CN103823082A - 制造电容式加速度传感器的方法和电容式加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及制造电容式加速度传感器的方法和电容式加速度传感器。其中，本发明涉及用于测量加速度的测量装置，更具体而言涉及电容式加速度传感器。本发明的目的是提供一种改进的制造电容式加速度传感器的方法，并且提供一种电容式加速度传感器，其适合于在小型电容式加速度传感器方案中使用，并且特别适合于在测量关于若干条轴线的加速度的小型和极薄的电容式加速度传感器方案中使用。

Description

制造电容式加速度传感器的方法和电容式加速度传感器
本申请是2006年6月13日提交的申请号为200680021814.7、发明名称为“制造电容式加速度传感器的方法和电容式加速度传感器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于测量加速度的测量装置，更具体而言涉及电容式加速度传感器(capacitive acceleration sensor)。本发明的目的是提供一种改进的制造电容式加速度传感器的方法，并且提供一种电容式加速度传感器，其适合于在小型电容式加速度传感器方案中使用，并且特别适合于在测量关于若干条轴线的加速度的小型且极薄的电容式加速度传感器方案中使用。
背景技术
基于电容式加速度传感器的测量已经被证明是一种基于简单且可靠原理的加速度测量方法。电容测量基于传感器的一对电极的两个表面之间的间隙变化。这两个表面之间的电容，即用于存储电荷的电容量，取决于表面积和它们之间的距离。电容测量甚至可在相当低的加速度值的测量范围内使用。
小型电容式加速度传感器结构通常基于硅上制造的微观机械结构(micromechanical structure)。微观机械结构通常是通过蚀刻晶片材料而形成的具有厚度超过100μm的结构。微观机械电容式加速度传感器的一个优点是与结构面积相关的大的质量块，其可使优越性能的电容式加速度传感器易于制造。
现有技术用于制造专业和消费类电子产品的连接和密封方法以及消费类电子产品的小型化已经导致了与微观机械元件，例如电容式加速度传感器的尺寸，具体地说是与传感器元件的高度相关的迫切需求。
目前，一些关于若干条轴线的现有技术的电容式加速度传感器测量方案是己知的。在例如德国专利出版物DE 10225714和美国专利No.6,829,937中，描述了这种方案。这些出版物中所述的加速度测量原理都基于非对称的通过扭簧的质量块支撑，从而垂直于弹簧轴线，穿过质量块重心形成与电容偏板基本45°的角度。
以下将参照附图来描述现有技术，其中：
图1以截面投影图显示了根据现有技术的电容式加速度传感器方案，
图2显示了根据现有技术用于测量关于三条轴线的加速度的电容式加速度传感器元件的定位方案，
图3以截面投影图显示了根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案，和
图4显示了在根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案中，变形对测量电极和质量块之间的距离的影响。
图1以截面投影图显示了根据现有技术的电容式加速度传感器方案。根据现有技术，在电容式加速度传感器方案中，支撑移动电极的质量块1的扭簧4偏心地定位在纵向方向上，在厚度方向上定位在质量块1的一个边缘上。测量电极2,3相对于弹簧轴线对称地定位在该质量块下面。在投影图中，与测量电极2,3重合的质量块1的区域5,6由虚线表示。
图2显示了根据现有技术用于测量关于三条轴线的加速度的电容式加速度传感器元件的定位方案。在根据现有技术的定位方案中，加速度传感器元件7,8,9定位成用于测量关于三条轴线的加速度。通过所示定位方案，可实现若干条轴线的加速度的传感器，其测量方向涵盖整个空间。
根据现有技术，图1和2中所示的电容式加速度传感器方案的一个优点是电极在相同平面中的定位，以及对结构变形的抗性。当传感器进行机械连接和电连接时，以及当其获得保护免于环境的化学影响时，结构变形几乎是不可避免的。这些变形是由材料的热膨胀差异而造成的。根据现有技术的上述电容式加速度传感器方案极好地承受了结构变形，而没有由于零漂而产生测量不准确。
根据现有技术，图1和2中所示的电容式加速度传感器方案的优点还在于，通过改变垂直于穿过重心的弹簧线的角度可以轻易地实现对加速度传感器方案的垂直和水平灵敏度的调节。如果角度大于45°，获得小于水平灵敏度的垂直灵敏度，这在许多实际应用中是很有用的。
根据现有技术，图1和2中所示的电容式加速度传感器方案的缺点是空间的低效使用，因为质量块表面的一些部分仍没有被电极覆盖到。
图3以截面投影图显示了根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案。在根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案中，支撑移动电极的质量块10的扭簧13被定位在质量块10的角落中。测量电极11,12定位在位于质量块10两侧的两个不同的平面上。在投影图中，与测量电极11,12重合的质量块10的区域14由虚线表示。
在图3的方案中，测量方向相对测量电极11,12的平面成45°角。通过将扭簧13定位在质量块10的角落中可实现不对称。根据现有技术，图3中所示的第二电容式加速度传感器方案的一个优点是对面积的极有效使用。
根据现有技术，图3中所示的第二电容式加速度传感器方案的缺点是，测量电极11,12定位在两个彼此远离定位的平面上。定位在两个不同平面上的电极11,12需要整个结构极大的刚性。
图4显示了根据现有技术的在第二电容式加速度传感器中的变形对测量电极和质量块之间的距离的影响。在根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案中，支撑移动电极的质量块15的扭簧18，其定位在质量块15的角落中。测量电极16,17定位在位于质量块15两侧的两个不同平面上。
根据现有技术，图4中所示的第二电容式加速度传感器方案的缺点是，在测量电极16,17和质量块15之间的距离不成比例，这是由于加速度传感器结构的弯曲或一些其它变形而造成的。当传感器进行机械连接和电连接时，以及当其获得保护免于环境的化学影响时，结构变形几乎是不可避免的。这些变形是由材料的热膨胀差异而造成的。
图4显示了根据现有技术，在电容式加速度传感器方案的质量块15和定位在质量块15不同侧的测量电极16,17之间的距离，由于传感器弯曲而如何以相互不同的方式发生变化的情况。这后果是在传感器的两个电容之间的差异变化，即由于零漂造成的测量误差产生了。根据现有技术，适用第二电容式加速度传感器方案的情形会被进一步复杂化，即如果加载的力和力矩是非对称的，那么定位在该质量块不同侧的测量电极16,17可能彼此独立地弯曲。
与根据现有技术的加速度传感器方案相关的问题是最终传感器元件的过大高度。现今，需要加速度传感器具有小的面积和良好的性能。
低高度的一个优点是，在现代电子产品中的良好的可安装性。相应地，小面积的一个优点是在晶片工艺中较低的生产成本。此外，良好的性能时常意味着在测量期间较低的噪声和在测量期间装置的稳定性。性能时常需要结构的刚性。
根据现有技术，图1中所显示的电容式加速度传感器结构，其浪费了与电容器面积相关的面积。相反，所推荐的方案可承受机械变形，并因而可将其设计成具有比图1方案薄得多的支撑结构。
根据现有技术，通过图3中所显示的第二电容式加速度传感器方案，实现了与制造成本所需要的小面积和性能所需要的大的电容器面积相关的最佳折中方案。然而，当在厚度和结构刚性之间寻求妥协时，所推荐的方案特别不好。定位在不同平面中的电容偏板需要整个结构非常大的刚性。
在专业和消费类电子产品的制造中，对比早期方案更低电容的加速度传感器存在明显增长的需求，这种传感器适用于可靠的加速度测量，尤其适合在测量关于若干条轴线的加速度的小型电容式加速度传感器方案中使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的制造电容式加速度传感器的方法，和改进的电容式加速度传感器。通过本发明可实现节省电路板元件的高度，并且其尤其适合于在测量关于若干条轴线的加速度的小型电容式加速度传感器方案中使用。
根据本发明的第一特征，提供了一种用于由晶片元件制造微观机械传感器的方法，在该方法中，在中心晶片上制造出形成由扭簧支撑的移动电极的惯性质量块，扭簧支撑在质量块的纵向方向上是对称的，并且在相对于质量块的厚度方向上是非对称的；并且在第二晶片上制造出测量电极，该电极相对于扭簧和质量块对称地定位成面向质量块的第一侧，从而在加速度传感器的质量块中，在其第二侧，即与第一侧相反的一侧，制造出非对称定位的减轻特征(lightening feature)。
通过机械加工方法优选在减轻特征处除去质量。作为备选，通过蚀刻方法在减轻特征处除去质量。
优选利用SOI晶片制造移动的电极。此外，优选通过两个密封晶片来密封SOI晶片。此外，测量电极优选相对于扭簧和质量块对称地定位在第一密封晶片上，面向质量块的第一侧。此外，优选通过硅-玻璃隔离技术来制造携带测量电极的密封晶片。此外，在连接之后，优选通过研磨将第一密封晶片制成非常薄。
第二密封晶片优选由玻璃制成。此外，第二密封晶片优选被研磨得非常薄。
根据本发明的第二特征，提供了一种电容式加速度传感器，该电容式加速度传感器包括形成移动电极的惯性质量块，其在质量块的纵向方向上对称地、并且在质量块的厚度方向上非对称地由扭簧支撑，并且测量电极相对于扭簧和质量块对称地定位成面向该质量块的第一侧，这样加速度传感器还包括在该质量块中，在其第二侧，即与第一侧相反的一侧，制造出的非对称定位的减轻特征。
优选具有一个减轻特征。作为备选，可具有若干减轻特征。减轻特征的形状优选可以变化。
加速度传感器优选包括三个加速度传感器元件，使得其中两个质量块并列定位，相对于弹簧轴线彼此成镜像，并且第三质量块相对于所述的前面两个质量块旋转了90度。
其中一个质量块优选不具备减轻特征。此外，第三质量块优选不具备减轻特征。
作为备选，其中两个所述质量块不具备减轻特征。
附图说明
以下将参照附图详细描述本发明和其优选实施例，其中：
图1以截面投影图显示了根据现有技术的电容式加速度传感器方案，
图2显示了根据现有技术的用于测量关于三条轴线的加速度的电容式加速度传感器元件的定位方案，
图3以截面投影图显示了根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案，和
图4显示了在根据现有技术的第二电容式加速度传感器方案中，变形对测量电极和质量块之间的距离的影响，
图5以截面投影图显示了根据本发明的电容式加速度传感器方案，
图6显示了在根据本发明的电容式加速度传感器方案中，变形对测量电极和质量块之间的距离的影响，
图7以截面图显示了根据本发明的一个备选电容式加速度传感器方案，
图8显示了根据本发明的用于测量关于三条轴线的加速度的备选电容式加速度传感器元件的定位方案，
图9显示了根据本发明的用于测量关于三条轴线的加速度的备选电容式加速度传感器元件的备选定位方案。
上面已经陈述了图1-4。以下将参照图5–9来描述本发明和其优选的实施例。
具体实施方式
图5以截面投影图显示了根据本发明的电容式加速度传感器方案。在根据本发明的电容式加速度传感器方案中，通过扭簧22而相对于质量块19的纵向方向对称地，并且相对于质量块19的厚度方向非对称地支撑着惯性质量块19。测量电极20,21相对于扭簧22和质量块19对称地定位成面向质量块19的第一侧。
在根据本发明的电容式加速度传感器方案中，在质量块19中，在其第二侧，即与第一侧相反的一侧，制造有非对称定位的减轻特征23,24，该减轻特征23,24使质量块19的重心在质量块19的纵向方向上偏离减轻特征23,24。在投影图中，与测量电极20,21重合的质量块19的区域25,26由虚线表示。
在减轻特征23,24处，通过一些己知的机械加工或蚀刻方法除去了其中一些质量块19。可以有一个或多个减轻特征23,24，并且其形状可变化，而且可自由选择其形状。
然而，减轻特征23,24可能不延伸穿过质量块19，在这种情况下，减轻特征23,24将减少对于测量电极20,21可用的质量块19的面积。
图6显示了在根据本发明的电容式加速度传感器方案中，变形对测量电极和质量块之间的距离的影响。在根据本发明的电容式加速度传感器方案中，支撑移动电极的质量块27的扭簧30，其相对于质量块27的纵向方向对称地，且相对于厚度方向非对称地进行定位。测量电极28,29相对于扭簧30和质量块27对称地定位成面向质量块27的第一侧。另外，在质量块27中，其第二侧，即与第一侧相反侧，制造有非对称定位的减轻特征31,32。
图6中所显示的电容式加速度传感器方案可极好地承受结构变形，而没有产生由于零漂造成的测量不准确。根据本发明的电容式加速度传感器方案可非常好地进行机械连接和电连接，并且获得免于来自环境的化学影响的保护，而不用担心造成极大的测量不准确的结构变形。
在根据本发明的电容式加速度传感器方案中，如图6中所示，测量电极28,29的距离可以相同的方式相互变化，由此电容差异将不会变化，并且不会产生测量误差。
图7以截面图显示了根据本发明的备选电容式加速度传感器方案。在根据本发明的备选电容式加速度传感器方案中，扭簧39在质量块34的纵向方向对称地，并且在厚度方向非对称地支撑着形成移动电极的惯性质量块34。移动电极通过利用SOI晶片33(SOI即绝缘体上外延硅)而制成，其绝缘层用于阻止蚀刻，并且将扭簧39制造在其结构层中。SOI晶片33通过两个密封晶片35,36进行密封。
测量电极37,38相对于扭簧39和质量块34对称地定位在第一密封晶片36上，面向质量块34的第一侧。携带测量电极37,38的密封晶片36通过硅-玻璃隔离(silicon-glass insulation)技术来制造。在连接之后，可将第一密封晶片36研磨得非常薄，甚至低于200μm的厚度。在质量块34中，在第二侧，即与第一侧相反的一侧上，制造有非对称定位的减轻特征40,41，减轻特征40,41使质量块34的重心在质量块34的纵向方向上偏离减轻特征40,41。在第一密封晶片36上制备连接区域的引线42,43,44。
在根据本发明的备选电容式加速度传感器方案中，质量块34的减轻特征40,41在没有任何补充的加工步骤下产生，同时惯性质量块34从传感器框架上松释下来时，并且形成了扭簧39。在这种加速度传感器方案中，减轻特征40,41以深的空穴网络形式而实现。
位于质量块另一侧的密封晶片35，为了其成本低廉和电绝缘起见，可由平面玻璃制成，并且还可将该晶片研磨得非常薄，甚至低于100μm的厚度，因为其变形对于传感器的特征没有影响。在这些前提下，传感器的总厚度甚至可小于600μm，其可使封装的传感器厚度小于1mm。
在下表中，电容式加速度传感器的尺寸x，y和传感器的数量N可根据一个电容器的电容C而从150mm的晶片中获得。如果根据表来设定对单个电容值的要求，那么可从晶片中获得的传感器的最优选的尺寸和数量可相应地根据表中所指示的尺寸和数量来形成。在计算过程中，假定电容器间隙为1.5μm。
Figure 2013105327227100002DEST_PATH_IMAGE002
。
图8显示了根据本发明用于测量关于三条轴线的加速度的备选电容式加速度传感器元件的定位方案。在根据本发明的备选电容式加速度传感器的元件定位方案中，质量块45,46,47被复制三份。
其中两个质量块45,46并列定位，相对于弹簧轴线彼此成镜像。质量块45,46并列定位，以检测在y和z轴线方向上的加速度。第三质量块47相对于这些质量块旋转90°，并且检测在x和z轴线方向上的加速度。沿所有这些轴线的灵敏度可通过根据图8的电容式加速度传感器方案而彼此独立地度量。
图9显示了根据本发明用于测量关于三条轴线的加速度的备选电容式加速度传感器元件的备选定位方案。在根据本发明的备选电容式加速度传感器的元件的备选定位方案中，质量块48,49,50被复制三份。
其中两个质量块48,49并列定位，相对于弹簧轴线彼此成镜像。质量块48,49并列定位，以检测在方向y和z上的加速度。第三质量块50相对于这些质量块旋转90°。第三质量块50不具备减轻特征，并且其只检测方向x上的加速度。
沿所有这些轴线的灵敏度可通过根据图8或9的电容式加速度传感器方案而彼此独立地度量。
根据本发明的电容式加速度传感器方案同时提供相当有效的面积利用，以及对于结构变形良好的容许限度。
在根据本发明的电容式加速度传感器方案中，不需要担心定位在与电极相反的惯性质量块一侧的任何密封结构的电导率或电势，因为该质量块的那一侧不用于电活性功能。此外，在根据本发明的电容式加速度传感器方案中，不需要明确指出的是在惯性质量块两侧之间保持电导率。该质量块除了位于面向电极一侧的区域以外，可由轻度掺杂硅制成，或者它可包含埋置的边界面或绝缘层。因此，通过根据本发明的电容式加速度传感器方案可实现极大的生产成本的节省。
根据本发明的电容式加速度传感器方案的一个优点还在于，通过改变垂直于穿过重心的弹簧线的角度，可以容易实现对垂直和水平方向上的灵敏度的调节。如果角度大于45°，就可实现水平灵敏度小于垂直灵敏度，这在许多实际应用中是很有利的。

Claims (18)

1. 一种用于由晶片元件制造出电容式加速度传感器的方法，在所述方法中，在中心晶片上制造出形成了移动电极的惯性质量块(19), (27), (34)，扭簧(22), (30), (39)在所述质量块的纵向方向上对称地、并且在所述质量块的厚度方向上非对称地支撑着所述质量块；并且在第二晶片上制造测量电极(20), (21), (28), (29), (37), (38)，所述电极相对于所述扭簧(22), (30), (39)和所述质量块(19), (27), (34)对称地定位成面向所述质量块(19), (27), (34)的第一侧，其特征在于，在所述加速度传感器的质量块(19), (27), (34)中，在第二侧，即与所述第一侧相反的一侧，制造有一个或多个非对称定位的减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)，这是通过除去在所述一个或多个减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)处的一些质量块制造而成的，所述一个或多个减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)是与测量电极(21), (29), (38)重合的空穴并且延伸到所述质量块(19), (27), (34)内但不延伸穿过所述质量块(19), (27), (34)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)处，通过机械加工方法除去了一些质量块(19), (27), (34)。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)处，通过蚀刻方法除去了一些质量块(19), (27), (34)。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述移动电极利用SOI晶片(33)制成。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述SOI晶片(33)通过两个密封晶片(35), (36)进行密封。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述测量电极(37), (38)相对于所述扭簧(39)和所述质量块(34)对称地定位在所述第一密封晶片(36)上，面向所述质量块(34)的第一侧。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，携带所述测量电极(37), (38)的密封晶片(36)通过硅-玻璃隔离技术制造而成。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在连接之后，将所述第一密封晶片(36)研磨到200μm的厚度。
9. 根据权利要求6、7或8所述的方法，其特征在于，所述第二密封晶片(35)由玻璃制成。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述第二密封晶片(35)研磨到100μm的厚度。
11. 一种电容式加速度传感器，所述加速度传感器包括形成了移动电极的惯性质量块(19), (27), (34)，以及测量电极(20), (21), (28), (29), (37), (38)，所述质量块由扭簧(22), (30), (39)在所述质量块的纵向方向上对称地、并且在所述质量块的厚度方向上非对称地支撑着，所述测量电极(20), (21), (28), (29), (37), (38)相对于所述扭簧(22), (30), (39)和所述质量块(19), (27), (34)对称地定位成面向所述质量块(19), (27), (34)的第一侧，其特征在于，所述加速度传感器还包括在所述质量块(19), (27), (34)中，在其第二侧，即与所述第一侧相反的一侧制造出的一个或多个非对称定位的减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)，这是通过除去在所述一个或多个减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)处的一些质量块制造而成的，所述减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)是与测量电极(21), (29), (38)重合的空穴并且延伸到所述质量块(19), (27), (34)内但不延伸穿过所述质量块(19), (27), (34)。
12. 根据权利要求11所述的加速度传感器，其特征在于，具有一个减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)。
13. 根据权利要求11所述的加速度传感器，其特征在于，具有若干个减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)。
14. 根据权利要求11或13所述的加速度传感器，其特征在于，所述减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)的形状是可变的。
15. 根据权利要求11至13中任一项所述的加速度传感器，其特征在于：
所述加速度传感器包括三个电容式加速度传感器元件，其中一个电容式加速度传感器包括形成了移动电极的惯性质量块(19), (27), (34)，以及测量电极(20), (21), (28), (29), (37), (38)，所述质量块由所述扭簧(22), (30), (39)在所述质量块的纵向方向上对称地、并且在所述质量块的厚度方向上非对称地支撑着，所述测量电极(20), (21), (28), (29), (37), (38)相对于所述扭簧(22), (30), (39)和所述质量块(19), (27), (34)对称地定位成面向所述质量块(19), (27), (34)的第一侧；
所述电容式加速度传感器元件中的至少一个包括在所述惯性质量块(19), (27), (34)中制造出的所述一个或多个非对称定位的减轻特征(23), (24), (31), (32), (40), (41)；
所述电容式加速度传感器元件(45), (46)；(48), (49)中的两个的质量块在所述加速度传感器中并列定位而相对于弹簧轴线彼此成镜像；并且
第三质量块(47)；(50)相对于所述的前面两个电容式加速度传感器元件(45), (46)；(48), (49)旋转了90°。
16. 根据权利要求15所述的加速度传感器，其特征在于，所述电容式加速度传感器元件中的一个的质量块不具备减轻特征。
17. 根据权利要求16所述的加速度传感器，其特征在于，所述第三质量块(50)不具备减轻特征。
18. 根据权利要求15所述的加速度传感器，其特征在于，其中两个所述质量块不具备减轻特征。
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