專利名稱：電容型動態量傳感器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種電容型動態量傳感器，用于通過檢測電容的變化來檢測動態物理量，如加速度或角速度，所述變化伴隨通過使用半導體過程來制造的結構的任何位移；并涉及其制造方法。
背景技術：
迄今為止，已知有一種靜電電容型動態量傳感器。對于這樣的傳感器，依照外部施加的加速度或角速度而移位的重物以及用于支撐該重物的梁被形成于半導體基片內以檢測所述重物的可移動電極和被形成于距離可移動電極的微小間隔處的固定電極之間的靜電電容的變化(例如，參考JP 08-094666A)。圖5是其示意圖。在該傳感器中，重物51和梁52通過微加工而形成于半導體基片53內。玻璃基片(上部基片54和下部基片55)從其兩側被結合在一起以密封重物51和梁52。對于這樣的結合，從氣密性或真空密封的觀點來看，通常采用的是具有高可靠性的陽極結合或共晶結合。由于大約300到400℃處的結合，玻璃被使用，其以這樣的程度而包含金屬其熱膨脹系數與半導體基片的熱膨脹系數匹配以免在整體被冷卻到室溫之后發生熱應變。刻蝕包含大量金屬的這種玻璃允許形成微小間距56和57。固定電極58是通過在通過刻蝕而限定的微小間距56和57內形成金屬膜來獲得的。
然而，借助如在JP 08-094666A中公開的方法，由于起到相互均衡玻璃基片和半導體基片的熱膨脹系數的作用的玻璃基片中的大量金屬離子，用于形成微小間距的刻蝕涉及其內壁上的大量表面粗糙度。作為結果，用于每個微小間距的刻蝕深度是幾乎不能控制的，從而由于電極之間的距離的變化而導致了檢測靈敏度的變化。另外，在粗糙表面上被疊放的固定電極容易脫落或經歷斷開，從而導致傳感器可靠性的降低。
發明內容
根據以上，依照本發明，提供了一種電容型動態量傳感器，其包括硅基片，具有其上表面和下表面中的凹陷；重物，其通過刻蝕硅基片的每個凹陷的一部分得以形成，并依照外部施加的加速度和外部施加的角速度來移位；上部玻璃基片，其被接合于硅基片的上表面的一部分并被疊放有第一固定電極，該電極與所述重物遠離了第一間距而被置于與該重物相對的位置處；以及下部玻璃基片，其被接合于硅基片的下表面的一部分并被疊放有第二固定電極，該電極與所述重物遠離了第二間距而被置于與該重物相對的位置處。
此外，硅基片可包括具有(100)平面取向的硅基片。
依照本發明的另一方面，提供了一種用于電容型動態量傳感器的制造方法，包括以下步驟在硅基片的上表面中形成第一凹陷；在硅基片的下表面中形成第二凹陷；通過加工第一凹陷的內部而形成梁；通過加工第二凹陷的內部而形成由所述梁支撐的重物；疊放基片電極以確保重物的勢能；在平的上部玻璃基片和平的下部玻璃基片中形成通孔；在上部玻璃基片的下表面上疊放第一固定電極；在下部玻璃基片的上表面上疊放第二固定電極；將上部玻璃基片接合于硅基片的上表面以使第一固定電極被置于與所述重物相對的位置處；以及將下部玻璃基片結合于硅基片的下表面以使第二固定電極被置于與所述重物相對的位置處。
此外，硅基片可包括具有(100)平面取向的硅基片。
在附圖中圖1是說明依照本發明第一實施例的電容型動態量傳感器的示意圖；圖2是說明依照本發明第一實施例的電容型動態量傳感器的示意圖；圖3A到3E的每個都說明用于依照本發明第一實施例的電容型動態量傳感器中的半導體基片的制造過程；圖4A到4D每個都說明用于依照本發明第一實施例的電容型動態量傳感器中的上部玻璃基片和下部玻璃基片的制造過程；并且圖5是說明常規電容型動態量傳感器的示意圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖來詳細描述表示依照本發明的動態量傳感器的角速度傳感器。
首先，圖1是依照本發明第一實施例的角速度傳感器的斷面圖。本發明的動態量傳感器具有包括上部玻璃基片1、硅基片2和下部玻璃基片3的三層結構。三個基片被接合于彼此以由此構成結構。在硅基片2中，具有梁4和重物5的振蕩器通過刻蝕得以形成。外部施加的力使振蕩器能振蕩或扭轉(twist)。對于其形狀，梁4的厚度、長度或寬度被設計以獲得任意的共振頻率和彈簧常數。振蕩器和玻璃基片之間的微小間距6和7是通過刻蝕硅基片2的前后表面來限定的。通孔8被形成于夾著硅基片2的上部玻璃基片1和下部玻璃基片3的部分中，該硅基片具有從上面和下面被集成于其中的振蕩器。通孔8的每個都用于從中將在玻璃基片內部形成的電極引出到外部。傳導材料9被疊放于每個通孔8的頂部上以由此維持玻璃基片之間的氣密性。在每個玻璃基片內部形成的固定電極通過被形成于每個通孔8的側壁上的接線借助傳導材料9而得以帶出到外部。角速度傳感器需要控制硅基片2的電勢并通過使被形成于玻璃基片的內表面上的電極的部分與被形成于硅基片2中的基片電極12接觸而確保硅基片2的電勢。現在將在以下簡要描述所述角速度傳感器的工作原理。AC電壓被施加給在上部玻璃基片1和下部玻璃基片3的每個的內表面側上提供的激勵固定電極10。這樣，靜電力在被保持于地電勢的固定電極和振蕩器(可移動電極)之間起作用以使所述重物上下振蕩。假定關于y軸的角速度被施加給以這種方式被施加了z軸方向上的速度的振蕩器，則等于兩個速度之積的Coriolis加速度被施加于x軸方向上。如圖2中所示，這導致所述梁的變形。檢測固定電極11被提供于上部玻璃基片1和下部玻璃基片3的每個的內表面側上。所述梁的變形導致傾斜的重物。該傾斜導致檢測固定電極11和可移動電極之間的電容的變化。目標角速度基于該電容變化而被檢測。
如以上所討論的，在電容型角速度傳感器中，電容水平直接反映固定電極和可移動電極之間的距離。因此，如果該距離變化，則在激勵固定電極10和可移動電極之間起作用的靜電力變化，從而導致檢測固定電極11和可移動電極之間的電容以及垂直振蕩的速度的變化。這大大影響了檢測靈敏度。有關這種靈敏度變化的問題不僅適用于被作為實例的角速度傳感器，而且也適用于所有電容變化檢測型動態量傳感器，如加速度傳感器和壓力傳感器。為減小所述變化，用于所述微小間距的高度精確的加工是必要的。
在依照本發明第一實施例的角速度傳感器中，微小間距6和7是通過刻蝕在可加工性上優于玻璃基片的硅基片來限定的。例如，使用具有相對于硅的平面取向的各向異性刻蝕速率的刻蝕劑使能以相對于特定平面取向的預定刻蝕速率來刻蝕，從而提供以很小表面粗糙度加工的表面，由此允許高度精確的加工。具體而言，已知選擇(100)平面取向提供了鏡面拋光加工表面(參考傳感器和激勵器73，pp.122-130，1999)。在使用具有(100)平面取向的硅晶片的情況下，溝槽被形成，同時被包圍有四個(111)平面，從而使得有可能在給定深度處停止刻蝕。這允許以高精度形成間距，從而使微小間距的變化減小。待被形成于玻璃基片的內表面上的電極被形成于鏡面拋光表面上，因此幾乎不發生脫落或斷開。這樣，較為可靠的動態量傳感器可被制造。注意，在刻蝕硅(Si)的過程中，當然有可能通過干處理或通過使用各向同性刻蝕劑來限定所述微小間距，在此情況下以很小的表面粗糙度容易地控制了刻蝕量。
圖3A到3E的每個都示出了用于依照本發明第一實施例的角速度傳感器的制造過程。首先，如圖3A中所示，刻蝕掩模32通過光刻法形成于硅基片31的兩側上。作為掩模組件，氧化硅和氮化硅被使用，但任何其它材料可被使用，只要形成對用于硅的刻蝕劑有抵抗力的膜。在使用氧化物膜的情況下，可容易地通過使用氫氟酸來刻蝕掩模組件，從而使得有可能獲得掩模圖形。此外，可用作基片的是具有在其中埋入的氧化物膜的絕緣體上硅(SOI)基片。在此情況下，在加工所述梁或重物的過程中，中間氧化物膜起到刻蝕停止層的作用，從而允許相對于其厚度的高度精確的加工。
接下來，如圖3B中所示，用于微小間距的凹陷33和34是通過從硅基片31的兩側來刻蝕它而形成的。此時用作刻蝕劑的是各向異性刻蝕劑，如氫氧化四甲基銨水溶液或氫氧化鉀水溶液。在完成刻蝕時，通過使用氫氟酸將刻蝕掩模從基片剝落。
隨后，如圖3C中所示，通過刻蝕成梁形狀的干刻蝕，如反應離子刻蝕或感應耦合等離子體(ICP)刻蝕，從前側來進行加工。作為刻蝕掩模組件，氧化硅或氮化硅可被使用；代之抗蝕劑可被使用。利用ICP或電子回旋加速器共振等離子體的高密度等離子體刻蝕過程提高了刻蝕速率并使能具有較高精度的垂直加工，從而導致所述梁的振蕩特性的增加，另外還導致生產成本的降低。
接下來，如圖3D中所示，基片電極35被形成于凹陷33的邊緣以確保重物勢能。用于該電極的材料可以是單金屬或雜金屬(vari-metal)。
然后，如圖3E中所示，通過高密度等離子體刻蝕過程從其后側將硅基片31刻蝕成重物形狀。此時，基片的部分由于刻蝕而被穿孔以形成振蕩器36。
在使用SOI基片的情況下，中間氧化物膜被剩下。該剩下的中間氧化物膜然后被刻蝕以由此形成振蕩器。
接下來，圖4A到4E的每個都說明了用于上部玻璃基片和下部玻璃基片的制造過程。上部玻璃基片和下部玻璃基片具有相同的結構，因此參照相同的圖來進行其說明。
首先，如圖4A中所示，具有在其中形成的通孔43的玻璃基片41和高雜質濃度硅基片42被準備。對于玻璃基片，具有與硅相等的熱膨脹系數的玻璃被選擇。通孔43是通過噴砂加工(blast processing)等形成的。
隨后，如圖4B中所示，玻璃基片41(具有通孔的較小直徑的表面側)和高雜質濃度硅基片42被接合在一起，隨后將高雜質濃度硅基片42拋光成薄基片。
接下來，如圖4C中所示，高雜質濃度硅基片42被刻蝕以形成上部玻璃基片和下部玻璃基片的每個的外部接線44。該刻蝕可以是干刻蝕或濕刻蝕。
然后，如圖4D中所示，金屬膜從具有通孔的較大直徑的基片的表面側被疊放于該基片上以便于圖形形成。以這種方式，內部接線45被形成。之后，進行熱處理以確保對外部接線44的電勢接觸。
最后，盡管未在圖中示出，通過圖3A到3D的過程而制造的上部玻璃基片、硅基片和下部玻璃基片被接合在一起以密封振蕩器。作為結果，實現了如圖1中所示的傳感器結構。此時，接合是陽極接合或共晶接合。陽極接合是通過將負電壓施加給玻璃側并利用玻璃和硅之間的靜電吸引來進行的。共晶接合是通過在接合表面上疊放金屬以將硅和玻璃接合在一起來進行的。
在通過以上過程制造的角速度傳感器中，基片在加工硅基片表面的步驟中從其兩側被同時加工以形成作為微小間距的間隙，因此加工步驟的數量可被減小以實現成本降低效應。
在形成微小間距的過程中，通過不刻蝕玻璃基片而刻蝕硅基片以很小的表面粗糙度實現了高度精確的加工。因此，高度可靠的動態量傳感器可被制造，其幾乎不經歷脫落或斷開，同時具有靈敏度的較小變化。另外，在刻蝕步驟中同時從兩側進行加工以便于限定微小間距，因此可減小步驟數量并實現成本降低。
權利要求
1.一種電容型動態量傳感器，其包括硅基片，具有其上表面和下表面中的凹陷；重物，其通過刻蝕硅基片的每個凹陷的一部分得以形成，并依照外部施加的加速度和外部施加的角速度來移位；上部玻璃基片，其被接合于硅基片的上表面的一部分并被疊放有第一固定電極，該電極與所述重物遠離了第一間距而被置于與該重物相對的位置處；以及下部玻璃基片，其被結合于硅基片的下表面的一部分并被疊放有第二固定電極，該電極與所述重物遠離了第二間距而被置于與該重物相對的位置處。
2.權利要求1的電容型動態量傳感器，其中硅基片包括具有(100)平面取向的硅基片。
3.權利要求1或2的電容型動態量傳感器，其中用于將第一固定電極和第二固定電極引出到外部的多個通孔被形成于上部玻璃基片和下部玻璃基片中。
4.一種用于電容型動態量傳感器的制造方法，包括以下步驟在硅基片的上表面中形成第一凹陷；在硅基片的下表面中形成第二凹陷；通過加工第一凹陷的內部而形成梁；通過加工第二凹陷的內部而形成由所述梁支撐的重物；疊放基片電極以確保重物的勢能；在平的上部玻璃基片和下部玻璃基片中形成通孔；在上部玻璃基片的下表面上疊放第一固定電極；在下部玻璃基片的上表面上疊放第二固定電極；將上部玻璃基片接合于硅基片的上表面以使第一固定電極被置于與所述重物相對的位置處；以及將下部玻璃基片接合于硅基片的下表面以使第二固定電極被置于與所述重物相對的位置處。
5.權利要求4的用于電容型動態量傳感器的制造方法，其中具有(100)平面取向的硅基片被選擇用于硅基片；并且形成第一凹陷的步驟和形成第二凹陷的步驟分別包括用于通過各向異性刻蝕來形成第一凹陷的形成步驟和用于通過各向異性刻蝕來形成第二凹陷的形成步驟。
6.權利要求4或5的用于電容型動態量傳感器的制造方法，其中形成第一凹陷的步驟和形成第二凹陷的步驟每個都包括用于從其兩側同時刻蝕硅基片的刻蝕步驟。
全文摘要
提供了一種電容型動態量傳感器，其能減小檢測靈敏度的變化，沒有其電極脫落或斷開，并且在可靠性上極佳；并提供了其制造方法。在所述電容型動態量傳感器中，其中要形成振蕩器的半導體基片從其前后側以高精度被加工以限定振蕩器與電極待被疊放于其每個上的平的上部玻璃基片和下部玻璃基片之間的微小間距，由此減小檢測靈敏度的變化并抑制其電極脫落和斷開。
文檔編號G01P15/08GK1573336SQ20041004571
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月21日 優先權日2003年5月22日
發明者加藤健二, 須藤稔, 槍田光男 申請人:精工電子有限公司