電容式傳感器的製作方法

2023-07-11 06:38:36

專利名稱：電容式傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種電容式傳感器，所述電容式傳感通過檢測固定電極和可動電極之間的電容檢測預定物理值。
背景技術：
傳統地，具有一種電容式傳感器，其中形成具有通過彈性件由固定部分支撐的可動電極的結構，可動電極可以根據外力移近或遠離固定電極，檢測這些電極之間的電容，從而檢測例如加速度和角速度(參見專利文獻I)的各種物理值。作為此電容式傳感器，具有可以通過例如加速度的物理值的位移的一個質量部分檢測在垂直軸的方向的物理值的公知的電容式傳感器(參見專利文獻2和專利文獻3)。根據專利文獻I的電容式傳感器，弾性件形成作為從固定部分螺旋延伸的梁形成，而通過弾性件由固定部分可動支撐的可動電極主要在沿傳感器(半導體層)的表面延伸的方向上位移。根據專利文獻2和3的每個的電容式傳感器，不對稱的質量部分通過在対稱的水平方向從稱為支座部分的固定部分延伸的扭轉梁支撐，使得失去質量平衡，而物理值可以根據在垂直方向増加的物理值通過由扭轉梁造成的該質量部分的位置位移檢測。根據專利文獻2的電容式傳感器，此電容式傳感器通過加工金屬材料形成。根據專利文獻3，電容式傳感器通過例如利用公知的半導體加工エ藝加工例如矽的半導體基板形成。當裝置通過半導體加工エ藝由加工矽形成時，由於可以進行微細加工，所以，與如在專利文獻3中的情況ー樣的電容式傳感器通過加工金屬材料形成的情況相比，可以形成較小和更精確的電容式傳感器。在可動電極如專利文獻I那樣通過梁由固定部分可動支撐的結構的情況下，在梁中產生的應カ根據作為弾性件的梁的形狀和施加到傳感器的最大加速度變化，但當設置薄和長的梁時，當傳感器製作為緊湊或設定彈簧常數時，在梁中產生的應カ傾向於變大，且在一些情況下，很難設定例如移動電極的位移量或重量的規格到理想值。根據在專利文獻3中公開的電容式傳感器，由於單晶矽板通過晶體各向異性刻蝕形成，所以，具有例如支座部分的各個部分為錐形的問題，且件的缺陷(deficit)或粘著通過增加器件尺寸或移動可動電極產生。當基板通過晶體各向異性刻蝕加工吋，因為質量部分具有一定程度的質量，所以，具有很難形成增強檢測靈敏度的質量部分的問題。鑑於以上情況，提出了本發明，本發明的目的是在具有通過梁由固定部分可動支撐的可動電極的電容式傳感器中減少梁的應力。本發明的另一目的是提供具有可以避免通過裝置尺寸増加或可動電極移動產生部件的缺陷或粘著的結構的電容式傳感器。專利文獻I :日本專利申請公開號第2000-28634專利文獻2 :美國專利說明書第4736629專利文獻3 :美國專利說明書第6000287
發明內容
本發明的第一方面提供一種電容式傳感器，所述電容式傳感器包括固定電極和通過梁由半導體層的固定部分可動支撐的可動電極，其中固定電極和可動電極彼此相對，在其間夾有間隙，從而組成檢測單元，檢測適合所述間隙的尺寸的電容，從而檢測預定的物理值，其中連接到固定部分的梁的端部和連接到可動電極的梁的端部至少之一設置有調節局部應力集中的應力調節單元。本發明的第二方面提供一種電容式傳感器，所述電容式傳感器包括通過梁部分由半導體層的固定部分可動支撐的第一檢測單元，使得保持不對稱重量平衡，其中根據在半導體層的厚度方向上的物理值的位移移動的第一可動電極、以及形成於支撐半導體層的支撐基板上的第一固定電極彼此相對，在其間夾有間隙，而第一檢測單元根據基於第一可動電極和第一固定電極的尺寸檢測的電容檢測所述物理值，半導體層為單晶矽層，而電容式傳感器包括第一可動電極的移動機構，所述移動機構包括固定部分、梁部分以及通過垂直刻蝕單晶矽層形成的第一可動電極。根據本發明的第一方面的電容式傳感器，應力傾向於在梁中變大的部分，S卩，連接 到梁的固定部分的端部和連接到可動電極的梁的端部的至少之一設置有調節應力的應力調節單元。因此，可以減少在梁中產生應力。根據本發明的第二方面的電容式傳感器，可以增強檢測的靈敏度，並可以避免通過裝置尺寸的增加或可動電極的運動產生部件的缺陷或粘著。通過垂直刻蝕加工工藝形成移動機構，可以獲得均勻的橫截面形狀，因此，可以大大減少另一軸的靈敏度。此外，由於半導體層為單晶矽，所以，沒有膜應力，且容易加工。


圖I是根據本發明的實施例的電容式傳感器的半導體層的平面視圖；圖2是沿圖I的線A-A剖開的電容式傳感器的剖面視圖；圖3是沿圖I的線B-B剖開的電容式傳感器的剖面視圖；圖4是根據本發明的實施例的電容式傳感器(沿圖2的線C-C剖開)的梁部分的首1J面視圖；圖5是根據本發明的實施例的電容式傳感器的擺動可動電極的示意簡圖，其中(a)顯示可動電極不擺動的狀態，(b)顯示其一側接近固定電極的狀態，而圖(C)顯示另一側接近固定電極的狀態；圖6是作為根據本發明的實施例的電容式傳感器的半導體層的一部分的電勢取得部分(potential taking-out portion)的放大簡圖，其中(a)為平面視圖，(b)為沿(a)中的線D-D剖開的剖面視圖，而(c)顯示在裝配前的狀態；圖7是顯示根據本發明的實施例的電容式傳感器的應力調節單元的各個例子的平面視圖(a)到(C)；圖8是顯示根據本發明的實施例的電容式傳感器的應力調節單元的另一例子的平面視圖(a)和(b)；圖9是顯示作為本發明的第一實施例的電容式傳感器的半導體層的結構的說明視圖；圖10是用於說明形成於電容式傳感器的半導體層中的凹進部分的剖面視圖11是顯示由晶體各向異性刻蝕形成的電容式傳感器的半導體層中的凹進部分的狀態的剖面視圖；圖12是說明利用SOI (絕緣體上矽結構)基板形成電容式傳感器的示例性視圖；圖13顯示電容式傳感器的可動電極在垂直方向而不扭曲的位移的視圖；圖14是電容式傳感器的固定電極的安裝位置的說明視圖；圖15顯示移動電容式傳感器的可動電極的轉換運動的中心偏移的狀態；圖16是電容式傳感器的固定電極的形狀的說明視圖；圖17是作為本發明的第二實施例的電容式傳感器的半導體層的結構的說明視圖；
圖18是用於說明電容式傳感器沿圖14中顯示的線D-D剖開的狀態的剖面視圖；圖19是電容式傳感器的水平方向檢測單元的檢測單元的具體結構的說明視圖；以及圖20是電容式傳感器的可動電極的另一形狀的說明視圖。
具體實施例方式下面將參照圖具體說明本發明的實施例。[第一實施例]如圖2所示，作為本發明的第一實施例的電容式傳感器I (在下文中，簡稱為傳感器I)具有通過加工半導體基板獲得的半導體層2，而例如玻璃基板的絕緣層20和21通過陽極結合(anodic bonding)結合到前和後側上,相對淺的凹進部分22在半導體層2與絕緣層20和21之間的結合表面中形成，保證了半導體層2的絕緣性能和可動電極5的移動容易性。在本實施例中，在半導體層2和絕緣層20之間的結合表面設置有在半導體層2 —側上的凹進部分22，而半導體層2和半導體層2之間的結合表面設置有在絕緣層21 —側上的凹進部分22。傳導層23形成於絕緣層20的表面20a上，且傳導層23用作用於獲得半導體層2的各個部分的電勢的電極。在本實施例中，絕緣層20被噴沙並形成有通孔24，露出半導體層2的一部分表面(在絕緣層20的一側的半導體層2的表面)，連續傳導層23形成以例如電連接絕緣層20的表面和通孔24的內周表面、以及半導體層2的表面(在圖2中的支座部分3的表面)，使得在半導體層2中的每個部分的電勢可以由傳導層23檢測。優選絕緣層20的表面用樹脂層(未顯示)塗敷(模製)。如圖I到3所示，半導體基板通過公知的半導體加工工藝形成有間隙10，從而形成支座部分3、梁部分4、可動電極5、框架部分7以及在半導體層2的電勢取得部分B。如圖I所示，從上方觀看，半導體層2整體形成大致矩形形狀，框架部分7沿半導體層2的四個周邊(四個側邊)以具有基本恆定寬度的框架的形式設置。間隙10通過活性離子刻蝕(RIE)被垂直刻蝕，使得間隙10的側壁表面垂直於半導體層2的表面。以此方式通過垂直刻蝕形成的間隙10的側壁表面基本平行地彼此相對。作為活性離子刻蝕，可以通過具有例如感應耦合等離子體(ICP)的刻蝕裝置利用ICP加工。由於大板部分5a和小板部分5b的每個由一個單晶娃基板形成,所以,尺寸大於小板部分5b的大板部分5a的質量較大。
從上方朝向框架部分7的一個長側(圖I中的上側)觀看，具有矩形橫截面(在本實施例中為大致方形的截面)的柱狀支座部分3設置在稍微偏離半導體層2的中心的位置處的框架部分7的內部。梁部分4和4從與框架部分7的短側相對的支座部分3的ー對側壁大致平行地延伸，雖然在圖2和圖3所示的本實施例中，支座部分3隻鄰接(結合到)絕緣層20，但支座部分3可以進ー步鄰接(結合到)絕緣層21。如圖4所示，梁部分4作為具有恆定矩形(大致矩形)橫截面的梁形成。例如，半導體層2在其厚度方向的高度h為IOmm或更多(500mm或更少)，而半導體層2在沿其表面的方向的寬度W為幾個毫米(大約3到IOmm)，但是這些值可以根據整體尺寸改變。梁部分4具有恆定的橫截面,並在沿框架部分7的長側的方向延伸。與在支座部分3 —側的端部4a相反的梁部分4的端部連接到可動電極5。
可動電極5具有從上方觀看的大致矩形的外周表面5d。外周表面5d與框架部分7的內周表面7a，在其間具有間隙10。可動電極5形成為例如以間隙10環繞支座部分3的外側和梁部分4和4。如圖I所不，可動電極5具有在框架部分7的長側的一側(圖I中的下側)具有間隙10的大致矩形的大板部分5a。而可動電極5具有在框架部分7的另ー長側的ー側(圖I中的上側)具有間隙10的大致矩形的小板部分5b。大板部分5a和小板部分5b通過沿框架部分7的短側延伸的一對連接部分5C和5C彼此連接。梁部分4和4分別連接到相應連接部分5C和5C的大致基板中心部分。採用以上結構，由於大板部分5a和小板部分5b的姆個由ー個單晶娃基板形成,所以，具有大於小板部分5b的尺寸的大板部分5a的質量較大。可動電極5通過具有不對稱質量平衡的梁部分4和4由作為傳感器I的固定部分的支座部分3可動支撐。此結構通過形成具有間隙10的半導體層2和形成具有凹進部分22的絕緣層20和21的至少之ー獲得。支座部分3、梁部分4和4、以及可動電極5 —體地形成為半導體層2的一部分。支座部分3、梁部分4和4、以及可動電極5的電勢可以認為
基本相等。梁部分4和4起到相對框架部分7弾性和可動支撐可動電極5的彈簧件的作用。在本實施例中，如圖4所示，梁部分4和4具有在傳感器的厚度方向上較長的橫截面(垂直於梁部分4的延伸軸的橫截面)，梁部分4在厚度方向不容易彎曲。可動電極5包括大板部分5a和小板部分5b，該兩部分彼此相對，其間夾著梁部分4和4，並具有不同的質量。在梁部分4和4的兩側上的質量彼此不同。因此，如果在傳感器I的厚度方向產生加速度，則梁部分4和4由於施加到大板部分5a和小板部分5b的慣性的差扭轉，而可動電極5圍繞梁部分4和4擺動。也就是說，在本實施例中，梁部分4和4起到梁(扭轉梁)的作用。在本實施例中，絕緣層20在其下表面20b設置有固定電極6A和6B，例如，分別與可動電極的大板部分5a和小板部分5b相對。檢測在大板部分5a和固定電極6A之間的電容、以及在小板部分5b和固定電極6B之間的電容，使得可以檢測這些間隙的變化，因此，可以檢測可動電極相對傳感器I的固定部分的擺動姿勢的變化。圖5 (a)顯示了可動電極5不擺動並與絕緣層20的下表面20b平行的狀態。在此狀態中，在大板部分5a和固定電極6A之間的間隙25a的尺寸、以及在小板部分5b和固定電極6B之間的間隙25b的尺寸彼此相等。因此，在大板部分5a和固定電極6A之間的相對面積、以及在小板部分5b和固定電極6B之間的相對面積彼此相等,在大板部分5a和固定電極6A之間的電容、以及在小板部分5b和固定電極6B之間的電容彼此相等。圖5 (b)顯示了以下狀態可動電極5擺動且相對絕緣層20的下表面20b傾斜,大板部分5a與固定電極6A分離，而小板部分5b接近固定電極6B。在此狀態中，與顯示在圖5 (a)中的狀態相比，間隙25a變大，而間隙25b變小。因此，在大板部分5a和固定電極6A之間的電容減小，而小板部分5b和固定電極6B之間的電容増大圖5 (C)顯示了以下狀態可動電極5擺動,絕緣層20相對下表面20b傾斜,大板部分5a接近固定電極6A，而小板部分5b與固定電極6B分離。在此狀態中，與顯示在圖5 (a)中的狀態相比，間隙25a變小，而間隙25b變大。因此，在大板部分5a和固定電極6A之間的電容増大，而小板部分5b和固定電極6B之間的電容減小。因此，可以獲得通過C-V轉換獲得的電壓波形，並從電容間的不同的輸出檢測增加到傳感器I的各種物理值(加速度和角速度)，所述電容為在大板部分5a和固定電極6A之間的間隙25a為檢測間隙的電容以及在小板部分5b和固定電極6B之間的間隙25b為檢測間隙的電容。這些電容可以從可動電極5和固定電極6A和6B的電勢獲得。在本實施例中，如圖I和圖2所示，通孔24形成幹支座部分3上的絕緣層中，而可動電極5的電勢通過形成於通孔24的內表面上的導電層23到得。固定電極6形成為在絕緣層20的下表面20b上的大致矩形的導電層(例如，鋁合金層)。在固定電極6的形成步驟中，導線圖案11和端子9也同時作為從固定電極6連續的導電層形成。因此，固定電極6的電勢通過導線圖案11、端子9、形成於半導體層2上的電勢取得部分8以及形成於電勢取得部分8上的絕緣層20上的導電層23取得。下面將參照圖6說明電勢取得部分8的結構。圖6 (a)是電勢取得部分8的放大視圖，圖6(b)是沿圖6(a)中的線C-C剖開的剖面視圖，而圖6(c)是顯示在絕緣層20和半導體層2彼此連接之前的狀態的剖面視圖。電勢取得部分8通過形成於半導體層2中的間隙10和形成於半導體層2或絕緣層21中的凹進部分22與例如可動電極5和框架部分7的半導體層2的其它部分絕緣。電勢取得部分8包括基本柱形的焊盤(pad)部分8a和沿框架部分7的短側從焊盤部分8a延伸的薄和長的底座8b，具有平的底表面8C的凹進部分26形成於對應端子9的底座8b的一部分中。墊層27 (例如，ニ氧化矽(SiO2))形成於底表面SC上，具有大致同樣高度的傳導層28形成於鄰近墊層27的位置，而從上方看具有階梯形狀的接觸部分12從墊層27的上表面到傳導層28的上表面形成。框架狀的角部分12a連續形成於接觸部分12上。此時，傳導層28和接觸部分12可以作為由同樣的導電材料(例如，鋁合金)製作的層形成。在本實施例中，如圖6(c)所示，接觸部分12的每個角部分12a都形成為使得其以高度δ從半導體層2的上表面2a突出。採用此結構，如果半導體層2和絕緣層20彼此結合，則端子9壓緊角部分12a以塑性變形角部分12a，從而增強密切接觸度，而角部分12a (接觸部分12)和端子9可以彼此接觸，並在其間更容易地建立傳導。如圖I所示，止動件13在適當的位置設置在大板部分5a和小板部分5b的表面上，以便避免可動電極5和固定電極6A和6B彼此直接接觸(撞擊)並將其損壞的情況。如果止動件13和墊層27在相同的步驟中由同樣的材料製作，則與其分別形成的情況相比，可以降低勞動生產カ和生產成本。
其次，將參照圖7說明在縱向設置在梁部分4和4的端部上的應力調節單元30、30A 和 30B。圖7(a)是根據本實施例的應力調節單元30的平面視圖。在此例子中，從上方看為矩形形狀的框架結構31設置在梁部分4連接到可動電極5的連接部分5C的一側上的端部上。更具體地，從上方看，包括沿梁部分4的延伸方向形成的短側部分32以及在與延伸方向相交為直角的方向延伸的長側部分33的薄和長的框架結構31連續設置在連接部分5C上，而梁部分4的端部在其縱向連接到框架結構31的中心部分。連接部分5C的端部一體形成於長側部分33上，而框架結構31的高度與梁部分4的高度相同。採用此結構，與梁部分4直接連接到連接部分5C的情況相比，可以增加當可動電極5移動時彎曲的區域。因此，可以調節在角處(根部分)4b和5d處的應力的局部集中。框架結構31在垂直於梁部分4的延伸方向的方向形成為薄的和長的。因此，當梁部分4圍繞其延伸軸扭曲時，大的彎曲極限(margin)在其長側部分33處取得，且這是有效的。 圖7(b)是根據本實施例的改進方式的應力調節單元30A。在此例子中，與圖7(a)顯示的結構同樣的框架結構31和31在梁部分4的延伸方向以多排(在此例子中，為兩排)設置，而框架結構31和31通過設置在梁部分4的延伸部分上的連接件34彼此連接。在此例子中，由於框架結構31以層設置，所以，與圖7(a)的例子相比，可以更有效地調節應力。圖7(c)是根據本實施例的另一改進方式的應力調節單元30B。在此例子中，設置了其中梁部分4在垂直於其延伸方形以預定的寬度向回摺疊多次的曲折結構35。如果設置曲折結構35，則與梁部分4直接連接到連接部分5C的情況相比，增加了當可動電極5移動時被彎曲的區域，所以，可以調節在角處(根部分)4b和5d處的應力的局部集中。在任何例子中，應力調節單元30、30A和30B都設置在其連接到可動電極5 (可動電極5的連接部分5C)的一側的梁部分4的端部4b上，但應力調節單元30、30A和30B也可以設置在梁部分4的另一端上，即，在其連接到支座部分3的一側的梁部分4的端部4a上，並可以在端部4a中獲得同樣的效果。如果應力調節單元30、30A和30B在其縱向設置在梁部分4的兩個端部上，則可以進一步降低在梁部分4中產生的應力。不同的應力調節單元30、30A和30B可以設置在兩端上，或可以形成其組合形式。從以上說明可以清楚，根據如本發明的第一實施例的傳感器1，至少連接到支座部分3的梁部分4的端部4a和連接到可動電極5的梁部分4的端部4b之一設置有調節應力的應力調節單元30、30A和30B。因此，其可以降低梁部分4中產生的應力，以增強耐久性，並增加例如可動電極5的位移量和重量的規格的設定靈活性。如果應力調節單元30、30A和30B設置在連接到支座部分3的梁部分4的端部4a和連接到可動電極5的梁部分4的端部4b兩者上，則可以進一步降低應力。此時，應力調節單元30、30A和30B可以作為一個框架結構31方便地形成，或包括多層框架結構31或曲折結構35的結構。特別是，當梁部分4用作扭轉梁時，如果應力調節單元30、30A和30B如本實施例的例子那樣作為一個框架結構31形成，或者有許多層的框架結構31，或作為曲折結構35，則與軸向直角相交的其一部分可以製作為相對較長，可以更有效地降低梁部分4(以及應力調節單元30、30A和30B)的每單位長度的彎曲量以及應力。
在本實施例中，梁部分4的剖面形成大致矩形形狀。採用此結構，則限定了梁部分4易於彎曲的方向和梁部分4不易彎曲的方向，可動電極5以期望的方式操作，且抑制了由於在不想要的模式下操作造成的不便。特別是，當可動電極5擺動且梁部分4形成如本實施例中的扭轉梁時，在垂直於延伸軸的梁部分4的橫截面形狀上，傳感器I在厚度方向的長度(高度h)設定為比沿傳感器I的表面延伸的方向上的長度(寬度W)長。採用此結構，整個可動電極5在傳感器I的厚度方向(在圖2中的垂直方向)彎曲，大板部分5a和小板部分5b兩者都接近固定電極6A和6B，可抑制檢測精度的變差。雖然在本實施例中梁用作扭轉梁，但本發明也可以施用到梁為彎曲梁的情況，而本發明也可以用於例如螺旋纏繞形狀和摺疊形狀的各種形狀的梁的情況。框架結構和曲折結構的規格(例如，框架結構的層的數量、曲折結構的摺疊次數、各個部分的尺寸和形狀)都可以不同地變形。如圖8(b)所示，框架結構可以在從上方觀看時為三角形形狀(例如，規則的三角形或二等邊三角形)，或三角形形狀的單元框架可以以束的形式相互重疊為許多層。根據該結構，與從上方看為矩形形狀的結構相比，可以進一步降低應力集中。
[第二實施例]作為本發明的第二實施例的傳感器I在傳感器I的結構上與第一實施例的不同之處在於，梁部分4和4在縱向的端部沒有設置如圖9所示的應力調節單元30。在第二實施例中，如圖10 (a)所示，半導體層2結合到絕緣層20，且在間隙10形成之前，凹進部分22通過例如溼刻蝕和幹刻蝕的各種刻蝕加工工藝形成。當通過刻蝕切削半導體層2後，作為玻璃基板的絕緣層20如圖10(b)所示連接，進行垂直刻蝕加工，從而形成如圖10(c)所示的間隙10。當凹進部分22通過刻蝕加工工藝形成後，止動件13由氧化膜或鋁合金形成。通過以此方式刻蝕為單晶矽基板的半導體層2，預先形成凹進部分22，而形成凹進部分22的表面與成為支撐基板並與其結合的絕緣層20相對。採用此結構，由於刻蝕操作產生的刻蝕殘渣可以以極好的方式取出，所以，可以防止通過可動電極5的擺動與絕緣層20的粘著，也可以增強傳感器I的質量。由於半導體層2預先形成有凹進部分22，所以，例如玻璃基板的絕緣基板可以用作變為支撐基板的絕緣層20，可以降低當使用由與可動電極5而不是絕緣基板同樣的矽製作基板時產生的寄生電容。此外，具有的優點是通過刻蝕形成的凹進部分22可以僅僅通過形成對應凹進部分22的形狀的抗蝕膜圖案，並設定對應凹進部分22的深度的刻蝕時間容易地形成。由於玻璃基板可以作為絕緣層20使用，所以，通過由變為定向反射面的單晶矽製作的可動電極5的擺動引起的梁部分4的扭轉運動，可以作為光線的反射視覺識別，因此，可以方便地觀測外觀。凹進部分22限定在大板部分5a和固定電極6A之間的間隙25a與作為利用圖5說明的檢測間隙的小板部分5b和固定電極6B之間的間隙25b的檢測間隙之間的距離。從為電容C的基本公式的「C = e S/d」可以發現，需要精確地形成檢測間隙之間的距離，其中C表示電容，S表示相對面積，d表示檢測間隙之間的距離，而e表示介電常數。總體地，在通過半導體加工工藝形成的電容式傳感器中，需要使用於防止在生產加工期間的粘著以及在實際使用中的粘著的檢測間隙之間的距離為3 u m或更多。如果凹進部分22利用刻蝕速度依賴於晶體方向的性質由晶體的各向異性刻蝕形成，則刻蝕加工的操縱變為容易。因此，可以形成具有很小變化的顯著高精度的檢測間隙的間隙25a和25b ο圖11顯示了當凹進部分22通過晶體的各向異性刻蝕形成時，從圖9中的線A-A剖開的半導體層2的狀態。如顯示在圖11中的區域P所示，支座部分3和框架部分7的平面變為相對切割的單晶矽基板的晶體平面的預定角的平面方位。同時，在利用圖6說明的電勢取得部分8中，具有通過對底座8b切ロ形成的平底表面8C的凹進部分26在凹進部分22形成時由晶體各向異性刻蝕形成。在取得固定電極的電勢的電勢取得部分8中，需要精確地形成凹進部分26，以保證端子9和接觸部分12之間的可靠接觸和傳導。因此，如果凹進部分26通過在凹進部分22形成時由晶體各向異性刻蝕形成，則可以精確地形成具有小變化的凹進部分26。
傳感器I的支座部分3、梁部分4和可動電極5可以由雙結構的SOI (絕緣體上矽結構)形成，其中SOI作為矽支撐基板41和矽活性層43之間的中間氧化膜42插入。圖12是相對應圖9中的B-B橫截面的剖面視圖。當使用SOI基板40吋，間隙10首先通過垂直刻蝕加工如圖12 (a)所示形成，中間的氧化膜42通過如圖12(b)所示的犧牲層刻蝕去除，從而形成凹進部分22。也就是說，矽活性層43相對應半導體層2。當使用SOI基板40吋，由於可以省略用於將半導體層2結合到另一基板的一個步驟，所以，具有的優點是可以方便地形成電容式傳感器。同時，由於凹進部分22通過犧牲層刻蝕形成，所以，當半導體層2通過單晶矽基板形成吋，與凹進部分22通過在結合到例如玻璃基板的絕緣層20之前的刻蝕預先形成的情況相比，刻蝕殘渣的量増加的可能性很高。此外，由於絕緣層20不能是玻璃基板，所以，不能獲得以上效果。由於梁部分4包括在傳感器I的厚度方向較長的橫截面(垂直於梁部分4的延伸軸的橫截面)，所以，梁部分4不容易彎曲。梁部分4為具有如圖4所示的橫截面的恆定矩形(大致矩形)的梁，且需要使沿半導體層2的厚度方向的梁部分4的厚度為10 μ m或更多。厚度h的下限值10 μ m根據3 μ m或以上計算，所述3 μ m或以上為上述檢測間隙的總體檢測間隙之間的距離。當檢測間隙之間的距離設定為3 μ m或更多吋，需要移動可動電極5預定的位移量，以根據對通過傳感器I檢測的值進行信號處理的信號處理電路的能力保證靈敏度。 因此，可動電極5的厚度，即，梁部分4的厚度設定為10 μ m或更多，其為檢測間隙之間的最小距離的3 μ m的大約三倍。採用此結構，可以保證用於位移可動電極5足夠距離以獲得需要的靈敏度的質量。可動電極5的厚度的上限，S卩，梁部分4的厚度可以根據形成半導體層2的單晶娃基板的厚度設定為500 μ m。顯示在圖4中的梁部分4的厚度h為梁部分4的寬度W的3. 16倍或更多。例如，當可動電極5通過根據垂直加速度扭轉梁部分4正常地位移吋，即使可動電極5與絕緣層20和21接觸，接觸方式也為線接觸或點接觸。然而，當增加過度的加速度時，可動電極5在Z軸方向位移，同時保持表面水平，且可動電極5如圖13所示與絕緣層20和21表面接觸，並具有粘著出現的可能性。為了防止可動電極5在Z軸方向即，在垂直方向位移，需要減少其中實際上不扭轉和提升的模式。更具體地，如果梁部分4在垂直方向的彎曲設定為梁部分4在水平方向的彎曲的1/10或更小，則可以大大減少其中梁部分4實際上不扭轉和提升的模式。因此，計算基於橫截面第二力矩的最大彎曲，且如果梁部分4的厚度h確定為使得梁部分4在垂直方向的彎曲變為梁部分4在水平方向的彎曲的1/10或更小，則需要梁部分4的厚度h為梁部分4的寬度W的3. 16( ^ 101/2)倍或更多。採用此結構，可以大大減少其中梁部分4實際上不扭轉和提升的模式。因此，可動電極5與絕緣層20和21表面接觸，且可動電極5可以根據物理值圍繞梁部分4極好地扭轉，而不造成粘著(sticking)。如圖14所示，固定電極6A和6B不設置為使得其相對於為可動電極5的扭轉運動的中心的梁部分4(作為對稱軸)垂直對稱,而是設置為使得固定電極6A和6B朝向可動電極5的小板部分5b偏移。圖15(a)和圖15(b)顯示了當從圖14所示的箭頭L的方向觀看傳感器I時，在加速度G從垂直方向的下方增加前或後，扭轉運動的中心偏移的狀態。應該考慮，因為可動電 極5起到質量的作用，即，大板部分5a和小板部分5b相對於為扭轉運動的中心的梁部分4非對稱形成，造成其中扭轉中心偏移的現象。根據固定電極6A和6B相對於作為參考的對稱軸的梁部分4對稱設置的狀態考慮扭轉中心的偏移量，如圖15(a)所不，固定電極6A和固定電極6B設置在絕緣層20的下表面20b上，使得固定電極6A在接近梁部分4的方向，而固定電極6B在遠離梁部分4的方向。此時，固定電極6A和6B的偏移量，即，固定電極6A和6B在絕緣層20的下表面20b上的安裝位置根據通過傳感器I保證的加速度的檢測範圍確定。如果固定電極6A和6B的位置根據當增加物理值時改變的可動電極5的扭轉運動的中心位置確定，則由於根據增加的物理值檢測的電容的線性增強，可以精確地檢測物理值。此外，如果增加固定電極6和設置在絕緣層20上的可動電極5之間的相對面積，則可以增加通過傳感器I檢測的物理值的檢測靈敏度。因此，不形成沿如圖16(a)所示的可動電極5的大板部分5a和小板部分5b的長側延伸的紙板形狀，而是固定電極6A和6B沿間隙10的形狀形成於相對於大板部分5a和小板部分5b的絕緣層20的下表面20b上，同時避免了設置用於形成支座部分3和梁部分4的間隙10，從而增加了相對面積。採用此結構，由於通過固定電極6A和6B限定的相對於可動電極5的相對面積可以保證為極限，所以，可以利用非常好的靈敏度檢測增加到傳感器I的物理值。如上所述，如本實施例所示的傳感器1，通過垂直刻蝕為單晶矽基板的半導體層2，形成可動電極5的移動機構，移動機構包括支座部分3、梁部分4和可動電極5。因此，可動電極5可以利用充分厚的半導體層2形成。採用此結構，由於可以充分保證可動電極5的質量，所以，可動電極5根據物理值較大地位移。因此，可以增強電容的檢測靈敏度。由於可動電極5的位移量大，所以，可以保證寬度檢測間隙。因此，可以防止在可動電極5和設置固定電極6的絕緣層20之間產生粘著。由於通過具有ICP的刻蝕裝置進行的垂直刻蝕，所以，形成有半導體層2的加工表面不是錐形，可以減少裝置的尺寸。此外，由於加工表面不是錐形，所以，即使梁部分4和可動電極5由於過量的物理值造成彼此接觸，也可以防止結構變為碎裂。此外，由於垂直刻蝕表面不是鏡面，所以，即使接觸，也不會產生粘著。當進行垂直刻蝕時，由於刻蝕部分的截面形狀基本為垂直対稱，因此，可以防止在*相對於為檢測方向的主軸向的其它軸向產生靈敏度。由於如本實施例的傳感器I具有作為具有小的膜應カ的單晶矽基板的半導體層，所以，可以實現方便的加工過程。[第三實施例]其次，將參照圖17和圖18說明如本發明的第三實施例的傳感器I的結構。除了第三實施例所示的傳感器I可以檢測為在半導體層2的平面方向的水平方向的物理值外，第三實施例所示的傳感器I與檢測為在半導體層2的厚度方向的垂直方向的物理值的第二實施例顯示的傳感器I相同。圖17是顯示傳感器I的半導體層2的平面視圖。如圖17所示，半導體層2包括通過公知的加工エ藝在半導體基板中形成間隙10來檢測在垂直方向的物理值的垂直方向檢測單元50A、在水平方向檢測物理值的水平方向檢測單元50B、以及環繞這些單元的框架部分7。由於垂直方向檢測單元50A與傳感器I相同，所以，如果需要，可以進行適當地說明，並可以省略其具體的說明。與第二實施例的傳感器I的間隙10 —祥，通過活性離子刻蝕垂直地刻蝕間隙10，形成間隙10以使得間隙10的側壁表面垂直於半導體層2的表面。通過垂直刻蝕形成的間隙10的側壁表面基本彼此平行地彼此相対。作為活性離子刻蝕，可以利用通過具有感應耦合等離子體(ICP)的刻蝕裝置的ICP加工。如圖17所示，水平方向檢測單元50B的半導體層2形成有支撐單元53、梁部分54、可動電極55和固定電極56。圖18是顯示傳感器I切割為沿圖17的線D-D切開半導體層2的狀態的剖視圖。如圖18所示，通過陽極結合將例如玻璃基板的絕緣層20和21結合到半導體層2的前和後表面形成傳感器I。相對淺的凹進部分62在半導體層2以及絕緣層20和21之間的結合表面中形成，保證半導體層2的絕緣性質和可動電極55的移動方便性。在本發明的第二實施例中，對於水平方向檢測單元50B的半導體層2和絕緣層20之間的結合表面，凹進部分62設置在半導體層2 —側，而對於水平方向檢測單元50B的半導體層2和絕緣層21之間的結合表面，凹進部分62設置在絕緣層21 —側。如圖17所不,一對支撐單兀53通過可動電極55設置在可動電極55的長側的一側的每ー個上，而支撐単元53沿可動電極55的長側延伸基本恆定的寬度。以此方式設置的成對的支撐單元53的一個比另ー個薄且長。每個支撐單元53都設置有兩個梁部分54。梁部分54平行幹支撐單元53的長側延伸，而梁部分54的中間部分朝向中心例如曲折地摺疊並延伸。如圖17所示，梁部分4的另一端連接到可動電極55的角部，並起到相對支撐単元53弾性地可動支撐可動電極的彈簧件的作用。採用此結構，水平方向檢測單元50B起到通過連接到作為相對可動電極55的彈簧件的梁部分54的支撐單元53支撐的質量件的作用。這些彈簧件和質量件組成彈簧-質量系統。通過作為質量元件的可動電極55的位置位移，水平方向檢測單元50B檢測在可動電極55和固定電極56之間的電容中的變化。水平方向檢測單元50B可以從通過檢測的電容的C-V轉換變化獲得的電壓波形，檢測增加到傳感器I的加速度。
更具體地，電容的變化通過檢測單元58A和58B(當共同命名時，其稱為檢測單元58)檢測，檢測單元58包括多個形成於可動電極55和固定電極56上的梳狀檢測可動電極55a和檢測固定電極56a。
如果加速度給定在圖17中所示的Y軸方向中，則可動電極5在Y軸方向位移，並在通過檢測單元58B的檢測可動電極55a和檢測固定電極56a檢測的電容以及通過檢測單元58B的檢測可動電極55a和檢測固定電極56a檢測的電容之間產生差異。在Y軸方向的加速度可以從電容的差異檢測。通孔24被噴沙並在圖17所示的固定電極56的角56b中形成。通孔24穿過絕緣層20。金屬薄膜等由通過通孔24、通孔24的內周表面和絕緣層20的表面20a露出的半導體層2形成，使得固定電極56的電勢可以在絕緣層20上取得。優選絕緣層20的表面用樹脂層(未顯示)塗層(模製)。可動電極55的電勢從通過梁部分54支撐可動電極55的支撐單元53取得。設置在顯示在圖17中移動的可動電極55的上側上的支撐單元53被噴沙，並形成有例如穿過絕緣層20的通孔。金屬薄膜等由通過通孔24、通孔24的內周表面和絕緣層20的表面20a露出的半導體層2形成，使得可動電極55的電勢可以在絕緣層20上取得。其次，將利用可動電極55和固定電極56的放大平面視圖，根據圖19中顯示的水平方向檢測單元50B的檢測單元58說明檢測單元58的具體結構。如圖19所示，可動電極55形成有基本垂直於從可動電極55的中心部分朝向固定電極56的電極支撐單元56C的側面延伸的帶狀的薄和長的檢測可動電極55a。可動電極55a以梳狀的形式以預定的間距彼此平行形成。檢測可動電極55a設置為使得其尖端彼此平行，且尖端具有同樣的長度。固定電極56形成有從電極支撐單元56C朝向可動電極55的中心部分平行於檢測可動電極55a延伸的多個帶狀的薄和長的檢測固定電極56a。檢測固定電極56a以梳狀的形式以預定的間距(與例如檢測可動電極55a的同樣的間距)彼此平行形成，以便彼此平行以一對一的關係與檢測可動電極55a相對。檢測固定電極56a設置為例如對應檢測可動電極55a,使得檢測可動電極55a和檢測固定電極56a的彼此相對的表面的相對面積可以保證儘可能地大。如圖19所示，設置用於形成檢測可動電極55a和檢測固定電極56a的間隙10具有一個窄側間隙IOa和另一個寬側間隙10b。檢測單元58檢測檢測可動電極55a和檢測固定電極56a之間的電容，其中窄側間隙IOa為檢測間隙(電極間隙)。如圖17所示，與設置在垂直方向檢測單元50A的可動電極5上的止動件相同的止動件13設置在可動電極55的表面上的適當位置處，且此避免了可動電極55與絕緣層20直接接觸(撞擊)以及絕緣層20損壞的情況。如果止動件13在相同的生產步驟中由與電勢取得部分8的墊層27同樣的材料製作，則與其分別形成的情況相比，可以降低勞動生產力和生產成本。如利用圖17的說明，在水平方向檢測單元50B中，在半導體層2和絕緣層20之間的結合表面設置有在半導體層2 —側的凹進部分42。凹進部分42將半導體層2結合到絕緣層20，且在間隙10形成之前，凹進部分42通過例如溼刻蝕和幹刻蝕的各種刻蝕加工形成。當凹進部分52通過以此方式的刻蝕加工切割半導體層2形成時，作為玻璃基板的絕緣層20被結合，其為垂直刻蝕，從而形成間隙10。此時，如圖18所示，形成有支座部分3、梁部分4和垂直方向檢測單元50A的可動電極5的半導體層2的厚度hi、以及形成有梁部分54、可動電極54和水平方向檢測單元50B的固定電極56的半導體層2的厚度h2相同。如果厚度hi和厚度h2相同，貝U用於形成凹進部分62的步驟和用於形成限定垂直方向檢測單元50A中的檢測間隙的凹進部分22的步驟可以在同樣的步驟中形成。如果厚度hi和厚度h2相同，則在當間隙10形成時的垂直刻蝕加工期間，穿透刻蝕量可以保持恆定。因此，刻蝕時間變為相同，且可以防止過度刻蝕。穿透形成圖17所示的垂直方向檢測單元50A的梁部分4的間隙10的寬度wl，與如圖16中顯示的水平方向檢測單元50B的檢測單元58的檢測間隙的間隙IOa的寬度w2相同。如果間隙10的寬度wl和間隙IOa的寬度w2相同，則在垂直刻蝕加工時的刻蝕速度可以均勻化。因此，可以大大抑制當通過垂直刻蝕加工進行的刻蝕處理後形成的各個部分的形狀的變化。
特別是，由於垂直方向檢測單元50A的梁部分4造成扭轉運動，所以，梁部分4的寬度的變化影響檢測的靈敏度。如果間隙10的寬度wl和間隙IOa的寬度《2相同，且形狀的變化減少，則可以增強垂直方向檢測單元50A的檢測靈敏度。此外，顯示在圖18中的垂直方向檢測單元50A的梁部分4的寬度w3和水平方向檢測單元50B的梁部分54的寬度《4設定為相同的值。如果梁部分4的寬度《3和梁部分54的寬度w4相同，則當進行垂直刻蝕時，容易處理過度刻蝕。此外，如果梁部分4的寬度w3和梁部分54的寬度《4相同，則當半導體加工完成後進行的裝置的圖像識別的外觀檢測
變得容易。如第三實施例顯示的傳感器I可以具有如圖20所示的結構。顯示在圖20中的傳感器I具有垂直方向檢測單元50A的可動電極5，其具有環繞水平方向檢測單元50B的框架狀形狀。更具體地，可動電極5的大板部分5a尺寸縮小，且其質量減少，而水平方向檢測單元50B被連接部分5e環繞，連接部分5e連接彼此平行地延伸的兩個臂部分5d和5d，所述兩個臂部分5d和5d從尺寸縮小的大板部分5a沿水平方向檢測單元50B的固定電極56的電極支撐單元56C的縱向彼此平行延伸。如果可動電極形成為例如環繞水平方向檢測單元50B，則慣性力矩可以通過臂部分5d和連接部分5e獲得，連接部分5e為遠離作為扭轉運動的中心的梁部分4的質量分量。因此，即使大板部分5a尺寸縮小以減少質量，也可以增強檢測的靈敏度。此外，由於可以有效地設置垂直方向檢測單元50A和水平方向檢測單元50B，所以，具有的優點是傳感器2可以製作的較小。根據如本發明的第三實施例顯示的傳感器1，檢測在半導體層2的厚度方向的物理值的垂直方向檢測單元50A和檢測在半導體層2的平面方向的物理值的水平方向檢測單元50B通過垂直刻蝕同樣的半導體層2形成。例如，在設置檢測在一個軸向的物理值和在彼此垂直的其它軸向的物理值的兩個傳感器的傳感器的情況下，在兩個軸之間的直角精度由於位置偏差和在實際安裝時的漂移變差，然而，根據如本發明的第三實施例顯示的傳感器1，由於可以精確地保證檢測軸的直角精度，所以，兩個物理值都可以精確地檢測。此外，垂直方向檢測單元50A和水平方向檢測單元50B可以通過同樣的加工形成，可以減少生產加工過程，可以降低生產成本，且形狀可以製作的更小。此外，形成有支座部分3、梁部分4和垂直方向檢測單元50A的可動電極5的半導體層2的厚度hi、以及形成有水平方向檢測單元50B、梁部分54、可動電極55和水平方向檢測單元50B的固定電極56的半導體層2的厚度h2相同。如果例如生產的傳感器I的垂直方向檢測單元50A和水平方向檢測單元50B的靈敏度的性質變化，則可以確定在單晶矽基板切割之前單晶矽晶片本身具有變化。因此，可以由生產的傳感器I的性能方便地掌握例如生產單晶矽晶片的變化的性質，且當在單晶矽晶片的生產加工中出現不正常的條件時，可以快速發現不正常的條件並
提聞質量。 如果垂直方向檢測單元50A和水平方向檢測單元50B形成為一個整體，且其厚度製作為恆定，則可以保證整個重量平衡，且即使傳感器檢測垂直方向和水平方向的物理值，也可以大大減少實際安裝的漂移，因此，可以提高其它軸的靈敏度。應該注意，上述實施例只是本發明的例子。因此，本發明不局限於實施例，並可以通過不是上述實施例的實施例進行，同時，可以根據設計等做出各種改變，而不脫離本發明的技術範圍。工業應用本發明可以應用於通過檢測固定電極和可動電極之間的電容，檢測預定的物理值的電容式傳感器。
權利要求
1.一種電容式傳感器，所述電容式傳感器包括通過梁部分由半導體層的固定部分可動支撐的第一檢測單元，使得保持不對稱重量平衡，其中根據在半導體層的厚度方向的物理值的位移移動的第一可動電極、以及形成於支撐半導體層的支撐基板上的第一固定電極彼此相對，在第一可動電極和第一固定電極之間夾有間隙，而第一檢測單元基於根據第一可動電極和第一固定電極的尺寸檢測的電容來檢測所述物理值，所述半導體層為單晶矽層，而電容式傳感器包括第一可動電極的移動機構，所述第一可動電極的移動機構包括固定部分、梁部分以及通過垂直刻蝕單晶矽層形成的第一可動電極，所述第一可動電極位於具有短側和長側的矩形框架部分內，所述固定部分呈具有矩形橫截面的柱形狀，兩個所述梁部分從與矩形框架部分的短側相對的固定部分的一對側壁大致平行地延伸，第一可動電極形成為以間隙環繞固定部分的外側和梁部分，第一可動電極具有在矩形框架部分的長側的一側具有所述間隙的大致矩形的大板部分、以及在矩形框架部分的另一長側的一側具有所述間隙的大致矩形的小板部分，尺寸大於小板部分的所述大板部分的質量較大，第一可動電極通過具有不對稱質量平衡的梁部分由所述固定部分可動支撐，所述小板部分和大板部分通過一對沿所述矩形框架部分的短側方向延伸的連接部分彼此連接，所述梁部分分別連接到相應連接部分的支撐基板中心部分，所述第一固定電極包括與所述小板部分相對的與小板部分相對的第一固定電極、以及與所述大板部分相對的與大板部分相對的第一固定電 極，所述大板部分和小板部分相對於為扭轉運動的中心的梁部分非對稱形成，根據所述與小板部分相對的第一固定電極和所述與大板部分相對的第一固定電極相對於作為參考的對稱軸的所述梁部分對稱設置的狀態考慮扭轉中心的偏移量，所述與小板部分相對的第一固定電極和所述與大板部分相對的第一固定電極設置在支撐基板的下表面上，使得所述與大板部分相對的第一固定電極在接近梁部分的方向，而與小板部分相對的第一固定電極在遠離梁部分的方向。
2.根據權利要求I所述的電容式傳感器，進一步包括與形成於支撐基板上的第一固定電極相對的區域，其中在與支撐基板相對的半導體層的表面中形成凹進部分。
3.根據權利要求2所述的電容式傳感器，其中所述凹進部分通過晶體各向異性刻蝕形成。
4.根據權利要求I所述的電容式傳感器，其中利用具有中間氧化膜插入在矽支撐基板和矽活性層之間的結構的SOI (絕緣體上矽)基板，所述半導體層為SOI基板的矽活性層。
5.根據權利要求I所述的電容式傳感器，其中梁部分的厚度大於梁部分的寬度。
6.根據權利要求5所述的電容式傳感器，其中第一可動電極的厚度和梁部分的厚度為IOiim或更多。
7.根據權利要求5所述的電容式傳感器，其中梁部分的厚度為梁部分的寬度的3.16倍或更多。
8.根據權利要求I所述的電容式傳感器，進一步包括第二可動電極以及第二固定電極，所述第二可動電極通過進一步的梁部分由半導體層的固定部分可動支撐，且根據在半導體層的兩個方向上的物理值的位移操作，所述第二固定電極通過半導體層形成，其中第二可動電極和第二固定電極通過間隙彼此相對，電容式傳感器進一步包括第二檢測單元，所述第二檢測單元基於第二可動電極和根據相對第二可動電極的間隙的尺寸檢測的電容來檢測物理值。
9.根據權利要求8所述的電容式傳感器，其中第一檢測單元的半導體層的厚度和第二檢測單元的半導體層的厚度彼此基本相等。
10.根據權利要求8所述的電容式傳感器，其中第一檢測單元的梁部分的厚度和第二檢測單元的梁部分的厚度彼此基本相等。
11.根據權利要求8所述的電容式傳感器，其中第一檢測單元的梁部分的寬度和第二檢測單元的梁部分的寬度彼此基本相等。
12.根據權利要求8所述的電容式傳感器，其中通過用於形成第一檢測單元的梁部分的垂直刻蝕加工提供的間隙、與當第二可動電極和第二檢測單元的第二固定電極彼此相對時提供的間隙彼此基本相等。
13.根據權利要求8所述的電容式傳感器，其中第一檢測單元的第一可動電極具有環繞第二檢測單元的形狀。
全文摘要
電容式傳感器包括固定電極和通過梁部分由支座部分可動支撐的可動電極。固定電極和可動電極彼此相對，在其間夾有間隙，從而組成檢測單元。檢測適合間隙的尺寸的電容，以檢測預定的物理值。連接到支座部分的梁部分的端部和連接到可動電極的梁部分的端部的至少之一設置有調節應力的應力調節單元。大板部分和小板部分相對於為扭轉運動的中心的梁部分非對稱形成，根據與小板部分相對的第一固定電極和與大板部分相對的第一固定電極相對於作為參考的對稱軸的梁部分對稱設置的狀態考慮扭轉中心的偏移量，與大板部分相對的第一固定電極在接近梁部分的方向，而與小板部分相對的第一固定電極在遠離梁部分的方向。
文檔編號G01D5/241GK102654409SQ20121016278
公開日2012年9月5日 申請日期2007年4月25日 優先權日2006年4月28日
發明者古久保英一, 大渕正夫, 宮島久和, 若林大介, 青木亮 申請人:松下電器產業株式會社