CN100378889C

CN100378889C - 加速度开关

Info

Publication number: CN100378889C
Application number: CNB2005100712420A
Authority: CN
Inventors: 旭辉·史蒂文·陈; 稔欢·艾伯特·邱; 卡尔·A·罗斯
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: US7009124B2; JP4221390B2; US20050252755A1; CN1697108A; JP2005327711A; EP1596407A1

Abstract

一种加速度开关及其方法，包括提供传导基板(10)和绝缘顶盖(16)。在绝缘顶盖(16)中形成了凹陷区域。绝缘层(12)安置在基板(10)上。传导层(14)安置在绝缘层(12)上。对传导层(14)进行刻蚀以形成悬梁(34)和电气隔离岛(36)。在悬梁(34)周围对绝缘层(12)进行刻蚀以释放悬梁(34)使之移动。触点安置在悬梁(34)上和凹陷区域中，由此在向开关施加加速度时，触点能够相互电气接触。顶盖(16)接合到传导层(14)，用以密封悬梁(34)。

Description

加速度开关

技术领域

本发明通常涉及电气开关，并且特别涉及集成加速度开关。

背景技术

具有接合的传导和绝缘基板的器件由许多不同的材料制造。金属、玻璃和半导体材料的组合常常用于制造这些器件以及它们的封装。这些材料通过如本领域所知的许多不同的工艺熔合成结构。某些器件需要其中置有器件的密封腔室以及针对封装外部的电气连接。典型地需要该类型结构的器件包括全部类型的微型开关或传感器，诸如，用于轮胎压力监视系统(TPMS)的压力传感器。考虑多种微机械开关和传感器，许多该器件所共有的一个特征是，必须容纳在分立的密封封装中的复杂结构，其可能难于制造并且对于生产是昂贵的。除了封装问题以外，还存在操作上的问题。

联邦法规牵涉轮胎压力监视系统(TPMS)。因此，可靠性是一个问题。此外，原始设备制造商(OEM)对于TPMS的操作具有其自己的规范。例如，在车辆的每个轮胎中具有通过射频同车辆通信的轮胎压力传感器，在其中车辆相互紧密相邻的情况中，诸如在停车位中时，这可能引发混乱。而且，轮胎压力监视器典型地是电池供电的。因此，OEM需要仅在特定时刻进行操作的TPMS，以便于不会挤满波段并节约电池电量。

一种解决方案是在轮胎中提供包括RF发射机和RF接收机的传感器。传感器的RF接收机由车辆使用，用以告知TMPS何时打开并进行操作。然而，加入的RF接收机增加了成本，并且传感器必须周期性地向接收机供电以确定车辆是否正在发送信号。因此，需要额外的逻辑和时钟以提供该功能。结果，该解决方案加入了昂贵的电路，并且未提供最优化的电池使用。

因此，需要一种仅在需要时进行操作的轮胎压力监视系统。其还将具有这样的优点，即该系统可以以低的成本通过简单的组件提供，并且具有高的可靠性。

发明内容

根据本发明第一方面，提供一种用于制造加速度开关的方法，包括步骤：提供基板和绝缘顶盖；在绝缘顶盖中形成凹陷区域；在基板上安置电绝缘层；在绝缘层上安置传导层；刻蚀传导层以在其中形成悬梁和电气隔离岛；在悬梁周围刻蚀绝缘层以释放悬梁使之在加速过程中偏转；在悬梁上安置第一触点，并且在绝缘顶盖的凹陷区域中安置第二触点，由此在组装加速度开关时，触点将位于相互邻近的位置，并且在向开关施加加速度时，其能够相互电气接触；以及使顶盖同传导层接合，用以密封悬梁。

根据本发明第二方面，提供一种加速度开关，包括：基板；传导层，其安置在绝缘层上，传导层具有在其中形成的悬梁和电气隔离岛；电绝缘层，其安置在基板和传导层之间，绝缘层具有紧接于悬梁的凹室，用于允许悬梁在加速时偏转；绝缘顶盖，其具有在其底表面上形成的凹陷区域，顶盖固定到传导层以在其间形成密封腔室，用于容纳悬梁并允许悬梁在加速时偏转；和安置在悬梁上的第一触点和安置在绝缘顶盖的凹陷区域中的第二触点，由此该触点相互邻近，并且在向开关施加加速度时，其能够相互电气接触。

附图说明

相信具有新颖性的本发明的特征在权利要求中得到具体地阐述。通过结合附图，参考下面的描述，本发明连同其进一步的目的和优点可以得到最佳地理解，在其中的数幅图中，同样的参考数字表示相同的元件，其中：

图1～5是根据本发明，说明了用于提供加速度开关的不同的工艺步骤的剖面图；

图1是根据本发明的，连同顶盖的基板、绝缘层和传导层组件的剖面图；

图2是根据本发明的，经过电极添加和传导层刻蚀的图1的剖面图；

图3是根据本发明的图2组件的顶视图；

图4是根据本发明的，经过顶盖金属化和绝缘层刻蚀的图1的剖面图，其中定义了横梁和薄膜；

图5是根据本发明的图4的最终组件的顶视图；

图6是利用了本发明的电路的示意图；和

图7是根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

本发明是用于轮胎压力监视系统(TPMS)的加速度传感器及其方法。电容式压力传感器集成在与开关相同的封装中，并且封装工艺用于同时产生开关和传感器。开关用于仅在需要TPMS的操作时(即车辆正在移动时)打开传感器以及相关的电子装置。实际上，开关安装在车辆轮胎上，并且旋转车轮的离心力激活连接到电源的该开关，用以打开传感器电子装置和RF发射机，其向车辆发射轮胎压力信息。该系统以低的成本通过简单的组件提供，并且具有高的可靠性。

在图1～5中，说明了一种方法，以教导用于在集成密封封装中制造加速度开关和电容式压力传感器的制造工艺。由于器件是在与用于该相同器件的封装相同的时刻制造的，因此本发明克服了现有技术的缺点。在图5中示出了由本发明的应用而导致的装置，其同连接到传感器的另外的电子装置(如图6所示)一同使用，在车辆中作为TPMS的一部分。

参考图1，硅基板10提供有顶表面15和底表面11。该硅基板10仅用作支撑物。其他的传导或者绝缘基板也可以同样良好地适用于该功能。在硅基板10的顶表面上安置了电绝缘层12，在该情况中其是氧化物，诸如二氧化硅层。该绝缘层比硅基板10薄很多(例如，1～10微米)，但是此处为了易于观察，其被示为是较厚的。在绝缘层12的顶表面上安置了电传导(例如，多晶硅)层14。优选地，该传导层是重度掺杂的p+或者n+单晶硅，以提供约0.02欧姆-厘米的体电阻。然而，也可以使用多晶材料。该传导层比硅基板10薄很多(例如，1～10微米)，但是此处为了易于观察，其被示为是较厚的。

这些层的安置可以使用任何可利用的用于构建该组件的技术来执行。优选地，使用绝缘体硅(SOI)配置的晶片，如本领域所知的。例如，可以使用经过化学气相淀积工艺，用以安置二氧化硅层，并随后安置多晶硅层的基板来构建SOI晶片。本领域中所知的多种类型的化学气相淀积，包括高压淀积，可用于制造根据本发明的加速度开关和电容式压力传感器。

图1还示出了绝缘顶盖16。该顶盖16基本上是平面玻璃基板并且具有顶表面19和相反的底表面17。多个通孔21、23、25、27在顶盖16的顶表面19和底表面17之间延伸。优选地，该通孔是激光钻孔的。然而，还可以使用本领域中所知的多种用于在玻璃中制造过孔的技术。在此描述和随后的讨论中，基板10、绝缘层12、传导层14和顶盖等部件具有各自的第一部分18和第二部分20。第一部分18形成电容式压力传感器，而第二部分20形成加速度开关。

参考图2和3，金属30、32安置在传导层14的顶表面15上。一个金属触点30用于加速度开关，而金属电极32用于电容式压力传感器。该金属可以使用许多已知的方法进行安置。在优选实施例中，使用了溅射工艺。优选地，该金属是具有扩散阻挡金属(例如，铬、钛/铂、铬/镍钒、等)的金，如本领域中所知。尽管可以使用铝，但是理想的是，使用金来阻碍腐蚀，用于改善可靠性。使用许多不同的用于掩蔽/光刻以及淀积的技术，可以淀积该金属并进行构图，如本领域中所知。针对开关触点30的电气连接穿过传导层14。任选地，另外的金属22可用于改变该连接的电阻。

在构建第一部分18中的薄膜38(其在晚些时候通过图5的背面刻蚀46完成)和电气隔离岛40以及第二部分20中的悬梁34和电气隔离岛36时，如所示，对传导层进行构图和(各向同性地)刻蚀。悬梁被设置为具有约10微米或者更少的宽度，并且优选地具有约5微米的厚度。当然，可以对实际尺寸进行修改以提供悬梁在特定加速度下的所需偏转。然而，应该限制该横梁的宽度，用于提供绝缘层刻蚀的足够的能力，以完整地从下部切割该横梁。可替换地，在横梁自身中可以提供孔(未示出)，用于更好地协助绝缘层刻蚀，以完整地从下部切割该横梁。在该实施例中使用的构图工艺是光刻工艺，包括施加光刻胶、曝光和显影光刻胶、湿法或者干法刻蚀上面施加有光刻胶的表面，并且随后除去光刻胶。该工艺对于本领域的普通技术人员而言是公知的。

如所示出的，在底表面17上对绝缘顶盖16进行构图和刻蚀，用于在第一部分18中形成凹室13，并且在第二部分20中形成凹室13。在该实施例中使用的构图工艺是光刻工艺，包括施加光刻胶、曝光和显影光刻胶、湿法刻蚀上面施加有光刻胶的表面，并且随后除去光刻胶。该工艺对于本领域的普通技术人员而言是公知的，并且典型地使用氢氟酸或者缓冲氢氟酸湿法刻蚀工艺。尽管示出了两个凹室，但是应当认识到，如果两个隔离岛部分36、40移动至封装的左和右边缘附近，则还可以仅使用一个凹室。这样，隔离岛移动脱离凹室，用以允许电气连接穿过顶盖通孔。

参考图4，对绝缘层12进行(各向同性地)刻蚀，以在悬梁34下面形成下部切割凹槽48，并且释放横梁使之随加速度偏转。该刻蚀工艺使用氢氟酸或者缓冲氢氟酸湿法刻蚀工艺。应当注意到，在绝缘层12的工艺过程中，隔离沟50绕岛36、40延伸。这是选择有效的工艺的结果，并且其实际上不是必需的，这是因为传导层14中的隔离沟50(如图2中所示)足够用于使岛36、40隔离。此外，保护这些区域将需要另外的光刻步骤。然而，隔离沟50连同下面的隔离沟50延伸穿过绝缘层12不会不利地影响本发明的操作。

在第一部分18中对基板10进行构图并进行各向异性刻蚀，用以为压力传感器开通孔隙46。所使用的构图工艺是光刻工艺，包括施加光刻胶、曝光和显影光刻胶、湿法或者干法刻蚀上面施加有光刻胶的表面，并且随后除去光刻胶。该工艺对于本领域的普通技术人员而言是公知的。优选地，在孔隙中对绝缘层12进行进一步的刻蚀，用于为压力传感器薄膜提供更大的柔量。

对玻璃顶盖16进行进一步地处理，在顶盖16的顶表面19和底表面17上面安置金属层，并且涂覆通孔21、23、25、27。对于所构建的加速度开关和电容式压力传感器，使用连续的铬、镍钒和金层进行金属镀覆。当然，还可以使用其他的金属。

然后对玻璃顶盖16进行构图和刻蚀以除去顶表面19和相反的底表面17上的多余的金属层。在该阶段中，提供了穿过通孔的电气连接。优选地，该电气连接延伸越过通孔的每个顶部和底部开口，以形成台肩，用于更好地协助组装之后的电气连接。此外，提供了顶部电极44，其在用于压力传感器的第一部分的凹室13中延伸，以配合淀积在传导层上的底部电极32。相似地，提供了顶部触点42，其在第二部分20中的用于加速度开关的第二部分的凹室13中延伸，以配合淀积在传导层上的底部触点30。如所示出的，触点和电极42、44未直接连接到它们相关的通孔23、27，尽管它们可以以这样的方式进行设置。作为替换，它们之间的电气连接是在其组装之后通过各自的电传导层36、40完成的。进行这样的操作的目的在于，使用传导层14的掺杂，提供某种针对这些连接的电阻的控制。

图5示出了接合到剩余组件10、12、14的玻璃顶盖16。该玻璃顶盖的底表面17可以阳极接合或者静电接合到传导层14的顶表面15。优选地，在正偏压施加到传导层且负偏压施加到玻璃层的情况中，使用阳极接合。阳极接合在本领域中是已知的，并且不需要进行解释，但应注意到，阳极接合致使通孔21、23、25、27的下面的台肩扩散到传导层14中，形成了金-硅低温共熔接合物。该阳极接合可以在惰性气氛中或者在真空中执行。层的熔合致使凹室13、13形成了用于加速度开关和用于压力传感器的一面的密封腔室。压力传感器的薄膜的另一面暴露在压力检测环境中。

为了帮助提供外部的、可表面安装的电气连接，焊料珠48熔化到每个通孔21、23、25、27中，以完成具有集成压力传感器的加速度开关。不存在依赖焊料提供通孔中的密封的需要。因此，如果在通孔中或者在玻璃顶盖中的焊料中出现了某些微裂纹，则它们对于凹室的密封是无关紧要的。

参考图5和6，如所组装的，加速度开关的悬梁34在足够的加速度下，能够向上偏转，下触点30接触上触点42，由此完成了通孔21和23之间的连接。压力传感器的上和下电极44、32形成了电容极板，其中在孔隙46处施加的压力用于使薄膜38偏转以改变它们之间的电容。

开关连接到电池60，用于为TPMS部分供电，该TPMS例如，安装在车辆的轮胎中。电池60为压力传感器电路62和RF发射机64供电。该压力传感器通过通孔25和27同传感器电路62连接。传感器电路62检测压力传感器的电容，并且向RF发射机提供表示轮胎压力的信号。RF发射机将该信息传送到车辆TPMS电路，以备由驾驶员使用。

在优选实施例中，开关和传感器100、电池60、传感器电路64、RF发射机64共同安置在每个轮胎中的模块65中。例如，这些电路可以在轮胎的充气阀门中组合，该阀门的金属阀杆用作天线68。由模块67发送的信号67进行编码，以包含发信号的轮胎的标识符和该轮胎压力的指征。实际上，开关被设置为仅在车辆超过特定的速度(例如，30英里/小时)时向模块65供电。

参考图7，本发明还并入了用于制造具有集成压力传感器的加速度开关的方法。第一步骤70包括提供传导基板和绝缘顶盖。下一步骤71包括在绝缘顶盖中形成至少一个凹陷区域。下一步骤72包括在传导基板上安置电绝缘层。下一步骤73包括在绝缘层上安置传导层，顶盖、基板、绝缘层和传导层具有相关的第一和第二部分。

下一步骤74包括在传导层的顶表面上安置传导金属，用以在第一部分中形成顶部开关电极并且在第二部分中形成底部传感器电极。下一步骤75包括在顶盖的至少一个凹陷区域中安置传导金属，用以在第二部分中形成顶部开关电极并且在第一部分中形成顶部传感器电极，其中在集成加速度开关同压力传感器组装时，开关和传感器的各自的顶部和底部电极位于相互邻近的位置。

下一步骤76包括对传导基板进行各向异性刻蚀，用以暴露第一部分中的绝缘层的底表面。下一步骤77包括对传导层进行各向同性刻蚀，用以在第一部分中形成压力薄膜和电气隔离岛，并且在第二部分中形成悬梁和电气隔离岛。下一步骤78包括对第二部分中的悬梁周围的绝缘层进行刻蚀，用以释放悬梁使之在加速过程中偏转，并且在第一部分中刻穿79绝缘层，用以暴露传导层的压力薄膜的底表面。

下一步骤80包括在基本真空中使顶盖阳极接合到传导层，用以密封具有压力传感器的集成加速度开关，其中顶部和底部开关电极定义了加速度开关，而顶部和底部传感器电极定义了电容式压力传感器。

优选实施例进一步包括步骤81，即通过相关的密封通孔提供针对每个电极的电气连接。特别地，该步骤包括子步骤：开通通孔孔隙，使之穿过电绝缘顶盖到达传导层，由此在固定步骤之后，一个孔隙同隔离岛邻接；以及，安置通过通孔孔隙的金属镀层，由此在固定步骤之后，该金属镀层接触传导层。这可以进一步包括使用焊料填满通孔。

显然，本领域的普通技术人员应认识到，该工艺的每个步骤的精确顺序并非是严格的，并且还可以使用其他的顺序来形成该结构。

本发明有利地提供了具有集成压力传感器的加速度开关，其是与它们相关的封装同时制造的。所获得的器件提供了针对提供低成本和有效的轮胎压力监视系统的问题的解决方案。包括基板、绝缘层、传导层、玻璃顶盖的组成元件的几何形状，以及如此处说明的多种图案，适用于加速度开关和电容式压力传感器。当然，还可以使用其他的几何形状，以利用所描述的本发明的工艺。尽管该实施例详细描述了加速度开关和电容式压力传感器的构造和封装，但是本发明针对同封装同时制造的并且其中需要绝缘的电气触点的器件，具有其他的应用。

尽管通过参考具体的实施例具体地示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应理解，在不偏离本发明的广泛的范围的前提下，可以进行多种修改，并且可以使用等效物替换其元件。此外，可以实现许多修改方案，用以在不偏离本发明的基本范围的前提下，使具体的情况或者材料适合于本发明的教导内容。因此，本发明并不希望限于此处公开的具体的实施例，而是将包括所有涵盖于权利要求的范围之内的实施例。

Claims

1.一种用于制造加速度开关的方法，包括步骤：

提供基板(10)和绝缘顶盖(16)；

在绝缘顶盖(16)中形成凹陷区域；

在基板(10)上安置电绝缘层(12)；

在绝缘层(12)上安置传导层(14)；

刻蚀传导层(14)以在其中形成悬梁(34)和电气隔离岛(36)；

在悬梁(34)周围刻蚀绝缘层以释放悬梁(34)使之在加速过程中偏转；

在悬梁(34)上安置第一触点，并且在绝缘顶盖(16)的凹陷区域中安置第二触点，由此在组装加速度开关时，触点将位于相互邻近的位置，并且在向开关施加加速度时，其能够相互电气接触；以及

使顶盖(16)同传导层(14)接合，用以密封悬梁(34)。

2.权利要求1的方法，进一步包括步骤，通过相关的通孔提供针对每个触点的电气连接，包括如下子步骤：

开通通孔，使之穿过电绝缘顶盖到达传导层，由此在接合步骤之后，一个通孔同隔离岛邻接；以及

安置通过通孔孔隙的金属镀层，由此在接合步骤之后，该金属镀层接触传导层。

3.权利要求2的方法，进一步包括使用焊料填满通孔的步骤。

4.权利要求1的方法，其中刻蚀步骤包括各向同性刻蚀。

5.权利要求1的方法，其中接合步骤包括在基本真空中使顶盖阳极接合到传导层。

6.一种加速度开关，包括：

基板(10)；

传导层(14)，其安置在绝缘层(12)上，传导层(14)具有在其中形成的悬梁(34)和电气隔离岛(36)；

电绝缘层(12)，其安置在基板(10)和传导层(14)之间，绝缘层(12)具有紧接于悬梁(34)的凹室，用于允许悬梁(34)在加速时偏转；

绝缘顶盖(16)，其具有在其底表面上形成的凹陷区域，顶盖(16)固定到传导层(14)以在其间形成密封腔室，用于容纳悬梁(34)并允许悬梁(34)在加速时偏转；和

安置在悬梁(34)上的第一触点和安置在绝缘顶盖(16)的凹陷区域中的第二触点，由此该触点相互邻近，并且在向开关施加加速度时，其能够相互电气接触。

7.权利要求6的开关，进一步包括通过相关的通孔的针对每个触点的电气连接，其中通孔位于顶盖的顶表面和底表面之间，并且镀覆金属以接触传导层，用于连接到触点。

8.权利要求7的开关，其中顶盖阳极接合到传导层，并且腔室基本真空。