CN1942768A - 半导体加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种半导体加速度传感器，其具有形成为用于包围锤部的大致为L形梁部，其中两个细长的L形梁部形成为包围着俯视时所示的并构成锤部的正方形部，在靠近所述梁部的基端部的位置处形成有从固定部朝向锤部突出的凸出部和从锤部朝向固定部突出的包围该凸出部的容置凹入部。凸出部的外部形状与容置凹入部的内壁表面基本相同，以便由于容置凹入部容置凸出部而使锤部在垂直于上下方向的水平方向中的任一方向上的运动均受到限制。因此，即使当对加速度传感器施加侧向冲击时，也能显著地防止锤部运动，从而防止过大的应力施加于梁部而使梁部破损。

Description

半导体加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种半导体加速度传感器，尤其涉及这样一种半导体加速度传感器，其具有由细长的梁部连接至固定部的锤部，并且其在施加加速度的情况下通过使用锤部沿由梁部弯曲而产生的加速度的方向的运动来检测加速度。

背景技术

通常公知的是，半导体加速度传感器在加速度施加于其上时基于锤部相对于固定部的运动来检测加速度。这种加速度传感器具有锤部，该锤部为设置于从固定部延伸的悬臂状弯曲部(薄梁部)的端部上的可动部，并且该传感器的结构使得弯曲部在加速度施加于其上时弯曲、并且使得锤部运动，且电检测这种变化。如日本特开2000-338124号公报和日本特开平7-159432号公报中所述，用于电检测锤部运动的类型的实例包括，例如：加速度传感器，其在连接锤部的弯曲部上形成规格电阻器(gauge resistor)，并测量规格电阻器的阻抗值变化以检测弯曲部的弯曲情况；以及那些使锤部本身形成于电极中、并检测由锤部运动来改变距固定电极部的距离所引起的静电容量变化的装置。

这种类型的加速度传感器形成为允许锤部的体积(重量)较大且弯曲部尽可能地薄，以便当施加加速度时实现锤部的平稳运动。这样就会导致以下风险，即当锤部突然运动或运动超出正常运动范围时，弯曲部可能破损(break)，从而不可能检测加速度。

因此，为了防止出现上述问题，已开发出这样一种加速度传感器，其具有在锤部周围的空间中形成的用以限制锤部运动的制动器。例如，在以上特许公报1中描述的加速度传感器，制动器在用于锤部运动的空间中形成于上、下位置处，以防止锤部沿上下方向的运动超出预定量，所述上下方向为检测加速度的基本方向。而且，制动器还形成于锤部的旁边，以便当施加侧向冲击时锤部几乎不运动，从而防止弯曲部破损。

另一方面，具有这样一种加速度传感器，其中将固定部连接至锤部的梁部(弯曲部)的长度延长以增加加速度传感器的灵敏度。如图16所示，传感器50具有形成为L形的梁部51，所述梁部51具有位于锤部52的两个相对侧的基端(proximal end)51a，并且沿锤部52的两个邻边延伸，以形成使两个梁部51包围锤部52的周边的结构。在该传感器50中，当沿上下方向(贯穿图16的纸面的方向)施加加速度时，梁部51弯曲且锤部52向上或向下运动。现在，该加速度传感器50的有利之处在于：梁部51的长度可形成得足够长，从而可显著地增加检测加速度的灵敏度。然而，不便于形成如以上特许公报1所示的制动器以限制锤部52的侧向运动，并且具有以下风险，即梁部51可能由于锤部52沿水平方向的过度运动而破损。

而且，在加速度传感器具有如上所述的带有两个包围着锤部52周边的梁部51的结构的情况下，与特许公报1和2所述的通过悬臂状弯曲部连接的锤部相比，锤部52可能在水平方向上沿任一方向运动(前后与左右方向)。这难以通过简单的制动器来有效地限制沿任一方向的运动。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种半导体加速度传感器，其限制锤部沿垂直于上下方向的水平方向的运动范围，其中所述上下方向为检测具有上述结构的半导体加速度传感器中的锤部的加速度的基本方向，并且即使在施加沿任一方向的侧向冲击的情况下，也能防止过大的应力施加于用于将固定部连接至锤部的梁部，从而防止该梁部破损。

为实现上述目的，本发明提供了一种半导体加速度传感器，其具有固定部和通过具有弯曲性能的细长的横梁部连接至该固定部的锤部，以便当加速度施加于其上时，电检测锤部的运动。其中，所述梁部形成为L形，并具有位于该锤部的两个相对侧的基端，且沿着与其相邻的该锤部的两侧延伸，以便对该传感器施加竖直方向的加速度时，允许该锤部进行竖直运动。在靠近各梁部的基端且处于该锤部与该固定部之间的空间内的位置处，设有从该固定部朝向该锤部突出的凸出部和从该锤部朝向该固定部突出以包围该凸出部的容置凹入部。另外，当对该传感器施加水平方向的加速度时，该凸出部接触该容置凹入部的内壁表面，以限制该锤部的水平运动。

这使得可以在与作为检测该锤部加速度的基本方向的上下方向相垂直的水平方向上限制该锤部的运动范围，并且即使在施加沿任一方向的侧向冲击的情况下，也能防止过大的应力施加于用于将该固定部连接至该锤部的所述梁部，从而防止所述梁部破损。

本发明还提供了一种半导体加速度传感器，其具有固定部和通过具有弯曲性能的细长的梁部连接至该固定部的锤部，以便当加速度施加于其上时，电检测锤部的运动。其中，所述梁部形成为L形，并具有位于该锤部的两个相对侧的基端，且沿着与其相邻的该锤部的两侧延伸，以便当对该传感器施加竖直方向的加速度时，该锤部进行竖直运动。该锤部的底部形成有凹入部。该锤部正下方的该固定部上形成有松装配到该凹入部中的制动器。另外，当对该传感器施加水平方向的加速度时，该制动器接触该凹入部的内壁表面，以限制该锤部的水平运动。

这使得可以在与作为检测锤部的加速度的基本方向的上下方向相垂直的水平方向上限制锤部的运动范围，并且还限制锤部竖直向下的运动，从而即使在对传感器施加侧向冲击和用于使锤部竖直地向下运动的冲击的情况下，也能防止过大的应力施加于用于将固定部连接至锤部的梁部，从而防止所述梁部破损。

本发明还提供了一种半导体加速度传感器，其具有固定部和通过具有弯曲性能的细长的梁部连接至该固定部的锤部，以便当加速度施加于其上时，电检测锤部的运动。其中，所述梁部形成为L形，并具有位于锤部的两个相对侧的基端，且沿着与其相邻的该锤部的两侧延伸，以便当对该传感器施加竖直方向的加速度时，允许该锤部进行竖直运动。用于封闭该锤部底部的制动器形成于该锤部下方的固定部上。另外，当对该传感器施加水平方向的加速度时，该锤部的底部接触该制动器的内表面，以限制该锤部的水平运动。

这使得可以在与作为检测锤部的加速度的基本方向的上下方向相垂直的水平方向上限制锤部的运动范围，并且即使在施加沿任一方向的侧向冲击的情况下，也能防止过大的应力施加于用于将该固定部连接至该锤部的所述梁部，从而防止所述梁部破损。

附图说明

图1(a)为根据本发明第一实施例的半导体加速度传感器的俯视图，而图1(b)为该传感器的硅基板部的俯视图；

图2为沿图1(b)的A-A线剖开的剖视图；

图3为根据第一实施例的半导体加速度传感器中的硅基板的俯视图；

图4为图3的部分B的放大视图；

图5为示出了根据第一实施例的半导体加速度传感器中硅基板的凸出部与容置凹入部的放大视图；

图6为示出了凸出部与容置凹入部的另一个实例的放大视图；

图7为示出了凸出部与容置凹入部的又一个实例的放大视图；

图8为示出了根据本发明第二实施例的半导体加速度传感器中硅基板的凸出部与容置凹入部的放大视图；

图9为示出了在根据本发明第三实施例的半导体加速度传感器中下玻璃部与硅基板部的纵向剖视图；

图10为示出了下玻璃部与硅基板部的制造过程的流程图；

图11为示出了下玻璃部与硅基板部的纵向剖视图；

图12为下玻璃部与硅基板部的横向剖视图；

图13为示出了在根据本发明第四实施例的半导体加速度传感器中下玻璃部与硅基板部的纵向剖视图；

图14为下玻璃部与硅基板部的横向剖视图；

图15为示出了下玻璃部与硅基板部的纵向剖视图；以及

图16为传统的半导体加速度传感器中硅基板的俯视图。

具体实施方式

下文将参考附图详细地描述本发明的第一实施例。首先，参看图1和图2对根据本实施例的半导体加速度传感器的整个结构进行描述。本实施例的加速度传感器1包括：硅基板5，其具有固定部2、锤部3和形成于其内的梁部4；以及玻璃部6、7，其从顶部与底部夹持住硅基板5，其中用于锤部3上下运动的空间由形成于下玻璃部7中的凹入部7a和形成于硅基板5上表面中的凹入部5a来形成(图2)。采用导电薄膜的固定电极8形成于上玻璃部6的下表面。通过穿过通孔9的导电铅金属膜11对该固定电极8施加电压。

还设计有通过穿过形成于上玻璃部6中的另一个通孔12的导电铅金属膜13对硅基板5本身施加电压，以便当锤部3以随后施加于其上的加速度α向上运动来改变锤部3与固定电极8之间的距离时，检测电变化，更具体地说检测静电容量值的变化。形成于玻璃部6上表面的金属膜11、13形成为彼此隔开预定距离d以防止短路(图1(a))。氧化膜(SiO₂)14形成于固定电极8的基端部8a与硅基板5之间以增加绝缘。应当指出，为了示出半导体加速度传感器1的整个结构，在图1和图2中省略了细节，而对硅基板5的准确结构将会接着参考图3和图4进行描述。

本实施例的硅基板5具有两个细长的L形梁部4，所述梁部4包围如俯视图所示的并且构成锤部3的正方形部。梁部4的一个端部4a连接至锤部3的两个相对侧，而所述梁部4的其他端部4b连接至固定部2。而且，根据本实施例的硅基板5在靠近梁部4的连接至锤部3的端部4a的位置处形成有：凸出部15，其从固定部2朝向锤部3突出；和容置凹入部16，其从锤部3朝向固定部2突出以包围该凸出部15。凸出部15的外部形状与容置凹入部16的内壁表面基本上相同，以使由于凸出部15容置于容置凹入部16中而令锤部3在垂直于上下方向的水平方向(图3中的XY方向)中的沿任一方向上的运动受到限制。因此，即使当对加速度传感器1施加侧向冲击时，也能显著地阻止锤部3运动，从而防止过大的应力施加于梁部4而使梁部4破损。

由于锤部3沿水平方向的运动受到如上所述的限制，所以即使在对加速度传感器1施加水平冲击时，也不会有梁部4破损以及加速度传感器1不能进行测量的风险。然而，如果冲击力过大或者以高频率反复施加冲击，那么就有可能导致凸出部15本身破损。在这种情况下，通过在凸出部15或容置凹入部16的底部中形成如下所述结构的开口，就可以改善凸出部15或容置凹入部16的抗冲击性能。

就是说，如图5所示，在凸出部15的底部中形成沿垂直于凸出部15的突出方向延伸且长度约为凸出部15的宽度的开口17。当对锤部3施加图5所示的向下冲击而导致容置凹入部16与凸出部15发生碰撞时，该结构就可以使得随后通过使凸出部15沿该凸出部的长度方向(箭头C)弯曲来减少冲击，从而降低凸出部15本身发生破损的风险。

另外，如图6所示，如果形成于凸出部15的底部中的开口17形成为还沿着凸出部15的突出方向延伸至凸出部的基本为T形的形状，那么凸出部15不仅具有沿长度方向(箭头C)的弯曲性能，而且具有沿宽度方向(箭头D)的弯曲性能，从而进一步改善凸出部15的抗冲击性能。

此外，如图7所示，如果沿凸出部15的宽度方向延伸的开口18形成于容置凹入部16的底部中，那么可以降低当容置凹入部16与凸出部15发生碰撞时由容置凹入部16所承受的沿箭头E方向的冲击，从而降低凸出部15和容置凹入部16发生破损的风险。与在凸出部15的底部中形成开口17的结构相比，在容置凹入部16的底部中形成开口18的结构可以获得类似的抗冲击性能而不会增加凸出部15自身的尺寸，从而使容置凹入部16的尺寸可以因此而制造得更小。这样就使得不必要降低承受加速度的锤部3的体积(重量)，从而可以抑制加速度传感器的灵敏度的降低。应当指出，开口17或开口18的形成可以改善凸出部15或容置凹入部16的抗冲击性能，并降低传递至锤部3的冲击，从而使其具有防止锤部3自身破损且进一步防止梁部4破损的作用。

接着，参看图8对第二实施例进行描述。本实施例的半导体加速度传感器1的整个结构与第一实施例相同，而凸出部15和容置凹入部16的形状形成为锥形，如下所述。更具体而言，凸出部15的端部形成为直径逐渐减小的锥形形状15a，而凹入部16具有与凸出部15的端部的锥形形状15a形状相同的锥形容置部16a。因此，当施加侧向冲击以使锤部3水平运动且容置凹入部16与凸出部15相碰撞时，容置凹入部16和凸出部15在沿着两个锥形表面滑动时而彼此接触，从而降低冲击。更具体而言，如果容置凹入部16移动以与凸出部15接触的方向不是垂直于锥形表面的方向，那么容置凹入部16施加于凸出部15上的冲击力就被分成沿着锥形表面的分力和沿着垂直于该锥形表面的平面的分力，从而降低施加于凸出部15的冲击力。因此，可以降低凸出部15自身发生破损的风险。此外，冲击的降低起到防止锤部3破损并进而防止梁部4破损的作用。

接着，参看图9和图10对第三实施例进行描述。本实施例的半导体加速度传感器1的整个结构也与第一实施例基本上相同，取代凸出部15和容置凹入部16的方形凹入部3a形成于锤部3的底部中，并且松配合于凹入部3a的制动器21形成于下玻璃部7(图9)上，以限制锤部3的水平运动。通过使锤部3的凹入部3a与制动器21松配合，使得锤部3的水平运动受到限制且锤部3的竖直向下运动受到限制。因此，当加速度传感器1接受侧向冲击时，能显著地阻止锤部3沿水平方向运动，从而防止梁部4破损。由于锤部3过度的竖直向下运动受到限制，所以可防止梁部4的弯曲量过大。为此，可以防止梁部4破损。

应当指出，通过以下方式形成制动器21，即，对位于作为基底的玻璃部7上的、由例如硅形成的制动器材料22进行诸如ICP(感应耦合等离子体)蚀刻或RIE(活性离子蚀刻)之类的各向异性刻蚀，并且将由单独过程制备的硅基板5阳极化接合于该制动器上(图10)。因而，更容易的过程就是将单独的材料形成于玻璃部7上，并将该材料加工成制动器21。而且，如果用于制动器21的材料比构成硅基板5的硅材料更软，当锤部3与制动器21相碰撞时，制动器21自身就可以吸收冲击，同时可以减少传递至锤部3和梁部4的冲击以防止锤部3和梁部4破损。

另外，不仅诸如ICP蚀刻或RIE之类的干法蚀刻，而且各向异性湿法蚀刻也可以用作加工形成于玻璃部7上的制动器材料22的方法。因为各向异性湿法蚀刻不是一个板接一个板地进行加工，所以就改善了批量生产能力。

另外，在本实施例中，位于锤部3底部的凹入部3a为方形，且制动器21也为方形以与凹入部3a相配合。因此，在施加于加速度传感器1的侧向冲击中，对沿垂直于制动器21周面的方向的冲击的抗冲击性能不同于对沿除垂直于制动器21周面的方向以外的方向的冲击(例如：对制动器21的角部的冲击)的抗冲击性能。然而，使用以下结构可以获得对沿水平方向中的任一方向的冲击均相等的抗冲击性能。

就是说，如图11和图12所示，形成于玻璃部7上的制动器21形成为截头锥形21a，而锤部3的底部形成有凹的内表面3b，该内表面3b的形状类似于制动器21的锥形21a以便与制动器21松配合。如果使用的话，因为制动器21的周面为圆形，所以该结构可以获得对沿水平方向(图12中的XY方向)中的任一方向上均相等的抗冲击性能。因此，可以防止制动器21自身破损。

接着，参看图13和图14对第四实施例进行描述。本实施例的半导体加速度传感器1的整个结构也与第一实施例基本上相同，而用于封闭锤部3底部的矩形支架状制动器22形成于下玻璃部7上，而非形成于凸出部15和凹入部16上，以限制锤部3的水平运动。由于锤部3的底部由矩形支架状制动器22封闭，所以锤部3的水平运动受到限制。因此，当加速度传感器1承受侧向冲击时，就会显著地阻止锤部3沿水平方向运动，从而防止梁部4破损。而且，在本实施例中，并不需要如第三实施例中那样在锤部3中形成此类凹入部3a，因而其优点在于锤部3的体积(重量)并未降低，而加速度传感器的灵敏度可因此保持较高的水平。

而且，如图15所示，在本实施例中，锤部3可以具有形成为截头四角锥形3c的底部，而制动器22可以具有以沿着锤部周面延伸的斜面22a所形成的内表面。在这种情况下，当锤部3水平地运动以使锤部3的底部与制动器22的内表面相碰撞时，碰撞冲击就被分成沿该斜面22a的分力和沿垂直于该斜面22a的方向的分力，以使由锤部3和制动器22中的每一个承受的冲击力都被降低，从而可以防止锤部3和制动器22破损。

另外，类似于第三实施例中的制动器21，如果在本实施例中形成于下玻璃部7上的制动器22也由不同于玻璃部7且比构成硅基板5的硅材料更软的材料形成，那么当锤部3的底部与用于封闭该底部的矩形支架状制动器22相碰撞时，制动器22自身就可以吸收冲击，从而可以防止锤部3和梁部4破损。此外，类似于在第三实施例中一样，不仅诸如ICP蚀刻或RIE之类的干法蚀刻，而且各向异性湿法蚀刻也可以用作加工形成于玻璃部7上的制动器材料的方法。因为各向异性湿法蚀刻并非一个板接一个板地加工，所以就改善了批量生产能力。

如上所述，在具有形成为用于包围锤部3的大致为L形的、将固定部2连接至锤部3的梁部4的半导体加速度传感器1中，安装于其内的凸出部15和容置凹入部16形成于各梁部4的待连接至锤部3的基端部4a处(第一和第二实施例)，从而即使在施加侧向冲击的情况下，也能利用简单结构限制锤部3的水平运动，并且防止过大的应力施加于梁部4。因此，能防止梁部4破损，且不能测量加速度的可能性不存在。

根据用于替代安装于其中的凸出部15和容置凹入部16的另一种结构，凹入部3a形成于锤部3的底部，而制动器21形成于玻璃部7上(第三实施例)，以使锤部3沿水平方向的运动受到限制，并且其竖直向下的运动也受到限制，从而防止过大的应力施加于该梁部4上。因此，能防止梁部4破损，且不能测量加速度的可能性不存在。

根据用于替代安装于其内的凸出部15和容置凹入部16的又一种结构，用于封闭锤部3的底部的矩形支架状制动器22形成于玻璃部7上(第四实施例)，以使锤部3沿水平方向的运动受到限制，从而防止过大的应力施加于梁部4。因此，能防止梁部4破损，并且不能测量加速度的可能性不存在。

应当指出，本申请以日本专利申请2005-024959为基础，该日本专利申请的内容在此通过援引而合并于本申请中。

Claims (12)

1.一种半导体加速度传感器，其具有固定部和锤部，该锤部通过具有弯曲性能的细长的梁部连接至该固定部，以便当对该传感器施加加速度时，电检测该锤部的运动，其中：

所述梁部形成为L形，并具有位于该锤部的两个相对侧的基端，且沿着与其相邻的该锤部的两侧延伸，以便当对该传感器施加竖直方向的加速度时，允许该锤部进行竖直运动；

在靠近各所述梁部的基端且处于该锤部与该固定部之间的空间内的位置处，设有从该固定部朝向该锤部突出的凸出部和从该锤部朝向该固定部突出以包围该凸出部的容置凹入部；以及

当对该传感器施加水平方向的加速度时，该凸出部接触该容置凹入部的内壁表面，以限制该锤部的水平运动。

2.根据权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中在该凸出部的底部中形成有开口。

3.根据权利要求2所述的半导体加速度传感器，其中位于该凸出部的底部中的所述开口形成为具有沿与该凸出部的突出方向相垂直的方向延长的形状。

4.根据权利要求3所述的半导体加速度传感器，其中位于该凸出部的底部中的所述开口形成为具有沿着该凸出部的突出方向延伸至该凸出部内的大体T形的形状。

5.根据权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中在该容置凹入部的底部中形成有开口。

6.根据权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中：

该凸出部具有锥形端部；

该容置凹入部的端部具有与该凸出部的锥形端部形状相同的锥形容置部；以及

当该锤部水平运动并且该容置凹入部接触该凸出部时，该凸出部的锥形端部配合于该容置凹入部的锥形容置部中，并且能沿着两个锥形面滑动。

7.一种半导体加速度传感器，其具有固定部和锤部，该锤部通过具有弯曲性能的细长的梁部连接至该固定部，以便当对该传感器施加加速度时，电检测该锤部的运动，其中：

所述梁部形成为L形，并具有位于该锤部的两个相对侧的基端，且沿着与其相邻的该锤部的两侧延伸，以便当对该传感器施加竖直方向的加速度时，允许该锤部进行竖直运动；

该锤部的底部形成有凹入部；

在该锤部正下方的该固定部上形成有与该凹入部松配合的制动器；以及

当对该传感器施加水平方向的加速度时，该制动器接触该凹入部的内表面，以限制该锤部的水平运动。

8.根据权利要求7所述的半导体加速度传感器，其中：

该制动器形成为具有截头锥形的形状；以及

该凹入部的内表面形成为与该制动器相似的形状，

以便当对所述传感器施加水平方向的加速度时，该制动器沿任一方向接触该凹入部的内表面时所产生的冲击相等。

9.一种半导体加速度传感器，其具有固定部和锤部，该锤部通过具有弯曲性能的细长的梁部连接至该固定部，以便当对该传感器施加加速度时电检测该锤部的运动，其中：

所述梁部形成为L形，并具有位于该锤部的两个相对侧的基端，且沿着与其相邻的该锤部的两侧延伸，以便当对该传感器施加竖直方向的加速度时，允许该锤部进行竖直运动；

在该锤部下方的该固定部上形成用于封闭该锤部的底部的制动器；以及

当对该传感器施加水平方向的加速度时，该锤部的底部接触该制动器的内表面，以限制该锤部的水平运动。

10.根据权利要求9所述的半导体加速度传感器，其中：

该锤部的底部形成为具有截头四角锥形状；以及

该制动器的、用于接触该锤部的底部的内表面形成为沿该锤部的周面延伸的斜面。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的半导体加速度传感器，其中所述位于该锤部下方的该固定部上的该制动器由不同于该固定部的、且比该锤部更软的材料形成。

12.根据权利要求11所述的半导体加速度传感器，其中该制动器通过对硅晶片进行各向异性湿法蚀刻而形成。

Images