分5b的惯性的差扭转，而可动电极5围绕梁部分4和4摆动。也就是说，在本实施例中，梁部分4和4起到梁(扭转梁)的作用。
在本实施例中，绝缘层20在其下表面20b设置有固定电极6A和6B，例如，分别与可动电极的大板部分5a和小板部分5b相对。检测在大板部分5a和固定电极6A之间的电容、以及在小板部分5b和固定电极6B之间的电容，使得可以检测这些间隙的变化，因此，可以检测可动电极相对传感器1的固定部分的摆动姿势的变化。
图5(a)显示了可动电极5不摆动并与绝缘层20的下表面20b平行的状态。在此状态中，在大板部分5a和固定电极6A之间的间隙25a的尺寸、以及在小板部分5b和固定电极6B之间的间隙25b的尺寸彼此相等。因此，在大板部分5a和固定电极6A之间的相对面积、以及在小板部分5b和固定电极6B之间的相对面积彼此相等，在大板部分5a和固定电极6A之间的电容、以及在小板部分5b和固定电极6B之间的电容彼此相等。
图5(b)显示了以下状态：可动电极5摆动且相对绝缘层20的下表面20b倾斜，大板部分5a与固定电极6A分离，而小板部分5b接近固定电极6B。在此状态中，与显示在图5(a)中的状态相比，间隙25a变大，而间隙25b变小。因此，在大板部分5a和固定电极6A之间的电容减小，而小板部分5b和固定电极6B之间的电容增大。
图5(c)显示了以下状态：可动电极5摆动，绝缘层20相对下表面20b倾斜，大板部分5a接近固定电极6A，而小板部分5b与固定电极6B分离。在此状态中，与显示在图5(a)中的状态相比，间隙25a变小，而间隙25b变大。因此，在大板部分5a和固定电极6A之间的电容增大，而小板部分5b和固定电极6B之间的电容减小。
因此，可以获得通过C-V转换获得的电压波形，并从电容间的不同的输出检测增加到传感器1的各种物理值(加速度和角速度)，所述电容为在大板部分5a和固定电极6A之间的间隙25a为检测间隙的电容以及在小板部分5b和固定电极6B之间的间隙25b为检测间隙的电容。
这些电容可以从可动电极5和固定电极6A和6B的电势获得。在本实施例中，如图1和图2所示，通孔24形成于支座部分3上的绝缘层中，而可动电极5的电势通过形成于通孔24的内表面上的导电层23到得。
固定电极6形成为在绝缘层20的下表面20b上的大致矩形的导电层(例如，铝合金层)。在固定电极6的形成步骤中，导线图案11和端子9也同时作为从固定电极6连续的导电层形成。因此，固定电极6的电势通过导线图案11、端子9、形成于半导体层2上的电势取得部分8以及形成于电势取得部分8上的绝缘层20上的导电层23取得。
下面将参照图6说明电势取得部分8的结构。图6(a)是电势取得部分8的放大视图，图6(b)是沿图6(a)中的线C-C剖开的剖面视图，而图6(c)是显示在绝缘层20和半导体层2彼此连接之前的状态的剖面视图。
电势取得部分8通过形成于半导体层2中的间隙10和形成于半导体层2或绝缘层21中的凹进部分22与例如可动电极5和框架部分7的半导体层2的其它部分绝缘。电势取得部分8包括基本柱形的焊盘(pad)部分8a和沿框架部分7的短侧从焊盘部分8a延伸的薄和长的底座8b，具有平的底表面8C的凹进部分26形成于对应端子9的底座8b的一部分中。垫层27(例如，二氧化硅(SiO2))形成于底表面8C上，具有大致同样高度的传导层28形成于邻近垫层27的位置，而从上方看具有阶梯形状的接触部分12从垫层27的上表面到传导层28的上表面形成。框架状的角部分12a连续形成于接触部分12上。此时，传导层28和接触部分12可以作为由同样的导电材料(例如，铝合金)制作的层形成。
在本实施例中，如图6(c)所示，接触部分12的每个角部分12a都形成为使得其以高度δ从半导体层2的上表面2a突出。采用此结构，如果半导体层2和绝缘层20彼此结合，则端子9压紧角部分12a以塑性变形角部分12a，从而增强密切接触度，而角部分12a(接触部分12)和端子9可以彼此接触，并在其间更容易地建立传导。
如图1所示，止动件13在适当的位置设置在大板部分5a和小板部分5b的表面上，以便避免可动电极5和固定电极6A和6B彼此直接接触(撞击)并将其损坏的情况。如果止动件13和垫层27在相同的步骤中由同样的材料制作，则与其分别形成的情况相比，可以降低劳动生产力和生产成本。
其次，将参照图7说明在纵向设置在梁部分4和4的端部上的应力调节单元30、30A和30B。
图7(a)是根据本实施例的应力调节单元30的平面视图。在此例子中，从上方看为矩形形状的框架结构31设置在梁部分4连接到可动电极5的连接部分5C的一侧上的端部上。更具体地，从上方看，包括沿梁部分4的延伸方向形成的短侧部分32以及在与延伸方向相交为直角的方向延伸的长侧部分33的薄和长的框架结构31连续设置在连接部分5C上，而梁部分4的端部在其纵向连接到框架结构31的中心部分。连接部分5C的端部一体形成于长侧部分33上，而框架结构31的高度与梁部分4的高度相同。采用此结构，与梁部分4直接连接到连接部分5C的情况相比，可以增加当可动电极5移动时弯曲的区域。因此，可以调节在角处(根部分)4b和5d处的应力的局部集中。
框架结构31在垂直于梁部分4的延伸方向的方向形成为薄的和长的。因此，当梁部分4围绕其延伸轴扭曲时，大的弯曲极限(margin)在其长侧部分33处取得，且这是有效的。
图7(b)是根据本实施例的改进方式的应力调节单元30A。在此例子中，与图7(a)显示的结构同样的框架结构31和31在梁部分4的延伸方向以多排(在此例子中，为两排)设置，而框架结构31和31通过设置在梁部分4的延伸部分上的连接件34彼此连接。在此例子中，由于框架结构31以层设置，所以，与图7(a)的例子相比，可以更有效地调节应力。
图7(c)是根据本实施例的另一改进方式的应力调节单元30B。在此例子中，设置了其中梁部分4在垂直于其延伸方形以预定的宽度向回折叠多次的曲折结构35。如果设置曲折结构35，则与梁部分4直接连接到连接部分5C的情况相比，增加了当可动电极5移动时被弯曲的区域，所以，可以调节在角处(根部分)4b和5d处的应力的局部集中。
在任何例子中，应力调节单元30、30A和30B都设置在其连接到可动电极5(可动电极5的连接部分5C)的一侧的梁部分4的端部4b上，但应力调节单元30、30A和30B也可以设置在梁部分4的另一端上，即，在其连接到支座部分3的一侧的梁部分4的端部4a上，并可以在端部4a中获得同样的效果。如果应力调节单元30、30A和30B在其纵向设置在梁部分4的两个端部上，则可以进一步降低在梁部分4中产生的应力。不同的应力调节单元30、30A和30B可以设置在两端上，或可以形成其组合形式。
从以上说明可以清楚，根据如本发明的第一实施例的传感器1，至少连接到支座部分3的梁部分4的端部4a和连接到可动电极5的梁部分4的端部4b之一设置有调节应力的应力调节单元30、30A和30B。因此，其可以降低梁部分4中产生的应力，以增强耐久性，并增加例如可动电极5的位移量和重量的规格的设定灵活性。如果应力调节单元30、30A和30B设置在连接到支座部分3的梁部分4的端部4a和连接到可动电极5的梁部分4的端部4b两者上，则可以进一步降低应力。
此时，应力调节单元30、30A和30B可以作为一个框架结构31方便地形成，或包括多层框架结构31或曲折结构35的结构。特别是，当梁部分4用作扭转梁时，如果应力调节单元30、30A和30B如本实施例的例子那样作为一个框架结构31形成，或者有许多层的框架结构31，或作为曲折结构35，则与轴向直角相交的其一部分可以制作为相对较长，可以更有效地降低梁部分4(以及应力调节单元30、30A和30B)的每单位长度的弯曲量以及应力。
在本实施例中，梁部分4的剖面形成大致矩形形状。采用此结构，则限定了梁部分4易于弯曲的方向和梁部分4不易弯曲的方向，可动电极5以期望的方式操作，且抑制了由于在不想要的模式下操作造成的不便。特别是，当可动电极5摆动且梁部分4形成如本实施例中的扭转梁时，在垂直于延伸轴的梁部分4的横截面形状上，传感器1在厚度方向的长度(高度h)设定为比沿传感器1的表面延伸的方向上的长度(宽度W)长。采用此结构，整个可动电极5在传感器1的厚度方向(在图2中的垂直方向)弯曲，大板部分5a和小板部分5b两者都接近固定电极6A和6B，可抑制检测精度的变差。
虽然在本实施例中梁用作扭转梁，但本发明也可以施用到梁为弯曲梁的情况，而本发明也可以用于例如螺旋缠绕形状和折叠形状的各种形状的梁的情况。框架结构和曲折结构的规格(例如，框架结构的层的数量、曲折结构的折叠次数、各个部分的尺寸和形状)都可以不同地变形。如图8(b)所示，框架结构可以在从上方观看时为三角形形状(例如，规则的三角形或二等边三角形)，或三角形形状的单元框架可以以束的形式相互重叠为许多层。根据该结构，与从上方看为矩形形状的结构相比，可以进一步降低应力集中。
[第二实施例]
作为本发明的第二实施例的传感器1在传感器1的结构上与第一实施例的不同之处在于，梁部分4和4在纵向的端部没有设置如图9所示的应力调节单元30。在第二实施例中，如图10(a)所示，半导体层2结合到绝缘层20，且在间隙10形成之前，凹进部分22通过例如湿刻蚀和干刻蚀的各种刻蚀加工工艺形成。当通过刻蚀切削半导体层2后，作为玻璃基板的绝缘层20如图10(b)所示连接，进行垂直刻蚀加工，从而形成如图10(c)所示的间隙10。当凹进部分22通过刻蚀加工工艺形成后，止动件13由氧化膜或铝合金形成。
通过以此方式刻蚀为单晶硅基板的半导体层2，预先形成凹进部分22，而形成凹进部分22的表面与成为支撑基板并与其结合的绝缘层20相对。采用此结构，由于刻蚀操作产生的刻蚀残渣可以以极好的方式取出，所以，可以防止通过可动电极5的摆动与绝缘层20的粘着，也可以增强传感器1的质量。
由于半导体层2预先形成有凹进部分22，所以，例如玻璃基板的绝缘基板可以用作变为支撑基板的绝缘层20，可以降低当使用由与可动电极5而不是绝缘基板同样的硅制作基板时产生的寄生电容。
此外，具有的优点是通过刻蚀形成的凹进部分22可以仅仅通过形成对应凹进部分22的形状的抗蚀膜图案，并设定对应凹进部分22的深度的刻蚀时间容易地形成。由于玻璃基板可以作为绝缘层20使用，所以，通过由变为定向反射面的单晶硅制作的可动电极5的摆动引起的梁部分4的扭转运动，可以作为光线的反射视觉识别，因此，可以方便地观测外观。
凹进部分22限定在大板部分5a和固定电极6A之间的间隙25a与作为利用图5说明的检测间隙的小板部分5b和固定电极6B之间的间隙25b的检测间隙之间的距离。从为电容C的基本公式的“C＝εS/d”可以发现，需要精确地形成检测间隙之间的距离，其中C表示电容，S表示相对面积，d表示检测间隙之间的距离，而ε表示介电常数。总体地，在通过半导体加工工艺形成的电容式传感器中，需要使用于防止在生产加工期间的粘着以及在实际使用中的粘着的检测间隙之间的距离为3μm或更多。
如果凹进部分22利用刻蚀速度依赖于晶体方向的性质由晶体的各向异性刻蚀形成，则刻蚀加工的操纵变为容易。因此，可以形成具有很小变化的显著高精度的检测间隙的间隙25a和25b。
图11显示了当凹进部分22通过晶体的各向异性刻蚀形成时，从图9中的线A-A剖开的半导体层2的状态。如显示在图11中的区域P所示，支座部分3和框架部分7的平面变为相对切割的单晶硅基板的晶体平面的预定角的平面方位。
同时，在利用图6说明的电势取得部分8中，具有通过对底座8b切口形成的平底表面8C的凹进部分26在凹进部分22形成时由晶体各向异性刻蚀形成。在取得固定电极的电势的电势取得部分8中，需要精确地形成凹进部分26，以保证端子9和接触部分12之间的可靠接触和传导。因此，如果凹进部分26通过在凹进部分22形成时由晶体各向异性刻蚀形成，则可以精确地形成具有小变化的凹进部分26。
传感器1的支座部分3、梁部分4和可动电极5可以由双结构的SOI(绝缘体上硅结构)形成，其中SOI作为硅支撑基板41和硅活性层43之间的中间氧化膜42插入。图12是相对应图9中的B-B横截面的剖面视图。
当使用SOI基板40时，间隙10首先通过垂直刻蚀加工如图12(a)所示形成，中间的氧化膜42通过如图12(b)所示的牺牲层刻蚀去除，从而形成凹进部分22。也就是说，硅活性层43相对应半导体层2。当使用SOI基板40时，由于可以省略用于将半导体层2结合到另一基板的一个步骤，所以，具有的优点是可以方便地形成电容式传感器。
同时，由于凹进部分22通过牺牲层刻蚀形成，所以，当半导体层2通过单晶硅基板形成时，与凹进部分22通过在结合到例如玻璃基板的绝缘层20之前的刻蚀预先形成的情况相比，刻蚀残渣的量增加的可能性很高。此外，由于绝缘层20不能是玻璃基板，所以，不能获得以上效果。
由于梁部分4包括在传感器1的厚度方向较长的横截面(垂直于梁部分4的延伸轴的横截面)，所以，梁部分4不容易弯曲。梁部分4为具有如图4所示的横截面的恒定矩形(大致矩形)的梁，且需要使沿半导体层2的厚度方向的梁部分4的厚度为10μm或更多。厚度h的下限值10μm根据3μm或以上计算，所述3μm或以上为上述检测间隙的总体检测间隙之间的距离。当检测间隙之间的距离设定为3μm或更多时，需要移动可动电极5预定的位移量，以根据对通过传感器1检测的值进行信号处理的信号处理电路的能力保证灵敏度。
因此，可动电极5的厚度，即，梁部分4的厚度设定为10μm或更多，其为检测间隙之间的最小距离的3μm的大约三倍。采用此结构，可以保证用于位移可动电极5足够距离以获得需要的灵敏度的质量。可动电极5的厚度的上限，即，梁部分4的厚度可以根据形成半导体层2的单晶硅基板的厚度设定为500μm。
显示在图4中的梁部分4的厚度h为梁部分4的宽度W的3.16倍或更多。例如，当可动电极5通过根据垂直加速度扭转梁部分4正常地位移时，即使可动电极5与绝缘层20和21接触，接触方式也为线接触或点接触。然而，当增加过度的加速度时，可动电极5在Z轴方向位移，同时保持表面水平，且可动电极5如图13所示与绝缘层20和21表面接触，并具有粘着出现的可能性。为了防止可动电极5在Z轴方向即，在垂直方向位移，需要减少其中实际上不扭转和提升的模式。
更具体地，如果梁部分4在垂直方向的弯曲设定为梁部分4在水平方向的弯曲的1/10或更小，则可以大大减少其中梁部分4实际上不扭转和提升的模式。因此，计算基于横截面第二力矩的最大弯曲，且如果梁部分4的厚度h确定为使得梁部分4在垂直方向的弯曲变为梁部分4在水平方向的弯曲的1/10或更小，则需要梁部分4的厚度h为梁部分4的宽度W的3.16(≈101/2)倍或更多。
采用此结构，可以大大减少其中梁部分4实际上不扭转和提升的模式。因此，可动电极5与绝缘层20和21表面接触，且可动电极5可以根据物理值围绕梁部分4极好地扭转，而不造成粘着(sticking)。
如图14所示，固定电极6A和6B不设置为使得其相对于为可动电极5的扭转运动的中心的梁部分4(作为对称轴)垂直对称，而是设置为使得固定电极6A和6B朝向可动电极5的小板部分5b偏移。
图15(a)和图15(b)显示了当从图14所示的箭头L的方向观看传感器1时，在加速度G从垂直方向的下方增加前或后，扭转运动的中心偏移的状态。应该考虑，因为可动电极5起到质量的作用，即，大板部分5a和小板部分5b相对于为扭转运动的中心的梁部分4非对称形成，造成其中扭转中心偏移的现象。
根据固定电极6A和6B相对于作为参考的对称轴的梁部分4对称设置的状态考虑扭转中心的偏移量，如图15(a)所示，固定电极6A和固定电极6B设置在绝缘层20的下表面20b上，使得固定电极6A在接近梁部分4的方向，而固定电极6B在远离梁部分4的方向。此时，固定电极6A和6B的偏移量，即，固定电极6A和6B在绝缘层20的下表面20b上的安装位置根据通过传感器1保证的加速度的检测范围确定。
如果固定电极6A和6B的位置根据当增加物理值时改变的可动电极5的扭转运动的中心位置确定，则由于根据增加的物理值检测的电容的线性增强，可以精确地检测物理值。
此外，如果增加固定电极6和设置在绝缘层20上的可动电极5之间的相对面积，则可以增加通过传感器1检测的物理值的检测灵敏度。因此，不形成沿如图16(a)所示的可动电极5的大板部分5a和小板部分5b的长侧延伸的纸板形状，而是固定电极6A和6B沿间隙10的形状形成于相对于大板部分5a和小板部分5b的绝缘层20的下表面20b上，同时避免了设置用于形成支座部分3和梁部分4的间隙10，从而增加了相对面积。采用此结构，由于通过固定电极6A和6B限定的相对于可动电极5的相对面积可以保证为极限，所以，可以利用非常好的灵敏度检测增加到传感器1的物理值。
如上所述，如本实施例所示的传感器1，通过垂直刻蚀为单晶硅基板的半导体层2，形成可动电极5的移动机构，移动机构包括支座部分3、梁部分4和可动电极5。因此，可动电极5可以利用充分厚的半导体层2形成。
采用此结构，由于可以充分保证可动电极5的质量，所以，可动电极5根据物理值较大地位移。因此，可以增强电容的检测灵敏度。由于可动电极5的位移量大，所以，可以保证宽度检测间隙。因此，可以防止在可动电极5和设置固定电极6的绝缘层20之间产生粘着。
由于通过具有ICP的刻蚀装置进行的垂直刻蚀，所以，形成有半导体层2的加工表面不是锥形，可以减少装置的尺寸。此外，由于加工表面不是锥形，所以，即使梁部分4和可动电极5由于过量的物理值造成彼此接触，也可以防止结构变为碎裂。此外，由于垂直刻蚀表面不是镜面，所以，即使接触，也不会产生粘着。
当进行垂直刻蚀时，由于刻蚀部分的截面形状基本为垂直对称，因此，可以防止在相对于为检测方向的主轴向的其它轴向产生灵敏度。由于如本实施例的传感器1具有作为具有小的膜应力的单晶硅基板的半导体层，所以，可以实现方便的加工过程。
[第三实施例]
其次，将参照图17和图18说明如本发明的第三实施例的传感器1的结构。除了第三实施例所示的传感器1可以检测为在半导体层2的平面方向的水平方向的物理值外，第三实施例所示的传感器1与检测为在半导体层2的厚度方向的垂直方向的物理值的第二实施例显示的传感器1相同。
图17是显示传感器1的半导体层2的平面视图。如图17所示，半导体层2包括：通过公知的加工工艺在半导体基板中形成间隙10来检测在垂直方向的物理值的垂直方向检测单元50A、在水平方向检测物理值的水平方向检测单元50B、以及环绕这些单元的框架部分7。由于垂直方向检测单元50A与传感器1相同，所以，如果需要，可以进行适当地说明，并可以省略其具体的说明。
与第二实施例的传感器1的间隙10一样，通过活性离子刻蚀垂直地刻蚀间隙10，形成间隙10以使得间隙10的侧壁表面垂直于半导体层2的表面。通过垂直刻蚀形成的间隙10的侧壁表面基本彼此平行地彼此相对。作为活性离子刻蚀，可以利用通过具有感应耦合等离子体(ICP)的刻蚀装置的ICP加工。
如图17所示，水平方向检测单元50B的半导体层2形成有支撑单元53、梁部分54、可动电极55和固定电极56。
图18是显示传感器1切割为沿图17的线D-D切开半导体层2的状态的剖视图。如图18所示，通过阳极结合将例如玻璃基板的绝缘层20和21结合到半导体层2的前和后表面形成传感器1。相对浅的凹进部分62在半导体层2以及绝缘层20和21之间的结合表面中形成，保证半导体层2的绝缘性质和可动电极55的移动方便性。在本发明的第二实施例中，对于水平方向检测单元50B的半导体层2和绝缘层20之间的结合表面，凹进部分62设置在半导体层2一侧，而对于水平方向检测单元50B的半导体层2和绝缘层21之间的结合表面，凹进部分62设置在绝缘层21一侧。
如图17所示，一对支撑单元53通过可动电极55设置在可动电极55的长侧的一侧的每一个上，而支撑单元53沿可动电极55的长侧延伸基本恒定的宽度。以此方式设置的成对的支撑单元53的一个比另一个薄且长。
每个支撑单元53都设置有两个梁部分54。梁部分54平行于支撑单元53的长侧延伸，而梁部分54的中间部分朝向中心例如曲折地折叠并延伸。如图17所示，梁部分4的另一端连接到可动电极55的角部，并起到相对支撑单元53弹性地可动支撑可动电极的弹簧件的作用。
采用此结构，水平方向检测单元50B起到通过连接到作为相对可动电极55的弹簧件的梁部分54的支撑单元53支撑的质量件的作用。这些弹簧件和质量件组成弹簧-质量系统。通过作为质量元件的可动电极55的位置位移，水平方向检测单元50B检测在可动电极55和固定电极56之间的电容中的变化。水平方向检测单元50B可以从通过检测的电容的C-V转换变化获得的电压波形，检测增加到传感器1的加速度。
更具体地，电容的变化通过检测单元58A和58B(当共同命名时，其称为检测单元58)检测，检测单元58包括多个形成于可动电极55和固定电极56上的梳状检测可动电极55a和检测固定电极56a。
如果加速度给定在图17中所示的Y轴方向中，则可动电极5在Y轴方向位移，并在通过检测单元58B的检测可动电极55a和检测固定电极56a检测的电容以及通过检测单元58B的检测可动电极55a和检测固定电极56a检测的电容之间产生差异。在Y轴方向的加速度可以从电容的差异检测。
通孔24被喷沙并在图17所示的固定电极56的角56b中形成。通孔24穿过绝缘层20。金属薄膜等由通过通孔24、通孔24的内周表面和绝缘层20的表面20a露出的半导体层2形成，使得固定电极56的电势可以在绝缘层20上取得。优选绝缘层20的表面用树脂层(未显示)涂层(模制)。
可动电极55的电势从通过梁部分54支撑可动电极55的支撑单元53取得。设置在显示在图17中移动的可动电极55的上侧上的支撑单元53被喷沙，并形成有例如穿过绝缘层20的通孔。金属薄膜等由通过通孔24、通孔24的内周表面和绝缘层20的表面20a露出的半导体层2形成，使得可动电极55的电势可以在绝缘层20上取得。
其次，将利用可动电极55和固定电极56的放大平面视图，根据图19中显示的水平方向检测单元50B的检测单元58说明检测单元58的具体结构。
如图19所示，可动电极55形成有基本垂直于从可动电极55的中心部分朝向固定电极56的电极支撑单元56C的侧面延伸的带状的薄和长的检测可动电极55a。可动电极55a以梳状的形式以预定的间距彼此平行形成。检测可动电极55a设置为使得其尖端彼此平行，且尖端具有同样的长度。
固定电极56形成有从电极支撑单元56C朝向可动电极55的中心部分平行于检测可动电极55a延伸的多个带状的薄和长的检测固定电极56a。检测固定电极56a以梳状的形式以预定的间距(与例如检测可动电极55a的同样的间距)彼此平行形成，以便彼此平行以一对一的关系与检测可动电极55a相对。检测固定电极56a设置为例如对应检测可动电极55a，使得检测可动电极55a和检测固定电极56a的彼此相对的表面的相对面积可以保证尽可能地大。
如图19所示，设置用于形成检测可动电极55a和检测固定电极56a的间隙10具有一个窄侧间隙10a和另一个宽侧间隙10b。检测单元58检测检测可动电极55a和检测固定电极56a之间的电容，其中窄侧间隙10a为检测间隙(电极间隙)。
如图17所示，与设置在垂直方向检测单元50A的可动电极5上的止动件相同的止动件13设置在可动电极55的表面上的适当位置处，且此避免了可动电极55与绝缘层20直接接触(撞击)以及绝缘层20损坏的情况。如果止动件13在相同的生产步骤中由与电势取得部分8的垫层27同样的材料制作，则与其分别形成的情况相比，可以降低劳动生产力和生产成本。
如利用图17的说明，在水平方向检测单元50B中，在半导体层2和绝缘层20之间的结合表面设置有在半导体层2一侧的凹进部分42。凹进部分42将半导体层2结合到绝缘层20，且在间隙10形成之前，凹进部分42通过例如湿刻蚀和干刻蚀的各种刻蚀加工形成。当凹进部分52通过以此方式的刻蚀加工切割半导体层2形成时，作为玻璃基板的绝缘层20被结合，其为垂直刻蚀，从而形成间隙10。
此时，如图18所示，形成有支座部分3、梁部分4和垂直方向检测单元50A的可动电极5的半导体层2的厚度h1、以及形成有梁部分54、可动电极54和水平方向检测单元50B的固定电极56的半导体层2的厚度h2相同。如果厚度h1和厚度h2相同，则用于形成凹进部分62的步骤和用于形成限定垂直方向检测单元50A中的检测间隙的凹进部分22的步骤可以在同样的步骤中形成。如果厚度h1和厚度h2相同，则在当间隙10形成时的垂直刻蚀加工期间，穿透刻蚀量可以保持恒定。因此，刻蚀时间变为相同，且可以防止过度刻蚀。
穿透形成图17所示的垂直方向检测单元50A的梁部分4的间隙10的宽度w1，与如图16中显示的水平方向检测单元50B的检测单元58的检测间隙的间隙10a的宽度w2相同。如果间隙10的宽度w1和间隙10a的宽度w2相同，则在垂直刻蚀加工时的刻蚀速度可以均匀化。因此，可以大大抑制当通过垂直刻蚀加工进行的刻蚀处理后形成的各个部分的形状的变化。
特别是，由于垂直方向检测单元50A的梁部分4造成扭转运动，所以，梁部分4的宽度的变化影响检测的灵敏度。如果间隙10的宽度w1和间隙10a的宽度w2相同，且形状的变化减少，则可以增强垂直方向检测单元50A的检测灵敏度。
此外，显示在图18中的垂直方向检测单元50A的梁部分4的宽度w3和水平方向检测单元50B的梁部分54的宽度w4设定为相同的值。如果梁部分4的宽度w3和梁部分54的宽度w4相同，则当进行垂直刻蚀时，容易处理过度刻蚀。此外，如果梁部分4的宽度w3和梁部分54的宽度w4相同，则当半导体加工完成后进行的装置的图像识别的外观检测变得容易。
如第三实施例显示的传感器1可以具有如图20所示的结构。显示在图20中的传感器1具有垂直方向检测单元50A的可动电极5，其具有环绕水平方向检测单元50B的框架状形状。更具体地，可动电极5的大板部分5a尺寸缩小，且其质量减少，而水平方向检测单元50B被连接部分5e环绕，连接部分5e连接彼此平行地延伸的两个臂部分5d和5d，所述两个臂部分5d和5d从尺寸缩小的大板部分5a沿水平方向检测单元50B的固定电极56的电极支撑单元56C的纵向彼此平行延伸。
如果可动电极形成为例如环绕水平方向检测单元50B，则惯性力矩可以通过臂部分5d和连接部分5e获得，连接部分5e为远离作为扭转运动的中心的梁部分4的质量分量。因此，即使大板部分5a尺寸缩小以减少质量，也可以增强检测的灵敏度。此外，由于可以有效地设置垂直方向检测单元50A和水平方向检测单元50B，所以，具有的优点是传感器2可以制作的较小。
根据如本发明的第三实施例显示的传感器1，检测在半导体层2的厚度方向的物理值的垂直方向检测单元50A和检测在半导体层2的平面方向的物理值的水平方向检测单元50B通过垂直刻蚀同样的半导体层2形成。例如，在设置检测在一个轴向的物理值和在彼此垂直的其它轴向的物理值的两个传感器的传感器的情况下，在两个轴之间的直角精度由于位置偏差和在实际安装时的漂移变差，然而，根据如本发明的第三实施例显示的传感器1，由于可以精确地保证检测轴的直角精度，所以，两个物理值都可以精确地检测。
此外，垂直方向检测单元50A和水平方向检测单元50B可以通过同样的加工形成，可以减少生产加工过程，可以降低生产成本，且形状可以制作的更小。此外，形成有支座部分3、梁部分4和垂直方向检测单元50A的可动电极5的半导体层2的厚度h1、以及形成有水平方向检测单元50B、梁部分54、可动电极55和水平方向检测单元50B的固定电极56的半导体层2的厚度h2相同。如果例如生产的传感器1的垂直方向检测单元50A和水平方向检测单元50B的灵敏度的性质变化，则可以确定在单晶硅基板切割之前单晶硅晶片本身具有变化。
因此，可以由生产的传感器1的性能方便地掌握例如生产单晶硅晶片的变化的性质，且当在单晶硅晶片的生产加工中出现不正常的条件时，可以快速发现不正常的条件并提高质量。
如果垂直方向检测单元50A和水平方向检测单元50B形成为一个整体，且其厚度制作为恒定，则可以保证整个重量平衡，且即使传感器检测垂直方向和水平方向的物理值，也可以大大减少实际安装的漂移，因此，可以提高其它轴的灵敏度。
应该注意，上述实施例只是本发明的例子。因此，本发明不局限于实施例，并可以通过不是上述实施例的实施例进行，同时，可以根据设计等做出各种改变，而不脱离本发明的技术范围。
工业应用
本发明可以应用于通过检测固定电极和可动电极之间的电容，检测预定的物理值的电容式传感器。

Claims (13)

1.一种电容式传感器，所述电容式传感器包括通过梁部分由半导体层的固定部分可动支撑的第一检测单元，使得保持不对称重量平衡，其中根据在半导体层的厚度方向的物理值的位移移动的第一可动电极、以及形成于支撑半导体层的支撑基板上的第一固定电极彼此相对，在第一可动电极和第一固定电极之间夹有间隙，而第一检测单元基于根据第一可动电极和第一固定电极的尺寸检测的电容来检测所述物理值，所述半导体层为单晶硅层，而电容式传感器包括第一可动电极的移动机构，所述第一可动电极的移动机构包括固定部分、梁部分以及通过垂直刻蚀单晶硅层形成的第一可动电极，所述第一可动电极位于具有短侧和长侧的矩形框架部分内，所述固定部分呈具有矩形横截面的柱形状，两个所述梁部分从与矩形框架部分的短侧相对的固定部分的一对侧壁大致平行地延伸，第一可动电极形成为以间隙环绕固定部分的外侧和梁部分，第一可动电极具有在矩形框架部分的长侧的一侧具有所述间隙的大致矩形的大板部分、以及在矩形框架部分的另一长侧的一侧具有所述间隙的大致矩形的小板部分，尺寸大于小板部分的所述大板部分的质量较大，第一可动电极通过具有不对称质量平衡的梁部分由所述固定部分可动支撑，所述小板部分和大板部分通过一对沿所述矩形框架部分的短侧方向延伸的连接部分彼此连接，所述梁部分分别连接到相应连接部分的支撑基板中心部分，所述第一固定电极包括与所述小板部分相对的与小板部分相对的第一固定电极、以及与所述大板部分相对的与大板部分相对的第一固定电极，所述大板部分和小板部分相对于为扭转运动的中心的梁部分非对称形成，根据所述与小板部分相对的第一固定电极和所述与大板部分相对的第一固定电极相对于作为参考的对称轴的所述梁部分对称设置的状态考虑扭转中心的偏移量，所述与小板部分相对的第一固定电极和所述与大板部分相对的第一固定电极设置在支撑基板的下表面上，使得所述与大板部分相对的第一固定电极在接近梁部分的方向，而与小板部分相对的第一固定电极在远离梁部分的方向。
2.根据权利要求1所述的电容式传感器，进一步包括与形成于支撑基板上的第一固定电极相对的区域，其中在与支撑基板相对的半导体层的表面中形成凹进部分。
3.根据权利要求2所述的电容式传感器，其中所述凹进部分通过晶体各向异性刻蚀形成。
4.根据权利要求1所述的电容式传感器，其中利用具有中间氧化膜插入在硅支撑基板和硅活性层之间的结构的SOI(绝缘体上硅)基板，所述半导体层为SOI基板的硅活性层。
5.根据权利要求1所述的电容式传感器，其中梁部分的厚度大于梁部分的宽度。
6.根据权利要求5所述的电容式传感器，其中第一可动电极的厚度和梁部分的厚度为10μm或更多。
7.根据权利要求5所述的电容式传感器，其中梁部分的厚度为梁部分的宽度的3.16倍或更多。
8.根据权利要求1所述的电容式传感器，进一步包括第二可动电极以及第二固定电极，所述第二可动电极通过进一步的梁部分由半导体层的固定部分可动支撑，且根据在半导体层的两个方向上的物理值的位移操作，所述第二固定电极通过半导体层形成，其中第二可动电极和第二固定电极通过间隙彼此相对，电容式传感器进一步包括第二检测单元，所述第二检测单元基于第二可动电极和根据相对第二可动电极的间隙的尺寸检测的电容来检测物理值。
9.根据权利要求8所述的电容式传感器，其中第一检测单元的半导体层的厚度和第二检测单元的半导体层的厚度彼此基本相等。
10.根据权利要求8所述的电容式传感器，其中第一检测单元的梁部分的厚度和第二检测单元的梁部分的厚度彼此基本相等。
11.根据权利要求8所述的电容式传感器，其中第一检测单元的梁部分的宽度和第二检测单元的梁部分的宽度彼此基本相等。
12.根据权利要求8所述的电容式传感器，其中通过用于形成第一检测单元的梁部分的垂直刻蚀加工提供的间隙、与当第二可动电极和第二检测单元的第二固定电极彼此相对时提供的间隙彼此基本相等。
13.根据权利要求8所述的电容式传感器，其中第一检测单元的第一可动电极具有环绕第二检测单元的形状。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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