CN110988395B - 加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种加速度传感器，所述加速度传感器包括：壳体，围合成容置腔，所述壳体的材质为硅；检测组件，设于所述容置腔内，所述检测组件包括质量块、支撑杆以及耦合件，所述质量块通过所述支撑杆连接于所述容置腔的底壁，所述容置腔的底壁凸设所述耦合件，所述耦合件包绕所述质量块设置，且所述质量块之间设置有的间隙的宽度处处相等；所述支撑杆为弹性件，所述弹性件在外力的作用下形变以使所述质量块在水平方向运动；所述质量块为多边形或圆形，所述质量块的边数大于四个，所述检测组件的材质为硼掺杂硅。本发明还公开一种加速度传感器的制备方法。本发明公开的加速度传感器能够检测360°方位上的加速度，或者可检测多于4个方位上的加速度。

Description

加速度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种加速度传感器及其制备方法。

背景技术

加速度传感器是一种测量物体运动时加速度大小的传感器。例如，车载加速度传感器可以帮助人们判断车子的运行状态，防止交通事故的发生。近年来，随着代步工具(如平衡车，共享单车，电瓶车等)的普及和发展，一方面对车载加速度传感器的需求量逐年增加，另一方面对加速度传感器的技术性能要求更为多样。

示例性技术中，加速度传感器主要有单轴和双轴。单轴的加速度传感器只能测量单一方向，也就是水平方向，如果物体不是沿着水平运动则测量结果出现偏差。而双轴加速度传感器，其实就是将普通两个单轴传感器垂直摆放，这样可以实现水平和垂直的测量。示例性技术中，加速度传感器最多检测四个方位的加速度，加速度传感器测量的加速度方位较少。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种加速度传感器及其制备方法，旨在解决加速度传感器测量的加速度方位较少的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种加速度传感器，所述加速度传感器包括：

壳体，围合成容置腔，所述壳体的材质为硅；

检测组件，设于所述容置腔内，所述检测组件包括质量块、支撑杆以及耦合件，所述质量块通过所述支撑杆连接于所述容置腔的底壁，所述容置腔的底壁凸设所述耦合件，所述耦合件包绕所述质量块设置，且所述质量块之间设置有的间隙的宽度处处相等；所述支撑杆为弹性件，所述弹性件在外力的作用下形变以使所述质量块在水平方向运动；所述质量块为多边形或圆形，所述质量块的边数大于四个，所述检测组件的材质为硼掺杂硅。

在一实施例中，所述加速度传感器还设有集成芯片，所述集成芯片分别与所述支撑杆以及所述耦合件电连接。

在一实施例中，所述集成芯片位于所述壳体的外表面，所述壳体上设置有通孔；所述加速度传感器还包括导电件，所述导电件穿过所述通孔，以连接所述集成芯片与所述支撑杆以及所述耦合件。

在一实施例中，所述导电件填充于所述通孔内。

在一实施例中，所述加速度传感器还包括罩体，所述罩体盖设于所述壳体的外表面构成容置所述集成芯片的容置腔，所述罩体的材质为硅。

在一实施例中，所述壳体包括第一硅基板以及第二硅基板，所述第二硅基板朝向所述第一硅基板的一侧设有容置槽，所述第一硅基板与所述容置槽围合成所述容置腔。

在一实施例中，所述壳体为方形。

为实现上述目的，本发明还提供一种加速度传感器的制备方法，所述加速度传感器的制备方法包括以下步骤：

在制造基板的硼掺杂硅层进行刻蚀，以在所述制造硅基板的单晶硅层上刻蚀出检测组件，所述检测组件包括支撑杆、与所述支撑杆连接的质量块以及包绕所述质量块且与所述质量块之间设置有间隙的耦合件，所述间隙的宽度处处相等，所述制造硅基板包括第一厚度的单晶硅层以及第二厚度的硼掺杂硅层，所述质量块为圆形或多边形，且在所述质量块为多边形时，所述质量块的顶角数量大于四个；

将所述支撑杆以及所述耦合件的自由端与第一硅基板的表面粘接，并去除所述单晶硅层；

在第二硅基板上刻蚀形成容置槽，将第二硅基板刻蚀有所述容置槽的一侧与所述第一硅基板粘接，以使所述第一硅基板与容置槽围合为容置所述检测组件的容置腔。

在一实施例中，所述加速度传感器的制备方法还包括：

在所述第二硅基板刻蚀形成通孔；

在所述通孔内设置导电件；

在所述第二硅基板的外表面粘接集成芯片；

通过导电件将所述集成芯片与所述支撑杆以及所述耦合件连接。

在一实施例中，所述在所述通孔内设置导电件的步骤包括：

在所述通孔内填充金属得到导电件。

在一实施例中，所述在所述第二硅基板的外表面粘接集成芯片的步骤之后，所述加速度传感器的制备方法还包括：

在第三硅基板表面刻蚀形成容置槽；

将第三硅基板刻蚀有所述容置槽的一侧与所述第二硅基板的外表面粘接，以使所述第二硅基板与容置槽围合为容置所述集成芯片的容置腔。

在一实施例中，所述将第二硅基板刻蚀有所述容置槽的一侧与所述第一硅基板粘接的步骤之后，还包括：

对容置所述检测组件的壳体进行切割得到方形的加速度传感器。

本发明的技术方案，加速度传感器中用于检测加速度的质量块为圆，使得加速度传感器能够检测360°全方位的加速度；或者加速度传感器中用于检测加速度的质量块为大于四条边的多边形，使得加速度传感器能够检测与质量块边数相等的方位数量上的加速度。本发明提供的加速度传感器测量的加速度方位较多。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明加速度传感器一实施例的剖视结构示意图；

图2为本发明加速度传感器中检测组件的俯视图；

图3为本发明加速度传感器另一实施例的剖视结构示意图；

图4为本发明加速度传感器又一实施例的剖视结构示意图；

图5为本发明加速度传感器再一实施例的剖视结构示意图；

图6为本发明加速度传感器的制备方法的一流程示意图；

图7为本发明加速度传感器的制备方法的另一流程示意图；

图8为本发明加速度传感器的制备方法的又一流程示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	加速度传感器	110	壳体
111	第一硅基板	112	第二硅基板
				113	第一容置腔	114	导电件
115	引脚	120	检测组件
				121	质量块	122	支撑杆
123	耦合件	130	集成芯片
				140	罩体	141	第二容置腔

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参阅附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种加速度传感器100。

请参阅图1，在本发明加速度传感器100一实施例中，加速度传感器包括壳体110以及检测组件120。壳体110包括第一硅基板111以及第二硅基板112，第一硅基板111与第二硅基板112合围构成第一容置腔113。第一容置腔113内容置检测组件120，检测组件120包括质量块121、支撑杆122以及耦合件123，检测组件120的材质为掺杂硼的硅质材料。质量块121通过支撑杆122连接于第一容置腔113的底壁，质量块121的中心位置连接支撑杆122的一端。耦合件123包绕质量块121，且耦合件123与质量块之间设有间隙，间隙的宽度处处相等。质量块121可为圆，也可为多边形，在质量块121为多边形时，质量块121的变数大于4个，也即质量块121可为五边形、六边形等。支撑杆122可形变。

参阅图2，由于耦合件123与质量块121之间的间隙的宽度处处相等，使得耦合件123包绕的形状与质量块121的形状相同，在质量块121为圆时，耦合件123也为圆。进一步地，质量块121为六边形时，耦合件123也为六边形，且耦合件123的边与质量块121的边平行。

第一硅基板111上还设有多个通孔(未示出)，通孔内设有导电件114，导电件114可为通孔内填充的金属，也可为电线。由于检测组件120的材质为硼硅材质，导电件114可与耦合件123以及支撑杆122电连接，再通过电源对耦合件123以及支撑杆122进行通电，使得耦合件123与质量块121构成电容。加速度传感器100放置在水平方向时，若加速度传感器100水平移动时，支撑杆122受到移动方向对应的外力，且在外力作用下使得支撑杆122形变，从而使得质量块121相对耦合件123移动，进而使得移动方向上的电容发生变化，由此根据变化的电容计算得到移动方向上的加速度。

参阅图2，当加速度传感沿y轴加速运动时，加速度为ay。耦合件固定，而质量块质量较大，受到惯性的影响，会使支撑杆一定程度弯曲，造成质量块与耦合件的距离d减小。根据两导体间电容效应的原理，导体间的距离减小，则它们之间的电容C1增大，并随着距离呈反比关系。通过测量电容大小，可以换算出加速度的大小。同理，可以测得沿x轴运动的加速度大小ax，以及和x轴夹角45°时运动的加速度大小a45°。由于传感器中质量块是圆形对称的结构，它可以测得任意方向的加速度大小，实现360°全方位的测量。同理，而在当质量块为多边形时，且质量块的边数大于四个，使得加速度传感器能够检测多于四个方位上的加速度，例如，质量块为五边形，则加速度传感器能够检测5个方位上的加速度。

在一实施例中，加速度传感器100上还设有集成芯片，集成芯片分别与支撑杆122以及所述耦合件123电连接，使得集成芯片计算质量块121与耦合件123之间的电容。集成芯片可设于第二硅基板112的外表面。参阅图3，集成芯片130设于第二硅基板112的外表面，且集成芯片130通过导电件114分别与支撑杆122以及耦合件123电连接。在本实施例中，将集成芯片与第二硅基板贴合，使得加速度传感器的大小与芯片的大小一致，从而减小了加速度传感器的尺寸。

在一实施例中，参阅图4，加速度传感器100还设有罩体140，罩体140盖设于壳体的外表面，也即罩体140盖设于第二硅基板112的外表面，从而构成容置集成芯片130的第二容置腔141。罩体140用于保护集成芯片130不受到外部因素的损害。罩体140的材质为硅。

在一实施例中，参阅图5，第一硅基板111的外表面上还设有多个引脚115，各个引脚115分别与导电件114连接，从而使得加速度传感器100可以通过引脚115与设备的电路板进行电连接。

在一实施例中，加速度传感100通过晶圆级工艺进行切割制得，且壳体110为方形，也即加速度传感器100的正视图为方形。晶圆级工艺制备得到的加速度传感器尺寸较小。

本发明还提出一种加速度传感器的制备方法，用于制作如前所述的加速度传感器。

参阅图6，图6为本发明加速度传感器的制备方法的一实施例，所述加速度传感器的制备方法包括以下步骤：

步骤S10，在制造基板的硼掺杂硅层进行刻蚀，以在所述制造硅基板的单晶硅层上刻蚀出检测组件，所述检测组件包括支撑杆、与所述支撑杆连接的质量块以及包绕所述质量块且与所述质量块之间设置有间隙的耦合件，所述间隙的宽度处处相等，所述制造硅基板包括第一厚度的单晶硅层以及第二厚度的硼掺杂硅层，所述质量块为圆形或多边形，且在所述质量块为多边形时，所述质量块的顶角数量大于四个；

在本实施例中，制造基板包括第一厚度的单晶硅层以及第二厚度的硼掺杂硅层。通过深反应离子刻蚀技术在硼掺杂硅层刻蚀出检测组件。

具体的，需要先制备制造基板。先取一定厚度的单晶硅片，再利用离子注入技术，将硼离子注入单晶硅片内，使得硼离子掺杂至硅原子之间，从而形成第二厚度的硼掺杂硅层，未被注入硼离子的硅原子层即为单晶硅层。

在制备得到制造基板后，在制造基板上布置第一掩膜，再采用深反应离子刻蚀技术腐蚀硼掺杂硅层，同时需要控制腐蚀的厚度，以避免硼掺杂硅层被蚀穿。布置第一掩膜的区域未被腐蚀，从而在硼掺杂硅层刻蚀出耦合件雏形以及支撑杆。然后，对未被刻蚀穿的硼掺杂硅层布置第二掩膜，第二掩膜的中心为支撑杆，且第二掩膜可为圆形或者多边形，多边形的边数大于四个。对布置第二掩膜的硼掺杂硅层再次进行腐蚀，并将硼掺杂硅层蚀穿，从而刻蚀出与支撑杆连接的质量块以及耦合件，且由于第二掩膜为圆形或者多边形，刻蚀出的质量块也为圆形或者多边形。需要说明的是，用于对硼掺杂硅层腐蚀的溶液不会腐蚀单晶硅层，从而在单晶硅层上刻蚀出检测组件。

刻蚀出的质量块与耦合件设有间隙，且间隙的宽度处处相等，且耦合件包绕质量块，耦合件包绕的形状与质量块的形状相同，在质量块的形状为圆时，耦合件的形状也为圆，在质量块的形状为多边形时，耦合件的形状也为多边形，且耦合件的边与质量块的边平行。

步骤S20，将所述支撑杆以及所述耦合件的自由端与第一硅基板的表面粘接，并去除所述单晶硅层；

在刻蚀出检测组件后，将第一硅基板的表面与支撑杆以及耦合件的自由端粘接，也即将硼掺杂硅层的表面与第一硅基板的表面粘接。粘接的方式可为键合，也即采用硅-硅键合工艺将第一硅基板的表面与支撑杆以及耦合件的自由端粘接。由于硅/硅键合的强度较高，使得检测组件能够牢固的连接于第一硅基板。需要说明的是，在进行粘接之前，采用硅通孔技术在第一硅基板上设置通孔，也即采用刻蚀技术对第一硅基板进行刻蚀形成通孔。通孔的位置粘接支撑杆以及耦合件。通孔内可设置导电件，使得支撑杆以及耦合件分别与导电件连接，从而在对导电件提供电流时，使得质量块以及耦合件形成电容。导电件可为电线，也可为填充在通孔的金属。

在粘接第一硅基板后，去除单晶硅层，从而将检测组件释放出来。可采用氢氧化钠溶液对单晶硅层进行腐蚀，从而去除单晶硅层，而不会损害由硼掺杂硅构成的检测组件。

步骤S30，在第二硅基板上刻蚀形成容置槽，将第二硅基板刻蚀有所述容置槽的一侧与所述第一硅基板粘接，以使所述第一硅基板与容置槽围合为容置所述检测组件的容置腔。

对第二硅基板的表面进行刻蚀，从而在第二硅基板的表面刻蚀出容置槽。在将第二硅基板刻蚀有容置槽的一面与第一硅基板粘接，从而使得第一硅基板与容置槽合围为容置检测组件的容置腔。进一步的，在对第一硅基板以及第二硅基板进行粘接后，可在第一硅基板的外表面的通孔开口进行布线，从而形成布线区域。再在布线区域上进行植球，从而形成引脚，使得支撑杆以及耦合件通过引脚能够电源连接。

在本实施例中，可以在一个制造基板上刻蚀出多个检测组件，也即能够在第一硅基板上制备出多个加速度传感器，而各个检测组件位于同一硅基板上，故而采用晶圆级工艺对含有检测组件的壳体进行切割得到多个方形的加速度传感器。由于采用晶圆级工艺，有利于大规模生产加速度传感器且加速度传感的成本较低。

本实施例制备的质量块为圆形的加速度传感器不同于市面上传统的加速度传感器只能单轴或者双轴测量，加速度传感器可以实现360°全方位加速度测量，且加速度传感器的摆放方位不受限制。

参阅图7，图7为本发明加速度传感器的制备方法的另一实施例，所述步骤S30之后，还包括：

步骤S40，在第二硅基板刻蚀形成通孔，并在所述通孔内设置导电件；

步骤S50，在所述第二硅基板的外表面设置所述通孔的位置粘接集成芯片；

步骤S60，通过导电件连接所述集成芯片与所述支撑杆以及所述耦合件。

在本实施例中，可对加速度传感器设置集成芯片，也即ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)芯片。在将第一硅基板与第二硅基板粘接后，在第二硅基板的外表面粘接集成芯片。第二硅基板可事先设置通孔，通孔内设置导电件，集成芯片粘接于通孔的位置，从而使得集成芯片通过通孔与支撑杆以及耦合件电连接。当然可在通孔处进行布线，通过布线使得集成芯片连接支撑杆以及耦合件，再将集成芯片粘接于第二硅基板的外表面。第二硅基板的通孔与第一硅基板的通孔对准，从而使得第二硅基板通孔内的导电件与第一硅基板通孔内的导电件连接，由此，使得集成芯片分别与支撑杆以及耦合件电连接。

在本实施例中，集成芯片可测得耦合件和质量块之间的电容大小，并通过信号放大，AD转换和算法处理得到加速度大小。最后加速度大小的信息从集成芯片发出，通过第二硅基板上布线和通孔，以及第一硅基板上的布线和通孔，将信息从引脚传输至设备的中央处理器。

参阅图8，图8为本发明加速度传感器的制备方法的又一实施例，所述步骤S60之后，还包括：

步骤S70，在第三硅基板表面刻蚀形成容置槽；

步骤S80，将第三硅基板刻蚀有所述容置槽的一侧与所述第二硅基板的外表面粘接，以使所述第二硅基板与容置槽围合为容置所述集成芯片的容置腔。

在本实施例中，需对集成芯片进行保护。对此，在将集成芯片与支撑杆以及耦合件连接后，对第三硅基板进行腐蚀，从而在第三硅基板上刻蚀出容置槽。在将刻蚀有容置槽的第三硅基板的一面与第二硅基板的外表面进行粘接，从而使得第二硅基板与容置槽构成容置集成芯片的容置腔。从而通过第三硅基板保护集成芯片。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器包括：

壳体，围合成容置腔，所述壳体的材质为硅；

检测组件，设于所述容置腔内，所述检测组件包括质量块、支撑杆以及耦合件，所述质量块通过所述支撑杆连接于所述容置腔的底壁，所述容置腔的底壁凸设所述耦合件，所述耦合件包绕所述质量块设置，且所述质量块之间设置有的间隙的宽度处处相等；所述支撑杆为弹性件，所述弹性件在外力的作用下形变以使所述质量块在水平方向运动；所述质量块为多边形或圆形，所述质量块的边数大于四个，所述检测组件的材质为硼掺杂硅，其中，在所述耦合件以及所述支撑杆通电时，所述耦合件与所述质量块构成电容，以使所述加速度传感器根据所述电容的变化，获得移动方向的加速度值；

所述加速度传感器还设有集成芯片，所述集成芯片分别与所述支撑杆以及所述耦合件电连接；

所述集成芯片位于所述壳体的外表面，所述壳体上设置有通孔；所述加速度传感器还包括导电件，所述导电件穿过所述通孔，以连接所述集成芯片与所述支撑杆以及所述耦合件，所述加速度传感器通过晶圆级工艺进行切割制得。

2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述导电件填充于所述通孔内。

3.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器还包括罩体，所述罩体盖设于所述壳体的外表面构成容置所述集成芯片的容置腔，所述罩体的材质为硅。

4.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述壳体包括第一硅基板以及第二硅基板，所述第二硅基板朝向所述第一硅基板的一侧设有容置槽，所述第一硅基板与所述容置槽围合成所述容置腔。

5.如权利要求1-4任一项所述的加速度传感器，其特征在于，所述壳体为方形。

6.一种加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述加速度传感器的制备方法包括以下步骤：

在制造硅 基板的硼掺杂硅层进行刻蚀，以在所述制造硅基板的单晶硅层上刻蚀出检测组件，所述检测组件包括支撑杆、与所述支撑杆连接的质量块以及包绕所述质量块且与所述质量块之间设置有间隙的耦合件，所述间隙的宽度处处相等，所述制造硅基板包括第一厚度的单晶硅层以及第二厚度的硼掺杂硅层，所述质量块为圆形或多边形，且在所述质量块为多边形时，所述质量块的顶角数量大于四个；

将所述支撑杆以及所述耦合件的自由端与第一硅基板的表面粘接，并去除所述单晶硅层；

在第二硅基板上刻蚀形成容置槽，将第二硅基板刻蚀有所述容置槽的一侧与所述第一硅基板粘接，以使所述第一硅基板与容置槽围合为容置所述检测组件的容置腔；

所述加速度传感器的制备方法还包括：

在所述第二硅基板刻蚀形成通孔；

在所述通孔内设置导电件；

在所述第二硅基板的外表面粘接集成芯片；

通过导电件将所述集成芯片与所述支撑杆以及所述耦合件连接。

7.如权利要求6所述的加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述通孔内设置导电件的步骤包括：

在所述通孔内填充金属得到导电件。

8.如权利要求6所述的加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述第二硅基板的外表面粘接集成芯片的步骤之后，所述加速度传感器的制备方法还包括：

在第三硅基板表面刻蚀形成容置槽；

将第三硅基板刻蚀有所述容置槽的一侧与所述第二硅基板的外表面粘接，以使所述第二硅基板与容置槽围合为容置所述集成芯片的容置腔。

9.如权利要求6-8任一项所述的加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述将第二硅基板刻蚀有所述容置槽的一侧与所述第一硅基板粘接的步骤之后，还包括：

对容置所述检测组件的壳体进行切割得到方形的加速度传感器。

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