專利名稱：電容z軸加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容加速度計，更具體地說，涉及能與x和y軸加速度計一起集成為單個芯片并最小化電容變化以便實現(xiàn)z軸方向中的良好的加速度靈敏度以及利用低成本的放大器和過濾器的電容z軸加速度計。
背景技術(shù)：
加速度計被稱為微型機電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備。MEMS設(shè)備表示受電控制和測量的微刻度機械設(shè)備，其中MEMS是用于通過半導(dǎo)體工藝，制造機械和電子設(shè)備的技術(shù)。
當(dāng)前正在開發(fā)能測量加速度的各種加速度計，以及用在車輛氣囊系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)和一般振動計中。加速度計主要通過半導(dǎo)體工藝制作，以及劃分成壓電、壓阻和電容加速度度。壓電加速度計由于其難以在沒有靜電特性的情況下，配制良好屬性的薄膜，因此在商業(yè)正在退步。另外，壓阻加速度計根據(jù)溫度變化，顯示出難以補償?shù)母鞣N特性變化。因此，當(dāng)前技術(shù)趨勢傾向于電容加速度計。
電容加速度計具有非常良好的特性電容加速度計顯示根據(jù)溫度變化的很小程度的特性變化，允許高完整性的場效應(yīng)晶體管構(gòu)成信號處理電路而沒有另外的處理，以及能以低成本制作。
圖1示意性地示例說明典型的加速度計。如圖1所示，傳統(tǒng)的電容加速度計1包括作為可移動結(jié)構(gòu)的浮動主體(floating mass)10、充當(dāng)機械剛度(mechanical stiffness)的彈簧的懸梁(suspension beam)，用于彈性支撐主體10的兩端、從主體10延伸到圖中所見的兩側(cè)對稱結(jié)構(gòu)中的多個可移動電極指(electrode finger)12和14、固定到兩個電極固定部件030a和30b上以及與可移動電極12和14分開預(yù)定間隙的多個固定電極指32和34以及用于將懸梁22和24固定到絕緣板的底部的梁固定部20a和20b?？梢苿与姌O指12和143用來維持離固定電極指32和34的固定間隙，除非從外部施加任何加速度以便保持電容的預(yù)定值。
標(biāo)記19表示用于通過其引入蝕刻液的蝕刻孔。
在將外力施加到加速度計1上后，在力的方向或y軸方向(即圖中所見的垂直方向)中移動主體10，在y方向中推動固定到其上的可移動電極指12和14。這從而增加和減小從可移動電極指12和14到固定電極指32和34的間隙g1和g2，表示主體10的位移。
這改變可移動電極指12和14與固定電極指32和34間的電容。根據(jù)施加到固定電極指32和34上的讀出電壓，電容的變化感應(yīng)為進入可移動電極指12和14中的電流，以及將該電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后用連接到可移動電極指12和14的放大器(未示出)放大以便能測量外部加速度。
為通過加速度計測量相對于x、y和z軸的外部加速度，水平放置兩個這種類型的加速度計以便能在x和y軸方向中移動主體10，以及垂直安置這種類型的第三加速度計，以便通過在z軸方向中主體100的移動來測量z軸加速度。
這種結(jié)構(gòu)的問題在于因為垂直z軸加速度計與x和y軸加速度一起，增加了占用大的空間的總的高度，使得總體積增加。
如果降低z軸加速度計1的高度以便減小整體結(jié)構(gòu)，可移動和固定電極指12、14、32和34間的電容變化變得極其小。因此，為檢測和將電容變化的痕量(trace amount)轉(zhuǎn)換成電壓，有必要在加速度計1附近提供高放大率的放大器、解調(diào)器和高性能過濾器。然而，這會使加速度計的整體結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜同時增加了制作成本。
此外，因為也一起放大輸入信號中的噪聲分量，更高放大率產(chǎn)生包含更多噪聲和非線性分量的輸出信號，從而進一步惡化加速度的性能。

發(fā)明內(nèi)容
因此，已經(jīng)做出了本發(fā)明來解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題。
本發(fā)明的目的是提供能與x和y軸加速度計一起集成為單個芯片的電容z軸加速度計，從而降低傳感器的大小，最小化電容變化以便在z軸方向中具有良好的加速度靈敏度，降低通過放大器放大的信號同時減小包含在信號中的噪聲分量的放大以便防止惡化傳感器的靈敏度，以及利用低成本放大器和過濾器。
根據(jù)用于實現(xiàn)該目的的本發(fā)明的方面，提供一種電容z軸加速度計，包括固定電極，具有與絕緣板的頂面平行安置的至少兩個矩形固定電極板，固定電極板經(jīng)多個柱使一個位于另一個之上以及安置在絕緣板的電極固定部上；可移動電極，具有與固定電極板交錯的至少兩個矩形可移動電極板，可移動電極板經(jīng)位于貫穿固定電極板的導(dǎo)向孔內(nèi)的多個接插件柱一個位于另一個之上；以及多個支撐梁，用于將可移動電極與分別安置在可移動電極的兩端附近的梁固定部連接，以便彈性支撐可移動電極。
最好，固定電極板經(jīng)多個柱，以恒定間隙使一個位于另一個之上。
最好，可移動電極板經(jīng)用于將可移動電極板連接在一起的多個接插件柱，以恒定間隙使一個位于另一個之上。
最好，可移動電極板的每一個包括具有小于每一個固定電極板的面積的矩形板。
最好，支撐梁的每一個包括用于連接可移動電極板的最上一個和最下一個的兩端的預(yù)定長度的彈性構(gòu)件。
最好，通過蝕刻孔貫穿固定和可移動電極板以及支撐板，蝕刻孔用于引入用于犧牲層形成的蝕刻液，以便允許可移動電極的z軸位移。
另外，本發(fā)明的電容z軸加速度計可以進一步包括從固定電極板或可移動電極板延伸的至少一個突起，以便在可移動板變形中接觸固定和可移動電極板的相鄰的一個。
最好，突起是圓錐形以便執(zhí)行與固定和可移動電極板的相鄰和相應(yīng)一個的點接觸。
最好，突起是半圓柱形，以便執(zhí)行與固定和可移動電極板的相鄰和相應(yīng)一個的線接觸。
根據(jù)用于實現(xiàn)該目的的本發(fā)明的另一方面，提供一種電容z軸加速度計，包括第一和第二固定電極，每個具有與絕緣板的頂面平行安置的至少兩個矩形固定電極板，固定電極板經(jīng)多個柱使一個位于另一個之上，以及安置在絕緣板的電極固定部上；第一和第二可移動電極，每個具有與固定電極板交錯的至少兩個矩形可移動電極板，可移動電極板經(jīng)位于貫穿固定電極板的導(dǎo)向孔內(nèi)的多個接插件柱，使一個位于另一個之上；以及多個支撐梁，用于連接可移動電極和分別安置在可移動電極的外端附近以及可移動電極間的梁固定部，以便彈性支撐可移動電極。
最好，與第一和第二可移動電極彈性連接的支撐梁具有彼此不同的高度以便相對于z軸位移的電容變化具有相反的極性。
最好，可移動電極板的每一個包括具有小于每個固定電極板的面積的矩形板。
最好，支撐梁的每一個包括用于連接可移動電極板的最上一個和最下一個的兩端的預(yù)定長度的彈性構(gòu)件。
最好，通過蝕刻孔貫穿固定和可移動電極板以及支撐板，蝕刻孔用于引入用于犧牲層形成的蝕刻液，以便允許可移動電極的z軸位移。
另外，電容z軸加速度計可以進一步包括從固定電極板或可移動電極板延伸的至少一個突起，以便在可移動板變形中接觸固定和可移動電極板的相鄰的一個。
最好，突起是圓錐形以便執(zhí)行與固定和可移動電極板的相鄰和相應(yīng)一個的點接觸。
最好，突起是半圓柱形，以便執(zhí)行與固定和可移動電極板的相鄰和相應(yīng)一個的線接觸。


從下述結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，將更清楚地理解本發(fā)明的上述和其他目的、特征和其他優(yōu)點，其中圖1示意性地示例說明典型的加速度計；圖2是根據(jù)本發(fā)明的電容z軸加速度計的透視圖；圖3A是圖2中的電容z軸加速度計的平面圖；圖3B是圖2中的電容z軸加速度計的側(cè)正視圖；圖3C是沿線A-A′所獲得的圖2中的電容z軸加速度計的縱向截面圖；圖4A是沿圖3B中的線B-B′所獲得的平面圖；圖4B是沿圖3B中的線C-C′所獲得的平面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明，具有蝕刻孔的電容z軸加速度計的側(cè)正視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明，具有突起的電容z軸加速度計的側(cè)正視圖；圖7A和7B是根據(jù)本發(fā)明，在電容z軸加速度計中提供的突起的透視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明，具有突起的蝕刻孔的電容z軸加速度計的側(cè)正視圖；以及圖9是示例說明根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的z軸加速度計的側(cè)正視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將參考附圖，詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的電容z軸加速度計的透視圖，圖3A是圖2中的電容z軸加速度計的平面圖，圖3B是圖2中的電容z軸加速度計的側(cè)正視圖，圖3C是沿線A-A′所獲得的圖2中的電容z軸加速度計的縱向截面圖，圖4A是沿圖3B中的線B-B′所獲得的平面圖以及圖4B是沿圖3B中的線C-C′所獲得的平面圖。
如圖2至4B所示，本發(fā)明的加速度計100具有一個放在另一個之上的多個電極板以便實現(xiàn)關(guān)于z軸加速度的高靈敏度以及小的安裝高度，從而加速度計100能與x和y軸加速度計一起集成為一個芯片。加速度計100包括固定電極110、可移動電極120和支撐梁130。
固定電極110是安置在位于絕緣板200上的電極固定部115上的固定結(jié)構(gòu)，并包括以預(yù)定間隙一個位于另一個之上的至少兩個固定電極板112。
固定電極板112是矩形電極構(gòu)件，并與絕緣板200的頂面平行安置。固定電極板112經(jīng)在固定電極板112的拐角處垂直提供的柱114一個位于另一個之上。
在除最上面一個外，在固定電極板112的拐角附近形成導(dǎo)向孔116以便允許通過用于連接可移動電極板122的接插件柱(connector post)124，這將在下面描述。
可移動電極120是以相對于固定電極110可移動的形式，安置在z軸方向中的可移動結(jié)構(gòu)以便在z軸或在施加外部加速度后的外部加速度方向中移動，以及具有與固定電極板112交錯插入的至少兩個可移動電極板122以便改變到固定電極板112的間隙，從而改變電容。
可移動電極板122是矩形板狀電極構(gòu)件，以及以預(yù)定間隙位于可移動電極板112之上或之下，在適當(dāng)位置平行于固定電極板112的頂和底面?？梢苿与姌O板112經(jīng)在其拐角處垂直提供的接插件柱124一個位于另一個之上。
固定和可移動電極板112和122彼此交錯放置，以及通過來自美國的Sandia Lab的多層多晶硅沉積和來自美國的Microfabria的電鍍形成。
固定電極板112經(jīng)連接固定電極板112的柱114一起，以固定間隙一個位于另一個之上，以及可移動電極板122還經(jīng)連接可移動電極板122的柱124一起，以固定間隙一個位于另一個之上。
當(dāng)在該圖中，在z軸方向中向下移動可移動電極120時，使可移動電極板122和位于該可移動電極板122上的固定電極板112間的間隙G1變窄以便增加電容，而使可移動電極板122和位于可移動電極板122之下的固定電極板112間的間隙變寬以便減小電容。在可移動電極板122的向上方向中，從初始值的電容變化與可移動電極板122的向下方向中相反。
在相應(yīng)于接插件柱124的截面形狀和位置的固定電極板112的拐角中，使導(dǎo)向孔116貫穿以便可移動電極板122的接插件柱124能在z軸方向中自由地移動。
使與固定電極板112交錯的可移動電極板122成形為小于相應(yīng)的固定電極板112的表面積的矩形板。
在這種情況下，盡管在水平方向，例如，相對于固定電極110的x或y軸方向中移動可移動電極120，可移動電極120的最大移動范圍處于固定電極板112的表面積內(nèi)以便在固定和移動電極板間不會發(fā)生由間隙變化引起的電容變化，從而相對地提高z軸靈敏度同時最小化x和y軸靈敏度。
支撐梁130a和130b從在固定和可移動電極110和120的兩端附近安置的梁固定部132和134延伸到可移動電極板122，并由彈性構(gòu)件諸如預(yù)定機械彈性組件的片簧制成，用于將可移動電極板122的兩端與梁固定部132彈性連接以便彈性支撐可移動電極120。
支撐梁130a和130b最好由具有連接到可移動電極板122的最上和最下一個的兩端的前端(leading end)的彈性梁制成。
同時，如圖5所示，最好通過用于引入用于形成犧牲層的蝕刻液的蝕刻孔140，貫穿固定和可移動電極板112和122以及支撐梁130a和130b以便在z軸方向中，相對于固定電極110，可自動地移動可移動電極120。
如圖6所示，從可移動電極板122延伸至少一個突起150以便在可移動電極板122變形中，與固定電極板112的相鄰和相應(yīng)的一個接觸。另外，可以從固定電極板112延伸突起150以便與可移動電極板122的相應(yīng)的一個接觸。
如圖7A所示，每個突起150是圓錐形的以便執(zhí)行與固定或可移動電極板112和122的相應(yīng)的一個的點接觸。另外，如圖7B所示，每個突起150可以是半圓柱形以便執(zhí)行與固定或可移動電極板112和122的線接觸。
在突起150從固定電極板112或可移動電極板122延伸的情況下，如果使可移動電極板122變形以便使到相應(yīng)的固定電極板112的間隙變窄，在可移動電極板122執(zhí)行與相應(yīng)的固定電極板112的面接觸前，突起150執(zhí)行與固定或可移動電極板112或122的相應(yīng)的一個的點接觸或線接觸以便防止會防礙可移動電極120的z軸位移的固定和可移動電極板112和122間的任何附著。
如圖8所示，最好固定和可移動電極板112和122以及支撐梁130a和130b具有多個蝕刻孔140同時固定電極板112或可移動電極板122具有多個突起150。
圖9示例說明根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的z軸加速度計。如圖9所示，加速度計100a包括共同成對提供的第一和第二固定電極110和310、第一和第二可移動電極120和320以及支撐梁130a、130b、330a和330b。第一和第二固定電極110和310是安置在左和右邊中以及分別在絕緣板200的電極固定部115和315上的固定結(jié)構(gòu)對。第一固定電極110具有經(jīng)柱114，以預(yù)定間隙一個位于另一個之上的至少兩個矩形固定電極板112，以及第二固定電極310還具有經(jīng)柱314，以預(yù)定間隙一個位于另一個之上的至少兩個矩形固定電極板312。
第一可移動電極120包括與固定電極板112的相應(yīng)的一個交錯的至少兩個矩形可移動電極板122，以及第二可移動電極320包括與固定電極板312的相應(yīng)的一個交錯的至少兩個矩形可移動電極板322。第一可移動電極板122經(jīng)安置在貫穿第一固定電極板112的導(dǎo)向孔116內(nèi)的柱124一個位于另一個之上，以及第二可移動電極322經(jīng)安置在貫穿第二固定電極板312的導(dǎo)向孔316內(nèi)的柱324一個位于另一個之上。
支撐梁130a和130b是具有預(yù)定長度的彈性梁結(jié)構(gòu)，用于連接第一可移動電極120的可移動電極板122和梁固定部132和134以便彈性支撐第一可移動電極板122，以及支撐梁330a和330b是具有預(yù)定長度的彈性梁結(jié)構(gòu)，用于連接第二可移動電極320的第二可移動電極板322與梁固定部134和梁固定部334以便彈性支撐第二可移動電極板322。中間梁固定部134位于可移動電極120和320之間，以及梁固定部132和334位于可移動電極120和320的外端附近。
與第一可移動電極120彈性連接的支撐梁130a和10b最好具有不同于彈性連接第二可移動電極320的支撐梁330a和330b的高度以便相對于第一固定電極110，在第一可移動電極120的z軸方向中的電容變化具有與相對于絕緣板200上的第二固定電極310的第二可移動電極320相反的極性。因此，這允許在沒有微分電路的情況下處理微分操作。
在另一實施例的加速度計100a中，如果相對于固定電極110和310，外力使可移動電極120和320在z軸方向中向下移動，第一可移動電極120的可移動電極板122和交錯的第一固定電極板112間的電容變化具有正值，因為從每個可移動電極板122的頂面到相應(yīng)的第一固定電極板112的間隙G1變窄以便增加電容。
相反，第二可移動電極320的可移動電極板322與交錯的第二固定電極板312間的電容變化具有與第一電極110相反的負(fù)值，因為從每個可移動電極板322到相應(yīng)的第二固定電極板312的間隙G3變寬以便降低電容。
因此，在沒有微分電路的情況下，通過微分操作，可以放大第一和第二可移動電極120和320中的電容變化兩倍，如等式1所示ΔC＝2×[{(C1/G1)-(C2/G3)}×M×A]/K .... 等式1其中，C1是第一可移動和固定電極間的初始電容，C2是第二可移動和固定電極間的初始電容，G1和G3是可移動板和固定板間的間隙，M是可移動電極和支撐梁的總重量，A是加速度，以及K是支撐梁的彈簧常數(shù)。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明，矩形可移動電極板與矩形固定電極板交錯放置以便最小化z軸方向中的電容變化，從而本發(fā)明的加速度計具有于x和y軸加速度計的安裝高度，從而可與它們集成為一個芯片，因此，允許以微型大小設(shè)計最終產(chǎn)品。
因此，本發(fā)明能最大化可移動電極板和固定電極板間的電容變化以便增強z軸加速度靈敏度，降低通過放大器放大的信號以及信號中的噪聲分量以便防止傳感器的靈敏度降低，以及利用低成本的放大器和/或過濾器以便節(jié)省制作成本。
結(jié)合優(yōu)選實施例，已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說在不背離由附加權(quán)利限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，能做出各種改進和改變是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種電容z軸加速度計，包括固定電極，具有與絕緣板的頂面平行安置的至少兩個矩形固定電極板，所述固定電極板經(jīng)多個柱使一個位于另一個之上以及安置在所述絕緣板的電極固定部上；可移動電極，具有與所述固定電極板交錯的至少兩個矩形可移動電極板，所述可移動電極板經(jīng)位于貫穿所述固定電極板的導(dǎo)向孔內(nèi)的多個接插件柱一個位于另一個之上；以及多個支撐梁，用于將所述可移動電極與分別安置在鄰近所述可移動電極的兩端的梁固定部連接，以便彈性支撐所述可移動電極。
2.如權(quán)利要求1所述的電容z軸加速度計，其中，所述固定電極板經(jīng)多個柱，以恒定間隙使一個位于另一個之上。
3.如權(quán)利要求1所述的電容z軸加速度計，其中，所述可移動電極板經(jīng)用于將可移動電極板連接在一起的多個接插件柱，以恒定間隙使一個位于另一個之上。
4.如權(quán)利要求1所述的電容z軸加速度計，其中，所述可移動電極板的每一個包括具有小于每一個固定電極板的面積的矩形板。
5.如權(quán)利要求1所述的電容z軸加速度計，其中，所述支撐梁的每一個包括用于連接所述可移動電極板的最上一個和最下一個的兩端的預(yù)定長度的彈性構(gòu)件。
6.如權(quán)利要求1所述的電容z軸加速度計，其中，通過蝕刻孔貫穿所述固定和可移動電極板以及支撐板，所述蝕刻孔用于引入用于犧牲層形成的蝕刻液，以便允許所述可移動電極的z軸位移。
7.如權(quán)利要求1所述的電容z軸加速度計，進一步包括從所述固定電極板或可移動電極板延伸的至少一個突起，以便在所述可移動板變形中接觸所述固定和所述可移動電極板的相鄰的一個。
8.如權(quán)利要求7所述的電容z軸加速度計，其中，所述突起是圓錐形以便執(zhí)行與所述相鄰和相應(yīng)的固定和可移動電極板中的一個的點接觸。
9.如權(quán)利要求7所述的電容z軸加速度計，其中，所述突起是半圓柱形，以便執(zhí)行與所述相鄰和相應(yīng)的固定和可移動電極板中的一個的線接觸。
10.一種電容z軸加速度計，包括第一和第二固定電極，每個具有與絕緣板的頂面平行安置的至少兩個矩形固定電極板，所述固定電極板經(jīng)多個柱使一個位于另一個之上，以及安置在所述絕緣板的電極固定部上；第一和第二可移動電極，每個具有與所述固定電極板交錯的至少兩個矩形可移動電極板，所述可移動電極板經(jīng)位于貫穿所述固定電極板的導(dǎo)向孔內(nèi)的多個接插件柱，使一個位于另一個之上；以及多個支撐梁，用于連接所述可移動電極和分別安置在附近所述可移動電極的外端并且位于可移動電極間的梁固定部，以便彈性支撐所述可移動電極。
11.如權(quán)利要求10所述的電容z軸加速度計，其中，與所述第一和第二可移動電極彈性連接的所述支撐梁具有彼此不同的高度以便相對于z軸位移的電容變化具有相反的極性。
12.如權(quán)利要求10所述的電容z軸加速度計，其中，所述可移動電極板的每一個包括具有小于每個固定電極板的面積的矩形板。
13.如權(quán)利要求10所述的電容z軸加速度計，其中，所述支撐梁的每一個包括用于連接所述可移動電極板的最上一個和最下一個的兩端的預(yù)定長度的彈性構(gòu)件。
14.如權(quán)利要求10所述的電容z軸加速度計，其中，通過蝕刻孔貫穿所述固定和可移動電極板以及支撐板，所述蝕刻孔用于引入用于犧牲層的形成的蝕刻液，以便允許所述可移動電極的z軸位移。
15.如權(quán)利要求10所述的電容z軸加速度計，進一步包括從所述固定電極板或可移動電極板延伸的至少一個突起，以便在所述可移動板變形中接觸所述固定和所述可移動電極板的相鄰的一個。
16.如權(quán)利要求15所述的電容z軸加速度計，其中，所述突起是圓錐形以便執(zhí)行與相鄰和相應(yīng)的所述固定和可移動電極板中的一個的點接觸。
17.如權(quán)利要求15所述的電容z軸加速度計，其中，所述突起是半圓柱形，以便執(zhí)行與相鄰和相應(yīng)的所述固定和可移動電極板中的一個的線接觸。
全文摘要
公開了一種電容z軸加速度計，包括固定電極、可移動電極和支撐梁。固定電極具有與絕緣板的頂面平行安置的矩形固定電極板。固定電極板經(jīng)柱使一個位于另一個之上以及安置在絕緣板的電極固定部上?？梢苿与姌O具有與固定電極板交錯的矩形可移動電極板。可移動電極板經(jīng)位于貫穿固定電極板的導(dǎo)向孔內(nèi)的接插件柱一個位于另一個之上。多個支撐梁將可移動電極與梁固定部連接以便彈性支撐可移動電極。電容z軸加速度計能與x和y軸加速度計一起集成為單個芯片，最大化電容的變化以便實現(xiàn)良好的加速度靈敏度，以及利用低成本的放大器和過濾器。
文檔編號G01P15/125GK1629642SQ20041004569
公開日2005年6月22日 申請日期2004年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月20日
發(fā)明者樸晧埈, 蔡敬洙 申請人:三星電機株式會社