具有非傳導感測質量體的微機電傳感器和通過微機電傳感器感測的方法技術

一種微機電傳感器，包括：支撐結構(2)，具有形成電容器(10)的至少一個第一電極(7a)和至少一個第二電極(7b)；以及由非傳導材料制成的感測裝置(3)，感測裝置(3)被布置成與關聯于電容器(10)的電場交互并且根據自由度(X)相對于支撐結構(2)可移動，從而感測裝置(3)相對于第一電極(7a)和第二電極(7b)的相對位置響應于外部應力而可變。感測裝置(3)由在本征半導體材料、半導體材料的氧化物、半導體材料的氮化物中選擇的材料制成。

【技術實現步驟摘要】
具有非傳導感測質量體的微機電傳感器和通過微機電傳感器感測的方法
本專利技術涉及一種具有非傳導感測質量體的微機電傳感器和通過微機電傳感器感測的方法。
技術介紹
本領域已知利用可移動質量體相對于支撐結構的相對移位的各種類型的微機電傳感器。這一類型的傳感器在許多裝置中在不斷增加的程度上擴展并且可以例如包括加速度計、陀螺儀和聲電換能器(麥克風/揚聲器)。可移動質量體的移位由待測量的量的變化來確定。例如在加速度計的情況下，向支撐結構施加的力修改它的運動狀態并且引起可移動質量體的相對移位。在陀螺儀中，保持于受控振動中的可移動質量體由于支撐結構的旋轉所致的科里奧利加速度而移位。在聲電換能器中，可移動質量體為隔膜的形式，該隔膜響應于入射聲波而經歷變形。因而根據可移動質量體的移位量而有可能推導已經引起移位的量的值。在許多傳感器中，可移動質量體電容耦合到支撐結構，并且電容耦合與可移動質量體本身的位置成比例可變。根據可以在電端子容易獲得的關于電容耦合的信息推導待測量的量。根據廣泛采用的解決方案，支撐結構和可移動質量體具有相應相互相向傳導電極以便形成電容器。電容器的電容由在支撐結構的電極與可移動質量體的電極之間的距離確定、因此依賴于后者的位置。空氣一般存在于電極之間。盡管應用范圍廣泛，然而有限制這一類型的電容傳感器的性能并且有時限制其使用可能性的一些方面。經常沖突的最關鍵方面一般是傳感器的靈敏度和線性度。靈敏度(定義為電容相對于在感測方向上的位置而言的導數)基本上依賴于傳感器的幾何形狀(電極的表面和靜止距離)并且依賴于懸置元件(這些元件將可移動質量體連接到支撐結構以實現相對于預定自由程度的彈性振蕩)的硬度或者在聲電換能器的情況下另外依賴于隔膜的硬度。具體而言，更硬彈性件或者隔膜實現最適度比例的移位、因而實現少量電容變化。然而在另一方面，如果線性度受益于相對于靜止位置的少量移位，則靈敏度受限制并且整造成更低準確度和抗噪度。更少硬度的彈性連接和隔膜有利于靈敏度、但是減少線性度。此外，在可移動部分與固定部分之間的碰撞風險(該風險可能甚至引起對設備的不可逆損壞)增加。又一限制源于需要為固定電極并且為可移動電極提供電連接。微機電傳感器的架構經常復雜，并且提供許多電連接可以證實有問題。已經提出使用傳感器(這些傳感器利用在基板的表面上提供并且偏置的電容器)和由聚合物材料(例如聚對二甲苯)制成并且在與襯底相距可變距離設置的可移動質量體。可移動質量體根據相對于基板的表面而言的位置不同地修改在電容器的邊緣的場線、因而修改它們的電容。然而這一解決方案帶來限制，因為聚合物并且具體為聚對二甲苯遠不適合于如代之以在許多情況下將必需的那樣創建復雜微結構。靈活性因而欠佳，并且使用可能性相當有限。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種將實現減輕上文描述的限制的微機電傳感器和感測方法。根據本專利技術，提供一種微機電傳感器和感測方法。附圖說明為了更好地理解本專利技術，現在將完全通過非限制例子并且參照以下附圖描述其一些實施例：-圖1是根據本專利技術第一實施例的微機電傳感器的簡化俯視平面圖；-圖2是圖1的微機電傳感器的細節的放大透視圖；-圖3是圖1的微機電傳感器的部分的簡化框圖；-圖4是根據本專利技術第二實施例的微機電傳感器的橫截面；-圖5是根據本專利技術第三實施例的微機電傳感器的簡化俯視平面圖；-圖6是經過根據本專利技術第四實施例的微機電傳感器的橫截面圖；并且-圖7是根據本專利技術一個實施例的包含微機電傳感器的電子系統的簡化框圖。具體實施方式圖1和圖2以簡化方式示出了這里由標號1標示的微機電傳感器，具體為單軸加速度計。微機電傳感器1包括由半導體材料(例如硅)制成的支撐結構2和容納于支撐結構2的空腔4中的感測質量體3，并且感測質量體3根據在描述的實施例中為平移類型的自由度相對于支撐結構2本身可移動的感測質量體3。在實踐中，感測質量體3通過彈性連接元件5約束到支撐結構，彈性連接元件5被配置成實現感測質量體3相對于靜止位置沿著感測軸X的相對移動。在圖1和圖2的實施例中，感測軸X另外與在其中容納感測質量體3的空腔4的底表面4a平行。感測質量體3因此在與它相向的表面4a平行的方向上可移動。支撐結構2具有由摻雜半導體材料(因此傳導)制成的多個第一電極7a和第二電極7b，這些電極朝著空腔4的內側突出。第一電極7a和第二電極7b與彼此并且與感測軸X平行、彼此相向并且交替布置而且均勻隔開。另外，相鄰的第一電極7a和第二電極7b相互電隔離并且限定具有平面和平行板的相應電容器。第一感測端子8a和第二感測端子8b分別連接到第一電極7a和第二電極7b。可移動質量體3由在這里描述的實施例中為本征硅的非傳導材料制成。取而代之，可以使用其它一些本征半導體(比如鍺或者砷化鎵或者別的半導體氧化物或者氮化物(例如硅氧化物(SiO2)和硅氮化物(Si3N4)))。然而，一般而言，如下文將了解的那樣，本征半導體由于有利于設備靈敏度的更高介電常數而優選。如已經提到的那樣，感測質量體3沿著感測軸X在空腔4中可移動。感測質量體3另外具有板3a，板3a朝著與感測軸X并且與表面4a平行的第一電極7a和第二電極7b而側向突出。板3a按均勻距離隔開布置，并且各自插入于相應對的相鄰第一電極7a與第二電極7b之間。如圖1中所示，配置彈性連接元件5，使得在無外部應力時感測質量體3在相對于感測軸X的靜止位置XR。當向支撐結構2施加力時，感測質量體3在由應力的符號確定的方向上相對于靜止位置XR沿著感測軸X移動。移位的幅度另外由應力的量確定。因而，在成對的相鄰第一電極7a與第二電極7b之間構成的空間在感測質量體3本身相對于感測軸X的位置確定的程度上由感測質量體3的相應板3a占據。如先前回顧的那樣，相鄰第一電極7a和第二電極7b限定電容器10，這些電容器的電容由在板3a的相鄰第一電極7a與第二電極7b之間插入的部分的延伸以及其它因素確定。板3a與關聯到電容器10a的場互作用并且影響其電容。每個電容器10的總電容由兩個因素確定：一個歸因于在板之間的空氣部分，而另一個歸因于形成板3a的非傳導材料(見圖3)的存在。如果用L表示電極7a、7b在感測軸X的方向上的尺度、用X’表示板3a的、在電極7a、7b之間插入的部分的長度、用Z(圖2)表示電極7a、7b在與空腔4的表面4a并且與感測軸X垂直的方向上的尺度、并且用G表示在相鄰第一電極7a與第二電極7b之間的距離，則每個電容器10的總電容由下式給出：在板3a的寬度與在相鄰第一電極7a與第二電極7b之間的距離G基本上相同、但是作用次要(foraminorplay)時，并且另外如果假設板3a對相鄰電容器10的影響可忽略不計，則簡化關系(1)適用。每個電容器10的總電容因此依賴于感測質量體沿著軸X的位置，該位置又由向支撐結構2施加的力的強度確定。如果傳感器的結構未滿足指示的條件，則電容器10的電容由比關系(1)更復雜的關系給出、但是在任何情況下以基本上線性方式依賴于感測質量體沿著軸X的位置。如圖3中所示，可以用讀取電路15容易地檢測電容器10(并聯連接在一起(圖1))的總電容。具體而言，讀取電路15例如跨感測端子8a、8b施加電壓VS，并且確定吸收的電流的積分。圖4示出了本專利技術一個不同實施例。微機電傳感器100(具體為單本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種微機電傳感器，包括：支撐結構(2；102；202；302)，具有形成電容器(10)的至少第一電極(7a；107a；207a；307a)和至少第二電極(7b；107b；207b；307b)；非傳導材料的感測裝置(3；103；203；303)，布置成與關聯于所述電容器(10)的電場交互并且根據自由度(X；Z)相對于所述支撐結構(2；102；202；302)可移動，從而所述感測裝置(3；103；203；303)相對于所述第一電極(7a；107a；207a；307a)和相對于所述第二電極(7b；107b；207b；307b)的相對位置響應于外部應力而可變；其特征在于所述感測裝置(3；103；203；303)由在下組中選擇的材料制成，所述組包括本征半導體材料、半導體材料的氧化物、半導體材料的氮化物。

【技術特征摘要】
2011.10.03 IT TO2011A0008811.一種微機電傳感器，包括：支撐結構(2；102；202；302)，具有形成電容器(10)的至少第一電極(7a；107a；207a；307a)和至少第二電極(7b；107b；207b；307b)；非傳導材料的感測裝置(3；103；203；303)，布置成與關聯于所述電容器(10)的電場交互并且根據自由度(X；Z)相對于所述支撐結構(2；102；202；302)可移動，從而所述感測裝置(3；103；203；303)相對于所述第一電極(7a；107a；207a；307a)和相對于所述第二電極(7b；107b；207b；307b)的相對位置響應于外部應力而可變；其特征在于所述感測裝置(3；103；203；303)由在下組中選擇的材料制成，所述組包括本征半導體材料、半導體材料的氧化物、半導體材料的氮化物。2.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述感測裝置(3；103；203；303)由在下組中選擇的材料制成，所述組包括本征硅、本征鍺、本征砷化鎵。3.根據權利要求1或者2所述的傳感器，其中所述感測裝置(3；103；203)具有在如下程度上在所述第一電極(7a；107a；207a)與所述第二電極(7b；107b；207b)之間插入的板(3a；103a；203a)，所述程度依賴于所述感測裝置(3；103；203)的、根據所述自由度(X)相對于所述第一電極(7a；107a；207a)和相對于所述第二電極(7b；107b；207b)的所述相對位置。4.根據權利要求3所述的傳感器，包括：多個第一電極(7a；107a；207a)和多個第二電極(7b；107b；207b)，彼此相向并且交替布置而且從所述支撐結構(2；102；202)朝著所述感測裝置(3；103；203)延伸；其中相鄰的第一電極(7a；107a；207a)和第二電極(7b；107b；207b)相互電隔離；并且其中所述感測裝置(3；103；203)具有在如下程度上在相應成對的第一電極(7a；107a；207a)與第...

【專利技術屬性】
技術研發人員：A·A·梅拉西，B·德瑪西，A·科里吉利亞諾，
申請(專利權)人：意法半導體股份有限公司，米蘭綜合工科大學，
類型：發明
國別省市：