專利名稱：一種高靈敏度的電容傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機電(MEMS)領(lǐng)域的電容傳感器及其制造方法，尤其涉及一種高靈敏度的電容傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
電容式傳感器是將被測的非電量變化，如位移、壓力變化等，轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡單、高分辨力、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作，這是它的獨特優(yōu)點。隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，促使它揚長避短，成為一種前景可觀的傳感器。電容式傳感器的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器(見圖1)。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的感應(yīng)電容的計算方式為L=--U)式1中ε為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積，g為兩電極之間的距離。g、A、e三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為變間距型、變面積型和變介質(zhì)型三類。其中，變間距型和變面積型電容式傳感器(見圖2A和圖2B)的感應(yīng)電容變量分別為
P il|AC|=—|A | (2) [coos] IACI=-I^I ⑴由此看出，變間距型電容的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，電容變化與位移成非線性關(guān)系(見式2)， 須在小位移范圍內(nèi)工作以便線性化，但由于感應(yīng)關(guān)系式中變量的二次方因子，獲得的電容變化仍然較高。變間距結(jié)構(gòu)的運動阻力一般為空氣壓模阻尼。變面積型電容結(jié)構(gòu)中，電容變化與位移為理想的線性關(guān)系(見式3)，可在彈簧線性區(qū)域內(nèi)直接與加速度成正比。阻尼效應(yīng)主要是滑膜空氣阻尼，產(chǎn)生的阻力遠(yuǎn)小于壓膜，有利于獲得較高的分辨率。但傳統(tǒng)設(shè)計中所獲得相對電容變化小，限制了靈敏度的提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有變面積型電容傳感器靈敏度小的缺陷，提供一種靈敏度高的電容傳感器及其制造方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案是一種高靈敏度的電容傳感器，其包括柔性梁、固定叉指、以及與柔性梁連接的且與固定叉指配合的可動叉指，其中固定叉指和可動叉指分別都包括底部和與所述底部垂直連接的兩個以上的凸起部。進一步的，在不 同實施方式中，其中固定叉指和可動叉指的結(jié)構(gòu)完全相同。進一步的，在不同實施方式中，其中固定叉指或可動叉指上的各個凸起部的形狀相同。進一步的，在不同實施方式中，其中凸起部的橫截面是方形。進一步的，在不同實施方式中，其中凸起部的大小相同。進一步的，在不同實施方式中，其中每兩個凸起部的間隔寬度相同。進一步的，在不同實施方式中，其中固定叉指與可動叉指相互錯位排列，即固定叉指的凸起部與可動叉指的凸起部部分重疊。進一步的，在不同實施方式中，其中固定叉指包括第一固定叉指和第二固定叉指， 所述第一固定叉指和第二固定叉指分別與可動叉指配合形成差分電容。進一步的，在不同實施方式中，其中第一固定叉指和第二固定叉指分別有兩組。進一步的，本發(fā)明涉及的又一個方面，提供了一種制造本發(fā)明涉及的高靈敏度的電容傳感器的方法，其包括有以下步驟先用掩模將固定叉指和可動叉指的區(qū)域覆蓋；然后通過深槽刻蝕工藝將傳感器的器件層上結(jié)構(gòu)釋放區(qū)刻蝕到一定深度；再將固定叉指和可動叉指的區(qū)域中需要被刻蝕區(qū)域(即相鄰?fù)蛊鸩康拈g隔部分) 的刻蝕窗口打開；最后進一步通過深槽刻蝕工藝將結(jié)構(gòu)釋放區(qū)刻穿，將凸起部的間隔部分刻蝕到一定深度，即保留底部一定的高度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明涉及的高靈敏度的電容傳感器及其制造方法，將固定叉指和可動叉指加工成包含底部和與底部垂直連接的兩個以上的凸起部的類似梳齒的結(jié)構(gòu)，大大增加電容極板的等效變化面積，從而大大提高器件測量的靈敏度。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的平板電容結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A是現(xiàn)有技術(shù)中變間距型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2B是現(xiàn)有技術(shù)中變面積型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明涉及的高靈敏度的電容式傳感器的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3中的一對固定叉指和活動叉指的放大立體圖。圖5是圖4所示電容極板發(fā)生位移時的示意圖；和圖6是本發(fā)明涉及的制造高靈敏度的電容式傳感器的方法的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施方式
。請參閱圖3，本發(fā)明涉及的一種高靈敏度的電容傳感器，其包括柔性梁1、固定叉指3，4、以及與柔性梁1連接的可動叉指5。圖3中黑色部分為硅片上的固定結(jié)構(gòu)，固定結(jié)構(gòu)包括第一固定叉指3和第二固定叉指4 ；灰色部分為底部懸空的可動結(jié)構(gòu)，可動結(jié)構(gòu)包括柔性梁1和可動叉指5。在本實施例中，第一固定叉指3和第二固定叉指4各有兩組，四組固定叉指通過錨點2連接在一起，而對應(yīng)于固定叉指3，4，可動叉指5也有四組。第一固定叉指3和第二固定叉指4分別與可動叉指5構(gòu)成平行板電容C1, C2，二者形成差分電容輸出。其中固定叉指3，4和可動叉指5分別被加工成梳齒狀，由此加大電容極板的等效變化面積。在本實施例中，固定叉指3，4和可動叉指5的結(jié)構(gòu)完全相同，都包括沿χ軸方向的底 部61和與底部61垂直的凸起部62，如圖4所示。并且在本實施例中，沿y軸延伸的凸起部62的形狀都是相同的，都為方形，且凸起部62的大小也相同，具體而言，凸起部62的高度、寬度都是相同的。另外，每兩個凸起部62的間隔寬度也相同。圖3中斜線部分表示的就是梳齒狀電容極板凹下去的部分，即圖4所示的間隔部分63。固定叉指3，4與可動叉指5相互錯位排列，即固定叉指的凸起部與可動叉指的凸起部部分重疊。當(dāng)受到χ軸方向的敏感外力作用時，柔性梁1在χ軸方向上發(fā)生形變，帶動可動叉指5移動，可動叉指5相對于固定叉指3，4在χ軸方向上發(fā)生位移Δ χ，致使可動叉指5與固定叉指3，4之間的面積發(fā)生變化ΔΑ，從而使得C1, C2的差值發(fā)生變化，由此測量出器件感受到的敏感外力大小，如圖5所示。Δ A = η · h · Δ χ其中，η為凸起部個數(shù)，h為凸起部高度，ΔΧ為敏感外力引起的χ方向位移。從上式不難看出，相比于傳統(tǒng)設(shè)計，本發(fā)明涉及的高度方向上成梳齒形狀的電容傳感器，由于電容極板等效變化面積增大η倍，導(dǎo)致電容變化率增大η倍，在相同位移情況下測量的靈敏度可提高η倍。另一方面，請參閱圖6所示，本發(fā)明還涉及一種高靈敏度的電容傳感器的制造方法，其包括有以下步驟先用掩模8將固定叉指3，4和可動叉指5的區(qū)域覆蓋；然后通過深槽刻蝕工藝將傳感器的器件層上的結(jié)構(gòu)釋放區(qū)7刻蝕到一定深度；再將固定叉指3，4和可動叉指5的區(qū)域中需要被刻蝕區(qū)域的刻蝕窗口打開，即形成相鄰?fù)蛊鸩?2的間隔部分63 ；最后進一步通過深槽刻蝕工藝將結(jié)構(gòu)釋放區(qū)7刻穿，將間隔部分63刻蝕到一定深度，即保留底部61 —定的高度，以保證梳齒結(jié)構(gòu)的機械支撐以及電連通。在不同實施方式中，固定叉指和可動叉指的結(jié)構(gòu)可以不同，固定叉指或可動叉指上的各個凸起部的形狀、大小也可以不同，每兩個凸起部的間隔寬度也可以不同。第一固定叉指和第二固定叉指的組數(shù)以及與其配合的可動叉指的組數(shù)不限于上述實施例。綜上所述，本發(fā)明涉及的高靈敏度的電容傳感器及其制造方法，將固定叉指和可動叉指加工成包含底部和與底部垂直連接的兩個以上的凸起部的類似于梳齒形狀的結(jié)構(gòu)， 有效增大電容極板的等效變化面積，致使電容變化率增大，從而大大提高器件測量的靈敏度。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高靈敏度的電容傳感器，其包括柔性梁、固定叉指以及與柔性梁連接的且與固定叉指配合的可動叉指，其特征在于所述固定叉指和可動叉指分別都包括底部和與所述底部垂直連接的兩個以上的凸起部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述固定叉指和可動叉指的結(jié)構(gòu)完全相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述固定叉指或可動叉指上的各個凸起部的形狀相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述凸起部的橫截面是方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述凸起部的大小相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述每兩個凸起部的間隔寬度相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述固定叉指與可動叉指相互錯位排列，即所述固定叉指的凸起部與可動叉指的凸起部部分重疊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述固定叉指包括第一固定叉指和第二固定叉指，所述第一固定叉指和第二固定叉指分別與可動叉指配合形成差分電容。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高靈敏度的電容傳感器，其特征在于所述第一固定叉指和第二固定叉指分別有兩組。
10.一種制造權(quán)利要求1所述的高靈敏度的電容傳感器的方法，其特征在于其包括有以下步驟先用掩模將固定叉指和可動叉指的區(qū)域覆蓋；然后通過深槽刻蝕工藝將傳感器的器件層上結(jié)構(gòu)釋放區(qū)刻蝕到一定深度；再將固定叉指和可動叉指的區(qū)域中相鄰?fù)蛊鸩康拈g隔部分的刻蝕窗口打開；最后進一步通過深槽刻蝕工藝將結(jié)構(gòu)釋放區(qū)刻穿，將凸起部的間隔部分刻蝕到一定深度，即保留底部一定的高度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高靈敏度的電容傳感器及其制造方法。其中高靈敏度的電容傳感器包括柔性梁、固定叉指以及與柔性梁連接的且與固定叉指配合的可動叉指，其中固定叉指和可動叉指分別都包括底部和與所述底部垂直連接的兩個以上的凸起部。本發(fā)明涉及的高靈敏度的電容傳感器及其制造方法，通過大大增加電容極板的等效變化面積，從而大大提高器件測量的靈敏度。
文檔編號G01D5/24GK102269598SQ20101019253
公開日2011年12月7日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者周漢秦, 蔣樂躍 申請人:美新半導(dǎo)體(無錫)有限公司