200813431 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明，是關於使用於攜帶末端機器或玩具、汽車、 飛機等的加速度偵知用的半導體加速度感測器。 【先前技術】 加速度感測器，是多使用於汽車的安全氣囊作動用， 血 汽車衝突的衝擊作爲加速度。在汽車中爲了測量X軸方 向及/或Y軸方向的加速度，只要1軸或2軸的功能就足 夠。且，測量的加速度因爲很大，偵知加速度用的加速度 感測器元件也製作成很堅固。最近多使用於攜帶末端機器 或機械手臂的加速度感測器。爲了測量3次元空間的動作 而要求可以偵知X軸方向、Y軸方向及z軸方向的加速 度的3軸加速度感測器。在這些的用途中，求得可以偵知 數G至數十G的小的加速度且高分解能。 φ 加速度感測器，大致上，若是由增加的加速度而變形 的可撓構件的構造的話可分爲樑型及隔膜型，若是變位的 偵知方式的話可分爲壓電電阻型及靜電容量型。 有關於樑型的壓電電阻型3軸加速度感測器，申請人 已有多數的申請。如日本特開2003-1 72745號 '日本特開 2003-279592號、日本特開 2004-1 84373號、日本特開 2006-098323號、日本特開 2006-09832 1號及國際公開 W02005/062060A1，已清楚地揭示錘的形狀或樑的形狀、 壓電電阻元件的配置、壓電電阻元件的連接、樑及框的接 -5- 200813431 合部的形狀等。第1 8圖爲3軸加速度感測器的分解立體 圖，第19圖爲第18圖的IXX-IXX線的剖面圖，第20圖 爲偵知晶片的平面圖。在3軸加速度感測器1 00中，規制 板3是與偵知晶片40隔有預定間隔並由樹脂等的接合劑 16固定於殼1內。偵知晶片40的晶片端子41是由導線 1 5連接殻端子1 2，將感測器的訊號從外部端子1 1取出。 在殼1中殼蓋2是由AuSn焊鍚等的接合劑17所固定密 封。在偵知晶片40中形成樑型3軸加速度感測器元件 5 0。在樑型3軸加速度感測器元件5 0中，由方形的框5 2 及錘51及樑5 3所構成，錘51是被保持於2對的樑53由 框52的中央。在樑53中設置壓電電阻元件。在1對的樑 中設有X軸壓電電阻元件55及Z軸壓電電阻元件57，在 其他的一對的樑中設有Y軸壓電電阻元件5 6。第1 9圖， 施加衝擊等過度的加速度於感測器時，在錘5 1的下面及 殼1的內底面的間隔g4、及錘5 1的上面與規制板3的間 隔g3，規制錘5 1的動作來防止樑5 3破損。因爲本發明 所使用的樑型3軸加速度感測器元件的基本地的構造是與 這些專利文獻相同，所以若無特別説明則省略詳細說明。 隔膜型3軸加速度感測器元件的隔膜構造及壓電電阻 元件的配置，已揭示於日本特開平3 -25 3 5號、日本特開 平6- 1 74571號及日本特開平7- 1 9 1 05 3號。由圓形或多角 形的隔膜的外緣支撐框，將錘配置於隔膜的中心。由外力 使錘變位的話設置於隔膜的壓電電阻元件會變形，就可獲 得電氣訊號。與樑型3軸加速度感測器元件相比，在隔膜 -6- 200813431 型3軸加速度感測器元件中，壓電電阻元件的配置的自由 度高。第21圖，是顯示隔膜型的3軸加速度感測器元件 70的平面圖。由方形的框72及錘71及可撓構件也就是 隔膜73所構成，錘71被保持於隔膜73的中央。在隔膜 73中設有X軸壓電電阻元件75及Y軸壓電電阻元件76 及Z軸壓電電阻元件77。本發明所使用的隔膜型壓電電 阻元件型3軸加速度感測器元件及隔膜型3軸加速度感測 器元件的基本構造因爲與這些專利文獻略相同/所以若無 特別説明則省略詳細說明。 攜帶型小型機器落下的加速度及使用者介面等的加速 度雖是數G，但是衝擊的加速度是數百至數千G。例如， 內藏磁性碟片的攜帶機器中，爲了使不會因磁性碟片落下 時的衝撃而被破壞，在偵知到落下時點就將磁性頭退避的 方式防止衝擊時的破壞而測量加速度。且，製品的損瘍修 理時，會要求知道製品曾受到何種衝擊的履歷。對於與落 下偵知組合來效率地記錄衝撃加速度的手法，申請人也已 於日本特開2005-24 1 503號說明。如此，要求一個製品可 進行：數G層級的落下偵知、及數百至數千G層級的衝 擊偵知。欲高精度地獲得的數G及數百至數千G的加速 度，要放在1個加速度感測器中是困難的。由測量數百至 數千G的加速度的加速度感測器，偵知數G的加速度的 話無法獲得偵知的分解能（精度）。 將數百至數千G的大的加速度及數G程度的小的加 速度由相同分解能偵知因爲困難，所以需要別個準備測量 200813431 數百至數千G用的加速度感測器及測量數G用的加速 感測器。第22圖，是將具有數G、數十G、數百0的 量量程的加速度感測器2 1，22，23各別實裝於電路基 24，可以高分解能地測量數G至數百G的加速度的加 度偵知裝置200。因爲加速度感測器使用3個，所以加 度偵知裝置的價格成爲加速度感測器的數倍。且小型化 困難。 0 使用的複數加速度感測器的加速度偵知裝置200中 要讓加速度感測器間的偵知軸一致很困難。由焊接將加 度感測器連接於電路基板時，讓加速度感測器間的加速 感測器元件的偵知軸的角度偏離成爲略零是困難的。即 以加速度感測器的外邊爲基準進行組裝，其外邊及加速 感測器元件的軸也需要有一致。加速度感測器之間偵知 的角度偏離的話，例如數G的加速度感測器的測量値 數十G的加速度感測器的測量値，就無法以相同軸方 φ 的加速度進行測量。 實現小型化及低價格化並可偵知軸的角度偏離的多 程加速度感測器如日本特開平8 -1 3 6 5 7 4號。第2 3圖顯 其構造。多量程加速度偵知裝置300，是在框31內設置 個以上的感測器元件的構造，感測器元件是將樑3 2的 端連接於框3 1 ’另一端連接於錘3 3。樑3 2是成爲以 31的連接點爲支點使錘33成爲力點的懸臂的構造。錘 的動作，是藉由與錘33隔有預定的間隔配置的電極34 間的靜電容量變化進行測量並偵知出加速度。感測器元 度 測 板 速 速 也 速 度 使 度 軸 及 向 量 示 ;2 框 33 之 件 -8- 200813431 是藉由改變樑的長度或錘的質量，來決定測量的加速度的 範圍。 日本特開平8- 1 36574號揭示的加速度感測器，因爲 是在單一晶片設置測量範圍不同的感測器元件，所以感測 器元件之間不會有軸的偏離。軸的偏離因爲是由光平版印 刷用的光罩及光平版圖案時的誤差所發生，所以幾乎可以 忽視。但是，其加速度感測器因爲是1軸的感測器元件， 所以測量3軸的加速度時，有需要將3個的感測器元件配 置於各90度相異的位置。正確地將3個的感測器元件配 置在X、Y、Z軸是很困難的。且，因爲有需要組合3個 的感測器元件，所以小型化困難。雖使用其多量程1軸加 速度感測器，就可獲得多量程3軸加速度偵知裝置，但是 實質上與第22圖所示習知的加速度偵知裝置、及加速度 感測器的數量或價格、大小方面，無大差異。 該專利文獻的加速度感測器構造中，感測器元件之間 有相互干渉的可能，而需要有對策。因爲在框31的1個 邊形成複數樑3 2，所以一方的感測器元件的動作，容易 影響其他方的感測器元件的測量。且，樑32的寬度方向 有加速度時爲了避免干渉其他的感測器元件及錘3 3，各 感測器元件之間需要隔有空間。 【發明內容】 本發明的目的，是在單一晶片形成加速度測量範圍不 同的複數感測器元件，且在那些之間無各軸的偏離，高精 -9- 200813431 度且小型的多量程3軸加速度偵知裝置可低原價提供。 本發明的多量程3軸加速度偵知裝置，是具有形成於 單一的矽晶片的複數3軸加速度感測器元件，前述複數3 軸加速度感測器元件各別具有：錘、及包圍錘且具有相面 對的框邊的框、及連結相面對的框邊上部及錘上部並在框 邊上部之間支撐錘的比錘及框薄的可撓構件、及設在可撓 構件上的壓電電阻元件；供測量：可撓構件上面內的相互 垂直2軸方向的加速度、及與可撓構件上面垂直的方向的 加速度，在前述複數3軸加速度感測器元件之中第一 3軸 加速度感測器元件的框設置其他的3軸加速度感測器元 件，前述複數3軸加速度感測器元件的每單位加速度的輸 出電壓彼此相異，第一 3軸加速度感測器元件的每單位加 速度的輸出電壓是比其他的3軸加速度感測器元件的每單 位加速度的輸出電壓大。 本發明的具有多量程3軸加速度偵知裝置的複數3軸 加速度感測器元件因爲形成於單一的矽晶片’所以藉由將 各元件的模式圖案形成於光罩，就可同時由光平版印刷及 鈾刻製作複數加速度感測器元件。複數3軸加速度感測器 元件的各錘的加速度作用而使可撓構件變形’在形成於可 撓構件的壓電電阻元件產生應力使電阻變化，將其變換成 電位差（輸出電壓）輸出。 在複數3軸加速度感測器元件之中第一 3軸加速度感 測器元件的框設置其他的3軸加速度感測器元件。即’因 爲在第一 3軸加速度感測器元件的框內收納其他的3軸加 -10 - 200813431 速度感測器元件，所以其他的3軸加速度感測器元件比第 一 3軸加速度感測器元件小。複數3軸加速度感測器元件 整體的大小成爲與第一 3軸加速度感測器元件的尺寸相 同。 藉由將其他的3軸加速度感測器元件形成於第一 3軸 加速度感測器元件的框內，複數3軸加速度感測器元件共 有一框，可以在小的面積中配置複數量程的3軸加速度感 測器元件。且，3軸加速度感測器元件分別藉由框分離， 各振動不會影響其他的3軸加速度感測器元件，且錘不會 干渉其他的加速度感測器元件的錘。 而且，複數3軸加速度感測器元件的每單位加速度的 輸出電壓彼此相異，第一 3軸加速度感測器元件的每單位 加速度的輸出電壓是比其他的3軸加速度感測器元件的每 單位加速度的輸出電壓大。 例如測量量程爲±3 G的第一 3軸加速度感測器元件的 每單位加速度（1G)的輸出電壓是IV，其他的3軸加速度 感測器元件的測量量程是3 00G時，藉由將該其他的3軸 加速度感測器元件的每單位加速度的輸出電壓設在 〇.〇1 V，對應各3軸加速度感測器元件的測量量程的輸出 電壓的全量程就可成爲±3V，分別由相同分解能偵知±3 V 的話，就可由不同加速度量程的3軸加速度感測器元件進 行高精度的加速度偵知。 t 各加速度感測器元件的每單位加速度的輸出，對於測 量量程是設定成爲輸出電壓保持直線性的領域。由測量量 -11 - 200813431 程寬的感測器兀件設疋每卓位加速度的輸出電壓太局的 話，測量量程內可撓構件的變形到達非線形的領域就可能 無法保持輸出電壓的直線性。 且，複數3軸加速度感測器元件因爲形成於同一的晶 片面，所以與晶片面垂直的方向的偵知軸（Z軸）可容易高 精度地一致。進一步，對於晶片面內的2個偵知軸（X、Y 軸），也可隨著成光平版圖案的遮罩精度高精度地一致。 在多量程偵知晶片的上下配置規制板，有超過測量量 程的加速度的情況時，錘的動作因爲由規制板所規制，所 以可以防止可撓構件的破壞，可以實現信賴性高的多量程 3軸加速度偵知裝置。 上下的規制板，是熱膨脹率與多量程偵知晶片接近的 材料較佳，例如可以使用玻璃或矽、陶瓷、FeNi合金等 的材料。3軸加速度感測器元件之間形成間隔的方式使用 接合劑或金屬接合等將規制板接合於感測器元件。 且’上部規制板’可以使用具有偵知電路的IC晶 片。且，將多量程3軸加速度偵知裝置設在殻內並收納於 上部被覆蓋的包裝內，就可以將殼的內底作爲下部規制板 使用。 藉由使全部的3軸加速度感測器元件的錘及規制板的 間隔相同，使規制板平坦且製造容易較佳。此時，對於全 部的3軸加速度感測器元件，與規制板的間隔，是在測量 量程內使錘不衝突於規制板，且錘衝突於規制板之前可撓 構件不會破損的間隔。更重視信賴性的情況時，測量量程 -12- 200813431 愈大，錘及規制板的間隔愈窄地配置規制板。此時，可以 實現例如在規制板設置深度不同的凹槽。且，對於測量量 程較大的一些3軸加速度感測器元件，在所設定加速度下 可撓構件不會破損的情況時，就不需要在其感測器元件的 上下配置規制板。 由本發明的多量程3軸加速度偵知裝置，具有愈大的 每單位加速度輸出電壓的3軸加速度感測器元件是具有愈 0 大的相面對的框邊間的距離較佳。第一 3軸加速度感測器 元件因爲具有比其他的3軸加速度感測器元件大的每單位 加速度輸出電壓，所以第一 3軸加速度感測器元件具有比 其他的3軸加速度感測器元件大的相面對的框邊間距離。 具有更大的相面對的框邊間距離時且有相同大小的加速度 時因爲可撓構件引起更大的變形，所以設置於可撓構件的 壓電電阻元件的變形變大且輸出電壓變大。 本發明的具有多量程3軸加速度偵知裝置的複數3軸 φ 加速度感測器元件，是具有供連結相面對的框邊上部及錘 上部的作爲前述可撓構件的複數樑，或是具有設在由其框 上部所包圍的領域且將錘支撐於其中央的作爲前述可撓構 件的隔膜也可以。 而且，在本發明的多量程3軸加速度偵知裝置，複數 3軸加速度感測器元件之中至少1個，是具有供連結相面 對的框邊上部及錘上部的作爲可撓構件的複數樑，剩下的 3軸加速度感測器元件，是具有分別設在由框上部所包圍 的各領域且將錘支撐於其中央的作爲可撓構件的隔膜也可 -13- 200813431 以。 3軸加速度感測器元件是具有樑的情況，3軸加速度 感測器元件是具有各別2組朝其元件上面內的2個直角方 向延伸的1對樑也可以。 3軸加速度感測器元件是具有隔膜的情況，在由框上 部所包圍的領域整體設置隔膜，在隔膜中央設置錘也可 以。 ^ 本發明的多量程3軸加速度偵知裝置的第一3軸加速 度感測器元件，是具有供連結相面對的框邊上部及錘上部 的作爲可撓構件的複數樑也可以。 且本發明的多量程3軸加速度偵知裝置的複數3軸加 速度感測器元件，是各別具有供連結相面對的框邊上部及 錘上部的作爲可撓構件的複數樑也可以。 本發明的多量程3軸加速度偵知裝置的第一 3軸加速 度感測器元件，是具有設在由其框上部所包圍的領域且將 φ 錘支撐於其中央的作爲可撓構件的隔膜也可以。 且本發明的多量程3軸加速度偵知裝置的複數3軸加 速度感測器元件，是各別具有設在由其框上部所包圍的領 域且將錘支撐於其中央的作爲可撓構件的隔膜也可以。 雖使用隔膜型3軸加速度感測器元件及樑型3軸加速 度感測器元件的任一，但是可以從加速度的測量範圍或感 測器元件的外形尺寸、製造的或容易度等決定。由第一感 測器元件將隔膜型、比第一小的第二感測器元件將樑型、 比第二更小的第三感測器元件組合而成的隔膜型、或者是 •14- 200813431 由第一感測器元件組成的樑型，由第二及第三感測器元件 組成的隔膜型。樑型3軸加速度感測器元件，是蝕刻加工 薄的矽層形成樑。樑狀的可撓構件，雖會增加加工程序， 但是與在隔膜型3軸加速度感測器元件所使用的未加工狀 態的隔膜狀的可撓構件相比較，可以縮小樑的彎曲剛性， 可以加大每單位加速度的輸出。第一 3軸加速度感測器元 件藉由適用於樑型，就可縮小第一 3軸加速度感測器元件 的尺寸，可以縮小多量程加速度偵知晶片整體的尺寸。在 本發明中，若無特別説明，隔膜型3軸加速度感測器元件 及樑型3軸加速度感測器元件，皆稱爲3軸加速度感測器 元件。 由本發明的多量程3軸加速度偵知裝置，全部的3軸 加速度感測器元件的可撓構件的厚度是相同較佳。 本發明的多量程3軸加速度偵知裝置，是由隔著矽氧 化膜層積層薄的砍層及厚的砂層的 SOI(Silicon on Insulator)基板所形成較佳。加工厚的矽層形成錘，藉由 加工除去矽層的部分是剩下薄的矽層而形成可撓構件。在 本發明中，全部的3軸加速度感測器元件的可撓構件的厚 度爲相同的話因爲在薄的矽層不需要形成厚度相異的可撓 構件，所以薄的矽層的厚度可直接利用，總括形成全部的 3軸加速度感測器元件的可撓構件，就可以減少製造工時 且低成本地製造。 本發明的多量程3軸加速度偵知裝置的全部的3軸加 速度感測器元件的錘的厚度是相同較佳。 -15- 200813431 本發明的多量程3軸加速度偵知裝置的全部的3軸加 速度感測器元件的錘及框的厚度是相同較佳。 在全部的3軸加速度感測器元件中，藉由與可撓構件 同樣使框及錘的厚度也相同，就可直接利用厚的矽層的厚 度’可以將全部的3軸加速度感測器元件的錘由一次的蝕 刻總括形成。由此，可以減少製造工時且低成本地製造。 且’框及錘的下面的位置因爲是在同一面內，所以在 框的至少3處，隔著相同高度的隔片配置多量程加速度偵 知晶片及下部規制板，錘下面及下部規制板的間隔就容易 與全部的3軸加速度感測器元件相同。 本案發明的多量程3軸加速度偵知裝置，是愈大的每 單位加速度輸出電壓的3軸加速度感測器元件具有愈大的 質量的錘較佳。 小的錘的質量的話，因爲藉由單位加速度作用於錘的 力變大’所以每單位加速度的輸出電壓可以變大。在本發 明的多量程3軸加速度偵知裝置中，如前述因爲將錘的厚 度成爲相同較佳，所以改變晶片面內的尺寸將錘的質量變 大或變小較佳。 本發明的多量程3軸加速度偵知裝置，是愈大的每單 位加速度輸出電壓的3軸加速度感測器元件具有愈大的相 面對的框邊間的距離較佳。 與錘及框之間的距離加長的話，連接兩者之間的可撓 構件的彎曲剛性變小，藉由單位加速度發生於可撓構件的 應力變大，每單位加速度的輸出電壓就可以變大。 -16- 200813431 本發明的多量程3軸加速度偵知裝置，是愈大的每單 位加速度輸出電壓的3軸加速度感測器元件，其可撓構件 及框的連接部所包圍的面積愈大較佳。 由可撓構件及框的連接部所包圍的面積，是框的內部 領域的尺寸，換言之欲位於3軸加速度感測器元件的晶片 面內的尺寸。其尺寸愈大，錘的尺寸愈大，且錘及框之間 的距離因爲加長，所以作用於錘的力變大，且可撓構件的 彎曲剛性變小，每單位加速度的輸出電壓就可以變大。 且本發明的多量程3軸加速度偵知裝置的第一 3軸加 速度感測器元件以外的3軸加速度感測器元件之中至少1 個，是由2個2軸加速度感測器元件所構成，2個2軸加 速度感測器元件各別具有：錘、及包圍錘且具有相面對的 框邊的框、及連結相面對的框邊上部及錘上部並將將錘支 撐相面對的.框上部之間的比錘及框薄的一對的樑、及設在 樑上朝樑的延伸方向延伸的壓電電阻元件，具有2個2軸 加速度感測器元件的一對的樑的延伸方向是在樑上面內相 互垂直，2個2軸加速度感測器元件的一方，是測量其樑 上面內的樑的延伸方向的加速度及與樑上面垂直的加速 度，2個2軸加速度感測器元件的另一方，是測量至少其 樑上面內的樑的延伸方向的加速度。 樑型2軸加速度感測器元件，與具有2組的樑對的樑 型3軸加速度感測器元件相比較，樑整體的彎曲剛性因爲 變小，所以相同輸出由較小的錘就可以獲得。且，可以縮 小未設置樑對的方向的尺寸。例如在外形尺寸最大的第一 -17- 200813431 3軸加速度感測器元件的周圍配置樑型2軸加速度感測器 元件的話，可以縮小多量程加速度偵知晶片的尺寸。 本發明的多量程3軸加速度偵知裝置，是全部的樑型 2軸加速度感測器元件的樑及3軸加速度感測器元件的隔 膜的厚度爲相同較佳。 因爲藉由全部的樑型2軸加速度感測器元件及3軸加 速度感測器元件的隔膜的厚度爲相同，不需要在薄的矽層 形成厚度不同的隔膜，薄的矽層的厚度可直接利用，全部 的2軸及3軸的加速度感測器元件的可撓構件可以總括形 成，就可以減少製造工時且低成本地製造。 本發明的多量程3軸加速度偵知裝置，全部的樑型2 軸加速度感測器元件及3軸加速度感測器元件的錘的厚度 爲相同較佳。 全部的樑型2軸加速度感測器元件及3軸加速度感測 器元件中，與可撓構件同樣，藉由使框及錘的厚度也相 同，厚的矽層的厚度就可直接利用，由一次的鈾刻就可以 總括形成全部的樑型2軸加速度感測器元件及3軸加速度 感測器元件的錘，就可以減少製造工時且低成本地製造。 依據本發明的多量程3軸加速度偵知裝置，因爲複數 3軸加速度感測器元件可以總括形成於同一晶片，不需要 對於各元件進行個別的加工過程，框也可共有化，可以提 供小型且便宜的複數量程的3軸加速度偵知可能的多量程 3軸加速度偵知裝置。 -18- 200813431 【實施方式】 參照以下圖面詳細說明本發明的實施例。 [實施例1] 對於本發明的實施例1的多量程3軸加速度偵知裝 置，使用第1圖至第3圖如以下說明。第1圖，是多量程 3軸加速度偵知裝置的分解立體圖，第2圖是使用於多量 程3軸加速度偵知裝置的多量程偵知晶片的擴大圖，第3 圖是第1圖的皿-Π線的剖面圖。在第1圖中，多量程3 軸加速度偵知裝置1 〇 〇 a，是形成包含感測器元件的多量 程偵知晶片40a、及偵知電路’將具有規制感測器元件的 動作的功能的IC規制板3 a設置於明礬製的殼1 a內’由 明礬製的殼蓋2 a所密封的結構。多量程偵知晶片4 0 a的 晶片端子41a及1C規制板3a的1C端子31a之間、及與 殼la的外部端子11a連接的殼端子12a及1C端子31a之 間，是由導線1 5 a所連接，使感測器的偵知訊號從外部端 子1 la取出。 如第3圖所示，多量程偵知晶片40a是在殼1 a的內 底使用第一接合劑16a被固定。第一接合劑16a是攪和有 塑膠球，可在感測器元件的錘及殼1 a內底之間形成間 隔。1C規制板3a是同樣藉由攪和有塑膠球的第一接合劑 1 63’接合於多量程偵知晶片40a上，可在感測器元件的錘 及IC規制板3 a之間形成間隔。由第二接合劑1 7 a將殼蓋 2a密封於殻la，就形成多量程3軸加速度偵知裝置 -19- 200813431 1 00a ° 使用第2圖說明多量程偵知晶片40a的構造。在多量 程偵知晶片40.a中，形成第一 3軸加速度感測器元件50a 及第二3軸加速度感測器元件50a’。第一 3軸加速度感測 器元件5〇a，在第一元件框52a內使第一元件錘51a分別 藉由皆有二條的第一元件第一樑53a及第一元件第二樑 5 4a所支撐。在多量程偵知晶片40a的上面內設定成X軸 及Y軸，與上面垂直的方向設定成Z軸時，在沿著X軸 形成的第一元件第一樑53a上設置X軸方向加速度偵知用 的X軸壓電電阻元件5 5 a，在沿著Y軸形成的第一元件第 二樑54a上設置Y軸方向加速度偵知用的Y軸壓電電阻 元件56a。Z軸加速度偵知用的Z軸壓電電阻元件57a設 在任一樑上也可以，但是在此設在第一元件第一樑5 3 a 上。壓電電阻元件每1軸設置4個，藉由無圖示的配線連 接構成架橋電路。藉由加速度使錘受力而變位，藉由樑變 形使壓電電阻元件的電阻變化，由架橋電路取出由4個壓 電電阻元件的阻力變化量差所產生的電位差，就可以偵知 加速度。 同樣地第二3軸加速度感測器元件5 〇 a ’，是在第二元 件框52a’內使第二元件錘51a’分別藉由皆有二條的第二元 件第一樑53a’及第二元件第二樑54af所支撐。在沿著X 軸的第二元件第一樑53a’上設置X軸壓電電阻元件及z 軸壓電電阻元件，在沿著Y軸的第二元件第二樑54a’上 設置Y軸壓電電阻元件。 -20- 200813431 第二3軸加速度感測器元件5 0 a ’，與第一 3軸加速度 感測器元件5 0 a相比，每單位加速度的輸出電壓變小。即 對於輸出電壓的全量程，具有比第二3軸加速度感測器元 件5 0a*更寬的測量量程。例如，可以將第一 3軸加速度感 測器元件50a的測量量程使用於土數G的落下偵知，可以 將第二3軸加速度感測器元件50^的測量量程使用於士數 百G的衝擊偵知。且在多量程偵知晶片40a上，晶片端子 41a是複數形成。 簡單說明加速度感測器元件的製造方法及尺寸。在約 400μιη厚的砂板使用具有數μιη厚的砂氧化層及6μιη厚的 石夕層的SOI(Silicon on Insulator)的晶圓。由感光耐触膜 進行圖案形成將硼1〜3x10 18原子/cm3打入矽層形成壓電 電阻元件，將與壓電電阻元件連接的配線使用金屬晶圓及 乾蝕刻裝置形成。將矽層及矽板使用光平版印刷及乾蝕刻 裝置加工，形成··位於矽層的樑及從矽層橫跨矽板的錘。 石夕氧化層是於触刻砂的乾蝕刻時作爲停止窃功#。在1枚 的晶圓製作多數的晶片，藉由乾蝕刻或方塊切割於單體晶 片中被分離。 在本實施例的多量程3軸加速度偵知裝置中’第一 3 軸加速度感測器元件50a及第二3軸加速度感測器元件 50a，，可總括形成於一個多量程偵知晶片40a °藉由在砍 乾鈾刻的遮罩製作兩者的形狀’同時加工形成’不用追加 程序就可以形成測量量程不同的2個感測器元件’可以降 低製造成本。且，因爲在構成第一 3軸加速度感測器元件 -21 - 200813431 50a的框52a的4個框邊之中的一^個形成弟一^ 3軸加速度 感測器元件5 0a’，所以可將2個感測器元件的框共通化並 收納於較小的面積，多量程3軸加速度偵知裝置可以小型 化。且，因爲可以藉由遮罩模式圖案形成2個感測器元件 的樑的方向，所以2個感測器元件的加速度偵知軸可高精 度地一致。μ 說明實施例1的多量程偵知晶片40a的槪略尺寸。第 一 3軸加速度感測器元件50a，其1根的樑的長度爲 400μηι，寬度爲40μιη，錘的外形尺寸爲 900μΓηχ900μπι。 錘及樑爲了小面積收納，形成將錘及樑的連接部分挖空的 形狀。由此錘形成第2圖所示的四葉形。第二3軸加速度 感測器元件50a’，其樑的長度爲120μιη，寬度爲ΙΟΟμηι， 錘的外形尺寸爲200μηιχ200μπι。對於第二3軸加速度感 測器元件，因爲藉由將錘形成四葉形狀所產生的面積降低 效果較小，所以錘形成四角形。2個感測器元件的樑的厚 度皆是SOI晶圓的矽層的厚度爲6μπι，2個感測器元件的 錘的厚度也皆成爲SOI晶圓的整體的厚度，矽氧化膜層因 爲是Ιμπι所以爲407μιη。 輸入電壓爲3V時的每加速度1G的輸出電壓，在第 一 3軸加速度感測器元件 5 0 a中 X、Υ、Ζ軸是約 2.0mV，在第二3軸加速度感測器元件50a’中X、γ軸是 約0.015mV’ Z軸是約〇·〇1 mv。比較輸出電壓的話，由 差大的Z軸進行比較，第一 3軸加速度感測器元件5 0a是 變約200倍大。藉由擴大器電路由相同增幅率所增幅，全 -22- 200813431 量程的輸出電壓也相同的情況時，第一 3軸加速度感測器 元件50a的測量量程，是成爲第二3軸加速度感測器元件 5 0a’的1/200。例如增幅率爲150倍，全量程輸出電壓爲± 9 00mV的話，第一 3軸加速度感測器元件50a的測量量程 是成爲d:3G，第二3軸加速度感測器元件 5 0 a’是成爲土 600G。藉由這種多量程3軸加速度偵知裝置，從1 G以下 小的加速度直到數百G的大的加速度爲止，測量各式各 樣的強度的加速度後，±3 G的範圍是使用第一 3軸加速度 感測器元件50a，±600G的範圍是使用第二3軸加速度感 測器元件50a’，就可分別直線性佳地進行測量。 如上述尺寸例，第二3軸加速度感測器元件50a’的每 單位加速度的輸出電壓爲了比第一 3軸加速度感測器元件 5 0a小，縮短樑的長度，加寬樑的寬度，提高樑的彎曲剛 性較佳。且，縮小錘的外形尺寸，減輕錘的重量較佳。由 此，錘及樑的配置領域，是第二3軸加速度感測器元件 5〇a’漸小較佳。即框內部的空間領域縮小，即與二條樑的 連結框的連接點的距離較小較佳。 且，上述尺寸的感測器元件時，第一 3軸加速度感測 器元件50a的共振頻率是約1.5kHz，在第=3軸加速度 感測器元件50af中約25kHz。衝撃加速度的偵知的情況 時，藉由搭載有感測器的機器的衝突所產生的衝擊，加速 度感測器的共振頻率附近的振動施加於加速度感測器的 話，共振頻率的振動不會衰減而殘留而有可能影響偵知波 形。因此，在衝擊偵知中，有需要提高共振頻率。測量高 -23 - 200813431 加速度量程的第二3軸加速度感測器元件50a’，因爲具有 高樑的彎曲剛性，錘的重量輕，所以感測器元件的共振頻 率也高而適合使用於衝擊偵知。 測量低加速度量程的第一 3軸加速度感測器元件 5〇a，是受到大大超過測量量程的加速度的話，在樑會產 生過大的應力，而使樑有可能破損。因此，在感測器元件 的錘的上下，隔有間隔地配置規制板。在此實施例中，在 錘的上方配置具有偵知電路的1C晶片也就是1C規制板 3a，錘的下方是使用殼la的內底作爲規制板。即使設置 與1C規制板3a及殻la獨立的規制板，其厚度也可以比 感測器整體的厚度薄。規制板及錘的間隔，是在測量量程 內使錘不會衝突於規制板，且樑破損或樑變形之前使錘衝 突於規制板的間隔。在本實施例中爲1 5 μηι。爲了精度佳 地形成間隔，在第一接合劑16a、16a’攪和有外徑幾乎一 定的塑膠球，就可以將塑膠球作爲隔片來規制間隔。測量 量程大的第二3軸加速度感測器元件50af，即使受到所設 定的最大的加速度，樑也不至於破壞的情況時，在第二3 軸加速度感測器元件50a’的上下不設置規制板也可以。即 配置於1C規制板3a覆蓋第一 3軸加速度感測器元件50a 上方，不覆蓋第二3軸加速度感測器元件50af上方的領域 也可以。 [實施例2] 對於本發明的實施例2的多量程3軸加速度偵知裝 -24- 200813431 置，使用第4圖至第6圖的說明。第4圖，是實施例2的 多量程3軸加速度偵知裝置的分解立體圖，第5圖是多量 程偵知晶片的立體圖。第6圖是第4圖的VI - VI線的剖面 圖。在第4圖中，多量程3軸加速度偵知裝置100b，是 形成包含2個的隔膜型3軸加速度感測器元件的多量程偵 知晶片40b、及偵知電路，將也具有規制感測器元件的動 作的功能的1C的規制板3b，設置於明礬製的殼lb內， 由明礬製的殼蓋2b所密封的結構。多量程偵知晶片40b 的晶片端子41b及1C規制板3b的1C端子31b之間、及 與殻lb的外部端子11b連接的殼端子12b及1C端子31b 之間，由導線1 5b所連接，使感測器的偵知訊號從外部端 子1 1 b取出。 如第6圖所示，多量程偵知晶片40b是使用第一接合 劑16b固定在殻lb的內底。在第一接合劑16b中攪和有 塑膠球，可在感測器元件的錘71b、71bf及殼lb內底之間 形成間隔。1C規制板3b是同樣藉由攪和有塑膠球的第一 接合劑16b’接合於多量程偵知晶片40b上，可在感測器元 件的錘71b、71b’及1C規制板3b之間形成間隔。將殻蓋 2b由第二接合劑1 7b密封於殼1 b，形成多量程3軸加速 度偵知裝置l〇〇b。 使用第5圖說明多量程偵知晶片40b的構造。在多量 程偵知晶片40b中，形成第一隔膜型3軸加速度感測器元 件70b及第二隔膜型3軸加速度感測器元件70bf。隔膜型 3軸加速度感測器元件70b、70b’，在框72b、72b’內錘 -25- 200813431 71b、7 lb·是由比框 72b、72b’及錘 7 1b、7 1b" 的可撓構件73b、73b’所支撐。多量程偵知晶> 面內爲X軸及Y軸，與上面垂直的方向爲Z 撓構件73b上，X軸方向加速度偵知用的壓 75b是沿著X軸形成，Y軸方向加速度偵知用 元件76b是沿著Y軸形成。Z軸加速度偵知用 元件77b是任一軸方向也可以，在此是沿著 壓電電阻元件每1軸設置4個，藉由無圖示的 成架橋電路。藉由加速度使錘受力而變位，藉 壓電電阻元件的電阻變化，由架橋電路取出由 阻元件的阻力變化量差所產生的電位差，就可 度。 第二隔膜型3軸加速度感測器元件70b’雖 結構，但是第二隔膜型3軸加速度感測器元件 於第一隔膜型3軸加速度感測器元件70b的框 邊。 第二隔膜型3軸加速度感測器元件70b’， 型3軸加速度感測器元件70b相比，每單位加 電壓較小。即對於輸出電壓的全量程，第二隔 速度感測器元件701^的測量量程較寬。例如， 3軸加速度感測器元件70b的測量量程可以ί] G的落下偵知，第二隔膜型3軸加速度感測器 測量量程可以使用作爲±數百G的衝擊偵知。 偵知晶片上，形成複數晶片端子4 1 b。 薄的隔膜狀 t 40b的上 軸時，在可 電電阻元件 的壓電電阻 的壓電電阻 X軸形成。 配線連接構 由樑變形使 4個壓電電 以偵知加速 也是同樣的 7 0 bf是形成 72b的一框 與第一隔膜 速度的輸出 膜型3軸加 第一隔膜型 g用作爲土數 元件70b’的 且在多量程 -26- 200813431 在本實施例的多量程3軸加速度偵知裝置’可將第一 隔膜型3軸加速度感測器元件7ob及第二隔膜型3軸加速 度感測器元件70b’，總括形成一個多量程偵知晶片40b ° 在砍乾触刻的遮罩製作兩者的形狀’同時加工形成’就可 以不追加程序地形成測量量程不同的2個感測器元件’可 以降低製造成本。且，在第一隔膜型3軸加速度感測器元 件70b的框72b內，因爲形成第二隔膜型3軸加速度感測 器元件7 0 b ’，所以2個感測器元件的框可共通化並可小面 積收納，多量程3軸加速度偵知裝置可以小型化。且’藉 由2個感測器元件的樑的方向因爲藉由遮罩模式圖案形 成，所以2個感測器元件的加速度偵知軸可高精度地一 致。第一隔膜型3軸加速度感測器元件70b及第二隔膜型 3軸加速度感測器元件70V的框72b、72b’及錘71b、71b’ 的厚度相同，且由隔膜構成的可撓構件73b、73V的厚度 相同。 第二隔膜型3軸加速度感測器元件70V的每單位加速 度的輸出電壓因爲比第一隔膜型3軸加速度感測器元件 7 0b小，所以縮短第二隔膜型3軸加速度感測器元件的隔 膜的寬度即錘及框間的距離，提高其隔膜的彎曲剛性較 佳。且，縮小錘的外形尺寸，減輕錘的重量較佳。由此， 第二隔膜型3軸加速度感測器元件70bf的錘及樑的配置領 域較小較佳。即框內部的空間領域較小較佳。 且，衝擊加速度的偵知的情況，藉由藉由搭載有感測 器的機器的衝突所產生的衝擊，加速度感測器的共振頻率 •27- 200813431 附近的振動施加於加速度感測器的話，共振頻率的振動不 會衰減而殘留而有可能影響偵知波形。因此，在衝撃偵知 中，有需要提高共振頻率。測量高加速度量程的第二3軸 加速度感測器元件70V，因爲可撓構件的彎曲剛性高，錘 的重量輕，所以感測器元件的共振頻率也高而適合使用於 衝擊偵知。 測量低加速度量程的第一隔膜型3軸加速度感測器元 件70b，是受到大大超過測量量程的加速度的話隔膜狀的 可撓構件會產生過大的應力，而使可撓構件有可能破損。 因此，在感測器元件的錘的上下，隔有間隔地配置規制 板。在此實施例中，在錘的上方配置具有偵知電路的1C 晶片也就是1C規制板3a，錘的下方是使用殼la的內底 作爲規制板。即使設置與1C規制板3 a及殼1 a獨立的規 制板，其厚度也可以比感測器整體的厚度薄。規制板及錘 的間隔，是在測量量程內使錘不會衝突於規制板，且可撓 構件破損或可撓構件變形之前使錘衝突於規制板的間隔。 爲了精度佳地形成間隔，在第一接合劑16a、16a’攪和有 外徑幾乎一定的塑膠球，就可以將塑膠球作爲隔片來規制 間隔。測量量程大的第二3軸加速度感測器元件70b"，即 使受到所設定的最大的加速度，也不至於破壞的情況時， 在第二3軸加速度感測器元件70b’的上下不設置規制板也 可以。即配置於1C規制板3 a覆蓋第一 3軸加速度感測器 元件70b上方，不覆蓋第二隔膜型3軸加速度感測器元件 70b’上方的領域也可以。 -28- 200813431 [實施例3] 本發明的實施例3的多量程3軸加速度偵知裝置如以 下說明。 第7圖是顯示實施例3的多量程偵知晶片40c的立體 圖。可取代實施例2於測量低加速度量程所使用的第一隔 膜型3軸加速度感測器元件7 Ob，而使用第一樑型3軸加 速度感測器元件50c。多量程偵知晶片40c是具有：測量 低加速度量程的第一樑型3軸加速度感測器元件5 0c、及 測量高加速度量程的隔膜型3軸加速度感測器元件7 0 c。 隔膜型3軸加速度感測器元件7 0 c，是在框7 2 c內藉由隔 膜73c支撐錘71c的構造，樑型3軸加速度感測器元件 5〇c，是在框52c內藉由2對的樑53c、5 4c支撐錘51c。 在樑53c、54c上，如第2圖的實施例1所說明，設有X 軸壓電電阻元件及Y軸壓電電阻元件、Z軸壓電電阻元件 是設置。隔膜型3軸加速度感測器元件70c是形成於樑型 3軸加速度感測器元件50c的框52c的一框邊。測量低加 速度量程的樑型3軸加速度感測器元件5 0 c、及測量高加 速度量程的隔膜型3軸加速度感測器元件70c的框52c、 72c及錘51c、71c的厚度相同’可撓構件也就是樑53e、 54c及隔膜73c的厚度相同。 [實施例4] 本發明的實施例4的多量程3軸加速度偵知裝置如以 -29- 200813431 下說明。 第8圖是顯示實施例4的多量程偵知晶片4〇d 圖。可取代實施例2於測量高加速度量程所使用的 膜型3軸加速度感測器元件70b’，而在多量程偵 4 0 d使用樑型3軸加速度感測器元件5 0 d。多量程 片4 0 d是具有：測量低加速度量程的第一隔膜型3 度感測器元件70d、及測量高加速度量程的樑型3 度感測器元件5 0d。隔膜型3軸加速度感測器元件 是在框72d內藉由隔膜73d支撐錘71d的構造，樑 加速度感測器元件50d，是在框52d內藉由2 53d、54d支撐錘51d。樑型3軸加速度感測器元件 形成於隔膜型3軸加速度感測器元件70d的框72d 邊。測量低加速度量程的隔膜型3軸加速度感測 7〇d、及測量高加速度量程的樑型3軸加速度感測 50d的框52d、72d及錘51d、71d的厚度相同，可 也就是樑53d、54d及隔膜73d的厚度相同。 [實施例5] 本發明的實施例5，是進一步追加加速度偵知 由3個不同加速度量程可以偵知3軸加速度的多量 加速度偵知裝置。多量程偵知晶片40e的槪略構造 圖的立體圖所示。在第一隔膜型3軸加速度感測 70e的框72e邊內，加上第二隔膜型3軸加速度感 件TOe1，配置第三隔膜型3軸加速度感測器元件 的立體 弟一*隔 知晶片 偵知晶 軸加速 軸加速 70d， 型3軸 對的樑 50d是 的一框 器元件 器元件 撓構件 量程， 程3軸 如第9 器元件 測器元 7 0e，，c -30- 200813431 第一至第三隔膜型3軸加速度感測器元件70e、70^、 7〇e"，是從第一至第三使每單位加速度的輸出電壓依序變 小，從第一至第三使加速度測量量程依序變大。例如，第 一隔膜型3軸加速度感測器元件爲±3G，第二隔膜型3軸 加速度感測器元件爲±3 0G，第三隔膜型3軸加速度感測 器元件爲±60 0G。從第一至第三爲止單位加速度的輸出電 壓因爲依序變小，從第一至第三爲止錘的尺寸依序變小， 且可撓構件的長度也縮短。 在本實施例中，第一隔膜型3軸加速度感測器元件 7〇e爲方形，第二隔膜型3軸加速度感測器元件70e'爲多 角形，第三隔膜型3軸加速度感測器元件70e”爲圓形的 隔膜，配合其改變框 72e、72e’、72e”及錘 71e、71e’、 7 le”的形狀。如此，不限定於方形，可以選擇多角形或圓 形。且，從第一至第三隔膜型3軸加速度感測器元件的框 72e、72e’、72e"及錘 71e、71e’、71e"的厚度相同，那些 的可撓構件73e、73ef、73e”的厚度彼此相同。 [實施例6] 實施例6，是可以由3個不同加速度偵知的量程偵知 3軸加速度的多量程3軸加速度偵知裝置。多量程偵知晶 片4Of的槪略構造如第1 〇圖所示。在與實施例1同樣的 第一 3軸加速度感測器元件50f的框邊內，配置第二3軸 加速度感測器元件50Γ及第三3軸加速度感測器元件 50Γ’。從第一至第三3軸加速度感測器元件使每單位加速 200813431 度的輸出電壓依序變小。從第一至第三使加速度測量量程 依序變大。例如，第一*爲i3G’弟—《爲i30G’弟二爲土 600G。從第一至第三爲止每單位加速度的輸出電壓因爲 依序變小，從第一至第三爲止使錘的尺寸依序變小，且樑 的長度縮短，或者是寬度變寬。 [實施例7] 說明本發明的實施例7的多量程3軸加速度偵知裝 置。第1 1圖是顯示實施例7的多量程偵知晶片4〇g的構 造的立體圖。第二3軸加速度感測器元件50g’是由2個2 軸加速度感測器元件60g、60g’所構成。多量程偵知晶片 4 〇 g，是與實施例1同樣，在第一兀件框5 2 g內分別由二 條的第一元件第一樑53g及第一元件第二樑54g支撐第一 元件錘51 g的構造，具有第一 3軸加速度感測器元件 5 〇 g。另一方面，第二3軸加速度感測器元件5 0 g ’，是 由：在第二元件第一框62 g內由二條的第二元件第一樑 63 g支撐第二元件第一錘61g的構造的第一 2軸加速度感 測器元件60g、及在第二元件第二框62g’內由二條的第二 元件第二樑63gf支撐第二兀件第一錘61g'的構造的弟一 2 軸加速度感測器元件6〇gi構成。 2軸加速度感測器元件是具有1對樑的部分是與3軸 加速度感測器元件不同。藉由形成於樑的壓電電阻元件’ 可偵知樑的延伸方向也就是第一軸（X軸）、及與晶片面垂 直的第二軸（Z軸）的加速度。2個2軸加速度感測器元件 -32- 200813431 因爲配置成第一軸彼此相互垂直’所以2個元件可以各別 偵知第一軸方向也就是2軸（X軸及Y軸）、及Z軸的3 軸。Z軸的偵知，是可以由2個元件的任一進行。在本實 施例中，第一 2軸加速度感測器元件60g的樑63g沿著X 軸配置，並設置X軸壓電電阻元件及Z軸壓電電阻元 件。而且，第二2軸加速度感測器元件60 g’的樑63 g’沿著 Y軸配置，並設置Y軸壓電電阻元件。 2軸加速度感測器元件，因爲樑是1對，整體的樑的 彎曲剛性比具有2對的樑將的3軸加速度感測器元件小’ 相同的每單位加速度的輸出電壓可以縮小錘的尺寸。因爲 樑只有朝一方向延伸，所以更可以收納於小框內。在2元 件的合計中，面積雖比3軸加速度感測器元件大，但是第 二之後的加速度感測器元件爲2軸元件2個，藉由配置於 最大尺寸的第一 3軸加速度感測器元件的框邊內，就可以 縮小多量程3軸加速度偵知裝置整體的尺寸。即，第一 3 軸加速度感測器元件爲1個3軸元件，第二之後的3軸加 速度感測器元件可選擇：1個3軸元件或2個2軸加速度 感測器元件。 顯示實施例7的多量程偵知晶片的槪略尺寸。第一 3 軸加速度感測器元件5 0 g是與實施例1的第一 3軸加速度 感測器元件50a相同大小且相同構造。第一 2軸加速度感 測器元件60g及第二2軸加速度感測器元件60g’是相同尺 寸，那些的樑的長度爲120μπι，寬度爲ΙΟΟμπι，錘的外形 尺寸爲150μπιχ150μιη。這時，輸入電壓爲3V時的每加速 -33-
200813431 度1G的輸出電壓，在第一 3軸加速度感測器元件 X、Y、Z軸皆爲約2.0mV，在第一及第二2軸加速度 器元件中X、Y、Z軸皆爲約0.0 1 mV。第一及第二2 速度感測器元件，是面積比實施例1的第二3軸加連 測器元件50a’的錘形狀小的錘，每單位加速度的輸出 可同等。藉由將上述尺寸的第一及第二2軸加速度感 元件，如第1 1圖所示，配置於第一 3軸加速度感消! φ 件50g的框邊內，就可達成比實施例1小的多量程偵 片整體的尺寸。 [實施例8] 實施例8，是如第12圖所示，將與實施例7 第一及第二2軸加速度感測器元件60h及60h’各別 第一 3軸加速度感測器元件50h的框邊之中的2 造。具有朝X方向延伸的樑的第一 2軸加速度感 件6Oh，是設在與第一 3軸加速度感測器50h的X 的框邊內，具有朝Y方向延伸的樑的第二2軸加 測器元件60W，是設在與第一 3軸加速度感測器元 的γ軸平行的框邊內。第一及第二2軸加速度感 件6Oh、6Oh，的元件整體的尺寸因了長於樑的長度 所以對於多量程偵知晶片40h整體的平面縱橫尺寸 較長方的尺寸可儘可能地縮短而較佳。即’多量程 片爲略正方形的情況，本實施例的結構的面積成爲 中， 感測 軸加 度感 電壓 測器 器元 知晶 樣的 置於 的構 器元 平行 度感 50h 器元 向， 因爲 知晶 小0 -34- 200813431 [實施例9] 第1 0圖所示的實施例6的多量程3軸加速度偵知裝 置中第二及第三3軸加速度感測器元件50f’及5 Of”可以爲 2個2軸加速度感測器元件。例如，在實施例9的多量程 偵知晶片4〇i中，如第13圖所示，第三3軸加速度感測 器元件5 0i ”，是由偵知X、Z軸加速度的第一 2軸加速度 感測器元件60i、及偵知Y軸加速度的第二2軸加速度感 測器元件60Γ所構成。第一 2軸加速度感測器元件60i及 第二3軸加速度感測器元件50Γ—起設在沿著第一 3軸加 速度感測器元件5 0 i的X軸的框邊內，第二2軸加速度感 測器元件60 Γ設在沿著Y軸的框邊內。 [實施例1〇] 且如第14圖所示的實施例1〇的多量程偵知晶片4〇j 中，第二3軸加速度感測器元件5 0j ’，是由偵知X、Z軸 加速度的第一 2軸加速度感測器元件6 0j、及偵知Y軸加 速度的第二2軸加速度感測器元件6 0j ’所構成，同樣地第 三3軸加速度感測器元件50j”，是由偵知x、Z軸加速度 的第三2軸加速度感測器元件65j、及偵知Y軸加速度的 第四2軸加速度感測器元件65j ’所構成。第一及第三2軸 加速度感測器元件6〇j及65】設在沿著第一 3軸加速度感 測器元件5 0j的X軸的框邊內，第二及第四2軸加速度感 測器元件6 0j，及6 5 j ’設在沿著第一 3軸加速度感測器元件 50j的框的Y軸的框邊內。 -35- 200813431 在這些的實施例的多量程3軸加速度偵知裝置中，對 於1 G以下至數百G爲止的各式各樣的強度的加速度，使 用適合的加速度強度的3軸加速度感測器元件，就可在其 測量量程內測量具有良好的直線性的加速度。 [實施例1 1] 本發明的實施例1 1的多量程3軸加速度偵知裝置如 以下說明。在第1 5圖中，顯示實施例1 1的多量程偵知晶 片4 0k的構造的立體圖。本實施例，是由：測量低加速度 量程的樑型3軸加速度感測.器元件50k、測量中加速度量 程用的2個的樑型2軸加速度感測器60k及601及測量高 速度量程的隔膜型3軸加速度感測器元件70k所構成。樑 型2軸加速度感測器60k及60kf，是由1對的樑63k、 63k’連繫錘61k，61k’及框6 2k、62k’。在樑型2軸加速度 感測器60k的樑63k中形成X軸用壓電電阻元件及Z軸 用壓電電阻元件，在樑型2軸加速度感測器60kf的樑631 中形成Y軸用壓電電阻元件。隔膜型3軸加速度感測器 元件70k及2個的樑型2軸加速度感測器60k及60k’，是 形成於樑型3軸加速度感測器元件50k的2個框邊52k。 樑型2軸加速度感測器元件60k、60k’各別具有1對 的樑6 3 k、6 3 k'的的部分與樑型3軸加速度感測器元件 5 0k不同。藉由形成於樑63k、63k'的壓電電阻元件，可 偵知樑的長度方向也就是第一軸（x軸）、及與晶片面垂直 的第二軸（Z軸）的加速度。此2軸加速度感測器元件2個 -36- 200813431 的第一軸彼此因爲配置成相互垂直，所以可以由2個的元 件各別偵知朝樑的軸方向延伸的2軸（X軸及Y軸）及Z軸 合計3軸的加速度。Z軸加速度的偵知，是由2個元件的 任一進行也可以，使用雙方的元件也可以。在本實施例 中，第一樑型2軸加速度感測器元件60k的樑63k沿著X 軸配置，並形成X軸壓電電阻元件及Z軸壓電電阻元 件。而且，第二樑型2軸加速度感測器元件60k’的樑63k’ 沿著Y軸配置，並形成Y軸壓電電阻元件。 樑型2軸加速度感測器元件的樑因爲是1對，所以與 樑有2對的樑型3軸加速度感測器元件相比合計的樑彎曲 剛性較小，相同的每單位加速度的輸出電壓用的錘的尺寸 可以縮小。樑因爲只有朝一方向延伸，可收納於更小的框 內〇 [實施例12] 實施例1 2的多量程3軸加速度偵知裝置，是在實施 例1所說明的多量程偵知晶片40a的感測器元件形成領域 的外側適用晶圓層級包裝。實施例12的多量程3軸加速 度偵知裝置如第1 6圖及第1 7圖的剖面圖所示。如第1 6 圖所示，在多量程偵知晶片40a的上下接合第一帽3m及 第二帽3m'。在第一帽3m及第二帽3 m’的中央具有凹槽 32m’周邊部與多量程偵知晶片40a接合。接合部因爲是 配置於多量程偵知晶片40a的感測器元件形成領域的外 側’所以感測器元件被保護於由第一帽3m及第二帽3m/ -37- 200813431 包圍的氣密包裝內，使濕度或異物等的影響不會造成感測 器元件的特性變動。 且，感測器元件的錘51a、5 la’及第一帽3m及第二 帽3m’之間具有適切的間隔，當受到過大的加速度時可具 有規制錘的變位防止樑破損的規制板的功能。在多量程偵 知晶片40a的上表面中形成晶片保護膜45a，連繫配置於 氣密包裝的外部的晶片端子41a、及壓電電阻元件的配 • 線，是通過晶片保護膜45a下朝氣密包裝外被拉出。第一 帽3m及第二帽3m’是由矽晶圓所形成，由矽的異方性鈾 刻或是乾蝕刻加工凹槽32m。多量程偵知晶片40a及第一 帽3m及第二帽的接合是在晶圓的狀態下進行，接合 後對於各偵知晶片包裝1 00m進行個片化。接合是使用 AuSn焊鍚。其他也可以使用各種金屬的焊鍚接合及共晶 接合、表面活性化接合、陽極接合、低融點玻璃接合等。 當個片化時，因爲有需要露出晶片電極，所以在第一帽 φ 中，晶片電極的上方領域也形成凹槽，藉由只有第一帽 3m由第一方塊切割部A所切斷，露出晶片電極41a。之 後，由第二方塊切割部B切斷多量程偵知晶片40a及第二 帽3m’進行個片化。 感測器元件因爲被保護於氣密包裝內，在感測器整體 的包裝中可以適用一般所利用的便宜的塑膠包裝。使用金 屬導架及樹脂密封的結構例如第1 7圖所示。藉由樹脂製 的第一接合劑79將1C晶片80接合在金屬導架85的晶片 支撐板78上，藉由樹脂製的第二接合劑8 1將偵知晶片包 -38- 200813431 裝ΙΟΟιη接合於1C晶片80上。而且，偵知晶片包裝 100m的晶片端子41a、及ic晶片80的1C端子82、及 W端子82及金屬導架85的外部端子83之間藉由Au製 的拉線1 5連接後，藉由環氧製的密封樹脂84密封。又， ：& Ifch的多量程偵知晶片雖是使用實施例1者，但也可以使 用實施例2〜1 1者。 φ 【圖式簡單說明】 第1圖，本發明的實施例1的多量程，3軸加速度偵知 裝置的分解立體圖。 第2圖，是使用於實施例1的多量程3軸加速度偵知 _ g的多量程偵知晶片的立體圖。 第3圖，是第1圖的in - m線的剖面圖。 第4圖，是本發明的實施例2的多量程3軸加速度偵 知裝置的分解立體圖。 • 第5圖’是使用於實施例2的多量程3軸加速度偵知 __的多量程偵知晶片的立體圖。 第6圖，是第3圖的％ 一贝線的剖面圖。 第7圖，是使用於實施例3的多量程3軸加速度偵知 _ ®的多量程偵知晶片的立體圖。 第8圖，是使用於實施例4的多量程3軸加速度偵知 _ Μ的多量程偵知晶片的立體圖。 第9圖’是使用於實施例5的多量程3軸加速度偵知 _ tt的多量程偵知晶片的立體圖。 -39 - 200813431 第10圖，是使用於實施例6的多量程3軸加速度偵 知裝置的多量程偵知晶片的立體圖。 第11圖，是使用於實施例7的多量程3軸加速度偵 知裝置的多量程偵知晶片·的立體圖。 第12圖，是使用於實施例8的多量程3軸加速度偵 知裝置的多量程偵知晶片的立體圖。 第13圖，是使用於實施例9的多量程3軸加速度偵 知裝置的多量程偵知晶片的立體圖。 第1 4圖，是使用於實施例1 0的多量程3軸加速度偵 知裝置的多量程偵知晶片的立體圖。 第1 5圖’是使用於實施例1 1的多量程3軸加速度偵 知裝置的多量程偵知晶片的立體圖。 第1 6圖，是顯示實施例1 2的多量程3軸加速度偵知 裝置由晶圓層級包裝的剖面圖。 第1 7圖，是實施例1 2的多量程3軸加速度偵知裝置 的剖面圖。 第1 8圖，是習知的3軸加速度偵知裝置的分解立體 圖。 第19圖，是第18圖的IXX-IXX線的剖面圖。 第2 0圖，是使用於第1 8圖所示的3軸加速度偵知裝 置的樑型偵知晶片的平面圖。 第2 1圖，是使用於習知的3軸加速度偵知裝置的隔 膜型偵知晶片的平面圖。 第22圖，是顯示習知的多量程加速度偵知裝置的立 -40- 200813431 體圖。 第23圖，是顯示習知的別的多量程加速度偵知裝置 的立體圖。 【主要元件符號說明】 A :第一方塊切割部 B :第二方塊切割部 1 :殼 1 a :殼 lb :殼 2 :殼蓋 2a :殼蓋 2b :殼蓋 3 :規制板 3 a : 1C規制板 3b : 1C規制板 3 m :第一帽 3 m ’ ：第二帽 1 1 :外部端子 1 1 a :外部端子 1 1 b :外部端子 1 2 :殼端子 12a :殼端子 12b :殼端子 -41 - 200813431 1 5 :導線 1 5 a :導線 15b :導線 1 6 :接合劑 16a :第一接合劑 16a’ ：第一接合劑 16b :第一接合劑 16b« :第一接合劑 1 7 :接合劑 17a :第二接合劑 17b :第二接合劑 21，22，23 :加速度感測器 24 :電路基板 3 1 ··框 3 1 a : I C端子 31b : 1C端子 32 :樑 32m :凹槽 33 :錘 3 4 :電極 40 :偵知晶片 40a :多量程偵知晶片 40b :多量程偵知晶片 40c :多量程偵知晶片 -42- 200813431 40d :多量程偵知晶片 40e :多量程偵知晶片 40f :多量程偵知晶片 4〇g :多量程偵知晶片 40h :多量程偵知晶片 40i :多量程偵知晶片 4〇j :多量程偵知晶片 40k :多量程偵知晶片 4 1 :晶片端子 4 1 a :晶片端子 4 1 b :晶片端子 45a :晶片保護膜 50 :樑型3軸加速度感測器元件 5 〇a :第一 3軸加速度感測器元件 5 0a’ ：第二3軸加速度感測器元件 5 0c:第一樑型3軸加速度感測器元件 5 〇d :樑型3軸加速度感測器元件 5 Of :第一 3軸加速度感測器元件 5 0Γ :第二3軸加速度感測器元件 5 0Γ :第三3軸加速度感測器元件 5 0Γ’ ··第三3軸加速度感測器元件 5 〇g :第一 3軸加速度感測器元件 5 0g’ ：第二3軸加速度感測器元件 5 Oh :第一 3軸加速度感測器元件 -43- 200813431 5 0i :第一 3軸加速度感測器元件 5 0i’ ：第二3軸加速度感測器元件 5 Oi ” ：第三3軸加速度感測器元件 5 Oj^第一 3軸加速度感測器元件 5 0j’ ：第二3軸加速度感測器元件 5 0j ” ：第三3軸加速度感測器元件 5 0k :樑型3軸加速度感測器元件 51 :錘 5 1 a :第一元件錘 5 1a’ ：第二元件錘 5 1 c :錘 51d :錘 5 1 g :第一元件錘 5 2 ··框 52a :第一元件框 52a’ ：第二元件框 52c ：框 52d ：框 52g :第一元件框 52k :框邊 53 :樑 53a :第一元件第一樑 53a’ ：第二元件第一樑 53c ， 54c ：樑 -44- 200813431 53d ， 54d ：樑 53g :第一元件第一樑 54a :第一元件第二樑 54a1 :第二元件第二樑 54g :第一元件第二樑 55: X軸壓電電阻元件 55a : X軸壓電電阻元件 56 : Y軸壓電電阻元件 56a : Y軸壓電電阻元件 5 7 : Z軸壓電電阻元件 57a : Z軸壓電電阻元件 60g :第一 2軸加速度感測器元件 60g,:第二2軸力口速度感測器元件 6Oh :第一 2軸加速度感測器元件 60h’ ：第二2軸力口速度感測器元件 6 0i :第一 2軸加速度感測器元件 60 i’ ：第二2軸加速度感測器元件 6〇j :第一 2軸加速度感測器元件 60jf :第二2軸加速度感測器元件 60k :樑型2軸加速度感測器 60k’ ：樑型2軸加速度感測器 6 1 g :第二元件第一錘 61gf :第二元件第二錘 61k，61k1 :錘 -45- 200813431 62g :第二兀件第一框 62g':第二元件第二框 62k， 62kf ：框 63g :第二元件第一樑 63g’ ：第二元件第二樑 63k ··樑 63k，··樑 65j :第三2軸加速度感測器元件 6 5j’ ：第四2軸加速度感測器元件 70 : 3軸加速度感測器元件 7 0b :第一隔膜型3軸加速度感測器元件 70b，：第二隔膜型3軸力口速度感測器元件 70c :隔膜型3軸加速度感測器元件 7〇d :第一隔膜型3軸加速度感測器元件 7〇e :第一隔膜型3軸加速度感測器元件 70 e’ ：第二隔膜型3軸加速度感測器元件 70e” ：第三隔膜型3軸加速度感測器元件 70k :隔膜型3軸加速度感測器元件 71 :錘 71b ， 71bf ：錘 71c ：錘 7 1 d :錘 71e，71e’，71en:錘 72 :框 -46- 200813431 72b ：框 72b’ ：框 72c :框 72d :框 72e， 72e’， 72eM ：框 73 :隔膜 73b :可撓構件 73b’ ：可撓構件 7 3 c :隔膜 7 3d:隔膜 73e，73e’，73 eM ：可撓構件 75 : X軸壓電電阻元件 75b :壓電電阻元件 76 : Y軸壓電電阻元件 76b :壓電電阻元件 77: Z軸壓電電阻元件 77b :壓電電阻元件 78 :晶片支撐板 79 :第一接合劑 8 0 : IC晶片 8 1 :第二接合劑 82 : 1C端子 83 :外部端子 84 :密封樹脂 -47 - 200813431 85 :金屬導架 100 : 3軸加速度感測器 100a :多量程3軸加速度偵知裝置 10 0b :多量程3軸加速度偵知裝置 100m :偵知晶片包裝 200 :加速度偵知裝置 3 00 :多量程加速度偵知裝置
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