电容式力学量传感器及其制造方法和包含该 传感器的检测装置 【技术领域】
本发明涉及一种电容式力学量传感器、一种制造电容式力学量传感器的方法以及一种包含电容式力学量传感器的检测装置。背景技术
作为示例，图7A中所示的电容式半导体加速度传感器是这样的电容式力学量传感器。如图7A和7B所示，在加速度传感器中，配重11被锚固部13支撑着，锚固部13通过弹簧12固定在半导体基板1上。第一和第二梳齿状可移动电极10a、10b与配重11整体形成。如图7A所示，分别面对着第一和第二可移动电极10a、10b的第一和第二梳齿状固定电极15a、15b在它们的一端被第一和第二电极配线16a、16b支撑着。
当检测加速度时，在用于可移动电极10a、10b的可移动电极垫14和用于固定电极15a、15b的固定电极垫17a、17b之间施加预定电压。在该电压作用下，第一和第二电容量CS1和CS2分别形成在第一可移动电极10a与第一固定电极15a之间和第二可移动电极10b与第二固定电极15b之间。当没有加速度作用时，CS1和CS2可用下面公式1表示。
CS1＝CS2＝ε×n×L×h1×(1/d1+1/d2) (公式1)
此处，ε是介电常数，n是每组可移动电极的数目，L是有效电极长度，其是可移动和固定电极面对表面的长度，h1是电极高度，其是可移动和固定电极面对表面的高度，d1和d2分别是电极之间的窄缝隙尺寸和电极之间的宽缝隙尺寸。在图7A所示的加速度传感器中，每个电极的有效电极长度L和电极高度h1均相同。
当传感器被加速时，弹簧12会发生变形以改变尺寸d1和d2或可移动电极10a、10b与固定电极15a、15b之间的距离d1和d2。然而，宽缝隙的尺寸d2比窄缝隙的尺寸d1大得多，因此第一和第二电容量CS1和CS2由于距离不同而不同。从而，加速度能够通过检测第一和第二电容量CS1和CS2之间的电容量差ΔC或(CS1-CS2)测量。
具体地讲，例如，如果传感器被加速而使第一可移动电极10a在图7A和7C中的箭头所指方向上移位Δd，则如图7C所示，第一可移动电极10a和第一固定电极15a之间的窄缝隙地尺寸d1缩小Δd，宽缝隙d2增大d，以增大第一电容量CS1。另一方面，在沿着图7A中剖线VIIC-VIIC剖切的横截面上，第二可移动电极10b和第二固定电极15b之间的窄缝隙的尺寸d1增大Δd，宽缝隙的尺寸d2缩小Δd，以减小第二电容量CS2。这样，电容量差ΔC就会增大。
更具体地讲，当传感器被加速而使第一可移动电极10a在图7A和7C中的箭头所指方向上移位Δd时，第一可移动电极10a和第一固定电极15a之间的窄缝隙变为(d1-Δd)，宽缝隙变为(d2+Δd)。另一方面，第二可移动电极10b和第二固定电极15b之间的窄缝隙变为(d1+Δd)，宽缝隙变为(d2-Δd)。因此，由公式1可得，ΔC或(CS1-CS2)能用下面等式表示。
ΔC＝ε×n×L×h1×{[1/(d1-Δd)+1/(d2+Δd)]-[1/(d1+Δd)+1/(d2-Δ
d)]}＝ε×n×L×h1×2Δd×[1/(d12-Δd2)-1/(d22-Δd2)]
此处，Δd与d1和d2相比足够小。因此，ΔC可用下面公式2表示。
ΔC≈ε×n×L×h1×2Δd×(1/d12-1/d22) (公式2)
传感器灵敏度能够通过增加每单位加速度对应的电容量变化也即公式2中的ΔC而增大。由公式2可知，ΔC能够通过与d1相比显著地增加d2而得以增大。
然而，因为宽缝隙的尺寸d2受到传感器尺寸限制，因此通过调整电极之间的距离很难显著地提高传感器灵敏度。发明内容
本发明考虑了上述方面，目的是提供一种灵敏度比所提供的传感器的灵敏度高的电容式力学量传感器、一种制造电容式力学量传感器的方法及一种包含电容式力学量传感器的检测装置。
根据本发明的电容式力学量传感器包含半导体基板、配重、可移动电极及两个固定电极。配重被半导体基板可移动地支撑着。可移动电极与配重整体形成。固定电极被半导体基板静止地支撑着。固定电极面对着可移动电极，用于提供窄缝隙和宽缝隙，并从而形成了具有某一电容量的检测部分。作为对所要检测的力学量的响应，配重和可移动电极会相对于固定电极移位，从而一个缝隙增加，另一缝隙减小。力学量是基于电容量变化而被检测的。限定宽缝隙的宽缝隙电极表面之一小于限定窄缝隙的窄缝隙电极表面，以提高传感器灵敏度。
上述传感器能够通过检测电路而被安装在检测装置中，检测电路在电容量由于所要检测的力学量而发生变化时输出检测信号。
上述传感器能够通过在半导体基板上这样成形可移动电极和两个固定电极而被制造成，即使一个宽缝隙电极表面变得比窄缝隙电极表面小。附图说明
下面通过参照附图对本发明进行详细描述，可使本发明的上述和其他目的、特征和优点变得更为显而易见。附图包括：
图1A是根据本发明第一实施例的电容式半导体加速度传感器的示意性俯视图；
图1B是沿着图1A中剖线IB-IB剖切的传感器的示意性剖视图；
图2A至2C是与图1B中横截面对应的横截面处的示意性剖视图，表示的是制造图1A中所示传感器的方法；
图3是用于图1A中所示传感器的检测电路的等效电路图；
图4A是沿着图1A中剖线IB-IB剖切的传感器的局部示意性剖视图，表示的是传感器在没有被加速时的状态；
图4B是沿着图1A中剖线IB-IB剖切的传感器的局部示意性剖视图，表示的是传感器在被加速时的状态；
图5A是沿着图1A中剖线VA-VA剖切的传感器的局部示意性剖视图，表示的是传感器在没有被加速时的状态；
图5B是沿着图1A中剖线VA-VA剖切的传感器的局部示意性剖视图，表示的是传感器在被加速时的状态；
图6是用于表示电容量变化率ΔC/ΔC0与d22/d12之间关系的曲线图；
图7A是所提供的半导体加速度传感器的示意性俯视图；
图7B是沿着图7A中剖线VIIB-VIIB剖切的传感器的示意性局部剖视图，表示的是没有加速度作用时的状态；以及
图7C是沿着图7A中剖线VIIB-VIIB剖切的传感器的示意性局部剖视图，表示的是有加速度作用时的状态。具体实施方式
下面，参照不同实施例，对本发明进行详细描述。
第一实施例
如图1A和1B所示，根据第一实施例的半导体加速度传感器包含具有绝缘硅(SOI)结构的基板4。基板4由半导体基板1或第一半导体层1、第二半导体层2及绝缘层3构成，其中绝缘层3是由例如二氧化硅制成的牺牲层。半导体层1、2由单晶体硅制成。图1A和1B中所示的传感器包含传感部分5，传感部分5通过应用了半导体加工技术的众所周知的显微机械加工技术形成。
如图1A所示，传感部分5包含可移动单元6、第一和第二固定单元7、8及外围部分9，其中外围部分9包围着可移动单元6和固定单元7、8。在可移动单元6、固定单元7、8及外围部分9之间具有预定间隙，以便将它们相互绝缘开来。
可移动单元6包含四个第一梳齿形状的可移动电极10a、四个第二梳齿形状的可移动电极10b、配重11、两个矩形框架形状的弹簧12、两个锚固部13及可移动电极垫14。弹簧12被连接在配重11和可移动锚固部13上，其中配重11是承受加速度作用的块体部分，可移动锚固部13被连接在绝缘层3上。可移动电极10a、10b与配重11形成为一个整体，以在与配重11的纵向方向正交的方向上从配重11的两侧延伸。可移动电极10a和10b、配重11及弹簧12与绝缘层3相分离。通过从第二半导体层2的表面对第二半导体层2进行蚀刻，以及通过使用选择性等离子蚀刻方法在绝缘层3表面附近对第二半导体层2的侧壁进行连续选择性地蚀刻，这种结构得以形成。
每个弹簧12均可以在与其纵向方向正交的方向上伸长和收缩。因此，当传感器在这个方向上被加速时，配重11和可移动电极10a、10b在图1A中箭头所指方向上移动，当加速度变为零时，它们则返回到最初位置。可移动电极垫14在预定位置连接在一个可移动锚固部13上。可移动电极垫14用于将可移动电极10a、10b电连接在C-V转换电路上，所述C-V转换电路在下面给以描述。
第一和第二固定单元7、8分别包含：四个梳齿形状的第一固定电极15a和四个梳齿形状的第二固定电极15b；第一和第二固定电极配线16a、16b；第一和第二固定锚固部18a、18b；以及第一和第二固定电极垫17a、17b。第一和第二固定电极垫17a、17b分别位于第一和第二固定锚固部18a、18b，用于将固定电极15a、15b电连接在C-V转换电路。固定电极配线16a、16b被安置得与配重11的纵向方向平行。第一和第二固定电极15a、15b分别从第一和第二固定电极配线16a、16b延伸，以便分别平行地面对从配重11两侧延伸的第一和第二可移动电极10a、10b，这样，固定电极15a、15b和可移动电极10a、10b之间就会形成预定的检测缝隙。
固定电极配线16a、16b和固定锚固部18a、18b被固定在半导体基板1上，从而使得绝缘层3位于中间。第一和第二固定电极15a、15b在一端上由第一和第二固定电极配线16a、16b支撑着。第一可移动电极10a和第一固定电极15a形成了提供第一电容量CS1的第一检测部分19，第二可移动电极10b和第二固定电极15b形成了提供第二电容量CS2的第二检测部分20。
如图1A所示，第一可移动电极10a和第一固定电极15a这样彼此交错布置，即在没有加速度施加时，尺寸为d1的窄缝隙和尺寸为d2的宽缝隙交替布置在第一可移动电极10a与第一固定电极15a之间。与上述方式相同，第二可移动电极10b和第二固定电极15b也彼此这样交错布置，即在第二可移动电极10b和第二固定电极15b之间交替为尺寸为d1的窄缝隙和尺寸为d2的宽缝隙。
如图1A所示，第一可移动电极10a与第一固定电极15a之间的位置关系不同于第二移动电极10b与第二固定电极15b之间的位置关系。特别地，如图1A所示，第一检测部分19的窄缝隙和第二检测部分20的窄缝隙位于由每个第一可移动电极10a和对应的第二可移动电极10b所确定的轴线的相反侧上。因此，例如，如果传感器被加速而使可移动电极10a、10b沿着图1A中箭头所指方向移位，则第一检测部分19中的窄缝隙尺寸d1减小，第一检测部分中的宽缝隙的尺寸d2增加。另一方面，第二检测部分20中的窄缝隙尺寸d1增加，第二检测部分中的宽缝隙尺寸d2减小。
下面，对图1A和1B中所示的半导体加速度传感器的制造方法进行简要地描述。首先，如图2A所示，准备好SOI基板4。基板4由半导体基板1或第一半导体层1、第二半导体层2及绝缘层3构成，其中绝缘层3由二氧化硅制成，并位于第一和第二半导体层1、2之间。半导体层1、2由单晶体硅制成。尽管多个传感器能够由SOI基板4形成，但只对一个传感器进行描述。
然后，虽然图中未示出，但可移动电极垫14及第一和第二固定电极垫17a、17b形成在第二半导体层2上。电极垫14、17a及17b的形成能够通过如下方法：在第二半导体层2的整个表面上沉积预定厚度的强导电金属；通过使用照相平版印刷技术和蚀刻技术印制出预定形状。金属例如铜(Cu)、铝(Al)、金(Au)和银(Ag)可用于电极垫14、17a和17b。
其后，如图2B所示，蚀刻掩模21的形成是用于成形出可移动和固定电极10a、10b、15a和15b。具体地讲，蚀刻掩模21通过照相平版印刷技术和蚀刻技术形成在第二半导体层2上的预定区域，并且在电极10a、10b、15a和15b之间即将形成缝隙的位置处具有开口。例如，氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、金属薄膜和感光耐蚀膜可用作蚀刻掩模21。
在蚀刻掩模21形成之后，如图2C所示，第二半导体层2通过穿过蚀刻掩模21的开口所进行的等离子蚀刻而被选择性地蚀刻。通过蚀刻，第二半导体层2在开口的下方被部分地去除，以暴露出绝缘层3。同时，第二半导体层2在电极10a、10b、15a和15b的下方的部分也被去除。通过蚀刻，可移动单元6被形成，并且可移动单元6的可移动电极10a和10b、配重11及弹簧12也可以移动。在上述蚀刻中，宽缝隙电极表面，或限定宽缝隙的电极10a、10b、15a和15b的表面被这样机加工，即宽缝隙电极表面变得比小缝隙电极表面或限定小缝隙的电极10a、10b、15a和15b的表面小。
再后，将蚀刻掩模21去除，并且SOI基板4被切成多个传感器芯片，以完成图1A和1B中所示的半导体加速度传感器。在上述描述中，虽然只使用了沿着图1A的剖线IB-IB剖切的横截面，但沿着图1A的剖线VA-VA剖切的横截面所表示的部分是以相同方式形成的。
图3是图1A中所示的传感器检测电路的等效电路图，其被包含在具有图1A中所示的传感器的检测装置中。如图3所示，检测电路包含C-V转换电路22或开关电热器电路22。C-V转换电路22将第一与第二电容量CS1、CS2之间的电容量差(CS1-CS2)转换为电压差，并输出电压差。C-V转换电路22包含运算放大器23、电容量为Cf的电容器24及开关25。
运算放大器23的反相输入端通过可移动电极垫14电连接在可移动电极10a、10b上。电热器24和开关25以并联方式连接在反相输入端和运算放大器23的输出端之间。电压Vcc/2是由图中未示出的电源施加给运算放大器23的同相输入端。
检测电路还包含图中未示出的控制电路。控制电路从第一固定电极垫17a向第一检测部分19的第一固定电极15a输入第一载波，该载波具有恒定的波幅Vcc且作周期性变化。同时，控制电路从第二固定电极垫17b向第二检测部分20的第二固定电极15b输入第二载波，该载波具有恒定的波幅Vcc，且相位与第一载波相比被偏移180°。
因此，当没有加速度作用时，由于第一检测部分19的第一电容量CS1大致等于第二检测部分20的第二电容量CS2，所以每个检测部分19、20的电压均变为Vcc/2。C-V转换电路22中的开关25在与载波同步的预定时刻被闭合和断开。当开关25断开时，可检测加速度。C-V转换电路22输出响应于加速度的电压Vout。Vout可用下面公式3表示。
Vout＝(CS1-CS2)×Vcc/Cf (公式3)
当传感器被加速时，第一电容量CS1相对于第二电容量CS2的比率会发生变化，并且输出如公式3所表示的与电容量差(CS1-CS2)成正比的Vout。输出电压由图中未示出的放大电路或低通滤波器进行处理，并被作为加速度检测信号进行检测。
尽管从图中未示出的电源向运算放大器23的同相输入端施加了电压Vcc/2，但为了产生自诊断功能，还可以提供与Vcc/2不相等的电压V1，其中在与载波同步的预定时刻利用图中未示出的开关从Vcc/2切换至V1，以强制性地使可移动电极10a、10b移位。
如图7A和7B所示，图中描述的加速度传感器包含第一检测部分19和第二检测部分20，其中第一检测部分19由第一可移动电极10a和第一固定电极15a构成，第二检测部分20由第二可移动电极10b和第二固定电极15b构成。第一可移动电极10a和第一固定电极15a彼此这样交错，即尺寸为d1的窄缝隙和尺寸为d2的宽缝隙交替布置在第一可移动电极10a与第一固定电极15a之间。与上述方式相同，第二可移动电极10b和第二固定电极15b也彼此这样交错布置，即尺寸为d1的窄缝隙和尺寸为d2的宽缝隙交替布置在第二可移动电极10b与第二固定电极15b之间。
在图7A和7B所示传感器中，如果每个电极具有相同的有效电极长度L和相同的电极高度h1，其中有效电极长度L是可移动和固定电极面对表面的长度，高度h1是可移动和固定电极面对表面的高度，则分别形成在第一可移动电极10a与第一固定电极15a之间和第二可移动电极10b与第二固定电极15b之间的第一和第二电容量CS1、CS2可用下面公式4表示。
CS1＝CS2＝ε×n×L×h1×(1/d1+1/d2) (公式4)
其中，ε是介电常数，n是每组可移动电极的数目。当没有加速度作用时，第一和第二电容量CS1、CS2之间的电容量差ΔC或(CS1-CS2)为零。
当所述传感器被加速时，弹簧12会发生变形，从而尺寸d1和d2会发生变化。如果所述传感器被加速而使第一可移动电极10a沿着图7A和7C中的箭头所指方向移动Δd，则在第一检测部分19中的窄缝隙变为(d1-Δd)，宽缝隙变为(d2+Δd)，从而会增加第一电容量CS1。另一方面，第二检测部分20中的窄缝隙变为(d1+Δd)，宽缝隙变为(d2-Δd)，从而会降低第二电容量CS2。因此，电容量差ΔC0得以增加。
由公式4可知，ΔC可用下面公式表示。ΔC0＝ε×n×L×h1×{[1/(d1-Δd)+1/(d2+Δd)]-[1/(d1+Δd)+1/(d2-Δ
d)]}＝ε×n×L×h1×2Δd×[1/(d12-Δd2)-1/(d22-Δd2)]
其中，Δd与d1和d2相比足够小。因此，ΔC0可以用下面公式5表示。
ΔC0≈ε×n×L×h1×2Δd×(1/d12-1/d22) (公式5)
因此，传感器灵敏度，也即公式5中的ΔC0，能通过增加公式5的小括号内的值而得到增大。公式5的小括号内的值能够通过相对于d1充分地增大d2而获得增大。然而，由于尺寸d2受到传感器尺寸的限制，所以很难充分地增大d2。
在此，形成在一对电极之间的电容量与电极的面积成正比，与电极之间的距离成反比。因此，与限定窄缝隙的电极表面的总面积相比，可以通过减小限定宽缝隙的电极表面的总面积使电容量CS1与CS2的差值增大，而不必增加宽缝隙的尺寸d2。总面积是有效电极长度L与电极高度h1的乘积的总和，也即(n×L×h1)。
因此，当有效电极长度L为常数时，可以通过减小限定宽缝隙的电极表面的电极高度h1使电容量CS1与CS2的差值增大。从而，通过增大检测部分19、20中与可移动单元6移动对应的电容量CS1与CS2的差值，以及通过使用C-V转换电路22获得与电容量CS1、CS2之间的差值对应并且在相反方向上变化的信号，能够使感器灵敏度得以提高。
如上所述，在该实施例中，通过使得限定窄缝隙的电极表面的电极高度h1和限定宽缝隙的电极表面的电极高度h2不同而使传感器灵敏度得以提高。
如图4A和5A所示，当限定第一检测部分19的电极10a、15a之间的宽缝隙的电极表面的电极高度为h1和限定第二检测部分20的电极10b、15b之间的电极表面的电极高度为h2时，第一和第二检测部分19、20的第一和第二电容量CS1和CS2可用下面公式6表示。
CS1＝CS2＝ε×n×L×h1×(h1/d1+h2/d2) (公式6)
在该实施例中，限定每个宽缝隙的两个电极表面的电极高度为h2。然而，只要两个电极表面中的一个的电极高度为h2，就能够获得大致相同的效果。
例如，当传感器被加速而使第一可移动电极10a沿着图4B和5B中的箭头所指方向移位Δd时，在第一检测部分19中的窄缝隙变为(d1-Δd)，宽缝隙变为(d2+Δd)，从而使得电容量CS1增大。另一方面，在第二检测部分20中的窄缝隙变为(d1+Δd)，宽缝隙变为(d2-Δd)，从而使得第二电容量CS2减小。因此，电容量差ΔC就会增大。
由公式6可知，ΔC可用下面公式表示。ΔC＝ε×n×L×h1×{[h1/(d1-Δd)+h2/(d2+Δd)]-[h1/(d1+Δd)+h2/(d2-
Δd)]}＝ε×n×L×h1×2Δd×[h1/(d12-Δd2)-h2/(d22-Δd2)]
在此，Δd与d1和d2相比足够小。因此，ΔC能用下面公式7表示。
ΔC0≈ε×n×L×h1×2Δd×(h1/d12-h2/d22) (公式7)
通过对比公式5和公式7可得，传感器灵敏度能够通过加工电极10a、10b、15a和15b以满足下面公式8而得以增大。
h1＞h2 (公式8)
电极10a、10b、15a和15b能够通过例如等离子蚀刻而被加工得满足公式8。更具体地讲，当进行等离子蚀刻时，窄缝隙的尺寸d1被设定得用于产生预定微加载作用。由于微加载作用，第二半导体层2在窄缝隙处的蚀刻速率低于在宽缝隙处的蚀刻速率。因此，如图2C所示，当窄缝隙被蚀刻完成时，第二半导体层2在宽缝隙处被过多蚀刻，从而在限定宽缝隙的侧壁上形成了凹槽。从而，电极10a、10b、15a和15b能被加工得满足公式8。
由公式5和公式7可得，电容量变化率ΔC/ΔC0可用下面公式9表示。
ΔC/ΔC0＝(X-h2/h1)/(X-1) (公式9)
其中，X＝d22/d12。
图6是用于表示电容量变化率ΔC/ΔC0与d22/d12之间关系的曲线图。在图6中，符号○、▲和□分别代表当h2/h1＝0.25、h2/h1＝0.50和h2/h1＝0.75时ΔC/ΔC0与d22/d12之间的关系。没有任何符号的实线表示的是当h2/h1＝1.0也即h2＝h1时ΔC/ΔC0与d22/d12之间的关系。由图6可知，通过使得宽缝隙电极表面的电极高度h2小于窄缝隙电极表面的电极高度h1以增大电容量变化率ΔC/ΔC0，可以使得传感器灵敏度与图7A中的提出传感器相比获得增大。
如上所述，在根据该实施例的半导体加速度传感器中，宽缝隙电极表面的电极高度h2小于窄缝隙电极表面的电极高度h1，以便增大电容量变化率ΔC/ΔC0。使用这种结构，电容量差ΔC变得比前述传感器的电容量差ΔC0大，从而可以增大传感器的灵敏度。
其他实施例
在第一实施例中，传感器灵敏度通过降低限定宽缝隙的电极表面的电极高度h2而得以提高。然而，传感器灵敏度还可以通过降低限定宽缝隙的电极表面的有效电极长度L得以提高。作为一种替代性方法，电极高度h2和有效电极长度L也可以被同时降低。
在第一实施例中，限定宽缝隙的所有电极表面具有相同的电极高度h2。然而，不必使限定宽缝隙的所有电极表面具有相同的电极高度h2，而只需要使限定一个宽缝隙的至少一个电极表面具有电极高度h2。
图1A和1B中所示的半导体加速度传感器通过从第二半导体层2的表面对其进行蚀刻而被制造成。然而，本发明也能够应用于这样的半导体传感器，其中，振动膜例如可移动电极通过从第一半导体层1的表面或其非绝缘层侧对第一半导体层1进行蚀刻而形成。