TWI477780B - 壓阻式ｚ軸加速度感測器 - Google Patents

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Description

壓阻式Z軸加速度感測器
本發明係關於動態感測裝置(motion sensors)，且特別是關於一種Z軸加速度感測器(Z-axis accelerometer)。
加速度感測器(accelerometer)已廣泛地應用於如慣性導航系統、汽車安全與飛彈控制等相關應用，而Z軸加速度感測器則可用於控制側向安全氣囊、運載工具控制與多軸感測系統。通常，Z軸加速度感測器可採用塊狀微機械加工技術而製成。
依據操作原理的不同，目前已發展出了如壓阻式(piezoresistive type)、壓電式(piezoelectric type)、電容式(capacitive type)、熱感應式(thermal type)與穿隧電流式(tunneling current type)等多種不同類型之Z軸加速度感測器。
依據一實施例，本發明提供了一種壓阻式Z軸加速度感測器，包括：
一基板；複數支撐樑，設置於該基板上；複數個懸臂樑，其中該些懸臂樑分別包括一壓電材；以及一質量塊，其中，該些懸臂樑分別透過該些支撐樑將該質量塊懸浮於該基板上，且該感測器利用該壓電材偵測該質量塊的位移。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：
請參照第1圖，顯示了依據本發明一實施例之一種壓阻式Z軸加速度感測器的示意上視情形。本實施例之壓阻式Z軸加速度感測器係作為比較例之用，藉以解說本案發明人於其所知悉之一種壓阻式Z軸加速度感測器的操作過程中所觀察到之可靠度問題。
如第1圖所示，從平行於一半導體基板100的X-Y平面而上視觀之，本實施例之壓阻式Z軸加速度感測器包括了一基板100以及設置於基板100一部上之一支撐框(support frame)102，而支撐框102於基板100上則定義出了位於支撐框102內部之一空室112。基板100為包括如半導體與絕緣物等材料之基板。於本實施例中，基板100例如為一塊狀矽基板，而支撐框102係繪示為一長方形支撐框，但並非以上述長方形支撐框而加以限制，支撐框102亦可具有其他形態之多邊形輪廓。
如第1圖所示，另外於空室112中則設置了懸浮於基板100之上且為可動之質量塊(proof mass)104，其中質量塊104係連結於一懸臂樑(cantilever beam)106之一側且為之支撐，而此懸臂樑106未連結有質量塊104之另一側則埋設於支撐框102內並位於支撐框102內之一支撐樑(anchor)108之上。
再者，本實施例之壓阻式Z軸加速度感測器包括了一壓電材料層110(在此繪示為虛線)以做為壓電電阻之用，其埋設於懸臂樑106內並延伸至支撐框102之一部內。
另外，經過適當的設置，於基板100上之其他部(未顯示)上將另外設置有三個壓電電阻(未顯示)，此些壓電電阻係電性連結於如第1圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器內的壓電材料層110，進而組成一惠斯登電橋(wheatstone bridge，未顯示)。
請參照第2圖，顯示了沿第1圖內線段2-2之剖面情形。基於簡化圖式之目的，於第2圖中僅部份顯示了位於半導體基板100上之懸臂樑106、壓電材料層110與支撐框102等構件。於一實施例中，支撐框102包括了依序堆疊於基板100一部上之絕緣層120、數個導電層122、數個介電層124與位於最上方之保護層114，而此些導電層122與此些介電層124係交錯地設置於絕緣層120與保護層114之間，其中導電層124可為包括如銅、鋁等金屬材質之金屬層，而介電層122可為包括如二氧化矽、氮化矽等介電材質之金屬層間介電層(intermetal dielectric layer，IMD)。於另一實施例中，懸臂樑106則包括了依序堆疊設置之數個介電層124以及埋設於懸臂樑106內之一介電層124內如多晶矽材質之壓電材料層110，而位於懸臂樑106內介電層124可與支撐框102內之數個介電層124同時形成，但是位於懸臂樑106內介電層124的數量則少於位於支撐框102內之介電層124的數量。於又一實施例中，可於空室112下方之基板100內選擇性地形成一凹口(未顯示)，且此凹口可部份延伸至支撐框102之下方內，藉以提升壓阻式Z軸加速度感測器的感測度。
請參照第3圖，顯示了沿第1圖內線段3-3之示意立體情形。基於簡化圖式之目的，於第3圖中僅部份顯示了保護層114、懸臂樑106、支撐樑108、質量塊104與半導體基板100等主要構件，其中質量塊104係由一個或數個導電層122與介電層124相堆疊而組成，而保護層114所覆蓋之範圍大體為支撐框102之所在區域。在此，質量塊104係處於未感受到外界應力之靜止狀態，故其與懸臂樑106與位於懸臂樑106內之壓電材料層110等構件皆大體平行於半導體基板100之X-Y平面。質量塊104內導電層122介電層124的數量可依據實際製程需求而進行調整，而兩導電層122之間則為一介電層124所隔離。
請參照第4圖，顯示了第3圖內壓阻式Z軸加速度感測器於感受到外界加速度時之示意立體情形。於感受到外界加速度時，質量塊104將於垂直於X-Y軸平面之Z軸方向上產生慣性位移，進而帶動了懸臂樑106產生形變並從而使得懸臂樑106上的應力分佈產生改變，並使得埋設於懸臂樑106內之壓電材料層110之電阻值產生變化，從而使得了電性連結於壓電材料層110之惠斯登電橋(未顯示)兩端之電壓產生變化，透過一儀表放大器(instrument amplifier，未顯示)分析來自上述惠斯登電橋所輸出之電壓訊號的變化，則可得到沿Z軸方向上之加速度。
然而，如第1圖至第4圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器存在有以下缺點。首先，質量塊104僅透過單一懸臂樑106連結支撐樑108或支撐框102，因此埋設於懸臂樑106內之壓電材料層110的感測度可能過於靈敏，進而影響了壓阻式Z軸加速度的可靠度。再者，亦由於質量塊104僅透過單一懸臂樑106連結支撐樑108或支撐框102，隨著壓阻式Z軸加速度感測器內質量塊104位移次數的增加，於懸臂樑106與支撐樑108/支撐框102的連結處恐產生如斷裂之機械性毀損情形，進而影響了壓阻式Z軸加速度的可靠度。
有鑑於此，本發明係針對了如第1圖至第4圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器的結構進行改良，以改善其內壓電電阻(即壓電材料層110)之感測度以及其內懸臂樑106與支撐樑108/支撐框102的連結情形，並藉以提昇壓阻式Z軸加速度感測器的可靠度。
請參照第5圖，顯示了依據本發明之另一實施例之一種壓阻式Z軸加速度感測器之上視示意情形。如第5圖所示，本實施例之壓阻式Z軸加速度感測器大體相似於如第1圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器，其間之差異處在於本實施例中位於壓阻式Z軸加速度感測器內的質量塊104之兩端分別連結於兩個不同之懸臂樑106a與106b的一側且為之支撐，而此些懸臂樑106a、106b未連結於質量塊104之另一側則分別固定於支撐框102內之兩個支撐樑108a與108b其中之一之上。再者，本實施例中之壓阻式Z軸加速度感測器包括了兩個壓電材料層110a與110b(繪示為虛線)以做為兩壓電電阻，其分別埋設於懸臂樑106a與106b其中之一內。如第5圖所示，壓阻式Z軸加速度感測器內之壓電材料層110a與110b可經過串連後而成一惠斯登電橋(wheatstone bridge，未顯示)之一感測電阻。於本實施例中，支撐樑108a與108b、懸臂樑106a與106b、壓電電阻110a與110b等構件之組成情形大體相似於如第1圖至第4圖所示之支撐樑108、懸臂樑106與壓電材料層110之實施形態，故在此不再繪示其實施情形。
請參照第6圖，顯示了沿第5圖內線段6-6之立體示意情形。基於簡化圖式之目的，於第6圖中僅部份顯示了保護層114、懸臂樑106a與106b、支撐樑108a與108b、質量塊104與基板100等主要構件，其中質量塊104係由一個或數個相堆疊之導電層122與介電層124所組成，而保護層114所覆蓋之範圍大體為支撐框102之所在區域。在此，質量塊104係處於未感受到外界應力之靜止狀態，故其與懸臂樑106a與106b以及壓電材料層110a與110b等構件皆大體水平於半導體基板100之X-Y平面。
請參照第7圖，顯示了第6圖內壓阻式Z軸加速度感測器於感受到外界加速度時之示意立體情形。於感受到外界加速度時，質量塊104將於垂直於基板100之X-Y平面之Z軸方向上產生慣性位移，進而帶動了懸臂樑106a與106b產生形變並從而使得懸臂樑106a與106b上的應力分佈產生改變，並使得分別埋設於懸臂樑106a與106b內之壓電材料層110a與110b之電阻值產生變化，從而使得了電性連結於壓電材料層110a與110b之惠斯登電橋(未顯示)兩端之電壓產生變化，透過一儀表放大器(instrument amplifier，未顯示)分析來自上述惠斯登電橋所輸出之電壓訊號的變化，則可得到沿Z軸方向上之加速度。
在此，相較於如第1圖至第4圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器，如第5圖至第7圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器具有下述優點。首先，質量塊104透過了兩個懸臂樑106a與106b連結於支撐框102內之不同支撐樑108a與108b，因此埋設於懸臂樑106a內之壓電電阻(即壓電材料層110a)以及埋設於懸臂樑106b內之壓電電阻(即壓電材料層110b)的感測度可透過兩個懸臂樑106a與106b的控制而不至於反應過於靈敏，從而改善了壓阻式Z軸加速度的可靠度。再者，亦由於質量塊104亦透過兩個懸臂樑106a與106b而連結支撐框102內之不同支撐樑108a與108b，故隨著壓阻式Z軸加速度感測器內質量塊104的位移次數的增加，於懸臂樑106a、106b與支撐樑108a與108b之多個連結處較不易產生如斷裂之機械性毀損情形，因而可提升壓阻式Z軸加速度感測器的可靠度。
請參照第8圖，顯示了依據本發明之另一實施例之一種壓阻式Z軸加速度感測器之上視示意情形。如第8圖所示，本實施例之壓阻式Z軸加速度感測器大體相似於如第1圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器，其間之差異處在於本實施例中位於壓阻式Z軸加速度感測器內的質量塊104之四側分別連結於四個不同之懸臂樑106a、106b、106c與106d的一側且為之支撐，而此些懸臂樑106a、106b、106c與106d未連結於質量塊104之另一側則分別連結於支撐框102內之四個支撐樑108a、108b、108c與108d其中之一之上。再者，本實施例中之壓阻式Z軸加速度感測器包括了四個壓電材料層110a、110b、110c與110d(繪示為虛線)以做為壓電電阻之用，其分別埋設於懸臂樑106a、106b、106c與106d其中之一內且更延伸至支撐框102之一部內。如第8圖所示，壓阻式Z軸加速度感測器內之壓電材料層110a、110b、110c與110d可經過串連後而組一惠斯登電橋(wheatstone bridge未顯示)中之感測電阻。於本實施例中，支撐樑108a、108b、108c與108d、懸臂樑106a、106b、106c與106d、壓電材料層110a、110b、110c與110d等構件之組成情形大體相似於如第1圖至第4圖所示之支撐樑108、懸臂樑106與壓電材料層110之實施形態，故在此不再繪示其實施情形。
請參照第9圖，顯示了沿第8圖內線段9-9之立體示意情形。基於簡化圖式之目的，於第9圖僅部份顯示了保護層114、懸臂樑106a、106b與106c、支撐框102內之支撐樑108a、108b與108c、質量塊104與基板100等主要構件，其中質量塊104係由一個或數個導電層與介電層124所組成，而保護層114所覆蓋之範圍大體為支撐框102之所在區域。在此，質量塊104係處於未感受到外界應力之靜止狀態，故其與懸臂樑106a、106b、106c與106d以及壓電材料層110a、110b與110c等構件皆大體平行於基板100之X-Y平面。
請參照第10圖，顯示了第9圖內壓阻式Z軸加速度感測器於感受到外界加速度時之示意立體情形。於感受到外界加速度時，質量塊104將於垂直於X-Y軸平面之Z軸方向上產生慣性位移，進而帶動了懸臂樑106a、106b與106c產生形變並從而使得懸臂樑106a、106b與106c上的應力分佈產生改變，並使得分別埋設於懸臂樑106a、106b與106c內之壓電材料層110a、110b與110c之電阻值產生變化，從而使得了電性連結於壓電材料層110a、110b與110c之惠斯登電橋(未顯示)兩端之電壓產生變化，透過一儀表放大器(instrument amplifier，未顯示)分析來自上述惠斯登電橋所輸出之電壓訊號的變化，則可得到沿Z軸方向上之加速度。
在此，相較於如第1圖至第4圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器，如第8圖至第10圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器具有下述優點。首先，質量塊104透過了四個懸臂樑106a、106b、106c與106d連結於支撐框102內之不同支撐樑108a、108b、108c與108d之上，因此埋設於懸臂樑106a內之壓電電阻(即壓電材料層110a)、埋設於懸臂樑106b內之壓電電阻(即壓電材料層110b)、埋設於懸臂樑106c內之壓電電阻(即壓電材料層110c)以及埋設於懸臂樑106d內之壓電電阻(即壓電材料層110d)的感測度可透過四個懸臂樑106a、106b、106c與106d的控制而不至於反應過於靈敏，從而改善了壓阻式Z軸加速度的可靠度。再者，亦由於質量塊104亦透過四個懸臂樑106a、106b、106c與106d而連結支撐框102內之不同支撐樑108a、108b、108c與108d，故隨著壓阻式Z軸加速度感測器內質量塊104的位移次數的增加，於懸臂樑106a、106b、106c與106d與支撐樑108a、108b、108c與108d之多個連結處較不易產生如斷裂之機械性毀損情形，因而可提升壓阻式Z軸加速度感測器的可靠度。
於上述第5-10圖內所示之壓阻式Z軸加速度感測器的實施情形中，其內包括一組或兩組對稱結構之支撐樑106a、106b、106c與106d以及一組或兩組之對稱結構之懸臂樑108a、108b、108c與108d的實施情形。然而，本發明非以上述對稱設置情形為限，本發明內之壓阻式Z軸加速度感測器內的支撐樑及懸臂樑的設置亦可為非對稱設置情形。
請參照第11圖，顯示了依據本發明之另一實施例之一種壓阻式Z軸加速度感測器之上視示意情形。如第11圖所示，本實施例之壓阻式Z軸加速度感測器大體相似於如第5圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器，其間之差異處在於本實施例中位於壓阻式Z軸加速度感測器內兩個不同之懸臂樑106a與106b之一端係連結於質量塊104之兩相鄰側以支撐之，而此些懸臂樑106a、106b未連結於質量塊104之另一側則分別固定於支撐框102內之兩個支撐樑108a與108b其中之一之上。再者，本實施例中之壓阻式Z軸加速度感測器包括了兩個壓電材料層110a與110b(繪示為虛線)以做為兩壓電電阻，其分別埋設於懸臂樑106a與106b其中之一內。如第11圖所示，壓阻式Z軸加速度感測器內之壓電材料層110a與110b可經過串連後而成一惠斯登電橋(wheatstone bridge，未顯示)之一感測電阻。於本實施例中，支撐樑108a與108b、懸臂樑106a與106b、壓電電阻110a與110b等構件之組成情形大體相似於如第1圖至第4圖所示之支撐樑108、懸臂樑106與壓電材料層110之實施形態，故在此不再繪示其實施情形。
請參照第12圖，顯示了沿第11圖內線段12-12之立體示意情形。基於簡化圖式之目的，於第12圖中僅部份顯示了保護層114、懸臂樑106a與106b、支撐樑108a與108b、質量塊104與基板100等主要構件，其中質量塊104係由一個或數個相堆疊之導電層122與介電層124所組成，而保護層114所覆蓋之範圍大體為支撐框102之所在區域。在此，質量塊104係處於未感受到外界應力之靜止狀態，故其與懸臂樑106a與106b以及壓電材料層110a與110b等構件皆大體水平於半導體基板100之X-Y平面。而第11-12圖內壓阻式Z軸加速度感測器於感受到外界加速度時之示意立體情形及操作原理則大體相似於第7圖內所示情形，在此不在進一步描述與繪示其實施情形。
請參照第13圖，顯示了依據本發明之另一實施例之一種壓阻式Z軸加速度感測器之上視示意情形。如第13圖所示，本實施例之壓阻式Z軸加速度感測器大體相似於如第8圖所示之壓阻式Z軸加速度感測器，其間之差異處在於本實施例中位於壓阻式Z軸加速度感測器內三個不同之懸臂樑106a、106b與106c之一端係連結於質量塊104之三相鄰側以支撐之，而此些懸臂樑106a、106b及106c未連結於質量塊104之另一側則分別固定於支撐框102內之三個支撐樑108a、108b及108c其中之一之上。再者，本實施例中之壓阻式Z軸加速度感測器包括了三個壓電材料層110a、110b與110c(繪示為虛線)以做為壓電電阻之用，其分別埋設於懸臂樑106a、106b與106c其中之一內且更延伸至支撐框102之一部內。如第13圖所示，壓阻式Z軸加速度感測器內之壓電材料層110a、110b與110c可經過串連後而組一惠斯登電橋(wheatstone bridge未顯示)中之感測電阻。於本實施例中，支撐樑108a、108b與108c、懸臂樑106a、106b與106c、壓電材料層110a、110b與110c等構件之組成情形大體相似於如第1圖至第4圖所示之支撐樑108、懸臂樑106與壓電材料層110之實施形態，故在此不再繪示其實施情形。
請參照第14圖，顯示了沿第13圖內線段14-14之立體示意情形。基於簡化圖式之目的，於第14圖僅部份顯示了保護層114、懸臂樑106a、106b與106c、支撐框102內之支撐樑108a、108b與108c、質量塊104與基板100等主要構件，其中質量塊104係由一個或數個導電層與介電層124所組成，而保護層114所覆蓋之範圍大體為支撐框102之所在區域。在此，質量塊104係處於未感受到外界應力之靜止狀態，故其與懸臂樑106a、106b與106c以及壓電材料層110a、110b與110c等構件皆大體平行於基板100之X-Y平面。而第13-14圖內壓阻式Z軸加速度感測器於感受到外界加速度時之示意立體情形及操作原理則大體相似於第10圖內所示情形，故在此不在進一步描述。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．基板
102．．．支撐框
104．．．質量塊
106、106a、106b、106c、106d．．．懸臂樑
108、108a、108b、108c、108d．．．支撐樑
110、110a、110b、110c、110d．．．壓電材料層
112．．．空室
114．．．保護層
120．．．絕緣層
122．．．導電層
124．．．介電層
第1圖為一示意圖，顯示了依據本發明之一實施例之一種壓阻式Z軸加速度感測器之上視情形；
第2圖為一示意圖，顯示了沿第1圖內線段2-2之剖面情形；
第3圖為一示意圖，顯示了沿第1圖內線段3-3之立體情形；
第4圖為一示意圖，顯示了第3圖內壓阻式Z軸加速度感測器於感受到外界加速度時之立體情形；
第5圖為一示意圖，顯示了依據本發明之另一實施例之一種壓阻式Z軸加速度感測器之上視情形；
第6圖為一示意圖，顯示了沿第5圖內線段6-6之立體情形；
第7圖為一示意圖，顯示了第6圖內壓阻式Z軸加速度感測器於感受到外界加速度時之立體情形；
第8圖為一示意圖，顯示了依據本發明之又一實施例之一種壓阻式Z軸加速度感測器之上視情形；
第9圖為一示意圖，顯示了沿第8圖內線段9-9之立體情形；
第10圖為一示意圖，顯示了第9圖內壓阻式Z軸加速度感測器於感受到外界加速度時之立體情形；
第11圖為一示意圖，顯示了依據本發明之另一實施例之一種壓阻式Z軸加速度感測器之上視情形；
第12圖為一示意圖，顯示了沿第11圖內線段12-12之立體情形；
第13圖為一示意圖，顯示了依據本發明之另一實施例之一種壓阻式Z軸加速度感測器之上視情形；以及
第14圖為一示意圖，顯示了沿第13圖內線段14-14之立體情形。
100．．．基板
102．．．支撐框
104．．．質量塊
106a、106b．．．懸臂樑
108a、108b．．．支撐樑
110a、110b．．．壓電材料層
112．．．空室
114．．．保護層

Claims (15)

  1. 一種壓阻式Z軸加速度感測器，包括：一基板；複數支撐樑，設置於該基板上；複數個懸臂樑，其中該些懸臂樑分別包括一壓電材；一質量塊，其中，該些懸臂樑分別透過該些支撐樑將該質量塊懸浮於該基板上，且該感測器利用該壓電材偵測該質量塊的位移；以及一支撐框，形成於該基板之上並環繞該些懸臂樑、該些壓電材與該質量塊，而該些支撐樑則係整合於該支撐框內，且該些懸臂樑之該壓電材係埋設於該些懸臂樑之內並延伸至該支撐框之一內部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，該些支撐樑與該些懸臂樑包括一組對稱結構之支撐樑及一組對稱結構之懸臂樑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，該些支撐樑與該些懸臂樑包括兩組對稱結構之支撐樑及兩組對稱結構之懸臂樑。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，該些支撐樑與該些懸臂樑包括一組非對稱結構之支撐樑及一組非對稱結構之懸臂樑。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，其中該支撐框包括設置於該基板上之一絕緣層、複數個介電層、複數個導電層與一保護層，而該些介電層與 該些導電層係交錯地設置於該絕緣層與該保護層之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，其中該壓電材包括多晶矽材料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，其中該些懸臂樑內之該壓電材之間係串聯地電性連結。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，其中該質量塊包括一個或數個介電層與導電層。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，其中該支撐框於該基板上定義出位於該支撐框內部之一空室。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，其中該些懸臂樑係連結於該質量塊之兩相鄰側。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，其中該些懸臂樑係連結於該質量塊之三側且兩兩相鄰。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，其中從上視觀之，該支撐框具有一長方形輪廓。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，該基板於該空室下方內更形成一凹口，該凹口部份延伸至該支撐框之下方內。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，其中該些懸臂樑內之該壓電材之間係串聯地電性連結而形成一惠斯登電橋之一感測電阻。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之壓阻式Z軸加速度感測器，其中該惠斯登電橋電性連結一儀表放大器。
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