專利名稱：具有循環(huán)電極組和絕對(duì)電極組的電容傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在電子測(cè)量設(shè)備的領(lǐng)域中，通常期望確定何時(shí)通過(guò)外力在物理上使裝置移動(dòng)或加 速。也可能期望確定這種力的大小和方向。為了進(jìn)行這些種類的測(cè)量，可以將運(yùn)動(dòng)或加速 感測(cè)設(shè)備定位在裝置上或包含在裝置內(nèi)。特別地，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了 MEMS類型傳感器以用于包含 在微電子電路中，從而允許非常經(jīng)濟(jì)地制造非常小的且準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)傳感器。MEMS設(shè)備是微機(jī)械和微電子系統(tǒng)的組合。MEMS設(shè)備典型地包括可移動(dòng)微機(jī)械結(jié) 構(gòu)和使用與用于集成電路的相同類型的制造工藝所制造的硅基微電子元件。一種類型的已 知MEMS傳感器是電容MEMS換能器。這種換能器被用在多種應(yīng)用中，比如汽車(chē)安全氣囊系 統(tǒng)。該類型的換能器中的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括電容板或電極，其附著到檢測(cè)質(zhì)量體(proof mass) 并且鄰近另一個(gè)電容板或電極而懸置。當(dāng)所述檢測(cè)質(zhì)量體移動(dòng)時(shí)，所懸置的電容電極的位 移造成電容的變化。電容的這種變化由所述微電子元件檢測(cè)并且指示加速度的大小。MEMS 類型傳感器已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用于檢測(cè)一維、二維乃至三維的運(yùn)動(dòng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用用于橫向型MEMS傳感器的細(xì)間距(pitch)、循環(huán)表面電極陣列改 進(jìn)了性能。然而，對(duì)于具有大動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)備而言，所述檢測(cè)質(zhì)量體的行進(jìn)距離可能超過(guò)所 述電極陣列的一個(gè)間距，從而如果僅僅基于陣列傳感器電容則導(dǎo)致位置確定性的丟失。這 可能使得難以僅僅基于電容變化來(lái)確定位移。


本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述而顯而易見(jiàn)，所述附圖 和詳細(xì)描述一起通過(guò)示例對(duì)本公開(kāi)的特征進(jìn)行了說(shuō)明，并且在附圖中圖1是具有一對(duì)電容器電極的傳感器的橫截面?zhèn)纫晥D，其中該對(duì)電容器電極具有 (variable overlap)；圖2是具有安裝在可移動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量體上的動(dòng)態(tài)電容器電極以及安裝在靜止支持 件(support)上的與之部分交疊的靜態(tài)電極的運(yùn)動(dòng)傳感器的透視圖；圖3是具有安裝在檢測(cè)質(zhì)量體上的多個(gè)動(dòng)態(tài)電容器電極以及與之部分交疊的多 個(gè)靜態(tài)電極的運(yùn)動(dòng)傳感器的透視圖；圖4是mems型電容傳感器的一個(gè)實(shí)施例的橫截面視圖；圖5是示出二維mems型電容傳感器的一個(gè)實(shí)施例中的循環(huán)電極陣列的平面圖；圖6是被布置為感測(cè)單個(gè)軸上的運(yùn)動(dòng)的具有多個(gè)電極組的電容傳感器系統(tǒng)的一 個(gè)實(shí)施例的透視圖；圖7是被布置為感測(cè)單個(gè)軸上的運(yùn)動(dòng)的具有絕對(duì)電極組和循環(huán)電極組的電容傳 感器系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的平面圖；圖8是作為位移的函數(shù)的電容的曲線圖，其示出循環(huán)電極組和絕對(duì)電極組的相應(yīng) 電容值；圖9是被布置為感測(cè)單個(gè)軸上的運(yùn)動(dòng)的具有一個(gè)絕對(duì)電極組和兩個(gè)循環(huán)電極組 的電容傳感器系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的平面圖IOA是具有循環(huán)電極組的電容運(yùn)動(dòng)傳感器的靜止部分和檢測(cè)質(zhì)量體部分的一 個(gè)實(shí)施例的橫截面圖，其中電極在原位置(home position)中基本上對(duì)準(zhǔn)；圖IOA是具有循環(huán)電極組的電容運(yùn)動(dòng)傳感器的靜止部分和檢測(cè)質(zhì)量體部分的一 個(gè)實(shí)施例的橫截面圖，其中電極在原位置中偏離約90° ；圖11是作為位移的函數(shù)的電容的曲線圖，其示出偏離90°的兩個(gè)循環(huán)電極組和 絕對(duì)電極組的相應(yīng)電容值；以及圖12是被布置為感測(cè)兩個(gè)軸中每一個(gè)上的運(yùn)動(dòng)的具有絕對(duì)電極組和循環(huán)電極組 的電容傳感器系統(tǒng)的實(shí)施例的平面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照附圖中所示的示范性實(shí)施例，并且在本文中使用特定語(yǔ)言來(lái)描述這些 實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，不意在由此限制本公開(kāi)的范圍。擁有本公開(kāi)的相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員 將會(huì)想到的本文所說(shuō)明的特征的更改和其他修改以及本文所說(shuō)明的原理的附加應(yīng)用被認(rèn) 為在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。如上所指出的，電容MEMS換能器已被開(kāi)發(fā)并且用在多種應(yīng)用中。這些傳感器典型 地包括一對(duì)或多對(duì)電容電極，其在檢測(cè)質(zhì)量體移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電容變化。MEMS型傳感器已被開(kāi) 發(fā)用于檢測(cè)一維、二維乃至三維的加速和運(yùn)動(dòng)。圖1和2中示出可變電容傳感器的一個(gè)示例。不是使用變化的電容器板間隙(這 可能會(huì)限制所述設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍)，該傳感器使用可變電容器板交疊來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。該傳感器 包括固定襯底10和可沿著被指定為X軸的軸在基本上平行于襯底的頂表面14的方向上移 動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量體12。所述襯底和檢測(cè)質(zhì)量體可以是使用集成電路制造技術(shù)制造的硅晶圓。 圖1是局部的橫截面圖，而圖2是其中檢測(cè)質(zhì)量體被示出為好像其是透明的透視圖，以便示 出所述電極的相對(duì)位置。所述檢測(cè)質(zhì)量體具有原位置(即，在沒(méi)有力施加到該檢測(cè)質(zhì)量體 時(shí)其處于靜止時(shí)所在的位置)，并且可以沿著其運(yùn)動(dòng)軸在任一方向上移動(dòng)，這取決于施加到 所述傳感器被安裝到其上的結(jié)構(gòu)的力的方向。該類型的傳感器可以使用使得能夠使用表面電極的晶圓結(jié)合技術(shù)來(lái)制造。固定的 表面電極16被附著到襯底10的頂表面14，并且移動(dòng)表面電極18被附著到檢測(cè)質(zhì)量體12 的底表面20。所述檢測(cè)質(zhì)量體和襯底可以采用硅材料，并且可以包括電路(未示出)，所 述電路用于將襯底和檢測(cè)質(zhì)量體的電極互連到用于接收和解釋來(lái)自傳感器的信號(hào)的電路 (未示出)。這兩個(gè)表面電極16、18以間隙d分開(kāi)，并且作為可變電容器的電容器板來(lái)操作。如 圖2所示，所述移動(dòng)電極具有寬度w (垂直于所述運(yùn)動(dòng)軸測(cè)量的)。依賴于檢測(cè)質(zhì)量體12的 位置，可變電極的某個(gè)部分將被定位在所述固定電極的正上方。在圖1中，所述可變電極與 固定電極交疊，交疊距離為X。這兩個(gè)電極因此具有交疊面積A，其等于A = wx(1)該交疊面積由圖2中的交叉陰影區(qū)域22指示。利用該布置中的電容器板，所述傳 感器提供與所述電極的交疊面積A成比例的可變電容。所述電容C通過(guò)下面的公式來(lái)近 似C ^ (eA) /d(2)
其中e是所述間隙中材料的介電常數(shù)，d是所述電極之間的間隙的尺寸，且A是所 述板的交疊面積。由于所述檢測(cè)質(zhì)量體的運(yùn)動(dòng)是在垂直于所述間隙的方向上，所以間隙d 將是固定的，并且所述電容將與表面電極的交疊A成比例地變化，而不是與間隙距離的變 化成比例。應(yīng)當(dāng)理解，該傳感器的動(dòng)態(tài)范圍受電極在χ方向上的長(zhǎng)度的限制。為此，電極板典 型地被制得足夠長(zhǎng)以使得響應(yīng)于外力而在正或負(fù)χ方向上的行進(jìn)絕不會(huì)使得所述板完全 交疊或根本不交疊。其中存在完全交疊或不交疊的任何運(yùn)動(dòng)范圍將產(chǎn)生不隨運(yùn)動(dòng)變化的電容。為了提高該類型的傳感器的靈敏度，期望相對(duì)于小運(yùn)動(dòng)(位移)的大電容變化。 即，期望針對(duì)給定的χ的變化，A的變化相對(duì)較大。這可以通過(guò)使用細(xì)間距表面電極來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖3中示出具有細(xì)間距表面電極32、34的陣列的可變電容傳感器30的透視圖。為了相對(duì) 于檢測(cè)質(zhì)量體的位移χ增加A的變化量(delta)，通過(guò)分別將電極板組添加到固定襯底36 和檢測(cè)質(zhì)量體38來(lái)有效地增加所述電極的寬度w，如圖3所示。這些電極并聯(lián)地電連接，使 得固定電極32的群組充當(dāng)單個(gè)電極，并且可移動(dòng)電極34的群組一起充當(dāng)單個(gè)電極。圖3 所示的傳感器配置的電極寬度是僅有一組電極的傳感器配置的電極寬度w的三倍，并且因 此針對(duì)給定位移χ具有近似為三倍大的A的變化量。盡管圖3中示出了三組電極，但是幾乎任何數(shù)量的電極都可以在該方法中使用。 可以添加附加的板以覆蓋檢測(cè)質(zhì)量體的區(qū)域，并且這些能夠以不同方向定向從而檢測(cè)多個(gè) 軸上的運(yùn)動(dòng)，如下文更詳細(xì)地討論的。參照?qǐng)D4，示出了包括三個(gè)層或晶圓的傳感器100的 實(shí)施例。具體而言，傳感器100包括電子元件晶圓103、檢測(cè)質(zhì)量體晶圓106和蓋晶圓109。 CMOS電子元件113可以包含在電子元件晶圓100中，并且可以被電耦合到檢測(cè)質(zhì)量體晶圓 106和蓋晶圓109中的各種電氣組件。而且，如可被理解的，CMOS電子元件113可以提供輸 出端口以用于耦合到傳感器100外部的電子組件。在某些情況下，CMOS電子元件113中所 產(chǎn)生的熱量可能是不可接受的，在這種情況下所述CMOS電子元件可被定位在分開(kāi)的但鄰 近的電子元件管芯中，等等。檢測(cè)質(zhì)量體晶圓106包括機(jī)械地耦合到檢測(cè)質(zhì)量體119的支持件116。盡管示出 了傳感器100的橫截面視圖，但是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，作為檢測(cè)質(zhì)量體晶圓106的一部分的支 持件116圍繞檢測(cè)質(zhì)量體119。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，電子元件晶圓103、支持件116和蓋 晶圓109形成袋(pocket)，在該袋內(nèi)懸置檢測(cè)質(zhì)量體119。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，電子元件晶圓103、支持件116和蓋晶圓109 —起提供 支持結(jié)構(gòu)，檢測(cè)質(zhì)量體119經(jīng)由柔性(compliant)耦合而附著到所述支持結(jié)構(gòu)。在這個(gè)方 面，所述柔性耦合可以包括如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的高長(zhǎng)寬比彎曲懸置元件123。傳感器100進(jìn)一步包括設(shè)置在檢測(cè)質(zhì)量體119上的第一電極陣列126。在一個(gè)實(shí) 施例中，第一電極陣列1 被定位在與電子元件晶圓103的上表面相對(duì)的檢測(cè)質(zhì)量體119 的表面上。其上設(shè)置了第一電極陣列126的檢測(cè)質(zhì)量體119的表面是基本平坦的表面，如 可理解的。第二電極陣列129被設(shè)置在電子元件晶圓103的面對(duì)設(shè)置在檢測(cè)質(zhì)量體119上的 第一電極陣列1 的表面上。由于檢測(cè)質(zhì)量體1 被懸置在電子元件晶圓103之上的方式， 在第一電極陣列126與第二電極陣列1 之間形成基本均勻的間隙133。間隙133的尺寸用距離d表示。距離d可以包括例如從1微米到3微米的任何距離，或它可以是如被認(rèn)為 適當(dāng)?shù)娜魏纹渌嚯x。檢測(cè)質(zhì)量體119以這樣的方式懸置在電子元件晶圓103上方使得第一電極陣列 126和第二電極陣列1 基本落入彼此平行的平面中，從而使得間隙133在第一電極陣列 1 和第二電極陣列1 之間的整個(gè)交疊范圍內(nèi)基本上是均勻的?？商娲兀姌O陣列126、 129可被放置在如可被認(rèn)為適當(dāng)?shù)碾娮釉A103或檢測(cè)質(zhì)量體119上的其他表面或結(jié) 構(gòu)上。除了第一和第二電極陣列之外，電極還可以被放置在所述檢測(cè)質(zhì)量體和所結(jié)合的晶 圓結(jié)構(gòu)的其他部分上。例如，第三和第四電極陣列150和152可以被定位在所述檢測(cè)質(zhì)量 體的頂表面和頂晶圓109的相對(duì)表面上，如圖4所示。也可以使用其他配置。所述高長(zhǎng)寬比彎曲懸置元件123提供允許檢測(cè)質(zhì)量體119相對(duì)于傳感器100的支 持結(jié)構(gòu)移動(dòng)的柔性程度。由于彎曲懸置元件123的設(shè)計(jì)，檢測(cè)質(zhì)量體119從靜止位置的位 移基本上被限制于基本平行于設(shè)置在電子元件晶圓103的上表面上的第二電極陣列1 的 方向上。彎曲懸置元件123被配置為允許檢測(cè)質(zhì)量體119在平行于第二電極陣列129的方 向上移動(dòng)預(yù)定義的量，使得間隙133在可能程度上的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持基本均勻。彎曲 懸置元件123的設(shè)計(jì)提供了檢測(cè)質(zhì)量體119在正交于第二電極陣列1 的方向上的最小運(yùn) 動(dòng)量，同時(shí)允許在平行于第二電極陣列1 的方向上的期望的運(yùn)動(dòng)量。接下來(lái)，提供例如關(guān)于傳感器100在感測(cè)加速度方面的操作的簡(jiǎn)短討論。具體來(lái) 說(shuō)，傳感器100被固定到經(jīng)歷希望量化的加速度的結(jié)構(gòu)或車(chē)輛。傳感器100被固定到所述 結(jié)構(gòu)或設(shè)備以使得加速度的方向與如由上面所討論的彎曲懸置元件123提供的檢測(cè)質(zhì)量 體119的許可的移動(dòng)方向一致。一旦所述結(jié)構(gòu)或車(chē)輛經(jīng)歷加速度，檢測(cè)質(zhì)量體119就將如 上所述的那樣移動(dòng)。由于第一電極陣列126和第二電極陣列1 被設(shè)置在檢測(cè)質(zhì)量體119 和電子元件晶圓103上的事實(shí)，于是第一電極陣列1 和第二電極陣列1 之間的一個(gè)或 多個(gè)電容將隨著所述陣列相對(duì)于彼此的移位而變化。CMOS電子元件113和/或外部電子元件可被用于檢測(cè)或感測(cè)電極陣列1 和1 之間的電容的變化程度。基于所述電容的變化，這種電路可以產(chǎn)生與傳感器100所經(jīng)歷的 加速度成比例的適當(dāng)信號(hào)?？商娲兀]環(huán)電路可被用于使得檢測(cè)質(zhì)量體119在加速期間 維持在預(yù)定義的位置。這種電路包括閉環(huán)，其基于來(lái)自第一和第二電極陣列1 和129的 位置反饋施加致動(dòng)信號(hào)以使得檢測(cè)質(zhì)量體119保持在預(yù)定義的位置。盡管檢測(cè)質(zhì)量體119的運(yùn)動(dòng)基本上被限制在基本平行于第二電極陣列1 的平面 內(nèi)，鑒于彎曲懸置元件123本質(zhì)上是柔性的，則可能的是檢測(cè)質(zhì)量體119可能經(jīng)歷在正交于 第二電極陣列1 的方向上相對(duì)于第二電極陣列1 的位移。換句話說(shuō)，檢測(cè)質(zhì)量體119 的不希望的移動(dòng)可能發(fā)生，從而導(dǎo)致間隙133的不期望的變化。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例， 可以使用歸一化來(lái)抵消(cancel out)由于間隙133的變化所引起的第一和第二電極陣列 126和1 之間的期望的交叉電容的任何變化，如將被描述的那樣。參照?qǐng)D5，示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的相應(yīng)的第一和第二電極陣列1 和129的 視圖。如圖所示，實(shí)際上存在多個(gè)第一電極陣列126和多個(gè)第二電極陣列129。例如，在所 示的配置中，可以存在四對(duì)第一和第二電極陣列1 和129。假設(shè)第一和第二電極陣列1 和1 如圖5所示地定向，則可以感測(cè)檢測(cè)質(zhì)量體119在平行于第二電極陣列129的平面 內(nèi)的二維移動(dòng)。相應(yīng)地，在一個(gè)實(shí)施例中，彎曲懸置元件123被配置為允許檢測(cè)質(zhì)量體119進(jìn)行二維移動(dòng)?？商娲兀鰪澢鷳抑迷杀慌渲脼樵试S單個(gè)維度的移動(dòng)，其中第一和 第二電極陣列126和129以單個(gè)取向定位以感測(cè)這種單維度移動(dòng)。每個(gè)單獨(dú)的電極陣列包括多個(gè)電極。具體而言，第一電極陣列126中的每一個(gè)由 多個(gè)第一電極143構(gòu)成，并且第二電極陣列129由多個(gè)第二電極146構(gòu)成。對(duì)于每一個(gè)第 一電極陣列126，存在對(duì)應(yīng)的第二電極陣列129。每個(gè)第一電極陣列1 在尺寸方面小于對(duì) 應(yīng)的第二電極陣列129，以計(jì)及這樣的事實(shí)第一電極陣列1 是可移動(dòng)的。因此，即使第 一電極陣列126相對(duì)于相應(yīng)的第二電極陣列1 移動(dòng)，在檢測(cè)質(zhì)量體119的整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍 內(nèi)在相應(yīng)各對(duì)第一和第二電極陣列之間總是存在基本相似的交疊。第一和第二電極143和146中的每一個(gè)包括彼此鄰近設(shè)置的矩形導(dǎo)體。相應(yīng)電極 陣列的電極143和146的每一個(gè)中的公共點(diǎn)(common point)之間的距離被稱為該電極陣列 的“間距”。盡管電極143和146被示出為矩形導(dǎo)體，但是應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本文所述的原理， 其他形狀和尺寸的導(dǎo)體可以按照需要被使用。此外，可以以除了所描繪的矩形陣列之外的 配置來(lái)設(shè)置所述電極。例如，所述電極可以被設(shè)置成圓形陣列以用于檢測(cè)角加速度和位移。應(yīng)當(dāng)清楚，對(duì)于圖3-5所示的傳感器配置，為了獲得直接指示位移的絕對(duì)電容值， 所述檢測(cè)質(zhì)量體的行進(jìn)極限將被限制以使得所述板一直保持某種交疊，并且還從不完全交 疊。該因素傾向于限制所述設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍。可替代地，如果所述設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍大于所 述電極間距(即，所述檢測(cè)質(zhì)量體可以行進(jìn)超過(guò)所述電極的一個(gè)間距)，則這將導(dǎo)致循環(huán)輸 出。即，所述電容信號(hào)將隨著所述檢測(cè)質(zhì)量體的位移而升降，其中所述檢測(cè)質(zhì)量體電極穿越 并然后越過(guò)第一固定電極，然后穿越并越過(guò)第二固定電極，以此類推。當(dāng)所述行進(jìn)極限規(guī)則 被打破時(shí)，所述電容在運(yùn)動(dòng)范圍上將不再是直線，而它將是循環(huán)的并表現(xiàn)為是正弦的。已經(jīng) 發(fā)現(xiàn)，通過(guò)進(jìn)行循環(huán)電極配置改進(jìn)了性能(即靈敏度)。然而，所述系統(tǒng)不具有知道所述檢 測(cè)質(zhì)量體的絕對(duì)位置的機(jī)制。專用的電子元件已經(jīng)被用在具有循環(huán)傳感器的系統(tǒng)中以通過(guò) 對(duì)所述電極的位移循環(huán)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)追蹤絕對(duì)位置，但是這給這種系統(tǒng)增加了復(fù)雜性和 成本。有利地，發(fā)明人已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種電容慣性傳感器配置，其中具有用于測(cè)量相同軸 上的運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)獨(dú)立電極組。圖6中示出這種傳感器的一個(gè)實(shí)施例。該傳感器200包括 (如上文結(jié)合圖3所討論的)并聯(lián)連接的第一組細(xì)間距循環(huán)電極202和鄰近所述循環(huán)組定 位并具有較大間距的第二組電極204，從而產(chǎn)生較低性能的絕對(duì)傳感器。每組電極包括位于 固定襯底206上的至少一個(gè)電極和位于檢測(cè)質(zhì)量體208上的至少一個(gè)對(duì)應(yīng)的電極。所述檢 測(cè)質(zhì)量體電極可以位于相同的檢測(cè)質(zhì)量體上，或它們可以位于在相同方向上移動(dòng)的相同質(zhì) 量體的相連接的塊上。因?yàn)榻^對(duì)傳感器對(duì)204沒(méi)有破壞在整個(gè)行進(jìn)范圍上的交疊規(guī)則，所以第二電極 組提供檢測(cè)質(zhì)量體206的絕對(duì)位置的指示。盡管第二組不具有所述循環(huán)電極組的分辨率 (resolution)水平，但是所述絕對(duì)傳感器卻具有足夠的分辨率來(lái)指示所述循環(huán)傳感器處于 哪個(gè)周期。因此，這兩個(gè)傳感器的組合實(shí)現(xiàn)了高性能、大動(dòng)態(tài)范圍的慣性傳感器。第一和第二電極組202、204 二者中的電極的尺寸、形狀和數(shù)量可以變化，并且檢 測(cè)質(zhì)量體208上的電極的數(shù)量可以不同于所述固定襯底206上的電極的數(shù)量。在圖6所示 的配置中，循環(huán)電極組202包括三個(gè)電極對(duì)，并且大間距電極組204僅僅包括一個(gè)電極對(duì)。 圖7中以平面圖示出傳感器250的另一個(gè)實(shí)施例，其中大間距電極組252包括一對(duì)電極，并且循環(huán)組2M包括位于檢測(cè)質(zhì)量體上的五個(gè)電極25 和位于所述固定襯底上的九個(gè)電極 254b ο圖7還示出所述檢測(cè)質(zhì)量體電極相對(duì)于固定電極的運(yùn)動(dòng)范圍的一部分。絕對(duì)傳感 器組252被配置為使得檢測(cè)質(zhì)量體電極25 的至少某個(gè)部分總是與對(duì)應(yīng)的固定電極252b 交疊。這允許該電極組提供絕對(duì)位移指示。在所述絕對(duì)電極組從原位置行進(jìn)的一個(gè)最大極 限處(以虛線在256示出并由位移尺度+Xl指示)，檢測(cè)質(zhì)量體電極25 不完全與對(duì)應(yīng)的 固定電極252b交疊。由于絕對(duì)和循環(huán)電極25 和25 二者附著到相同的檢測(cè)質(zhì)量體，所 以每個(gè)電極的位移將是相同的。因此，當(dāng)絕對(duì)電極25 位移尺寸+Xl時(shí)，循環(huán)電極25 也 將位移相同的尺寸+XI，如虛線260所示。在對(duì)應(yīng)于位移尺寸-Xl (即，在與+Xl相反的方向 上)的從原位置行進(jìn)的另一個(gè)極限(以虛線在258示出)處，所述檢測(cè)質(zhì)量體電極仍然與 固定電極交疊一定量。所述循環(huán)電極將再次在相同方向上位移相同的量(-XI)，如虛線在 沈2所示的。還期望的是，所述循環(huán)電極組遵循類似的規(guī)則，其中所述檢測(cè)質(zhì)量體的總運(yùn)動(dòng)范 圍從未使任何(一個(gè)或多個(gè))檢測(cè)質(zhì)量體電極完全超過(guò)固定電極組的范圍。參照?qǐng)D7，如果 這五個(gè)檢測(cè)質(zhì)量體循環(huán)電極25 之一行進(jìn)得不與任何對(duì)應(yīng)的固定電極254b交疊，則正弦 波峰的幅度將由于一個(gè)電極的丟失而減小。這將改變所述電容信號(hào)，并且因此可以改變位 移測(cè)量。可替代地，所述系統(tǒng)可以被配置為允許一個(gè)或多個(gè)所述檢測(cè)質(zhì)量體電極完全超越 所述固定電極的范圍。在這種情況下，所述系統(tǒng)可被編程為基于絕對(duì)傳感器讀數(shù)補(bǔ)償所得 到的電容變化。應(yīng)當(dāng)相信，這種方法將可能與交疊電極的當(dāng)前數(shù)量除以交疊電極的原始總 數(shù)量成比例地降低靈敏度。圖8的曲線圖中示出來(lái)自絕對(duì)和循環(huán)傳感器組的比較輸出。在該圖中，所述循環(huán) 傳感器組所產(chǎn)生的由曲線300表示的電容信號(hào)是正弦波，其中所述電容隨著檢測(cè)質(zhì)量體上 的循環(huán)電極越過(guò)一個(gè)固定循環(huán)電極且隨后越過(guò)另一個(gè)固定循環(huán)電極并且還越過(guò)固定電極 之間的空間而升降。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)循環(huán)電極陣列的間距P (圖7中所示)除以固定電 極陣列與移動(dòng)電極陣列之間的間隙d(圖1中所示)的比率近似等于1. 6(即P/d ^ 1. 6) 時(shí)，將獲得來(lái)自循環(huán)傳感器組的良好正弦響應(yīng)。當(dāng)P/d增加到大于1. 6時(shí)，諧波內(nèi)容將會(huì)增 加，因?yàn)殡娙葑兓芮械亟咏遣āＨ欢?，該附加的諧波內(nèi)容可以被容易地管理。一般 地，所述間隙d的更小的尺寸提供更好的傳感器性能。最小間隙d可受到間隙控制(能夠 可靠地制得多小的非干擾間隙)和對(duì)P的光刻線寬度限制的約束。當(dāng)P/d減小到低于1. 6 時(shí)，作為每單位線性位移對(duì)應(yīng)的電容的較小變化的結(jié)果，傳感器性能下降。對(duì)于循環(huán)傳感 器，可以基于最小可制造間隙d來(lái)選擇P，除非光刻方面受限。雖然循環(huán)傳感器組所產(chǎn)生的電容信號(hào)是正弦波，但所述絕對(duì)電極組在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范 圍上產(chǎn)生由基本線性的曲線302表示的基本線性的電容信號(hào)。所述循環(huán)傳感器組產(chǎn)生更高 準(zhǔn)確度的信號(hào)，因?yàn)樗鰴z測(cè)質(zhì)量體的每單位線性位移χ對(duì)應(yīng)的電容器交疊面積A的變化 較大，從而提供了高準(zhǔn)確度的相對(duì)位置信號(hào)。另一方面，所述絕對(duì)電極組提供循環(huán)電容曲線 上絕對(duì)位置的指示以允許對(duì)循環(huán)電極信號(hào)作出適當(dāng)?shù)慕忉?，但是其?zhǔn)確度較低，因?yàn)棣值?每單位變化對(duì)應(yīng)的A的變化較小。通過(guò)參看圖8將清楚的是，所述循環(huán)傳感器陣列的靈敏度(電容曲線的斜率)不 是恒定的。圖9中示出用于解決該問(wèn)題的一種方法。添加了第二循環(huán)電極陣列402，其中固定電極陣列402b相對(duì)于第一固定循環(huán)陣列400b在傳感器運(yùn)動(dòng)的方向上移位了四分之一間 距。這兩個(gè)移動(dòng)陣列400a和40 應(yīng)當(dāng)在檢測(cè)質(zhì)量體404的表面上在運(yùn)動(dòng)方向上彼此相位 對(duì)準(zhǔn)。圖10中的橫截面視圖示出這兩個(gè)電極陣列之間的所需對(duì)準(zhǔn)。圖9和10中所示的多循環(huán)電極配置產(chǎn)生如圖11所示的一組電容曲線。第一循 環(huán)電極組產(chǎn)生圖11中實(shí)線420所示的循環(huán)電容曲線。第二循環(huán)電極組產(chǎn)生圖11中的虛 線422所示的循環(huán)電容曲線。絕對(duì)電極組(圖9中的408)產(chǎn)生以實(shí)線示出的基本線性的 曲線424。循環(huán)曲線420和422相對(duì)于彼此被旋轉(zhuǎn)地移位π /2弧度(或90° )，其對(duì)應(yīng)于 正弦-余弦關(guān)系。這樣一對(duì)信號(hào)常規(guī)地被組合以產(chǎn)生具有等價(jià)于單獨(dú)一個(gè)信號(hào)的最大靈敏 度的均勻靈敏度的位置輸出信號(hào)。這種插值電路的示例對(duì)于正弦-余弦增量光學(xué)編碼器而 言是常見(jiàn)的。這種電路可以維持相對(duì)循環(huán)和子循環(huán)計(jì)數(shù)。然而，對(duì)于絕對(duì)位置準(zhǔn)確度，必須 提供初始循環(huán)計(jì)數(shù)。有利地，在本文所感公開(kāi)的傳感器中，由絕對(duì)傳感器產(chǎn)生的傳感器信號(hào) (圖11的信號(hào)424)可以提供所需的絕對(duì)循環(huán)計(jì)數(shù)。此外，利用現(xiàn)有配置，內(nèi)插電子元件的 采樣速率必須足夠快以確保測(cè)量樣本之間不會(huì)發(fā)生位移的完整循環(huán)。利用本發(fā)明，另一方 面，對(duì)于組合三個(gè)信號(hào)420、422和424的傳感器電子元件而言該要求被放松。這兩個(gè)傳感器組還可以在許多自測(cè)試和校準(zhǔn)任務(wù)中單獨(dú)使用。例如，所述電容器 板可以被偏置以產(chǎn)生面內(nèi)力(in-plane force)來(lái)移動(dòng)所述檢測(cè)質(zhì)量體。這可以允許用戶 致動(dòng)一組電極并且在另一組電極上測(cè)量響應(yīng)。將這些測(cè)量與向上傾斜設(shè)備并測(cè)量對(duì)重力的 響應(yīng)組合，可以確定傳感器的對(duì)準(zhǔn)、間隙和其他參數(shù)。還可以執(zhí)行其他自測(cè)試和校準(zhǔn)任務(wù)。應(yīng)理解，盡管結(jié)合圖9-11所示出和描述的實(shí)施例描繪了偏離90°的兩個(gè)循環(huán)電 極組，但是超過(guò)兩個(gè)的循環(huán)電極組可以被提供用于給定的運(yùn)動(dòng)軸并且這些電極組可以偏離 不同量。例如，三個(gè)循環(huán)電極組可被提供，并且這些循環(huán)電極組可以彼此偏離60°。針對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸使用多個(gè)電極組可被擴(kuò)展到多個(gè)軸，并且這些電極組能夠使用相 同的檢測(cè)質(zhì)量體或芯片。圖12中示出用于檢測(cè)2個(gè)正交軸(X和Y)上的運(yùn)動(dòng)的電容傳感 器500的一個(gè)實(shí)施例，其中對(duì)于每個(gè)軸具有多個(gè)電極組。在該實(shí)施例中，第一絕對(duì)電極組 502和第一循環(huán)電極組504被提供用于檢測(cè)檢測(cè)質(zhì)量體在χ方向上的運(yùn)動(dòng)。第二絕對(duì)電極 組506和第二循環(huán)電極組508也被提供，并且這些電極組定向?yàn)榇怪庇诘谝浑姌O組，以檢測(cè) 檢測(cè)質(zhì)量體在y方向上的運(yùn)動(dòng)。在圖12的實(shí)施例中，所有電極組(循環(huán)和絕對(duì)二者)的固定電極具有寬度w，其被 選擇為使得沒(méi)有電極對(duì)將經(jīng)歷改變相應(yīng)的電容讀數(shù)的橫向位移。例如，檢測(cè)沿著X軸的位 移的第一循環(huán)電極組504具有固定電極510，該固定電極足夠?qū)捯允沟脤?duì)應(yīng)的檢測(cè)質(zhì)量體 電極512在y方向上的位移將不會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的檢測(cè)質(zhì)量體電極之一的端部延伸超越固定電 極的端部，由此改變所述交疊。這樣，在y方向上的位移將不會(huì)影響在χ方向上的位移的讀 數(shù)，且反之亦然。除了其作為加速計(jì)的應(yīng)用之外，該類型的系統(tǒng)還可以應(yīng)用到用于感測(cè)的循環(huán)電容 器板的其他用途。例如，該類型的電容傳感器可以用于檢測(cè)陀螺儀中感測(cè)軸的運(yùn)動(dòng)。該類 型的設(shè)備還可以用于電子顯微術(shù)的微定位設(shè)備。因此，本文所公開(kāi)的系統(tǒng)提供了具有兩組以明顯不同的靈敏度測(cè)量相同方向上位 移的電容器電極的mems型慣性傳感器。一個(gè)電極組是較高準(zhǔn)確度的循環(huán)電極組，而另一電 極組是較低準(zhǔn)確度的絕對(duì)傳感器。所述循環(huán)電極組提供高準(zhǔn)確度相對(duì)位置信號(hào)，而所述絕對(duì)電極組提供在循環(huán)電容曲線上絕對(duì)位置的指示以允許對(duì)循環(huán)電極信號(hào)作出適當(dāng)解釋。該 類型的傳感器可被配置為檢測(cè)整個(gè)寬范圍上的位移。例如，發(fā)明人已經(jīng)設(shè)計(jì)了該類型的傳 感器，其能夠以小于lpm(lX10_12m)的分辨率測(cè)量高達(dá)大約50 μ m(50X 10_6m)的位移。多 個(gè)循環(huán)和絕對(duì)電極組可被提供，而且這些電極組可被配置為感測(cè)多個(gè)軸上的位移。在相同 的軸中具有兩個(gè)電極組實(shí)現(xiàn)了具有大動(dòng)態(tài)范圍的高性能慣性傳感器。如果需要，它還實(shí)現(xiàn) 了循環(huán)傳感器的閉環(huán)操作。該類型的電容傳感器系統(tǒng)可以使用本領(lǐng)域已知的MEMS制造方法來(lái)制造。表面電 極配置可以在晶圓結(jié)合過(guò)程中進(jìn)行，其中在兩個(gè)晶圓的表面上制造所述電極并且然后面對(duì) 面地將所述電極結(jié)合在一起。然后，一個(gè)晶圓被蝕刻(在結(jié)合之前或之后)以限定移動(dòng)結(jié) 構(gòu)。該設(shè)備還可以使用表面微加工工藝來(lái)制造。與絕對(duì)傳感器組合的循環(huán)電極還允許放寬晶圓對(duì)準(zhǔn)的制造容差。S卩，可以通過(guò)絕 對(duì)傳感器確定所述原位置，而所述循環(huán)傳感器獨(dú)立于絕對(duì)位置而保持全性能。這可以實(shí)現(xiàn) 潛在地更廉價(jià)的制造工藝。例如，制造該類型的電容傳感器典型地需要制造期間的良好對(duì) 準(zhǔn)，并且會(huì)難以一致地獲得。有利地，本文所公開(kāi)的循環(huán)電極系統(tǒng)容忍較大程度的不對(duì)準(zhǔn)， 只要移動(dòng)部分不離開(kāi)處于行進(jìn)極限處的固定電極即可。使用兩組偏離的電極和絕對(duì)傳感器 (如圖9所描繪)，該系統(tǒng)可以提供在整個(gè)行進(jìn)范圍上基本恒定的分辨率。在該配置中，所 述原位置變得不相關(guān)-不存在所述電極的最佳相對(duì)位置。該配置因此可以在制造期間容忍 較大的不對(duì)準(zhǔn)，而不會(huì)不利地影響所述傳感器的操作。應(yīng)當(dāng)理解，上面提及的布置說(shuō)明本文所公開(kāi)的原理的應(yīng)用。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 將清楚，在不脫離如權(quán)利要求中陳述的本公開(kāi)的原理和思想的情況下可以進(jìn)行許多修改。
權(quán)利要求
1.一種傳感器，包括第一和第二可變電容器電極組，其分別被設(shè)置在平坦的支持表面上和能夠柔性地沿著 基本平行于所述平坦的支持表面的第一軸發(fā)生位移的檢測(cè)質(zhì)量體上；所述第一電極組在所述檢測(cè)質(zhì)量體沿著所述第一軸的位移范圍內(nèi)產(chǎn)生絕對(duì)電容變化;并且所述第二電極組在沿著所述第一軸的整個(gè)位移范圍內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)電容變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中第二電極組包括至少兩對(duì)定向?yàn)榇怪庇诘谝惠S并具 有電極間距的細(xì)長(zhǎng)電極，所述位移范圍大于所述間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中第一電極組包括含有靜止電極和檢測(cè)質(zhì)量體電極 的一對(duì)電極，所述檢測(cè)質(zhì)量體電極被定向?yàn)樵谡麄€(gè)位移范圍內(nèi)總是與所述靜止電極部分交 疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步包括第三可變電容器電極組，其分別被設(shè)置在所 述支持表面和所述檢測(cè)質(zhì)量體上，從而在所述檢測(cè)質(zhì)量體沿著第一軸的位移范圍內(nèi)產(chǎn)生循 環(huán)電容變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的傳感器，其中第二和第三可變電容器電極組具有在位置上彼此偏 離的電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的傳感器，其中第二和第三可變電容器電極組具有被定位為產(chǎn)生彼 此偏離大約90°的輸出信號(hào)的電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中第二電極組的靈敏度明顯大于第一電極組的靈敏度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步包括第三和第四可變電容器電極組，其分別被設(shè)置在所述支持表面和所述檢測(cè)質(zhì)量體上， 所述檢測(cè)質(zhì)量體能夠柔性地沿著基本正交于第一軸且平行于支持表面的第二軸發(fā)生位 移；所述第三電極組在所述檢測(cè)質(zhì)量體沿著第二軸的位移范圍內(nèi)產(chǎn)生電容的循環(huán)變化；以及所述第四電極組在沿著第二軸的整個(gè)位移范圍內(nèi)產(chǎn)生絕對(duì)電容變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器，其中所述電極組中的每一組包括附著到所述支持表面的 靜態(tài)電極，其具有被選擇為基本阻止由于在沿著正交于相應(yīng)感測(cè)軸的軸的位移范圍內(nèi)的位 移而引起的電容變化的寬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器，其中第二和第三可變電容器電極組包括在位置上彼此 偏離一定距離的電極子組，所述距離足以產(chǎn)生彼此旋轉(zhuǎn)地偏離大約90°的電容信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中所述位移范圍小于大約50μ m。
12.—種感測(cè)方法，包括以下步驟沿著基本平行于平坦的支持表面的第一軸使檢測(cè)質(zhì)量體發(fā)生位移； 從第一可變電容器陣列獲得第一循環(huán)電容值，所述第一可變電容器陣列包括分別設(shè)置 在所述支持表面和檢測(cè)質(zhì)量體上的多個(gè)電容器電極；從第二可變電容器獲得第二絕對(duì)電容值，所述第二可變電容器包括設(shè)置在所述支持表 面和檢測(cè)質(zhì)量體上的電容器電極；以及基于第一和第二電容值確定所述位移的幅度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括以下步驟從第三可變電容器陣列獲得第三循環(huán)電容值，所述第三可變電容器陣列包括分別設(shè)置 在支持表面和檢測(cè)質(zhì)量體上的多個(gè)電容器電極；以及基于第一、第二和第三電容值確定所述位移的幅度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中第三循環(huán)電容值偏離第一循環(huán)電容值約90°。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括以下步驟沿著正交于第一軸并基本平行于所述平坦的支持表面的第二軸使所述檢測(cè)質(zhì)量體發(fā) 生位移；從第三可變電容器陣列獲得第三循環(huán)電容值，所述第三可變電容器陣列包括分別設(shè)置 在所述支持表面和檢測(cè)質(zhì)量體上且基本垂直于第一可變電容器陣列定向的多個(gè)電容器電 極；從第四可變電容器獲得第四絕對(duì)電容值，所述第四可變電容器包括設(shè)置在所述支持表 面和檢測(cè)質(zhì)量體上且基本垂直于第二可變電容器陣列定向的電容器電極；以及基于第一、第二、第三和第四電容值確定沿著第一和第二軸的位移的幅度。
16.一種用于制造傳感器的方法，包括以下步驟提供支持表面；提供檢測(cè)質(zhì)量體，所述檢測(cè)質(zhì)量體能夠柔性地沿著基本平行于所述支持表面的第一軸 發(fā)生位移；在所述支持表面和檢測(cè)質(zhì)量體上提供第一循環(huán)可變電容器電極陣列；在所述支持表面和檢測(cè)質(zhì)量體上提供第二可變電容器電極陣列，所述第二電極陣列在 所述檢測(cè)質(zhì)量體的整個(gè)位移范圍內(nèi)產(chǎn)生絕對(duì)電容變化。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括以下步驟在所述支持表面和檢測(cè)質(zhì)量體上 提供第三循環(huán)可變電容器電極陣列，第三電極陣列產(chǎn)生偏離由第一陣列所產(chǎn)生的循環(huán)變化 的電容的循環(huán)變化。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述提供第三循環(huán)可變電容器電極陣列的步驟包括 提供一系列產(chǎn)生與由第一陣列產(chǎn)生的循環(huán)變化偏離約90°的電容變化的電極。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述提供第一循環(huán)可變電容器電極陣列的步驟包括 在所述支持表面和檢測(cè)質(zhì)量體上制造至少兩對(duì)定向?yàn)榛敬怪庇诘谝惠S并具有小于所述 位移范圍的間隔的細(xì)長(zhǎng)電極；以及所述提供第二可變電容器電極陣列的步驟包括在所述支持表面和檢測(cè)質(zhì)量體上制造 被定向?yàn)樵谡麄€(gè)位移范圍內(nèi)總是部分交疊的單個(gè)電極對(duì)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述檢測(cè)質(zhì)量體能夠沿著正交于第一軸的第二軸柔 性地發(fā)生位移，并且所述方法進(jìn)一步包括以下步驟分別在所述支持表面和檢測(cè)質(zhì)量體上提供第三和第四可變電容器電極組；所述第三電極組在檢測(cè)質(zhì)量體沿著第二軸的位移范圍內(nèi)產(chǎn)生電容的循環(huán)變化；以及所述第四電極組在沿著第二軸的整個(gè)位移范圍內(nèi)產(chǎn)生絕對(duì)電容變化。
全文摘要
一種電容傳感器包括分別設(shè)置在平坦的支持表面和可柔性地沿著基本平行于所述平坦的支持表面的第一軸發(fā)生位移的檢測(cè)質(zhì)量體上的第一和第二可變電容器電極組。第一電極組在所述檢測(cè)質(zhì)量體沿著第一軸的位移范圍內(nèi)產(chǎn)生電容的循環(huán)變化，并且第二電極組在沿著第一軸的整個(gè)位移范圍內(nèi)產(chǎn)生絕對(duì)電容變化。
文檔編號(hào)G01P3/483GK102047126SQ200880129453
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者P·G·哈特維爾, R·G·瓦姆斯萊 申請(qǐng)人:惠普開(kāi)發(fā)有限公司