CN100334453C - 加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有很高灵敏度的超微半导体加速度传感器。该加速度传感器有：块状部分，该块状部分在硅半导体基体的中心部分；框架，该框架形成于基体的边缘部分上；薄弹性支承臂，该薄弹性支承臂在该块状部分和框架的顶表面上，并连接该块状部分和框架；以及应变仪，该应变仪由形成于弹性支承臂的顶表面上的多对压敏电阻器构成。在弹性支承臂顶表面上的一对Z轴方向应变仪之间的距离比一对X轴方向应变仪之间的距离长0.4L至1.2L，或者短1.0L至1.8L，从而使Z轴方向应变仪的输出与X轴方向应变仪的输出为相同水平。也可选择，由Z轴方向应变仪与X轴方向所形成的角度为10至30度或65至90度，因此，Z轴方向应变仪的输出与X轴方向应变仪的输出为相同水平。

Description

加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种用于检测加速度的加速度传感器，该加速度传感器用于玩具、汽车、飞机、便携式终端等，尤其是涉及一种能够利用半导体技术制造的加速度传感器。
背景技术
已经开发了利用物理量变化例如压敏电阻效应以及利用静电容变化的加速度传感器，并已经商品化。这些加速度传感器广泛用于各种领域，但是近来，需要能够高灵敏度地同时检测多轴方向的加速度的小型加速度传感器。
单晶硅由于晶格缺陷极小而成为理想的弹性体，且半导体处理技术能够在没有较大变化的情况下用于单晶硅，因此，非常重视压敏电阻效应类型的半导体加速度传感器，其中，薄的弹性支承部分布置在单晶硅基体上，施加在该薄的弹性支承部分上的应力通过压敏电阻器转变成电信号，以便进行输出，该压敏电阻器例如为压敏电阻效应元件。
作为普通的三轴方向加速度传感器，例如在日本专利公开No.63-169078中公开了一种这样的加速度传感器，图13表示了它的平面图，图14表示了沿图13中的线XIV-XIV的剖视图，而图15表示了透视图。该加速度传感器500有弹性支承臂530，各弹性支承臂530为梁结构，由单晶硅基体的较薄部分构成。在中心的块状部分520与在外周的框架510通过该弹性支承臂530相连，该块状部分520由单晶硅基体的较厚部分构成。多个压敏电阻器560形成于弹性支承臂530的各个轴向方向上。
下面将参考图13、14和15介绍整个结构。传感器500有：块状部分520，该块状部分520由单晶硅基体的较厚部分构成；框架510，该框架510布置成环绕该块状部分520；以及两对梁形的弹性支承臂，这两对弹性支承臂彼此垂直，并分别由单晶硅基体的较薄部分构成，以便桥接块状部分520和框架510。当加速时，块状部分在框架中运动，以便使弹性支承臂变形，这样，该变形由在弹性支承臂上的压敏电阻器检测，以便获得起作用的加速度。沿图13中的X轴方向的加速度通过在沿X轴方向延伸的弹性支承臂上的四个压敏电阻器560来测量，而沿Y轴方向的加速度通过在沿Y轴方向延伸的弹性支承臂上的四个压敏电阻器560来测量。沿Z轴方向的加速度通过所有的压敏电阻器560来测量。通过在具有框架510的尺寸大小的单晶硅基体中形成四个L形通孔，从而形成在中心的块状部分520、在周边的框架510以及桥接它们的支承臂530，并通过使支承臂部分制得较薄，从而使该加速度传感器构成为可变形和非常敏感。
尽管在图13至15中所示的加速度传感器500中，沿Z轴方向的加速度通过检测X轴方向加速度的压敏电阻器560和检测Y轴方向加速度的压敏电阻器560来检测和测量，但是优选是检测Z轴方向加速度的电路与检测X轴/Y轴方向加速度的电路分离。在共同待审的专利申请中，中国专利申请N/A(2003年2月12日)、欧洲专利申请03002164.6(2003年2月3日)、韩国专利申请10-2003-008738(2003年2月12日)以及美国申请No.10/357408(2003年2月4日)由同一申请人基于申请日为2002年2月12日的日本专利申请2002-33696而申请，其中，用于检测Z轴方向的压敏电阻器与用于检测X轴方向的压敏电阻器不同，尽管该Z轴方向压敏电阻器以与X轴方向压敏电阻器相同的方式布置在沿X轴方向的弹性支承臂上。
在图16中，加速度传感器600有在中心的块状部分620、环绕该块状部分的厚框架610以及桥接该块状部分620和厚框架610的弹性支承臂631、632、633和634。因为弹性支承臂631、632、633和634较薄，当加速度作用在块状部分620上时，该块状部分使弹性支承臂变形。各弹性支承臂的较大变形发生在弹性支承臂的端头，也就是块状部分的顶表面的边缘和弹性支承臂连接的部分以及厚框架的顶表面的内侧边缘和弹性支承臂连接的部分。为了提高加速度传感器的灵敏度，压敏电阻器安装在弹性支承臂的、通过加速度变形最大的部分上。
在图16的加速度传感器600中，用于检测X轴方向的加速度的压敏电阻器661、662、663和664以及用于检测Z轴方向的加速度的压敏电阻器681、682、683和684布置在弹性支承臂631和633上。通常已知在X轴压敏电阻器和Z轴压敏电阻器的灵敏度之间存在如图17所示的关系(驱动电压为1V时相对于1G加速度的输出)。当沿X轴方向的1G加速度作用在块状部分上时，施加在弹性支承臂上的弯曲力矩与从块状部分的顶表面到块状部分的重心的距离和块状部分的质量的乘积成正比。因为弯曲力矩与距离和质量成正比，因此，X轴方向的灵敏度以块状部分厚度的二次函数关系变化。另一方面，当1G加速度作用在Z轴方向时，施加在弹性支承臂上的弯曲力矩与弹性支承臂的长度和块状部分的质量的乘积成正比。当块状部分的厚度变化时，弹性支承臂的长度并没有变化，只有块状部分的质量变化，因此，Z轴方向的敏感性为线性函数。
当图16中所示的加速度传感器600利用通常用于半导体制造的单晶硅基体制成，且单晶硅基体的厚度为625μm或525μm时，由图17可见，Z轴方向压敏电阻器的灵敏度变得大于X轴方向压敏电阻器的灵敏度。当Z轴方向压敏电阻器和X轴方向压敏电阻器的灵敏度大致相同时，具有大致相同的输出放大率的放大器可用于Z轴压敏电阻器和X轴压敏电阻器。为了使Z轴压敏电阻器的灵敏度与X轴压敏电阻器的灵敏度相同，优选是加速度传感器600采用厚度为大约800μm的单晶硅基体，但是这样厚度的单晶硅基体必须只对于该加速度传感器而特别制备，这增加了加速度传感器的成本。
也可选择，理论上可以通过改变用于Z轴方向压敏电阻器和X(Y)轴方向压敏电阻器的压敏电阻器的杂质浓度而改变压电特性。不过，当形成压敏电阻器时，将杂质添加到Z轴方向电阻中必须在单独的处理步骤中进行，因此增加了成本。而且，还害怕Z轴方向压敏电阻器和X(Y)轴方向压敏电阻器的热特性不同。
也可选择，可以改变Z轴方向电阻器的形状，使它与X(Y)轴方向电阻器不同，从而减小Z轴方向电阻器的输出功率，从而使它与X(Y)轴方向电阻器的输出大致相同，但是电阻值将改变，从而难以保持电桥平衡，因此，希望使所有电阻为相同形状。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种紧凑和较薄的加速度传感器，该加速度传感器在X轴、Y轴和Z轴的三轴方向电阻器之间的灵敏度差别非常小，并有很低的制造成本，同时使它们的电阻率和热属性保持相同水平。
一种本发明的加速度传感器，包括：
块状部分，该块状部分在加速度传感器的中心，并有顶表面；
厚框架，该厚框架环绕块状部分并离开该块状部分预定距离，且该厚框架有顶表面；
多个弹性支承臂，各弹性支承臂从块状部分的顶表面边缘伸出(例如沿X轴方向)，并桥接块状部分的顶表面边缘和厚框架的顶表面内边缘，且将块状部分悬挂在厚框架的内部；
在每一个弹性支承臂的顶表面上布置两个第一压敏电阻器，它们沿其所在的弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)彼此离开一定距离，并沿该弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)而延伸；以及
在每一个设有所述两个第一压敏电阻器的弹性支承臂的顶表面上布置两个第二压敏电阻器，两个第二压敏电阻器具有一定距离，该距离不同于沿弹性支承臂方向的第一压敏电阻器之间的距离(例如沿X轴方向)，并沿弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)延伸，
两个第一压敏电阻器检测沿弹性支承臂延伸方向(例如沿X轴方向)的加速度，而两个第二压敏电阻器检测沿与块状部分的顶表面垂直的方向(Z轴方向)的加速度。
在上述加速度传感器中，两个第一压敏电阻器中的一个可以整个布置在弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第一压敏电阻器的端头基本位于厚框架的顶表面的内边缘处，而这两个第一压敏电阻器中的另一个可以整个布置在弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第一压敏电阻器的端头基本位于块状部分的顶表面边缘处。两个第二压敏电阻器中的一个合适布置成桥接厚框架的顶表面和弹性支承臂的顶表面，该一个第二压敏电阻器的一个端头位于弹性支承臂的顶表面上，而该一个第二压敏电阻器的另一端头位于厚框架的顶表面上。而且，两个第二压敏电阻器中的另一个合适布置成桥接块状部分的顶表面和弹性支承臂的顶表面，该另一个第二压敏电阻器的一个端头位于块状部分的顶表面上，而该另一个第二压敏电阻器的另一端头位于弹性支承臂的顶表面上。
在该加速度传感器中，两个第二压敏电阻器之间的距离优选是比两个第一压敏电阻器之间的距离长该压敏电阻器长度的0.4至1.2倍。更优选是，两个第二压敏电阻器之间的距离优选是比两个第一压敏电阻器之间的距离长该压敏电阻器长度的0.6至1.0倍。
在该加速度传感器中，两个第二压敏电阻器可以整个布置在弹性支承臂的顶表面上，这样，两个第二压敏电阻器的所有端头都离开弹性支承臂的端头。这时，优选是，两个第二压敏电阻器之间的距离比两个第一压敏电阻器之间的距离短该压敏电阻器长度的1.0至1.8倍。更优选是，两个第二压敏电阻器之间的距离比两个第一压敏电阻器之间的距离短该压敏电阻器长度的1.2至1-6倍。
一种根据本发明的加速度传感器，包括：
块状部分，该块状部分在加速度传感器的中心，并有顶表面；
厚框架，该厚框架环绕块状部分并离开该块状部分预定距离，且该厚框架有顶表面；
两个第一弹性支承臂，这两个第一弹性支承臂从块状部分的顶表面的相对边缘上沿彼此平行和相反的方向(例如沿+X轴方向和-X轴方向)伸出，并桥接块状部分的顶表面边缘和厚框架的顶表面内边缘，且将块状部分悬挂在厚框架的内部；
两个第一压敏电阻器，在每一个第一弹性支承臂的顶表面上布置这两个第一压敏电阻器，它们沿第一弹性支承臂的延伸方向(例如沿+X轴方向/-X轴方向)彼此离开一定距离，并沿该第一弹性支承臂的延伸方向(例如沿+X轴方向/-X轴方向)而延伸；
这两个第一压敏电阻器中的一个整个布置在第一弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第一压敏电阻器的端头位于厚框架的顶表面的内边缘处，而这两个第一压敏电阻器中的另一个整个布置在第一弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第一压敏电阻器的端头位于块状部分的顶表面边缘处；
两个第二压敏电阻器，在每一个第一弹性支承臂的顶表面上布置这两个第二压敏电阻器，且它们之间的距离比在两个第一压敏电阻器之间沿第一弹性支承臂延伸方向(例如沿+X轴方向/-X轴方向)的距离长该压敏电阻器长度的0.4至1.2倍，并沿第一弹性支承臂的方向(例如沿+X轴方向/-X轴方向)延伸；
这两个第二压敏电阻器中的一个布置成桥接厚框架的顶表面和第一弹性支承臂的顶表面，该一个第二压敏电阻器的一个端头位于厚框架的顶表面上，而该一个第二压敏电阻器的另一端头位于第一弹性支承臂的顶表面上，以及
这两个第二压敏电阻器中的另一个布置成桥接块状部分的顶表面和第一弹性支承臂的顶表面，该另一个第二压敏电阻器的一个端头位于块状部分的顶表面上，而该另一个第二压敏电阻器的另一端头位于第一弹性支承臂的顶表面上；
两个第二弹性支承臂，这两个第二弹性支承臂从块状部分的顶表面的其它相对边缘上沿彼此平行和相反的方向(例如沿+Y轴方向和-Y轴方向)伸出，并桥接块状部分的其它顶表面边缘和厚框架的其它顶表面内边缘，且将块状部分悬挂在厚框架的内部；以及
两个第三压敏电阻器，在每一个第二弹性支承臂的顶表面上布置这两个第三压敏电阻器，它们沿第二弹性支承臂的延伸方向(例如沿+Y轴方向/-Y轴方向)彼此离开一定距离，并沿该第二弹性支承臂的延伸方向(例如沿+Y轴方向/-Y轴方向)而延伸；
这两个第三压敏电阻器中的一个整个布置在第二弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第三压敏电阻器的端头位于厚框架的顶表面的其它内边缘处，以及
这两个第三压敏电阻器中的另一个整个布置在第二弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第三压敏电阻器的端头位于块状部分的顶表面边缘处；
这两个第一压敏电阻器检测沿第一弹性支承臂延伸方向(例如沿X轴方向)的加速度，这两个第二压敏电阻器检测沿垂直于块状部分的顶表面的方向(Z轴方向)的加速度，而两个第三压敏电阻器检测沿第二弹性支承臂延伸方向(例如沿Y轴方向)的加速度。
一种本发明的加速度传感器，包括：
块状部分，该块状部分在加速度传感器的中心，并有顶表面；
厚框架，该厚框架环绕块状部分并离开该块状部分预定距离，且该厚框架有顶表面；
两个第一弹性支承臂，这两个第一弹性支承臂从块状部分的顶表面的相对边缘上沿彼此平行和相反的方向(例如沿+X轴方向和-X轴方向)伸出，并桥接块状部分的顶表面边缘和厚框架的顶表面内边缘，且将块状部分悬挂在厚框架的内部；
两个第一压敏电阻器，在每一个第一弹性支承臂的顶表面上布置这两个第一压敏电阻器，它们沿第一弹性支承臂的延伸方向(例如沿+X轴方向/-X轴方向)彼此离开一定距离，并沿该第一弹性支承臂的延伸方向(例如沿+X轴方向/-X轴方向)而延伸；
这两个第一压敏电阻器中的一个整个布置在第一弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第一压敏电阻器的端头位于厚框架的顶表面的内边缘处，而这两个第一压敏电阻器中的另一个整个布置在第一弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第一压敏电阻器的端头位于块状部分的顶表面边缘处；
两个第二压敏电阻器，这两个第二压敏电阻器布置在第一弹性支承臂的顶表面上，且它们之间的距离比在两个第一压敏电阻器之间沿第一弹性支承臂延伸方向(例如沿+X轴方向/-X轴方向)的距离短该压敏电阻器长度的1.0至1.8倍，并沿第一弹性支承臂的方向(例如沿+X轴方向/-X轴方向)延伸；
这两个第二压敏电阻器整个布置在第一弹性支承臂的顶表面上，这两个第二压敏电阻器的所有端头都离开第一弹性支承臂的顶表面的所有端头；
两个第二弹性支承臂，这两个第二弹性支承臂从块状部分的顶表面的其它相对边缘上沿彼此平行和相反的方向(例如沿+Y轴方向和-Y轴方向)伸出，并桥接块状部分的其它顶表面边缘和厚框架的其它顶表面内边缘，且将块状部分悬挂在厚框架的内部；以及
两个第三压敏电阻器，在每一个第二弹性支承臂的顶表面上布置这两个第三压敏电阻器，它们沿第二弹性支承臂的延伸方向(例如沿+Y轴方向/-Y轴方向)彼此离开一定距离，并沿该第二弹性支承臂的延伸方向(例如沿+Y轴方向/-Y轴方向)而延伸；
这两个第三压敏电阻器中的一个整个布置在第二弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第三压敏电阻器的端头位于厚框架的顶表面的其它内边缘处，以及
这两个第三压敏电阻器中的另一个整个布置在第二弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第三压敏电阻器的端头位于块状部分的顶表面边缘处；
这两个第一压敏电阻器检测沿第一弹性支承臂延伸方向(例如沿X轴方向)的加速度，这两个第二压敏电阻器检测沿垂直于块状部分的顶表面的方向(Z轴方向)的加速度，而两个第三压敏电阻器检测沿第二弹性支承臂延伸方向(例如沿Y轴方向)的加速度。
一种本发明的加速度传感器，包括：
块状部分，该块状部分在加速度传感器的中心，并有顶表面；
厚框架，该厚框架环绕块状部分并离开该块状部分预定距离，且该厚框架有顶表面；
多个弹性支承臂，各弹性支承臂从块状部分的顶表面边缘伸出(例如沿X轴方向)，并桥接块状部分的顶表面边缘和厚框架的顶表面内边缘，且将块状部分悬挂在厚框架的内部；
两个第一压敏电阻器，这两个第一压敏电阻器布置在各弹性支承臂的顶表面上，它们沿弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)彼此离开一定距离，并沿该弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)而延伸；以及
两个第二压敏电阻器，这两个第二压敏电阻器布置在有两个第一压敏电阻器的弹性支承臂的顶表面上，并与弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)成一定角度，
两个第一压敏电阻器检测沿弹性支承臂延伸方向(例如沿X轴方向)的加速度，而两个第二压敏电阻器检测沿与块状部分的顶表面垂直的方向(Z轴方向)的加速度。
在上述加速度传感器中，两个第一压敏电阻器中的一个以及两个第二压敏电阻器中的一个都可以整个布置在弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第一压敏电阻器以及该一个第二压敏电阻器的端头都位于厚框架的顶表面的内边缘处，而这两个第一压敏电阻器中的另一个以及这两个第二压敏电阻器中的另一个可以整个布置在弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第一压敏电阻器以及该另一个第二压敏电阻器的端头都位于块状部分的顶表面边缘处。优选是，两个第二压敏电阻器中的每一个都布置成与弹性支承臂的延伸方向(例如X轴方向)所成的角度为10至30度或65至90度。
一种本发明的加速度传感器，包括：
块状部分，该块状部分在加速度传感器的中心，并有顶表面；
厚框架，该厚框架环绕块状部分并离开该块状部分预定距离，且该厚框架有顶表面；
两个第一弹性支承臂，这两个第一弹性支承臂从块状部分的顶表面的相对边缘上沿彼此平行和相反的方向(例如沿+X轴方向和-X轴方向)伸出，并桥接块状部分的顶表面边缘和厚框架的顶表面内边缘，且将块状部分悬挂在厚框架的内部；
两个第一压敏电阻器，这两个第一压敏电阻器布置在各第一弹性支承臂的顶表面上，它们沿第一弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)彼此离开一定距离，并沿该第一弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)而延伸；
两个第二压敏电阻器，这两个第二压敏电阻器布置在各第一弹性支承臂的顶表面上，且与弹性支承臂的延伸方向(例如X轴方向)所成的角度为10至30度或65至90度。
这两个第一压敏电阻器中的一个以及这两个第二压敏电阻器中的一个都整个布置在第一弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第一压敏电阻器以及该一个第二压敏电阻器的端头都位于厚框架的顶表面的内边缘处，以及
这两个第一压敏电阻器中的另一个以及这两个第二压敏电阻器中的另一个都整个布置在第一弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第一压敏电阻器以及该另一个第二压敏电阻器的端头都位于块状部分的顶表面边缘处。
两个第二弹性支承臂，这两个第二弹性支承臂从块状部分的顶表面的其它相对边缘上沿彼此平行和相反的方向(例如沿+Y轴方向和-Y轴方向)伸出，并桥接块状部分的其它顶表面边缘和厚框架的其它顶表面内边缘，且将块状部分悬挂在厚框架的内部；以及
两个第三压敏电阻器，这两个第三压敏电阻器布置在各第二弹性支承臂的顶表面上，它们沿第二弹性支承臂的延伸方向(例如沿Y轴方向)彼此离开一定距离，并沿该第二弹性支承臂的延伸方向(例如沿Y轴方向)而延伸；
这两个第三压敏电阻器中的一个整个布置在第二弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第三压敏电阻器的端头位于厚框架的顶表面的其它内边缘处，以及
这两个第三压敏电阻器中的另一个整个布置在第二弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第三压敏电阻器的端头位于块状部分的顶表面边缘处；
这两个第一压敏电阻器检测沿第一弹性支承臂延伸方向(例如沿X轴方向)的加速度，这两个第二压敏电阻器检测沿垂直于块状部分的顶表面的方向(Z轴方向)的加速度，而两个第三压敏电阻器检测沿第二弹性支承臂延伸方向(例如沿Y轴方向)的加速度。
还有，一种本发明的加速度传感器，包括：
块状部分，该块状部分在加速度传感器的中心，并有顶表面；
厚框架，该厚框架环绕块状部分并离开该块状部分预定距离，且该厚框架有顶表面；
多个弹性支承臂，各弹性支承臂从块状部分的顶表面边缘伸出(例如沿X轴方向)，并桥接块状部分的顶表面边缘和厚框架的顶表面内边缘，且将块状部分悬挂在厚框架的内部；
两个第一压敏电阻器，这两个第一压敏电阻器布置在各弹性支承臂的顶表面上，它们沿弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)彼此离开一定距离，并沿该弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)而延伸；以及
两个第二压敏电阻器，这两个第二压敏电阻器布置在有两个第一压敏电阻器的弹性支承臂的顶表面上，这两个第二压敏电阻器之间沿弹性支承臂方向(例如沿X轴方向)的距离与第一压敏电阻器距离不同，并与弹性支承臂的延伸方向(例如沿X轴方向)成一定角度延伸，
两个第一压敏电阻器检测沿弹性支承臂延伸方向(例如沿X轴方向)的加速度，而两个第二压敏电阻器检测沿与块状部分的顶表面垂直的方向(Z轴方向)的加速度。
在上述加速度传感器中，优选是，两个第一压敏电阻器中的一个以及两个第二压敏电阻器中的一个都可以整个布置在弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第一压敏电阻器以及该一个第二压敏电阻器的端头都位于厚框架的顶表面的内边缘处，而这两个第一压敏电阻器中的另一个以及这两个第二压敏电阻器中的另一个可以整个布置在弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第一压敏电阻器以及该另一个第二压敏电阻器的端头都位于块状部分的顶表面边缘处。优选是，两个第二压敏电阻器中的每一个都布置成与弹性支承臂的延伸方向(例如X轴方向)所成的角度为10至30度或65至90度。优选是，两个第二压敏电阻器之间的距离比两个第一压敏电阻器之间的距离长该压敏电阻器长度的0.4至1.2倍。更优选是，两个第二压敏电阻器之间的距离优选是比两个第一压敏电阻器之间的距离长该压敏电阻器长度的0.6至1.0倍。也可选择，两个第二压敏电阻器之间的距离比两个第一压敏电阻器之间的距离短该压敏电阻器长度的1.0至1.8倍。更优选是，两个第二压敏电阻器之间的距离比两个第一压敏电阻器之间的距离短该压敏电阻器长度的1.2至1.6倍。
附图的简要说明
图1是表示本发明的实例1的加速度传感器的平面图；
图2是图1中的加速度传感器沿图1中的线II-II的剖视图；
图3是表示本发明的实例1的加速度传感器的弹性支承臂的放大平面图；
图4是表示在本发明的实例1的加速度传感器中，在Z轴方向压敏电阻器的输出与X轴方向压敏电阻器的输出之比和Z轴方向压敏电阻器距离与X轴方向压敏电阻器距离之差之间的关系的曲线图；
图5是表示本发明的实例2的加速度传感器的平面图；
图6是表示本发明的实例2的加速度传感器的弹性支承臂的放大平面图；
图7是表示在本发明的实例2的加速度传感器中，Z轴方向压敏电阻器的输出与X轴方向压敏电阻器的输出之比、与Z轴方向压敏电阻器距离和X轴方向压敏电阻器距离之差的曲线图；
图8是表示本发明的实例3的加速度传感器的平面图；
图9是表示本发明的实例3的加速度传感器的弹性支承臂的放大平面图；
图10是表示在本发明的实例3的加速度传感器中，Z轴方向压敏电阻器的输出与X轴方向压敏电阻器的输出之比，与Z轴方向压敏电阻器相对于X轴方向压敏电阻器的角度的曲线图；
图11是表示在本发明的实例3的加速度传感器中，Z轴方向压敏电阻器的输出与X轴方向压敏电阻器的输出之比、与Z轴方向压敏电阻器相对于X轴方向压敏电阻器的角度的曲线图；
图12A至12E是本发明的加速度传感器的制造方法的示意图；
图13是在日本专利公开中公开的加速度传感器的平面图；
图14是图13中的加速度传感器沿图13中的线XIV-XIV的剖视图；
图15是图13中的加速度传感器的透视图；
图16是在本申请人的共同待审的专利申请中提出的加速度传感器的平面图；以及
图17是表示在共同待审的专利申请中提出的加速度传感器中，X轴方向压敏电阻器灵敏度与块状部分的厚度以及Y轴方向压敏电阻器灵敏度、与块状部分的厚度的曲线图。
具体实施方式
实例1
下面将参考图1至4介绍本发明的实例1的加速度传感器。图1是加速度传感器的平面图。图2是沿图1中的线II-II的剖视图。图3是表示加速度传感器的弹性支承臂的放大平面图。图4是表示在本发明的实例1的加速度传感器中，在Z轴方向压敏电阻器的输出与X轴方向压敏电阻器的输出之比和Z轴方向压敏电阻器距离与X轴方向压敏电阻器距离之差之间关系的曲线图。
本发明的加速度传感器采用具有SOI层的单晶硅基体，该SOI层通过SiO2绝缘层形成，即为SOI晶片，以便能够以很高精度来控制弹性支承臂的厚度。SOI是在绝缘体上的硅的缩写。在本实例中，通过在厚度为大约625μm的Si晶片上薄薄地形成有作为蚀刻阻止器的SiO2绝缘层(大约1μm)而形成的晶片用作基质，在Si晶片上形成厚度为大约10μm的N型单晶硅层。在该实例的加速度传感器100中，在尺寸与框架110相同的正方形单晶硅基体中形成四个L形通孔150，从而形成在中心的块状部分120、环绕该块状部分的厚框架110以及布置在它们之间的支承臂，并通过使支承臂部分较薄而形成弹性支承臂131、132、133和134。加速度传感器100有压敏电阻器161至164、171至174以及181至184，这些压敏电阻器布置在弹性支承臂，以便与两个垂直的检测轴(轴X和Y)以及垂直于加速度传感器的顶表面的检测轴线(轴Z)相对应，且对于各个轴线都有四个压敏电阻器。即，压敏电阻器对161和162以及163和164分别设置在X轴方向延伸的弹性支承臂131和133上，用于检测X轴方向的加速度。压敏电阻器对171和172以及173和174分别设置在沿Y轴方向延伸的弹性支承臂132和134上，用于检测沿Y轴方向的加速度。而且压敏电阻器对181和182以及183和184分别设置在沿X轴方向延伸的弹性支承臂131和133上，用于检测Z轴方向的加速度。在本实例中，沿Z轴方向的加速度由在弹性支承臂131和133上的压敏电阻器检测，但是检测沿Z轴方向的加速度的元件也可以布置在弹性支承臂132和134上。用于检测每个轴方向的加速度的四个压敏电阻器单独构成全电桥检测电路。
下面将主要参考图1和图3介绍本发明实例1的加速度传感器100，在弹性支承臂131上的、用于检测X轴方向的加速度的两个压敏电阻器161和162沿X轴方向对齐，并沿X轴方向延伸。这两个压敏电阻器在弹性支承臂131的两端，且两个压敏电阻器的相应端位于在厚框架110的顶表面内边缘和弹性支承臂131之间的边界上和位于在弹性支承臂131和块状部分120的顶表面边缘之间的边界上。在弹性支承臂133上的、用于检测X轴方向的加速度的两个压敏电阻器163和164沿X轴方向对齐，并沿X轴方向延伸。这两个压敏电阻器在弹性支承臂133的两端，且两个压敏电阻器的相应端位于在块状部分120的顶表面边缘和弹性支承臂133之间的边界上和位于在弹性支承臂133和厚框架110的顶表面内边缘之间的边界上。在弹性支承臂131上的两个压敏电阻器161和162彼此分离的距离为该弹性支承臂131的长度减去压敏电阻器的长度L的结果。同样，在弹性支承臂133上的两个压敏电阻器163和164彼此分离的距离为该弹性支承臂133的长度减去压敏电阻器的长度L的结果。
用于检测Y轴方向的压敏电阻器171至174沿Y轴方向对齐并沿Y轴方向延伸。其中，压敏电阻器171和172在弹性支承臂132的各端，并设置在弹性支承臂132上，这样，压敏电阻器171和172的相应端位于在厚框架110的顶表面内边缘和弹性支承臂132之间的边界上和位于在弹性支承臂132和块状部分120的顶表面边缘之间的边界上。压敏电阻器173和174在弹性支承臂134的各端，并设置在弹性支承臂134上，这样，压敏电阻器173和174的相应端位于在块状部分120的顶表面边缘和弹性支承臂134之间的边界上和位于在弹性支承臂134和厚框架110的顶表面内边缘之间的边界上。在弹性支承臂132上的两个压敏电阻器171和172彼此分离的距离为该弹性支承臂132的长度减去压敏电阻器的长度L的结果。同样，在弹性支承臂134上的两个压敏电阻器173和174彼此分离的距离为该弹性支承臂134的长度减去压敏电阻器的长度L的结果。
在弹性支承臂131上的、用于检测Z轴方向加速度的压敏电阻器181和182沿X轴方向对齐，并沿X轴方向延伸。压敏电阻器181布置成从厚框架的顶表面延伸到弹性支承臂131上，而压敏电阻器182布置成从弹性支承臂131的一部分延伸到块状部分的顶表面上。在弹性支承臂133上的、用于检测Z轴方向加速度的压敏电阻器183和184沿X轴方向对齐，并沿X轴方向延伸。压敏电阻器183布置成从块状部分的顶表面延伸到弹性支承臂133上，而压敏电阻器184布置成从弹性支承臂133的一部分延伸到厚框架的顶表面上。
在弹性支承臂131上的两个压敏电阻器181和182彼此分离的距离大于该弹性支承臂131的长度减去压敏电阻器的长度L的结果。同样，在弹性支承臂133上的两个压敏电阻器183和184彼此分离的距离大于该弹性支承臂133的长度减去压敏电阻器的长度L的结果。
在本发明的加速度传感器中，因为弹性支承臂131和弹性支承臂133通常形成为有相同长度，用于检测Z轴方向的加速度的两个压敏电阻器之间的距离比用于检测X轴方向(或Y轴方向)的两个压敏电阻器之间的距离更长。优选是，这些距离之间的差为压敏电阻器长度L的0.4至1.2倍。更优选是，这些距离之间的差为压敏电阻器长度L的0.6至1.0倍。
图4中的曲线表示了通过使Z轴方向压敏电阻器距离和X轴方向压敏电阻器距离之间的差在0到2.4L之间变化而测得的Z轴方向压敏电阻器输出与X轴方向压敏电阻器输出之比的结果。如图所示，当距离差为大约0.8L时，Z轴方向压敏电阻器输出/X轴方向压敏电阻器输出为1.0。当距离差为0.6L至1.0L时，输出比为1.2至0.8。由该曲线图可知，在本发明的加速度传感器中，Z轴方向输出和X轴方向(或Y轴方向)输出基本在相同水平。
实例2
下面将参考图5至7介绍本发明的实例2的加速度传感器。图5是加速度传感器200的平面图，图6是表示图5中的一个弹性支承臂的放大平面图，而图7是表示在本发明的实例2的加速度传感器中，在Z轴方向压敏电阻器的输出与X轴方向压敏电阻器的输出之比和Z轴方向压敏电阻器距离与X轴方向压敏电阻器距离之差之间的关系的曲线图。加速度传感器200与实例1的加速度传感器100基本相同，但是用于检测Z轴方向加速度的压敏电阻器的端头281和282都离开在厚框架210的顶表面边缘和弹性支承臂231之间的边界以及在弹性支承臂231和块状部分220的顶表面边缘之间的边界，并设置在弹性支承臂231上。对于在弹性支承臂233上的、沿Z轴方向的两个压敏电阻器283和284，它们的端头都分开设置在块状部分220的顶表面边缘和弹性支承臂233之间的边界以及在弹性支承臂233和厚框架210的顶表面内边缘之间的边界。
X轴方向压敏电阻器261和262以及263和264分别布置在沿X轴方向延伸的弹性支承臂231和233上，并且以与加速度传感器100相同的方式布置。Y轴方向压敏电阻器271和272以及273和274分别布置在沿Y轴方向延伸的弹性支承臂232和234上，并且以与加速度传感器100相同的方式布置。
两个Z轴方向压敏电阻器281和282彼此分离的距离比该弹性支承臂231的长度减去压敏电阻器的长度L的结果更短。同样，两个Z轴方向压敏电阻器283和284彼此分离的距离比该弹性支承臂233的长度减去压敏电阻器的长度L的结果更短。因为弹性支承臂231和弹性支承臂233通常制成相同的长度，因此，在实例2的加速度传感器中，用于检测沿Z轴方向加速度的两个压敏电阻器之间的距离比用于检测沿X轴方向(或Y轴方向)加速度的两个压敏电阻器之间的距离更短。优选是，这些距离之间的差为1.0L至1.8L。更优选是，这些距离之间的差为1.2L到1.6L。
图7中的曲线表示了通过使Z轴方向压敏电阻器距离和X轴方向压敏电阻器距离之间的差在0到2.4L之间变化而测得的Z轴方向压敏电阻器输出与X轴方向压敏电阻器输出之比的结果。如图所示，当距离差为大约1.4L时，Z轴方向压敏电阻器输出/X轴方向压敏电阻器输出为1.0。当距离差为1.0L至1.8L时，输出比为1.15至0.8。当距离差为1.2L至1.6L时，该比为1.1至0.9。由该曲线图可知，在本发明的加速度传感器中，Z轴方向输出和X轴方向(或Y轴方向)输出基本在相同水平。
实例3
下面将参考图8至11介绍本发明的实例3的加速度传感器。图8是加速度传感器300的平面图，图9是表示图8中的一个弹性支承臂的放大平面图，而图10和11是表示在本发明的实例3的加速度传感器中，在Z轴方向压敏电阻器的输出与X轴方向压敏电阻器的输出之比和Z轴方向压敏电阻器与X轴方向所形成的角度θ之间的关系的曲线图。加速度传感器300与实例1的加速度传感器100基本相同，但是用于检测Z轴方向加速度的压敏电阻器381和382设置在弹性支承臂331上，并与X轴方向成角度θ。设置在弹性支承臂331上的、Z轴方向的两个压敏电阻器383和384与X轴方向成角度θ。
压敏电阻器381设置在弹性支承臂331上，这样，它的一端位于在厚框架310的顶表面内边缘和该弹性支承臂331之间的边界上，压敏电阻器382在弹性支承臂331上，这样，它的一端位于在该弹性支承臂331和块状部分320的顶表面边缘之间的边界上。同样，压敏电阻器383在弹性支承臂333上，这样，它的一端位于在块状部分320的顶表面边缘和该弹性支承臂333之间的边界上，压敏电阻器384在弹性支承臂333上，这样，它的一端位于在该弹性支承臂333和厚框架310的顶表面内边缘之间的边界上。用于检测X轴方向加速度的压敏电阻器361和362以及363和364以及用于检测Y轴方向加速度的压敏电阻器371和372以及373和374都以与实例1和2中相同的关系布置在弹性支承臂331至334上。
Z轴方向压敏电阻器381和382之间以及383和384之间的距离比X轴方向压敏电阻器361和362之间以及363和364之间的距离长2L(1-cosθ)，因为Z轴方向压敏电阻器与X轴方向成角度θ，但是当θ较小时，可以认为Z轴方向压敏电阻器之间的距离几乎与X轴方向压敏电阻器之间的距离相同。
Z轴方向压敏电阻器与X轴方向所成的角度θ为10至30度或65至90度。更优选是，该角度为15至25度或70至90度。作为通过使Z轴方向压敏电阻器与X轴方向所成角度θ在0到90度之间变化而测得的Z轴方向压敏电阻器输出与X轴方向压敏电阻器输出之比的结果，图10的曲线表示了角度从0到35度时的输出比，而图11的曲线表示了角度从55到90度时的输出比。如这些曲线所示，当角度为大约20度或大约78度时，Z轴方向压敏电阻器输出/X轴方向压敏电阻器输出的比值为1.0。当角度为10至30度时，输出比为1.35至0.65。当角度为65至90度时，该输出比为0.65至1.25。由这些曲线图可知，在本发明的加速度传感器中，Z轴方向输出和X轴方向(或Y轴方向)输出基本在相同水平。
下面介绍本发明的加速度传感器100的制造方法。图12A至12E表示了沿图1中的X轴方向(II-II剖面)的剖面部分(左半部分)，以便解释主要处理过程。如上所述，SOI晶片为Si单晶硅基体，该Si单晶硅基体由Si基座基体60、SOI层80和SiO2层70过程，该SOI层80在顶表面上，它是Si活性层，该SiO2层70在Si基座基体60和SOI层80之间，并用作蚀刻阻止器，如图12A所示。对于它们的厚度，基座基体60的厚度为625μm，SiO2层的厚度为1μm，SOI层的厚度为大约10μm。
制造处理的第一步骤将利用光致抗蚀剂或热氧化SiO2膜等在SOI层80形成预定形式的图形，并利用通过杂质扩散处理例如离子注入而扩散的硼来形成压敏电阻器161和162(图12A)。从温度特性和灵敏度方面考虑，对于表面杂质密度，采用大约2×1018原子/cm3。
然后，为了保护压敏电阻器161和162，形成保护膜41(图12B)。对于保护膜41，采用在半导体技术中通常使用的多层SiO2和PSG(磷硅酸玻璃)，以便产生活动离子吸气效果。也可以用两层SiO2和SiN膜来代替两层SiO2和PSG膜。优选是，保护膜41的厚度可以制成尽可能薄，以便在高灵敏度的情况下减小应力，因此，它制成为0.3μm至0.5μm。
然后，通过利用氢氟酸作为主要成分来进行的湿蚀刻，从而在压敏电阻器161和162两端的保护膜41中形成用于连接电极的通孔40a(图12C)。
然后，为了形成电极接线，通过溅射形成铝合金(铝、铜、硅等为主要成分)膜。其厚度为0.3μm至0.5μm。引线电极40通过光蚀刻形成(图12D)。
然后，尽管未示出，通过干蚀刻方法等对SOI层80进行蚀刻，以便使图1中所示的通孔图形150形成较薄部分。
然后，在后表面的基座基体60上，光致抗蚀剂屏蔽根据在表面上的压敏电阻器161和162的位置而形成块状部分120和框架110形状，利用双面对齐装置而使通孔图形150与SOI层80等对齐，并通过干蚀刻方法对基座基质60进行蚀刻，而作为蚀刻阻止器的SiO2层通过湿蚀刻而除去(图12E)。在干蚀刻步骤中，在侧壁和内壁上交替重复进行如下处理，主要使用SF6气体的蚀刻处理以及主要包含C4F8气体粘接聚合物的处理。作为一种蚀刻SiO2层的蚀刻方法，采用具有缓冲剂的氢氟酸。尽管弹性支承臂131、132、133和134在干蚀刻处理中形成，但是在某些情况下，优选是留下SiO2层70作为蚀刻阻止器而并不除去它，以便保持整个应力的平衡，从而使层叠的SiO2层和硅层形成为弹性支承臂，SiO2层70的一部分可以作为蚀刻阻止器而留在弹性支承臂的背面上。
因此，在晶片上形成的多个加速度传感器元件通过使用切块机等而一个接一个地切成传感器芯片，并通过装配处理例如包封等而形成半导体加速度传感器100。
如上所述，在本发明的加速度传感器中，Z轴方向输出和X轴方向(或Y轴方向)输出之间的差可以改进成35％或更小，优选是20％或更小。此外，压敏电阻器的电阻值和热特性相同，因此，不需要对各个轴向都准备放大器，从而能够提供紧凑和更便宜的半导体类型的三轴方向加速度传感器。

Claims (11)

1.一种加速度传感器，包括：
块状部分，该块状部分设置在加速度传感器的中心，并有顶表面；
厚框架，该厚框架环绕块状部分并离开该块状部分一预定距离，且该厚框架有顶表面；以及
多个弹性支承臂，各弹性支承臂从块状部分的顶表面边缘延伸，并桥接块状部分的顶表面边缘和厚框架的顶表面内边缘，且将块状部分悬挂在厚框架的内部；
在每一个弹性支承臂的顶表面上布置两个第一压敏电阻器，它们沿其所在的弹性支承臂的延伸方向彼此离开一定距离，并沿该弹性支承臂的延伸方向延伸；以及
在每一个设有所述两个第一压敏电阻器的弹性支承臂的顶表面上布置两个第二压敏电阻器，两个第二压敏电阻器沿弹性支承臂的延伸方向延伸，
两个第一压敏电阻器检测沿弹性支承臂延伸方向的加速度，而两个第二压敏电阻器检测沿与块状部分的顶表面垂直的方向的加速度，
其特征在于：所述两个第二压敏电阻器布置成具有一定距离，该距离不同于在所述弹性支承臂的顶表面上的第一压敏电阻器之间沿弹性支承臂的距离。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中：两个第一压敏电阻器中的一个整个布置在弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第一压敏电阻器的端头位于厚框架的顶表面的内边缘处，这两个第一压敏电阻器中的另一个整个布置在弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第一压敏电阻器的端头位于块状部分的顶表面边缘处。
3.根据权利要求2所述的加速度传感器，其中：两个第二压敏电阻器中的一个布置成桥接厚框架的顶表面和弹性支承臂的顶表面，并使该一个第二压敏电阻器的一个端头位于弹性支承臂的顶表面上，该一个第二压敏电阻器的另一端头位于厚框架的顶表面上。
4.根据权利要求3所述的加速度传感器，其中：两个第二压敏电阻器中的另一个布置成桥接块状部分的顶表面和弹性支承臂的顶表面，并使该另一个第二压敏电阻器的一个端头位于块状部分的顶表面上，该另一个第二压敏电阻器的另一端头位于弹性支承臂的顶表面上。
5.根据权利要求2所述的加速度传感器，其中：两个第二压敏电阻器之间的距离比两个第一压敏电阻器之间的距离长该压敏电阻器长度的0.4至1.2倍。
6.根据权利要求5所述的加速度传感器，其中：两个第二压敏电阻器之间的距离比两个第一压敏电阻器之间的距离长该压敏电阻器长度的0.6至1.0倍。
7.根据权利要求2所述的加速度传感器，其中：两个第二压敏电阻器整个布置在弹性支承臂的顶表面上，并使两个第二压敏电阻器的所有端头都离开弹性支承臂的端头。
8.根据权利要求7所述的加速度传感器，其中：两个第二压敏电阻器之间的距离比两个第一压敏电阻器之间的距离短该压敏电阻器长度的1.0至1.8倍。
9.根据权利要求8所述的加速度传感器，其中：两个第二压敏电阻器之间的距离比两个第一压敏电阻器之间的距离短该压敏电阻器长度的1.2至1.6倍。
10.根据权利要求5所述的加速度传感器，其中：
所述多个弹性支承臂包括两个第一弹性支承臂，这两个第一弹性支承臂从块状部分的顶表面的相对边缘上沿彼此平行和相反的方向延伸，并桥接块状部分的顶表面边缘和厚框架的顶表面内边缘，且加速度传感器还包括两个第二弹性支承臂，这两个第二弹性支承臂从块状部分的顶表面的其它相对边缘上沿彼此平行和相反的方向伸出，并桥接块状部分的其它顶表面边缘和厚框架的其它顶表面内边缘；
其中：在每一个第一弹性支承臂的顶表面上布置所述两个第一压敏电阻器和所述两个第二压敏电阻器，
这两个第二压敏电阻器中的一个布置成桥接厚框架的顶表面和第一弹性支承臂的顶表面，并使该一个第二压敏电阻器的一个端头位于厚框架的顶表面上，该一个第二压敏电阻器的另一端头位于第一弹性支承臂的顶表面上，以及
这两个第二压敏电阻器中的另一个布置成桥接块状部分的顶表面和第一弹性支承臂的顶表面，并使该另一个第二压敏电阻器的一个端头位于块状部分的顶表面上，该另一个第二压敏电阻器的另一端头位于第一弹性支承臂的顶表面上；以及
其中：各所述第二弹性支承臂具有两个第三压敏电阻器，这两个第三压敏电阻器布置在各第二弹性支承臂的顶表面上，它们沿其所在的第二弹性支承臂的延伸方向彼此离开一定距离，并沿该第二弹性支承臂的延伸方向而延伸，
这两个第三压敏电阻器中的一个整个布置在第二弹性支承臂的顶表面上，并使该两个第三压敏电阻器中的一个的端头位于所述厚框架的其它顶表面的内边缘处，
这两个第三压敏电阻器中的另一个整个布置在第二弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第三压敏电阻器的端头位于块状部分的顶表面边缘处，以及
这两个第三压敏电阻器检测沿第二弹性支承臂延伸方向的加速度。
11.根据权利要求8所述的加速度传感器，其中：
所述多个弹性支承臂包括两个第一弹性支承臂，这两个第一弹性支承臂从块状部分的顶表面的相对边缘上沿彼此平行和相反的方向伸出，并桥接块状部分的顶表面边缘和厚框架的顶表面的内边缘；以及所述加速度传感器还包括两个第二弹性支承臂，这两个第二弹性支承臂从块状部分的顶表面的其它相对边缘上沿彼此平行和相反的方向伸出，并桥接块状部分的其它顶表面边缘和厚框架的其它顶表面内边缘；
其中：在每一个第一弹性支承臂的顶表面上布置所述两个第一压敏电阻器和所述两个第二压敏电阻器，
这两个第二压敏电阻器整个布置在第一弹性支承臂的顶表面上，并使这两个第二压敏电阻器的所有端头都离开第一弹性支承臂的顶表面的所有端头；以及
其中：各所述第二弹性支承臂具有两个第三压敏电阻器，这两个第三压敏电阻器布置在各第二弹性支承臂的顶表面上，它们沿其所在的第二弹性支承臂的延伸方向彼此离开一定距离，并沿该第二弹性支承臂的延伸方向而延伸，
这两个第三压敏电阻器中的一个整个布置在第二弹性支承臂的顶表面上，并使该一个第三压敏电阻器的端头位于厚框架的顶表面的其它内边缘处，
这两个第三压敏电阻器中的另一个整个布置在第二弹性支承臂的顶表面上，并使该另一个第三压敏电阻器的端头位于块状部分的顶表面边缘处，以及
这两个第三压敏电阻器检测沿第二弹性支承臂延伸方向的加速度。
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