CN1113008A - 减小了传感器板弯曲的半导体加速计 - Google Patents

Abstract

一种半导体加速计，它带有一个有外加加速力时 保持大体平面状的传感器板。传感器板由在约束点 处与传感器板相连的支撑横梁来支持。传感器元件 的一部分质量悬伸到约束点之外。当加以加速力时， 悬臂质量产生一个平衡力矩使传感器板保持大体平 面的状态。

Description

本发明一般说来涉及到半导体，更确切地说是半导体加速计。

过去，半导体工业已利用各种各样的结构和方法来制作半导体加速计。现有加速计的一类利用二个带有固定的二块平行平板的串联电容器和一个悬挂在二块固定平板之间的可移动的平面传感器元件。传感器元件构成一个与二个电容器共接的第三块板。当加速力引起传感器元件移动到更靠近固定电容器平板中的某一个时，加速计的电容值发生变化。耦合到加速计的外部电路就检测到电容值的改变。这种现有的半导体加速计的一个缺点是其精度不能令人满意。典型的情况是，加速力不仅引起传感器元件移动，也引起传感器元件的中央部分弯曲或下垂，以致传感器元件不再是平面状的。弯曲引起传感器元件的一部分比另一部分更靠近于一个电容器平板，于是，电容不再随外加到加速计上的力而线性变化。此外，弯曲或下垂减小了传感器元件和电容器平板之间的距离。平板到传感器元件的距离常常小到足以使静电吸引力将传感器元件推向电容器平板，从而使加速计短路。

因此希望有一种不随加速力弯曲、而且在电容值和外加加速力之间具有大体线性关系的半导体加速计。

图1示出了根据本发明的半导体加速计的放大切开的透视图;

图2示出了根据本发明的图1加速计的传感器元件的一部分;

以及

图3示出了根据本发明的传感器板的一个变通实施例。

图1示出了一个半导体加速计10的放大的切开透视图。加速计10包括一个制作在衬底11上的第一电容器平板13和一个覆盖在平板13上的第二电容器平板21。平板21用多个从其侧面延伸到衬底11表面的侧壁22悬挂在平板13之上。多个支撑横梁16、17、18和19把传感器板14悬挂在电容器平板13和21之间。传感器板14和横梁16、17、18和19起传感器元件20的作用。横梁16、17、18和19的第一端装在板14的边上而各横梁的末端有一个伸向衬底11表面的支柱23。在最佳实施例中，支柱23大体垂直于横梁16、17、18和19而延伸。支柱23固定在支撑区12上以便把加到支柱23上的力分布到整个衬底11上。当不加外力时，板14大体上共面地悬挂在平板13和21之间大约正中间处。如下面将要看到的，加速力引起板14大体共面地垂直于平板13和21移动。

平板21和14组成一个第一电容器而平板13和14组成一个与第一电容器串联的第二电容器。平板13、14和21与监测二个电容器数值的电路（未示出）连接。电路可制作在衬底11上，也可以是外部电路。

加速计10可用本领域普通技术人员熟知的各种半导体材料和技术来制作。衬底可以是包括诸如硅之类的半导体材料的多种材料。而且，为了支撑加速计10，衬底11可带有一个氮化硅或其它材料的表面层。在1993年9月7日授予Addie等人的美国专利5241864中，描述了一例这种材料和技术。在最佳实施例中，支撑区12、侧壁22和平板13及21都用多晶硅制作。板14、支柱23和横梁16、17、18、19的最佳实施例是一种多层结构，其特征是一层氮化硅夹在二层多晶硅之间。

图2示出了图1所述传感器元件20一部分的平面图。图2还包括一个力的图解40，示出了加于板14的加速力的一个例子。图2中与图1相同的元件的参考号与图1中相同。板14有许多约束点26、27、28和29，它们位于横梁16、17、18、19分别与板14侧边相交的地方。约束点26、27、28和29支持板14的质量并起着使板14对平板13和21保持大体共面的作用（图1）。如箭头32所示，板14的总质量包括由约束点26、27、28和29围起来的板14中央部分的中央质量和悬在约束点26和27之外的悬臂质量23。约束点26和27之间的点线31示出了质量33的支撑端，而板14的外边缘代表自由端。在约束点27和28、28和29、29和26之间也有相同的悬臂质量。

当加速力加于板14时，这些悬臂质量沿着板14的边缘产生平衡力矩。这一平衡力矩倾向于使平板的中心恢复到共面或平行条件，从而改善了传感器10（图1）的精度。图解40示出了这一平衡力矩、图解40中板14用元件34表示。支点36和37分别代表约束点26和29的作用。为简化解释，图解40中只示出了二个约束点，但解释适用于板14的全部悬臂质量。箭头41、42和43代表加于板14的加速力。由箭头41代表的作用于板14中央部分的那部分力倾向于使板14的中央部分从平面状态发生弯曲或移位。此弯曲状态用虚线44表示。由箭头42和43代表的是加于悬臂质量上的力，该力对板14的各悬臂部分加一向下的力。但36和37将箭头42和43的向下力分别转变为围绕各支点36和37的平衡力矩，它倾向于将板14的中央部分恢复到大体平面的状态。借助于使板14保持在大体为平面的状态，悬臂质量有利于在加速力和加速计电容变化之间形成大体的线性关系（图1）。

传感器板14不局限于八角形，也可有多种形状和结构，只要有一部分质量在约束点之外即可。适合的形状有圆形、三角形或其它多角形。

悬臂所占总质量的百分比依赖于板14的形状。若悬臂质量太大，则在加速时板14会向一边倾斜而不是保持平面状态。为了保持其平面性，悬臂总质量可从板14总质量的大约10%变到大约80%。在最佳实施例中，每一悬臂质量约为板14总质量的16%，总的悬臂质量约为64%。16%的悬臂质量使板14中央部分的弯曲降低了大约50%。

图3示出了传感器元件50的一个变通实施例，它适用于如图1中加速计10的半导体加速计。图3中与图2相同的部分的参考号相同。元件50包括一个大致方形的传感器板51，由横梁16、17、18和19分别在约束点26、27、28和29支持着。元件50还包括从约束点26和27向外延伸的悬臂质量52，如箭头32所示。与图2解释的平衡力矩相似，质量52也产生一个平衡力矩，它保持板51处于大体平面状的状态。至此，已提供了一种新颖的制作半导体加速计的方法。约束点外边悬出去的那部分板的质量使得容易形成平衡力矩，此平衡力矩当加速力加于加速计时保持传感器板大体为平面状。

Claims (10)

1、一种半导体加速计传感器板，其特征在于包括：

由多个约束点围起来的第一质量，其中该第一质量被安在多个约束点之内；以及

为在第一质量上产生一个平衡力矩而从第一质量悬伸出去的第二质量，其中第二质量被安置在多个约束点之外。

2、权利要求1的传感器板，其中的第二质量利用多个约束点中的至少二个从第一质量悬伸出示。

3、权利要求1的传感器板，其中的第二质量为传感器板总质量的大约10%-80%。

4、权利要求1的传感器板，其中的传感器板为八角形。

5、权利要求1的传感器板，其中的传感器板为方形。

6、一种半导体加速计，其特征在于包括：

一个具有表面的半导体衬底;

一个在该半导体衬底表面上的第一电容器平板;

一个覆盖在第一电容器平板上并与第一电容器平板隔开的第二电容器平板;以及

一个具有侧边、第一质量和第二质量的平面状传感器板，其中的第二质量从第一质量悬伸出去以便在第一质量上产生平衡力矩，其中的第一质量由多个约束点围绕起来并设置在多个约束点以内，其中的第二质量设置在多个约束点以外，以及其中的传感器板悬挂在多个约束点中一个以上的约束点处以便使传感器板悬挂在第一电容器平板和第二电容器平板之间。

7、权利要求6的半导体加速计，还包括多个支撑横梁，其各有一个端点于多个约束点中的一个约束点处连接到传感器板侧壁，这些支持横梁自侧壁径向延伸。

8、权利要求7的半导体加速计，还包括一个位于多个支撑横梁中每个横梁末端的支柱。

9、权利要求6的半导体加速计，其中的第一电容器平板和第二电容器平板各为一多晶硅层。

10、权利要求6的半导体加速计，其中的传感器板是夹在二层多晶硅之间的一层氮化硅。

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