具有循环电极组和绝对电极组的电容传感器的制作方法

专利名称：具有循环电极组和绝对电极组的电容传感器的制作方法
技术领域：
在电子测量设备的领域中，通常期望确定何时通过外力在物理上使装置移动或加 速。也可能期望确定这种力的大小和方向。为了进行这些种类的测量，可以将运动或加速 感测设备定位在装置上或包含在装置内。特别地，已经开发了 MEMS类型传感器以用于包含 在微电子电路中，从而允许非常经济地制造非常小的且准确的运动传感器。MEMS设备是微机械和微电子系统的组合。MEMS设备典型地包括可移动微机械结 构和使用与用于集成电路的相同类型的制造工艺所制造的硅基微电子元件。一种类型的已 知MEMS传感器是电容MEMS换能器。这种换能器被用在多种应用中，比如汽车安全气囊系 统。该类型的换能器中的机械结构包括电容板或电极，其附着到检测质量体(proof mass) 并且邻近另一个电容板或电极而悬置。当所述检测质量体移动时，所悬置的电容电极的位 移造成电容的变化。电容的这种变化由所述微电子元件检测并且指示加速度的大小。MEMS 类型传感器已经被开发用于检测一维、二维乃至三维的运动。已经发现，利用用于横向型MEMS传感器的细间距(pitch)、循环表面电极阵列改 进了性能。然而，对于具有大动态范围的设备而言，所述检测质量体的行进距离可能超过所 述电极阵列的一个间距，从而如果仅仅基于阵列传感器电容则导致位置确定性的丢失。这 可能使得难以仅仅基于电容变化来确定位移。


本发明的各种特征和优点将根据下面结合附图的详细描述而显而易见，所述附图 和详细描述一起通过示例对本公开的特征进行了说明，并且在附图中图1是具有一对电容器电极的传感器的横截面侧视图，其中该对电容器电极具有 (variable overlap)；图2是具有安装在可移动检测质量体上的动态电容器电极以及安装在静止支持 件(support)上的与之部分交叠的静态电极的运动传感器的透视图；图3是具有安装在检测质量体上的多个动态电容器电极以及与之部分交叠的多 个静态电极的运动传感器的透视图；图4是mems型电容传感器的一个实施例的横截面视图；图5是示出二维mems型电容传感器的一个实施例中的循环电极阵列的平面图；图6是被布置为感测单个轴上的运动的具有多个电极组的电容传感器系统的一 个实施例的透视图；图7是被布置为感测单个轴上的运动的具有绝对电极组和循环电极组的电容传 感器系统的另一个实施例的平面图；图8是作为位移的函数的电容的曲线图，其示出循环电极组和绝对电极组的相应 电容值；图9是被布置为感测单个轴上的运动的具有一个绝对电极组和两个循环电极组 的电容传感器系统的另一个实施例的平面图IOA是具有循环电极组的电容运动传感器的静止部分和检测质量体部分的一 个实施例的横截面图，其中电极在原位置(home position)中基本上对准；图IOA是具有循环电极组的电容运动传感器的静止部分和检测质量体部分的一 个实施例的横截面图，其中电极在原位置中偏离约90° ；图11是作为位移的函数的电容的曲线图，其示出偏离90°的两个循环电极组和 绝对电极组的相应电容值；以及图12是被布置为感测两个轴中每一个上的运动的具有绝对电极组和循环电极组 的电容传感器系统的实施例的平面图。
具体实施例方式现在将参照附图中所示的示范性实施例，并且在本文中使用特定语言来描述这些 实施例。然而，应当理解，不意在由此限制本公开的范围。拥有本公开的相关领域技术人员 将会想到的本文所说明的特征的更改和其他修改以及本文所说明的原理的附加应用被认 为在本公开的范围内。如上所指出的，电容MEMS换能器已被开发并且用在多种应用中。这些传感器典型 地包括一对或多对电容电极，其在检测质量体移动时产生电容变化。MEMS型传感器已被开 发用于检测一维、二维乃至三维的加速和运动。图1和2中示出可变电容传感器的一个示例。不是使用变化的电容器板间隙(这 可能会限制所述设备的动态范围)，该传感器使用可变电容器板交叠来检测运动。该传感器 包括固定衬底10和可沿着被指定为X轴的轴在基本上平行于衬底的顶表面14的方向上移 动的检测质量体12。所述衬底和检测质量体可以是使用集成电路制造技术制造的硅晶圆。 图1是局部的横截面图，而图2是其中检测质量体被示出为好像其是透明的透视图，以便示 出所述电极的相对位置。所述检测质量体具有原位置(即，在没有力施加到该检测质量体 时其处于静止时所在的位置)，并且可以沿着其运动轴在任一方向上移动，这取决于施加到 所述传感器被安装到其上的结构的力的方向。该类型的传感器可以使用使得能够使用表面电极的晶圆结合技术来制造。固定的 表面电极16被附着到衬底10的顶表面14，并且移动表面电极18被附着到检测质量体12 的底表面20。所述检测质量体和衬底可以采用硅材料，并且可以包括电路(未示出)，所 述电路用于将衬底和检测质量体的电极互连到用于接收和解释来自传感器的信号的电路 (未示出)。这两个表面电极16、18以间隙d分开，并且作为可变电容器的电容器板来操作。如 图2所示，所述移动电极具有宽度w (垂直于所述运动轴测量的)。依赖于检测质量体12的 位置，可变电极的某个部分将被定位在所述固定电极的正上方。在图1中，所述可变电极与 固定电极交叠，交叠距离为X。这两个电极因此具有交叠面积A，其等于A = wx(1)该交叠面积由图2中的交叉阴影区域22指示。利用该布置中的电容器板，所述传 感器提供与所述电极的交叠面积A成比例的可变电容。所述电容C通过下面的公式来近 似C ^ (eA) /d(2)
其中e是所述间隙中材料的介电常数，d是所述电极之间的间隙的尺寸，且A是所 述板的交叠面积。由于所述检测质量体的运动是在垂直于所述间隙的方向上，所以间隙d 将是固定的，并且所述电容将与表面电极的交叠A成比例地变化，而不是与间隙距离的变 化成比例。应当理解，该传感器的动态范围受电极在χ方向上的长度的限制。为此，电极板典 型地被制得足够长以使得响应于外力而在正或负χ方向上的行进绝不会使得所述板完全 交叠或根本不交叠。其中存在完全交叠或不交叠的任何运动范围将产生不随运动变化的电容。为了提高该类型的传感器的灵敏度，期望相对于小运动(位移)的大电容变化。 即，期望针对给定的χ的变化，A的变化相对较大。这可以通过使用细间距表面电极来实现。 图3中示出具有细间距表面电极32、34的阵列的可变电容传感器30的透视图。为了相对 于检测质量体的位移χ增加A的变化量(delta)，通过分别将电极板组添加到固定衬底36 和检测质量体38来有效地增加所述电极的宽度w，如图3所示。这些电极并联地电连接，使 得固定电极32的群组充当单个电极，并且可移动电极34的群组一起充当单个电极。图3 所示的传感器配置的电极宽度是仅有一组电极的传感器配置的电极宽度w的三倍，并且因 此针对给定位移χ具有近似为三倍大的A的变化量。尽管图3中示出了三组电极，但是几乎任何数量的电极都可以在该方法中使用。 可以添加附加的板以覆盖检测质量体的区域，并且这些能够以不同方向定向从而检测多个 轴上的运动，如下文更详细地讨论的。参照图4，示出了包括三个层或晶圆的传感器100的 实施例。具体而言，传感器100包括电子元件晶圆103、检测质量体晶圆106和盖晶圆109。 CMOS电子元件113可以包含在电子元件晶圆100中，并且可以被电耦合到检测质量体晶圆 106和盖晶圆109中的各种电气组件。而且，如可被理解的，CMOS电子元件113可以提供输 出端口以用于耦合到传感器100外部的电子组件。在某些情况下，CMOS电子元件113中所 产生的热量可能是不可接受的，在这种情况下所述CMOS电子元件可被定位在分开的但邻 近的电子元件管芯中，等等。检测质量体晶圆106包括机械地耦合到检测质量体119的支持件116。尽管示出 了传感器100的横截面视图，但是根据一个实施例，作为检测质量体晶圆106的一部分的支 持件116围绕检测质量体119。因此，在一个实施例中，电子元件晶圆103、支持件116和盖 晶圆109形成袋(pocket)，在该袋内悬置检测质量体119。根据本发明的各种实施例，电子元件晶圆103、支持件116和盖晶圆109 —起提供 支持结构，检测质量体119经由柔性(compliant)耦合而附着到所述支持结构。在这个方 面，所述柔性耦合可以包括如本领域技术人员已知的高长宽比弯曲悬置元件123。传感器100进一步包括设置在检测质量体119上的第一电极阵列126。在一个实 施例中，第一电极阵列1 被定位在与电子元件晶圆103的上表面相对的检测质量体119 的表面上。其上设置了第一电极阵列126的检测质量体119的表面是基本平坦的表面，如 可理解的。第二电极阵列129被设置在电子元件晶圆103的面对设置在检测质量体119上的 第一电极阵列1 的表面上。由于检测质量体1 被悬置在电子元件晶圆103之上的方式， 在第一电极阵列126与第二电极阵列1 之间形成基本均勻的间隙133。间隙133的尺寸用距离d表示。距离d可以包括例如从1微米到3微米的任何距离，或它可以是如被认为 适当的任何其他距离。检测质量体119以这样的方式悬置在电子元件晶圆103上方使得第一电极阵列 126和第二电极阵列1 基本落入彼此平行的平面中，从而使得间隙133在第一电极阵列 1 和第二电极阵列1 之间的整个交叠范围内基本上是均勻的。可替代地，电极阵列126、 129可被放置在如可被认为适当的电子元件晶圆103或检测质量体119上的其他表面或结 构上。除了第一和第二电极阵列之外，电极还可以被放置在所述检测质量体和所结合的晶 圆结构的其他部分上。例如，第三和第四电极阵列150和152可以被定位在所述检测质量 体的顶表面和顶晶圆109的相对表面上，如图4所示。也可以使用其他配置。所述高长宽比弯曲悬置元件123提供允许检测质量体119相对于传感器100的支 持结构移动的柔性程度。由于弯曲悬置元件123的设计，检测质量体119从静止位置的位 移基本上被限制于基本平行于设置在电子元件晶圆103的上表面上的第二电极阵列1 的 方向上。弯曲悬置元件123被配置为允许检测质量体119在平行于第二电极阵列129的方 向上移动预定义的量，使得间隙133在可能程度上的整个运动过程中保持基本均勻。弯曲 悬置元件123的设计提供了检测质量体119在正交于第二电极阵列1 的方向上的最小运 动量，同时允许在平行于第二电极阵列1 的方向上的期望的运动量。接下来，提供例如关于传感器100在感测加速度方面的操作的简短讨论。具体来 说，传感器100被固定到经历希望量化的加速度的结构或车辆。传感器100被固定到所述 结构或设备以使得加速度的方向与如由上面所讨论的弯曲悬置元件123提供的检测质量 体119的许可的移动方向一致。一旦所述结构或车辆经历加速度，检测质量体119就将如 上所述的那样移动。由于第一电极阵列126和第二电极阵列1 被设置在检测质量体119 和电子元件晶圆103上的事实，于是第一电极阵列1 和第二电极阵列1 之间的一个或 多个电容将随着所述阵列相对于彼此的移位而变化。CMOS电子元件113和/或外部电子元件可被用于检测或感测电极阵列1 和1 之间的电容的变化程度。基于所述电容的变化，这种电路可以产生与传感器100所经历的 加速度成比例的适当信号。可替代地，闭环电路可被用于使得检测质量体119在加速期间 维持在预定义的位置。这种电路包括闭环，其基于来自第一和第二电极阵列1 和129的 位置反馈施加致动信号以使得检测质量体119保持在预定义的位置。尽管检测质量体119的运动基本上被限制在基本平行于第二电极阵列1 的平面 内，鉴于弯曲悬置元件123本质上是柔性的，则可能的是检测质量体119可能经历在正交于 第二电极阵列1 的方向上相对于第二电极阵列1 的位移。换句话说，检测质量体119 的不希望的移动可能发生，从而导致间隙133的不期望的变化。根据本发明的各种实施例， 可以使用归一化来抵消(cancel out)由于间隙133的变化所引起的第一和第二电极阵列 126和1 之间的期望的交叉电容的任何变化，如将被描述的那样。参照图5，示出了根据本发明实施例的相应的第一和第二电极阵列1 和129的 视图。如图所示，实际上存在多个第一电极阵列126和多个第二电极阵列129。例如，在所 示的配置中，可以存在四对第一和第二电极阵列1 和129。假设第一和第二电极阵列1 和1 如图5所示地定向，则可以感测检测质量体119在平行于第二电极阵列129的平面 内的二维移动。相应地，在一个实施例中，弯曲悬置元件123被配置为允许检测质量体119进行二维移动。可替代地，所述弯曲悬置元件可被配置为允许单个维度的移动，其中第一和 第二电极阵列126和129以单个取向定位以感测这种单维度移动。每个单独的电极阵列包括多个电极。具体而言，第一电极阵列126中的每一个由 多个第一电极143构成，并且第二电极阵列129由多个第二电极146构成。对于每一个第 一电极阵列126，存在对应的第二电极阵列129。每个第一电极阵列1 在尺寸方面小于对 应的第二电极阵列129，以计及这样的事实第一电极阵列1 是可移动的。因此，即使第 一电极阵列126相对于相应的第二电极阵列1 移动，在检测质量体119的整个运动范围 内在相应各对第一和第二电极阵列之间总是存在基本相似的交叠。第一和第二电极143和146中的每一个包括彼此邻近设置的矩形导体。相应电极 阵列的电极143和146的每一个中的公共点(common point)之间的距离被称为该电极阵列 的“间距”。尽管电极143和146被示出为矩形导体，但是应当理解，根据本文所述的原理， 其他形状和尺寸的导体可以按照需要被使用。此外，可以以除了所描绘的矩形阵列之外的 配置来设置所述电极。例如，所述电极可以被设置成圆形阵列以用于检测角加速度和位移。应当清楚，对于图3-5所示的传感器配置，为了获得直接指示位移的绝对电容值， 所述检测质量体的行进极限将被限制以使得所述板一直保持某种交叠，并且还从不完全交 叠。该因素倾向于限制所述设备的动态范围。可替代地，如果所述设备的动态范围大于所 述电极间距(即，所述检测质量体可以行进超过所述电极的一个间距)，则这将导致循环输 出。即，所述电容信号将随着所述检测质量体的位移而升降，其中所述检测质量体电极穿越 并然后越过第一固定电极，然后穿越并越过第二固定电极，以此类推。当所述行进极限规则 被打破时，所述电容在运动范围上将不再是直线，而它将是循环的并表现为是正弦的。已经 发现，通过进行循环电极配置改进了性能(即灵敏度)。然而，所述系统不具有知道所述检 测质量体的绝对位置的机制。专用的电子元件已经被用在具有循环传感器的系统中以通过 对所述电极的位移循环次数进行计数来追踪绝对位置，但是这给这种系统增加了复杂性和 成本。有利地，发明人已经开发出一种电容惯性传感器配置，其中具有用于测量相同轴 上的运动的两个独立电极组。图6中示出这种传感器的一个实施例。该传感器200包括 (如上文结合图3所讨论的)并联连接的第一组细间距循环电极202和邻近所述循环组定 位并具有较大间距的第二组电极204，从而产生较低性能的绝对传感器。每组电极包括位于 固定衬底206上的至少一个电极和位于检测质量体208上的至少一个对应的电极。所述检 测质量体电极可以位于相同的检测质量体上，或它们可以位于在相同方向上移动的相同质 量体的相连接的块上。因为绝对传感器对204没有破坏在整个行进范围上的交叠规则，所以第二电极 组提供检测质量体206的绝对位置的指示。尽管第二组不具有所述循环电极组的分辨率 (resolution)水平，但是所述绝对传感器却具有足够的分辨率来指示所述循环传感器处于 哪个周期。因此，这两个传感器的组合实现了高性能、大动态范围的惯性传感器。第一和第二电极组202、204 二者中的电极的尺寸、形状和数量可以变化，并且检 测质量体208上的电极的数量可以不同于所述固定衬底206上的电极的数量。在图6所示 的配置中，循环电极组202包括三个电极对，并且大间距电极组204仅仅包括一个电极对。 图7中以平面图示出传感器250的另一个实施例，其中大间距电极组252包括一对电极，并且循环组2M包括位于检测质量体上的五个电极25 和位于所述固定衬底上的九个电极 254b ο图7还示出所述检测质量体电极相对于固定电极的运动范围的一部分。绝对传感 器组252被配置为使得检测质量体电极25 的至少某个部分总是与对应的固定电极252b 交叠。这允许该电极组提供绝对位移指示。在所述绝对电极组从原位置行进的一个最大极 限处(以虚线在256示出并由位移尺度+Xl指示)，检测质量体电极25 不完全与对应的 固定电极252b交叠。由于绝对和循环电极25 和25 二者附着到相同的检测质量体，所 以每个电极的位移将是相同的。因此，当绝对电极25 位移尺寸+Xl时，循环电极25 也 将位移相同的尺寸+XI，如虚线260所示。在对应于位移尺寸-Xl (即，在与+Xl相反的方向 上)的从原位置行进的另一个极限(以虚线在258示出)处，所述检测质量体电极仍然与 固定电极交叠一定量。所述循环电极将再次在相同方向上位移相同的量(-XI)，如虚线在 沈2所示的。还期望的是，所述循环电极组遵循类似的规则，其中所述检测质量体的总运动范 围从未使任何(一个或多个)检测质量体电极完全超过固定电极组的范围。参照图7，如果 这五个检测质量体循环电极25 之一行进得不与任何对应的固定电极254b交叠，则正弦 波峰的幅度将由于一个电极的丢失而减小。这将改变所述电容信号，并且因此可以改变位 移测量。可替代地，所述系统可以被配置为允许一个或多个所述检测质量体电极完全超越 所述固定电极的范围。在这种情况下，所述系统可被编程为基于绝对传感器读数补偿所得 到的电容变化。应当相信，这种方法将可能与交叠电极的当前数量除以交叠电极的原始总 数量成比例地降低灵敏度。图8的曲线图中示出来自绝对和循环传感器组的比较输出。在该图中，所述循环 传感器组所产生的由曲线300表示的电容信号是正弦波，其中所述电容随着检测质量体上 的循环电极越过一个固定循环电极且随后越过另一个固定循环电极并且还越过固定电极 之间的空间而升降。发明人已经发现，当循环电极阵列的间距P (图7中所示)除以固定电 极阵列与移动电极阵列之间的间隙d(图1中所示)的比率近似等于1. 6(即P/d ^ 1. 6) 时，将获得来自循环传感器组的良好正弦响应。当P/d增加到大于1. 6时，谐波内容将会增 加，因为电容变化更密切地接近三角波。然而，该附加的谐波内容可以被容易地管理。一般 地，所述间隙d的更小的尺寸提供更好的传感器性能。最小间隙d可受到间隙控制(能够 可靠地制得多小的非干扰间隙)和对P的光刻线宽度限制的约束。当P/d减小到低于1. 6 时，作为每单位线性位移对应的电容的较小变化的结果，传感器性能下降。对于循环传感 器，可以基于最小可制造间隙d来选择P，除非光刻方面受限。虽然循环传感器组所产生的电容信号是正弦波，但所述绝对电极组在整个运动范 围上产生由基本线性的曲线302表示的基本线性的电容信号。所述循环传感器组产生更高 准确度的信号，因为所述检测质量体的每单位线性位移χ对应的电容器交叠面积A的变化 较大，从而提供了高准确度的相对位置信号。另一方面，所述绝对电极组提供循环电容曲线 上绝对位置的指示以允许对循环电极信号作出适当的解释，但是其准确度较低，因为χ的 每单位变化对应的A的变化较小。通过参看图8将清楚的是，所述循环传感器阵列的灵敏度(电容曲线的斜率)不 是恒定的。图9中示出用于解决该问题的一种方法。添加了第二循环电极阵列402，其中固定电极阵列402b相对于第一固定循环阵列400b在传感器运动的方向上移位了四分之一间 距。这两个移动阵列400a和40 应当在检测质量体404的表面上在运动方向上彼此相位 对准。图10中的横截面视图示出这两个电极阵列之间的所需对准。图9和10中所示的多循环电极配置产生如图11所示的一组电容曲线。第一循 环电极组产生图11中实线420所示的循环电容曲线。第二循环电极组产生图11中的虚 线422所示的循环电容曲线。绝对电极组(图9中的408)产生以实线示出的基本线性的 曲线424。循环曲线420和422相对于彼此被旋转地移位π /2弧度(或90° )，其对应于 正弦-余弦关系。这样一对信号常规地被组合以产生具有等价于单独一个信号的最大灵敏 度的均勻灵敏度的位置输出信号。这种插值电路的示例对于正弦-余弦增量光学编码器而 言是常见的。这种电路可以维持相对循环和子循环计数。然而，对于绝对位置准确度，必须 提供初始循环计数。有利地，在本文所感公开的传感器中，由绝对传感器产生的传感器信号 (图11的信号424)可以提供所需的绝对循环计数。此外，利用现有配置，内插电子元件的 采样速率必须足够快以确保测量样本之间不会发生位移的完整循环。利用本发明，另一方 面，对于组合三个信号420、422和424的传感器电子元件而言该要求被放松。这两个传感器组还可以在许多自测试和校准任务中单独使用。例如，所述电容器 板可以被偏置以产生面内力(in-plane force)来移动所述检测质量体。这可以允许用户 致动一组电极并且在另一组电极上测量响应。将这些测量与向上倾斜设备并测量对重力的 响应组合，可以确定传感器的对准、间隙和其他参数。还可以执行其他自测试和校准任务。应理解，尽管结合图9-11所示出和描述的实施例描绘了偏离90°的两个循环电 极组，但是超过两个的循环电极组可以被提供用于给定的运动轴并且这些电极组可以偏离 不同量。例如，三个循环电极组可被提供，并且这些循环电极组可以彼此偏离60°。针对一个运动轴使用多个电极组可被扩展到多个轴，并且这些电极组能够使用相 同的检测质量体或芯片。图12中示出用于检测2个正交轴(X和Y)上的运动的电容传感 器500的一个实施例，其中对于每个轴具有多个电极组。在该实施例中，第一绝对电极组 502和第一循环电极组504被提供用于检测检测质量体在χ方向上的运动。第二绝对电极 组506和第二循环电极组508也被提供，并且这些电极组定向为垂直于第一电极组，以检测 检测质量体在y方向上的运动。在图12的实施例中，所有电极组(循环和绝对二者)的固定电极具有宽度w，其被 选择为使得没有电极对将经历改变相应的电容读数的横向位移。例如，检测沿着X轴的位 移的第一循环电极组504具有固定电极510，该固定电极足够宽以使得对应的检测质量体 电极512在y方向上的位移将不会导致对应的检测质量体电极之一的端部延伸超越固定电 极的端部，由此改变所述交叠。这样，在y方向上的位移将不会影响在χ方向上的位移的读 数，且反之亦然。除了其作为加速计的应用之外，该类型的系统还可以应用到用于感测的循环电容 器板的其他用途。例如，该类型的电容传感器可以用于检测陀螺仪中感测轴的运动。该类 型的设备还可以用于电子显微术的微定位设备。因此，本文所公开的系统提供了具有两组以明显不同的灵敏度测量相同方向上位 移的电容器电极的mems型惯性传感器。一个电极组是较高准确度的循环电极组，而另一电 极组是较低准确度的绝对传感器。所述循环电极组提供高准确度相对位置信号，而所述绝对电极组提供在循环电容曲线上绝对位置的指示以允许对循环电极信号作出适当解释。该 类型的传感器可被配置为检测整个宽范围上的位移。例如，发明人已经设计了该类型的传 感器，其能够以小于lpm(lX10_12m)的分辨率测量高达大约50 μ m(50X 10_6m)的位移。多 个循环和绝对电极组可被提供，而且这些电极组可被配置为感测多个轴上的位移。在相同 的轴中具有两个电极组实现了具有大动态范围的高性能惯性传感器。如果需要，它还实现 了循环传感器的闭环操作。该类型的电容传感器系统可以使用本领域已知的MEMS制造方法来制造。表面电 极配置可以在晶圆结合过程中进行，其中在两个晶圆的表面上制造所述电极并且然后面对 面地将所述电极结合在一起。然后，一个晶圆被蚀刻(在结合之前或之后)以限定移动结 构。该设备还可以使用表面微加工工艺来制造。与绝对传感器组合的循环电极还允许放宽晶圆对准的制造容差。S卩，可以通过绝 对传感器确定所述原位置，而所述循环传感器独立于绝对位置而保持全性能。这可以实现 潜在地更廉价的制造工艺。例如，制造该类型的电容传感器典型地需要制造期间的良好对 准，并且会难以一致地获得。有利地，本文所公开的循环电极系统容忍较大程度的不对准， 只要移动部分不离开处于行进极限处的固定电极即可。使用两组偏离的电极和绝对传感器 (如图9所描绘)，该系统可以提供在整个行进范围上基本恒定的分辨率。在该配置中，所 述原位置变得不相关-不存在所述电极的最佳相对位置。该配置因此可以在制造期间容忍 较大的不对准，而不会不利地影响所述传感器的操作。应当理解，上面提及的布置说明本文所公开的原理的应用。本领域普通技术人员 将清楚，在不脱离如权利要求中陈述的本公开的原理和思想的情况下可以进行许多修改。
权利要求
1.一种传感器，包括第一和第二可变电容器电极组，其分别被设置在平坦的支持表面上和能够柔性地沿着 基本平行于所述平坦的支持表面的第一轴发生位移的检测质量体上；所述第一电极组在所述检测质量体沿着所述第一轴的位移范围内产生绝对电容变化;并且所述第二电极组在沿着所述第一轴的整个位移范围内产生循环电容变化。
2.根据权利要求1的传感器，其中第二电极组包括至少两对定向为垂直于第一轴并具 有电极间距的细长电极，所述位移范围大于所述间距。
3.根据权利要求1的传感器，其中第一电极组包括含有静止电极和检测质量体电极 的一对电极，所述检测质量体电极被定向为在整个位移范围内总是与所述静止电极部分交 叠。
4.根据权利要求1的传感器，进一步包括第三可变电容器电极组，其分别被设置在所 述支持表面和所述检测质量体上，从而在所述检测质量体沿着第一轴的位移范围内产生循 环电容变化。
5.根据权利要求4的传感器，其中第二和第三可变电容器电极组具有在位置上彼此偏 离的电极。
6.根据权利要求5的传感器，其中第二和第三可变电容器电极组具有被定位为产生彼 此偏离大约90°的输出信号的电极。
7.根据权利要求1的传感器，其中第二电极组的灵敏度明显大于第一电极组的灵敏度。
8.根据权利要求1的传感器，进一步包括第三和第四可变电容器电极组，其分别被设置在所述支持表面和所述检测质量体上， 所述检测质量体能够柔性地沿着基本正交于第一轴且平行于支持表面的第二轴发生位 移；所述第三电极组在所述检测质量体沿着第二轴的位移范围内产生电容的循环变化；以及所述第四电极组在沿着第二轴的整个位移范围内产生绝对电容变化。
9.根据权利要求8的传感器，其中所述电极组中的每一组包括附着到所述支持表面的 静态电极，其具有被选择为基本阻止由于在沿着正交于相应感测轴的轴的位移范围内的位 移而引起的电容变化的宽度。
10.根据权利要求8的传感器，其中第二和第三可变电容器电极组包括在位置上彼此 偏离一定距离的电极子组，所述距离足以产生彼此旋转地偏离大约90°的电容信号。
11.根据权利要求1的传感器，其中所述位移范围小于大约50μ m。
12.—种感测方法，包括以下步骤沿着基本平行于平坦的支持表面的第一轴使检测质量体发生位移； 从第一可变电容器阵列获得第一循环电容值，所述第一可变电容器阵列包括分别设置 在所述支持表面和检测质量体上的多个电容器电极；从第二可变电容器获得第二绝对电容值，所述第二可变电容器包括设置在所述支持表 面和检测质量体上的电容器电极；以及基于第一和第二电容值确定所述位移的幅度。
13.根据权利要求12的方法，进一步包括以下步骤从第三可变电容器阵列获得第三循环电容值，所述第三可变电容器阵列包括分别设置 在支持表面和检测质量体上的多个电容器电极；以及基于第一、第二和第三电容值确定所述位移的幅度。
14.根据权利要求13的方法，其中第三循环电容值偏离第一循环电容值约90°。
15.根据权利要求12的方法，进一步包括以下步骤沿着正交于第一轴并基本平行于所述平坦的支持表面的第二轴使所述检测质量体发 生位移；从第三可变电容器阵列获得第三循环电容值，所述第三可变电容器阵列包括分别设置 在所述支持表面和检测质量体上且基本垂直于第一可变电容器阵列定向的多个电容器电 极；从第四可变电容器获得第四绝对电容值，所述第四可变电容器包括设置在所述支持表 面和检测质量体上且基本垂直于第二可变电容器阵列定向的电容器电极；以及基于第一、第二、第三和第四电容值确定沿着第一和第二轴的位移的幅度。
16.一种用于制造传感器的方法，包括以下步骤提供支持表面；提供检测质量体，所述检测质量体能够柔性地沿着基本平行于所述支持表面的第一轴 发生位移；在所述支持表面和检测质量体上提供第一循环可变电容器电极阵列；在所述支持表面和检测质量体上提供第二可变电容器电极阵列，所述第二电极阵列在 所述检测质量体的整个位移范围内产生绝对电容变化。
17.根据权利要求16的方法，进一步包括以下步骤在所述支持表面和检测质量体上 提供第三循环可变电容器电极阵列，第三电极阵列产生偏离由第一阵列所产生的循环变化 的电容的循环变化。
18.根据权利要求17的方法，其中所述提供第三循环可变电容器电极阵列的步骤包括 提供一系列产生与由第一阵列产生的循环变化偏离约90°的电容变化的电极。
19.根据权利要求16的方法，其中所述提供第一循环可变电容器电极阵列的步骤包括 在所述支持表面和检测质量体上制造至少两对定向为基本垂直于第一轴并具有小于所述 位移范围的间隔的细长电极；以及所述提供第二可变电容器电极阵列的步骤包括在所述支持表面和检测质量体上制造 被定向为在整个位移范围内总是部分交叠的单个电极对。
20.根据权利要求16的方法，其中所述检测质量体能够沿着正交于第一轴的第二轴柔 性地发生位移，并且所述方法进一步包括以下步骤分别在所述支持表面和检测质量体上提供第三和第四可变电容器电极组；所述第三电极组在检测质量体沿着第二轴的位移范围内产生电容的循环变化；以及所述第四电极组在沿着第二轴的整个位移范围内产生绝对电容变化。
全文摘要
一种电容传感器包括分别设置在平坦的支持表面和可柔性地沿着基本平行于所述平坦的支持表面的第一轴发生位移的检测质量体上的第一和第二可变电容器电极组。第一电极组在所述检测质量体沿着第一轴的位移范围内产生电容的循环变化，并且第二电极组在沿着第一轴的整个位移范围内产生绝对电容变化。
文档编号G01P3/483GK102047126SQ200880129453
公开日2011年5月4日 申请日期2008年3月26日 优先权日2008年3月26日
发明者P·G·哈特维尔, R·G·瓦姆斯莱 申请人:惠普开发有限公司