CN1645152B - 用于测量动力学参量的电容传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种基于电容的改变来测量动力学参量的电容电容传感器；具有质量块5的半导体基板2，质量块5由横梁4来支持并根据动力学参量来移动；在玻璃基板1和3上有固定电极11和基板电极12被叠合在一起，固定电极11以间隔狭缝6、7设置在与质量块5相对的位置上，基板电极12与半导体基板的一部分连接；其中凹槽形成在半导体基板2的一个区域内，凹槽的尺寸具有等于或者大于接触区域的尺寸，在所述接触区域中半导体基板2中半导体基板2与基板电极12相接触。

Description

用于测量动力学参量的电容传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量动力学参量的电容传感器，该传感器用于检测动力学物理参量，比如当电容变化时的加速度和角速度；本发明更具体地涉及一种通过半导体生产工艺制备的电容动力学参量传感器。
背景技术
到目前为止，人们所熟知的静电电容动力学参量传感器具有质量块，该质量块根据外部所施加的加速度或角速度的大小发生位移，其还具有一个横梁，并且该横梁用于支持形成在半导体基片中支持的质量块，并且该传感器用来检测在包括质量块的可移动电极和形成于从可移动电极的微小距离处的固定电极之间产生的静电电容中的变化(例如，参照日本专利8-94666A)。图9是传统的静电电容动力学参量传感器的剖面示意图。在该传感器中，重物91和横梁92通过精密成图工艺形成在半导体基片93中，并通过接合顶部基片94和底部基片95从两面对其密封。在这样的电容动力学参量传感器中，为了具有重物来作为可移动电极运行，固定电极98的一部分具有与半导体基片93的接触，以控制重物91的电势。图10是基片接触部分的剖面示意图。形成叠置在玻璃基片95上的固定电极98的一部分，从而延伸至玻璃基片95和半导体基片93之间的连接区域，并通过连接物与半导体基片93接触。接触部分99的提供使可能控制形成于半导体基片93中的重物91的电势(例如参见日本专利8-94666A)。
然而，传统的电容动力学参量传感器包括下面的问题。
如图10中所示，由于固定电极98的厚度，在接触区域99的***产生其中玻璃基片95不与半导体基片93接触的区域100，会引起严重的脱缝。这种脱缝引起漏气等，并且会降低装置的可靠性。另外，这可能使得为了防止降低装置的可靠性，而在连接部的***设计更大的连接区域来防止其脱缝，可是芯片的尺寸就会变大从而导致成本增加。
发明内容
为了解决上述提及的问题提出本发明。
根据第一实施例，本发明提供了一种电容动力学参量传感器，其基于由于质量块移动、在质量块和固定电极之间形成的电容的变化，来测量动力学参量，所述传感器包括：
具有通过横梁支持并依据动力学参量移动的质量块的半导体基板；及
玻璃基板，在玻璃基板上，在与质量块隔一狭缝相对的位置上设置固定电极，所述固定电极和与半导体基板的一部分接触的基板电极相叠合；
其中，凹进形成在半导体基板的区域中，在所述区域中，基板电极与半导体基板交叠，所述凹进的底面积大于在其中半导体基板与基板电极相接触的接触区域的面积，所述凹进的深度小于基板电极的厚度。
根据第二实施例，本发明提供了一种电容动力学参量传感器，其基于由于质量块移动、在质量块和固定电极之间形成的电容的变化，来测量动力学参量，所述传感器包括：
具有通过横梁支持并依据动力学参量移动的质量块的半导体基板；及
玻璃基板，在玻璃基板上，在与质量块隔一狭缝相对的位置上设置固定电极，所述固定电极和与半导体基板的一部分接触的基板电极相叠合；
其中，凹进形成在半导体基板的区域中，在所述区域中，基板电极与半导体基板交叠，所述凹进的底面积大于在其中半导体基板与基板电极相接触的接触区域的面积，在所述凹进中形成与基板电极相连接的连接电极，所述凹进的深度大于基板电极的厚度，连接电极的厚度与基板电极的厚度之和大于所述凹进的深度。根据本发明，基于电容的改变来测量动力学参量的电容电容传感器的特征包括：具有质量块的半导体基片，质量块由横梁支持并且质量块的位移是与外部所施加的包括加速度和角速度的动力学参量是相一致的；其上设置有固定电极和基板电极相层叠的玻璃基片，固定电极设置在与质量块相对的位置上，并间隔有微小缝隙，所述基板电极与半导体基片的一部分相接触；其中尺寸等于或大于接触区域的凹槽形成在半导体基片中的一个区域上，在接触区域中半导体基片与基板电极相接触。
在电容动力学参量传感器中，凹槽的深度小于基板电极的厚度。
在电容动力学参量传感器中，在凹槽中形成接触电极与基板电极相接触。
在电容动力学参量传感器中，凹槽的深度大于基板电极的厚度，并且接触电极厚度的总和与基板电极的厚度都大于凹槽的深度。
在电容动力学参量传感器中，在接触电极的一部分中形成多个凹槽或多个孔。
在电容动力学参量传感器中，以均匀的间隔设置多个凹槽或多个孔。
在电容动力学参量传感器中，在凹槽中存在多个接触电极。
在电容动力学参量传感器中，以均匀的间隔设置多个接触电极。
在电容动力学参量传感器中，相邻的接触电极具有基本上相同的电势。
在电容动力学参量传感器中，相邻的接触电极与和接触电极相同的材料连接。
在电容动力学参量传感器中，接触电极的每一个包含铝。
附图说明
图1所示为说明了根据本发明实施例1的电容动力学参量传感器的剖面示意图；
图2所示为说明了根据本发明实施例1的电容动力学参量传感器的剖面示意图；
图3所示为说明了根据本发明实施例1的电容动力学参量传感器中的硅质基板接触部分的剖面示意图；
图4所示为说明了根据本发明实施例2的电容动力学参量传感器中硅质基板接触部分的剖面示意图；
图5所示为说明了根据本发明实施例2的电容动力学参量传感器中硅质基板接触部分的平面示意图；
图6所示为说明了根据本发明实施例2的电容动力学参量传感器中硅质基板接触部分的平面示意图；
图7所示说明了根据本发明实施例2的电容动力学参量传感器中硅质基板接触部分的平面示意图；
图8所示为说明了根据本发明实施例2的电容动力学参量传感器中硅质基板接触部分的平面示意图；
图9所示为说明了传统电容动力学参量传感器的剖面示意图；
图10所示为说明了传统电容动力学参量传感器的基板接触部分的剖面示意图。
具体实施方式
下文将参照附图通过给出的作为示例的角速度传感器来详细描述本发明的优选实施例，该角速度传感器是典型的电容动力学参量传感器。
实施例1：
图1所示为说明了根据本发明的实施例1的电容动力学参量传感器的剖面示意图。电容动力学参量传感器具有三层结构，三层结构具有顶部玻璃基板1、硅质基板2和底部玻璃基板3。这三个基板1、2和3相互连接以形成结构。振动体具有通过蚀刻工艺形成于半导体(硅质)基板2中的横梁4和质量块5，由于外部施加的力，振动体(具有横梁4和质量块5)振动或扭曲。横梁4的每一个的厚度、宽度和长度以及质量块5的厚度、面积等都设计成具有理想的弹性系数和谐振频率。另外，狭缝6和7限定于横梁4和形成在半导体基板2中的质量块5之间，顶部和底部的玻璃基板1和3分别与横梁4和质量块5相对。振动体(具有横梁4和质量块5)通过横梁4连接在半导体基板2的***部分。通过外力的作用，支持质量块5的横梁4支持弯曲，因此质量块5移动到狭缝6和7中。
通孔8形成在顶部和底部玻璃基板1和3的一部分中，顶部和底部的玻璃基板中夹持有硅质基板2，在硅质基板2中设置有振动体(具有横梁4和质量块5)。电极形成在顶部和底部玻璃基板1和3的里面并通过通孔8延伸至外面。导电材料9被叠压在通孔8的每一个的外端部的开口上，空间(狭缝6和7)限定在顶部和底部玻璃基板1和3两者之间以至为导电材料9所密封。用于激发的固定电极10，用于检测的固定电极11和基板电极12都形成在顶部和底部玻璃基板1和3的内侧面，并分别通过形成在通孔8侧壁上的导线向外连接到导电材料9上。
例如，基于日本专利8-94666A中所描述的传感器相同的原理操作根据实施例1的电容动力学参量传感器。在此将在下文中简要描述电容动力学参量传感器的操作原理。对顶部和底部玻璃基板1和3内表面上用于激发的每一个固定电极10提供一交流(AC)电压，振动体(具有横梁4和质量块5)通过作用在用于激发的固定电极10和振动体(具有横梁4和质量块5)两者之间的静电力来垂直地振动，振动体作为一个移动电极保持在接地电势(ground potential)。当绕y轴的角速度施加到振动体(具有横梁4和质量块5)上，并且速度也以这样的方式依z轴方向施加到振动体上时，自转偏向力(Coriolis force)就表现为速度和角速度的矢量积的形式，并呈现在x轴方向上，其结果就如图2中所示的横梁4弯曲。用于激发的固定电极11分别提供在顶部和底部的玻璃基板1和3上。接着，角速度的值从用于检测的固定电极11和质量块5两者之间形成的电容的改变来得以检测，质量块5作为移动电极是由于横梁4的弯曲而发生倾斜的。
图3所示为说明了根据本发明实施例1的电容动力学参量传感器中硅质基板2和顶部玻璃基板1上的基板电极两者之间的连接部分的剖面示意图。凹槽31形成在置于顶部玻璃基板1内表面上的基板电极12与硅质基板2中硅质基片2相搭接的区域中。凹槽31的深度小于基板电极12的厚度，因此基板电极12在凹槽31中与硅质基板2相连接。基板电极12能够在水平方向移动与顶部玻璃基板1相同的量，其中基板电极12与硅质基板2相接触。然而，因为凹槽31的底面积大于硅质基板2与基板电极12连接区域的面积，基板电极12的移动始终保持在凹槽31中。因此在凹槽31的***中不会出现由于基板电极12的厚度引起的脱缝，从而能够提高电容动力学参量传感器的可靠性。
实施例2
图4所示为说明了根据本发明实施例2的电容动力学参量传感器中顶部玻璃基板上的基板电极12和硅质基板两者之间形成的连接区域的剖面示意图，连接电极41形成在凹槽31中。为此连接电极41连接基板电极12，因此通过接触确保半导体基板的电势。基板电极12的厚度设置的要比从凹槽31的深度中减去连接电极41的厚度所获得的值大一些，并使得基板电极12与连接电极41相接触。图5、图6和图7是连接区域的示意性平面图。
如图5中所示，设置连接电极42使其叠盖住凹槽31中的基板电极12。为了防止基板电极12从突出处至接缝区域都叠盖住连接电极42，有一个空间来防止移动后的基板电极12的一部分确保其在凹槽31中的连接电极42的***中。
同样，在图6中，在连接电极42中形成允许移动后的基板电极的一部分形成在其中的凹槽61。每一个凹槽61的宽度都设置的小于连接电极42的宽度，因此允许确定地获得接触。由于移动后的基板电极的一部分容纳在槽61中相应的一个上，移动到连接基板42***的基板电极12的一部分变得相对较小。因此，凹槽31的面积减小，芯片的尺寸减小。在图6中所示的情况是凹槽61形成在连接电极42中的同时，可以理解在连接电极42中也可以形成圆形、矩形或椭圆形的孔来代替凹槽。
另外，如图7中所示，可以提供多个连接电极71。在这种情况下，考虑到基板电极12的宽度方向，相邻两个连接电极71之间的距离设置的小于基板电极12的宽度，为此甚至当一个小的位置变换发生在连接电极71和基板电极12两者之间时，在连接电极71和基板电极12之间也能够获得完全接触。即使在这样的机构中，由于确保移动空间在每一个连接71的***，在基板电极12的移动导致连接和连接电极之间的接合不会失败，这样就减小了凹槽的面积。因此，连接的可靠性得以提高，并以可电容动力学参量传感器制成微型化。
另外，如图8中所示，相邻的连接电极71可以通过连接部分81来彼此连接。当相邻的连接电极71彼此连接的时，如果仅基板电极12连接到相邻连接电极71的任何一个上，通过连接部81彼此连接的所有连接电极71具有相同的电势。这样即使当在硅质基板2和顶部玻璃基板两者之间的结合处有微小的位置移动时，只要基板电极12连接到连接电极71的任何一个上，就能正常稳定地获得连接电阻。当连接部分81的每一个都是由如每一个连接电极71相同的材料制成时，能够形成连接部81而不必增加生产成本。此外，金属的连接用容易塑性成型的铝，并且具有较低的生产成本的铝作为连接电极71和连接部81的合适材料。当然，例如金、银、钛或铬的金属连接材料，或者是掺杂的硅都可以作为连接材料使用。
在这些实施例中，一旦在凹槽中获得基板电极和半导体基板两者之间的连接，由此就可以避免凹槽***中的脱缝，并且可靠性能够得到提高。另外由于此处不需要增加连接区域，所以本发明所提供的结构避免了增加成本。
在静电电容动力学参量传感器中，通过叠层在玻璃基板上实现连接的基板电极用来控制半导体基板电极的电势，在结构上采用其中的凹槽形成在半导体基板中，半导体基板的一部分在凹槽中连接基板电极，为此就有可能在凹槽的***来避免脱缝。因此，就能够提供一种静电电容动力学参量传感器，该传感器具有完美的可靠性，该传感器适合低成本生产。
虽然在实施例1和2中已经描述了作为示例给出的角速度传感器，但是本发明并不限定于此。换句话说，本发明能够用于各种电容变化检测型动力学参量传感器，例如：速度传感器和压力传感器。

Claims (9)

1.一种电容动力学参量传感器，其基于由于质量块移动、在质量块和固定电极之间形成的电容的变化，来测量动力学参量，所述传感器包括：
具有通过横梁支持并依据动力学参量移动的质量块的半导体基板；及
玻璃基板，在玻璃基板上，在与质量块隔一狭缝相对的位置上设置固定电极，所述固定电极和与半导体基板的一部分接触的基板电极相叠合；
其中，凹进形成在半导体基板的区域中，在所述区域中，基板电极与半导体基板交叠，所述凹进的底面积大于在其中半导体基板与基板电极相接触的接触区域的面积，所述凹进的深度小于基板电极的厚度。
2.一种电容动力学参量传感器，其基于由于质量块移动、在质量块和固定电极之间形成的电容的变化，来测量动力学参量，所述传感器包括：
具有通过横梁支持并依据动力学参量移动的质量块的半导体基板；及
玻璃基板，在玻璃基板上，在与质量块隔一狭缝相对的位置上设置固定电极，所述固定电极和与半导体基板的一部分接触的基板电极相叠合；
其中，凹进形成在半导体基板的区域中，在所述区域中，基板电极与半导体基板交叠，所述凹进的底面积大于在其中半导体基板与基板电极相接触的接触区域的面积，在所述凹进中形成与基板电极相连接的连接电极，所述凹进的深度大于基板电极的厚度，连接电极的厚度与基板电极的厚度之和大于所述凹进的深度。
3.根据权利要求2的电容动力学参量传感器，其中多个凹槽或多个孔形成在连接电极的一部分中。
4.根据权利要求3的电容动力学参量传感器，其中所述多个凹槽或所述多个孔以均匀的间隔设置。
5.根据权利要求2的电容动力学参量传感器，其中在所述凹进中存在多个连接电极。
6.根据权利要求5的电容动力学参量传感器，其中多个连接电极以均匀的间隔设置。
7.根据权利要求5的电容动力学参量传感器，其中相邻的连接电极具有基本上相同的电势。
8.根据权利要求5的电容动力学参量传感器，其中相邻的连接电极采用与所述连接电极相同的材料来连接。
9.根据权利要求5的电容动力学参量传感器，其中每一个连接电极都包含铝。
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