CN103048489A - 压阻式z轴加速度感测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压阻式Z轴加速度感测器，其包括：一基板；多个支撑梁，设置于该基板上；多个悬臂梁，其中该些悬臂梁分别包括一压电材；以及一质量块，其中，该些悬臂梁分别通过该些支撑梁将该质量块悬浮于该基板上，且该感测器利用该压电材侦测该质量块的位移。
Description
技术领域
本发明涉及动态感测装置(motion sensors)，且特别是涉及一种Z轴加速度感测器(Z-axis accelerometer)。
背景技术
加速度感测器(accelerometer)已广泛地应用于如惯性导航系统、汽车安全与飞弹控制等相关应用，而Z轴加速度感测器则可用于控制侧向安全气囊、运载工具控制与多轴感测系统。通常，Z轴加速度感测器可采用块状微机械加工技术而制成。
依据操作原理的不同，目前已发展出了如压阻式(piezoresistive type)、压电式(piezoelectric type)、电容式(capacitive type)、热感应式(thermal type)与穿隧电流式(tunneling current type)等多种不同类型的Z轴加速度感测器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压阻式Z轴加速度感测器，可提升其的可靠度。
为达上述目的，依据一实施例，本发明提供了一种压阻式Z轴加速度感测器，包括：
一基板；多个支撑梁，设置于该基板上；多个悬臂梁，其中该些悬臂梁分别包括一压电材；以及一质量块，其中，该些悬臂梁分别通过该些支撑梁将该质量块悬浮于该基板上，且该感测器利用该压电材侦测该质量块的位移。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下：
附图说明
图1为一示意图，显示了依据本发明的一实施例的一种压阻式Z轴加速度感测器的上视情形；
图2为一示意图，显示了沿图1内线段2-2的剖面情形；
图3为一示意图，显示了沿图1内线段3-3的立体情形；
图4为一示意图，显示了图3内压阻式Z轴加速度感测器于感受到外界加速度时的立体情形；
图5为一示意图，显示了依据本发明的另一实施例的一种压阻式Z轴加速度感测器的上视情形；
图6为一示意图，显示了沿图5内线段6-6的立体情形；
图7为一示意图，显示了图6内压阻式Z轴加速度感测器于感受到外界加速度时的立体情形；
图8为一示意图，显示了依据本发明的又一实施例的一种压阻式Z轴加速度感测器的上视情形；
图9为一示意图，显示了沿图8内线段9-9的立体情形；
图10为一示意图，显示了图9内压阻式Z轴加速度感测器于感受到外界加速度时的立体情形；
图11为一示意图，显示了依据本发明的另一实施例的一种压阻式Z轴加速度感测器的上视情形；
图12为一示意图，显示了沿图11内线段12-12的立体情形；
图13为一示意图，显示了依据本发明的另一实施例的一种压阻式Z轴加速度感测器的上视情形；以及
图14为一示意图，显示了沿图13内线段14-14的立体情形。
主要元件符号说明
100～基板；
102～支撑框；
104～质量块；
106、106a、106b、106c、106d～悬臂梁；
108、108a、108b、108c、108d～支撑梁；
110、110a、110b、110c、110d～压电材料层；
112～空室；
114～保护层；
120～绝缘层；
122～导电层；
124～介电层。
具体实施方式
请参照图1，其显示了依据本发明一实施例的一种压阻式Z轴加速度感测器的示意上视情形。本实施例的压阻式Z轴加速度感测器作为比较例之用，用于解说本案发明人于其所知悉的一种压阻式Z轴加速度感测器的操作过程中所观察到的可靠度问题。
如图1所示，从平行于一半导体基板100的X-Y平面而上视观之，本实施例的压阻式Z轴加速度感测器包括了一基板100以及设置于基板100一部上的一支撑框(support frame)102，而支撑框102在基板100上则定义出了位于支撑框102内部的一空室112。基板100为包括如半导体与绝缘物等材料的基板。在本实施例中，基板100例如为一块状硅基板，而支撑框102绘示为一长方形支撑框，但并非以上述长方形支撑框而加以限制，支撑框102也可具有其他形态的多边形轮廓。
如图1所示，另外于空室112中则设置了悬浮于基板100之上且为可动的质量块(proof mass)104，其中质量块104连结于一悬臂梁(cantileverbeam)106的一侧且为之支撑，而此悬臂梁106未连结有质量块104的另一侧则埋设于支撑框102内并位于支撑框102内的一支撑梁(anchor)108之上。
再者，本实施例的压阻式Z轴加速度感测器包括了一压电材料层110(在此绘示为虚线)以做为压电电阻之用，其埋设于悬臂梁106内并延伸至支撑框102的一部内。
另外，经过适当的设置，在基板100上的其他部(未显示)上将另外设置有三个压电电阻(未显示)，此些压电电阻电性连结于如图1所示的压阻式Z轴加速度感测器内的压电材料层110，进而组成一惠斯登电桥(wheatstonebridge，未显示)。
请参照图2，显示了沿图1内线段2-2的剖面情形。基于简化附图的目的，在图2中仅部分显示了位于半导体基板100上的悬臂梁106、压电材料层110与支撑框102等构件。在一实施例中，支撑框102包括了依序堆叠于基板100一部上的绝缘层120、数个导电层122、数个介电层124与位于最上方的保护层114，而此些导电层122与此些介电层124交错地设置于绝缘层120与保护层114之间，其中导电层124可为包括如铜、铝等金属材质的金属层，而介电层122可为包括如二氧化硅、氮化硅等介电材质的金属层间介电层(intermetal dielectric layer，IMD)。在另一实施例中，悬臂梁106则包括了依序堆叠设置的数个介电层124以及埋设于悬臂梁106内的一介电层124内如多晶硅材质的压电材料层110，而位于悬臂梁106内介电层124可与支撑框102内的数个介电层124同时形成，但是位于悬臂梁106内介电层124的数量则少于位于支撑框102内的介电层124的数量。在又一实施例中，可于空室112下方的基板100内选择性地形成一凹口(未显示)，且此凹口可部分延伸至支撑框102的下方内，用于提升压阻式Z轴加速度感测器的感测度。
请参照图3，显示了沿图1内线段3-3的示意立体情形。基于简化附图的目的，在图3中仅部分显示了保护层114、悬臂梁106、支撑梁108、质量块104与半导体基板100等主要构件，其中质量块104由一个或数个导电层122与介电层124相堆叠而组成，而保护层114所覆盖的范围大体为支撑框102的所在区域。在此，质量块104处于未感受到外界应力的静止状态，故其与悬臂梁106与位于悬臂梁106内的压电材料层110等构件皆大体平行于半导体基板100的X-Y平面。质量块104内导电层122介电层124的数量可依据实际制作工艺需求而进行调整，而两导电层122之间则为一介电层124所隔离。
请参照图4，显示了图3内压阻式Z轴加速度感测器于感受到外界加速度时的示意立体情形。在感受到外界加速度时，质量块104将于垂直于X-Y轴平面的Z轴方向上产生惯性位移，进而带动了悬臂梁106产生形变并从而使得悬臂梁106上的应力分布产生改变，并使得埋设于悬臂梁106内的压电材料层110的电阻值产生变化，从而使得了电性连结于压电材料层110的惠斯登电桥(未显示)两端的电压产生变化，通过一仪表放大器(instrumentamplifier，未显示)分析来自上述惠斯登电桥所输出的电压信号的变化，则可得到沿Z轴方向上的加速度。
然而，如图1至图4所示的压阻式Z轴加速度感测器存在有以下缺点。首先，质量块104仅通过单一悬臂梁106连结支撑梁108或支撑框102，因此埋设于悬臂梁106内的压电材料层110的感测度可能过于灵敏，进而影响了压阻式Z轴加速度的可靠度。再者，也由于质量块104仅通过单一悬臂梁106连结支撑梁108或支撑框102，随着压阻式Z轴加速度感测器内质量块104位移次数的增加，在悬臂梁106与支撑梁108/支撑框102的连结处恐产生如断裂的机械性毁损情形，进而影响了压阻式Z轴加速度的可靠度。
有鉴于此，本发明针对了如图1至图4所示的压阻式Z轴加速度感测器的结构进行改良，以改善其内压电电阻(即压电材料层110)的感测度以及其内悬臂梁106与支撑梁108/支撑框102的连结情形，并用于提升压阻式Z轴加速度感测器的可靠度。
请参照图5，显示了依据本发明的另一实施例的一种压阻式Z轴加速度感测器的上视示意情形。如图5所示，本实施例的压阻式Z轴加速度感测器大体相似于如图1所示的压阻式Z轴加速度感测器，其间的差异处在于本实施例中位于压阻式Z轴加速度感测器内的质量块104的两端分别连结于两个不同的悬臂梁106a与106b的一侧且为之支撑，而此些悬臂梁106a、106b未连结于质量块104的另一侧则分别固定于支撑框102内的两个支撑梁108a与108b其中之一之上。再者，本实施例中的压阻式Z轴加速度感测器包括了两个压电材料层110a与110b(绘示为虚线)以做为两压电电阻，其分别埋设于悬臂梁106a与106b其中之一内。如图5所示，压阻式Z轴加速度感测器内的压电材料层110a与110b可经过串连后而成一惠斯登电桥(wheatstonebridge，未显示)的一感测电阻。于本实施例中，支撑梁108a与108b、悬臂梁106a与106b、压电电阻110a与110b等构件的组成情形大体相似于如图1至图4所示的支撑梁108、悬臂梁106与压电材料层110的实施形态，故在此不再绘示其实施情形。
请参照图6，显示了沿图5内线段6-6的立体示意情形。基于简化附图的目的，在图6中仅部分显示了保护层114、悬臂梁106a与106b、支撑梁108a与108b、质量块104与基板100等主要构件，其中质量块104由一个或数个相堆叠的导电层122与介电层124所组成，而保护层114所覆盖的范围大体为支撑框102的所在区域。在此，质量块104处于未感受到外界应力的静止状态，故其与悬臂梁106a与106b以及压电材料层110a与110b等构件皆大体水平于半导体基板100的X-Y平面。
请参照图7，显示了图6内压阻式Z轴加速度感测器于感受到外界加速度时的示意立体情形。于感受到外界加速度时，质量块104将于垂直于基板100的X-Y平面的Z轴方向上产生惯性位移，进而带动了悬臂梁106a与106b产生形变并从而使得悬臂梁106a与106b上的应力分布产生改变，并使得分别埋设于悬臂梁106a与106b内的压电材料层110a与110b的电阻值产生变化，从而使得了电性连结于压电材料层110a与110b的惠斯登电桥(未显示)两端的电压产生变化，通过一仪表放大器(instrument amplifier，未显示)分析来自上述惠斯登电桥所输出的电压信号的变化，则可得到沿Z轴方向上的加速度。
在此，相较于如图1至图4所示的压阻式Z轴加速度感测器，如图5至图7所示的压阻式Z轴加速度感测器具有下述优点。首先，质量块104通过了两个悬臂梁106a与106b连结于支撑框102内的不同支撑梁108a与108b，因此埋设于悬臂梁106a内的压电电阻(即压电材料层110a)以及埋设于悬臂梁106b内的压电电阻(即压电材料层110b)的感测度可通过两个悬臂梁106a与106b的控制而不至于反应过于灵敏，从而改善了压阻式Z轴加速度的可靠度。再者，也由于质量块104也通过两个悬臂梁106a与106b而连结支撑框102内的不同支撑梁108a与108b，故随着压阻式Z轴加速度感测器内质量块104的位移次数的增加，于悬臂梁106a、106b与支撑梁108a与108b的多个连结处较不易产生如断裂的机械性毁损情形，因而可提升压阻式Z轴加速度感测器的可靠度。
请参照图8，显示了依据本发明的另一实施例的一种压阻式Z轴加速度感测器的上视示意情形。如图8所示，本实施例的压阻式Z轴加速度感测器大体相似于如图1所示的压阻式Z轴加速度感测器，其间的差异处在于本实施例中位于压阻式Z轴加速度感测器内的质量块104的四侧分别连结于四个不同的悬臂梁106a、106b、106c与106d的一侧且为之支撑，而此些悬臂梁106a、106b、106c与106d未连结于质量块104的另一侧则分别连结于支撑框102内的四个支撑梁108a、108b、108c与108d其中之一之上。再者，本实施例中的压阻式Z轴加速度感测器包括了四个压电材料层110a、110b、110c与110d(绘示为虚线)以做为压电电阻之用，其分别埋设于悬臂梁106a、106b、106c与106d其中之一内且更延伸至支撑框102的一部内。如图8所示，压阻式Z轴加速度感测器内的压电材料层110a、110b、110c与110d可经过串连后而组一惠斯登电桥(wheatstone bridge未显示)中的感测电阻。于本实施例中，支撑梁108a、108b、108c与108d、悬臂梁106a、106b、106c与106d、压电材料层110a、110b、110c与110d等构件的组成情形大体相似于如图1至图4所示的支撑梁108、悬臂梁106与压电材料层110的实施形态，故在此不再绘示其实施情形。
请参照图9，显示了沿图8内线段9-9的立体示意情形。基于简化附图的目的，于图9仅部分显示了保护层114、悬臂梁106a、106b与106c、支撑框102内的支撑梁108a、108b与108c、质量块104与基板100等主要构件，其中质量块104由一个或数个导电层与介电层124所组成，而保护层114所覆盖的范围大体为支撑框102的所在区域。在此，质量块104处于未感受到外界应力的静止状态，故其与悬臂梁106a、106b、106c与106d以及压电材料层110a、110b与110c等构件皆大体平行于基板100的X-Y平面。
请参照图10，显示了图9内压阻式Z轴加速度感测器于感受到外界加速度时的示意立体情形。在感受到外界加速度时，质量块104将于垂直于X-Y轴平面的Z轴方向上产生惯性位移，进而带动了悬臂梁106a、106b与106c产生形变并从而使得悬臂梁106a、106b与106c上的应力分布产生改变，并使得分别埋设于悬臂梁106a、106b与106c内的压电材料层110a、110b与110c的电阻值产生变化，从而使得了电性连结于压电材料层110a、110b与110c的惠斯登电桥(未显示)两端的电压产生变化，通过一仪表放大器(instrument amplifier，未显示)分析来自上述惠斯登电桥所输出的电压信号的变化，则可得到沿Z轴方向上的加速度。
在此，相较于如图1至图4所示的压阻式Z轴加速度感测器，如图8至图10所示的压阻式Z轴加速度感测器具有下述优点。首先，质量块104通过了四个悬臂梁106a、106b、106c与106d连结于支撑框102内的不同支撑梁108a、108b、108c与108d之上，因此埋设于悬臂梁106a内的压电电阻(即压电材料层110a)、埋设于悬臂梁106b内的压电电阻(即压电材料层110b)、埋设于悬臂梁106c内的压电电阻(即压电材料层110c)以及埋设于悬臂梁106d内的压电电阻(即压电材料层110d)的感测度可通过四个悬臂梁106a、106b、106c与106d的控制而不至于反应过于灵敏，从而改善了压阻式Z轴加速度的可靠度。再者，也由于质量块104也通过四个悬臂梁106a、106b、106c与106d而连结支撑框102内的不同支撑梁108a、108b、108c与108d，故随着压阻式Z轴加速度感测器内质量块104的位移次数的增加，于悬臂梁106a、106b、106c与106d与支撑梁108a、108b、108c与108d的多个连结处较不易产生如断裂的机械性毁损情形，因而可提升压阻式Z轴加速度感测器的可靠度。
在上述图5-图10内所示的压阻式Z轴加速度感测器的实施情形中，其内包括一组或两组对称结构的支撑梁106a、106b、106c与106d以及一组或两组的对称结构的悬臂梁108a、108b、108c与108d的实施情形。然而，本发明非以上述对称设置情形为限，本发明内的压阻式Z轴加速度感测器内的支撑梁及悬臂梁的设置也可为非对称设置情形。
请参照图11，显示了依据本发明的另一实施例的一种压阻式Z轴加速度感测器的上视示意情形。如图11所示，本实施例的压阻式Z轴加速度感测器大体相似于如图5所示的压阻式Z轴加速度感测器，其间的差异处在于本实施例中位于压阻式Z轴加速度感测器内两个不同的悬臂梁106a与106b的一端连结于质量块104的两相邻侧以支撑之，而此些悬臂梁106a、106b未连结于质量块104的另一侧则分别固定于支撑框102内的两个支撑梁108a与108b其中之一之上。再者，本实施例中的压阻式Z轴加速度感测器包括了两个压电材料层110a与110b(绘示为虚线)以做为两压电电阻，其分别埋设于悬臂梁106a与106b其中之一内。如图11所示，压阻式Z轴加速度感测器内的压电材料层110a与110b可经过串连后而成一惠斯登电桥(wheatstonebridge，未显示)的一感测电阻。于本实施例中，支撑梁108a与108b、悬臂梁106a与106b、压电电阻110a与110b等构件的组成情形大体相似于如图1至图4所示的支撑梁108、悬臂梁106与压电材料层110的实施形态，故在此不再绘示其实施情形。
请参照图12，显示了沿图11内线段12-12的立体示意情形。基于简化附图的目的，于图12中仅部分显示了保护层114、悬臂梁106a与106b、支撑梁108a与108b、质量块104与基板100等主要构件，其中质量块104由一个或数个相堆叠的导电层122与介电层124所组成，而保护层114所覆盖的范围大体为支撑框102的所在区域。在此，质量块104处于未感受到外界应力的静止状态，故其与悬臂梁106a与106b以及压电材料层110a与110b等构件皆大体水平于半导体基板100的X-Y平面。而图11-图12内压阻式Z轴加速度感测器于感受到外界加速度时的示意立体情形及操作原理则大体相似于图7内所示情形，在此不在进一步描述与绘示其实施情形。
请参照图13，显示了依据本发明的另一实施例的一种压阻式Z轴加速度感测器的上视示意情形。如图13所示，本实施例的压阻式Z轴加速度感测器大体相似于如图8所示的压阻式Z轴加速度感测器，其间的差异处在于本实施例中位于压阻式Z轴加速度感测器内三个不同的悬臂梁106a、106b与106c的一端连结于质量块104的三相邻侧以支撑之，而此些悬臂梁106a、106b及106c未连结于质量块104的另一侧则分别固定于支撑框102内的三个支撑梁108a、108b及108c其中之一之上。再者，本实施例中的压阻式Z轴加速度感测器包括了三个压电材料层110a、110b与110c(绘示为虚线)以做为压电电阻之用，其分别埋设于悬臂梁106a、106b与106c其中之一内且还延伸至支撑框102的一部内。如图13所示，压阻式Z轴加速度感测器内的压电材料层110a、110b与110c可经过串连后而组一惠斯登电桥(wheatstonebridge未显示)中的感测电阻。在本实施例中，支撑梁108a、108b与108c、悬臂梁106a、106b与106c、压电材料层110a、110b与110c等构件的组成情形大体相似于如图1至图4所示的支撑梁108、悬臂梁106与压电材料层110的实施形态，故在此不再绘示其实施情形。
请参照图14，显示了沿图13内线段14-14的立体示意情形。基于简化附图的目的，于图14仅部分显示了保护层114、悬臂梁106a、106b与106c、支撑框102内的支撑梁108a、108b与108c、质量块104与基板100等主要构件，其中质量块104由一个或数个导电层与介电层124所组成，而保护层114所覆盖的范围大体为支撑框102的所在区域。在此，质量块104处于未感受到外界应力的静止状态，故其与悬臂梁106a、106b与106c以及压电材料层110a、110b与110c等构件皆大体平行于基板100的X-Y平面。而图13-图14内压阻式Z轴加速度感测器于感受到外界加速度时的示意立体情形及操作原理则大体相似于图10内所示情形，故在此不在进一步描述。
虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (13)
1.一种压阻式Z轴加速度感测器，包括：
基板；
多个支撑梁，设置于该基板上；
多个悬臂梁，其中该些悬臂梁分别包括一压电材；以及
质量块，其中，该些悬臂梁分别通过该些支撑梁将该质量块悬浮于该基板上，且该感测器利用该压电材侦测该质量块的位移。
2.如权利要求1所述的压阻式Z轴加速度感测器，该些支撑梁与该些悬臂梁包括一组对称结构的支撑梁及一组对称结构的悬臂梁。
3.如权利要求1所述的压阻式Z轴加速度感测器，该些支撑梁与该些悬臂梁包括两组对称结构的支撑梁及两组对称结构的悬臂梁。
4.如权利要求1所述的压阻式Z轴加速度感测器，该些支撑梁与该些悬臂梁包括一组非对称结构的支撑梁及一组非对称结构的悬臂梁。
5.如权利要求1所述的压阻式Z轴加速度感测器，还包括支撑框，形成于该基板之上并环绕该些悬臂梁、该些压电材与该质量块，而该些支撑梁则整合于该支撑框内。
6.如权利要求5所述的压阻式Z轴加速度感测器，其中该支撑框包括设置于该基板上的绝缘层、多个介电层、多个导电层与保护层，而该些介电层与该些导电层交错地设置于该绝缘层与该保护层之间。
7.如权利要求1所述的压阻式Z轴加速度感测器，其中该压电材包括多晶硅材料。
8.如权利要求1所述的压阻式Z轴加速度感测器，其中该些悬臂梁内的该压电材之间串联地电性连结。
9.如权利要求1所述的压阻式Z轴加速度感测器，其中该质量块包括一个或数个介电层与导电层。
10.如权利要求6所述的压阻式Z轴加速度感测器，其中该支撑框与该些悬臂梁、该些悬臂梁该压电材与该质量块之间定义有一空室。
11.如权利要求1所述的压阻式Z轴加速度感测器，其中该些悬臂梁连结于该质量块的两相邻侧。
12.如权利要求1所述的压阻式Z轴加速度感测器，其中该些悬臂梁连结于该质量块的三侧且两两相邻。
13.如权利要求1所述的压阻式Z轴加速度感测器，其中从上视观之，该质量块具有一长方形轮廓。
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