具有非传导感测质量体的微机电传感器和通过微机电传感器感测的方法技术

一种微机电传感器，包括：支撑结构(2)，具有形成电容器(10)的至少一个第一电极(7a)和至少一个第二电极(7b)；以及由非传导材料制成的感测装置(3)，感测装置(3)被布置成与关联于电容器(10)的电场交互并且根据自由度(X)相对于支撑结构(2)可移动，从而感测装置(3)相对于第一电极(7a)和第二电极(7b)的相对位置响应于外部应力而可变。感测装置(3)由在本征半导体材料、半导体材料的氧化物、半导体材料的氮化物中选择的材料制成。

【技术实现步骤摘要】
具有非传导感测质量体的微机电传感器和通过微机电传感器感测的方法
本专利技术涉及一种具有非传导感测质量体的微机电传感器和通过微机电传感器感测的方法。
技术介绍
本领域已知利用可移动质量体相对于支撑结构的相对移位的各种类型的微机电传感器。这一类型的传感器在许多装置中在不断增加的程度上扩展并且可以例如包括加速度计、陀螺仪和声电换能器(麦克风/扬声器)。可移动质量体的移位由待测量的量的变化来确定。例如在加速度计的情况下，向支撑结构施加的力修改它的运动状态并且引起可移动质量体的相对移位。在陀螺仪中，保持于受控振动中的可移动质量体由于支撑结构的旋转所致的科里奥利加速度而移位。在声电换能器中，可移动质量体为隔膜的形式，该隔膜响应于入射声波而经历变形。因而根据可移动质量体的移位量而有可能推导已经引起移位的量的值。在许多传感器中，可移动质量体电容耦合到支撑结构，并且电容耦合与可移动质量体本身的位置成比例可变。根据可以在电端子容易获得的关于电容耦合的信息推导待测量的量。根据广泛采用的解决方案，支撑结构和可移动质量体具有相应相互相向传导电极以便形成电容器。电容器的电容由在支撑结构的电极与可移动质量体的电极之间的距离确定、因此依赖于后者的位置。空气一般存在于电极之间。尽管应用范围广泛，然而有限制这一类型的电容传感器的性能并且有时限制其使用可能性的一些方面。经常冲突的最关键方面一般是传感器的灵敏度和线性度。灵敏度(定义为电容相对于在感测方向上的位置而言的导数)基本上依赖于传感器的几何形状(电极的表面和静止距离)并且依赖于悬置元件(这些元件将可移动质量体连接到支撑结构以实现相对于预定自由程度的弹性振荡)的硬度或者在声电换能器的情况下另外依赖于隔膜的硬度。具体而言，更硬弹性件或者隔膜实现最适度比例的移位、因而实现少量电容变化。然而在另一方面，如果线性度受益于相对于静止位置的少量移位，则灵敏度受限制并且整造成更低准确度和抗噪度。更少硬度的弹性连接和隔膜有利于灵敏度、但是减少线性度。此外，在可移动部分与固定部分之间的碰撞风险(该风险可能甚至引起对设备的不可逆损坏)增加。又一限制源于需要为固定电极并且为可移动电极提供电连接。微机电传感器的架构经常复杂，并且提供许多电连接可以证实有问题。已经提出使用传感器(这些传感器利用在基板的表面上提供并且偏置的电容器)和由聚合物材料(例如聚对二甲苯)制成并且在与衬底相距可变距离设置的可移动质量体。可移动质量体根据相对于基板的表面而言的位置不同地修改在电容器的边缘的场线、因而修改它们的电容。然而这一解决方案带来限制，因为聚合物并且具体为聚对二甲苯远不适合于如代之以在许多情况下将必需的那样创建复杂微结构。灵活性因而欠佳，并且使用可能性相当有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种将实现减轻上文描述的限制的微机电传感器和感测方法。根据本专利技术，提供一种微机电传感器和感测方法。附图说明为了更好地理解本专利技术，现在将完全通过非限制例子并且参照以下附图描述其一些实施例：-图1是根据本专利技术第一实施例的微机电传感器的简化俯视平面图；-图2是图1的微机电传感器的细节的放大透视图；-图3是图1的微机电传感器的部分的简化框图；-图4是根据本专利技术第二实施例的微机电传感器的横截面；-图5是根据本专利技术第三实施例的微机电传感器的简化俯视平面图；-图6是经过根据本专利技术第四实施例的微机电传感器的横截面图；并且-图7是根据本专利技术一个实施例的包含微机电传感器的电子系统的简化框图。具体实施方式图1和图2以简化方式示出了这里由标号1标示的微机电传感器，具体为单轴加速度计。微机电传感器1包括由半导体材料(例如硅)制成的支撑结构2和容纳于支撑结构2的空腔4中的感测质量体3，并且感测质量体3根据在描述的实施例中为平移类型的自由度相对于支撑结构2本身可移动的感测质量体3。在实践中，感测质量体3通过弹性连接元件5约束到支撑结构，弹性连接元件5被配置成实现感测质量体3相对于静止位置沿着感测轴X的相对移动。在图1和图2的实施例中，感测轴X另外与在其中容纳感测质量体3的空腔4的底表面4a平行。感测质量体3因此在与它相向的表面4a平行的方向上可移动。支撑结构2具有由掺杂半导体材料(因此传导)制成的多个第一电极7a和第二电极7b，这些电极朝着空腔4的内侧突出。第一电极7a和第二电极7b与彼此并且与感测轴X平行、彼此相向并且交替布置而且均匀隔开。另外，相邻的第一电极7a和第二电极7b相互电隔离并且限定具有平面和平行板的相应电容器。第一感测端子8a和第二感测端子8b分别连接到第一电极7a和第二电极7b。可移动质量体3由在这里描述的实施例中为本征硅的非传导材料制成。取而代之，可以使用其它一些本征半导体(比如锗或者砷化镓或者别的半导体氧化物或者氮化物(例如硅氧化物(SiO2)和硅氮化物(Si3N4)))。然而，一般而言，如下文将了解的那样，本征半导体由于有利于设备灵敏度的更高介电常数而优选。如已经提到的那样，感测质量体3沿着感测轴X在空腔4中可移动。感测质量体3另外具有板3a，板3a朝着与感测轴X并且与表面4a平行的第一电极7a和第二电极7b而侧向突出。板3a按均匀距离隔开布置，并且各自插入于相应对的相邻第一电极7a与第二电极7b之间。如图1中所示，配置弹性连接元件5，使得在无外部应力时感测质量体3在相对于感测轴X的静止位置XR。当向支撑结构2施加力时，感测质量体3在由应力的符号确定的方向上相对于静止位置XR沿着感测轴X移动。移位的幅度另外由应力的量确定。因而，在成对的相邻第一电极7a与第二电极7b之间构成的空间在感测质量体3本身相对于感测轴X的位置确定的程度上由感测质量体3的相应板3a占据。如先前回顾的那样，相邻第一电极7a和第二电极7b限定电容器10，这些电容器的电容由在板3a的相邻第一电极7a与第二电极7b之间插入的部分的延伸以及其它因素确定。板3a与关联到电容器10a的场互作用并且影响其电容。每个电容器10的总电容由两个因素确定：一个归因于在板之间的空气部分，而另一个归因于形成板3a的非传导材料(见图3)的存在。如果用L表示电极7a、7b在感测轴X的方向上的尺度、用X’表示板3a的、在电极7a、7b之间插入的部分的长度、用Z(图2)表示电极7a、7b在与空腔4的表面4a并且与感测轴X垂直的方向上的尺度、并且用G表示在相邻第一电极7a与第二电极7b之间的距离，则每个电容器10的总电容由下式给出：在板3a的宽度与在相邻第一电极7a与第二电极7b之间的距离G基本上相同、但是作用次要(foraminorplay)时，并且另外如果假设板3a对相邻电容器10的影响可忽略不计，则简化关系(1)适用。每个电容器10的总电容因此依赖于感测质量体沿着轴X的位置，该位置又由向支撑结构2施加的力的强度确定。如果传感器的结构未满足指示的条件，则电容器10的电容由比关系(1)更复杂的关系给出、但是在任何情况下以基本上线性方式依赖于感测质量体沿着轴X的位置。如图3中所示，可以用读取电路15容易地检测电容器10(并联连接在一起(图1))的总电容。具体而言，读取电路15例如跨感测端子8a、8b施加电压VS，并且确定吸收的电流的积分。图4示出了本专利技术一个不同实施例。微机电传感器100(具体为单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电传感器，包括：支撑结构(2；102；202；302)，具有形成电容器(10)的至少第一电极(7a；107a；207a；307a)和至少第二电极(7b；107b；207b；307b)；非传导材料的感测装置(3；103；203；303)，布置成与关联于所述电容器(10)的电场交互并且根据自由度(X；Z)相对于所述支撑结构(2；102；202；302)可移动，从而所述感测装置(3；103；203；303)相对于所述第一电极(7a；107a；207a；307a)和相对于所述第二电极(7b；107b；207b；307b)的相对位置响应于外部应力而可变；其特征在于所述感测装置(3；103；203；303)由在下组中选择的材料制成，所述组包括本征半导体材料、半导体材料的氧化物、半导体材料的氮化物。

【技术特征摘要】
2011.10.03 IT TO2011A0008811.一种微机电传感器，包括：支撑结构(2；102；202；302)，具有形成电容器(10)的至少第一电极(7a；107a；207a；307a)和至少第二电极(7b；107b；207b；307b)；非传导材料的感测装置(3；103；203；303)，布置成与关联于所述电容器(10)的电场交互并且根据自由度(X；Z)相对于所述支撑结构(2；102；202；302)可移动，从而所述感测装置(3；103；203；303)相对于所述第一电极(7a；107a；207a；307a)和相对于所述第二电极(7b；107b；207b；307b)的相对位置响应于外部应力而可变；其特征在于所述感测装置(3；103；203；303)由在下组中选择的材料制成，所述组包括本征半导体材料、半导体材料的氧化物、半导体材料的氮化物。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述感测装置(3；103；203；303)由在下组中选择的材料制成，所述组包括本征硅、本征锗、本征砷化镓。3.根据权利要求1或者2所述的传感器，其中所述感测装置(3；103；203)具有在如下程度上在所述第一电极(7a；107a；207a)与所述第二电极(7b；107b；207b)之间插入的板(3a；103a；203a)，所述程度依赖于所述感测装置(3；103；203)的、根据所述自由度(X)相对于所述第一电极(7a；107a；207a)和相对于所述第二电极(7b；107b；207b)的所述相对位置。4.根据权利要求3所述的传感器，包括：多个第一电极(7a；107a；207a)和多个第二电极(7b；107b；207b)，彼此相向并且交替布置而且从所述支撑结构(2；102；202)朝着所述感测装置(3；103；203)延伸；其中相邻的第一电极(7a；107a；207a)和第二电极(7b；107b；207b)相互电隔离；并且其中所述感测装置(3；103；203)具有在如下程度上在相应成对的第一电极(7a；107a；207a)与第...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·A·梅拉西，B·德玛西，A·科里吉利亚诺，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，米兰综合工科大学，
类型：发明
国别省市：