CN1677056A - 惯性传感器 - Google Patents

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Abstract

一种惯性传感器，包括：传感部分，其具有由梁支撑的配重，该配重是可运动部分；以及限制配重的可运动范围的配重止动件，该配重止动件以给定间距设置在配重的附近，并成为利用MEMS技术所加工的惯性传感器的衬底的一部分。

Description

惯性传感器
技术领域
本发明涉及一种惯性传感器，更具体地涉及一种具有优异耐冲击性的惯性传感器，例如加速度传感器和回转仪。
背景技术
近年来，随着采用MEMS(微机电系统)技术的微型制造技术的发展，诸如加速度传感器和回转仪的惯性传感器已经变得更小型化、更加复杂且价格更低。在上述背景下，希望作为MEMS装置的惯性传感器能用于汽车导航系统、汽车气囊控制、避免照相机或者可携式摄像机的晃动、移动电话、机器人姿势控制、用于游戏的手势输入识别以及检测HDD旋转和施加在HDD上的冲击。希望惯性传感器用于检测运动的各种装置中。
有时不希望的大冲击施加在检测运动的装置上。因此，该大冲击可能会施加在安装于上述装置上的惯性传感器上。例如，对于用于汽车(例如，车辆气囊)的惯性传感器，如果汽车变形或者倾覆，则有可能会施加在正常行驶期间不会产生的大冲击。如果移动装置被错误地停止，则可容易地想象该大冲击。如果用户粗暴地操作游戏用游戏操控台，则会给游戏操控台施加极大的冲击。上述意外的和不希望的冲击被认为是3000G或5000G，因此安装在上述装置上的惯性传感器需要大的耐冲击性。普通的惯性传感器具有包括配重的基本结构，所述配重为由梁悬挂的可运动部分。在意外地向装置施加大冲击的情况下，存在一个已知的问题，即，梁会被明显扭曲或者损坏，并且该装置不再起到传感器的作用。日本专利申请公开No.2000-187041(以下称之为文献1)描述了如何解决上述问题。
在文献1中披露的电容加速度传感器包括设置在绝缘保护盖上以夹着可运动部分的保护器。如果施加大冲击并且可运动部分撞击绝缘保护盖，则可运动部分被构成为不会被该冲击损坏。根据文献1，如果其上安装有传感器的装置下落，则该保护器保护加速度传感器不会损坏可运动部分或者发生加速度测量的故障。
但是文献1披露的加速度传感器旨在解决具有如下结构的加速度传感器的这个问题，其中“质量主体4a可以借助梁4c通过玻璃衬底6和7以及硅衬底1之间的界面被平行地支撑并可以移位”(参见文献1的第0005段)。另外，该加速传感器具有如下结构，其中“支撑质量主体4Aa的梁具有与其厚度成比例的窄宽度，并且质量主体4Aa被构成为难以朝着玻璃衬底6A和7A移位”(参考文献1的第0026段)。可运动部分的可运动空间限制于基本与玻璃衬底6和7以及硅衬底1之间的界面平行的二维空间。
另外，“在面对玻璃衬底6A中的质量主体4Aa的凹入部分4Ab的表面上，形成深度大致是15μm的凹入部分6Aa。通过气相蒸发来涂布厚度大致为5μm的铝层8作为抵抗冲击的保护器”(参考文献1的第0027段)。如此获得的加速器传感器在其上安装有该传感器的设备下落的情况下，不可能使其可运动部分受到损害，并且变得不能测量加速度。即，文献1所披露的加速度传感器中设置的保护器被设置在玻璃衬底上，在加速器传感器正常操作期间其上的可运动部分不会移位。这存在一个问题，即，在文献1中披露的发明不能用于这样的惯性传感器，当可运动部分在正常操作中三维运动时该惯性传感器提供主要的功能。
发明内容
本发明的基本目的是提供一种诸如加速度传感器或者回转仪的惯性传感器，它具有在三维内运动的可运动部分。
本发明更具体的目的在于提供一种惯性传感器，它可以增强其耐冲击性，并且不会使得可运动部分被损坏或者不能测量加速度。
根据本发明的一个方面，优选地，提供了一种具有由梁支撑的配重的传感部分，该配重为可运动部分；以及限制配重的可运动范围的配重止动件，该配重止动件以给定间距设置在配重的附近，并成为用于利用MEMS技术加工的惯性传感器的衬底的一部分。
利用MEMS技术加工的配重止动件设置在传感部分的附近。因此，配重止动件能够限制配重的运动，并防止该配重运动超过可以由传感器所感测的可运动范围。此外，即使在意外地向该传感器施加大冲击的情况下，配重止动件也能够防止梁明显地扭曲或者损坏。
附图说明
以下将参考附图详细地描述本发明的优选实施例，其中：
图1A是传感部分的立体图；
图1B是图1A中所示的传感部分的平面图；
图1C是安装在玻璃衬底上的传感部分的截面图；
图2A至2D示意性地显示出配重止动件的形状，它们通过MEMS技术设置在SOI衬底的硅膜上；
图3A和3B详细显示了配重止动件的结构；
图4A至4F显示了在SOI衬底的硅膜上制造配重止动件的过程；
图5A至5E显示了图4A至4F所示的过程之后的过程；
图6是显示间距确定的原理以及配重在沿竖直轴的位移和沿水平轴施加在梁上的负载之间关系的图表；
图7A和7B是装备有设置在包装中盖罩的内表面以及腔室底表面上的配重止动件的惯性传感器的截面图；
图8A和8B是传感部分的截面图，其利用粘合剂固定在硅或者玻璃衬底上并结合在包装中；
图9是传感部分和下止动件的截面图；
图10显示了设置在配重止动件边缘上以预先提供间距的凸起；
图11显示了设置在传感部分周围的伪凸起(dummy bump)；
图12A显示了根据本发明一个方面的回转仪的传感部分；以及
图12B示意性地显示了具有图12A所示的传感部分并且包括在包装中的回转仪。
具体实施方式
以下将参考附图描述本发明的实施例。
本发明的惯性传感器包括传感部分，该传感部分通过MEMS技术加工硅衬底而成形。该传感部分安装在诸如玻璃衬底的固定部件上，并被气密地密封在包装中以用作一装置。
图1A至1C示意性地显示了惯性传感器的主要组成部分。图1A是传感部分的立体图。图1B是传感部分的平面图。图1C是安装在玻璃衬底上的传感部分的截面图。
参考图1A至1C，惯性传感器包括SOI衬底10、压电电阻器11、配重12、梁13、框架14以及玻璃衬底15。SOI衬底10形成惯性传感器的传感部分。压电电阻器11通过稍后将详细描述的过程而形成在SOI衬底10中。配重12是传感部分的可运动部分。梁13支撑配重12的运动。框架14支撑梁13，并保持配重12。作为可运动部分的配重12的运动导致梁13扭转或者弯曲，并改变设置在梁13上的压电电阻器11的电阻值。可以获得作为由惠斯登电桥输出的电信号的电阻值的改变。附图标记W表示间隙，w表示梁13的宽度，T表示配重12的厚度，而t表示梁13的厚度。
为了改善其中由梁13支撑配重12的惯性传感器的耐冲击性，可以考虑几种方法。例如，提高梁13的强度，或者将梁13所支撑的配重12设计为具有更小的重量，以减少施加在梁13上的机械负载。
但是通常，耐冲击性与传感器灵敏度成反比。耐冲击性的提高会降低传感器的灵敏度。例如，在梁13具有更高的厚度、更大的宽度或者更短的长度以提高梁的机械强度的情况下，配重12会在正常操作中具有不灵敏的运动。这仅会导致梁13上所设置的压电电阻器11的电阻值的较小的改变，因此降低了传感器的灵敏度。使用具有较小重量的配重12会导致类似的问题。
为了避免上述缺陷以及实现具有优异耐冲击性的惯性传感器，惯性传感器包括配重止动件，以将配重12限制在本发明的给定的可运动范围内。该止动件对配重12在传感器的规定传感范围之外的运动进行限制。因此，可以避免由意外的大振动而损坏或者扭转梁以及丧失传感功能的问题。优选地，利用MEMS技术来制造配重止动件，并将其设置在传感部分的附近。
以下将描述包括在本发明惯性传感器中的配重止动件的实施例。
图2A至2D示意性地显示了在利用MEMS技术将上述配重止动件成形为SOI衬底的硅膜的一部分的情况下配重止动件的形状。配重止动件16部分地覆盖在用于支撑梁13的框架14和配重12之间的间隙，并从框架14朝着配重12延伸。配重止动件16以给定的间距(例如，5μm)布置在配重12的上方。当向配重12施加冲击并且配重12开始运动而且超过初始的可运动范围时，配重止动件16使配重12的运动停止。需要指出，图2A至2D显示了配重止动件16的示例性结构，它可以考虑关于MEMS过程的几个条件、配重所需限制的运动等来设计。如显示了图2A中虚线所标出部分的放大视图的图2D所示，可以设置柱状部分16′以提高配重止动件16的某些部分的强度。
图3A和3B详细地显示了配重止动件的结构。更具体地，图3A是图2B中所示的配重止动件16和配重12的立体图，而图3B是沿着图2B中的A-A线剖取的截面图。参考图3A，在配重12面对配重止动件16的部分中设置有修切部分(trimmed portion)。该修切部分的深度确定了所述间距。图3B显示了修切部分所限定的间距。利用MEMS技术将配重12和框架14一体地形成在诸如结合的SOI晶片的SOI衬底上。配重止动件16从由SOI衬底的上硅晶体层形成的框架14水平延伸，并以间距d覆盖部分框架。图2A和2C中所示的配重止动件也分别具有类似的间距，这里省略对图的描述。
只要配重12在小于与传感器的动态范围相对应的间距d的可运动范围内运动，则配重止动件16就不会限制配重12的运动。在向传感器施加冲击并且配重12运动超过了等于或者大于间距d的可运动范围的情况下，配重止动件16限制配重12的运动以防止传感器损坏。
现在，将描述本发明的惯性传感器的制造过程的示例。
图4A至4F以及图5A至5E显示了其中通过SOI衬底的硅膜形成配重止动件的制造过程。参考图4A，制备直径为4英寸的SOI衬底10，它具有Si(15μm)/SiO2(1μm)/Si(500μm)的层结构。如图4B所示，SOI衬底10的主表面(厚度为15μm的硅膜)被氧化以形成氧化膜21，并且在给定区域中设置用于离子植入的开口。氧化膜21和抗蚀剂(未显示)设置在氧化膜21上，并用于作为进行硼的离子植入的掩模，以提供作为压电电阻器11的硼扩散区域。然后，将衬底10在800-1300℃进行热处理以再次进行热氧化，从而可以形成比氧化膜21更厚的氧化膜22。
然后如图4C所示，在氧化膜22中与压电电阻器11的互连触点相对应的区域中形成开口。然后，通过开口将硼离子植入所述区域中以补偿互连触点。然后，将衬底10在氮气气氛中在800-1300℃进行退火，以避免压电电阻器中的泄漏。然后，通过DC磁控管溅射而在整个表面上生长Al-Si合金膜。利用5μm的最小特征宽度进行等放大的接触曝光。通过以氯气进行活性离子蚀刻(RIE)来形成图案而形成互连线(interconnection)24。
参考图4E，通过CVD利用TEOS作为源材料来沉积氧化膜25，以保护在互连线24中的Al，并且通过RIE利用CF4气体形成用于引线接合垫的开口。参考图4F，在整个表面上蒸发Au(300nm)/Ti(150nm)的层合薄膜，并进行剥离(lift off)，从而形成如此形成图案的Al垫保护层26。
以下将参考图5A，通过使用RIE过程蚀刻10μm的硅表面部分以形成止动件，并且通过以方框形状蚀刻来除去在给定区域中的SiO2。
参考图5B，通过蚀刻氧化膜25、作为SOI衬底10的主表面的硅层(15μm)以及SiO2层(1μm)，来形成梁13。
参考图5C，在形成梁之后，在两侧上进行对准曝光，并通过RIE蚀刻大约500μm的硅衬底，以形成垂直度为90±1度的配重12和配重止动件16。另外，利用H2SO4以及H2O2的混合溶液在阳极接合之前进行清洁。
在与硅衬底具有同样的热膨胀系数的玻璃衬底27上沉积厚度为200nm的Cr层28。在玻璃衬底27和传感部分17之间进行阳极接合。在阳极接合之后，在氮气气氛中烧结衬底。因此，在SOI衬底10上获得如图5D所示的多个传感部分17。
最后，如图5E所示，通过切割将衬底分成小片，每个小片具有传感部分17。然后，将具有传感部分17的每个小片装在包装18中。设置在包装18的外表面上的互连线29通过线30与Al垫保护层26相连。盖罩19设置成气密地密封包装18。因此，制造出惯性传感器。
在配重止动件和传感器部分(配重)之间的窄间隙(间距)提高了耐冲击性。但是，这会导致配重12的窄的可运动范围，并减少传感器的动态范围。与窄间隙相反，宽间隙(间距)加宽了配重12的可运动范围。但是，如果可运动范围过宽，则配重止动件不会有效地工作，并且不能获得所希望的耐冲击性。因此，在配重止动件与传感部分之间的间距被确定为满足传感器的动态范围以及所需要的耐冲击性。
图6是显示间距确定原理以及在配重12(沿着竖直轴)的位移与(沿着水平轴)施加在梁14上的负载之间关系的图表。间距的设定依赖于传感器所需的最大动态范围以及和与耐冲击性的规格相对应的配重12的位移。将所述间距设计为落在满足上述两个因素的范围内。在上述设计的间距中，配重位移等于或者大于最大动态范围，而耐冲击性等于或者小于耐冲击性规格。优选地，将间距设定为尽可能地窄。如果间距被设定为比所需的宽，则配重会由于意外的冲击而开始运动，并在配重止动件限制该运动之前极大地加速。如果配重撞击配重止动件，则配重会被损坏。
本发明旨在改善惯性传感器的耐冲击性，并部分地具有与前述文献1相同的目的。但是，本发明通过与文献1中所披露的不同的结构来实现目的，如下所述。
首先，文献1中披露的装置旨在减少在一对绝缘保护盖(包装)撞击可运动部分时的冲击。相反，本发明旨在防止配重撞击包装。通过限制作为可运动部分的配重的可运动范围来改善耐冲击性。文献1中所披露的装置包括设置在绝缘保护层上的保护器。相反，本发明除了包括保护盖之外还包括配重止动件。
第二，文献1在其0027段描述“在与玻璃衬底6A中质量主体4Aa的凸起部分4Ab相对的表面上，形成深度大致为15μm的凹入部分6Aa。通过气相蒸发来涂布厚度大致为5μm的铝层8，以作为抵抗冲击的保护器”。文献1所披露的装置包括通过普通方法(例如，气相蒸发)形成的用于保护器的铝层。相反，本发明包括采用MEMS技术的配重止动件。利用MEMS技术，在配重止动件的制造中采用了微制造技术。这使其能够通过精细加工来形成配重止动件。可以形成配重止动件，以改善具有高精度的耐冲击性，而不会损害传感器的灵敏度。
第三，文献1在段落0026中描述“支撑质量主体4Aa的梁具有与其厚度成比例的窄宽度，并且质量主体4Aa具有一种结构，其中质量主体4Aa难以朝着玻璃衬底6A和7A移位”。文献1中所披露的装置涉及一种具有如下机理的加速度传感器，其中质量主体在与包装表面相垂直的平面(x-y平面)上移位。起初，加速度传感器的质量主体难以沿着Z方向运动。但是，当施加冲击时，质量主体意外地沿着Z方向运动。为了提高加速度传感器的耐冲击性，将保护器设置在沿着Z方向定位的包装表面上。需要指出，起初，传感器难以沿Z方向运动。相反，本发明涉及一种具有三维移位的配重(质量主体)的惯性传感器。配重止动件设置成允许配重在传感器的动态范围内三维运动。
文献1在段落0026中描述“凸出部分4Ab作为止动件，以控制朝着玻璃衬底6A侧的位移”。上述止动件或者可运动部分的凸出部分与本发明的配重止动件完全不同。
除了图2A至2D所示的示例之外，本发明采用的配重止动件16具有变型和修改。
图7A是惯性传感器的截面图，其装备有设置在包装内的盖罩的内表面以及腔室的底表面上的配重止动件。传感部分17通过粘合剂20固定在包装18内的腔室的底表面上。盖罩19覆盖包装18。配重止动件16可以按照与图2A至2D相同的方式设置在包装内盖罩19的内表面上或者腔室的底表面上。
传感部分17的配重12可以具有平的顶表面和底表面。或者，配重12可以具有如图7B所示的凸出部分12a。凸出部分12a提供了由凸出部分12a的顶端表面和配重止动件的表面之间的间隙所限定的有效间距。具有如下优点，即，即使该间隙在配重12和配重止动件之间较宽的情况下，也能改善耐冲击性。相反，凸出部分12a可以设置在配重止动件16面对配重12的表面上。
图8A是传感部分的截面图，该传感部分利用粘合剂20固定在硅衬底或者玻璃衬底15上，并结合在包装内。在该结构中，配重止动件16可以形成在玻璃衬底15中，该玻璃衬底是传感部分的固定部件。在这种情况下，凸出部分12a可以设置在面对配重12的盖罩10上、包装18内的腔室的底表面上、或者玻璃衬底15的顶表面或者底表面上。即使在配重止动件16和配重12之间该间隙较宽，也能有利地改善耐冲击性。参考图8B，通过对包装18的底表面和部分玻璃衬底15进行雕刻而可以获得给定的间距。
图9是传感部分以及下止动件的另一个版本的截面图。倒转地形成传感部分。下止动件与由硅制成的传感器信号检测电路一起形成。传感部分17设置在上止动件31a和下止动件31b之间。传感部分17利用凸起33通过倒装法(flip-chip)连接至下止动件31b上。下止动件31b也作为未显示的传感器信号检测电路，它检测包括在传感部分17以及压电电阻器11中的信号线32中的变化，作为电信号。
可以采用几个过程来实现在上述变型中配重12和配重止动件16之间的间距的设计值。例如，可以蚀刻或者砂磨硅或者玻璃衬底以获得粗糙表面，用于提供衬底上的凹入部分或者凹痕。可以在硅或者玻璃衬底上沉积电介质或者金属膜，并通过蚀刻或者剥离可以将该膜形成图案，以提供凸出部分或者凸起。
包装的盖罩的高度可以由用于气密密封的焊料来控制。凸起的高度可以发生变化，用于调节在以倒装法安装传感部分时的间距。这些情况难以均匀地布置间距。通过使用边缘上的垫片34来预先提供间距，而可以改善这一问题，如图10所示。如图11所示，当仅利用凸起设置间隙时，可有效地设置能提供与规则间隙相等的间隙的伪凸起。除了所需的电连接之外，伪凸起在传感部分周围均匀分开地设置。
图12A和12B显示了根据本发明回转仪的基本结构。图12A显示了传感部分。图12B示意性地显示了具有包括在包装内的传感部分的回转仪。回转仪和加速度传感器在其基本结构上没有差异。因此，这里省略对其的描述。传感部分的基本结构与惯性传感器的相同。
参考图12A，传感部分安装在包装上，从而围绕y轴转动。包装包括检测电极35和驱动电极36。
根据本发明，可以提供具有简单结构和优异耐冲击性的加速度传感器或者回转仪。
本发明并不限于上述实施例，而且在不脱离本发明的范围的情况下可以作出其它实施例、变型以及改进。
本发明基于在2004年3月30日提交的日本专利申请No.2004-099161，所述申请全文结合于此作为参考。

Claims (11)

1.一种惯性传感器，包括：
传感部分，其具有由梁支撑的配重，该配重是可运动部分；以及
配重止动件，其限制配重的可运动范围，
该配重止动件以给定间距设置在配重的附近，并成为利用MEMS技术所加工的惯性传感器的衬底的一部分。
2.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述配重止动件从支撑梁的框架朝着配重延伸，并部分地覆盖在配重和框架之间的间隙。
3.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述配重止动件具有柱状部分，用于增强配重止动件的强度。
4.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述衬底由硅制成。
5.如权利要求4所述的惯性传感器，其特征在于，
所述衬底是SOI衬底；并且
所述配重止动件是SOI衬底的硅膜的一部分。
6.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述配重止动件设置在容纳传感部分的包装中的腔室底表面和覆盖传感部分的盖罩内表面中的至少一个上。
7.如权利要求6所述的惯性传感器，其特征在于，还包括垫片，其设置在配重止动件的边缘处，以控制所述间距。
8.如权利要求6所述的惯性传感器，其特征在于，还包括设置在传感部分的框架中的凸起，以控制所述间距。
9.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，还包括设置在配重止动件面对配重的表面以及配重面对配重止动件的表面中的至少一个上的凸起，以控制该间距。
10.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述间距等于或者大于与惯性传感器的动态范围相对应的配重的可运动范围。
11.如权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，还包括包装，传感部分以倒装法安装在该包装上。
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