TW200529455A - Capacitive sensor for dynamical quantity - Google Patents

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Description

200529455 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關用來偵測動態物理量（例如，加 角速度）做爲電容改變之用於動態量的電容性感測 指經由半導體製造程序所製造之電容性動態物理量 【先前技術】 在此之前，已經知道靜電電容性動態物理量感領I 其具有依據外部所施加之加速度及角速度的數値大4 移的鉛錘，及用來支承形成於半導體基板內之鉛錘的 ’並且靜電電容性動態物理量感測器用做偵測在移動 (包含鉛錘）與形成在離移動電極一段微小距離處的 電極間所產生之靜電電容上的改變（舉例來說，參考 JP 8-94 666 A )。圖9爲習知靜電電容性動態物理量 器的示意剖面圖，在此感測器中，砝碼91及橫樑92 精微的圖案化程序而被形成在半導體基板93內，並 由接合上基板94和下基板95而從兩側來予以密封。 樣的靜電電容性動態物理量感測器中，爲了讓砝碼當 動電極操作’一部分固定電極98具有和半導體基板 接觸，以控制砝碼9 1的電位。圖1 0爲基板接觸部分 意剖面圖，層疊於玻璃基板9 5上的一部分固定電極 形成而使得延伸至玻璃基板9 5與半導體基板9 3之間 合區域，並且經由此接合而和半導體基板93相接觸 度及 ，尤 測器 !1器， 、而偏 〗橫樑 ]電極 丨固定 〖感測 經由 :且藉 在這 做移 93的 •的示 98被 的接 。接 200529455 (2) 觸部分99的提供使其可能控制形成在半導體基板93內之 石去碼91的電位（舉例來說，參考JP 8-94666 A)。 但是，習知靜電電容性動態物理量感測器涉及下面的 問題。 如圖10所示，由於固定電極98之厚度而造成嚴重的 接合失敗，所以在接觸部分99的周圍中產生一區域100， 其中，玻璃基板95並不與半導體基板93相接觸，此接合 _ 失敗會造成空氣漏洩等等而使裝置的可靠度變差。除此之 外’有可能藉由事先設計較大的接合區域來避免接觸部分 之周圍中的接合失敗，以防止可靠度變差，但是，晶片尺 寸也變得較大而導致更高的成本。 【發明內容】 本發明已經被做成來解決上面所述的問題。 依據本發明，根據電容改變之用來測量動態量的電容 g 性感測器，其特徵在於包含：具有砝碼之半導體基板，該 砝碼係藉由橫樑來予以支承，且依據包含外部所施加之加 速度及角速度的動態量而偏移；及玻璃基板，配置在面對 砝碼而具有離砝碼一段間隙之位置處的固定電極和接觸一 部分半導體基板之基板電極被層疊於其上；其中，具有尺 寸大小等於或大於接觸區域之凹部被形成在半導體基板內 之半導體基板接觸基板電極的區域中。 在該電容性動態量感測器中，凹部的深度小於基板電 極的厚度。 -6 - 200529455 (3) 在該電容性動態量感測器中，接觸基板電極之接觸電 極被形成在該凹部內。 在該電容性動態量感測器中，凹部的深度大於基板電 極的厚度，並且接觸電極的厚度和基板電極的厚度之總和 大於凹部的深度。 在該電容性動態量感測器中，多個凹槽或多個孔被形 成於一部分的接觸電極中。 在該電容性動態量感測器中，多個凹槽或多個孔係配 ® 置於偶數間隔處。 在該電容性動態量感測器中，多個接觸電極位於凹部 中 〇 在該電容性動態量感測器中，多個接觸電極係配置於 偶數間隔處。 在該電容性動態量感測器中，相鄰的接觸電極實質上 具有相同的電位。 I 在該電容性動態量感測器中，相鄰的接觸電極與和接 觸電極相同的材料相連接。 在該電容性動態量感測器中，各接觸電極皆含有鋁。 【實施方式】 在下文中將參照伴隨之圖形，藉由提出角速度感測器 做爲例子來說明本發明之較佳實施例，而角速度感測器爲 典型的電容性動態量感測器。 200529455 (4) 實施例1 圖1爲解釋依據本發明實施例1之電容性動態量感測 器的示意剖面圖’此電容性動態量感測器具有三層結構， 其具有一上層玻璃基板1、一矽基板2、及一下層玻璃基 板3，這三個基板1，2及3被互相接合而形成一結構。具 有橫樑4及砝碼5之振動體經由蝕刻程序而被形成於半導 體（矽）基板2內，並且振動體由於所施加的外力而振動 或扭轉，各橫樑4之厚度、寬度及長度和砝碼5之厚度、 B 面積等等被設計而具有所想要的彈性常數及所想要的共振 頻率。除此之外，微小間隙6及7被界定於形成在半導體 基板2內的橫樑4與砝碼5之間，並且上層和下層玻璃基 板1及3分別面對橫樑4及砝碼5，振動體（具有橫樑4 及砝碼5 )係經由橫樑4而被連接到半導體基板2的外圍 部分，藉由施加外力，支承砝碼5的橫樑4彎曲，且因此 ，砝碼5移動入微小間隙6及7之內。 _ 貫通孔8被形成在上層和下層玻璃基板1及3之包夾 矽基板2的一部分中，而振動體（具有橫樑4及砝碼5 ) 被形成於矽基板2中。形成於上層和下層玻璃基板1及3 內之電極係經由貫通孔8而被拉引到外面，導電材料9被 層疊在各貫通孔8之外端的開口上，並且在上層與下層玻 璃基板1及3之間所界定的空間（微小間隙6及7 )因此 係以導電材料9來予以密封。用於激勵之固定電極1 〇、用 於偵測之固定電極1 1、及被形成於上層和下層玻璃基板] 及3內之基板電極1 2經由在貫通孔8之側壁上所形成的 -8- 200529455 (5) 配線而分別被連接到導電材料9，而具有外部連接。 依據實施例〗之電容性動態量感測器根據，舉例來說 ，和JP 8 -94666 A中所述之感測器相同的原理而操作，在 此，電容性動態量感測器之操作的原理將槪略敘述於下文 中。AC電壓被施加於設置在上層和下層玻璃基板1及3 之內表面上之用於激勵之固定電極10的各者，並且振動 體（具有橫樑4及砝碼5 )係藉由作用在用於激勵之固定 電極1 0與被保持在接地電位當作移動電極的振動體（具 B 有橫樑4及砝碼5 )之間的靜電力而做垂直地振動。當繞 著y軸的角速度被施加於振動體（具有橫樑4及砝碼5 ) 時，速度係以在z軸方向上如此之方式而被施加於振動體 ，以速度和角速度之向量乘積的方式來予以表示之科氏力 (Coriolis force)被施予X軸方向上，且結果，橫探4彎 曲，如圖2所示。用於偵測之固定電極1 1分別被設置於 上層和下層玻璃基板1及3之內表面上，然後，由於由橫 _ 樑4之彎曲所造成之砝碼5的傾斜，從在用於偵測之固定 電極1 1與當作移動電極的砝碼5之間所形成之電容上的 改變來偵測角速度的値。 在此，圖3係解釋依據本發明實施例1，在電容性動 態量感測器中之上層玻璃基板1上之矽基板2與基板電極 間之接觸部分的示意剖面圖。凹部3 1被形成在矽基板2 內之一區域中，而在該區域中，上層玻璃基板1之內表面 上所形成的基板電極1 2和矽基板2重疊。凹部3 1的深度 小於基板電極1 2的厚度，而因此，基板電極]2接觸凹部 -9- 200529455 (6) 3 1內的砂基板2，基板電極1 2能夠相對於上層玻璃基板1 而移動於水平方向上，和基板電極1 2接觸矽基板2的體 積一樣多。但是，因爲凹部3 1的底面面積大於矽基板2 接觸基板電極1 2之面積，所以經移動之基板電極1 2仍然 保持在凹部3 1內。因此，由於基板電極1 2之厚度所導致 的接合失敗不會發生在凹部3 1的周圍上，於是，有可能 提高電容性動態量感測器的可靠度。 實施例2 圖4係解釋依據本發明實施例2，在電容性動態量感 測器中之上層玻璃基板上之矽基板與基板電極1 2間所形 成之接觸部分的示意剖面圖。接觸電極4 1被形成在凹部 31內。然後，接觸電極41接觸基板電極12，藉以經由接 觸來確保半導體基板的電位。基板電極12之厚度被設定 而大於藉由從凹部3 1的深度減去接觸電極4 1之厚度所取 得的値，而使得基板電極1 2和接觸電極4 1相接觸。圖5 、圖6、及圖7爲接觸區域的示意平面圖。 如圖5所示，接觸電極42被形成，以便和凹部3 1內 之基板電極12重疊。爲了防止和接觸電極42重疊之基板 電極1 2突出到接合區域，確保用來收容一部分經移動之 基板電極於其中的空間係在凹部3 1內。 同樣地，在圖6中，讓一部分之經移動的基板電極能 夠被收容於其中的凹槽6 1被形成在接觸電極4 2內，各凹 槽6】的寬度被設定而小於接觸電極42的寬度，藉以確保 -10- 200529455 (7) 能夠獲得到接觸。因爲一部分之經移動的基板電極被收容 於諸凹槽6 1之對應的一個凹槽內，所以一部分之移動到 接觸電極4 2周圍的基板電極1 2變成相對地小。因此，凹 部3 1的面積能夠被減小，而因此，晶片尺寸大小能夠被 減小。在圖6顯不凹槽61被形成在接觸電極4 2內之情況 的同時，了解到除了凹槽以外，圓形、矩形、或橢圓形孔 也可以被形成在接觸電極42內。 除此之外，如圖7所示，可以提供多個接觸電極7 1。 在此情況中，相對於基板電極1 2的寬度方向，介於相鄰 的接觸電極71間之距離被設定而小於基板電極1 2的寬度 ，藉此，即使當在接觸電極71與基板電極1 2之間造成小 的位置偏移時，在接觸電極7 1與基板電極1 2之間仍能夠 獲得到必要的接觸。即使在這樣的結構中，因爲在各接觸 電極7 1的周圍中確保用於移動的空間，所以在由於接觸 而被移動之基板電極12與接觸電極之間沒有造成接合失 g 敗，因此，凹部面積能夠被減小。於是，接合的可靠度能 夠被提高，而且也能夠製造適合於小型化的電容性動態量 感測器。 除此之外，如圖8所示，相鄰的接觸電極71可以彼 此經由連接部分8 1而互相連接。當相鄰的接觸電極7 1互 相連接時，如果僅基板電極I 2被連接到相鄰接觸電極7 1 的任何一者時，則所有經由連接部分8 1而互相連接的接 觸電極7 1係處於相同的電位。因此，即使當矽基板2與 上層玻璃基板間之接合中有小的位置偏移時’如果僅基板 -11 - 200529455 (8) 電極1 2接觸到接觸電極7 1的任何一者時，則經常能夠穩 定地獲得到接觸電阻。在此，當以和接觸電極7 1之材料 相同的材料來製作各連接部分8 1時，能夠不增加製造成 本而構成連接部分8 1。除此之外，含有鋁之金屬，其係很 容易塑膠變形的且在製造成本上係低的，係適合用於接觸 電極7 1及連接部分81的材料。但是，當然，例如金屬（ 諸如，金、銀、鈦或鉻）或具有雜質植入於其中之矽的導 電材料也可以被使用。 在這些實施例中，因爲在凹部內能夠達成基板電極與 半導體基板之間的接觸，所以能夠因此而避免在凹部之周 圍中的接合失敗，並且能夠增加可靠度。除此之外，因爲 不需要增加接合面積，所以由本發明所提供之結構能夠避 免成本上的增加。 在用來經由層疊於即將被接合之玻璃基板上之基板電 極來控制半導體基板之電位的靜電電容性動態量感測器中 ，採用一結構，其中，凹部被形成於半導體基板內，並且 一部分的半導體基板和凹部內的基板電極相接觸，藉此， 有可能避免在凹部之周圍中的接合失敗。因此，有可能提 供一靜電電容性動態量感測器，其在可靠度上係優點的， 且其適合於低成本製造。 在已經藉由提出角速度感測器做爲例子來說明實施例 1及3 2的同時，本發明並非僅限於此，也就是說，本發明 能夠被應用於種種電容改變偵測類型的動態量感測器’例 如，速度感測器及壓力感測器。 -12- 200529455 (9) 【圖式簡單說明】 在伴隨的圖形中： 圖1係解釋依據本發明實施例1之電容性動態量感測 器的示意剖面圖； 圖2係解釋依據本發明實施例1之電容性動態量感測 器的示意剖面圖； 圖3係解釋依據本發明實施例1之電容性動態量感測 器中之矽基板接觸部分的示意剖面圖； 圖4係解釋依據本發明實施例2之電容性動態量感測 器中之矽基板接觸部分的示意剖面圖； 圖5係解釋依據本發明實施例2之電容性動態量感測 器中之矽基板接觸部分的示意平面圖； 圖6係解釋依據本發明實施例2之電容性動態量感測 器中之矽基板接觸部分的示意平面圖； 圖7係解釋依據本發明實施例2之電容性動態量感測 器中之矽基板接觸部分的示意平面圖； 圖8係解釋依據本發明實施例2之電容性動態量感測 器中之矽基板接觸部分的示意平面圖； 圖9係解釋習知之電容性動態量感測器的示意剖面圖 :及 圖1 〇係解釋習知電容性動態量感測器之基板接觸部 分的示意剖面圖。 -13- 200529455 (10) 【主要元件之符號說明】 1 :上層玻璃基板 2 :矽（半導體）基板 3 :下層玻璃基板 4 :橫樑 5 :砝碼 6，7 :間隙 8 :貫通孔 9 :導電材料 10:用於激勵之固定電極 1 1 :用於偵測之固定電極 12 :半導體電極 3 1 :凹部 4 1 :接觸電極 42 :接觸電極 61 :凹槽 7 1 :接觸電極 8 1 :連接部分 9 1 : 5去碼 92 :橫樑 93 :半導體基板 9 4 :上層基板 95 :下層基板 9 8 :固定電極 -14 200529455 (11) 99 :接觸部分 1 0 0 :區域

Claims (1)

  1. 200529455 (υ 十、申請專利範圍 1 · 一種電容性動態量感測器’用以根據由於砝碼之 位移所造成之在砝碼與固定電極間所形成之電容上的改變 來測量動態量，包含·· 具有砝碼之半導體基板，該砝碼係藉由橫樑來予以支 承，且依據動態量而偏移；及 玻璃基板，配置在面對砝碼而具有離砝碼一段間隙之 _ 位置處的固定電極和接觸一部分半導體基板之基板電極被 層疊於其上， 其中，具有尺寸大小等於或大於接觸區域之凹部被形 成在半導體基板中，而半導體基板接觸基板電極於該接觸 區域中。 ‘ 2.如申請專利範圍第1項之電容性動態量感測器， 其中，凹部的深度小於基板電極的厚度。 3. 如申請專利範圍第1項之電容性動態量感測器， | 其中，接觸基板電極之接觸電極被形成在該凹部內。 4. 如申請專利範圍第3項之電容性動態量感測器， 其中，凹部的深度大於基板電極的厚度，並且接觸電極的 厚度和基板電極的厚度之總和大於凹部的深度。 5. 如申請專利範圍第3項之電容性動態量感測器， 其中，多個凹槽或多個孔被形成於一部分的接觸電極中。 6. 如申請專利範圍第5項之電容性動態量感測器， 其中，多個凹槽或多個孔係配置於偶數間隔處。 7. 如申請專利範圍第3項之電容性動態量感測器， -16- 200529455 (2) 其中，多個接觸電極位於凹部中。 8 ·如申請專利範圍第7項之電容性動態量感測器， 其中，多個接觸電極係配置於偶數間隔處。 9 .如申請專利範圍第7項之電容性動態量感測器， 其中，相鄰的接觸電極實質上具有相同的電位。 1 0 ·如申請專利範圍第7項之電容性動態量感測器， 其中，相鄰的接觸電極與和接觸電極相同的材料相連接。 11.如申請專利範圍第7項之電容性動態量感測器’ 其中，各接觸電極皆含有鋁。
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