TW201321755A - 無線式熱氣泡式加速儀及其製備方法 - Google Patents

無線式熱氣泡式加速儀及其製備方法 Download PDF

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Abstract

一種熱氣泡式加速儀包含一第一絕熱基板、一電路、一第一加速度感測裝置，以及一第一支撐層。電路形成於第一絕熱基板上。第一加速度感測裝置耦接該電路，且包含兩個第一溫度感測元件和設置於該兩個第一溫度感測元件之間之一第一加熱器。第一支撐層附著於第一絕熱基板，並支撐該些第一溫度感測元件及該些第一加熱器。

Description

無線式熱氣泡式加速儀及其製備方法
本發明係關於一種熱氣泡式加速儀，特別係關於一種具有非懸置之加熱器與溫度感測元件之熱氣泡式加速儀。
美國專利公告號第6,182,509號公開一種熱氣泡型加速儀(Thermal Bubble Accelerometer)。熱氣泡型加速儀包含一絕熱基板、一加熱器和兩個溫度感測元件。絕熱基板具一凹槽，加熱器與兩個溫度感測元件懸置於凹槽上，且兩個溫度感測元件分別等距置放於加熱器之相對兩側。
為形成懸置之加熱器與兩個溫度感測元件，首先在絕熱基板上形成二氧化矽層。然後，在二氧化矽層上形成一多晶矽層。之後，進行氧化製程，在多晶矽層上形成另一氧化層。接著，圖案化該多晶矽層，以獲得3條多晶矽橋樑(Polysilicon Bridge)。然後，再次進行氧化製程，以在多晶矽橋樑之側邊形成氧化層。之後，絕熱基板以EDP(乙二胺(Ethylenediamine)、兒茶酚(Pyrocatechol)和水之混合物)蝕刻出深凹槽。
從上述的製程描述可看出，懸置之加熱器與兩個溫度感測元件之製作步驟繁複，因而導致此熱氣泡型加速儀的製造成本高。而且，纖細的多晶矽橋樑，容易在製造及長時間工作時損壞，造成熱氣泡型加速儀的低良率。再者，元件通常是作在為矽基板上，由於矽的熱傳導係數(1.48 W/(cm-K)較高，容易散逸加熱器的產生的熱能，因此加熱器需懸置於凹槽上，以節省能量消耗。雖然如此，矽基板仍會散逸加熱器可觀的能量，而導致此類熱氣泡型加速儀會消耗較大的能量。再之，此種熱氣泡型加速儀空腔中，是充入二氧化碳或是空氣，容易使加熱器及溫度感測器，產生氧化效應，影響性能及壽期。
綜上，傳統熱氣泡型加速儀仍有種種的問題。因此，有必要發展出新的熱氣泡式加速儀。
基於上述問題，本發明揭示一種熱氣泡式加速儀，其包含一第一絕熱基板、一電路、一第一加速度感測裝置，以及一第一支撐層。電路形成於第一絕熱基板上。第一加速度感測裝置耦接該電路。第一加速度感測裝置包含兩個第一溫度感測元件，和設置於該兩個第一溫度感測元件之間之一第一加熱器。第一支撐層附著於第一絕熱基板，並支撐該些第一溫度感測元件及該些第一加熱器。
本發明一實施例之多軸向熱氣泡式加速儀之製備方法，包含下列步驟：在一絕熱基板上，形成一支撐層；在該支撐層上，形成兩個溫度感測元件；在該支撐層上和該些溫度感測元件上，沈積複數金屬層；以及圖案化該複數金屬層，以於該些溫度感測元件之間，形成構成一加熱器之部分金屬層、構成天線之部分金屬層，以及構成連接電路之部份金屬層。
在一方面上，本發明揭示之熱氣泡式加速儀之加熱器與溫度感測元件，係直接附著製作於支撐之絕熱基板層上，而並非懸置於凹槽上，因此本發明揭示之熱氣泡式加速儀，具有容易製作、高良率，更耐用，及低製造成本等優點。
在一方面上，本發明揭示用於量測垂直軸向(Z軸)之熱氣泡加速儀信號之方法，是利用一插座連接器，將信號連接至信號處理及無線電路。此種連接設計容易製造、安裝且成本低。
圖1顯示本發明一實施例之多軸向加速度無線量測系統1之示意圖。參照圖1所示，多軸向加速度無線量測系統1包含一監控設備11，以及至少一多軸向無線式熱氣泡式加速儀12。多軸向無線式熱氣泡式加速儀12，是用來量測多個軸向上的加速度。在笛卡兒座標系統(Cartesian Coordinate System)上，多軸向無線式熱氣泡式加速儀12可被規劃，以包含感測X軸向上之加速度之一X軸向熱氣泡加速儀13、感測Y軸向上之加速度之一Y軸向熱氣泡加速儀14，及感測Z軸向上之加速度之一Z軸向熱氣泡加速儀15。然而，本發明並不以此為限。X軸向熱氣泡加速儀13、Y軸向熱氣泡加速儀14，和Z軸向熱氣泡加速儀15，可耦接一控制及放大器124，藉以控制、放大及傳送下列裝置之信號：X軸向熱氣泡加速儀13、Y軸向熱氣泡加速儀14，和Z軸向熱氣泡加速儀15。多軸向無線式熱氣泡式加速儀12，可另包含一無線模組125，無線模組125可藉由一通訊標準及協定(Communication Standard and Protocol)，與監控設備11之無線模組111，進行訊號傳輸，藉此使監控設備11，可監控多軸向無線式熱氣泡式加速儀12運動之加速度，其中通訊標準可包含RFID(Radio Frequency IDentification)標準、ZigBee標準或藍芽標準。
圖2顯示本發明一實施例之多軸向無線式熱氣泡式加速儀12之示意圖。在一實施例中，X軸向熱氣泡加速儀13、Y軸向熱氣泡加速儀14、Z軸向熱氣泡加速儀15、天線126、電源供應裝置127，和包含控制及放大器124與無線模組125之晶片128，可形成在一絕熱基板129上，並耦接絕熱基板129上之連接電路130，以構成多軸向無線式熱氣泡式加速儀12。天線126可耦接晶片128。絕熱基板129可為一撓性絕熱基板，其材料可為聚噻吩(Polythiophene，PT)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate，PET)，或聚醯亞胺(Polyimide，PI)。多軸向無線式熱氣泡式加速儀12，可利用微機電製程製作。電源供應裝置127，用於提供多軸向無線式熱氣泡式加速儀12所需的電源，可包含電池直接供電，或經由晶片控制，以進行省電模式的運作。在絕熱基板129上，另可形成一震盪電路131，震盪電路131耦接晶片128，以提供多軸向無線式熱氣泡式加速儀12，操作時所需之鐘波信號。震盪電路131可為RC震盪器，其可包含製作於絕熱基板129上之薄膜電阻和薄膜電容。
絕熱基板129上可另設置一放大器132。X軸向熱氣泡加速儀13、Y軸向熱氣泡加速儀14，和Z軸向熱氣泡加速儀15，耦接放大器132，以放大X軸向熱氣泡加速儀13、Y軸向熱氣泡加速儀14，及Z軸向熱氣泡加速儀15，所輸出之感測信號。在一實施例中，放大器132可包含儀表放大器(Instrumentation Amplifier)。
雖然圖2實施例顯示X軸向熱氣泡加速儀13、Y軸向熱氣泡加速儀14，Z軸向熱氣泡加速儀15，及與無線模組之整合，為設置於同一絕熱基板129上。然而，本發明的主要技術內容，亦可施行於X軸向熱氣泡加速儀13、Y軸向熱氣泡加速儀14，與Z軸向熱氣泡加速儀15中，任一者或者任兩者，形成在絕熱基板129之實施例上。
圖3顯示本發明一實施例之X軸向熱氣泡加速儀13，及與無線模組整合之示意圖。參照圖3所示，X軸向熱氣泡加速儀13，可包含兩個X軸向加速度感測裝置121a和121b。各X軸向加速度感測裝置121a和121b，運用耦接電路匯流排(Bus)130，藉以獲取操作所需之電能，及輸出感測信號於晶片128。各X軸向加速度感測裝置121a或121b，可包含兩個溫度感測元件(R1和R2)或(R3和R4)，及加熱器133或134，其中加熱器133或134，設置於兩個溫度感測元件(R1和R2)或(R3和R4)之間。在一實施例，兩個溫度感測元件(R1和R2)或(R3和R4)，和加熱器133或134係等距。
圖4顯示本發明一實施例之溫度感測元件連接成惠斯登電橋(Wheatstone Bridge)電路之示意圖。參照圖3與圖4所示，X軸向加速度感測裝置121a和121b，分別耦接晶片128，以獲得操作所需之電源。再者，在兩組X軸向加速度感測裝置121a和121b之間是呈交叉相連，即將位在加熱器133和134不同側之兩個溫度感測元件(R1、R2、R3和R4)，兩兩連接在同一電路接點220和221。以圖3揭示為例說明，位在X軸向加速度感測裝置121a左側之溫度感測元件R1，和位在X軸向加速度感測裝置121b右側之溫度感測元件R4，連接在同一電路接點220；而位在X軸向加速度感測裝置121a右側之溫度感測元件R2，和位在X軸向加速度感測裝置121b左側之溫度感測元件R3，連接在同一電路接點221。如此，溫度感測元件(R1、R2、R3和R4)連接，形成一惠斯登電橋218，如圖4所示。由於位在加熱器133和134不同側之兩個溫度感測元件(R1和R4，R2和R3)是屬於串聯連接，使得當X軸向熱氣泡加速儀13在X軸向上加速移動時，兩組電路接點220和221間，會產生一電壓差。放大器132將電壓差放大，並輸出至晶片128，晶片128取得此放大的電壓差，即可經由控制器124及無線模組125，輸出X軸向熱氣泡加速儀13的加速度值。
參照圖2所示，Y軸向熱氣泡加速儀14，可以類似圖4之X軸向熱氣泡加速儀13之實施例來實現。惟，不同處在於：在X軸向熱氣泡加速儀13內，各X軸向加速度感測裝置121a或121b之加熱器133或134，和兩個溫度感測元件(R1和R2)或(R3和R4)，是平行X軸排列；而在Y軸向熱氣泡加速儀14內，各個Y軸向加速度感測裝置122a或122b之加熱器(133'或134')，與兩個溫度感測元件(R1'和R2')或(R3'和R4')，是平行Y軸排列，其中各個Y軸向加速度感測裝置122a或122b之加熱器(133'或134')，位於相應之兩個溫度元件(R1'和R2')或(R3'和R4')之間。
Y軸向加速度感測裝置122a或122b之溫度感測元件(R1'、R2'、R3'和R4')，可類似X軸向加速度感測裝置121之溫度感測元件(R1、R2、R3和R4)，連接而形成一惠斯登電橋，藉此產生一電壓差。此電壓差同樣透過放大器132放大，並輸出至晶片128，晶片128依照放大的電壓差，經由控制器124及無線模組125，輸出Y軸向加速度值。
圖5顯示本發明一實施例之一插座連接器135，位於一絕熱基板129上之示意圖。圖6顯示本發明一實施例之一插座連接器135之示意圖。圖7顯示本發明一實施例之Z軸向熱氣泡加速儀15之示意圖。參照圖5至圖7所示，在X-Y平面上延伸之絕熱基板129上，可設置一插座連接器135。插座連接器135用於固定並接收，如圖7所顯示之Z軸向熱氣泡加速儀15，所偵測的Z軸向的加速度信號，如此當Z軸向絕熱基板151朝垂直於X-Y平面，即平行Z軸之方向上，加速運動時，可量測出在X-Y平面之絕熱基板129在Z軸向的加速度。
參照圖7所示，Z軸向熱氣泡加速儀15，包含一絕熱基板151、兩個Z軸向加速度感測裝置123a和123b，以及複數個接觸墊152(Contact Pads)，其中絕熱基板151之材料，可為聚噻吩、聚對苯二甲酸乙二酯，或聚醯亞胺。兩個Z軸向加速度感測裝置123a和123b，設置於絕熱基板151上。而複數個接觸墊152，設置靠近絕熱基板151之一邊緣。各Z軸向加速度感測裝置123a或123b，包含兩個溫度感測元件(R5和R6)或(R7和R8)，和一加熱器153或154，其中加熱器153或154，位於相應之兩個溫度感測元件(R5和R6)或(R7和R8)之間，且加熱器153和154以及溫度感測元件(R5、R6、R7和R8)之兩端，分別耦接至相應之接觸墊152。
參照圖5及圖6所示，插座連接器135包含一絕緣本體1351和複數根連接端子1352。絕緣本體1351上具有一凹槽1353，Z軸向熱氣泡加速儀15，則可插置於凹槽1353內。連接端子1352設置於絕緣本體1351上，以電性連接Z軸向熱氣泡加速儀15，與在X-Y平面之絕熱基板129上之電路匯流排130。
參照圖5，圖6和圖7所示，當Z軸向熱氣泡加速儀15，插入插座連接器135，位在其加熱器153和154不同側之溫度感測元件(R5和R8)或(R6和R7)之一端，可透過相應之接觸墊152與端子1352，耦接在X-Y平面之絕熱基板129上之電路接點222或223，藉此構成一惠斯登電橋。電路接點222或223耦接放大器132，以放大因Z軸向加速度而產生之信號，而該信號接著由晶片128進行地心重力補償處理，經由控制器124及無線模組125，輸出Z軸向加速度值。溫度感測元件(R5、R8、R6和R7)之另一端，透過相應之接觸墊152，耦接晶片128，以提供溫度感測元件(R5、R8、R6和R7)量測加速度時所需之電源。
以下列示本發明一實施例之熱氣泡加速儀之製備方法。例示的內容雖顯示一X軸向加速度感測裝置121a的製作方法，惟此實施例之熱氣泡加速儀之主要製作流程，亦可用於在上述基板上，同時製作多個X軸向加速度感測裝置121a和121b，及多個Y軸向加速度感測裝置122a和122b，並且可用於製作Z軸向加速度感測裝置123a和123b。
圖8至圖21為加速儀製程步驟之截面圖與上視圖，顯示本發明一實施例之熱氣泡式加速儀之製備方法之製程步驟。參照圖8所示，在一絕熱基板129的上、下兩個表面上，分別蒸鍍二氧化矽層21，以覆蓋絕熱基板129並隔絕溼氣。然後在上、下兩個表面上，再蒸鍍兩個氮化矽層22，分別覆蓋二氧化矽層21，以隔絕溼氣及防止製程中刮傷絕熱基板129。
圖9係一在圖8顯示之結構上蒸鍍一層P型摻雜非晶矽層(P-Type Doped Amorphous-Silicon)23，作為熱敏電阻(Thermistor)，而後在兩個溫度感測器處，留下光阻24之後的上視圖，其例示本發明一實施例之條狀光阻結構。圖10係圖9之結構之截面圖。參照圖9與圖10所示，在一氮化矽層22上，以電子槍蒸鍍P型摻雜(P-Type Impurity，如硼)及矽等粉末的混合物，以在一氮化矽層22上，形成含有P型摻雜非晶矽層。之後，在P型摻雜非晶矽層23上，形成兩組之複數條狀光阻結構24，以蝕刻出溫度感測元件。在另一實施例中，條狀光阻結構24可具”弓”型結構，以提升其電阻，防止其產生不必要的熱能，而使溫度上升，會影響溫度感測元件的靈敏度。
圖11係一上視圖，其例示本發明一實施例之溫度感測元件(R1~R4)。圖12係圖11之結構之截面圖。參照圖11與圖12所示，以蝕刻溶液(如加熱至60與80℃間之一溫度之氫氧化鉀溶液(KOH Solution))，對P型摻雜非晶矽層23進行蝕刻，其結果是在兩組之複數條狀光阻結構24下方，形成兩組之複數條P型摻雜非晶矽層，作為溫度感測元件(R1~R4)。接著，用有機溶劑(如丙酮)，以濕式蝕刻法(Wet Etch)，或用臭氧灰化法(Ozone Ashing)，去掉條狀光阻結構24。接著，以雷射進行退火(Laser Anneal)，使P型摻雜非晶矽層，轉變成P型摻雜複晶矽(Poly-Silicon)層23，以作為形成溫度感測元件(Thermistor)與薄膜電阻(Thin Film Resistor)之原料及結構。
從圖12可看出，二氧化矽層21與氮化矽層22，構成一支撐層20，其中支撐層20附著在絕熱基板129上，且支撐溫度感測元件(R1~R4)。
圖13係一上視圖，其例示本發明一實施例(如圖2或圖3)之加熱器133或134，及無線傳輸之天線126等光阻圖案。圖14係圖13之結構之截面圖。參照圖14，圖2及圖3所示，用電子槍蒸鍍兩片金屬層，其中一金屬層為一鉻層25(和絕熱基板129有良好的附著性)，而另一金屬層為一鎳層26(和鉻層25有良好的附著性)，以作為製作加熱器133和134、無線傳輸之天線126，以及基板上之連接電路匯流排130之用。然後，形成一圖案化光阻層27於該鎳層26上，其中圖案化光阻層27，包含用於形成加熱器133和134之圖案271、用於形成無線傳輸之天線126之圖案272，以及用於形成基板上之連接電路匯流排130之圖案(未繪示)。然後，利用蝕刻溶液(如硫酸)，蝕刻未被保護之鉻層25及鎳層26。接著，以丙酮(Acetone)，或者以臭氧灰化法(Ozone Ashing)，除去圖案化光阻層27。如此如圖15所示，留下構成加熱器133和134之部分金屬層33、無線傳輸之天線126之部分金屬層34，以及基板上之連接匯流排電路130之部分金屬層(未繪示)。
如圖15所示，在另一實施例中，加熱器133之部分金屬層33、無線傳輸之天線126之部分金屬層34，以及基板上之連接匯流排電路130之部分金屬層(未繪示)，可利用習知之微機電掀離顯影製程(Lift-Off Process)製作。其方法是在溫度感測元件(R1~R4)完成後，塗上一層厚(如SU-8)光阻，並定義出(去掉)在加熱器133和134、無線傳輸之天線126，以及基板上之連接匯流排電路130等的光阻圖案。而後，蒸鍍鉻及鎳金屬。接著，用掀離顯影製程(Lift-Off Process)，去掉光阻和附著在其上面的鉻及鎳金屬層，即可留下構成加熱器133和134之部分金屬層33、構成無線傳輸之天線126之部分金屬層34，以及構成連接匯流排電路130之部份金屬層。
圖16係一上視圖，其例示本發明一實施例之加熱器133和134與其兩端對外連接之金屬接觸墊29，溫度感測元件(R1~R4)與其兩端對外連接之金屬接觸墊29，及無線傳輸之天線126等圖案。圖17係圖16之結構沿AA’剖面線之截面圖。參照圖16與圖17所示，在基板上表面，先形成一圖案化光阻層，其中該圖案化光阻層，只曝露(沒有光阻覆蓋)下列部分：如構成天線126之部分金屬層34、連接匯流排電路130之部分金屬層(未繪示)，及加熱器133和134與溫度感測元件(R1~R4)之兩端對外連接之金屬接觸墊29(未繪示)。接著，用無電電鍍方法(Electroless-Plating)，在上述沒有光阻覆蓋等處，鍍一金層28。由於金層28和鎳層26的附著性佳及電阻較小，所以使用金層28，則天線及溫度感測器之性能，會比使用網印銀膠或電鍍銅層為佳。然後，圖案化光阻層可用有機溶劑(如丙酮)，以濕式蝕刻法(Wet Etch)，或用臭氧灰化法(Ozone Ashing)去掉。
從圖17可看出，加熱器133和134，及溫度感測元件(R1~R4)等，均為支撐層20所支撐(由二氧化矽層21與氮化矽層22所構成)，而無懸空之結構，此為本發明之獨有特點。
如圖2，圖17及圖18，Y軸向加速度感測裝置122a或122b，可與X軸向加速度感測裝置121a或121b，同時製作在同一絕熱基板129上，因為此Y軸向加速度感測裝置122a或122b之加熱器與溫度感測元件，亦為同一支撐層20所支撐。此外，Y軸向加速度感測裝置，亦可單獨製作在基板上之一支撐層，其加熱器與溫度感測元件，可為該支撐層所支撐，其中該支撐層亦可為氮化矽層和二氧化矽層所組成，而無懸空之結構。此外，Z軸向加速度感測裝置123a或123b，可用前述相同的製程製作，且Z軸向加速度感測裝置123a或123b之加熱器與溫度感測元件，可為一支撐層所支撐，其中該支撐層亦可為氮化矽層和二氧化矽層所組成，而無懸空之結構。
參照圖18所示，在構成各X軸向加速度感測裝置之加熱器133或134，及溫度感測元件(R1和R2)或(R3和R4)之四周，以網印的方式，塗佈一圈矩形黏膠層30，以作為封裝用的黏膠層圍籬(Dam Bar)。
圖19係一上視圖，其例示本發明一實施例之具一X軸向加速度感測裝置，及天線整合之無線熱氣泡式加速儀。圖20係圖19之結構之截面圖。參照圖19和圖20所示，將絕熱性較佳之矩形封蓋31(例如塑膠蓋)，黏合在黏膠層30上，並加以烤乾，以密封加熱器133或134，及溫度感測元件(R1和R2)或(R3和R4)。之後，將封蓋31之內部抽成真空，接著灌入高分子量且沒有氧化效應的惰性氣體，如氬、氪或氙等，以提升本裝置的靈敏度及可靠度。
在另一個實施例中，參照圖21所示，矩形封蓋32之內部氣泡腔體(Chamber)，還可以是半圓球形(Semi-spherical)或是半圓柱形(Semi-cylindrical)，這樣氣泡腔體內的氣體溫度分佈，受到外界加速度的擾動時，熱氣流不會由於一般習知所使用之矩形氣泡腔體邊界(Boundery of Rectangular Chamber)的反射效應，而散逸到較大的空間中，故可較快到達平衡，而不會有死角及亂流(Turbulent Flow)產生，所以可以提升本加速度感測裝置的反應頻寬，靈敏度，線性度及加速度量測範圍，此亦為本發明之獨有特點。矩形封裝蓋子31和32的外部，則可為平面矩形，以利打印商標、品名、生產序號及日期。
此外，晶片128上可先佈植凸塊。然後，以覆晶銲接方法，將晶片128固定在天線126的饋送端(Feed Terminals)，以縮短連線，提升天線信號接收及發射性能。
參照圖2，圖5與圖6所示，本發明一實施例之熱氣泡加速儀之製備方法，更包含在連接匯流排電路130完成製作後，將插座連接器135，固定在絕熱基板129上，且其端子1352的一邊與圖7 Z軸向熱氣泡加速儀15之對應接觸墊152相接，而另一邊則連通至絕熱基板129上，並與連接匯流排電路130電性連接，此亦為本發明之獨有特點。實際操作時Z軸向熱氣泡加速儀量測的結果，要作重力值的補償，其輸出才正確。
圖22顯示本發明一薄膜電阻41(如圖2及圖3)之截面示意圖。薄膜電阻41包含一電阻層411，及用於對外連接之兩個焊墊412，其中兩個焊墊412是位在電阻層411的相對兩端。電阻層411可為線型或製成”弓字”之形狀。電阻層411可包含P型摻雜複晶矽。焊墊412可包含金層。薄膜電阻41之製作方法，類似溫度感測元件(R1和R2)或(R3和R4)，故不於此在贅述。此電阻41亦可有複數個，以作為儀表放大器132所需之精密電阻。
圖23顯示本發明一實施例之薄膜電容42(如圖2及圖3)之截面示意圖。薄膜電容42可包含下層電極421、上層電極422及一絕緣層423。上層電極422包含鉻層425、鎳層426及金層427等三層。下層電極421包含P型摻雜複晶矽。絕緣層423包含氮化矽，或其他絕緣介質材料(如可用高誘電係數的材料，以降低面積)。
前述溫度感測元件與前述加熱器可具類似熱電偶或熱電堆之結構。
如圖24A本發明揭示另一種加熱器、溫度感測元件及其製作方法。溫度感測元件65和65'(兩端完成鍍金層)可為K、E、T及J等型之熱電堆(Thermal-Pile)，溫度感測元件65和65'可由複數個串聯之K型熱電偶(Thermal Couple)K1及K1'整合而成，其中熱電偶K1及K1'可為K型熱電偶，其正、負電極分別是以鎳、鉻等克鉻美合金(Chromel，正極)，及鎳、鋁、錳、矽等亞鋁美合金(Alumel，負極)所構成。以下說明溫度感測元件65和65'及加熱器52(兩端完成鍍金層)的製作方法。
K型熱電堆的製作方法參照圖24B至24D所示，首先在前揭圖8之結構上製作K型熱電堆的正極合金，即蒸鍍(如用電子槍)一層由鉻及鎳金屬粉末，均勻混合之金屬靶材(Target)，相關組成比例可適當調整，使蒸鍍後的鎳鉻合金薄膜組成比例是：鉻為90-91%，鎳為10-9%。而後用圖24B例示之光罩50，以黃光製程形成一圖案化光阻層，接著蝕刻沒有光阻覆蓋保護的鎳鉻合金金屬層，留下圖案化金屬層，即為K型熱電偶之正極。熱電偶之圖案(53、53')可分別包含以間斷處(58、58')分隔成之複數個塊狀圖形(51和51')。藉由光罩50，可形成複數個鎳鉻合金金屬圖案。
加熱器的製作方法參照圖24C所示，先在前揭圖24B之結構上蒸鍍(如用電子槍)一層由鉻及鎳金屬粉末，均勻混合之金屬靶材(Target)，相關組成比例可適當調整，使蒸鍍後的合金薄膜組成比例是：鉻為12-19%，鎳為88-81%。而後用圖24C例示之加熱器光罩54，以黃光製程形成一圖案化光阻層，接著蝕刻沒有光阻覆蓋保護的鎳鉻合金金屬層，留下圖案化金屬層即為加熱器圖案，如圖24D之編號52所指。
其次製作K型熱電堆的負極合金，即蒸鍍一層由鎳、鋁、錳金屬及矽等粉末，均勻混合之靶材(Target)，相關組成比例可適當調整，使蒸鍍後的合金薄膜組成比例是：鎳為16-17%、鋁為34-33%、錳為34-33%、矽為16-17%，並以圖24E之光罩46之圖案64、64'，運用黃光製程，將該鎳、鋁、錳及矽組成之合金薄膜層圖案化，從而形成複數個鎳、鋁、錳及矽組成之合金圖案，即為K型熱電偶之負極。
光罩46包含用於形成K型熱電偶負極之圖案(64、64')，而此熱電偶負極之圖案(64、64')，可分別包含以間斷處(60、60')分隔之複數個塊狀圖形(59、59')。藉由光罩46，可形成複數個鎳、鋁、錳及矽組成之圖案(64和64')，K型熱電堆的製作外觀結果，如圖24F。
在一加熱器的實施例中，可適當調整形成加熱器圖案52(如圖24C、24D及24F)之彎折形狀、寬度、數目及密度(可視黃光製程的解析度而定)，以獲得加熱器較佳的性能功效。在一熱電偶的實施例中，可適當調整形成熱電偶K1及K1'之塊狀正電極圖案53、53'(如圖24B及24D)之間斷處58和58'，及形成熱電偶塊狀負電極之圖案59、59'(如圖24E)之間斷處60和60'，等彎折形狀、寬度、數目及密度(可視黃光製程的解析度而定)(如圖24D至圖24F)，以獲得串聯式熱電堆65和65'較佳之性能及靈敏度。
接下去之步驟是形成金線層。如圖24G，先形成一層光阻，而後烤乾。再運用黃光製程，使加熱器52、兩個溫度感測器65及65'之兩端及其他要佈金線部分露出來，而後放入電鍍溶液中，以無電電鍍方法，在加熱器52、溫度感測器65及65'之兩端及其他要佈金線部分，鍍上一層金層45，做為良導體。這樣用鉻、鎳、鋁及金等金屬作為電路連線的結構，不僅與基板的附著性好，且導電性也會很好。
將圖24A加熱器52四周、溫度感測元件65及65'等的一半部分，塗上一層黏膠66(如樹脂)，作為圍籬(Dam Bar)，而後蓋上封裝蓋子(如圖24A之半圓柱型)密封，將黏膠烘烤使其與封裝蓋子黏合，抽真空後再灌入惰性氣體，如氬氣、或氪氣，或氙氣，即可完成加熱器52及溫度感測元件(K型熱電堆)65及65'。上述用封裝蓋子及封膠將加熱器52四周圍住，而只密封溫度感測元件(K型熱電堆)65及65'的一半部分，其目的是形成熱電偶所需的冷、熱兩區溫差結構，而冷區熱電偶是做為環境溫度補償電路之用，如此每個熱電偶的電壓輸出電壓，就可用交互串聯方式相加，不僅可形成較大的電壓輸出，提升溫度感測的靈敏度，也可降低本加速儀裝置操作於不同環境溫度的影響。本發明將此環境溫度補償電路做在封裝蓋子的外邊，也是不同於傳統環境溫度補償電路的做法，他們是將環境溫度補償電路做在封裝蓋子裡面，溫度最低的地方，但是這些地方的氣體溫度，可能會受到載具加速度運動而改變，進而影響加速度量測的精確度，所以這也是本發明的另一特色。而另一方面，本加速儀因為是將環境溫度補償電路做在封裝蓋子的外邊，同時又沒有懸空的結構，所以加速度量測的範圍，就可以提升，用途也更廣，如安全氣囊(Air Bag)等。
在另一實施例中，參照圖24H所示，本發明尚可將K型熱電堆65及65'之輸出，接至圖1與圖24H所示之控制及放大器124。而控制及放大器124可包含一減法放大器(Substracter)136，溫度感測元件(65及65')，可整合前述之鉻、鎳、鋁及金等金屬作為導體，分別經電阻R0，直接接到減法放大器136之正極輸入端和負極輸入端。這樣可消除熱電堆佈線時，產生的幾何偏差，及傳輸過程中共模雜訊(Common-Mode Noise)的干擾，而獲得純粹由於加速度所產生的溫度差，及正確的電壓輸出
在另一實施例中，兩個位在加熱器兩旁的溫度感測元件(65及65')，可分別用前述之鉻、鎳、鋁及金等金屬作為導體，而後再直接接至控制及放大器124內的儀表放大器。由於儀表放大器的輸入阻抗更大，加速儀的性能會更好。另一方面，也可以消除兩個溫度感測元件65及65'佈線時，產生的幾何偏差，及被干擾而產生的共模雜訊。
在另一實施例中，本發明尚可以上述相類似之方法，利用蒸鍍鎳、鉻之克鉻美(Chromel，正極)，及鎳、銅之康銅(Constantan，負極)合金等兩種合金，製作E型熱電偶(熱電堆)之溫度感測元件。其中鎳鉻正極合金薄膜之製作方法及組成比例，與K型熱電偶完全相同；而將K型熱電偶負極，改為鎳銅合金即可，並適當調整鎳、銅金屬粉末之組成比例，使蒸鍍後的薄膜組成比例是：鎳為45-46%，銅為55-54%。
在另一實施例中，本發明尚可以上述相類似之方法，利用蒸鍍銅(Copper，正極)及鎳銅(負極)等兩種合金，製作溫度感測元件(T型熱電偶及熱電堆)。其中鎳銅合金薄膜(負極)之製作方法及組成比例，與E型熱電偶完全相同；而將E型熱電偶所用之鎳鉻(正極)金屬，改為銅金屬(正極)即可。
在另一實施例中，本發明尚可以上述相類似之方法，利用蒸鍍鐵(Iron，正極)及鎳銅(負極)，製作J型熱電偶(熱電堆)之溫度感測器。其中鎳銅合金薄膜(負極)之製作方法及組成比例，與T型熱電偶完全相同；而將T型熱電偶所用之銅金屬(正極)，改為鐵金屬(正極)即可。
而後在基板安裝電池插座，並將水平及垂直各部電路以絕緣薄膜覆蓋及密封，以免相關電路接觸外界濕氣及灰塵，造成短路或影響加速儀的量測性能。最後安裝電池，即可工作。
綜上所述，本發明揭示一種熱氣泡加速儀，其係建構在一絕熱基板上，因其所用於加速度感測之加速度感測裝置內之溫度感測元件與加熱器，係可直接形成在一平面支撐層上，而不必在基板上形成凹槽，以便將溫度感測元件與加熱器隔絕於基板。是故，本發明揭示之一種熱氣泡加速儀，具有容易製作、高良率、耐用、高加速度量測及低製造成本等優點。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士，仍可能基於本發明之教示及揭示，而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍，應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
1．．．多軸向加速度量測系統
11．．．監控設備
12．．．多軸向無線式熱氣泡式加速儀
13．．．第一熱氣泡加速儀(X軸向)
14．．．第二熱氣泡加速儀(Y軸向)
15．．．第三熱氣泡加速儀(Z軸向)
20．．．支撐層
21．．．二氧化矽層
22．．．氮化矽層
23．．．P型摻雜非晶矽層
24．．．條狀光阻結構
25．．．鉻層
26．．．鎳層
27．．．圖案化光阻層
28．．．金層
29．．．銲墊
30．．．黏膠層
31．．．封裝蓋子
32．．．封裝蓋子
33．．．加熱器部分金屬層
34．．．天線部分金屬層
41．．．薄膜電阻
42．．．薄膜電容
45．．．金層
46．．．K型熱電偶負極及導線之光罩圖案
50．．．K型熱電偶正極及導線之光罩圖案
51、51'．．．K型熱電偶正極之塊狀圖案
52．．．加熱器外觀圖案
53、53'．．．K型熱電堆正極之圖案
54．．．加熱器之光罩圖案
58、58'．．．K型熱電堆正極之間斷處
59、59'．．．K型熱電偶負極之塊狀圖形
60、60'．．．K型熱電堆負極之間斷處
64、64'．．．K型熱電偶負極之合金金屬圖案
65、65'．．．溫度感測元件
66．．．黏膠圍籬
111．．．無線模組
121a、121b．．．X軸向加速度感測裝置
122a、122b．．．Y軸向加速度感測裝置
123a、123b．．．Z軸向加速度感測裝置
124．．．控制及放大器
125．．．無線模組
126．．．天線
127．．．電源供應裝置
128．．．晶片
129．．．絕熱基板(X、Y軸向熱氣泡加速儀)
130．．．連接匯流排電路
131．．．震盪電路
132．．．放大器
133、133'．．．加熱器(X、Y軸向熱氣泡加速儀)
134、134'．．．加熱器(X、Y軸向熱氣泡加速儀)
135．．．插座連接器
136．．．減法放大器
151．．．絕熱基板(Z軸向熱氣泡加速儀)
152．．．接觸墊(Z軸向熱氣泡加速儀)
153、154．．．加熱器(Z軸向熱氣泡加速儀)
218．．．惠斯登電橋
220、221．．．電路接點
222、223．．．電路接點
271、272．．．加熱器及天線光阻圖案
411．．．電阻層
412．．．焊墊
421．．．下層電極
422．．．上層電極
423．．．絕緣層
425．．．鉻層
426．．．鎳層
427．．．金層
1351．．．絕緣本體
1352．．．端子
1353．．．凹槽
K1、K1'．．．熱電偶
R0、Rf．．．電阻
Vo、Vo'．．．電壓值
R1、R2、R3、R4．．．溫度感測元件(X軸向熱氣泡加速儀)
R1'、R2'、R3'、R4'．．．溫度感測元件(Y軸向熱氣泡加速儀)
R5、R6、R7、R8．．．溫度感測元件(Z軸向熱氣泡加速儀)
圖1顯示本發明一實施例之多軸向加速度無線量測系統之示意圖；
圖2顯示本發明一實施例之多軸向熱氣泡式加速儀及與無線模組整合之示意圖；
圖3顯示本發明一實施例之X軸向熱氣泡加速儀及與無線模組整合之示意圖；
圖4顯示本發明一實施例之溫度感測元件連接成惠斯登電橋電路之示意圖；
圖5顯示本發明一實施例之一插座連接器位於一絕熱基板上之示意圖；
圖6顯示本發明一實施例之一插座連接器之示意圖；
圖7顯示本發明一實施例之Z軸向熱氣泡加速儀之示意圖；
圖8至圖21為各製程步驟之截面圖與上視圖，顯示本發明一實施例之熱氣泡式加速儀之製備方法之製程步驟；
圖22顯示本發明一實施例之薄膜電阻之截面示意圖；
圖23顯示本發明一實施例之薄膜電容之截面示意圖；
圖24A例示本發明一實施例之加熱器與溫度感測熱電堆元件及四周封膠之整合佈線圖；
圖24B例示本發明一實施例之用於製作加熱器與溫度感測元件(K型熱電偶)鎳鉻電極(Chromel，正極)之一光罩圖案；
圖24C例示本發明一實施例之用於製作加熱器之另一光罩圖案；
圖24D例示完成加熱器與溫度感測元件(K型熱電偶鎳鉻電極(Chromel，正極))(兩端尚未鍍金層)；以及
圖24E例示本發明一實施例之用於製作K型熱電偶鎳鋁錳矽(Alumel，負極)之另一光罩圖案；
圖24F例示本發明一實施例完成加熱器及K型熱電偶之電路整合佈線圖；
圖24G例示圖24F之實施例完成後，分別在加熱器及溫度感測元件(K型熱電堆)兩端鍍上金層後之示意圖；以及
圖24H例示兩個溫度感測元件及與減法器之接線電路圖案之示意圖。
12．．．整合無線模組、控制及放大器之多軸向熱氣泡式加速儀
13．．．第一熱氣泡加速儀(X軸向)
14．．．第二熱氣泡加速儀(Y軸向)
15．．．第三熱氣泡加速儀(Z軸向)
41．．．薄膜電阻
42．．．薄膜電容
121a、121b．．．X軸向加速度感測裝置
122a、122b．．．Y軸向加速度感測裝置
126．．．天線
127．．．電源供應裝置
128．．．晶片
129．．．絕熱基板
130．．．連接匯流排電路
131．．．震盪電路
132．．．放大器
133、133'．．．加熱器(X軸向熱氣泡加速儀)
134、134'．．．加熱器(Y軸向熱氣泡加速儀)
R1、R2、R3、R4．．．溫度感測元件(X軸向熱氣泡加速儀)
R1'、R2'、R3'、R4'．．．溫度感測元件(Y軸向熱氣泡加速儀)

Claims (28)

  1. 一種無線式熱氣泡式加速儀，包含：一第一絕熱基板；一電路，形成於該第一絕熱基板上；一第一加速度感測裝置，耦接該電路，且包含兩個第一溫度感測元件和設置於該兩個第一溫度感測元件之間之一第一加熱器；以及一第一支撐層，附著於該第一絕熱基板，並支撐該些第一溫度感測元件及該第一加熱器。
  2. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，包含兩個電路接點及兩個第一加速度感測裝置，其中位在該兩個第一加速度感測裝置之該些第一加熱器不同側之該些第一溫度感測元件，連接在同一該電路接點。
  3. 根據請求項2所述之無線式熱氣泡式加速儀，包含兩個第二加速度感測裝置，各該第二加速度感測裝置包含兩個第二溫度感測元件，和設置於該兩個第二溫度感測元件之間之一第二加熱器，其中各該第一加速度感測裝置之該第一加熱器，與該些第一溫度感測元件之排列方向，和各該第二加速度感測測裝置之該第二加熱器，與該些第二溫度感測元件之排列方向為垂直。
  4. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，其中該第一絕熱基板包含複數個接觸墊，其中該些接觸墊排列在該第一絕熱基板之一邊緣旁，且該兩個第一溫度感測元件，和該第一加熱器連接相應之該些接觸墊。
  5. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，更包含：一插座連接器；複數個端子，設置於該插座連接器，且耦接該電路；一第二絕熱基板；複數個接觸墊，排列在該第二絕熱基板之一邊緣旁，其中當該第二絕熱基板，插置於該插座連接器，該些接觸墊接觸該些端子；以及一第三垂直加速度感測裝置，設置於該第二絕熱基板，該第三加速度感測裝置包含：兩個第三溫度感測元件，耦接相應之該些接觸墊；及一第三加熱器，設置於該兩個第三溫度感測元件之間，與耦接相應之該些接觸墊；及一第二支撐層，附著該第二絕熱基板，並支撐該些第三溫度感測元件及該些第三加熱器。
  6. 根據請求項5所述之無線式熱氣泡式加速儀，包含兩個設置於該第二絕熱基板之第三垂直加速度感測裝置。
  7. 根據請求項1所述之熱氣泡式加速儀，其中該第一支撐層包含氮化矽及二氧化矽。
  8. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，其中該絕熱基板之材料為聚噻吩、聚對苯二甲酸乙二酯，或聚醯亞胺。
  9. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，其中該第一加熱器之材料包含鎳及鉻。
  10. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，更包含一天線，形成於該第一支撐層上。
  11. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，其中該第一溫度感測元件包含P型摻雜複晶矽。
  12. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，其更包含一封裝蓋子及一惰性氣體，其中該封裝蓋子密封該第一加速度感測裝置，而該惰性氣體在該封裝蓋子內。
  13. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，其中該些第一溫度感測元件耦接至一控制及放大器，該控制及放大器可為一減法放大器或一儀表放大器。
  14. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，其中各該第一溫度感測元件包含複數個交互串聯之熱電偶。
  15. 根據請求項14所述之無線式熱氣泡式加速儀，其中各該熱電偶包含一正極和一負極，該正極包含克鉻美(Chromel)合金，該負極包含亞鋁美(Alumel)合金。
  16. 根據請求項14所述之無線式熱氣泡式加速儀，其更包含一封裝蓋子，該封裝蓋子密封該第一加速度感測裝置，其中各該熱電堆有一半熱電偶位於該封裝蓋子外，作為環境溫度感測補償器。
  17. 根據請求項1所述之無線式熱氣泡式加速儀，其更包含兩個環境溫度感測補償器，其中該兩個環境溫度感測補償器與該兩個第一溫度感測元件分別形成交互串聯。
  18. 一種多軸向無線式熱氣泡式加速儀之製備方法，包含下列步驟：在一絕熱基板上，形成一支撐層；在該支撐層上，形成兩個溫度感測元件；以及在該支撐層上與該兩個溫度感測元件之間，形成一加熱器。
  19. 根據請求項18所述之製備方法，其更包含下列步驟：在該些溫度感測元件及該加熱器四周，塗佈一圈黏膠層，其中各該溫度感測元件包含複數個交互串聯之熱電偶，各該熱電偶有一半位於該黏膠層之外；以及將一封裝蓋子黏附該黏膠層。
  20. 根據請求項19所述之製備方法，其更包含下列步驟：將該些封裝蓋子之內部抽真空；以及將氬、氪或氙灌入該些封裝蓋子內。
  21. 根據請求項19所述之製備方法，其更包含下列步驟：將一插座連接器固定在該絕熱基板上，其中該插座連接器包含複數個端子。
  22. 根據請求項18所述之製備方法，其中在該支撐層上，形成兩個溫度感測元件之步驟，包含下列步驟：以電子槍蒸鍍法，蒸鍍含有P型摻雜及矽等粉末的一混合物，以形成含有P型摻雜一非晶矽層；圖案化該含有P型摻雜之該非晶矽層，以獲得該兩個溫度感測元件；以及以雷射進行退火，使該非晶矽層轉變成含有P型摻雜之該複晶矽層。
  23. 根據請求項18所述之製備方法，其中在一絕熱基板上，形成一支撐層之步驟包含：形成一二氧化矽層於該絕熱基板上；以及形成一氮化矽層於該二氧化矽層上。
  24. 根據請求項18所述之製備方法，其中在該支撐層上，形成兩個溫度感測元件之步驟，包含下列步驟：蒸鍍包含鉻及鎳金屬之一粉末，以形成一克鉻美合金層；圖案化該克鉻美合金層；蒸鍍包含鎳、鋁、錳及矽之一粉末，以獲得一亞鋁美合金層；以及圖案化該亞鋁美合金層。
  25. 根據請求項18所述之製備方法，其更包含形成兩個環境溫度感測補償器之步驟，其中該兩個環境溫度感測補償器與該兩個溫度感測元件分別形成交互串聯。
  26. 根據請求項18所述之製備方法，其中在該支撐層上，形成兩個溫度感測元件之步驟，包含下列步驟：蒸鍍包含鉻及鎳金屬之一粉末，以形成一克鉻美合金層；圖案化該克鉻美合金層；蒸鍍包含鎳和銅之一粉末，以獲得一康銅合金層；以及圖案化該康銅合金層。
  27. 根據請求項18所述之製備方法，其中在該支撐層上，形成兩個溫度感測元件之步驟，包含下列步驟：蒸鍍一銅粉末，以形成一銅層；圖案化該銅層；蒸鍍包含鎳和銅之一粉末，以獲得一康銅合金層；以及圖案化該康銅合金層。
  28. 根據請求項18所述之製備方法，其中在該支撐層上，形成兩個溫度感測元件之步驟，包含下列步驟：蒸鍍一鐵粉末，以形成一鐵層；圖案化該鐵層；蒸鍍包含鎳和銅之一粉末，以獲得一康銅合金層；以及圖案化該康銅合金層。
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