CN1033110A - 容性加速度计及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
容性加速度计及其制造方法。该加速度计包括
两个有固定侧面电极4，6′的侧面电极构件15和装
有中心电极17的中心电极构件16，构件16包括一
平行于构件15的平面主体件3其中保留在15之间
的部分加工成靠近4，6′处有一个贯穿主件3呈U形
且描成悬臂状电极17的槽，电极17平行于主件3
而使17的端部1比所述3的部分细，以在电极4，6′
与17之间形成间隙7，且与3形成整体的构件16的
杆件2实质上比端部1细，以使17具有挠曲性。本
发明的传感器结构易于成批生产。
Description
本发明涉及一种硅材料制成的容性加速度计，该加速度计包括两个彼此间隔一段距离、平行排列、基本上呈板状的平面侧面电极构件（15），面对面地配置并包括侧面固定电极（4，6′）和一均质的基本上呈板状的中心电极构件（16），配置在侧面电极构件（15）之间，该中心电极构件（16）包括：一连接到侧面电极构件（15）的主体件（3）和至少一个安置在侧面电极（4，6′）附近，且包括一杆件（2）和一端部（1）的中心电极（17），从而使中心电极（17）的杆（2）将中心电极（17）连接到主体件（3）上，于是主体件（3）就从侧面封闭着中心电极（17），因此杆件（2）实质上比端部（1）细。
本发明还涉及一种加速度计的制造方法。
所述加速度计实际上是个小型的力传感器，但其主要用途是检则加速度。该加速度计也可用于其它用途，例如检测倾斜角。
本技术领域中周知的小型加速度计多半是基于压电或压阻工作原理。
压电晶体产生其大小取决于施加到表面上的力的表面电荷。然后用电荷敏感性放大器测定该电荷。测定所用的放大器其输入阻抗高，因而使放大器易受静电的干扰。表面上所产生的电荷自然而然地经由表面漏泄电流放电，因此要用这种加速度计来测定静态或低频加速度是不可能的。
压阻性加速度计一般是由半导体材料（例如硅）制成的，而各电阻器则在适当的晶体方向上扩散到半导体材料中。晶体受弯曲时，由此导致的应力使阻值发生变化，于是可以检测出弯曲的幅度。该弯曲幅度与所施加的力因而与加速度成正比。
小型压阻性器件可用微电子技术和微切削加工方法，由（例如）硅制成。为获得最高灵敏度，必须使最大应力处在电阻器区域中。这一来弹性部分的位移其幅度就比构件的厚度大得多，此外，还必须在灵敏的加速度计上设置辅助荷重作为加速计的震体，因为硅本身的密度较小。使该辅助体的制造工艺难以实施。此外，压阻性加速度计对温度漂移比起例如容性加速度计敏感得多。再者，压阻性加速度计在所谓应变系数方面比容性加速度计低。
六十年代后期以来，制造加速度计一直是采用单晶硅。这类解决方案中的一些在科技文献中发表过，有些还取得了专利权。压阻性加速度计在下列的出版物中有介绍：
〔1〕L.M.罗伊兰斯和J.B.安彻尔的“成批生产的硅加速度计”，《电气与电子工程师协会电子器件论文集》ED-26，第1911～1920页（1979）
〔2〕W.贝内克等人的“频率选择性压阻性硅振动检测器”《传感器一九八七》第406～409页（1987）
〔3〕M.朱凯和M.贝肖的“自动控制器用的半导体加速度计”《传感器一九八七》第403～405页（1987）
〔4〕E.J.伊万斯，美国3，478，604（1968）
〔5〕A.J.叶曼，美国专利 3，572，109（1971）
出版物〔4〕和〔5〕中所介绍的是“弹性悬臂”式结构的加速度计。
容性加速度计则分别在下列出版物中有介绍：
〔6〕H.W.费歇，美国专利3，911，738（1975）
〔7〕W.H.费根，美国专利4，009，607（1977）
〔8〕F.V豪尔德伦等人，美国专利4，094，199（1878）
〔9〕H.E艾尼，美国专利4，144，516（1979）
〔10〕K.E彼德森等人，美国专利4，342，227（1982）
〔11〕R.F.考尔顿，美国专利4，435，737（1984）
〔12〕F.拉道尔夫，美国专利4，483，194（1984）
〔13〕L.B.韦尔尼，美国专利4，574，327（1986）
出版物〔6〕介绍了一种采用两个电容的加速度计，但没有公开其实际结构。
出版物〔7〕基本上与出版物〔6〕相同，只是采用了不同的电气实施方案。
出版物〔8〕也是涉及加速度计的双电容原理。
出版物〔9〕介绍了一种微型机械式加速度计，其中震体悬挂在片簧上。
出版物〔10〕介绍了一种弹性悬臂式加速度计，其中悬臂梁在水平平面中移动，且具有在电气上不对称的结构。
出版物〔11〕涉及一种环形结构。
出版物〔12〕涉及一种扭曲悬挂板，其中电容只安置在板的一边。
出版物〔13〕介绍了一种震体悬挂在一薄膜弹簧上的结构。本发明的目的是克服现有技术方法的种种缺点，并提供全新的容性加速度计及其一种制造方法。
本发明基于由两个电容器制造的容性式加速度计，该两电容器有一公共的移动着的电极起加速度计的震体作用。中心电极与一相同材料制成的梁构成整体结构。这种弹性构件可采用一个或若干个。加上一个加速度时，震体就位移几个微米，从电容值的变化就可检测出这个位移。加速度计的结构是双边式的，而且是对称的。
更具体地说，本发明的加速度计的特征在于：
-中心电极构件（16）对称于侧面电极构件（15）的中心平面;
-中心电极（17）呈梁的形状，周围环绕有通过主体件（3）呈U形延伸的槽;
-中心电极（17）的端部（1）其厚度与主体件（3）的近似，因而在侧面电极（4，6′）与中心电极（17）之间形成小电极间隙（7），各电极间隙（7）的间距取决于端部（1）的厚度;和
-侧面电极构件（15）经由电绝缘层（5）以密封的形式装在中心电极构件（16）的主体件（3）上，从而使各中心电极（17）仍然处在密闭着的空间中，且电极构件（15，16）在正常情况下当不存在外部电气接线时彼此在电气上绝缘。
此外本发明制造方法的特征在于，为使检测器具有有利的频率响应，除将侧面电极（15）装在中心电极构件（16）上之外，还使为侧面电极（15）所密闭的空间（7）处在适当的气体压力下。
本发明的结构具有下列优点1：
-由于按电容的原理工作，因而可以在震体位移很小的情况下达到很高的灵敏度△C/C;
-由于结构是对称的，因而加速度计未补偿的温度灵敏度非常低;
-由于震体和弹性构件是同一材料（如硅）制成的，因而无需辅助的震体;
-在电容器电极上设槽或在制造过程中在加速度计结构中保持适当的压力可以改变加速度计的阻尼因数;
-电容对称于加速度的零值而变化;
-本加速度计可以成批生产;
-本加速度计的过载容限极高，这是因为震体由侧面电极支撑之前只位移几个微米。
下面根据附图借助于所列举的一些实施例更详细地研究本发明的内容。
图1是本发明一个加速度计结构的纵向剖面侧视图。
图2是本发明另一个加速度计结构的纵向剖面侧视图。
图3a至3c是图1所示加速度计结构的各不同部件的透视图。
图4a至4c是图2所示加速度计结构的不同部件的透视图。
图5是图2所示加速度计结构的部分纵向剖面透视图。
图6是本发明第三个加速度计结构的纵向剖面侧视图。
图7a是本发明的加速度计结构在第一次加掩膜阶段的顶视图。
图7b是由图7a所示的加掩膜阶段得到的最后结果的顶视图。
图8a是本发明的加速度计结构在第二次加掩膜阶段的顶视图。
图8b是由图8a所示的加掩膜阶段所得到的最后结果的顶视图。
图9a是本发明的加速度计结构在第三次加掩膜阶段的顶视图。
图9b是由图9a所示的加掩膜阶段得出的最后结果的顶视图。
本发明的加速度计可以用微型机械制造中周知的一般方法由（例如）单晶硅制成。图1例示了该加速度计的基本结构。该加速度计可加以密封使得加速度计的外壳可在适当的低负压下充气密封。为使加速度计的震体达到所需阻尼因数，可改变充填气体的压力。所使用的充填气体可以是，（例如）干燥的空气。适当选择阻尼因数可以使加速度计具有有利的频率响应。
但为进一步简化加速度计的结构，可将加速度计制成敞开式，如图2所示，从而使加速度计的内部气体压力等于环境气压。内部气体空间是经由通道8与外界连通的。但这样震体的阻尼因数是非常高的，因而这样一种加速度计只能在低频（即几个赫）下使用，且只能测量静态加速度。
图1例示了密封的加速度计的结构。该加速度计取层叠式结构，包括电气互连的平面侧面电极构件15，电极构件15之间有一个平行排列的中心电极构件16，电极构件16的震体1由悬臂梁17的端部形成。悬臂梁17在中心电极构件16中形成，其方法是在梁中形成一个通过中心电极16的整个构件延伸的u形槽。此外，为形成为电容而设的间隙7，已将梁17的部分材料除去，而且为使梁17的杆件2这部分具有挠曲性，已将杆件2的宽度缩小。因此整体中心电极构件16包括梁17，梁17则包括震体1和挠性杆件2以及围绕着悬臂梁17的加速度计主体件3。震体1最好制造得比主体件3薄几个微米，这样做有好处。中心电极构件16可由（例如）同样的单晶硅制成。加速度计的电容是在中心电极构件16的公共移动电极1与侧面电极构件15的固定侧面电极4之间形成的。侧面电极4由例如单晶硅制成，其方法是蚀刻对应于绝缘层5的表面，使得在硅中震体1处以及焊接区6处留出一个凸起部分。绝缘层5可以由（例如）玻璃制成。玻璃覆盖区5和主体件3可采用例如阳极焊接法彼此封闭焊接起来。中心电极构件16的结构是镜象对称于图1所示的平面S（xy平面）的。震体1可在Z方向上移动。
图3a至3c详细画出了图1的加速度计的结构。图3和4的上图3a和4b以倒转的位置示出，以便可以更清楚地看到金属化部分6和6′以及硅部分4。
图2例示了加速度计的敞开式结构。该结构与封闭式结构的区别如下：
-侧面电极构件15完全由玻璃制成，电极表面覆盖有金属化部分6和6′作为加速度计发挥电气功能的部分;
-金属化部分6配置成与通道8相连，同时又要防止金属化部分6与主体件3短路。
图4a至4c详细画出了图2的加速度计结构。在图示的两种结构中，诸电气接触部分6最好制成处在同一平面上，这样就需要使用图3和4所示的馈电件10。该零件是用主体件3同样的材料制成的，但与主体件电气绝缘。图5更详细地画出了元件10的结构。图4b中所示的凸起部分9其作用是使主体件3同中间接触部分6形成电接触。图5画出了加速度计的布局。
加速度计的防震能力可这样加以改善：将挠性件2进行蚀刻使得在其中留下一个如图6所示的凸起部分11，该凸起部分11可以在强烈震动情况下防止挠性件2过于弯曲＜铀俣燃频某叽缪≡裨诤艽蟪潭壬先【鲇谒枇槊舳群偷缛萘俊Ｕ鹛?的典型尺寸为（例如）2×0.5×4立方毫米，悬臂梁2的典型尺寸为2×0.07×4立方毫米。加速度计的外部尺寸约为4×3×12立方毫米（宽×高×长）。
下面介绍的加工工序适宜加工单晶半导体（例如两边磨光了的硅晶片）基底材料的两边。
1.将硅晶片的两边氧化到大约250毫微米的深度。该晶片的厚度可以是（例如）500微米。
2.将晶片涂覆以光致抗蚀剂并如图7a所示那样曝光以制成中心电极部分12，以后氧化层即从该部分腐蚀掉。图7画出了一个硅芯片。
3.接着，将图7b所示的中心电极部分12在KOH水溶液中蚀刻到大约4微米的深度。
4.用经缓冲剂处理过的HF将晶片的氧化层腐蚀掉，并将晶片氧化到大约0.8微米的深度。
5.将晶片涂以光致抗蚀剂并将中心电极部分12的各边缘曝光以形成图8a中所示的边缘部分13和接触部分13′，氧化层即从这些部分中除掉。除去光致抗蚀剂。
6.将各部分13和13′蚀刻到大约50微米的深度，于是形成图8b的中心电极图形17′。
7.将晶片重新涂以光致抗蚀剂，然后将中心电极图形17′的杆件曝光以制取图9a所示的一个部分14，氧化层即从该部分除掉。
8.继续在例如KOH水溶液中侵蚀晶片直到在部分14中达到所要求的深度，一般小到40～100微米的深度，于是就发生如图9b所示的部分13的浸透过程。这个工序产生图3b的元件16。
用上述方法加工图3a和3c的侧面电极构件15，具体作法是将硅晶片的一个表面刻蚀到大约150微米的深度，只留下图3a和3c中所示的小（阴影）部分4连同与部分4在电气上连通的（阴影）部分6一起，保持原来的高度。下一步通过熔融，将晶片侵蚀过的表面覆以适当的玻璃层，例如Schott Tempax，Corning 7070或Corning 7740级玻璃，将该玻璃层研磨和磨光到与晶片原表面同样的高度。从美国专利4，597，027（A·雷度）可以了解到这种方法。然后用卸除法或蚀刻工艺将覆有玻璃的晶片加工成金属化部分6。这些方法都是普通的方法，因而这里不再详述。最后用所谓阳极连接法在适当的压力下将三个晶片粘接在一起。所用压力的高低取决于加速度计所要求的阻尼因数，一般在几个hpa数量级。所用方法（以及其它方法）的详细介绍参看伊武·布路第和朱利叶斯J·慕雷著的《微加工过程物理学》一书（纽约布雷南姆出版社1983年版）。
图4a至4c的中心电极构件16是采用与上述几乎完全相同的方法加工的。不同的地方在于，在通道8和接触部分9的各部分进行4微米蚀刻的阶段有一个部分被加宽了。
图4a至4c的中心电极构件15是由例如Schott Tempax、Corning 7070或Corning 7740级玻璃加工成的。6和6′部分是用上述方法进行金属化的。加速度计的装配是采用阳极粘接法在常压下进行的。
在两种加速度计的制作过程中，所述晶片可借助于预切出的槽进行断裂切割。
Claims (5)
1、一种硅材料制成的容性加速度计，包括：
一两个彼此间隔一段距离、平行排列、基本上呈板状的平面侧面电极构件(15)，面对面地配置并包括侧面固定电极(4，6′)和
--均质的基本上呈板状的中心电极构件(16)，配置在侧面电极构件(15)之间，该中心电极构件(16)包括：
--连接到侧面电极构件(15)的主体件(3)和
-至少一个中心电极(17)，安置在侧面电极(4，6′)附近，且包括一杆件(2)和一端部(1)，从而使中心电极(17)的杆(2)将中心电极(17)连接到主体件(3)上，于是主体件(3)就从侧面封闭着中心电极(17)，因此杆件(2)实质上比端部(1)细，
该容性加速度计的特征在于：
-中心电极构件(16)对称于侧面电极构件(15)的中心平面；
-中心电极(17)呈梁样形状，周围环绕有通过主体件(3)呈U形延伸的槽；
-中心电极(17)的端部(1)其厚度与主体件(3)的近似，因而在侧面电极(4，6′)与中心电极(17)之间形成小电极间隙(7)，各电极间隙(7)的间距取决于端部(1)的厚度；和
-侧面电极构件(15)经由电绝缘层(5)以密封的形式装在中心电极构件(16)的主体件(3)上，从而使各中心电极(17)仍然处在密闭着的空间中，且电极构件(15，16)在正常情况下当不存在外部电气接线时彼此在电气上绝缘。
2、如权利要求1所述的加速度计，其特征在于，中间电极构件（16）呈矩形。
3、如权利要求1或2所述的加速度计，其特征在于，中心电极构件（16）系加工成柱形导电连接构件（1），在电气上与其余中心电极构件（16）绝缘，从而使侧面电极（15）的连接区（6）配置在同一平面内。
4、一种制造容性加速度计的方法，在该方法中：
-形成包括固定侧面电极（4，6′）的两个侧面电极构件（15），和
-在各侧面电极构件（15）之间配置包括一中心电极（17）的一中心电极构件（16）;
该方法的特征在于：
-中心电极构件（16）是由均质的单晶硅半导体芯片加工制成的，具体作法是在第Ⅰ加工阶段将中心电极部分（12）蚀刻在芯片中心部分两侧（图7）;
-在第Ⅱ加工阶段将中心电极部分（12）的边缘部分（13）进一步蚀刻在半导体芯片两侧，使得在中心电极部分（12）留下一个在第Ⅰ阶段确定了厚度的梁状中心电极图形（17′）同时仍然与未蚀刻的半导体芯片成一整体（图8）;
-在第Ⅲ加工阶段进一步蚀刻中心电极图形（17′）的杆件（14）两侧，直到边缘部分（13）全部蚀刻掉且杆件（14）达到所要求的厚度为止;和
-以密封的方式将侧面电极（13）装到中心电极构件（16）上。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，为使检测器具有有利的频率响应，除将侧面电极（15）装在中心电极构件（16）上之外，还使为侧面电极（15）所密闭的空间（7）处在适当的气体压力下。
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