CN101317263A - 传感器装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有小的传感器波动特性和优良抗电噪声特性的传感器装置。该传感器装置具有传感器单元，该传感器单元包括具有开口的框架、保持在开口中相对于框架可移动的可移动部和用于输出基于可移动部的位置移动的电信号的检测部。该传感器装置还具有封装基板，该基板由半导体材料形成并结合于该传感器单元的表面上。该封装基板在面对传感器单元的表面上具有电绝缘膜，并且该电绝缘膜的活化表面在室温下直接结合于传感器单元的活化表面上。因此，该封装基板结合于传感器单元上。

Description

传感器装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及传感器例如加速度传感器和陀螺传感器及其制造方法。
背景技术
近年来，通过使用微加工技术来制造小型传感器装置诸如加速度传感器和陀螺传感器的方法已经引起极大的关注。
例如，日本专利早期公开No.2005-292117公开了一种陀螺传感器，其包括通过使用硅基板形成的传感器单元和通过使用玻璃基板分别形成的第一和第二封装基板(package substrate)。在该传感器单元中，感测部的一部分在配置于框架部件内部的可移动部上形成。第一封装基板具有电连接至感测部的通孔布线。第一封装基板在框架部的整个外周上与传感器单元的表面结合。第二封装基板在框架部件的整个外周上与传感器单元的其他表面结合。
然而，在该陀螺传感器中，由于传感器单元通过阳极接合而结合于封装基板，所以存在以下问题：由于硅和玻璃之间的线性膨胀系数的差异所导致的热应力的影响，增加了传感器特性的变化。另外，即使当通过使用相同的硅基板作为传感器单元形成封装基板时，但由于由高温结合过程如回流焊接而在结合部处所形成残余应力，也可出现传感器特性的变化。
另外，在其中使用传感器单元的一部分作为电极例如可移动电极和静止电极的传感器装置例如上述陀螺传感器中，使用电阻率比适合于形成集成电路的硅基板相对更小的硅基板作为传感器单元的硅基板。由此可降低电极的阻抗分量以实现高性能。然而，由于封装基板和传感器单元容易作为外生噪声传播通道，因此噪声分量会与感测部的输出信号重叠。在这种情况下，产生抗电噪声性下降的问题。
发明内容
因此，考虑到上述问题，本发明首先涉及提供具有小的传感器特性变化(variation)和改善的抗电噪声性的传感器装置。
即，本发明的传感器装置包括：传感器单元和封装基板，所述传感器单元包括由半导体材料制成并具有开口的框架、保持在所述开口内的相对于框架可移动的可移动部和配置为根据可移动部的位置移动输出电信号的检测部，所述封装基板由半导体材料制成并与传感器单元的表面结合；
其中与封装基板结合的框架的区域具有框架的活化表面和在所述框架上形成的电绝缘膜的活化表面中的一个；
与框架结合的封装基板的区域具有封装基板的活化表面和在所述封装基板上形成的电绝缘膜的活化表面中的一个；和
在传感器单元和封装基板之间的结合是在至少一个电绝缘膜存在下各活化表面之间的无扩散的固相直接结合。
根据本发明，由于传感器单元和封装基板均是使用半导体基板形成的，因此可降低由于其间线性膨胀系数的差异而导致的热应力的影响和减小传感器特性的变化。此外，由于传感器单元通过电绝缘膜结合于封装基板，因此可防止抗电噪声性的下降。而且，由于传感器单元通过无扩散的固相直接结合来与封装基板结合，因此可避免在使用热处理例如回流焊接的结合方法的情况下，由于在结合部的残余应力而出现传感器特性的变化的问题。
为了获得具有优良的结合强度的固相直接结合，优选活化表面是等离子体处理的表面、离子束辐照的表面和原子束辐照的表面的任意一种。
此外，传感器单元和封装基板之间的结合是如下的任意一种：在框架上形成的氧化硅电绝缘膜的活化表面与在封装基板上形成的氧化硅电绝缘膜的活化表面之间的固相直接结合、在形成框架的硅的活化表面与在所述封装基板上形成的氧化硅电绝缘膜的活化表面之间的固相直接结合、和在框架上形成的氧化硅电绝缘膜的活化表面与形成封装基板的硅的活化表面之间的固相直接结合。
此外，为改善气密性和结合可靠性，优选在框架上形成的电绝缘膜和在封装基板上形成的电绝缘膜中的至少其一由环状的外绝缘膜和环状的内绝缘膜构成，所述环状的外绝缘膜形成为包围可移动部，所述环状的内绝缘膜形成为包围在外绝缘膜内侧的可移动部。此外，为了进一步改善通过形成外和内绝缘膜而提供的传感器单元的气密性，特别优选在框架上形成的电绝缘膜和在封装基板上形成的电绝缘膜的均由外绝缘膜、内绝缘膜和配置为在外绝缘膜和内绝缘膜之间进行连接的辅助绝缘膜构成，辅助绝缘膜在内绝缘膜的外周方向上彼此间隔预定距离的多个位置处形成，外绝缘膜之间的结合、内绝缘膜之间的结合以及辅助绝缘膜之间的结合均是通过固相直接结合来提供的。
在上述传感器装置中，优选在传感器单元的框架上安装可以与检测部联合操作的集成电路。在这种情况下，与使用用于形成电路部分的另一半导体基板相比，由于在包括传感器单元的可移动部的感测部与集成电路之间的布线距离变短，因此难以受到噪声的影响。此外，有效地实现了传感器装置的安装区域和厚度的减小。
根据本发明的一个优选实施方案的传感器单元是一种陀螺传感器单元。在该陀螺传感器单元中，可移动部包括通过振动装置振动的第一块体(mass body)和连接于第一块体的第二块体，检测部配置为将在第一块体振动过程中施加转动力时所导致的第二块体的位置移动转换为电信号。
此外，优选传感器单元在其相反表面中的一个处与封装基板结合，而在另一个表面处与第二封装基板结合，传感器单元和第二封装基板之间的结合是在传感器单元上形成的表面活化区域与在第二封装基板上形成的表面活化区域之间的无扩散的固相直接结合。而且，当框架包括形成为包围可移动部的环状第一金属层和在比第一金属层更靠近可移动部的侧上形成且与检测部电连接的第二金属层，并且第二封装基板包括通孔布线、在面对第一金属层的位置处形成的环状结合金属层和在面对第二金属层的位置处形成且电连接通孔布线的布线金属层时，特别优选传感器单元和第二封装基板之间的结合是通过在第一金属层和结合金属层的活化表面之间的无扩散的固相直接结合以及在第二金属层和布线金属层的活化表面之间的无扩散的固相直接结合来提供。
本发明还涉及提供制造上述传感器装置的方法。即，该制造方法包括以下步骤：提供传感器单元，该传感器单元包括由半导体材料制成并具有开口的框架、保持在所述开口内的相对于框架可移动的可移动部和配置为根据可移动部的位置移动而输出电信号的检测部；提供由半导体材料制成的封装基板；在减压气氛下实施表面活化处理以形成框架的活化表面和在该框架上形成的电绝缘膜的活化表面中的一个，和封装基板的活化表面和在该封装基板上形成的电绝缘膜的活化表面中的一个；并且在表面活化处理之后，在至少一个电绝缘膜存在下，在室温下形成活化表面之间的直接结合。
当需要将传感器装置内部保持在期望的气氛中时，优选在相同的腔室中实施表面活化处理和形成直接结合的步骤，并且在形成直接结合的步骤之前和在该表面活化处理之后，实施气氛调节步骤以将腔室内部调节至期望的气氛。例如，当传感器单元是加速度传感器时，优选气氛调节步骤包括将惰性气体引入腔室的内部。另一方面，当传感器装置是陀螺传感器时，优选该气氛调节步骤包括调节腔室内的真空度，使得在和表面活化处理不同的减压气氛(更高的真空气氛)下实施形成直接结合的步骤。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方案的陀螺传感器装置的截面示意图；
图2是该陀螺传感器装置的侧面示意图；
图3是该陀螺传感器装置的传感器单元的平面示意图；
图4是该陀螺传感器装置的传感器单元的相关部分的放大图；
图5是该陀螺传感器装置的第二封装基板的平面示意图；
图6是该陀螺传感器装置的第二封装基板的底部示意图；
图7A是显示在传感器单元的框架部的底表面上形成的绝缘膜的平面图，图7B是显示在第一封装基板的上表面上形成的绝缘膜的平面图；
图8是根据本发明第二实施方案的陀螺传感器装置的截面示意图；和
图9是陀螺传感器装置的传感器单元的平面示意图。
具体实施方式
因此，下面参考附图根据优选实施方案对本发明的传感器装置及其制造方法进行详细说明。
(第一实施方案)
本实施方案的传感器装置是陀螺传感器装置，其包括利用半导体材料形成的传感器单元1、利用半导体材料形成并密封性地结合传感器单元1的底表面的第一封装基板3和利用半导体材料形成并且密封性地结合传感器单元1的上表面的第二封装基板2。传感器单元1、第一封装基板3和第二封装基板2均具有矩形的外周形状。此外，每个封装基板(2、3)具有与传感器单元1相同的外部尺度。在本实施方案中，使用电阻率为0.2Ω·cm的硅基板作为用于传感器单元1的半导体材料，使用电阻率为20Ω·cm的硅基板作为用于封装基板(2、3)的半导体材料。这些电阻率值仅仅是示例性的，因此本发明不限于此。
在传感器单元1中，第一块体11和第二块体12在平面视图中均具有矩形外周形状，并在沿传感器单元1的上表面横向平行布置，此外，传感器单元1具有围绕第一和第二块体(11、12)延伸的框架部10(例如，在本实施方案中的矩形框架部)。在本实施方案中，限定正交坐标系统，如在图1～6的每一图的右下部分所示。即，布置第一和第二块体(11、12)的方向对应于“y”轴方向，正交于“y”轴方向的水平方向对应于“x”轴方向。此外，正交于“x”轴方向和“y”轴方向的方向(即，传感器单元1的厚度方向)对应于“z”轴方向。
在传感器单元1中，第一块体11和第二块体12通过在“x”轴线方向上延伸的一对驱动弹簧13彼此整体地连接。即，传感器单元1在“x”轴方向上具有长度比第二块体12的整个长度稍短的狭缝凹槽14a以及在第一块体11的横向侧且沿着“x”轴方向直线布置的两个狭缝凹槽14b。每个狭缝凹槽14b在其一端具有开口。在狭缝凹槽14a与各狭缝凹槽14b之间形成各个驱动弹簧13。每一个驱动弹簧13的一个端部在狭缝凹槽14a的端部和第二块体12的侧棱之间连续地延伸，并且每一个驱动弹簧13的另一个端部通过狭缝凹槽14b之间的区域连续地延伸至第一块体11。驱动弹簧13是具有扭转形变能力的抗扭弹簧，并且能够使第一块体11相对于第二块体12围绕驱动弹簧13进行位置移动。即，驱动弹簧13能够使第一块体11在“z”轴方向相对于第二块体12进行平移，并且能够使第一块体11围绕“x”轴相对于第二块体12转动。此外，由于传感器单元1使用抗扭弹簧作为驱动弹簧13，因此没有必要在传感器单元1的厚度方向减小驱动弹簧13的尺寸。因此，可容易地制造驱动弹簧13。
数字15表示在“y”轴方向延伸的检测弹簧15，检测弹簧15的一端延续地连接传感器单元1的第二块体12的“x”轴方向上的端部。一个检测弹簧15的相对端部通过在“x”轴方向延伸的联接构件16延续地连接另一检测弹簧15的端部。即，通过检测弹簧对15和联接构件16在平面图中形成基本上为“C”形的构件。在这点上，联接构件16设计为具有比驱动弹簧13和检测弹簧15高得多的刚度。数字17表示在联接构件16的纵向方向上从中间部分上突出的固定部。该固定部17固定在第一封装基板3的预定位置。第一和第二块体(11、12)通过基本为“C”形状的狭缝凹槽14c而与检测弹簧15和联接构件16分隔。狭缝凹槽14b的一端与狭缝凹槽14c连通。检测弹簧15均在“x”轴方向具有弯曲变形能力。因此，检测弹簧15使得第一和第二块体(11、12)能够相对于固定部17在“x”轴方向上进行位置移动。
另外，传感器单元1在厚度方向上具有穿透第二块体12的四个孔18和在每个孔18中配置的静止部件20。静止部件20具有在第二块体12的“x”轴方向的每个末端附近配置的电极部21和在“x”轴方向上从电极部21延伸的梳骨架部(comb bone portion)22。电极部21和梳骨架部22配置为基本“L”形状。电极部21和梳骨架部22与第一封装基板3结合。即，静止部件20固定在预定位置。孔18的内表面沿静止部件20的外周表面延伸通过间隙。一对电极部21布置在第二块体12的“x”轴方向上的两个末端。如图4所示，在梳骨架部22的宽度方向上在两侧形成沿“x”轴方向布置的多个静止梳齿23。另一方面，在面对第二块体12的梳骨架部22的侧面处，在孔18中形成多个可移动梳齿24并沿“x”轴方向布置，使得每个可移动梳齿24与每个静止梳齿23成面对面的关系，如图4所示。每个可移动梳齿24远离对应的静止梳齿23一定距离。当第二块体12在“x”轴方向上移动时，静止梳齿23和可移动梳齿24之间的距离发生变化，使得由距离变化所引起的电容变化被检测。即，用于检测第二块体12的位置移动的检测工具包括静止梳齿23和可移动梳齿24。
通过将框架部10、固定部17和静止部件20结合第一封装基板3，使传感器单元1连接于第一封装基板3。换言之，使用第一封装基板3作为用于支撑传感器单元1的支撑基板。另一方面，由于第一和第二块体(11、12)形成为在“z”轴方向上是可移置的，面对第一和第二块体(11、12)的第一封装基板3的底表面向后退远离第一封装基板3，如图1所示。即，确定每个第一和第二块体(11、12)在传感器单元1的厚度方向上的厚度小于框架部10的厚度。因此，确保在第一封装基板3与每个第一和第二块体(11、12)之间的间隙。在本实施方案中，设定第一块体11和第一封装基板3之间的间隙长度为10μm。这个值仅仅是示例性的，并且因此本发明不限于于此。
在传感器单元1的框架部10的上表面上，在框架部10的整个外周上形成第一金属层26。此外，传感器单元1具有一对接地部(ground portion)19，其形成在固定部17附近的框架部10上，使得固定部17位于接地部之间。数字27表示电连接于随后描述并且在接地部19的附近形成的电极25(图6)的电极部。接地部19和电极部27与第一封装基板3结合。在传感器单元1的上表面侧，在固定部17、电极部21、一个接地部19和电极部27上形成第二金属层28。在这点上，在第一封装基板3的上表面侧，彼此分离地布置固定部17、四个电极部21、一个接地部19和一个电极部27。在其中第二封装基板2没有结合框架部10的状态下，它们彼此电绝缘。第一和第二金属层(26、28)各自通过Ti膜和Au膜的层压膜形成。简言之，由于第一和第二金属层(26、28)由相同金属材料制成，因此可同时获得相同厚度的这些金属层。在每个第一和第二金属层(26、28)中，Ti膜优选具有15～50nm的厚度，Au膜优选具有500nm的厚度。这些厚度值仅仅是示例性的，因此本发明不限于此。作为用于形成Au膜的材料，可使用包含杂质的Au材料代替纯金。
结合传感器单元1的底表面的第一封装基板3在其厚度方向上的两个相对表面上具有隔热膜(41、42)例如氧化硅膜。
结合传感器单元1的上表面的第二封装基板2具有凹部29，该凹部29配置为给第一和第二块体(11、12)在面对传感器单元1的侧面处的位置移动提供空间，即在图1中所示的第二封装基板2的底表面中。此外，第二封装基板2具有多个在厚度方向穿透的通孔32。在第二封装基板2的厚度方向上的在两个相对表面上和在通孔32的内表面上形成隔热膜33(氧化硅膜)。因此，隔热膜33位于通孔布线34与通孔32的内表面之间。在本实施方案中，使用铜作为用于通孔配线34的材料。或者，可使用镍替代铜。
第二封装基板2具有上述电极25，该电极25通过隔热膜33在凹部29的底面上的面对第一块体11的区域上形成(图1和6)。电极25通过Ti膜和Au膜的层压膜来形成。在本实施方案中，设置第一块体11和电极25之间的间隙长度为10μm。这个值仅仅是示例性的，因此本发明不限于此。
此外，第二封装基板2在面对传感器单元1的表面上具有在其整个外周上形成的(矩形)框架状结合金属层36以及电连接通孔布线34的多个布线金属层38。在这点上，结合金属层36结合于传感器单元1的第一金属层26，并且布线金属层38电连接传感器单元1的第二金属层28。在本实施方案中，从电极25延伸至凹部29的外周部分的布线部25a(图6)连续地形成，同时布线金属层38结合传感器单元1的电极部27上的第二金属层28。每个结合金属层36和布线金属层38都是通过在绝缘膜33上的Ti膜和在Ti膜上的Au膜的层压膜来形成的。简言之，由于结合金属层36和布线金属层38用相同的金属材料制成，因此可同时获得相同厚度的这些金属层。在每个结合金属层36和布线金属层38中，Ti膜优选具有15～50nm的厚度，Au膜优选具有500nm的厚度。这些厚度值仅仅是示例性的，因此本发明不限于它们。可使用包含杂质的Au材料来代替纯金作为用于形成Au膜的材料。此外，在本实施方案中，形成Ti膜作为中间层用于改善粘附。或者，可使用Cr、Nb、Zr、TiN、TaN等作为中间层的材料。
第二封装基板2具有多个用于外部连接的电极35，其形成在面对传感器单元1的表面的相对的表面上，并且电连接通孔布线34。每个电极35具有矩形的外周形状。此外，每个电极35通过Ti膜和Au膜的层压膜来形成。
此外，在本实施方案的陀螺传感器装置中，通过在室温下，在传感器单元1的框架部10的活化底表面与在第一封装基板3上形成的氧化硅膜的绝缘膜41的活化表面之间形成直接结合，来使传感器单元1和第一封装基板3彼此连接。即，在真空中通过氩的等离子体、原子束或离子束的辐照来清洁和活化框架部10的底表面和绝缘膜41的表面之后，在室温下通过施加适当的负载使得由此获得的活化表面在真空中彼此直接结合。结果，在框架部10的底表面与绝缘膜41之间可获得Si和SiO2之间的无扩散的固相直接结合。通过在室温下实施结合步骤，在结合部位几乎不出现残余应力。因此，可避免由残余应力导致的问题例如传感器特性的变化。此外，通过绝缘层的结合可防止抗电噪声性的下降。必要时，可在框架部10的底表面上形成绝缘膜如氧化硅膜。在这种情况下，通过SiO2和SiO2之间的固相直接结合，第一封装基板3结合传感器单元1的框架部10。或者，绝缘膜41不在第一封装基板3的上表面上形成，而是可在传感器单元1的框架部10上形成该绝缘膜，从而获得Si和SiO2之间的固相直接结合。
另一方面，通过在室温下，在第一金属层26和结合金属层36的活化表面之间形成直接结合，和在第二金属层28和布线金属层38的活化表面之间形成直接结合，使得传感器单元1和第二封装基板2彼此连接。因此，传感器单元1的每个第二金属层28通过布线金属层38和通孔布线34电连接用于外部连接的电极35。如在传感器单元1和第一封装基板3之间结合的情况下，通过在真空中氩的等离子体、原子束或离子束辐照来清洁和活化这些金属层的表面。随后，通过在室温下施加适当的负载，使得这些金属层的由此获得的活化表面在真空中直接彼此结合。结果，在第一金属层26与结合金属层36之间以及在第二金属层28与布线金属层38之间可同时获得Au与Au之间的固相直接结合。Cu或Al可用于替代Au，作为用于形成上述金属层的材料。
在本实施方案中，由于传感器单元1和第一封装基板3通过Si和SiO2之间的固相直接结合以气密密封的方式彼此结合，并且传感器单元1和第二封装基板2通过第一金属层26和结合金属层36之间的固相直接结合从而以气密密封的方式彼此结合，所以可通过在高度真空的减压气氛下实施结合步骤，使其中容纳陀螺传感器单元的传感器装置的内部保持在高真空气氛中。此外，当形成加速度传感器单元而不是陀螺传感器单元时，可将传感器装置内部保持在惰性气体气氛中。在调节传感器装置的内部气氛的情况下，传感器单元1、第一封装基板3和第二封装基板2置于腔室中，并且表面活化处理在减压气氛下实施。然后，将腔室调节至期望的气氛以实施室温结合步骤。当传感器单元是加速度传感器单元时，优选通过在大气压下将惰性气体如氩引入腔室中来实施气氛调节步骤。此外，当传感器单元是陀螺传感器单元时，理想的是将该室保持在比在表面活化处理时的真空度更高的真空气氛中。为防止传感器单元1、第一封装基板3和第二封装基板2的活化表面暴露于外界空气而受污染，优选表面活化处理之后不将它们从腔室中取出，而是继续地实施气氛调节步骤和室温结合步骤。
从进一步改善传感器装置内部气密性的可靠性的角度来看，优选在传感器单元1和第一封装基板3之间形成如下所述的结合部。即如图7A所示，优选在传感器单元1上形成绝缘膜，其由在框架部10的整个外周上的框架部10的底表面上形成的环状外绝缘膜50a以及在外绝缘膜50a的内侧形成的环状内绝缘膜50b构成，以包围用于布置可移动部Dc(第一块体11和第二块体12)和感测部Ds(静止梳齿23和可移动梳齿24)的区域。外绝缘膜50a远离内绝缘膜50b预定距离。另一方面，如图7B所示，第一封装基板3优选具有绝缘膜，其由在面对外绝缘膜50a的位置处形成的环状外绝缘膜41a和在外绝缘膜41a的内侧形成的内绝缘膜41b构成。因此，当传感器单元1和第一封装基板3之间形成双结合区时，可进一步改善传感器单元的气密封的可靠性。
在图7A中，数字52表示辅助绝缘层，该辅助绝缘层形成为使得外绝缘膜50a与内绝缘膜50b结合。在框架部10的外周方向上在彼此远离预定距离的多个位置上形成辅助绝缘层52。此外，如图7B所示，在第一封装基板3上的对应于传感器单元1的辅助绝缘层52的位置处形成辅助绝缘层60。在第一封装基板3和传感器单元1的框架部10之间结合时，通过固相直接结合使得这些辅助绝缘层(52、60)的活化表面彼此结合。
通过形成辅助绝缘层(52、60)预期具有下列优点。即，当由于在外绝缘膜50a上的外来物质导致外绝缘膜(50a、41a)之间的结合部的气密性降低时，和由于在内绝缘膜50b上的其他外来物质导致内绝缘膜(50b、41b)之间的结合部的气密性降低时，可能难以保持传感器装置的气密性。然而，当辅助绝缘层(52、60)彼此结合时，在外绝缘膜50a和内绝缘膜50b之间限定了多个气密空间。因此，当外来物质存在于远离另一种外来物质的位置处时，可通过辅助绝缘层(52、60)之间的结合，将导致外绝缘膜(50a、41a)之间的结合部的气密性降低的区域与导致内绝缘膜(50b、41b)之间的结合部的气密性降低的区域进行空间分隔。简言之，通过辅助绝缘层(52、60)之间的结合，可进一步改善传感器单元1的框架部10和第一封装基板3之间的结合所获得的气密性的可靠性。
接着，说明本实施方案的陀螺传感器的操作。
本实施方案的陀螺传感器检测在对第一块体11给予预定的振动的条件下，当通过外力为陀螺传感器施加角速度时第二块体12的位置移动。在这点上，在电极25和第一块体11之间施加具有正弦波形或矩形波形的振动电压以振动第一块体11。例如，使用交流(AC)电压作为振动电压，但极性变换不是必需的。第一块体11通过驱动弹簧13、第二块体12、检测弹簧15和联接构件16电连接于固定部17。第二金属层28形成在该固定部17上。此外，电极25电连接于电极部27上的第二金属层28。因此，当在电极部27和固定部17上的第二金属层28之间施加振动电压时，由于第一块体11和电极25之间的静电力，第一块体11可在“z”轴方向上振动。当振动电压的频率等于根据第一和第二块体(11、12)的重量和驱动弹簧13及检测弹簧15的弹簧常数所确定的共振频率时，可通过相对小的驱动力获得大的振幅。
在第一块体11正在振动的状态下，当围绕“y”轴对陀螺传感器施加角速度时，在“x”轴方向上发生科里奥利力，使得第二块体12(与第一块体11)在“x”轴方向上相对于静止部件20移动。当可移动梳齿24相对于静止梳齿23移动时，可移动梳齿24和静止梳齿23之间的距离发生变化，使得其间的电容发生改变。电容的变化可从连接到四个静止部件20的第二金属层28取得。因此，可以认为上述陀螺传感器具有四个可变电容的电容器。因此，通过测量每个可变电容的电容器的电容或并联的可变电容的电容器的总电容，可检测第二块体12的位置移动。由于之前确定了第一块体11的振动，因此通过检测第二块体12的位置移动可计算科里奥利力。在本实施方案中，在框架部10内部布置的可移动部由第一块体11、驱动弹簧13、第二块体12、检测弹簧15和连结构件16构成，感测部由在第二块体12上形成的静止梳齿23和可移动梳齿24构成。简言之，感测部的一部分形成在布置在框架部10内部的可移动部中。
在这点上，可移动梳构件24的位置移动与(第一块体11的重量)/(第一块体11+第二块体12的重量)成比例。因此，随着第一块体11的重量变得比第二块体12的重量更大，可移动梳齿24的位置移动增加。结果，实现了灵敏度的改善。在本实施方案中，由于这个原因，确定第一块体11的厚度尺寸比第二块体12的厚度尺寸更大。
在本实施方案的上述陀螺传感器装置中，由于传感器单元1、第一封装基板3和第二封装基板2均是通过使用半导体基板来形成的，因此可减小由其间的线性膨胀系数所导致的热应力影响和使传感器特性的变化最小化。此外，由于传感器单元1通过绝缘膜41结合第一封装基板3，因此可防止电噪声阻力的降低。
从实现传感器装置的尺寸和生产成本的降低的观点来看，优选通过使用晶片级封装技术来制造上述陀螺传感器装置。例如，在将传感器晶片结合于具有多个第一封装基板3的封装晶片之后，对每个传感器单元1实施使可移动部与其他部分分离的蚀刻步骤，其中所述传感器晶片具有用于多个传感器单元1的形成位点，在每个形成位点中形成用于传感器单元的一部分构件。随后，具有多个第二封装基板2的封装晶片结合传感器晶片以获得晶片级封装结构，其中集成形成多个传感器单元1。通过切割(切片)该晶片级封装结构为传感器单元的尺寸，可以从其中单个地分离陀螺传感器装置。因此，该晶片级封装技术特别适于制造小型陀螺传感器装置。
(第二实施方案)
参考图8和图9，下面详细说明本实施方案的传感器装置。
除了下列特征外，本实施方案的陀螺传感器的基本构造和第一实施方案基本相同。即，使用所谓的外延生长基板作为用于形成传感器单元1的半导体材料，该外延生长基板通过在硅基板1a上外延生长单晶硅层1b来获得。硅层1b比硅基板1a具有更高的电阻率。此外，集成电路40如使用CMOS的集成电路(CMOS IC)安装成可与感测部联合操作。在本实施方案中，硅基板1a的电阻率是0.2Ω·cm，而硅层1b的电阻率是20Ω·cm。这些电阻值仅仅是示例性的，并且本本发明不限于此。本实施方案的集成电路40包括信号处理电路和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，信号处理电路配置为实施信号处理例如对在第一实施方案中说明的感测部的输出信号进行放大、偏置调整和温度补偿，EEPROM用于存储在信号处理电路中使用的数据。与第一实施方案相同的元件利用相同附图标记表示，并因此省略重复说明。
与第一实施方案的传感器单元的外形尺寸相比，本实施方案的传感器单元1在第一块体11和第二块体12的阵列方向上具有更大的外形尺寸。即，沿传感器单元1的上表面在横向上平行地布置具有第一块体11和第二块体12的传感器区域E1以及具有集成电路40的IC区域E2。框架部10延伸以包围传感器区域E1和IC区域E2。
在框架部10的硅层1b中形成集成电路40。在IC区域E2中，使用多层布线技术来实现减少传感器单元1中的IC区域E2的占据面积。由于此原因，传感器单元1的IC区域E2具有通过绝缘膜45在硅层10b上形成的多层结构部件41。多层结构部件41包括层间绝缘膜、钝化膜等。通过除去钝化膜的适当部分，暴露多个垫42。通过由金属材料如Au制成的输出布线43将每个垫42电连接于第三金属层44。通过绝缘层45在硅层1b上形成第三金属层44。第三金属层44也电连接于第二封装基板2的布线金属层38。此外，第二封装基板2具有金属布线层(未显示)，用于在布线金属层38和在传感器区域E1上形成的第二金属层28之间形成电连接。此外，在绝缘膜45上形成第一金属层26。
从改善陀螺传感器装置的灵敏度的观点来看，理想的是实施杂质掺杂，使得对应于硅层1b的传感器区域E1的区域和硅基板1a的电阻率基本上相等。与第一实施方案相比，本实施方案的第二封装基板2具有孔面积更大的凹部29，其形成在对应于传感器区域E1和IC区域E2的区域上。
在本发明的陀螺传感器装置中，如在第一实施方案的情况下，由于传感器单元1、第一封装基板3和第二封装基板2均是通过使用半导体基板来形成的，因此可减小由其间的线性膨胀系数所导致的热应力的影响和使传感器特性的变化最小化。此外，由于传感器单元1通过绝缘膜41结合于第一封装基板3，可防止抗电噪声性的下降。而且，与在单个封装中各自容纳具有可与感测部联合操作的集成电路的IC芯片的情况相比，根据本实施方案可实现陀螺传感器装置的成本和厚度的进一步降低。此外，由于感测部和集成电路之间的布线长度减小，可进一步改善传感器特性。
在上述实施方案中，利用陀螺传感器举例说明传感器装置。然而，本发明的技术概念对其它的传感器装置如电容型加速度传感器和压电电阻型加速度传感器也适用。在压电电阻型加速度传感器中，可移动部与框架部、布置在框架部内部的重量部和各自在框架部和重量部之间延伸的薄的柔性部一起形成，并且感测部包括在柔性部上形成的压敏电阻元件。
工业适用性
由上述实施方案可知，在传感器单元和封装基板之一上的电绝缘膜与传感器单元和封装基板中的另一个上的电绝缘膜之间的结合，或在封装基板和传感器单元上的电绝缘膜之间的结合是通过在它们的活化表面之间的无扩散的固相直接结合形成的。因此，可避免产生不利影响，例如由在结合界面处的残余应力所导致的传感器特性变化。此外，通过电绝缘膜的结合可防止抗电噪声性的下降。而且，根据传感器的种类，可通过固相直接结合将传感器装置的内部气密地保持在适当的气氛中。具有这些优点的本发明特别适合于根据晶片级封装技术来制造小型传感器装置。

Claims (17)

1.一种传感器装置，包括：
传感器单元，所述传感器单元包括由半导体材料制成并具有开口的框架、保持在所述开口中以便相对于所述框架可移动的可移动部和配置为根据所述可移动部的位置移动输出电信号的检测部；和
封装基板，所述封装基板由半导体材料制成并与所述传感器单元的表面结合；
其中与所述封装基板结合的所述框架的区域具有所述框架的活化表面和在所述框架上形成的电绝缘膜的活化表面中的之一；
与所述框架结合的所述封装基板的区域具有所述封装基板的活化表面和在所述封装基板上形成的电绝缘膜的活化表面中的之一；和
所述传感器单元和所述封装基板之间的结合是在至少一个所述电绝缘膜的存在下在所述活化表面之间的无扩散的固相直接结合。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述活化表面为等离子体处理的表面、离子束辐照的表面和原子束辐照的表面中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述传感器单元和所述封装基板之间的所述结合是在所述框架上形成的氧化硅电绝缘膜的所述活化表面与在所述封装基板上形成的氧化硅绝缘膜的所述活化表面之间的固相直接结合。
4.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述传感器单元和所述封装基板之间的所述结合是形成所述框架的硅的所述活化表面与在所述封装基板上形成的氧化硅电绝缘膜的所述活化表面之间的固相直接结合。
5.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述传感器单元和所述封装基板之间的所述结合是在所述框架上形成的氧化硅电绝缘膜的所述活化表面与形成所述封装基板的硅的所述活化表面之间的固相直接结合。
6.根据权利要求1所述的传感器装置，其中选自在所述框架上形成的所述电绝缘膜和在所述封装基板上形成的所述电绝缘膜中的至少之一由形成为包围所述可移动部的环状外绝缘膜和在所述外绝缘膜的内侧形成为包围所述可移动部的环状内绝缘膜构成。
7.根据权利要求6所述的传感器装置，其中在所述框架上形成的所述电绝缘膜和在所述封装基板上形成的所述电绝缘膜的每一个均由所述外绝缘膜、所述内绝缘膜和配置为在所述外绝缘膜和所述内绝缘膜之间进行连接的辅助绝缘膜构成，所述辅助绝缘膜在所述内绝缘膜的外周方向上在彼此隔离预定距离的多个位置处形成，和
其中所述外绝缘膜之间的结合、所述内绝缘膜之间的结合和所述辅助膜之间的结合由所述固相直接结合来提供。
8.根据权利要求1所述的传感器装置，其中在所述传感器单元的所述框架上安装与所述检测部可联合操作的集成电路。
9.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述传感器单元为陀螺传感器单元，
所述可移动部包括通过振动装置振动的第一块体和连接所述第一块体的第二块体，和
所述检测部配置为将在所述第一块体振动过程中施加转动力时所导致的所述第二块体的位置移动转换为电信号。
10.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述传感器单元的内部是在减压气氛下通过所述固相直接结合气密性密封。
11.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述传感器单元在相反表面之一处与所述封装基板结合，并在另一个表面处与第二封装基板结合，
所述传感器单元和所述第二封装基板之间的所述结合是在所述传感器单元上形成的表面活化区域与在所述第二封装基板上形成的表面活化区域之间的无扩散的固相直接结合。
12.根据权利要求11所述的传感器装置，其中所述框架包括形成为包围所述可移动部的环状第一金属层以及在比所述第一金属层更靠近所述可移动部的侧面处形成并且与所述检测部电连接的第二金属层，
所述第二封装基板包括通孔布线、在面对所述第一金属层的位置处形成的环状结合金属层和在面对所述第二金属层的位置处形成并与所述通孔布线连接的布线金属层，和
所述传感器单元和所述第二封装基板之间的结合由所述第一金属层的活化表面和所述结合金属层的活化表面之间的无扩散的固相直接结合、和所述第二金属层的活化表面和所述布线金属层的活化表面之间的无扩散的固相直接结合来提供。
13.一种制造传感器装置的方法，包括：
提供传感器单元，所述传感器单元包括由半导体材料制成并具有开口的框架、保持在所述开口中以便相对于所述框架可移动的可移动部和配置为根据所述可移动部的位置移动输出电信号的检测部；
提供由半导体材料制成的封装基板；
在减压的气氛下实施表面活化处理以形成所述框架的活化表面和在所述框架上形成的电绝缘膜的活化表面中的之一，以及所述封装基板的活化表面和在所述封装基板上形成的电绝缘膜的活化表面中的之一；和
在所述表面活化处理后，在至少一个所述电绝缘膜的存在下，在室温下在所述活化表面之间形成直接结合。
14.根据权利要求13所述的方法，其中通过使用选自惰性气体的等离子体、原子束和离子束中之一来实施所述表面活化处理。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述表面活化处理和所述形成直接结合的步骤在同一个腔室内进行，在所述形成直接结合步骤之前和所述表面活化处理之后，实施调节所述腔室内部至所需气氛的气氛调节步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述气氛调节步骤包括将惰性气体引入所述腔室的内部。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述气氛调节步骤包括调节所述腔室内的真空度，使得在与所述表面活化处理不同的减压的气氛下实施所述形成直接结合的步骤。
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