CN1573336A - 电容型动态量传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种电容型动态量传感器，其能减小检测灵敏度的变化，没有其电极脱落或断开，并且在可靠性上极佳；并提供了其制造方法。在所述电容型动态量传感器中，其中要形成振荡器的半导体基片从其前后侧以高精度被加工以限定振荡器与电极待被叠放于其每个上的平的上部玻璃基片和下部玻璃基片之间的微小间距，由此减小检测灵敏度的变化并抑制其电极脱落和断开。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容型动态量传感器，用于通过检测电容的变化来检测动态物理量，如加速度或角速度，所述变化伴随通过使用半导体过程来制造的结构的任何位移；并涉及其制造方法。
背景技术
迄今为止，已知有一种静电电容型动态量传感器。对于这样的传感器，依照外部施加的加速度或角速度而移位的重物以及用于支撑该重物的梁被形成于半导体基片内以检测所述重物的可移动电极和被形成于距离可移动电极的微小间隔处的固定电极之间的静电电容的变化(例如，参考JP 08-094666A)。图5是其示意图。在该传感器中，重物51和梁52通过微加工而形成于半导体基片53内。玻璃基片(上部基片54和下部基片55)从其两侧被结合在一起以密封重物51和梁52。对于这样的结合，从气密性或真空密封的观点来看，通常采用的是具有高可靠性的阳极结合或共晶结合。由于大约300到400℃处的结合，玻璃被使用，其以这样的程度而包含金属：其热膨胀系数与半导体基片的热膨胀系数匹配以免在整体被冷却到室温之后发生热应变。刻蚀包含大量金属的这种玻璃允许形成微小间距56和57。固定电极58是通过在通过刻蚀而限定的微小间距56和57内形成金属膜来获得的。
然而，借助如在JP 08-094666A中公开的方法，由于起到相互均衡玻璃基片和半导体基片的热膨胀系数的作用的玻璃基片中的大量金属离子，用于形成微小间距的刻蚀涉及其内壁上的大量表面粗糙度。作为结果，用于每个微小间距的刻蚀深度是几乎不能控制的，从而由于电极之间的距离的变化而导致了检测灵敏度的变化。另外，在粗糙表面上被叠放的固定电极容易脱落或经历断开，从而导致传感器可靠性的降低。
发明内容
根据以上，依照本发明，提供了一种电容型动态量传感器，其包括：硅基片，具有其上表面和下表面中的凹陷；重物，其通过刻蚀硅基片的每个凹陷的一部分得以形成，并依照外部施加的加速度和外部施加的角速度来移位；上部玻璃基片，其被接合于硅基片的上表面的一部分并被叠放有第一固定电极，该电极与所述重物远离了第一间距而被置于与该重物相对的位置处；以及下部玻璃基片，其被接合于硅基片的下表面的一部分并被叠放有第二固定电极，该电极与所述重物远离了第二间距而被置于与该重物相对的位置处。
此外，硅基片可包括具有(100)平面取向的硅基片。
依照本发明的另一方面，提供了一种用于电容型动态量传感器的制造方法，包括以下步骤：在硅基片的上表面中形成第一凹陷；在硅基片的下表面中形成第二凹陷；通过加工第一凹陷的内部而形成梁；通过加工第二凹陷的内部而形成由所述梁支撑的重物；叠放基片电极以确保重物的势能；在平的上部玻璃基片和平的下部玻璃基片中形成通孔；在上部玻璃基片的下表面上叠放第一固定电极；在下部玻璃基片的上表面上叠放第二固定电极；将上部玻璃基片接合于硅基片的上表面以使第一固定电极被置于与所述重物相对的位置处；以及将下部玻璃基片结合于硅基片的下表面以使第二固定电极被置于与所述重物相对的位置处。
此外，硅基片可包括具有(100)平面取向的硅基片。
附图说明
在附图中：
图1是说明依照本发明第一实施例的电容型动态量传感器的示意图；
图2是说明依照本发明第一实施例的电容型动态量传感器的示意图；
图3A到3E的每个都说明用于依照本发明第一实施例的电容型动态量传感器中的半导体基片的制造过程；
图4A到4D每个都说明用于依照本发明第一实施例的电容型动态量传感器中的上部玻璃基片和下部玻璃基片的制造过程；并且
图5是说明常规电容型动态量传感器的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图来详细描述表示依照本发明的动态量传感器的角速度传感器。
首先，图1是依照本发明第一实施例的角速度传感器的断面图。本发明的动态量传感器具有包括上部玻璃基片1、硅基片2和下部玻璃基片3的三层结构。三个基片被接合于彼此以由此构成结构。在硅基片2中，具有梁4和重物5的振荡器通过刻蚀得以形成。外部施加的力使振荡器能振荡或扭转(twist)。对于其形状，梁4的厚度、长度或宽度被设计以获得任意的共振频率和弹簧常数。振荡器和玻璃基片之间的微小间距6和7是通过刻蚀硅基片2的前后表面来限定的。通孔8被形成于夹着硅基片2的上部玻璃基片1和下部玻璃基片3的部分中，该硅基片具有从上面和下面被集成于其中的振荡器。通孔8的每个都用于从中将在玻璃基片内部形成的电极引出到外部。传导材料9被叠放于每个通孔8的顶部上以由此维持玻璃基片之间的气密性。在每个玻璃基片内部形成的固定电极通过被形成于每个通孔8的侧壁上的接线借助传导材料9而得以带出到外部。角速度传感器需要控制硅基片2的电势并通过使被形成于玻璃基片的内表面上的电极的部分与被形成于硅基片2中的基片电极12接触而确保硅基片2的电势。现在将在以下简要描述所述角速度传感器的工作原理。AC电压被施加给在上部玻璃基片1和下部玻璃基片3的每个的内表面侧上提供的激励固定电极10。这样，静电力在被保持于地电势的固定电极和振荡器(可移动电极)之间起作用以使所述重物上下振荡。假定关于y轴的角速度被施加给以这种方式被施加了z轴方向上的速度的振荡器，则等于两个速度之积的Coriolis加速度被施加于x轴方向上。如图2中所示，这导致所述梁的变形。检测固定电极11被提供于上部玻璃基片1和下部玻璃基片3的每个的内表面侧上。所述梁的变形导致倾斜的重物。该倾斜导致检测固定电极11和可移动电极之间的电容的变化。目标角速度基于该电容变化而被检测。
如以上所讨论的，在电容型角速度传感器中，电容水平直接反映固定电极和可移动电极之间的距离。因此，如果该距离变化，则在激励固定电极10和可移动电极之间起作用的静电力变化，从而导致检测固定电极11和可移动电极之间的电容以及垂直振荡的速度的变化。这大大影响了检测灵敏度。有关这种灵敏度变化的问题不仅适用于被作为实例的角速度传感器，而且也适用于所有电容变化检测型动态量传感器，如加速度传感器和压力传感器。为减小所述变化，用于所述微小间距的高度精确的加工是必要的。
在依照本发明第一实施例的角速度传感器中，微小间距6和7是通过刻蚀在可加工性上优于玻璃基片的硅基片来限定的。例如，使用具有相对于硅的平面取向的各向异性刻蚀速率的刻蚀剂使能以相对于特定平面取向的预定刻蚀速率来刻蚀，从而提供以很小表面粗糙度加工的表面，由此允许高度精确的加工。具体而言，已知选择(100)平面取向提供了镜面抛光加工表面(参考：传感器和激励器73，pp.122-130，1999)。在使用具有(100)平面取向的硅晶片的情况下，沟槽被形成，同时被包围有四个(111)平面，从而使得有可能在给定深度处停止刻蚀。这允许以高精度形成间距，从而使微小间距的变化减小。待被形成于玻璃基片的内表面上的电极被形成于镜面抛光表面上，因此几乎不发生脱落或断开。这样，较为可靠的动态量传感器可被制造。注意，在刻蚀硅(Si)的过程中，当然有可能通过干处理或通过使用各向同性刻蚀剂来限定所述微小间距，在此情况下以很小的表面粗糙度容易地控制了刻蚀量。
图3A到3E的每个都示出了用于依照本发明第一实施例的角速度传感器的制造过程。首先，如图3A中所示，刻蚀掩模32通过光刻法形成于硅基片31的两侧上。作为掩模组件，氧化硅和氮化硅被使用，但任何其它材料可被使用，只要形成对用于硅的刻蚀剂有抵抗力的膜。在使用氧化物膜的情况下，可容易地通过使用氢氟酸来刻蚀掩模组件，从而使得有可能获得掩模图形。此外，可用作基片的是具有在其中埋入的氧化物膜的绝缘体上硅(SOI)基片。在此情况下，在加工所述梁或重物的过程中，中间氧化物膜起到刻蚀停止层的作用，从而允许相对于其厚度的高度精确的加工。
接下来，如图3B中所示，用于微小间距的凹陷33和34是通过从硅基片31的两侧来刻蚀它而形成的。此时用作刻蚀剂的是各向异性刻蚀剂，如氢氧化四甲基铵水溶液或氢氧化钾水溶液。在完成刻蚀时，通过使用氢氟酸将刻蚀掩模从基片剥落。
随后，如图3C中所示，通过刻蚀成梁形状的干刻蚀，如反应离子刻蚀或感应耦合等离子体(ICP)刻蚀，从前侧来进行加工。作为刻蚀掩模组件，氧化硅或氮化硅可被使用；代之抗蚀剂可被使用。利用ICP或电子回旋加速器共振等离子体的高密度等离子体刻蚀过程提高了刻蚀速率并使能具有较高精度的垂直加工，从而导致所述梁的振荡特性的增加，另外还导致生产成本的降低。
接下来，如图3D中所示，基片电极35被形成于凹陷33的边缘以确保重物势能。用于该电极的材料可以是单金属或杂金属(vari-metal)。
然后，如图3E中所示，通过高密度等离子体刻蚀过程从其后侧将硅基片31刻蚀成重物形状。此时，基片的部分由于刻蚀而被穿孔以形成振荡器36。
在使用SOI基片的情况下，中间氧化物膜被剩下。该剩下的中间氧化物膜然后被刻蚀以由此形成振荡器。
接下来，图4A到4E的每个都说明了用于上部玻璃基片和下部玻璃基片的制造过程。上部玻璃基片和下部玻璃基片具有相同的结构，因此参照相同的图来进行其说明。
首先，如图4A中所示，具有在其中形成的通孔43的玻璃基片41和高杂质浓度硅基片42被准备。对于玻璃基片，具有与硅相等的热膨胀系数的玻璃被选择。通孔43是通过喷砂加工(blast processing)等形成的。
随后，如图4B中所示，玻璃基片41(具有通孔的较小直径的表面侧)和高杂质浓度硅基片42被接合在一起，随后将高杂质浓度硅基片42抛光成薄基片。
接下来，如图4C中所示，高杂质浓度硅基片42被刻蚀以形成上部玻璃基片和下部玻璃基片的每个的外部接线44。该刻蚀可以是干刻蚀或湿刻蚀。
然后，如图4D中所示，金属膜从具有通孔的较大直径的基片的表面侧被叠放于该基片上以便于图形形成。以这种方式，内部接线45被形成。之后，进行热处理以确保对外部接线44的电势接触。
最后，尽管未在图中示出，通过图3A到3D的过程而制造的上部玻璃基片、硅基片和下部玻璃基片被接合在一起以密封振荡器。作为结果，实现了如图1中所示的传感器结构。此时，接合是阳极接合或共晶接合。阳极接合是通过将负电压施加给玻璃侧并利用玻璃和硅之间的静电吸引来进行的。共晶接合是通过在接合表面上叠放金属以将硅和玻璃接合在一起来进行的。
在通过以上过程制造的角速度传感器中，基片在加工硅基片表面的步骤中从其两侧被同时加工以形成作为微小间距的间隙，因此加工步骤的数量可被减小以实现成本降低效应。
在形成微小间距的过程中，通过不刻蚀玻璃基片而刻蚀硅基片以很小的表面粗糙度实现了高度精确的加工。因此，高度可靠的动态量传感器可被制造，其几乎不经历脱落或断开，同时具有灵敏度的较小变化。另外，在刻蚀步骤中同时从两侧进行加工以便于限定微小间距，因此可减小步骤数量并实现成本降低。
Claims (6)
1.一种电容型动态量传感器，其包括：
硅基片，具有其上表面和下表面中的凹陷；
重物，其通过刻蚀硅基片的每个凹陷的一部分得以形成，并依照外部施加的加速度和外部施加的角速度来移位；
上部玻璃基片，其被接合于硅基片的上表面的一部分并被叠放有第一固定电极，该电极与所述重物远离了第一间距而被置于与该重物相对的位置处；以及
下部玻璃基片，其被结合于硅基片的下表面的一部分并被叠放有第二固定电极，该电极与所述重物远离了第二间距而被置于与该重物相对的位置处。
2.权利要求1的电容型动态量传感器，其中硅基片包括具有(100)平面取向的硅基片。
3.权利要求1或2的电容型动态量传感器，其中用于将第一固定电极和第二固定电极引出到外部的多个通孔被形成于上部玻璃基片和下部玻璃基片中。
4.一种用于电容型动态量传感器的制造方法，包括以下步骤：
在硅基片的上表面中形成第一凹陷；
在硅基片的下表面中形成第二凹陷；
通过加工第一凹陷的内部而形成梁；
通过加工第二凹陷的内部而形成由所述梁支撑的重物；
叠放基片电极以确保重物的势能；
在平的上部玻璃基片和下部玻璃基片中形成通孔；
在上部玻璃基片的下表面上叠放第一固定电极；
在下部玻璃基片的上表面上叠放第二固定电极；
将上部玻璃基片接合于硅基片的上表面以使第一固定电极被置于与所述重物相对的位置处；以及
将下部玻璃基片接合于硅基片的下表面以使第二固定电极被置于与所述重物相对的位置处。
5.权利要求4的用于电容型动态量传感器的制造方法，其中：
具有(100)平面取向的硅基片被选择用于硅基片；并且
形成第一凹陷的步骤和形成第二凹陷的步骤分别包括用于通过各向异性刻蚀来形成第一凹陷的形成步骤和用于通过各向异性刻蚀来形成第二凹陷的形成步骤。
6.权利要求4或5的用于电容型动态量传感器的制造方法，其中形成第一凹陷的步骤和形成第二凹陷的步骤每个都包括用于从其两侧同时刻蚀硅基片的刻蚀步骤。
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