CN1249404C - 电容式动态量传感器 - Google Patents

Abstract

在电容式动态量传感器中，在垂直于预定变形方向的方向延伸的横梁部分(22)中的横梁的宽度(B)与设置在可移动电极(24)和固定电极(32，42)之间在预定变形方向上的缝隙(D)基本上一致。因此，防止了制造误差对该电容式动态量传感器的灵敏度的影响。例如，由于将该横梁的宽度和该缝隙设计成长度一致，允许有±2.5%的制造容限误差。

Description

电容式动态量传感器

技术领域

本发明一般涉及动态量传感器，尤其涉及电容式动态量传感器，它利用在可移动电极和固定电极之间形成的电容检测动态量。

背景技术

按照常规，例如在图7中所示出了一种电容式动态量传感器，它一般是通过刻蚀衬底10(例如半导体衬底)而构成。该刻蚀在衬底10上形成沟槽，以便将包括横梁部分22和可移动电极24的可移动部分与固定电极组32、34的电极分开。

横梁部分22在垂直于图7中的Y方向的方向上延伸并在工作中是弹簧状的，它们相对于施加其上的力在Y方向上变形。可移动电极24也在垂直于Y方向的方向上延伸并与横梁部分22一起在Y方向上移动。例如，可移动电极24具有梳形结构。

固定电极组32、42的梳形电极由衬底10支撑并且固定在衬底10上以分别面对可移动电极24。

根据上述电容式动态量传感器，在位于图7中左侧上的可移动电极24和固定电极组32的电极之间的缝隙D中形成总电容CS1，在位于图7中右侧上的可移动电极24和固定电极组42的电极之间的缝隙D中形成总电容CS2。当一个物理量(例如加速度)施加到电容式动态量传感器时，电容CS1、CS2对应于物理量的大小而变化。因此，基于在电容CS1、CS2之间差值的变化检测该物理量。

在上述电容式动态量传感器中，通过在衬底10中刻蚀沟槽，同时形成固定电极组32、42和包括横梁部分22和可移动电极24的可移动部分。因此，对于各横梁部分22以及设置在可移动电极24和固定电极组32、42的电极之间的缝隙D而言，宽度B的制造误差差不多是相同的。例如，随着横梁部分22的宽度B在宽度方向增加，在可移动电极24和固定电极组32、42的电极之间设置的缝隙D在宽度方向上减少。

因此，制造误差引起宽度B和缝隙D的变化，所以电容式动态量传感器的性能的不均匀性变得更显著。

顺便提及，通过增大宽度B和缝隙D，可以使电容式动态传感器性能的不均匀性减至最小。然而，电容CS1、CS2因此而减小，并且传感器灵敏度也降低了。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种能够避免上述问题的物理量传感器。

本发明的另一个目的是提供一种具有高灵敏度的物理量传感器。

根据本发明的电容式动态量传感器，在相对于预定变形方向的垂直方向上延伸的横梁部分(22)的横梁的宽度(B)以及在可移动电极(24)和固定电极(32，42)之间设置的缝隙(D)在该预定变形方向上是大致相同的。

因此，该电容式动态量传感器的灵敏度未受影响。例如，在设计横梁的宽度以及在可移动电极和固定电极之间的缝隙中允许有±2.5％的制造公差。

附图简述

以下参考附图进行详细描述，从而更全面地理解本发明的其它目的、特征和优点。在附图中：

图1示出根据本发明第一实施例的电容式动态量传感器的平面图；

图2示出沿图1的线II-II截取的电容式动态量传感器的剖面图；

图3示出沿图1的线III-III截取的电容式动态量传感器的剖面图；

图4示出根据第一实施例的电容式动态量传感器的电路。

图5示出根据本发明第一实施例在宽度变化ΔD和灵敏度ΔC之间关系的示意图；

图6A和6B示出根据第一实施例的改型方案的横梁部分；以及

图7示出根据相关技术的电容式动态量传感器的电容式动态量传感器的平面图。

具体实施例的详细说明

以下将参考附图中所示的各种实施例进一步描述本发明。

(第一实施例)

在本实施例中，示出了一种差动电容式半导体加速度传感器(加速度传感器)S1，或者更概括地说，是一种电容式动态量传感器。

图1示出了加速度传感器S1的平面图。图2和3示出了沿图1的线II-II和III-III截取的加速度传感器S1的剖面图。例如，加速度传感器S1被用作车辆加速度传感器或者陀螺传感器，用来控制安全气囊系统、防锁制动系统(ABS)、侧滑控制系统以及任何其它需要对动态量进行检测的类似系统。

利用微型机械加工技术在半导体衬底上制造加速度传感器S1。参考图2和3，SOI(绝缘膜上硅)衬底101用于半导体衬底。SOI衬底10包括第一硅衬底11、第二硅衬底12和设置在第一和第二硅衬底11、12之间的氧化膜13。第一硅衬底11对应于第一半导体层，第二硅衬底12对应于第二半导体层，氧化膜13对应于绝缘膜。

参考图1-3，第二衬底12具有沟槽14，在沟槽14中形成了通称为横梁20-40的梳形结构的构造，其中包括可移动部分20和固定部分30、40。氧化膜13包括开口部分15，其中形成了横梁20-40的梳形结构。

可移动部分20跨过开口部分15得以支撑，它包括一个矩形垂直部分21、若干个横梁部分22和锚定部分23a、23b。矩形垂直部分21、横梁部分22和锚定部分23a、23b彼此构成一体，锚定部分23a、23b经过横梁部分22支撑垂直部分21。如图3所示，在氧化膜13的开口部分15的外围位置形成锚定部分23a、23b，并且锚定部分23a、23b由第一硅衬底11支撑。因此，横梁部分22和垂直部分21被设置在开口部分15之上。

每一个横梁部分22具有两个横梁，两者都以平行的方向延伸并在其端部彼此连接。因此，横梁部分22形成矩形框架，并且以垂直于这些横梁的轴线侧的方向变形。具体而言，根据横梁部分22，垂直部分21在包括Y方向分量的加速度施加其上时在Y方向移动(图1中的箭头方向)，当加速度减小时返回到它的最初位置。也就是说，当施加了加速度时，可移动部分20在开口部分15之上的横梁部分22的变形方向(即，Y方向)上移动。

可移动部分20还包括若干可移动电极组24，这些电极组24从垂直部分21的两侧以垂直于Y方向的方向延伸。在图1中，可移动电极组24的各侧包括四个电极，它们分别从垂直部分21的左右两侧突出出来，可移动电极组24的各电极位于开口部分之上。因此，可移动电极组24与横梁部分22和垂直部分21成为一体，因此与横梁部分22和垂直部分21在Y方向上一起移动。

在氧化膜10的开口部分15的各相对外侧上支撑固定部分30、40，其中，各相对外侧与支撑锚定部分23a、23b的各侧边相对。固定部分30、40包括在图1左侧上的第一固定部分30和在其右侧上的第二固定部分40。

固定部分30、40包括各布线部分31、41和多个各自的第一和第二固定电极组32、42。在氧化膜10的开口部分15的外围部分的第一硅衬底11上固定布线部分31、41。在图1中，固定电极组32、42之每一个由四个电极形成。固定电极组32、42的各电极被支撑在其端部的布线部分31、41之上，并且以与可移动电极组24的各电极平行且相对的方向延伸，以便在它们之间确定各预定的缝隙D。此后，第一固定部分30的固定电极组32将被称作第一固定电极组32，第二固定部分40的固定电极组42将被称作第二固定电极组42。

在第一和第二固定部分30、40的布线部分31、41的预定位置处形成用于引线焊接的固定电极焊盘31a、41a。可移动电极布线部分25被形成在锚定部分23b上并且在其预定位置上具有可移动电极焊盘25a。例如，焊盘25a、31a、41a由铝制成。

加速度传感器S1通过粘合剂安装在封装(未示出)之上，该封装位于对应于氧化膜13的相对侧的第一硅衬底11的相反侧。电检测电路100(图4)被包括在封装内并经过布线(例如金、铝或类似材料)电连接到电极焊盘25a、31a、41a。

现在描述加速度传感器S1的制造。通过光刻技术在SOI衬底10的第二硅衬底12上形成对应于横梁2040的梳形结构的形状的掩模(未示出)。通过利用CF₄、F₆等进行干刻蚀，在第二衬底12上形成沟槽14。因此，在SOI衬底10上形成了横梁20-40的梳形结构。然后，利用氢氟酸或类似物进行牺牲-刻蚀(sacrifice-etching)，除去氧化膜13。因此，由第一硅衬底11支撑横梁20-40的梳形结构。

根据加速度传感器S1，在各可移动电极24和固定电极组32的相应电极之间在Y方向上确定的缝隙D中形成一个总电容CS1，在各可移动电极24和固定电极组42的相应电极之间在Y方向上确定的缝隙D中形成一个总电容CS2。当一个物理量(例如加速度)被施加到该电容式动态量传感器时，电容CS1、CS2相对于该物理量的大小变化。因此，根据在电容CS1和CS2之间的变化检测该物理量。

图4示出了本加速度传感器S1的检测电路100的示意图。检测电路100包括具有电容为Cf的电容器111的开关电容器电路(SC电路)110、开关112以及差动放大器电路113。SC电路110将在电容CS1和CS2之间的输入电容差(CS1-CS2)转换成电压。

根据本加速度传感器S1，例如，将振幅为Vcc的载波W1施加到固定电极焊盘31a，将振幅为Vcc的载波W2(相对于载波W1被反相而成)被施加到固定电极焊盘41a。根据预定时序断开和闭合SC电路110的开关113。因此，施加到加速度传感器S1的加速度根据下式表现为输出电压V0：

V0＝(CS1-CS2)·Vcc/Cf                (1)

另外，在本加速度传感器S1中，将在各可移动电极24和固定电极32、42的相应电极之间限定的缝隙D被限定为具有与横梁部分22的宽度B相同之宽度，并且宽度B同样被限定在Y方向中。因此，可以防止由于加速度传感器的制造误差所引起的传感器性能的降低，而无需加宽宽度D及不会由此降低加速度传感器S1的灵敏度。

一般来说，在电容式动态量传感器中，灵敏度随电容而线性变化。对应于“ΔC”的电容的变化如下表示，此处，加速度为零的总电容(形成在可移动电极24和固定电极组32、42的各电极之间)对应于“Co”，可移动部分20的质量对应于“m”，横梁部分22的弹性系数(spring constant)对应于“k”。顺便指出，“D”如上所述对应于缝隙D。

ΔC＝(2·Co·m)/(k·D)        (2)

灵敏度(即电容的变化ΔC)根据制造误差而变化，此制造误差例如为在形成沟槽14过程中的刻蚀误差和在去除氧化膜13的过程中的牺牲-刻蚀误差。由两种类型的尺寸不均匀性限定该制造误差，即，在平行于横梁部分22、可移动电极24以及固定电极组32、42的各电极的SOI衬底10的平面表面的方向上尺寸的不均匀性，以及在平行于SOI衬底10厚度的方向上尺寸的不均匀性。前者对应于宽度不均匀性ΔD，后者对应于厚度的不均匀性Δh。

在式(2)中表示的灵敏度ΔC如下进行变化，其中，横梁部分22、可移动电极24和固定电极组32、42的各电极的厚度对应于“h”，可移动电极24的宽度和固定电极组32、42的电极的宽度对应于“W”。顺便指出，如上所述，“D”对应于缝隙“D”，“B”对应于宽度B。

$\mathrm{\ΔC}\∝\frac{\frac{(h+\mathrm{\Δh})}{(D-\mathrm{\ΔD})}\·(h+\mathrm{\Δh})\·(W+\mathrm{\ΔD})}{(h+\mathrm{\Δh})\·{(B+\mathrm{\ΔD})}^3\·(D-\mathrm{\ΔD})}---\left(3\right)$

将公式(3)进行如下变形，最终得到公式(6)。

$\mathrm{\ΔC}\∝\frac{(h+\mathrm{\Δh})\·(W+\mathrm{\ΔD})}{{(B+\mathrm{\ΔD})}^3\·{(D-\mathrm{\ΔD})}^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\ΔC}\∝\frac{(h+\mathrm{\Δh})}{{(B+\mathrm{\ΔD})}^2\·{(D-\mathrm{\ΔD})}^2}---\left(5\right)$

$\mathrm{\ΔC}\∝\frac{(h+\mathrm{\Δh})}{\{B\·D+(D-B)\·\mathrm{\ΔD}-{\mathrm{\ΔD}}^2{)}^2}---\left(6\right)$

参考式(6)，当宽度B等于缝隙D的大小时，分母具有最小值。

图5示出了在宽度不均匀性ΔD和电容的变化ΔC之间的关系。图5中，实线表示当宽度B等于缝隙D的尺寸时的关系，点划线表示当宽度B大于缝隙D的尺寸时的关系。由实线表示的二次方曲线的拐点是ΔD＝0的点，由点划线表示的二次方曲线的拐点是从ΔD＝0的点偏移的。

在制造工艺中，电容的变化ΔC从中心点(即，0μm)偏移。例如，如果ΔD在从-1μm至1μm的范围内偏移，当宽度B等于缝隙D时电容的变化ΔC的不均匀性ΔΔC1小于当宽度B大于缝隙D时电容的变化ΔC的不均匀性ΔΔC2。

并且还表明，如果将当宽度B等于缝隙D时电容的变化ΔC的不均匀性与当宽度B小于缝隙D时电容的变化ΔC的不均匀性相比较，关系是一致的。当宽度B等于缝隙D、并且表示在宽度不均匀性ΔD和电容变化ΔC之间关系的二次方曲线的拐点是ΔD＝0的点时，电容的变化ΔC具有最小值。因此，通过将加速度传感器S1设计成具有相同的宽度B和缝隙D，加速度传感器S1的灵敏度不会由于制造误差受到影响。

因此，在本实施例中，宽度B的尺寸与缝隙D相同。此效果优选由下述加速度传感器S1获得，此传感器S1的横梁部分22、可移动电极24和固定电极组32、42的电极通过刻蚀形成沟槽的方法同时形成在衬底10(第二衬底12)上。

顺便指出，在设计宽度B和缝隙D时，±2.5％的误差容限是可以接受的。这是因为在制造对应于横梁20-40的梳形结构的掩模图形时可能产生±2.5％的制造误差。

(改型)

在第一实施例中，横梁部分22可以选择性地采用图6A中所示的重复弯曲形成的图形，或者图6B中所示的L形图形。在这些情况中，宽度B对应于以垂直于Y方向的方向延伸的横梁的宽度。

开口部分15可以选择性地在第一硅衬底11中以及在氧化膜13中形成。在此情况下，在横梁20-40的梳形结构形成在第二硅衬底1中之后，对第一硅衬底11各向异性地进行刻蚀，氧化膜13进一步用氢氟酸或类似物进行刻蚀。

在上述实施例中，描述了加速度传感器；其它电容式动态量传感器(例如角速度传感器)也可以以类似方式实现。

尽管以上描述了本发明的优选实施例，应理解的是，在没有脱离权利要求书的范围或相当含义的情况下，可以对本发明进行修改、替换或变化。

Claims (9)

1.一种电容式动态量传感器，包括：

横梁部分(22)，它具有基于物理力的施加、用于在预定变形方向(Y)上进行变形的横梁；

可移动电极(24)，它与该横梁部分一体形成以便随其移动，并且它沿着垂直于该预定变形方向的方向延伸；以及

固定电极(32，42)，面对该可移动电极，并且在该预定变形方向上与该可移动电极隔开预定的缝隙(D)；

其中，该横梁在垂直于该预定变形方向的方向上延伸的宽度(B)和该缝隙是一致的。

2.根据权利要求1的电容式动态量传感器，其中，该横梁部分的横梁包括两个横梁，这两个横梁都以平行方向延伸并在其端部彼此连接，这两个横梁之每一个的宽度与该缝隙的宽度相同。

3.根据权利要求1或2的电容式动态量传感器，其中，该横梁的宽度和该缝隙的限定使得其中之一与另一个偏移±2.5％。

4.根据权利要求1或2的电容式动态量传感器，其中，该电容式动态量传感器用于以下传感器中的一种：用于安全气囊控制的车辆加速度传感器、用于安全气囊控制、用于ABS控制和用于侧滑控制的陀螺传感器。

5.根据权利要求1或2的电容式动态量传感器，进一步包括：

垂直部分(21)，与该可移动电极和该横梁部分一体形成，

其中，该可移动电极包括位于该垂直部分两侧的若干个梳形电极；以及

该固定电极包括梳形第一和第二固定电极，它们与该可移动电极之相应的梳形电极平行延伸、并且与该可移动电极之相应的梳形电极相对，以便限定固定电极与移动电极之间的预定缝隙(D)。

6.一种制造电容式动态量传感器的方法，其中，该电容式动态量传感器具有横梁部分(22)、可移动电极(24)和固定电极(32、42)，所述横梁部分(22)具有根据所施加的物理力在预定变形方向(Y)变形的横梁，所述可移动电极(24)与该横梁部分一体形成以便随其移动并且该电极(24)在与该预定变形方向垂直的方向上延伸，所述固定电极(32、42)面对该可移动电极并与其隔开，该方法包括步骤：

在衬底中形成沟槽(14)以同时形成该横梁部分、该可移动电极和该固定电极，其中，该沟槽的形成构成了该横梁、以使该横梁具有在垂直于该预定变形方向的方向上延伸的宽度(B)，并在该可移动电极和该固定电极之间设置有缝隙、以使该缝隙具有在该预定变形方向上、与该横梁宽度一致的宽度。

7.根据权利要求6的方法，其中，形成该沟槽包括通过刻蚀该衬底而形成该沟槽。

8.根据权利要求6或7的方法，其中，形成该沟槽之步骤确定该横梁和该缝隙的宽度，使得其中之一从另一个偏移±2.5％。

9.一种制造电容式动态量传感器的方法，包括：

在衬底中形成沟槽(14)以同时形成横梁部分、可移动电极和固定电极，其中，该沟槽的形成就构成了该横梁、以使该横梁具有在垂直于预定变形方向(Y)的方向上延伸的宽度(B)，以及在该可移动电极和该固定电极之间设置有缝隙(D)、以使该缝隙具有在该预定变形方向上、与该横梁宽度一致的宽度。

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