減小了傳感器板彎曲的半導體加速計的製作方法
2023-07-10 01:17:46
專利名稱：減小了傳感器板彎曲的半導體加速計的製作方法
技術領域：
本發明一般說來涉及到半導體，更確切地說是半導體加速計。
過去，半導體工業已利用各種各樣的結構和方法來製作半導體加速計。現有加速計的一類利用二個帶有固定的二塊平行平板的串聯電容器和一個懸掛在二塊固定平板之間的可移動的平面傳感器元件。傳感器元件構成一個與二個電容器共接的第三塊板。當加速力引起傳感器元件移動到更靠近固定電容器平板中的某一個時，加速計的電容值發生變化。耦合到加速計的外部電路就檢測到電容值的改變。這種現有的半導體加速計的一個缺點是其精度不能令人滿意。典型的情況是，加速力不僅引起傳感器元件移動，也引起傳感器元件的中央部分彎曲或下垂，以致傳感器元件不再是平面狀的。彎曲引起傳感器元件的一部分比另一部分更靠近於一個電容器平板，於是，電容不再隨外加到加速計上的力而線性變化。此外，彎曲或下垂減小了傳感器元件和電容器平板之間的距離。平板到傳感器元件的距離常常小到足以使靜電吸引力將傳感器元件推向電容器平板，從而使加速計短路。
因此希望有一種不隨加速力彎曲、而且在電容值和外加加速力之間具有大體線性關係的半導體加速計。
圖1示出了根據本發明的半導體加速計的放大切開的透視圖;
圖2示出了根據本發明的圖1加速計的傳感器元件的一部分;
以及圖3示出了根據本發明的傳感器板的一個變通實施例。
圖1示出了一個半導體加速計10的放大的切開透視圖。加速計10包括一個製作在襯底11上的第一電容器平板13和一個覆蓋在平板13上的第二電容器平板21。平板21用多個從其側面延伸到襯底11表面的側壁22懸掛在平板13之上。多個支撐橫梁16、17、18和19把傳感器板14懸掛在電容器平板13和21之間。傳感器板14和橫梁16、17、18和19起傳感器元件20的作用。橫梁16、17、18和19的第一端裝在板14的邊上而各橫梁的末端有一個伸向襯底11表面的支柱23。在最佳實施例中，支柱23大體垂直於橫梁16、17、18和19而延伸。支柱23固定在支撐區12上以便把加到支柱23上的力分布到整個襯底11上。當不加外力時，板14大體上共面地懸掛在平板13和21之間大約正中間處。如下面將要看到的，加速力引起板14大體共面地垂直於平板13和21移動。
平板21和14組成一個第一電容器而平板13和14組成一個與第一電容器串聯的第二電容器。平板13、14和21與監測二個電容器數值的電路(未示出)連接。電路可製作在襯底11上，也可以是外部電路。
加速計10可用本領域普通技術人員熟知的各種半導體材料和技術來製作。襯底可以是包括諸如矽之類的半導體材料的多種材料。而且，為了支撐加速計10，襯底11可帶有一個氮化矽或其它材料的表面層。在1993年9月7日授予Addie等人的美國專利5241864中，描述了一例這種材料和技術。在最佳實施例中，支撐區12、側壁22和平板13及21都用多晶矽製作。板14、支柱23和橫梁16、17、18、19的最佳實施例是一種多層結構，其特徵是一層氮化矽夾在二層多晶矽之間。
圖2示出了圖1所述傳感器元件20一部分的平面圖。圖2還包括一個力的圖解40，示出了加於板14的加速力的一個例子。圖2中與圖1相同的元件的參考號與圖1中相同。板14有許多約束點26、27、28和29，它們位於橫梁16、17、18、19分別與板14側邊相交的地方。約束點26、27、28和29支持板14的質量並起著使板14對平板13和21保持大體共面的作用(圖1)。如箭頭32所示，板14的總質量包括由約束點26、27、28和29圍起來的板14中央部分的中央質量和懸在約束點26和27之外的懸臂質量23。約束點26和27之間的點線31示出了質量33的支撐端，而板14的外邊緣代表自由端。在約束點27和28、28和29、29和26之間也有相同的懸臂質量。
當加速力加於板14時，這些懸臂質量沿著板14的邊緣產生平衡力矩。這一平衡力矩傾向於使平板的中心恢復到共面或平行條件，從而改善了傳感器10(圖1)的精度。圖解40示出了這一平衡力矩、圖解40中板14用元件34表示。支點36和37分別代表約束點26和29的作用。為簡化解釋，圖解40中只示出了二個約束點，但解釋適用於板14的全部懸臂質量。箭頭41、42和43代表加於板14的加速力。由箭頭41代表的作用於板14中央部分的那部分力傾向於使板14的中央部分從平面狀態發生彎曲或移位。此彎曲狀態用虛線44表示。由箭頭42和43代表的是加於懸臂質量上的力，該力對板14的各懸臂部分加一向下的力。但36和37將箭頭42和43的向下力分別轉變為圍繞各支點36和37的平衡力矩，它傾向於將板14的中央部分恢復到大體平面的狀態。藉助於使板14保持在大體為平面的狀態，懸臂質量有利於在加速力和加速計電容變化之間形成大體的線性關係(圖1)。
傳感器板14不局限於八角形，也可有多種形狀和結構，只要有一部分質量在約束點之外即可。適合的形狀有圓形、三角形或其它多角形。
懸臂所佔總質量的百分比依賴於板14的形狀。若懸臂質量太大，則在加速時板14會向一邊傾斜而不是保持平面狀態。為了保持其平面性，懸臂總質量可從板14總質量的大約10%變到大約80%。在最佳實施例中，每一懸臂質量約為板14總質量的16%，總的懸臂質量約為64%。16%的懸臂質量使板14中央部分的彎曲降低了大約50%。
圖3示出了傳感器元件50的一個變通實施例，它適用於如圖1中加速計10的半導體加速計。圖3中與圖2相同的部分的參考號相同。元件50包括一個大致方形的傳感器板51，由橫梁16、17、18和19分別在約束點26、27、28和29支持著。元件50還包括從約束點26和27向外延伸的懸臂質量52，如箭頭32所示。與圖2解釋的平衡力矩相似，質量52也產生一個平衡力矩，它保持板51處於大體平面狀的狀態。至此，已提供了一種新穎的製作半導體加速計的方法。約束點外邊懸出去的那部分板的質量使得容易形成平衡力矩，此平衡力矩當加速力加於加速計時保持傳感器板大體為平面狀。
權利要求
1.一種半導體加速計傳感器板，其特徵在於包括由多個約束點圍起來的第一質量，其中該第一質量被安在多個約束點之內；以及為在第一質量上產生一個平衡力矩而從第一質量懸伸出去的第二質量，其中第二質量被安置在多個約束點之外。
2.權利要求1的傳感器板，其中的第二質量利用多個約束點中的至少二個從第一質量懸伸出示。
3.權利要求1的傳感器板，其中的第二質量為傳感器板總質量的大約10%-80%。
4.權利要求1的傳感器板，其中的傳感器板為八角形。
5.權利要求1的傳感器板，其中的傳感器板為方形。
6.一種半導體加速計，其特徵在於包括一個具有表面的半導體襯底;一個在該半導體襯底表面上的第一電容器平板;一個覆蓋在第一電容器平板上並與第一電容器平板隔開的第二電容器平板;以及一個具有側邊、第一質量和第二質量的平面狀傳感器板，其中的第二質量從第一質量懸伸出去以便在第一質量上產生平衡力矩，其中的第一質量由多個約束點圍繞起來並設置在多個約束點以內，其中的第二質量設置在多個約束點以外，以及其中的傳感器板懸掛在多個約束點中一個以上的約束點處以便使傳感器板懸掛在第一電容器平板和第二電容器平板之間。
7.權利要求6的半導體加速計，還包括多個支撐橫梁，其各有一個端點於多個約束點中的一個約束點處連接到傳感器板側壁，這些支持橫梁自側壁徑向延伸。
8.權利要求7的半導體加速計，還包括一個位於多個支撐橫梁中每個橫梁末端的支柱。
9.權利要求6的半導體加速計，其中的第一電容器平板和第二電容器平板各為一多晶矽層。
10.權利要求6的半導體加速計，其中的傳感器板是夾在二層多晶矽之間的一層氮化矽。
全文摘要
一種半導體加速計，它帶有一個有外加加速力時保持大體平面狀的傳感器板。傳感器板由在約束點處與傳感器板相連的支撐橫梁來支持。傳感器元件的一部分質量懸伸到約束點之外。當加以加速力時，懸臂質量產生一個平衡力矩使傳感器板保持大體平面的狀態。
文檔編號H01L29/84GK1113008SQ9411816
公開日1995年12月6日 申請日期1994年11月7日 優先權日1993年11月8日
發明者阿謝爾·T·馬特蘇達 申請人:莫託羅拉公司