CN1438487A - 加速度传感器 - Google Patents
加速度传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1438487A CN1438487A CN03103820A CN03103820A CN1438487A CN 1438487 A CN1438487 A CN 1438487A CN 03103820 A CN03103820 A CN 03103820A CN 03103820 A CN03103820 A CN 03103820A CN 1438487 A CN1438487 A CN 1438487A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- acceleration transducer
- face
- mgmt dept
- support arms
- quality mgmt
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 title claims abstract description 121
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 15
- 101150042248 Mgmt gene Proteins 0.000 claims description 97
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 14
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims description 8
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 17
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002998 adhesive polymer Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical group [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006172 buffering agent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000012536 packaging technology Methods 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/12—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by alteration of electrical resistance
- G01P15/123—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by alteration of electrical resistance by piezo-resistive elements, e.g. semiconductor strain gauges
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
提供一种微型的和薄的具有高灵敏度的半导体加速度传感器。该加速度传感器有一个在硅半导体基片的中央部分形成质量部，一个在该基片的周围部分形成的边框，设在质量部和边框的上部的弹性支撑臂，以及一组配置于弹性支撑臂的顶面侧的压电电阻对。质量部和厚边框的至少一方具有从各自的顶面向各自的底面扩展宽度的垂直于各自的顶面的横截面。由于在弹性支撑臂分别连接处的质量部的侧长度和/或边框的宽度变短，所以弹性支撑臂加长，借此传感器的灵敏度提高。
Description
技术领域
本发明涉及用来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、便携式终端之类，并且特别是涉及能够用半导体技术来制造的加速度传感器。
背景技术
利用诸如压电电阻效应之类物理量的变化和静电电容的变化的加速度传感器已经开发并商品化。这种加速度传感器可以广泛地用于各种领域，但是目前需要能够以高灵敏度同时在多轴方向检测加速度的这种小尺寸的加速度传感器。
由于单晶硅因极小的晶格故障而变成一种理想的弹性体并由于半导体加工技术可以没有很大困难地应用于它，所以给予压电电阻效应型半导体加速度传感器很大的注意，其中在单晶硅基片上设置一个薄弹性支持部，而施加于该薄弹性支持部的应力靠应变片，例如压电电阻效应元件，转变成电气信号，而成为输出。
作为一个常规的三轴加速度传感器，在例如日本专利公开第63-169078中有一项公开，而其俯视图示于图11而沿图11中的XII-XII线截取的剖视图示于图12，而一个透视图示于图13。加速度传感器200有弹性支撑臂230，各有由单晶硅基片的一个薄部构成的梁结构。在中央的一个质量部220由单晶硅基片的一个厚部构成，在其周围的一个边框210靠弹性支撑臂230来连接。一组应变片沿每个方向在弹性支撑臂230上形成。
将参照图11、图12和图13来说明总体结构。传感器200包括由单晶硅基片的厚部构成的质量部220，布置于质量部220周围的边框210，以及梁形式的两对弹性支撑臂230，诸弹性支撑臂彼此垂直并各由连接质量部220和边框210的单晶硅基片的薄部来构成。当加速度作用时，质量部在边框中运动而使弹性支撑臂变形，从而由设在弹性支撑臂上的应变片检测该变形而得到作用的加速度。图11中沿X轴方向的加速度由设在沿X轴方向延伸的弹性支撑臂上的四个应变片240来检测，而沿Y轴方向的加速度由设在沿Y轴方向延伸的弹性支撑臂上的四个应变片240来检测。沿Z轴方向的加速度借助于所有应变片240来测量。通过在具有边框210尺寸的单晶硅基片造成四个L字形通孔250，形成在中央的质量部220、在周围的边框210以及连接它们的支撑臂230，而通过使支撑臂变薄，该加速度传感器被构成为可变形的和高度灵敏的。
在上述加速度传感器中，为了提高灵敏度，加大质量部220的体积以便增加质量，或加大弹性支撑臂230的长度是有效的，而且如所周知，灵敏度提高基本上与质量部的质量和弹性支撑臂的长度成比例。也就是说，加大质量部220的体积，或加大弹性支撑臂230的长度，借此弹性支撑臂230变得更加可变形并且应力可以有效地传递到应变片，从而提高灵敏度。不过，加大质量部220的质量与加大弹性支撑臂230的长度是互相矛盾的，特别是在保持芯片尺寸紧凑的条件下，或者当打算减小尺寸时，它们两者是互不相容的。也就是说，如果加大质量部220则弹性支撑臂230的长度变小，而不可能改善成灵敏度显著提高。于是，在组装过程中在质量部220的背面粘贴玻璃片之类以便加大质量部220的体积(也就是重量)，借此来提高灵敏度。弹性支撑臂230的长度不可能加大，而在厚度方向(单晶硅基片的厚度方向)上加大芯片，借此加大质量部220的质量以便提高灵敏度。因此，通常不可能以高灵敏度实现紧凑而薄的加速度传感器。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而作成的，其目的在于解决上述问题并提供一种能够提高灵敏度的紧凑而薄的加速度传感器。
为了解决上述问题，本发明采用如下的加速度传感器。也就是说，本发明的加速度传感器包括：一个质量部，设置于加速度传感器的中央并具有顶面和对峙于该顶面的底面；一个厚边框，以离开该质量部预定距离环绕该质量部并具有顶面和对峙于该顶面的底面；一组弹性支撑臂，每个从质量部的顶面的一个边缘伸出，连接质量部的顶面边缘和厚边框顶面的一个内缘并把质量部悬架于厚边框内侧；以及一组配置于弹性支撑臂上的应变片。该质量部具有顶面，对峙于该顶面的底面和一组在顶面与底面之间环绕该质量部的侧壁。该厚边框具有顶面，对峙于该顶面的底面和在厚边框的顶面与底面之间面对质量部的厚边框的内表面上的内壁。
该加速度传感器由单晶硅晶片，最好是SOI(绝缘体上硅)晶片，制成并且可以构成为具有一个其平面形状为大致方形的厚壁边框，一个设置于厚壁边框的中央并形成大致方形的质量部，以及四个连接质量部的顶面上的方形侧边中心与厚壁边框顶面上的方形中厚壁边框的内侧中心的弹性支撑臂。在由单晶硅晶片或SOI晶片制成的加速度传感器中，厚壁边框的顶面、质量部的顶面和四个弹性支撑臂的顶面通过利用该晶片的一侧表面来形成，因而它们大致在同一表面上。厚壁边框的底面和质量部的底面通过利用该晶片的另一侧表面来形成，因而它们大致在同一表面上。弹性支撑臂通过用蚀刻之类从该晶片的另一侧表面切去来形成，因而当它由SOI晶片制成时，它由残留SiO2层，或SiO2层与硅层的叠层产物来形成。
在本发明的加速度传感器中，质量部或厚壁边框的至少一方在垂直于其顶面的横截面内其宽度从顶面向底面扩展。当垂直于方形质量部顶面的横截面从顶面向底面扩展宽度时，底面上的方形一边大于顶面上的方形一边。当厚壁边框的竖直横截面其宽度从其顶面向其底面扩展时，厚壁边框的底面宽度大于顶面宽度。在本发明的加速度传感器中最好是质量部在垂直于其顶面的横截面内从顶面向底面扩展宽度，而且厚壁边框在垂直于其顶面的横截面内从其顶面向其底面扩展宽度。
质量部和/或厚壁边框在顶面上的尺寸被减小而在底面上的尺寸被加大，借此可以加大弹性支撑臂的长度而不减小质量部的质量，因而使提高用以检测加速度的灵敏度成为可能。如果质量部和厚壁边框在其顶面上的尺寸被减小而在其底面上的尺寸被加大，则弹性支撑臂可以在质量部侧和在厚壁边框侧被加长。要不然，针对质量部和厚壁边框中仅一个，顶面上的尺寸可以被减小而底面上的尺寸可以被加大。不过，当它们之一的尺寸被改变时，最好是把本发明运用于质量部侧。如果厚壁边框在其顶面上的尺寸被减小而在其底面上的尺寸被加大，则在厚壁边框的弹性支撑臂连接的部分形成某种缺口。如果在其顶面上的尺寸与在其底面上的尺寸相比被极端减小，则在厚壁边框的弹性支撑臂连接的部分所形成的缺口被加深，这引起降低支撑弹性支撑臂的基部的机械强度的危险。
换句话来表达本发明的加速度传感器，在质量部的每个侧壁和厚壁边框的每个内壁的至少一方上，由通过弹性支撑臂连接在该壁上的部位的平面和该壁与对应于该壁的底面之间的交线，与对应于该壁的底面所形成的角度为80°或更大并小于90°。最好是在质量部的每个侧壁上，通过弹性支撑臂连接在该壁上的部位和该壁与对应于该壁的底面之间的交线的平面，与对应于该壁的底面所形成的角度为80°或更大并小于90°，而且在厚壁边框的每个侧壁上，通过弹性支撑臂连接在该壁上的部位和该壁与对应于该壁的底面之间的交线的平面，与对应于该壁的底面所形成的角度为80°或更大并小于90°。
进而换句话来表达本发明的加速度传感器，质量部的每个侧壁和厚壁边框的每个内壁的至少一方与对应于该壁的底面所形成的角度为80°或更大并小于90°。最好是，质量部的每个侧壁与对应于该壁的底面所形成的角度为80°或更大并小于90°，而且厚壁边框的每个内壁与对应于该壁的底面所形成的角度为80°或更大并小于90°。
附图说明
图1是表示本发明的实施例的加速度传感器的俯视图；
图2是沿图1中的II-II线截取的图1中的加速度传感器的剖视图；
图3是表示本发明的加速度传感器中弹性支撑臂的长度与侧壁和内壁对底部的角度之间的关系的曲线图；
图4是表示本发明的加速度传感器的灵敏度与弹性支撑臂的长度之间的关系的曲线图；
图5是说明当加速度沿X轴(Y轴)方向作用时加速度传感器的变形的示意图；
图6示出用来测量沿X轴(Y轴)方向的加速度的桥形电路之一例；
图7是说明当加速度沿Z轴方向作用时加速度传感器的变形的示意图；
图8示出用来测量沿X轴方向的加速度的桥式电路之一例；
图9A至图9E是本发明的实施例的加速度传感器的制造过程的说明图；
图10A至图10D是根据本发明的另一个实施例的加速度传感器的剖视图；
图11是表示在日本专利公开中所公开的加速度传感器的俯视图；
图12是沿图11中的XII-XII线截取的图11中的加速度传感器的剖视图；以及
图13是图11中的加速度传感器的透视图、
具体实施方式
将参照图1和图2来说明本发明的一个实施例的加速度传感器。图1是该加速度传感器的俯视图，图2是沿图1中的II-II线截取的剖视图。
本发明的加速度传感器采用带有经由SiO2绝缘层形成的SOI层的单晶硅基片，也就是SOI晶片，以便有可能高精度地控制弹性支撑臂的厚度。SOI是Silicon On Insulator(绝缘体上硅)的缩写。在本例中，用通过在厚度大约625μm的Si晶片，其上形成厚度大约10μm的N型单晶硅层，上薄薄地形成作为抗蚀剂(大约1μm)的SiO2绝缘层而形成的晶片作为基片。在本实施例的加速度传感器100中，在具有与边框110同一尺寸的方形单晶硅基片中造成四个L字形通孔150，借此形成在中央的质量部120、环绕它的厚壁边框110，以及配置于它们之间的支撑臂，并且通过使支撑臂部分减薄来制成弹性支撑臂131、132、133和134。加速度传感器100有应变片(在以下说明中，作为应变片的例子采用“压电电阻”，因而它们将称为“压电电阻”)11、12、…、33、34，这些应变片配置在弹性支撑臂上以便对应于两个正交检测轴(X轴和Y轴)和一个垂直于加速度传感器顶面的检测轴(Z轴)，每个轴四个应变片。也就是说，在沿X轴方向延伸的弹性支撑臂131和133上分别设置压电电阻对11和12，及13和14以便检测沿X轴方向的加速度。在沿Y轴方向延伸的弹性支撑臂132和134上分别设置压电电阻对21和22，及23和24以便检测沿Y轴方向的加速度。进而，在沿X轴方向延伸的弹性支撑臂131和133上分别设置压电电阻对31和32，及33和34以便检测沿Z轴方向的加速度。在本例子中，沿Z轴方向的加速度由设置在弹性支撑臂131和133上的压电电阻来检测，但是检测沿Z轴方向的加速度的元件可以设置在弹性支撑臂132和134上。用来检测沿每个轴方向的加速度的四个压电电阻构成单独的整桥检测电路。
主要参照图2，将说明垂直于加速度传感器顶面的截面形状。在加速度传感器100中，质量部120的截面形状和厚壁边框110的截面形状从弹性支撑臂131和133连接的顶面向底面以角度θ逐渐扩展。由于质量部的侧壁123和厚壁边框的对峙于质量部的内壁113各有相对于底面122和1 12的角度θ，所以弹性部131和133的长度可以加长。
为了说明，在图2中，加速度传感器外边框110一边的长度为w，质量部120在其顶面上的边长为f，在其底面上的边长为f′，中间高度的长度为f″，每个弹性支撑臂131和133的长度为k，厚壁边框110在其顶面上的宽度为j，而在其底面上的宽度为j′。厚壁边框的一边w是质量部120顶面边长f、弹性支撑臂长度k的两倍长度、以及边框部顶面宽度j的两倍长度的总和。由于质量部的侧壁123以相对于底面122的一定角度扩展，所以很好地保持f＜f″＜f′，而由于厚壁边框110的内壁113以相对于底面112的一定角度扩展，所以很好地保持j＜j′。
如果质量部120底面处的边长f′固定，则质量部的侧壁123相对于底面122具有一个角度θ，致使质量部顶面的边长f变短。如果厚壁边框110的下表面宽度j′固定，则厚壁边框的内侧壁113相对于底面112具有角度θ，致使厚壁边框底面上的宽度j变短。如果加速度传感器的厚壁边框的一边的长度w固定，则质量部的侧壁和边框部的内壁相对于底面具有角度θ，致使质量部的顶面边长f和边框的底面宽度i变短，从而弹性支撑臂的长度按同样程度变长。
当质量部的侧壁123和厚壁边框的内壁113以角度θ向底面122和112倾斜时，质量部中间高度处的边长f″固定致使保持质量部120的质量大致与其中侧壁123不倾斜的场合的质量相同。而且质量部120的侧壁123以中心高度处的边的端点为中心倾斜以便缩短质量部的顶面的边长f并加大质量部底面的边长f′。即使内壁113倾斜而厚壁边框110的体积改变，也不影响加速度传感器的检测灵敏度，因而内壁113在厚壁边框的底面宽度f′固定时倾斜而相对于底面112成角度θ。当质量部120的侧壁123和厚壁边框110的内壁113相对于底面122和112以角度θ倾斜时，质量部的顶面边长f和厚壁边框的顶面宽度j变小，因而即使加速度传感器的边长w固定，弹性支撑臂131和133的长度k也以该程度变长。
图3示出在用厚度625μm的硅晶片制成的加速度传感器中，当质量部的侧壁和厚壁边框的内壁各以相对于其底面倾斜的角度θ从90°变化到81°时，弹性支撑臂的长度(相对值)与侧壁和内壁相对于其底面的倾斜角θ之间的关系。在用厚度625μm的硅晶片制成的加速度传感器中，在其顶面上的弹性支撑臂的厚度大约为10μm，因而质量部和厚壁边框的高度变成大致625μm。于是，当侧壁和内壁相对于底部的倾斜角θ减小到84°时，如果质量部的底面边长固定则弹性支撑臂的长度可以加长大约130μm。如果假定加速度传感器，其中质量部的侧壁和厚壁边框的内壁垂直于其底面，的弹性支撑臂的长度k为400μm，则弹性支撑臂的长度变成大约1.3倍。弹性支撑臂的长度对加速度传感器的灵敏度的影响如图4中所示正比于弹性支撑臂的长度。在本实施例中，弹性支撑臂的长度可以增加30％，因而检测灵敏度可以提高大约30％。
当在质量部的中间高度处侧壁长度固定并且质量部侧壁以边端为中心倾斜而相对于其底面成小到84°的角度θ以便固定质量部的质量时，弹性支撑臂的长度可以加大大约100μm。如果当侧壁垂直时弹性部的长度k为400μm，则每个弹性支撑臂的长度变成大约1.25倍。
在以上说明中，质量部的侧壁和边框的内壁以同一角度倾斜，但是当然可以使质量部侧壁的角度与厚壁边框内壁的角度不同，即使使它们不同也可以得到本发明的上述效果。
最好是质量部的侧壁和边框的内壁各倾斜80°或更大但小于90°。在通过干式蚀刻形成侧壁时很难使倾斜角小于80°。如果使倾斜角小于80°，则在弹性支撑臂与侧壁之间形成的缺口在弹性支撑臂连接的侧壁部位处加深，而在该部位机械强度可能降低。显然最好是使倾斜角小于90°，更好的是使它小于88°。如果使它小于88°，则弹性支撑臂的长度加大到1.1倍。
下面将说明设在弹性支撑臂上的压电电阻的功能。沿X轴方向延伸的弹性支撑臂131和133设有用来测量沿X轴方向的加速度的压电电阻11和12，以及13和14。沿Y轴方向延伸的弹性支撑臂132和134设有用来测量沿Y轴方向的加速度的压电电阻21和21，以及23和24。沿X轴方向延伸的弹性支撑臂131和133设有用来测量沿Z轴方向的加速度的压电电阻31和32，以及33和34。
当沿X轴方向的加速度作用于质量部120时，一个力Fx作用于质量部120的重心，因而如图5中所示，质量部顶面的左侧向下倾斜而其顶面的右侧向上倾斜。结果，弹性支撑臂131上的压电电阻11拉伸，而压电电阻12压缩。因而，在图6中的电路中，压电电阻11的电阻表示成R11而压电电阻12的电阻表示成R12，在图5中为了便于理解电阻器11和12分别表示成R11和R12而拉伸和压缩分别用“+”和“-”表示。在图5和图7中，采用类似的表示。在弹性支撑臂133上的压电电阻13拉伸，压电电阻14压缩。由于压电电阻像这样拉伸和压缩，所以电阻R11、R12、R13和R14变化。当压电电阻组成整桥电路并如图6中所示对其施加恒定电压Vin时，可以根据输出电压Vout来测量压电电阻的电阻变化。关于沿Y轴方向的加速度，可以与沿X轴方向同样地考虑沿Y轴方向延伸的弹性支撑臂。
当沿Z轴方向的加速度作用于质量部120时，作用一个力Fz，而质量部120顶面的左侧和右侧如图7中所示向上运动。结果，弹性支撑臂131上的压电电阻31压缩，而压电电阻32拉伸。同样，弹性支撑臂133上的压电电阻33拉伸而压电电阻34压缩。当压电电阻的电阻R11、R12、R13和R14组成整桥电路并如图8中所示对其施加恒定电压Vin时，可以根据输出电压Vout来测量压电电阻的电阻变化。最好是改变用来检测沿X轴方向的加速度的桥式电路中的接线，以用来检测沿Z轴方向的加速度的桥式电路中电阻的接线，因而可以利用其他压电电阻。
下面将说明本实施例的加速度传感器的制造方法。图9A至9E示出图1中沿X轴方向的截面(II-II截面)的一部分(左半)以便说明主要过程。如上所述，一个SOI晶片是Si单晶基片，如图9A中用标号所示，由一个Si基片60、一个在顶面上的作为Si活性层的SOI层80、和一个在Si基片60与SOI层80之间并用作抗蚀剂的SiO2层70构成。关于它们的厚度，Si基片60具有625μm的厚度，SiO2层具有1μm的厚度而SOI层具有大约10μm的厚度。
制造过程的第1步在SOI层80的表面上用光刻胶或热氧化SiO2膜之类形成预定形状的图形并用通过诸如离子注入等杂质扩散工艺扩散的硼形成压电电阻11和12(图9A)。作为表面杂质密度，根据温度特性和灵敏度的考虑取为大约2×1018原子/cm3。
接着，为了保护压电电阻11和12，制成一个保护膜41(图9B)。作为保护膜41，采用在半导体技术中常用的SiO2和PSG(磷硅玻璃)的多层膜具有对可动离子的吸收效果。代替SiO2和PSG的双层膜，也可以采用SiO2和SiN的双层膜。最好是使该保护膜41的厚度尽可能薄以便通过提高灵敏度来减少应力，因而制成0.3μm至0.5μm。
接着，通过用氢氟酸作为主要成分的湿式蚀刻在压电电阻11和12两端在保护膜41中形成用来连接电极的通孔40a(图9C)。
接着，通过溅射形成电极接线，一种铝合金(主要成分是铝、铜、硅之类)。厚度为0.3μm至0.5μm。通过光刻形成引线电极(图9D)。
接着，虽然未画出，通过干式蚀刻法之类来蚀刻SOI层80以便形成通孔150到图1中所示的薄部。
接着，在基片60上在背面以质量部120和边框110的形状形成抗蚀剂掩模，同时表面上的压电电阻11和12、到SOI层80的通孔图形150之类借助于双面对准装置对位，基片60通过干式蚀刻法来蚀刻，而SiO2层70作为抗蚀剂通过湿式蚀刻来去除(图9E)。在干式蚀刻步骤中，在侧壁和内壁交替重复时蚀刻工艺主要用SF6气体而工艺粘合聚合物主要包含C4F8气体。作为蚀刻SiO2层的蚀刻溶液，采用带缓冲剂的氢氟酸。虽然弹性支撑臂131、132、133和134在干式蚀刻过程中形成，但是在某些情况下最好是作为抗蚀剂保留SiO2层70而不去除它以便保持整个应力的平衡，作为弹性支撑臂形成SiO2层和硅层的叠层，而一部分SiO2层70可以作为抗蚀剂保留在弹性支撑臂的背侧。
此后，在晶片上所形成的一组加速度传感器通过用切块机之类逐个切成传感器芯片，并通过封装之类组装工艺完成半导体加速度传感器。
根据本发明的加速度传感器，有可能在保持中央的质量部120的体积的同时增加弹性支撑臂的长度到1.3倍而不改变芯片尺寸，借此传感器的灵敏度可以提高大约30％。
根据本发明的另一个实施例的加速度传感器以剖视图示于图10A至10D。用同一标号表示与上述实施例中相同的部分。在图10A中所示的加速度传感器100中，质量部侧壁123和边框侧壁113形成为具有凹形曲面。在图10B中所示的加速度传感器100中，质量部侧壁123和边框内壁113形成为具有凸形曲面。在图10C中所示的加速度传感器100中，质量部侧壁123和边框内壁113形成为阶梯形。在图10D中所示的加速度传感器100中，质量部侧壁123和边框内壁113形成为具有多重曲面。
即使质量部120和厚边框110的侧壁123和113为如图10A至10D中所示的带凸度和凹度的形状，只要由通过侧壁123或内壁113上弹性支撑臂131和133连接的部位和侧壁123或内壁113与对应的底面122或112的交线125或115的平面(例如128)，与底面122或112所形成的角度θ为80°至90°就可以了。
如上所述，结果质量部或厚壁边框的横截面可以在底面侧比连接于弹性支撑臂的顶面侧加大，即使边框尺寸相同也可以加大弹性支撑臂的长度，而且质量部的体积可以加大，于是使得有可能提供紧凑而薄的具有高灵敏度的加速度传感器。
Claims (18)
1.一种加速度传感器，包括：
一个质量部，设置于加速度传感器的中央并具有顶面和对峙于该顶面的底面；
一个厚边框，以离开该质量部预定距离环绕该质量部并具有顶面和对峙于该顶面的底面；
一组弹性支撑臂，每个从质量部的顶面的一个边缘伸出，连接质量部的顶面边缘和厚边框顶面的一个内缘并把质量部悬架于厚边框内侧；以及一组配置于弹性支撑臂上的应变片，
其中质量部和厚边框的至少一方具有从各自的顶面向各自的底面扩展宽度的垂直于各自的顶面的横截面。
2.如权利要求1中所述的加速度传感器，其中质量部具有从其顶面向其底面扩展宽度的垂直于其顶面的横截面，并且厚边框具有从其顶面向其底面扩展宽度的垂直于其顶面的横截面。
3.如权利要求1中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由单晶硅制成。
4.如权利要求1中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由SOI晶片制成而该组弹性支撑臂由SiO2层或SiO2层与硅层的叠层构成。
5.如权利要求2中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由单晶硅制成。
6.如权利要求2中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由SOI晶片制成而该组弹性支撑臂由SiO2层或SiO2层与硅层的叠层构成。
7.一种加速度传感器，包括：
一个质量部，设置于加速度传感器的中央并具有顶面、对峙于该顶面的底面和一组在顶面与底面之间环绕该质量部的侧壁；
一个厚边框，离开该质量部预定距离并环绕该质量部，并具有顶面、对峙于该顶面的底面和在厚边框的顶面与底面之间面对质量部的厚边框的内表面上的内壁；
一组弹性支撑臂，每个从质量部的顶面的一个边缘伸出，连接质量部的顶面边缘和在厚边框的内壁上厚边框顶面的一个内缘并将质量部悬架于厚边框内侧；以及
一组配置于弹性支撑臂上的应变片，
其中质量部的每个侧壁和厚边框的每个内壁的至少一方上，通过每个弹性支撑臂连接在该壁上的部位和该壁与对应于该壁的底面之间的交线的平面，与对应于该壁的底面成80°或多达90°的角。
8.如权利要求7中所述的加速度传感器，其中在质量部的每个侧壁上，通过每个弹性支撑臂连接在该壁上的部位和该壁与对应于该壁的底面之间的交线的平面，与对应于该壁的底面成80°或多达90°的角；在厚边框的每个侧壁上，通过每个弹性支撑臂连接在该壁上的部位和该壁与对应于该壁的底面之间的交线的平面，与对应于该壁的底面成80°或多达90°的角。
9.如权利要求7中所述的加速度传感器，其中质量部的每个侧壁和厚边框的每个内壁的至少一方与对应于该壁的底面成80°或多达90°的角。
10.如权利要求9中所述的加速度传感器，其中质量部的每个侧壁与对应于该壁的底面成80°或多达90°的角而且厚边框的每个内壁与对应于该壁的底面成80°或多达90°的角。
11.如权利要求7中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由单晶硅制成。
12.如权利要求7中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由SOI晶片制成而该组弹性支撑臂由SiO2层或SiO2层与硅层的叠层构成。
13.如权利要求8中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由单晶硅制成。
14.如权利要求8中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由SOI晶片制成而该组弹性支撑臂由SiO2层或SiO2层与硅层的叠层构成。
15.如权利要求9中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由单晶硅制成。
16.如权利要求9中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由SOI晶片制成而该组弹性支撑臂由SiO2层或SiO2层与硅层的叠层构成。
17.如权利要求10中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由单晶硅制成。
18.如权利要求10中所述的加速度传感器，其中该加速度传感器由SOI晶片制成而该组弹性支撑臂由SiO2层或SiO2层与硅层的叠层构成。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002033696A JP2003232803A (ja) | 2002-02-12 | 2002-02-12 | 半導体型加速度センサ |
| JP33696/2002 | 2002-02-12 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1438487A true CN1438487A (zh) | 2003-08-27 |
| CN1273836C CN1273836C (zh) | 2006-09-06 |
Family
ID=27606561
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB031038204A Expired - Fee Related CN1273836C (zh) | 2002-02-12 | 2003-02-12 | 加速度传感器 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6662659B2 (zh) |
| EP (1) | EP1335206A3 (zh) |
| JP (1) | JP2003232803A (zh) |
| KR (1) | KR100499970B1 (zh) |
| CN (1) | CN1273836C (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102674240A (zh) * | 2012-05-29 | 2012-09-19 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种微机械传感器及其制作方法 |
| CN112093771A (zh) * | 2019-06-17 | 2020-12-18 | 芜湖天波光电技术研究院有限公司 | 一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法 |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6763719B2 (en) * | 2002-03-25 | 2004-07-20 | Hitachi Metals, Ltd. | Acceleration sensor |
| US7331230B2 (en) | 2003-12-24 | 2008-02-19 | Hitachi Metals, Ltd. | Semiconductor-type three-axis acceleration sensor |
| US20050249037A1 (en) * | 2004-04-28 | 2005-11-10 | Kohn Daniel W | Wireless instrument for the remote monitoring of biological parameters and methods thereof |
| JP2006177823A (ja) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Oki Electric Ind Co Ltd | 加速度センサ |
| WO2006114832A1 (ja) * | 2005-04-06 | 2006-11-02 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 加速度センサ |
| EP2899502B1 (en) | 2006-01-24 | 2017-04-05 | Panasonic Corporation | Inertial force sensor |
| US20080041156A1 (en) * | 2006-07-05 | 2008-02-21 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Semiconductor acceleration sensor |
| JP2008032704A (ja) * | 2006-07-05 | 2008-02-14 | Oki Electric Ind Co Ltd | 半導体加速度センサ |
| US7845229B2 (en) * | 2006-08-11 | 2010-12-07 | Rohm Co., Ltd. | Acceleration sensor |
| US20090223292A1 (en) * | 2006-09-28 | 2009-09-10 | Hitachi Metals, Ltd. | Acceleration sensor |
| JP2008224254A (ja) * | 2007-03-08 | 2008-09-25 | Oki Electric Ind Co Ltd | センサ装置、センサ装置の製造方法 |
| KR101119283B1 (ko) * | 2009-12-22 | 2012-06-05 | 삼성전기주식회사 | 관성 센서 및 그 제조 방법 |
| TWI414478B (zh) * | 2010-09-09 | 2013-11-11 | Domintech Co Ltd | 可同時量測加速度及壓力之微機電感測器 |
| DE102012207939A1 (de) * | 2012-05-11 | 2013-11-14 | Robert Bosch Gmbh | Federnder Anschlag für Beschleunigungssensor |
| KR101381653B1 (ko) | 2012-06-22 | 2014-04-04 | 전자부품연구원 | 압력 및 전단력 측정이 가능한 변형 측정 센서 및 그 구조물 |
| EP3368923B1 (en) | 2015-10-30 | 2023-12-27 | TGS-NOPEC Geophysical Company | Multi-axis, single mass accelerometer |
| TW201728905A (zh) * | 2016-02-03 | 2017-08-16 | 智動全球股份有限公司 | 加速度計 |
| JP2019030220A (ja) * | 2018-08-09 | 2019-02-21 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 発電素子 |
| US11204365B2 (en) | 2018-09-13 | 2021-12-21 | Ion Geophysical Corporation | Multi-axis, single mass accelerometer |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63169078A (ja) | 1987-01-06 | 1988-07-13 | Nippon Denso Co Ltd | 半導体振動・加速度センサ |
| JPH06148229A (ja) * | 1992-11-04 | 1994-05-27 | Fujikura Ltd | 半導体加速度センサ |
| JP3391841B2 (ja) * | 1993-05-26 | 2003-03-31 | 松下電工株式会社 | 半導体加速度センサ |
| JPH0783667A (ja) * | 1993-09-14 | 1995-03-28 | Toshiba Corp | 角速度センサ |
| JP3290047B2 (ja) * | 1995-03-15 | 2002-06-10 | 松下電工株式会社 | 加速度センサ及びその製造方法 |
| FR2742230B1 (fr) * | 1995-12-12 | 1998-01-09 | Sextant Avionique | Accelerometre et procede de fabrication |
| JPH10335674A (ja) * | 1997-05-28 | 1998-12-18 | Matsushita Electric Works Ltd | 加速度センサ及びその製造方法 |
| JP3473462B2 (ja) * | 1998-11-25 | 2003-12-02 | 松下電工株式会社 | 半導体加速度センサ及びその製造方法 |
-
2002
- 2002-02-12 JP JP2002033696A patent/JP2003232803A/ja active Pending
-
2003
- 2003-02-03 EP EP03002164A patent/EP1335206A3/en not_active Withdrawn
- 2003-02-04 US US10/357,408 patent/US6662659B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2003-02-12 KR KR10-2003-0008738A patent/KR100499970B1/ko not_active IP Right Cessation
- 2003-02-12 CN CNB031038204A patent/CN1273836C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102674240A (zh) * | 2012-05-29 | 2012-09-19 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种微机械传感器及其制作方法 |
| CN102674240B (zh) * | 2012-05-29 | 2015-06-24 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种微机械传感器及其制作方法 |
| CN112093771A (zh) * | 2019-06-17 | 2020-12-18 | 芜湖天波光电技术研究院有限公司 | 一种单轴高冲击加速度传感器及其制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20030068437A (ko) | 2003-08-21 |
| US6662659B2 (en) | 2003-12-16 |
| JP2003232803A (ja) | 2003-08-22 |
| CN1273836C (zh) | 2006-09-06 |
| EP1335206A3 (en) | 2004-04-28 |
| EP1335206A2 (en) | 2003-08-13 |
| US20030150269A1 (en) | 2003-08-14 |
| KR100499970B1 (ko) | 2005-07-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1273836C (zh) | 加速度传感器 | |
| JP3126467B2 (ja) | 圧力または加速度センサ | |
| CN100351631C (zh) | 加速度传感器 | |
| US6892579B2 (en) | Acceleration sensor | |
| CN1816747A (zh) | 单测试质量块的三轴mems传感器 | |
| US5239870A (en) | Semiconductor acceleration sensor with reduced cross axial sensitivity | |
| CN101038298A (zh) | 对称直梁结构电容式微加速度传感器及其制作方法 | |
| CN1682116A (zh) | 在加速度计中减小偏移 | |
| CN110389237A (zh) | 一种面内双轴加速度传感器芯片及其制备方法 | |
| EP1517151B1 (en) | Acceleration sensor | |
| CN1409118A (zh) | 加速度传感器 | |
| CN1748146A (zh) | 加速度传感器以及倾斜检测方法 | |
| US6763719B2 (en) | Acceleration sensor | |
| US9146254B2 (en) | Dynamic sensor | |
| CN100422697C (zh) | 加速度传感器 | |
| JPH08211091A (ja) | 半導体加速度検出装置 | |
| JP2002529684A (ja) | 歪み測定器 | |
| CN1142438C (zh) | 深沟侧壁扩散和电绝缘薄膜填充制造压阻加速度传感器及其制造方法 | |
| CN201589787U (zh) | 一种电容式双向微惯性传感器 | |
| JP2006295149A (ja) | 機械・電気変換器とその製造方法 | |
| JP2006284441A (ja) | 物理量センサおよび物理量センサの検出方法 | |
| JP2003315357A (ja) | 半導体加速度センサ素子 | |
| JPH06241793A (ja) | 傾斜センサ | |
| JPH06201724A (ja) | 加速度センサ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20060906 Termination date: 20170212 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |