专利名称：电容z轴加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容加速度计，更具体地说，涉及能与x和y轴加速度计一起集成为单个芯片并最小化电容变化以便实现z轴方向中的良好的加速度灵敏度以及利用低成本的放大器和过滤器的电容z轴加速度计。
背景技术：
加速度计被称为微型机电系统(MEMS)设备。MEMS设备表示受电控制和测量的微刻度机械设备，其中MEMS是用于通过半导体工艺，制造机械和电子设备的技术。
当前正在开发能测量加速度的各种加速度计，以及用在车辆气囊系统、防抱死制动系统(ABS)和一般振动计中。加速度计主要通过半导体工艺制作，以及划分成压电、压阻和电容加速度度。压电加速度计由于其难以在没有静电特性的情况下，配制良好属性的薄膜，因此在商业正在退步。另外，压阻加速度计根据温度变化，显示出难以补偿的各种特性变化。因此，当前技术趋势倾向于电容加速度计。
电容加速度计具有非常良好的特性电容加速度计显示根据温度变化的很小程度的特性变化，允许高完整性的场效应晶体管构成信号处理电路而没有另外的处理，以及能以低成本制作。
图1示意性地示例说明典型的加速度计。如图1所示，传统的电容加速度计1包括作为可移动结构的浮动主体(floating mass)10、充当机械刚度(mechanical stiffness)的弹簧的悬梁(suspension beam)，用于弹性支撑主体10的两端、从主体10延伸到图中所见的两侧对称结构中的多个可移动电极指(electrode finger)12和14、固定到两个电极固定部件030a和30b上以及与可移动电极12和14分开预定间隙的多个固定电极指32和34以及用于将悬梁22和24固定到绝缘板的底部的梁固定部20a和20b。可移动电极指12和143用来维持离固定电极指32和34的固定间隙，除非从外部施加任何加速度以便保持电容的预定值。
标记19表示用于通过其引入蚀刻液的蚀刻孔。
在将外力施加到加速度计1上后，在力的方向或y轴方向(即图中所见的垂直方向)中移动主体10，在y方向中推动固定到其上的可移动电极指12和14。这从而增加和减小从可移动电极指12和14到固定电极指32和34的间隙g1和g2，表示主体10的位移。
这改变可移动电极指12和14与固定电极指32和34间的电容。根据施加到固定电极指32和34上的读出电压，电容的变化感应为进入可移动电极指12和14中的电流，以及将该电流转换成电压，然后用连接到可移动电极指12和14的放大器(未示出)放大以便能测量外部加速度。
为通过加速度计测量相对于x、y和z轴的外部加速度，水平放置两个这种类型的加速度计以便能在x和y轴方向中移动主体10，以及垂直安置这种类型的第三加速度计，以便通过在z轴方向中主体100的移动来测量z轴加速度。
这种结构的问题在于因为垂直z轴加速度计与x和y轴加速度一起，增加了占用大的空间的总的高度，使得总体积增加。
如果降低z轴加速度计1的高度以便减小整体结构，可移动和固定电极指12、14、32和34间的电容变化变得极其小。因此，为检测和将电容变化的痕量(trace amount)转换成电压，有必要在加速度计1附近提供高放大率的放大器、解调器和高性能过滤器。然而，这会使加速度计的整体结构变得复杂同时增加了制作成本。
此外，因为也一起放大输入信号中的噪声分量，更高放大率产生包含更多噪声和非线性分量的输出信号，从而进一步恶化加速度的性能。

发明内容
因此，已经做出了本发明来解决现有技术的上述问题。
本发明的目的是提供能与x和y轴加速度计一起集成为单个芯片的电容z轴加速度计，从而降低传感器的大小，最小化电容变化以便在z轴方向中具有良好的加速度灵敏度，降低通过放大器放大的信号同时减小包含在信号中的噪声分量的放大以便防止恶化传感器的灵敏度，以及利用低成本放大器和过滤器。
根据用于实现该目的的本发明的方面，提供一种电容z轴加速度计，包括固定电极，具有与绝缘板的顶面平行安置的至少两个矩形固定电极板，固定电极板经多个柱使一个位于另一个之上以及安置在绝缘板的电极固定部上；可移动电极，具有与固定电极板交错的至少两个矩形可移动电极板，可移动电极板经位于贯穿固定电极板的导向孔内的多个接插件柱一个位于另一个之上；以及多个支撑梁，用于将可移动电极与分别安置在可移动电极的两端附近的梁固定部连接，以便弹性支撑可移动电极。
最好，固定电极板经多个柱，以恒定间隙使一个位于另一个之上。
最好，可移动电极板经用于将可移动电极板连接在一起的多个接插件柱，以恒定间隙使一个位于另一个之上。
最好，可移动电极板的每一个包括具有小于每一个固定电极板的面积的矩形板。
最好，支撑梁的每一个包括用于连接可移动电极板的最上一个和最下一个的两端的预定长度的弹性构件。
最好，通过蚀刻孔贯穿固定和可移动电极板以及支撑板，蚀刻孔用于引入用于牺牲层形成的蚀刻液，以便允许可移动电极的z轴位移。
另外，本发明的电容z轴加速度计可以进一步包括从固定电极板或可移动电极板延伸的至少一个突起，以便在可移动板变形中接触固定和可移动电极板的相邻的一个。
最好，突起是圆锥形以便执行与固定和可移动电极板的相邻和相应一个的点接触。
最好，突起是半圆柱形，以便执行与固定和可移动电极板的相邻和相应一个的线接触。
根据用于实现该目的的本发明的另一方面，提供一种电容z轴加速度计，包括第一和第二固定电极，每个具有与绝缘板的顶面平行安置的至少两个矩形固定电极板，固定电极板经多个柱使一个位于另一个之上，以及安置在绝缘板的电极固定部上；第一和第二可移动电极，每个具有与固定电极板交错的至少两个矩形可移动电极板，可移动电极板经位于贯穿固定电极板的导向孔内的多个接插件柱，使一个位于另一个之上；以及多个支撑梁，用于连接可移动电极和分别安置在可移动电极的外端附近以及可移动电极间的梁固定部，以便弹性支撑可移动电极。
最好，与第一和第二可移动电极弹性连接的支撑梁具有彼此不同的高度以便相对于z轴位移的电容变化具有相反的极性。
最好，可移动电极板的每一个包括具有小于每个固定电极板的面积的矩形板。
最好，支撑梁的每一个包括用于连接可移动电极板的最上一个和最下一个的两端的预定长度的弹性构件。
最好，通过蚀刻孔贯穿固定和可移动电极板以及支撑板，蚀刻孔用于引入用于牺牲层形成的蚀刻液，以便允许可移动电极的z轴位移。
另外，电容z轴加速度计可以进一步包括从固定电极板或可移动电极板延伸的至少一个突起，以便在可移动板变形中接触固定和可移动电极板的相邻的一个。
最好，突起是圆锥形以便执行与固定和可移动电极板的相邻和相应一个的点接触。
最好，突起是半圆柱形，以便执行与固定和可移动电极板的相邻和相应一个的线接触。


从下述结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中图1示意性地示例说明典型的加速度计；图2是根据本发明的电容z轴加速度计的透视图；图3A是图2中的电容z轴加速度计的平面图；图3B是图2中的电容z轴加速度计的侧正视图；图3C是沿线A-A′所获得的图2中的电容z轴加速度计的纵向截面图；图4A是沿图3B中的线B-B′所获得的平面图；图4B是沿图3B中的线C-C′所获得的平面图；图5是根据本发明，具有蚀刻孔的电容z轴加速度计的侧正视图；图6是根据本发明，具有突起的电容z轴加速度计的侧正视图；图7A和7B是根据本发明，在电容z轴加速度计中提供的突起的透视图；图8是根据本发明，具有突起的蚀刻孔的电容z轴加速度计的侧正视图；以及图9是示例说明根据本发明的另一实施例的z轴加速度计的侧正视图。
具体实施例方式
现在，将参考附图，详细地描述本发明的优选实施例。
图2是根据本发明的电容z轴加速度计的透视图，图3A是图2中的电容z轴加速度计的平面图，图3B是图2中的电容z轴加速度计的侧正视图，图3C是沿线A-A′所获得的图2中的电容z轴加速度计的纵向截面图，图4A是沿图3B中的线B-B′所获得的平面图以及图4B是沿图3B中的线C-C′所获得的平面图。
如图2至4B所示，本发明的加速度计100具有一个放在另一个之上的多个电极板以便实现关于z轴加速度的高灵敏度以及小的安装高度，从而加速度计100能与x和y轴加速度计一起集成为一个芯片。加速度计100包括固定电极110、可移动电极120和支撑梁130。
固定电极110是安置在位于绝缘板200上的电极固定部115上的固定结构，并包括以预定间隙一个位于另一个之上的至少两个固定电极板112。
固定电极板112是矩形电极构件，并与绝缘板200的顶面平行安置。固定电极板112经在固定电极板112的拐角处垂直提供的柱114一个位于另一个之上。
在除最上面一个外，在固定电极板112的拐角附近形成导向孔116以便允许通过用于连接可移动电极板122的接插件柱(connector post)124，这将在下面描述。
可移动电极120是以相对于固定电极110可移动的形式，安置在z轴方向中的可移动结构以便在z轴或在施加外部加速度后的外部加速度方向中移动，以及具有与固定电极板112交错插入的至少两个可移动电极板122以便改变到固定电极板112的间隙，从而改变电容。
可移动电极板122是矩形板状电极构件，以及以预定间隙位于可移动电极板112之上或之下，在适当位置平行于固定电极板112的顶和底面。可移动电极板112经在其拐角处垂直提供的接插件柱124一个位于另一个之上。
固定和可移动电极板112和122彼此交错放置，以及通过来自美国的Sandia Lab的多层多晶硅沉积和来自美国的Microfabria的电镀形成。
固定电极板112经连接固定电极板112的柱114一起，以固定间隙一个位于另一个之上，以及可移动电极板122还经连接可移动电极板122的柱124一起，以固定间隙一个位于另一个之上。
当在该图中，在z轴方向中向下移动可移动电极120时，使可移动电极板122和位于该可移动电极板122上的固定电极板112间的间隙G1变窄以便增加电容，而使可移动电极板122和位于可移动电极板122之下的固定电极板112间的间隙变宽以便减小电容。在可移动电极板122的向上方向中，从初始值的电容变化与可移动电极板122的向下方向中相反。
在相应于接插件柱124的截面形状和位置的固定电极板112的拐角中，使导向孔116贯穿以便可移动电极板122的接插件柱124能在z轴方向中自由地移动。
使与固定电极板112交错的可移动电极板122成形为小于相应的固定电极板112的表面积的矩形板。
在这种情况下，尽管在水平方向，例如，相对于固定电极110的x或y轴方向中移动可移动电极120，可移动电极120的最大移动范围处于固定电极板112的表面积内以便在固定和移动电极板间不会发生由间隙变化引起的电容变化，从而相对地提高z轴灵敏度同时最小化x和y轴灵敏度。
支撑梁130a和130b从在固定和可移动电极110和120的两端附近安置的梁固定部132和134延伸到可移动电极板122，并由弹性构件诸如预定机械弹性组件的片簧制成，用于将可移动电极板122的两端与梁固定部132弹性连接以便弹性支撑可移动电极120。
支撑梁130a和130b最好由具有连接到可移动电极板122的最上和最下一个的两端的前端(leading end)的弹性梁制成。
同时，如图5所示，最好通过用于引入用于形成牺牲层的蚀刻液的蚀刻孔140，贯穿固定和可移动电极板112和122以及支撑梁130a和130b以便在z轴方向中，相对于固定电极110，可自动地移动可移动电极120。
如图6所示，从可移动电极板122延伸至少一个突起150以便在可移动电极板122变形中，与固定电极板112的相邻和相应的一个接触。另外，可以从固定电极板112延伸突起150以便与可移动电极板122的相应的一个接触。
如图7A所示，每个突起150是圆锥形的以便执行与固定或可移动电极板112和122的相应的一个的点接触。另外，如图7B所示，每个突起150可以是半圆柱形以便执行与固定或可移动电极板112和122的线接触。
在突起150从固定电极板112或可移动电极板122延伸的情况下，如果使可移动电极板122变形以便使到相应的固定电极板112的间隙变窄，在可移动电极板122执行与相应的固定电极板112的面接触前，突起150执行与固定或可移动电极板112或122的相应的一个的点接触或线接触以便防止会防碍可移动电极120的z轴位移的固定和可移动电极板112和122间的任何附着。
如图8所示，最好固定和可移动电极板112和122以及支撑梁130a和130b具有多个蚀刻孔140同时固定电极板112或可移动电极板122具有多个突起150。
图9示例说明根据本发明的另一实施例的z轴加速度计。如图9所示，加速度计100a包括共同成对提供的第一和第二固定电极110和310、第一和第二可移动电极120和320以及支撑梁130a、130b、330a和330b。第一和第二固定电极110和310是安置在左和右边中以及分别在绝缘板200的电极固定部115和315上的固定结构对。第一固定电极110具有经柱114，以预定间隙一个位于另一个之上的至少两个矩形固定电极板112，以及第二固定电极310还具有经柱314，以预定间隙一个位于另一个之上的至少两个矩形固定电极板312。
第一可移动电极120包括与固定电极板112的相应的一个交错的至少两个矩形可移动电极板122，以及第二可移动电极320包括与固定电极板312的相应的一个交错的至少两个矩形可移动电极板322。第一可移动电极板122经安置在贯穿第一固定电极板112的导向孔116内的柱124一个位于另一个之上，以及第二可移动电极322经安置在贯穿第二固定电极板312的导向孔316内的柱324一个位于另一个之上。
支撑梁130a和130b是具有预定长度的弹性梁结构，用于连接第一可移动电极120的可移动电极板122和梁固定部132和134以便弹性支撑第一可移动电极板122，以及支撑梁330a和330b是具有预定长度的弹性梁结构，用于连接第二可移动电极320的第二可移动电极板322与梁固定部134和梁固定部334以便弹性支撑第二可移动电极板322。中间梁固定部134位于可移动电极120和320之间，以及梁固定部132和334位于可移动电极120和320的外端附近。
与第一可移动电极120弹性连接的支撑梁130a和10b最好具有不同于弹性连接第二可移动电极320的支撑梁330a和330b的高度以便相对于第一固定电极110，在第一可移动电极120的z轴方向中的电容变化具有与相对于绝缘板200上的第二固定电极310的第二可移动电极320相反的极性。因此，这允许在没有微分电路的情况下处理微分操作。
在另一实施例的加速度计100a中，如果相对于固定电极110和310，外力使可移动电极120和320在z轴方向中向下移动，第一可移动电极120的可移动电极板122和交错的第一固定电极板112间的电容变化具有正值，因为从每个可移动电极板122的顶面到相应的第一固定电极板112的间隙G1变窄以便增加电容。
相反，第二可移动电极320的可移动电极板322与交错的第二固定电极板312间的电容变化具有与第一电极110相反的负值，因为从每个可移动电极板322到相应的第二固定电极板312的间隙G3变宽以便降低电容。
因此，在没有微分电路的情况下，通过微分操作，可以放大第一和第二可移动电极120和320中的电容变化两倍，如等式1所示ΔC＝2×[{(C1/G1)-(C2/G3)}×M×A]/K .... 等式1其中，C1是第一可移动和固定电极间的初始电容，C2是第二可移动和固定电极间的初始电容，G1和G3是可移动板和固定板间的间隙，M是可移动电极和支撑梁的总重量，A是加速度，以及K是支撑梁的弹簧常数。
根据如上所述的本发明，矩形可移动电极板与矩形固定电极板交错放置以便最小化z轴方向中的电容变化，从而本发明的加速度计具有于x和y轴加速度计的安装高度，从而可与它们集成为一个芯片，因此，允许以微型大小设计最终产品。
因此，本发明能最大化可移动电极板和固定电极板间的电容变化以便增强z轴加速度灵敏度，降低通过放大器放大的信号以及信号中的噪声分量以便防止传感器的灵敏度降低，以及利用低成本的放大器和/或过滤器以便节省制作成本。
结合优选实施例，已经示出和描述了本发明，对本领域的普通技术人员来说在不背离由附加权利限定的本发明的精神和范围的情况下，能做出各种改进和改变是显而易见的。
权利要求
1.一种电容z轴加速度计，包括固定电极，具有与绝缘板的顶面平行安置的至少两个矩形固定电极板，所述固定电极板经多个柱使一个位于另一个之上以及安置在所述绝缘板的电极固定部上；可移动电极，具有与所述固定电极板交错的至少两个矩形可移动电极板，所述可移动电极板经位于贯穿所述固定电极板的导向孔内的多个接插件柱一个位于另一个之上；以及多个支撑梁，用于将所述可移动电极与分别安置在邻近所述可移动电极的两端的梁固定部连接，以便弹性支撑所述可移动电极。
2.如权利要求1所述的电容z轴加速度计，其中，所述固定电极板经多个柱，以恒定间隙使一个位于另一个之上。
3.如权利要求1所述的电容z轴加速度计，其中，所述可移动电极板经用于将可移动电极板连接在一起的多个接插件柱，以恒定间隙使一个位于另一个之上。
4.如权利要求1所述的电容z轴加速度计，其中，所述可移动电极板的每一个包括具有小于每一个固定电极板的面积的矩形板。
5.如权利要求1所述的电容z轴加速度计，其中，所述支撑梁的每一个包括用于连接所述可移动电极板的最上一个和最下一个的两端的预定长度的弹性构件。
6.如权利要求1所述的电容z轴加速度计，其中，通过蚀刻孔贯穿所述固定和可移动电极板以及支撑板，所述蚀刻孔用于引入用于牺牲层形成的蚀刻液，以便允许所述可移动电极的z轴位移。
7.如权利要求1所述的电容z轴加速度计，进一步包括从所述固定电极板或可移动电极板延伸的至少一个突起，以便在所述可移动板变形中接触所述固定和所述可移动电极板的相邻的一个。
8.如权利要求7所述的电容z轴加速度计，其中，所述突起是圆锥形以便执行与所述相邻和相应的固定和可移动电极板中的一个的点接触。
9.如权利要求7所述的电容z轴加速度计，其中，所述突起是半圆柱形，以便执行与所述相邻和相应的固定和可移动电极板中的一个的线接触。
10.一种电容z轴加速度计，包括第一和第二固定电极，每个具有与绝缘板的顶面平行安置的至少两个矩形固定电极板，所述固定电极板经多个柱使一个位于另一个之上，以及安置在所述绝缘板的电极固定部上；第一和第二可移动电极，每个具有与所述固定电极板交错的至少两个矩形可移动电极板，所述可移动电极板经位于贯穿所述固定电极板的导向孔内的多个接插件柱，使一个位于另一个之上；以及多个支撑梁，用于连接所述可移动电极和分别安置在附近所述可移动电极的外端并且位于可移动电极间的梁固定部，以便弹性支撑所述可移动电极。
11.如权利要求10所述的电容z轴加速度计，其中，与所述第一和第二可移动电极弹性连接的所述支撑梁具有彼此不同的高度以便相对于z轴位移的电容变化具有相反的极性。
12.如权利要求10所述的电容z轴加速度计，其中，所述可移动电极板的每一个包括具有小于每个固定电极板的面积的矩形板。
13.如权利要求10所述的电容z轴加速度计，其中，所述支撑梁的每一个包括用于连接所述可移动电极板的最上一个和最下一个的两端的预定长度的弹性构件。
14.如权利要求10所述的电容z轴加速度计，其中，通过蚀刻孔贯穿所述固定和可移动电极板以及支撑板，所述蚀刻孔用于引入用于牺牲层的形成的蚀刻液，以便允许所述可移动电极的z轴位移。
15.如权利要求10所述的电容z轴加速度计，进一步包括从所述固定电极板或可移动电极板延伸的至少一个突起，以便在所述可移动板变形中接触所述固定和所述可移动电极板的相邻的一个。
16.如权利要求15所述的电容z轴加速度计，其中，所述突起是圆锥形以便执行与相邻和相应的所述固定和可移动电极板中的一个的点接触。
17.如权利要求15所述的电容z轴加速度计，其中，所述突起是半圆柱形，以便执行与相邻和相应的所述固定和可移动电极板中的一个的线接触。
全文摘要
公开了一种电容z轴加速度计，包括固定电极、可移动电极和支撑梁。固定电极具有与绝缘板的顶面平行安置的矩形固定电极板。固定电极板经柱使一个位于另一个之上以及安置在绝缘板的电极固定部上。可移动电极具有与固定电极板交错的矩形可移动电极板。可移动电极板经位于贯穿固定电极板的导向孔内的接插件柱一个位于另一个之上。多个支撑梁将可移动电极与梁固定部连接以便弹性支撑可移动电极。电容z轴加速度计能与x和y轴加速度计一起集成为单个芯片，最大化电容的变化以便实现良好的加速度灵敏度，以及利用低成本的放大器和过滤器。
文档编号G01P15/125GK1629642SQ20041004569
公开日2005年6月22日 申请日期2004年4月30日 优先权日2003年12月20日
发明者朴晧埈, 蔡敬洙 申请人:三星电机株式会社