TWI390205B - 加速度感測器 - Google Patents

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Atsushi Kazama
Masakatsu Saitoh
Ryoji Okada
Takanori Aono
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Hitachi Metals Ltd
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Description

加速度感測器
本發明是關於汽車、飛機、可攜式終端機器、玩具等所使用之加速度檢測用的半導體加速度感測器。
加速度感測器，大量應用於安全氣囊的驅動用，是將汽車發生衝撞時的衝擊以加速度的方式掌握。在汽車方面，只要能測定X軸方向及/或Y軸方向的加速度而具備1軸或2軸功能就足夠了。又由於所測定的加速度非常大，用來檢測加速度的加速度感測器也製作成非常堅固。最近，應用於可攜式終端機器及機械人等的情況變多，而開始要求可檢測空間的移動，亦即能測定X、Y、Z軸方向的加速度之3軸加速度感測器。又為了檢測出微小的加速度，係要求高解析度及小型化。
在加速度感測器，關於將可撓性樑的移動轉換成電氣訊號的方法，可大致區分成壓阻型、靜電容型、壓電型，而必須考慮感測器的輸出的大小、響應頻率特性、耐電磁雜訊、輸出的直線性、靜止加速度的檢測、溫度特性等來進行選擇。基於小型且高感度的要求，必須進行微細加工，而在矽基板使用光微影技術來形成既定圖案，用半導體技術在矽中植入雜質以形成壓阻元件，如此般製得的半導體壓阻元件型3軸加速度感測器已實用化。
關於半導體壓阻元件型3軸加速度感測器，本申請案 的申請人已在各種範圍提出許多專利申請。在專利文獻1至專利文獻6揭示出：慣性體的形狀、樑的形狀、半導體壓阻元件的配置、半導體壓阻元件的連接、樑和支承框的接合部的形狀等。第15圖係顯示3軸加速度感測器的分解立體圖。第16A圖係顯示沿第15圖的XVI A－XVI A線的截面圖。第16B圖係顯示該3軸加速度感測器所使用的加速度感測器元件之俯視圖。3軸加速度感測器200，是在殼體190內，將加速度感測器元件100和限制板180用樹脂等的黏著材54黏著成隔著既定間隔。加速度感測器元件100的晶片端子104是經由引線58來連接於殼體端子192，並從外部端子194取出感測器的訊號。在殼體190上，例如用AuSn焊料等的黏著材55來黏著殼蓋195以形成密封。3軸加速度感測器元件100，係由方形的支承框10、慣性體20以及2對的樑30所構成，藉由2對的樑30將慣性體20保持於支承框10的中央。在樑30上形成半導體壓阻元件31x、31y、31z。在1對的樑上設置X軸半導體壓阻元件31x和Z軸半導體壓阻元件31z，在另一對的樑上設置Y軸半導體壓阻元件31y。在1對的樑的4端配置半導體壓阻元件，而由其等構成橋接電路，因此溫度變化等所造成的半導體壓阻元件的均一的電阻變化可抵銷，又藉由改變橋接電路的連接方式，可將X軸、Y軸、Z軸的加速度分開檢測。第16A圖中，慣性體20的下面和殼體190的內底面之間隔g4、慣性體20的上面和限制板180的間隔g3的作用，是在衝擊等過度的加速度施 加於感測器時，用來限制慣性體20的移動以防止樑30發生破損。本發明的半導體壓阻元件型3軸加速度感測器的基本構造，是和前述專利文獻所記載的相同，除了特別需要的情況以外是省略其說明。接下來，半導體壓阻元件型3軸加速度感測器以及元件，可能簡稱為加速度感測器或加速度感測器元件。又加速度感測器和加速度感測器元件，也可能代表相同的意義。
在製作上述加速度感測器元件時，由於樑的厚度要求高精度的加工，故一般是使用SOI(Silicon on Insulator)晶圓，亦即在厚的矽層的表面上，透過矽氧化膜層來積層薄的矽層的構造。矽氧化膜層是當作蝕刻阻擋層，在將薄的矽層加工成樑等的形狀後，在厚的矽層形成溝槽以讓支承框和慣性體分離，而藉由薄的矽層所構成的樑來使慣性體受支承框的支承。
半導體壓阻元件型3軸加速度感測器，在慣性體設置缺口部，將樑連接於該缺口部，藉此同時謀求小型化及高感度。關於這種構造的加速度感測器，例如記載於專利文獻7至專利文獻10。第17圖顯示其代表構造的立體圖。在加速度感測器元件100’，在慣性體20’之與樑30連接的部分設置缺口22，在缺口22的深處，將樑30連接於慣性體20’。因此，即使在支承框10的內部形成滿滿的慣性體20’，仍能使樑30的長度拉長至缺口22的長度，而能獲得雖然面積小但感度非常高的感測器。
〔專利文獻1〕日本特開2003－172745號公報 〔專利文獻2〕日本特開2003－279592號公報〔專利文獻3〕日本特開2004－184373號公報〔專利文獻4〕日本特開2006－098323號公報〔專利文獻5〕日本特開2006－098321號公報〔專利文獻6〕WO2005/062060A1〔專利文獻7〕日本特開平11－214705號公報〔專利文獻8〕日本特開2002－296293號公報〔專利文獻9〕日本特開2003－101032號公報〔專利文獻10〕日本特開平9－237902號公報〔專利文獻11〕日本特開平3－2535號公報〔專利文獻12〕日本特開平10－170380號公報〔專利文獻13〕日本特開2000－46862號公報
在第15圖所示的加速度感測器200，起因於用來將構成加速度感測器元件100的感測器晶片黏著於殼體之黏著材的硬化收縮、因殼體和感測器晶片的熱膨脹係數的不同所造成的熱變形、將感測器構裝於構裝基板後發生之構裝基板的彎曲等，會對感測器晶片施加外力。若有外力施加，會在感測器的樑產生樑延伸方向上的應力。例如若有向上凸的彎曲應力作用於感測器晶片會對樑施加拉伸應力，若有向下凸的彎曲應力作用於感測器晶片會對樑施加壓縮應力。若對樑施加朝樑延伸方向的應力，由於樑的變形容易度會改變，單位加速度的壓阻元件的應力變化會改變， 而可能造成感測器的感度改變。
在專利文獻11揭示出，使用晶圓級封裝技術將加速度感測器晶片予以封裝的構造。又在專利文獻12揭示出，將半導體感測器實施樹脂模塑的技術。藉此使用該等技術，如第18圖的截面圖所示可獲得：實施晶圓級封裝而用樹脂模塑後的加速度感測器300’。其是從加速度感測器元件100’的上下接合上蓋片150及下蓋片160，將加速度感測器元件100’的可動部氣密密封而構成MEMS加速度感測器組裝體170’。加速度感測器元件100’的電極墊174是從上蓋片150露出，以便進行引線接合。將電極墊174和外部端子56用引線58進行引線接合以形成電氣連接後，用模塑樹脂60密封而獲得樹脂封裝後的加速度感測器。
在專利文獻11的加速度感測器，感測器晶片和蓋片是使用相同材料以避免產生熱膨脹差，但起因於感測器晶片和蓋片的表面所形成的絕緣膜及金屬膜，因此會發生彎曲變形，而在蓋片的接合時會對感測器晶片施加外力，可能使樑的延伸方向的應力改變。又如第18圖所示組裝成樹脂封裝體時，也會受到模塑樹脂的硬化收縮和熱膨脹係數差的影響，又起因於構裝後的構裝基板發生彎曲，可能對感測器晶片施加外力而造成其感度改變。專利文獻13揭示出，為了降低會影響感度的外力變化，在樑的大致中央設置朝一方突出的凸狀彎折部，並以彎折部的突出方向不同的方式設置2根樑。由於設有2根樑，支承框及慣性體的中心線和樑的中心線不在同一直線上，因此缺乏對稱 性，如此無法充分緩和外力。又雖揭示出：將和支承框連接的樑的中心線、和慣性體連接的樑的中心線兩者偏移配置並將其間用樑來連結的構造，但因為關於支承框及慣性體的中心線是形成缺乏對稱性的構造，故無法充分緩和外力。特別是第18圖所示的樹脂模塑後的加速度感測器，由於施加的外力較大，要降低感度變化會有困難。
為了解決以上的課題，本發明的目的是實現出：即使對感測器晶片施加外力仍不容易改變感測器的感度的構造，而實現一種能減少特性變動的加速度感測器。
本發明的加速度感測器，係具備依據壓阻元件的電阻變化來檢測從外部施加的加速度之加速度感測器元件；該加速度感測器元件係具有：支承框、在從外部施加加速度時可相對於支承框進行移動的慣性體、用來連結慣性體和支承框並支承慣性體之複數個可撓性的樑、在樑和慣性體或支承框的連結處附近設置於樑上的半導體壓阻元件(以下稱「壓阻元件」)、以及連接於壓阻元件且設置於樑上的配線。在複數個樑當中，在設有用來檢測樑厚度方向的加速度的壓阻元件的樑上，分別具備至少1個應力緩衝部。
若對加速度感測器元件施加外力，雖然X、Y、Z軸方向的加速度檢測感度都會改變，但特別是Z軸方向的加速度檢測感度受的影響最大。若以加速度感測器元件的上面為X－Y面，Z軸則為樑的厚度方向，受到擾動力時會在該方向產生彎曲，而發生比X、Y軸方向大上約1位數的 感度變化。因此，至少在設有用來檢測Z軸加速度的壓阻元件的樑上設置應力緩衝部。也能在Z軸以外的樑上設置應力緩衝部。為了區別施加於加速度感測器之本來應測定的外力、造成感度變化的外力兩者，將施加應測定的加速度之外力稱為外力，將不必要的外力稱為擾動力。
本發明之在樑設置應力緩衝部的概念可適用於：可測定X、Y、Z軸當中的任1軸的1軸加速度感測器、可測定X、Y、Z軸當中的任2軸的2軸加速度感測器、可測定X、Y、Z軸全部的3軸加速度感測器。
即使是對加速度感測器元件施加擾動力而在樑上朝樑的延伸方向施加拉伸或壓縮力，若在樑設置應力緩衝部，藉由應力緩衝部可吸收該力量。由於應力緩衝部可吸收擾動力，故施加於樑延伸方向的應力變得不容易變化，樑的變形容易度也不容易改變。於是，可降低施加於加速度感測器元件、特別是樑的擾動力所造成的感度變化。在不具備應力緩衝部之習知的加速度感測器，擾動力會使Z軸感度發生20~50%的變化，但若設置應力緩衝部，則Z軸的感度變化會降低1位數左右。
本發明的加速度感測器較佳為，在應設置應力緩衝部之樑的壓阻元件設置區域外的樑上形成應力緩衝部，又關於樑的長度中心線和樑的寬度中心線的交點，是形成對稱。
作為用來保持加速度感測器元件的保護殼，可使用由陶瓷或金屬製的箱狀底箱和蓋所組合成的殼體，將加速度 感測器元件密封於其中而構成加速度感測器。或是，將作為保護殼而實施晶圓級封裝後的加速度感測器元件，藉由模塑樹脂進行封裝而構成的樹脂封裝加速度感測器。
形成於樑之至少一個應力緩衝部，較佳為配置成關於樑的長度中心線和樑的寬度中心線形成對稱。複數個應力緩衝部的配置間隔，可考慮樑的長度和應力緩衝部的尺寸來決定。
設有應力緩衝部的樑係具備：用來連結慣性體和應力緩衝部的第一部分、用來連結支承框和應力緩衝部的第二部分，第一部分和第二部分是朝樑整體的延伸方向延伸且具有實質相同的厚度。樑的第一部分和第二部分較佳為，從樑的外部施加朝樑整體的延伸方向的應力時，會朝相同方向彎曲。
當加速度感測器承受擾動力而使樑發生變形時，若樑的第一部分(位於慣性體和應力緩衝部之間)的長度和樑的第二部分(位於支承框和應力緩衝部之間)的長度一致，隔著應力緩衝部之樑的第一部分和第二部分的變形是對稱的。藉由使樑的第一部分和第二部分的變形成為對稱，容易讓配置於樑的兩端附近之壓阻元件上所施加的應力變化一致。藉由使配置於樑的兩端附近的壓阻元件產生大致相同的電阻變化，可將擾動力所造成之電阻變化的差縮小。若電阻變化相同，只要平衡狀態不改變，橋接電路的輸出就不會改變，因此施加於加速度感測器元件之擾動力所造成的輸出變化會縮小。
在樑的表面形成氧化鋁或氧化矽的絕緣膜、金屬配線等，由於樑和這些不同的材料具有不同的楊氏模數和熱膨脹係數，故樑本身就帶有朝厚度方向彎曲的應力。若由一根連續的材料來構成樑，則樑的一部分會朝與應力施加方向相反的方向彎曲。這樣的形狀並不穩定，將會助長在樑的延伸方向施加擾動力時的感度變化。而藉由在應力緩衝部產生扭曲變形，能以應力緩衝部作為彎曲的曲率的不連續點，而使位於應力緩衝部兩側之樑的第一部分和第二部分成為朝應力施加方向彎曲的形狀，藉此讓樑的變形變穩定而使擾動力所造成的感度變化縮小。按照應力緩衝部的扭曲效果的大小，在樑和應力緩衝部的連接部附近，可能會產生朝與應力施加方向相反的方向彎曲的部分，但由於樑的大部分是形成自然的彎曲，因此其抑制不穩定變形的效果絕對值得期待。
本發明的加速度感測器，應力緩衝部可以是在中央具有開口的框體，其連接於：與連接於慣性體的端相反側的樑的第一部分的端、與連接於支承框的端相反側的樑的第二部分的端。
藉由在樑上形成框狀的應力緩衝部，可吸收施加於樑整體的延伸方向的擾動力。利用框狀的應力緩衝部的變形可吸收在樑的延伸方向之伸縮應力，利用框狀的應力緩衝部的扭曲，能使位於應力緩衝部兩側的樑的第一部分和第二部分容易朝樑的厚度方向產生彎曲變形。藉由使框狀的應力緩衝部變形，對於施加於樑延伸方向的擾動力，樑的 延伸方向的應力不容易發生變化，而能減少感度變化。藉由利用框狀的應力緩衝部，可防止樑朝其寬方向發生彎曲變形。
本發明的加速度感測器，框狀的應力緩衝部可以是：方形、具有偶數邊的多角形、圓形、橢圓形或其等的變形。
框是像畫框那樣具有外緣和內緣，且外緣的形狀和內緣的形狀大致相似。大致相似是指，緣寬度可依場所而有不同，例如外緣為正方形內緣為長方形。方形是包括正方形、長方形、平行四邊形。多角形較佳為具有偶數邊，若使用具有奇數邊的三角形、五角形，由於無法均一地變形或扭曲故不宜使用。在多角形的角部可設置曲率。圓形，雖然朝樑的延伸方向不容易產生伸縮變形，但藉由扭曲而容易朝樑的厚度方向產生彎曲變形的效果是可期待的。橢圓形可產生框的變形和扭曲，因此其效率比圓形更佳。若採用外緣為圓形、內緣為橢圓形或是外緣為橢圓形、內緣為圓形的組合，可形成不具備直線部的應力緩衝部。所謂變形，例如方形的相對向的邊變成朝內側具有曲率的鼓形，或變成直線和曲線所組合成的跑道形等。
本發明所使用的框狀的應力緩衝部較佳為由第一框邊至第四框邊所構成的四邊形框；第一框邊，係連接於與慣性體連接的端相反側的設有應力緩衝部的樑的第一部分的端且朝樑的寬方向延伸；第二框邊，係連接於與支承框連接的端相反側的樑的第二部分的端且朝樑的寬方向延伸； 第三和第四框邊，係用來使第一框邊和第二框邊的端彼此連結且朝樑整體的延伸方向延伸。
本發明較佳為，具有框狀的應力緩衝部，且第三和第四框邊間的內側距離比設有應力緩衝部的樑的寬度更大。
第三和第四框邊間的內側距離比樑寬度更大是重要的。若框的外側的寬度和樑寬度相同或內側的寬度比樑寬度小，亦即在樑形成方形的孔，則幾乎不可能期待其發生變形，如此將無法發揮應力緩衝部的效果。藉由將應力緩衝部的邊框的內側稜邊配置在比樑的寬度的側稜邊更外側，容易產生變形和扭曲而發揮應力緩和效果。
本發明較佳為，具有框狀的應力緩衝部，且第一邊框和第二邊框各個、第三邊框和第四邊框各個，係具備與設有應力緩衝部的樑不同的寬度。又較佳為，前述具有應力緩衝部的邊框的各個，是比設有應力緩衝部的樑更薄。
本發明的加速度感測器，在複數個樑當中，在設置用來檢測樑厚度方向的加速度之半導體壓阻元件的樑上，分別具備複數個應力緩衝部的情形，設有複數個應力緩衝部的樑，係具備：用來連結慣性體和應力緩衝部的第一部分、用來連結支承框和其他的應力緩衝部之第二部分、用來連結複數個應力緩衝部當中相鄰的2個之至少1個第三部分。第一、第二及第三部分係朝樑整體的延伸方向延伸，且具有實質相同的厚度。複數個應力緩衝部各個，係設置於第一部分或第二部分和1個第三部分之間，或是設置於2個第三部分之間，且是在中央具有開口的框，並連接於 ：第三部分的一端、與慣性體或支承體連接的端相反側的第一部分或第二部分的端、或是其他的第三部分的一端。
又複數個應力緩衝部各個可以是由第一框邊至第四框邊所構成的四邊形框；第一框邊，係連接於與慣性體連接的端相反側的設有複數個應力緩衝部的樑的第一部分的端或樑的第三部分的一端且朝樑的寬方向延伸；第二框邊，係連接於第三部分的一端或與支承框連接的端相反側的樑的第二部分的端且朝樑的寬方向延伸；第三和第四框邊，係用來使第一和第二框邊的端彼此連結且朝樑整體的延伸方向延伸。
本發明的加速度感測器之應力緩衝部，係設置於樑的第一部分和第二部分之間，而由曲折連接的邊所構成，該曲折連接的邊，是從與連接於慣性體的端相反側之第一部分的端，連續至與連接於支承框的端相反側之第二部分的端。
該曲折連接的邊可由第一邊至第五邊所構成；第一邊，係連接於與慣性體連接的端的相反側之設有應力緩衝部的樑的第一部分的端，且朝樑的寬方向延伸；第二邊，係連接於與支承框連接的端的相反側之樑的第二部分的端，且在樑的寬方向朝與第一邊相反側延伸；第三邊係從第一邊的外端朝樑整體的延伸方向延伸；第四邊係從第二邊的外端朝樑整體的延伸方向延伸；第五邊，係設置於通過第一邊和第一部分的連接點與第二邊和第二部分的連接點的中央之樑寬方向的線上，且將第三邊和第四邊的端互相連 接。
藉由在樑設置具有曲折連接的邊之應力緩衝部，可吸收在樑整體的延伸方向施加的擾動力。在樑整體的延伸方向產生的伸縮應力可利用應力緩衝部的邊的變形來吸收，藉由使應力緩衝部扭曲而使位於應力緩衝部兩側的樑的第一部分和第二部分容易朝樑的厚度方向彎曲。藉由使應力緩衝部的邊產生變形，對於施加於樑整體的延伸方向的擾動力，朝樑整體的延伸方向的應力不容易改變，而能縮小感度變化。具有曲折連接的邊之應力緩衝部，比起框狀的應力緩衝部，對於朝樑整體的延伸方向的伸縮應力具有更大的吸收效果。若具有曲折連接的邊僅朝單方向突出，較容易產生樑的寬方向的彎曲，若具有曲折連接的邊朝寬方向的相反方向突出，可防止發生偏向單方向的變形。
本發明的加速度感測器，可在複數個樑當中，在設有用來檢測樑厚度方向的加速度之壓阻元件的樑上分別具備複數個應力緩衝部。設有複數個應力緩衝部的樑，係具備：用來連結慣性體和應力緩衝部的第一部分、用來連結支承框和其他的應力緩衝部之第二部分、用來連結複數個應力緩衝部當中相鄰的2個之至少1個第三部分，第一、第二及第三部分是朝樑整體的延伸方向延伸，且具有同樣的厚度。複數個應力緩衝部各個，係設置於樑的第一部分或第二部分和1個第三部分之間，或是設置於2個第三部分之間，且是由曲折連接的邊所構成；該曲折連接的邊，是從1個第三部分的一端，連續至與連接於慣性體或支承框 的端相反側的第一部分或第二部分的端或其他的第三部分的一端。
該曲折連接的邊可由第一邊至第五邊所構成；第一邊，係連接於與慣性體連接的端的相反側之設有複數個應力緩衝部的樑的第一部分的端、或是樑的第三部分的一端，且朝樑的寬方向延伸；第二邊，係連接於第三部分的一端，或是與支承框連接的端的相反側之第二部分的端，且在樑的寬方向朝與第一邊相反側延伸；第三邊係從第一邊的外端朝樑整體的延伸方向延伸；第四邊係從第二邊的外端朝樑整體的延伸方向延伸；第五邊，係設置於通過第一邊和第一部分或第三部分的連接點與第二邊和第三部分或第二部分的連接點的中央之樑寬方向的線上，且將第三邊和第四邊的端互相連接。
不須將曲折連接的邊的數目增多以獲得必要以上的應力吸收效果。若將曲折連接的邊的數目增多，樑的長度會變長，如此造成用來連接半導體壓阻元件的金屬配線長度變長。若金屬配線的長度變長，會導致消耗電力增加，因此並不想理。又樑會變得過度柔軟而使共振頻率降低等，可能會出現不良的副作用。於是，宜用最小的邊數來形成應力緩衝部。
就應力緩衝部而言，除了直線的組合以外，也能由大致S字形的曲線來形成。也能採用：由直線和曲線所組合成的曲折連接的邊。
本發明的加速度感測器較佳為，在曲折連接的邊當中 ，第三邊和第四邊間的內側距離比設有應力緩衝部的樑的寬度更大。
本發明的加速度感測器，曲折連接的邊的第一邊和第二邊各個、第三邊和第四邊各個，可具備與設有應力緩衝部的樑不同的寬度。
在呈框狀的應力緩衝部的情形，框邊的寬度可依部位而有不同，也能和樑的寬度不同。但是，關於樑的寬度中心線及長度中心線，必須形成對稱。若不具對稱性，若加速度感測器元件承受擾動力而使應力緩衝部發生變形時，位於應力緩衝部左右之樑的第一部分和第二部分發生的變形容易成為非對稱。若樑的變形是非對稱的，施加於樑的兩端的壓阻元件的力會失去平衡，而使橋接電路的電阻失衡，因此要縮小擾動力造成的輸出變化會有困難。由曲折連接的邊構成應力緩衝部的情形也是同樣的，關於應力緩衝部的中心宜形成對稱。
本發明的加速度感測器較佳為，曲折連接的邊各個是比設有應力緩衝部的樑更薄。
藉由使應力緩衝部的厚度比樑的厚度更薄，可提昇應力緩衝效果。即使不設置本發明的應力緩衝部，藉由使樑的中央部分變薄，樑變得容易彎曲而可期待其吸收擾動力的效果，但施加於樑的延伸方向的擾動力，並無法利用樑的伸縮來吸收，因此效果小。藉由使樑的中央部分的厚度變薄，比起框狀或曲折狀的應力緩衝部，其抑制Z軸感度變化的效果差，所獲得的效果，只能將習知的不具備應力 緩衝部的加速度感測器之約20~50%的Z軸感度變化降低至一半左右。然而，藉由使框狀或曲折狀的應力緩衝部變薄，可期待更大的應力緩衝效果。然而，若應力緩衝部的厚度變薄，製造時的工時增加，對製造上來說並不理想。在形成與樑厚度相同的框狀或曲折狀的應力緩衝部的情形，僅藉由改變光微影的光罩即可對應，如此並不會增加工時。
框狀的應力緩衝部上所形成的金屬配線較佳為，關於設有應力緩衝部的樑的寬度中心線，是形成對稱的。
連接於壓阻元件間的金屬配線，特別是從形成於樑的慣性體側的根部之壓阻元件引出的金屬配線，是通過樑上而朝支承框上引出。金屬配線所產生的應力的影響較佳為，關於樑的長度中心線及寬度中心線是形成對稱。在樑上配置偶數根的金屬配線的情形，藉由在框狀的應力緩衝部的2個框邊分別設置相同數量的金屬配線，當加速度感測器元件承受擾動力而使應力緩衝部發生變形時，位於應力緩衝部的左右的第一部分和第二部分的變形容易成為對稱的。基於此效果，施加於樑兩端的壓阻元件的力量也成為相同，即使組裝成橋接電路也不會造成電阻的大幅失衡，而能縮小擾動力所造成的輸出變化。
本發明的加速度感測器較佳為，將未連接於半導體壓阻元件的虛置金屬配線，形成在框狀的應力緩衝部的框邊，藉此，關於樑的寬度方向中心線，將金屬配線配置成在應力緩衝部的兩框邊上形成對稱。
在樑上設置奇數根的金屬配線的情形，可將中央的1根分割而分支成2根，藉此使框狀的應力緩衝部的各個框邊上的金屬配線數目相同而呈對稱。將1根金屬配線分支成2根時較佳為，分支後的金屬配線的寬度和分支前的金屬配線的寬度相同。將金屬配線2等分時，由於金屬配線寬度變窄，金屬配線發生斷線的危險性增加。此外，不進行分割分支，而例如將2根結合成1根，並在1根側形成未連接於半導體壓阻元件的虛置配線，也能使框的構造呈對稱。
本發明的加速度感測器較佳為，設有應力緩衝部之樑的第一部分和第二部分各個係具備：用來將第一部分或第二部分連接於慣性體或支承框之第一根部、用來將第一部分或第二部分連接於應力緩衝部之第二根部、寬度從第一根部至第二根部逐漸變化的寬度變化部；第一根部具有該樑所擁有的壓阻元件，第一根部的寬度W32a比第一和第二框邊各個的朝樑整體的延伸方向的寬度W6更大。
在施加外力時，應力緩衝部會變形而將施加於樑整體的延伸方向的擾動力予以吸收，因此其形狀較佳為，藉由施加於樑整體的延伸方向的擾動力容易發生變形。應力緩衝部的框邊當中，朝樑的寬方向延伸的框邊寬度越窄長度越長時，越容易發生變形。比起形成有壓阻元件而設有較多金屬配線之第一根部，由於在應力緩衝部的框邊設置分支的金屬配線，因此能縮小其寬度。藉由將框邊的寬度縮小，施加於樑整體的延伸方向的擾動力容易使框邊發生變 形，而能提昇應力緩衝部所產生的應力緩衝效果。
本發明的加速度感測器更佳為，第一根部的寬度W32a比第二根部的寬度32b更大，第二根部的寬度W32b比第一和第二框邊各個的樑整體的延伸方向的寬度W6更大。
在樑的第一根部和第二根部是形成同樣根數的金屬配線。但是，在第一根部，是形成有壓阻元件，且為了將壓阻元件間彼此連接，係藉由植入高濃度的離子以形成導電性提高的P型配線及金屬配線，因此第一根部的寬度W32a必須比第二根部的寬度W32b更大。亦即，第二根部的寬度可以比第一根部窄。於是，藉由設置比第一根部的寬度更窄的第二根部，並將第二根部和應力緩衝部連接，即使改變應力緩衝部的尺寸，仍能使朝樑的寬方向延伸之框邊的長度以第二根部的縮徑長度拉長。實質上就是將應力緩衝部朝樑寬方向拉長。由於應力緩衝部必須形成避免接觸慣性體，若將應力緩衝部在樑寬方向的寬度加大，在從慣性體取出的樑部分，形成於慣性體的缺口的寬度必須比設置於樑的應力緩衝部的寬度更大，如此會減少慣性體的體積而造成感度降低。藉由符合框邊的寬度W6<第二根部的寬度W32b<第一根部的寬度W32a的關係，就不會減少慣性體的體積，而能更加提高應力緩衝部所產生的應力緩衝效果。
本發明的加速度感測器，在具有曲折連接的邊所構成的應力緩衝部的情形，設有應力緩衝部的樑的第一部分和 第二部分各個係具備：用來將第一部分或第二部分連接於慣性體或支承框之第一根部、用來將第一部分或第二部分連接於應力緩衝部之第二根部、寬度從第一根部至第二根部逐漸變化的寬度變化部；第一根部具有該樑所擁有的壓阻元件，第一根部的寬度W32a比第一和第二框邊各個的朝樑整體的延伸方向的寬度W6’更大。
再者較佳為，第一根部的寬度W32a比第二根部的寬度W32b更大，第二根部W32b的寬度比第一邊和第二邊各個之朝樑整體延伸的方向的寬度W6’更大。
在具備由曲折連接的邊構成的應力緩衝部的情形，在樑的第一根部和第二根部是形成同樣根數的金屬配線。但是，在第一根部，是形成有壓阻元件，且為了將壓阻元件間彼此連接，係藉由植入高濃度的離子以形成導電性提高的P型配線及金屬配線，因此樑的第一根部的寬度必須比第二根部的寬度更大。亦即，第二根部的寬度可以比第一根部窄。於是，藉由設置比第一根部的寬度W32a更窄的第二根部W32b，在維持應力緩衝部的尺寸下，可將曲折的應力緩衝部之朝樑寬方向延伸的邊拉長。實質上就是將應力緩衝部朝樑寬方向拉長。由於應力緩衝部必須形成避免接觸慣性體，若將應力緩衝部在樑寬方向的寬度加大，在從慣性體取出的樑部分，形成於慣性體的缺口的寬度必須比設置於樑的應力緩衝部的寬度更大，如此會減少慣性體的體積而造成感度降低。藉由符合邊的寬度W6’<第一根部的寬度W32a的關係，就不會減少慣性體的體積，而 能更加提高應力緩衝部所產生的應力緩衝效果。再者，藉由將曲折連接的邊當中，朝樑的寬方向延伸的邊的寬度W6’縮窄，對於施加於樑整體的延伸方向的擾動力變得更容易變形，而能更加提昇應力緩衝效果。
本發明的加速度感測器，是將2個以上的加速度感測器元件形成於同一晶片的多範圍(muitirange)感測器晶片(多範圍型加速度感測器元件)，多級感測器晶片的複數個加速度感測器元件，可從第一至第n加速度感測器元件依序減少單位加速度的輸出電壓。
加速度感測器元件，當加速度作用於慣性體時會使樑變形，形成於樑的壓阻元件會產生應力而改變其電阻，並將其轉換成電位差(輸出電壓)後輸出。從第一至第n加速度感測器元件，單位加速度的輸出電壓是依序變小。例如測定範圍±3G的第一加速度感測器元件，單位加速度1G的輸出電壓可為1V；測定範圍300G的第n加速度感測器元件，單位加速度1G的輸出電壓可為0.01V，如此使各加速度感測器元件的對應於測定範圍之輸出電壓的全範圍為±3V，而將各個±3V用相同的解析度來進行檢測，即可將不同的加速度範圍分別以高精度進行檢測。各加速度感測器元件的單位加速度的輸出，係設定成可在測定範圍內使輸出電壓保持直線性的區域。對於測定範圍較廣的感測器元件，若將單位加速度的輸出電壓設定得過高，在測定範圍內樑的變形會到達非線性區域，而可能無法保持輸出電壓的直線性。
從第一至第n加速度感測器元件，係形成於同一晶片內。因此，為了形成各個元件不須經由個別的製造過程，可在光罩上形成各元件的圖案，使用光微影及蝕刻步驟來進行批式形成，而能用低成本來製造出。又在同一晶片內的加速度感測器元件的樑宜具有相同厚度。再者，慣性體和支承框的厚度宜為相同。藉由使該等構件的厚度在各元件間形成相同，可謀求製程的簡單化，而進行低成本的製造。
較佳為，從第一至第n加速度感測器元件，依序使慣性體的質量變小、樑的長度變短、及/或樑的寬度變廣。
第二至第n當中至少1個以上的加速度感測器元件較佳為，係具備：支承框、藉由成對的樑來受支承框保持的慣性體、設置於樑上的壓阻元件、用來連接其等的配線；可檢測形成於樑的面內的第一軸、和與前述面大致垂直的第二軸的加速度之2軸加速度感測器元件共2個，係配置成第一軸彼此互相正交。2軸加速度感測器元件，與3軸加速度感測器元件的不同點在於，具有1對成對的樑。藉由形成於樑的半導體壓阻元件，可檢測出：樑整體的延伸方向之第一軸(X軸)的加速度、與晶片面垂直的第二軸(Z軸)的加速度。藉由將2個2軸加速度感測器元件配置成第一軸互相正交，可檢測出：2個元件各個的第一軸方向之2軸(X,Y軸)和Z軸計3軸的加速度。Z軸加速度的檢測，可利用2個元件的任一方來進行。另一方面，3軸加速度感測器元件，係具有正交的2對樑，可檢測出：各個 的樑整體的延伸方向的2軸(X,Y軸)、與晶片面垂直的軸(Z軸)的加速度。Z軸加速度的檢測，可利用2個樑對的任一方來進行。或是利用兩方的元件來進行檢測亦可。
2軸加速度感測器，由於樑設有1對，比起樑設有2對的3軸加速度感測器元件，樑的合計彎曲剛性小，為了獲得同樣的單位加速度的輸出電壓，可縮小慣性體的尺寸。又由於樑僅朝單方向延伸，可收納於更小的框內。2個元件合計起來，雖然比3軸加速度感測器元件的面積更大，但藉由將第二加速度感測器元件以後的元件採用2個2軸元件，而配置在尺寸最大的第一3軸加速度感測器的周圍，可縮小多範圍加速度感測器元件整體的尺寸。亦即，第一加速度感測器是採用1個3軸元件，第2加速度感測器元件以後的元件可選擇：1個3軸元件，或是2個2軸加速度感測器元件。
比起樑設有2對的情形，設置1對樑時樑的合計彎曲剛性較小，但其程度在X軸及Y軸、和Z軸並不相同。關於X、Y軸方向，在樑設有2對的情形，1對產生彎曲變形而另1對產生扭曲變形。由於扭曲變形的剛性小，樑從1對增為2對所造成的樑整體的剛性增加，在Z軸為2倍，相對於此X、Y軸僅增加10~20%左右。因此，僅Z軸的檢測利用樑設有1對的加速度感測器元件來進行，而X、Y軸的檢測利用樑設有2對的另1個加速度感測器元件來進行亦可。在1個加速度感測器元件難以使X或Y軸和Z軸的感度一致的情形，可將X或Y軸、和Z軸用 不同的加速度感測器元件來檢測，而個別的進行尺寸調整，如此容易使3軸的感度一致。
以上雖是說明樑型加速度感測器元件，但也能使用膜片(Diaphragm)型的加速度感測器，也能將膜片型和樑型予以組合。
依據本發明的加速度感測器，利用形成於樑的應力緩衝部，可將施加於樑整體的延伸方向的擾動力予以吸收，因此能降低施加於加速度感測器元件的擾動力的影響。藉由降低擾動力的影響，可降低加速度感測器的感度變化，而提供一種對於擾動力具有穩定的特性的加速度感測器。
以下，參照圖式並根據實施例來詳細說明本發明。為了便於說明，對相同的構件、部位係使用相同的符號。
〔實施例1〕
以下說明本發明的實施例1的加速度感測器。第1圖及第2圖係顯示實施例1的加速度感測器所使用的加速度感測器元件的構造。第1圖係顯示加速度感測器元件100a的俯視圖，第2圖係顯示第1圖的II－II線的截面圖。加速度感測器元件，例如適用於：以第15圖的分解立體圖所示的方式組裝成的加速度感測器200、如第14圖所示之用蓋體氣密封閉後組裝成樹脂封裝體之加速度感測器300。本發明的特徵特別是針對加速度感測器元件的構造，因 此以下針對加速度感測器元件作詳細的說明。
在加速度感測器元件100a，在支承框10所包圍的空間15的中央設置慣性體20，在位於慣性體20周圍的各邊的中央形成缺口22。藉由從支承框10的內邊延伸至缺口22(形成於慣性體20的周圍的邊)的深處之具有可撓性的第一樑30a、第二樑30b、第三樑30c、第四樑30d(統稱為樑30)，使慣性體20受支承框10的支承。在第1圖，第一樑30a和第二樑30b是用來檢測X軸和Z軸方向的加速度，在該等樑30的端部形成X軸加速度檢測用半導體壓阻元件31x(以下稱「X軸壓阻元件31x」或「壓阻元件31x」)和Z軸加速度檢測用半導體壓阻元件31z(以下稱「Z軸壓阻元件31z」或「壓阻元件31z」)。在配置成與第一樑30a和第二樑30b垂直(Y方向)的第三樑30c和第四樑30d上，形成用來檢測Y軸方向的加速度之半導體壓阻元件31y(以下稱「Y軸壓阻元件31y」或「壓阻元件31y」)。Z軸壓阻元件31z可配置在X軸或Y軸的樑上，在本實施例是形成於X軸的第一樑30a和第二樑30b上。壓阻元件31x、31y、31z(統稱為「壓阻元件31」)是形成於各軸的樑的根部附近。用來檢測各軸的加速度的4個壓阻元件，是利用未圖示的金屬配線連接而構成橋接電路。若外力所造成的加速度施加於加速度感測器元件100a，慣性體20產生移位而使樑30發生變形，因此壓阻元件的電阻會改變。將根據用來檢測各軸的加速度之4個壓阻元件的電阻變化量的差所產生的電位差，用橋接電路取出而作為 檢測出的加速度的值。在第一樑30a至第四樑30d各個的長方向的大致中央，設置框狀的應力緩衝部40，框狀的應力緩衝部40在框中央設有開口48。
參照第2圖來簡單說明加速度感測器元件100的製造。第2圖係第1圖的II－II線的截面圖。在約400μm厚的矽層上積層約1μm厚的矽氧化膜層和約6μm厚的矽層而構成SOI晶圓。矽氧化膜層是作為乾蝕刻的蝕刻阻擋層，加速度感測器元件是形成在2層的矽層上。以下，將薄矽層稱為第一層92，將厚矽層稱為第二層94，將未接合於矽氧化膜層的第一層的表面稱為第一面96，將第二層的表面稱為第二面97，將隔著矽氧化膜層的連接面稱為第三面98。用光阻劑圖案化成壓阻元件的形狀，在第一面96植入1~3×1018 原子/cm3 的硼而形成壓阻元件。用來連接壓阻元件的金屬配線，是在矽氧化膜上濺鍍鋁系金屬而形成出。形成於第一面96的矽氧化膜也具備，作為第一層的矽和金屬配線間的絕緣膜的作用。絕緣膜及金屬配線是藉由光微影來加工成期望的形狀。然後，在第一面96形成光阻圖案後，進行乾蝕刻而加工成支承框10、慣性體20、樑30的形狀。接著，在第二面97形成光阻圖案後，經由乾蝕刻而加工成慣性體20和支承框10的形狀。殘留在第一層和第二層之間的矽氧化膜層，係藉由濕蝕刻來除去。由於在1片晶圓上形成多數個加速度感測器元件，可利用乾蝕刻或切割將其個別化，而獲得單片的加速度感測器元件100a。
如第1圖所示，應力緩衝部40是設置在：設有壓阻元件的區域外的樑上，且位於樑30的長方向的大致中央。框狀的應力緩衝部40，是和樑30同樣的形成於第一層92，且具有和樑30相同的厚度。參照第3A圖，框狀的應力緩衝部40，係由朝樑30的寬方向延伸的2根的第一和第二框邊42a、42b、朝樑30的延伸方向延伸的2根的第三和第四框邊42c、42d所構成的四邊形框體，在框體的中央具有開口48。如第2圖之第1圖的II－II線的截面圖所示，藉由應力緩衝部40的框體的開口48，將樑30分割成第一部分32和第二部分34。應力緩衝部40，如第3A圖所示，關於樑30的長度中心線m－m’和樑30的寬度中心線n－n’的交點p宜形成對稱。當承受擾動力而使樑30發生變形時，若關於樑30的中心將應力緩衝部40設置成對稱，由於隔著應力緩衝部40之樑的第一部分32和第二部分34的變形會是對稱的，故容易使配置於樑30兩端的壓阻元件元件31的應力變化一致。壓阻元件的均一的電阻變化，可透過橋接電路來抵銷，而使擾動力所造成的輸出變化縮小。
第3A圖係將具有框狀的應力緩衝部40的樑30擴大顯示。應力緩衝部40的形狀若容易朝樑30的延伸方向進行彎曲變形和扭曲變形，則能獲得較大的擾動力吸收效果。朝樑的延伸方向(X方向)延伸的第三框邊42c和第四框邊42d間的內側距離L1比樑30的寬度W30更大。應力緩衝部40，關於樑30的長度中心線m－m’和寬度中心線 n－n’的交點p是形成對稱。朝樑的寬度方向(Y方向)延伸的第一框邊42a和第二框邊42b間的內側距離L4為18μm，其等間的外側距離L3為40μm，朝樑的延伸方向(X方向)延伸的第三框邊42c和第四框邊42d間的內側距離L1為60μm，其等間的外側距離L5為80μm。朝樑的寬度方向(Y方向)延伸的第一框邊42a和第二框邊42b各個的寬度W6都是11μm，朝樑的延伸方向(X方向)延伸的第三框邊42c和第四框邊42d各個的寬度W5都是11μm，又樑30的寬度W30為22μm。支承框10和慣性體20間的距離、亦即樑30的長度為400μm，第一部分32和第二部分34的長度都是180μm。
用來連接壓阻元件和朝外部引出的電極墊間的金屬配線38a、38b、38c，係在第3B圖及第3C圖顯示其一部分。從形成於樑30的慣性體側的根部之壓阻元件引出的金屬配線，係通過樑30上而朝支承框上引出。金屬配線38a~38c所產生的應力，關於樑30的長度中心線m－m’及寬度中心線n－n’宜形成對稱。第3B圖係顯示設置於實施例1的樑上的金屬配線，奇數根的金屬配線的中央金屬配線38b係分割配置於上下的框邊。第3C圖係顯示實施例1的其他實施形態，在一方的框邊形成未連接於壓阻元件的虛置金屬配線39。分別顯示金屬配線有3根38a~38c的情形。在第3B圖，在應力緩衝部40之圖上側的框邊，配置金屬配線38a和分割配置的一方的金屬配線38b；在應力緩衝部40之圖下側的框邊，配置金屬配線38c和分割 配置的另一方的金屬配線38b。在第3C圖，在應力緩衝部40之圖上側的框邊形成金屬配線38a、38b；在應力緩衝部40之圖下側的框邊形成金屬配線38c和虛置金屬配線39。虛置金屬配線39的材質、配線寬度、配線厚度等，是和金屬配線38a~38c相同。
本實施例的加速度感測器元件，在朝樑的延伸方向施加擾動力時，由於應力緩衝部會吸收擾動力，而能將加速度感測器的檢測感度的變化縮小。針對應力緩衝部40的作用，以下使用第4圖及第5圖來作詳細說明。第4A圖係示意顯示出，朝樑的延伸方向施加壓縮擾動力時的應力緩衝部40的變形的立體圖。第4B圖顯示應力緩衝部40的示意俯視圖。框狀的應力緩衝部40之與樑的各部連接的框邊，利用其彎曲變形，可吸收樑的第一部分32和第二部分34所產生的樑延伸方向的壓縮力。第5A圖及第5B圖係顯示樑的截面示意圖。第5A圖係顯示，在實施例1的樑30的大致中央具有框狀的應力緩衝部40之樑30的截面示意圖。第5B圖係顯示，習知之從慣性體20連續至支承框10之樑12的截面示意圖。比對第5A圖和第5B圖可看出樑變形的不同處。本實施例的樑30如第5A圖所示，藉由使框狀的應力緩衝部40產生扭曲變形，位於應力緩衝部40兩側之樑的第一部分32和第二部分34容易朝厚度方向進行彎曲變形，利用其等的彎曲，具有更容易釋放壓縮力的效果。若擾動力朝樑的延伸方向施加拉伸或壓縮應力，施加於慣性體的加速度會使樑的變形容易度發生 變化，因此單位加速度的感測器輸出、亦即感度會發生變化。本發明的加速度感測器，即使在樑的延伸方向施加擾動力，利用應力緩衝部可吸收該擾動力，而使樑延伸方向的應力不容易改變，因此可獲得對於擾動力不容易產生感度變化的加速度感測器。
在加速度感測器元件，是在樑的表面形成絕緣膜和配線，該等構件和樑的材料(矽)的熱膨脹係數不同，因此隨著從絕緣膜和配線的成膜溫度冷卻至常溫的溫度變化會發生熱應力。該熱應力會形成擾動力。由於絕緣膜的應力佔優勢，而矽氧化膜的熱膨脹係數比矽小，因此樑容易以凸向設有絕緣膜的表面側的方式彎曲。在未設置應力緩衝部而形成連續樑的情形，由於樑的曲率是連續的，樑的某個部分(依應力大小會有不同，因此無法界定)會朝向與自然彎曲的方向相反的方向彎曲。當樑的中央產生相反方向的彎曲時，如第5B圖所示變成向下凸。這個形狀是不穩定的，依加速度施加方向的不同，容易轉變成向上凸、或使慣性體上下移位的形狀。在這種狀態下，若擾動力改變，樑的變形容易度很容易改變，而會助長擾動力所造成的感度變化。本實施例的加速度感測器，利用應力緩衝部的扭曲變形效果，如第5A圖所示，應力緩衝部40成為反曲點，樑的第一部分32和第二部分34的大部分會朝自然彎曲的方向變形而成為穩定的形狀，因此不容易轉移成其他的變形，而能降低擾動力所造成的感度變化。
〔實施例2〕
以下說明本發明的實施例2的加速度感測器，與實施例1的不同點在於，應力緩衝部是採用曲折構造。第6圖係顯示實施例2的樑構造的俯視圖。和樑同樣的，應力緩衝部是形成於SOI晶圓的第一層，因此具有和樑同樣的厚度。應力緩衝部40’是將複數個筆直的邊在端部進行直角連接而形成曲折構造，關於中心是形成對稱。亦即，關於樑30的長度中心線m－m’和樑30的寬度中心線n－n’的交點p，應力緩衝部40’是形成對稱的。
參照第6圖來詳細說明曲折的應力緩衝部40’。連結支承框10和慣性體20之間的樑30係由：設置於該樑中央的應力緩衝部40’、連結慣性體20和應力緩衝部40’之樑的第一部分32、連結應力緩衝部40’和支承框10的樑的第二部分34所構成，在第一部分32與慣性體20連接處的附近的第一部分32上設置壓阻元件(未圖示)，在第二部分34與支承框10連接處的附近的第二部分34上設置壓阻元件(未圖示)。從與慣性體20連接的端相反側的第一部分32的端朝樑的寬度方向(Y方向)向上延伸出第一邊42a’。上側的第三邊42c’，是從該第一邊42a’的上端朝樑的延伸方向(X方向)延伸至樑30的長度中心線m－m’。另一方面，從與支承框10連接的端相反側的樑的第二部分34的端朝樑的寬方向(Y方向)向下延伸出第二邊42b’。下側的第四邊42d’，是從該第二邊42b’的下端朝樑的延伸方向(X方向)延伸至樑30的長度中心線m－m’。上側的第 三邊42c’之中心線m－m’上的端和下側的第四邊42d’之中心線m－m’上的端是藉由第五邊42e’來連接。若應力緩衝部40’的形狀容易產生朝樑的延伸方向的彎曲變形及扭曲變形，則能獲得大的擾動力吸收效果。曲折連接的邊當中，第三邊42c’和第四邊42d’間的內側距離L1’比樑30的寬度W30更大。曲折連接的邊，關於應力緩衝部40’的中心宜形成對稱，因此各部的尺寸設定如下。朝樑的延伸方向延伸的第三邊42c’和第四邊42d’間的內側距離L1’為60μm，樑的寬度W30為22μm，沿樑的寬方向向上延伸的第一邊42a’和向下延伸的第二邊42b’之間的內側距離L4’為46μm，該2邊間的外側距離L3’(應力緩衝部40’的長度)為90μm，朝樑的延伸方向延伸的第三邊42c’和第四邊42d’各個的寬度W5’為22μm，朝樑的寬方向延伸的第一邊42a’和第二邊42b’各個的寬度W6’為22μm。在位於曲折連接的邊間的連接部之轉角設置半徑5μm的曲率。
和框狀的應力緩衝部同樣的，由於曲折的應力緩衝部會朝樑的延伸方向產生彎曲變形及扭曲變形，而能吸收在樑的延伸方向施加於樑的力，因此能縮小擾動力造成的感度變化。在實施例1之框狀的應力緩衝部，對於擾動力，應力緩衝部的框是成為一體而進行整體變形，在本實施例的曲折的應力緩衝部，位於兩側之第三邊42c’和第四邊42d’的連接部分別可單獨變形。換言之，曲折連接的邊能將樑在2處分開，而獲得大的擾動力吸收效果。另一方面，由於樑寬方向的彎曲剛性小，因此樑容易朝樑寬方向發 生彎曲變形。若產生這種彎曲變形，關於樑的長度中心線m－m’的對稱性雖會喪失，但藉由於兩側設置折返部可防止偏向一方向的樑寬方向的彎曲發生。
關於樑的長度中心線m－m’和樑的寬度中心線n－n’的交點p，由於應力緩衝部40’是形成對稱，在承受外力而使樑30發生變形時，隔著應力緩衝部40’之樑的第一部分32和第二部分34的變形成為對稱的。若左右樑的各部的變形相同，容易使配置於樑的兩端之壓阻元件的應力變化成為相同，而降低擾動力所造成的輸出變化。
〔實施例3〕
以下說明本發明的實施例3的加速度感測器。第7A圖顯示實施例3的樑的構造的俯視圖。第7A圖的樑30，係具備由2個曲折連接的邊所構成的應力緩衝部40’，將該等應力緩衝部40’分別稱為第一應力緩衝部、第二應力緩衝部。將樑30分成：連結慣性體和第一應力緩衝部的樑的第一部分32、連結第二應力緩衝部和支承框之第二部分34、連結2個應力緩衝部40’之第三部分36。曲折的各應力緩衝部40’，是和參照第6圖來說明之實施例2的應力緩衝部相同。關於樑的長度中心線m－m’和寬度中心線n－n’的交點p，具有2個應力緩衝部40’的樑30是形成對稱。樑的長度中心線m－m’至各應力緩衝部40’中央的距離為55μm。
第7B圖係示意顯示出，朝樑的延伸方向施加壓縮擾 動力時，該等的應力緩衝部的變形。由於是用2個應力緩衝部40’來吸收擾動力，2個應力緩衝部40’間的樑的第三部分36幾乎不會發生變形。位於慣性體和第一應力緩衝部40’間的第一部分32、位於支承框和第二應力緩衝部40’間的第二部分34，承受擾動力時，關於樑的長度中心線m－m’會產生對稱變形。由於是產生對稱變形，容易使設置於慣性體側和支承框側的壓阻元件的應力變化一致，而能降低擾動力所造成的輸出變化。
〔實施例4〕
以下說明本發明的實施例4的加速度感測器。第8A圖顯示實施例4的樑的構造的俯視圖。第8A圖所示的樑30，係具有3個框狀的應力緩衝部40，在此將該等應力緩衝部分別稱為第一應力緩衝部、第二應力緩衝部、第三應力緩衝部。樑30係分成：連結慣性體和第一應力緩衝部之樑的第一部分32、連結第三應力緩衝部和支承框之第二部分34、連結第一和第二應力緩衝部間以及連結第二和第三應力緩衝部間的2個第三部分36。各應力緩衝部40，是和參照第3圖所說明的實施例1的應力緩衝部相同。關於樑的長度中心線m－m’和寬度中心線n－n’的交點p，具有3個應力緩衝部40的樑30是形成對稱。中心線m－m’至第一和第三應力緩衝部40中央的距離為30μm。
第8B圖係示意顯示朝樑的延伸方向施加壓縮擾動力時的樑的變形。由於外側的第一和第三應力緩衝部40會 吸收擾動力，因此用來連結外側的2個第一和第三應力緩衝部分別和中央的第二應力緩衝部之2根的樑的第三部分36幾乎不會發生變形。位於慣性體和第一應力緩衝部40間的樑的第一部分32、位於支承框和第二應力緩衝部40間的樑的第二部分34，承受擾動力時，關於樑的長度中心線m－m’會產生對稱變形。由於是產生對稱變形，容易使設置於慣性體側和支承框側的壓阻元件的應力變化一致，而能降低擾動力所造成的輸出變化。即使是利用一個應力緩衝部無法完全吸收的擾動力，藉由設置複數個應力緩衝部即可吸收擾動力所造成的變形。
〔實施例5〕
以下說明本發明的實施例5的加速度感測器。第9A圖和第9B圖係顯示實施例5的加速度感測器的構造的俯視圖。該加速度感測器，僅在2對的樑當中的1對形成應力緩衝部40、40’。施加於樑的延伸方向之擾動力所造成的感度變化，會明顯受到樑厚度方向(Z方向)的加速度的影響，而X、Y軸方向的加速度的影響沒有Z軸那麼大。於是，如第9圖所示，僅在具有檢測Z軸的壓阻元件之樑30a、30b形成應力緩衝部40、40’。第9A圖係顯示將框狀的應力緩衝部40形成於樑30a、30b而構成的加速度感測器元件，第9B圖係顯示將曲折的應力緩衝部40’形成於樑30a、30b而構成的加速度感測器元件。
〔實施例6〕
第10圖係顯示採用應力緩衝部之多範圍型加速度感測器元件的俯視圖。多範圍型加速度感測器元件100b是指，將測定例如±數G的低範圍和±數百G的高範圍的加速度之複數個加速度感測器，形成於單一晶片元件內。為了提高複數個加速度感測器元件的配置密度，多範圍的加速度感測器元件大多是將1軸和2軸的加速度感測器元件組合來構成。
在第10A圖的俯視圖所示的多範圍型加速度感測器元件100b，±數G的低範圍加速度感測器元件110和±數百G的高範圍加速度感測器是形成於單一晶片。低範圍加速度感測器110，是和實施例1同樣的，用來檢測X和Z軸的加速度的樑與用來檢測Y軸的加速度的樑彼此交叉，而分別沿X軸方向、Y軸方向來形成，在各樑30設置框狀的應力緩衝部40。±數百G的高範圍加速度感測器，是由檢測X和Z軸的加速度之2軸加速度感測器122(具有形成於X軸方向的樑)及檢測Y軸的加速度之1軸加速度感測器124(具有形成於Y軸方向的樑)所組合而成，在1軸加速度感測器124和2軸加速度感測器122的各個樑上設置框狀的應力緩衝部40。在第10B圖的俯視圖所示的多範圍型加速度感測器元件100b’，±數G的低範圍加速度感測器元件110和高範圍加速度感測器係形成於單一晶片。低範圍加速度感測器元件110，是和第10A圖所示的構造相同。高範圍加速度感測器元件，是由2軸加速度感測 器126(讓檢測X軸加速度的樑和檢測Y軸加速度的樑交叉且分別沿X軸方向、Y軸方向來形成)和檢測Z軸加速度的1軸加速度感測器128(僅在X軸方向形成1對樑)所組合成，在2軸加速度感測器126的4根樑和1軸加速度感測器128的2根樑上設置框狀的應力緩衝部40。由於2軸加速度感測器126具有4根樑，其面積會比第10A圖所示的加速度感測器124更大，但2軸加速度感測器126是用來檢測X軸的加速度和Y軸的加速度，1軸加速度感測器128是用來檢測Z軸的加速度，因此其等可獨立設計、製造，而容易進行X、Y、Z3軸的檢測感度的調整。第10C圖之俯視圖所示的多範圍型加速度感測器100b”，是將±數G的低範圍加速度感測器元件110、±數十G的中範圍加速度感測器元件130、±數百G的高範圍加速度感測器元件形成於單一晶片。低範圍加速度感測器元件110，係讓檢測X及Z軸加速度的樑和檢測Y軸加速度的樑交叉且分別沿X軸方向、Y軸方向來形成，在各樑設置2個框狀的應力緩衝部40。中範圍加速度感測器元件130，係膜片型3軸加速度感測器元件，其中並未設置應力緩衝部。±數百G的高範圍加速度感測器元件，是由檢測Y、Z軸的加速度之2軸加速度感測器132(具有形成於Y軸方向的樑)和檢測X軸的加速度之1軸加速度感測器134(具有形成於X軸方向的樑)所組合而成，在2軸加速度感測器132和1軸加速度感測器134的各個樑上設置框狀的應力緩衝部40。
多範圍型加速度感測器元件100b、100b’、100b”，是和實施例1同樣的，使用在約400μm厚的矽層上積層約1μm的矽氧化膜和約6μm的矽層而構成的SOI晶圓來製作出。各範圍的加速度感測器元件是同時進行光微影、製膜、蝕刻等，而使慣性體、樑和支承框的厚度分別相同。又慣性體和支承框的厚度是相同的。
〔實施例7〕
第11圖係顯示應力緩衝部的其他實施形態。第11A圖係顯示，使用實施例2所說明的曲折連接的邊所構成的應力緩衝部，將2個應力緩衝部連續連接而構成的曲折狀的應力緩衝部。第11B圖係顯示，由曲線部所形成的曲折構造。第11C圖係顯示圓框，第11D圖係顯示橢圓框，第11E圖係顯示八角形框，第11F圖係顯示鼓形框。第11G圖係顯示方形框，但與樑的延伸方向平行的框邊寬度較寬，與其正交的框邊寬度較窄。第11H圖係顯示應力緩衝部的厚度比樑更薄的構造的俯視圖和側視圖。形成於X軸方向的樑和形成於Y軸方向的樑可使用不同形狀的應力緩衝部，也能在同一樑上設置不同形狀的複數個應力緩衝部。
〔實施例8〕
第12圖的俯視圖顯示出實施例8的加速度感測器元件，係具有框狀應力緩衝部的應力緩衝效果更高的樑構造。在支承框10和慣性體30間的樑30(30b)的大致中央設 置框狀的應力緩衝部40，樑30b係由第1部分32、框狀的應力緩衝部40、第二部分34所構成，樑的第一部分32和第二部分34分別是由：連接於慣性體20或支承框10的第一根部32a、連接於應力緩衝部40的第二根部32b、用來連接第一根部32a和第二根部32b的寬度變化部32c所構成。第一根部32a為50μm長，第二根部32b為60μm長，寬度變化部32c為30μm長，應力緩衝部40為30μm長。因此支承框10和慣性體20間的樑30b長度為310μm。關於樑30b的尺寸，第一根部32a的寬度W32a為30μm，第二根部32b的寬度W32b為20μm。連結第一根部32a和第二根部32b之寬度變化部32c，其寬度從第一根部32a至第二根部32b逐漸改變。應力緩衝部40之朝樑的寬方向(Y方向)延伸的第一和第二框邊42a、42b的寬度W6為12μm，朝樑整體的延伸方向(X方向)延伸的第三和第四框邊42c、42d的寬度W5為12μm。第12圖係顯示，設有檢測X軸和Z軸的加速度之壓阻元件31x、31z之樑30b，並顯示出壓阻元件31x、31z、金屬配線38和P型配線38’的配置。關於樑30b的寬度中心線n－n’，2個X軸壓阻元件31x配置成對稱，2個X軸壓阻元件31x的應力緩衝部40側的端彼此藉由P型配線38’串列連接，另一端則藉由P型配線38’引出至樑30b外而和金屬配線38連接(未圖示)。在X軸壓阻元件31x的外側配置Z軸壓阻元件31z，2個Z軸壓阻元件31z是藉由金屬配線38和P型配線38’來進行和X軸壓阻元件31x同樣的連接。從慣性體 20側通過樑30b上而朝支承框10側延伸的金屬配線38有3根。3根金屬配線當中，1根是配置在樑30b的寬度中心線n－n’上，另外2根配置成關於樑30b的寬度中心線n－n’形成對稱。在形成有壓阻元件31x、31z及P型配線38’的樑面，形成0.2μm厚的矽氧化膜來作為電氣絕緣膜(未圖示)。金屬配線38是形成於絕緣膜上。
形成有壓阻元件的第一根部32a的寬度W32a越小，單位加速度的慣性體移位越大，壓阻元件所產生的應力變大而使感度變大，因此寬度W32a越窄越好。對應於壓阻元件的電阻值之壓阻元件的長度和寬度，必須以能確保相鄰P型配線間形成絕緣的方式來決定壓阻元件的間隔，考慮到這點，在本實施例，第一根部32a的寬度W32a為30μm。在應力緩衝部40，朝樑的寬方向(Y方向)延伸的第一和第二框邊42a、42b的寬度W6越窄，第一和第二框邊42a、42b的長度(從樑30b的側邊至朝樑的延伸方向(X方向)延伸的第三、第四框邊42c、42d)越長，越容易藉由施加於樑的延伸方向的應力來使應力緩衝部發生變形，而能提昇應力緩衝效果。3根金屬配線當中，位於中央的金屬配線在應力緩衝部分支成2根，因此在邊框上的配線分別有2根。若不實施分支，在一方有2根、另一方有1根而造成金屬配線的根數不同，如此會使樑的彎曲應力產生差異，並不理想。藉由使中央的金屬配線分支，比起通過3根配線的樑，應力緩衝部的框邊的寬度較窄，因此能提昇應力緩衝效果。
此外，不具備壓阻元件和P型配線之第二根部32b，由於寬度比第一根部32a窄，在維持朝樑的寬方向(Y方向)延伸之應力緩衝部的框邊全長、亦即應力緩衝部的寬度的狀態下，可將具有緩衝擾動力的作用之朝樑的寬方向(Y方向)延伸的第一和第二框邊42a、42b的長度拉長，故能提昇應力緩衝效果。即使在施加大的加速度而使樑和樑上的應力緩衝部發生變形時，也必須在慣性體和應力緩衝部之間確保一定間隔以避免應力緩衝部接觸慣性體。為了加大該間隔，將慣性體之與樑連接的部分所形成的缺口寬度加大時，由於慣性體的體積減少，會造成感度降低。而藉由在樑形成寬度較窄的第二根部，可在不降低感度下提昇應力緩衝效果。
〔實施例9〕
根據第13圖的俯視圖來說明實施例9的加速度感測器，其具備將由曲折連接的邊所構成的應力緩衝部的應力緩衝效果更加提高的樑構造。在支承框10和慣性體20間的樑30(30b)的大致中央設置曲折的應力緩衝部40’，樑30b係由第1部分32、曲折的應力緩衝部40’、第二部分34所構成，樑的第一部分32和第二部分34分別是由：連接於慣性體20或支承框10的第一根部32a、連接於應力緩衝部40’的第二根部32b、用來連接第一根部32a和第二根部32b間且從第一根部32a至第二根部32b其寬度逐漸改變的寬度變化部32c所構成。第一根部32a為50μm 長，第二根部32b為40μm長，寬度變化部32c為30μm長，應力緩衝部40’為70μm長。因此支承框10和慣性體20間的樑30b的長度為310μm。關於樑30b的寬方向尺寸，第一根部32a的寬度W32a為30μm，第二根部32b的寬度W32b為20μm。應力緩衝部40’之朝樑的寬方向(Y方向)延伸的第一和第二框邊42a’、42b’的寬度W6’為20μm，朝樑整體的延伸方向(X方向)延伸的第三和第四框邊42c’、42d’的寬度W5’為20μm。第一根部32a的壓阻元件31x、31z、金屬配線38及P型配線38’是和實施例8所說明的構造相同，而和實施例8的第12圖所示的框狀應力緩衝部不同，第13圖所示的曲折的應力緩衝部40’，是在應力緩衝部40’上形成不具備分支的3根金屬配線38。於是，應力緩衝部40’之朝樑的寬方向(Y方向)延伸的第一和第二邊42a’、42b’的寬度W6’、朝樑整體的延伸方向(X方向)延伸的第三和第四邊42c’、42d’的寬度W5’是和第二根部32b的寬度W32b相同，都是20μm。在曲折的應力緩衝部，應力緩衝部40’之朝樑的寬方向(Y方向)延伸的第一和第二邊42a’、42b’的寬度W6’越窄，朝樑的寬方向(Y方向)延伸的第五邊42e’(位於朝樑整體的延伸方向(X方向)延伸的應力緩衝部的第三、第四框邊42c’、42d’之間)的長度越長，越容易藉由施加於樑的延伸方向的應力來使應力緩衝部發生變形，而能提昇應力緩衝效果。由於應力緩衝部的邊寬W6’比第一根部32a的寬度W32a更窄，可在維持應力緩衝部的整體寬度的狀態下，將朝樑的寬方向(Y 方向)延伸的第五邊42e’(位於朝樑整體的延伸方向(X方向)延伸的應力緩衝部的第三和第四框邊42c’、42d’之間)的長度加長，因此能提昇應力緩衝效果。即使在施加大的加速度而使樑和樑上的應力緩衝部發生變形時，也必須確保可避免應力緩衝部接觸慣性體的間隔。為了加大該間隔，若將慣性體之與樑連接的部分所形成的缺口寬度加大，由於慣性體的體積減少，會造成感度降低。而藉由在樑形成寬度較窄的縮徑部，可在不降低感度下提昇應力緩衝效果。
〔實施例10〕
根據第14圖的截面圖來說明實施樹脂模塑的加速度感測器300的實施例。在厚度200μm的引線框50上，用黏著劑54固定著將來自加速度感測器元件的訊號予以增幅或進行溫度補償等的檢測用IC52。採用實施例1所說明之在4根樑上設置框狀的應力緩衝部之加速度感測器元件100a，在該加速度感測器元件100a的上方接合上蓋片150，在下方接合下蓋片160而構成MEMS組裝體170，用黏著劑54將該組裝體固定在檢測用IC52上。將MEMS組裝體170的電極墊174和檢測用IC52之間、檢測用IC52和框端子56之間，用直徑25μm的金裸引線58而藉由超音波結合器進行連接。藉由轉移模塑法並用環氧樹脂60來成形出將MEMS組裝體170和檢測用IC52組裝在引線框170上所構成的構造體。在MEMS組裝體170內，加速度 感測器元件100a的慣性體和樑是被保持在由支承框、上蓋片150及下蓋片160所圍繞的空間，且MEMS組裝體170的周圍被環氧樹脂密封，因此可在保持氣密的空間內發揮加速度感測器元件100a的作用。
〔實施例11〕
使用實施例1之具有框狀應力緩衝部的加速度感測器元件和實施例2的具有曲折的應力緩衝部之加速度感測器元件，測定各個的擾動力和Z軸的感度變化。加速度感測器元件，係製作成使用第15圖所示的封裝體的加速度感測器200(稱為箱型)，並在第14圖所示般進行晶圓級封裝後，將其分割並實施樹脂模塑而製作出加速度感測器300(稱為WLP型)。為了進行比較，也使用習知的不具備應力緩衝部的加速度感測器元件(稱為習知品)。分別製作出300~500個加速度感測器，測定Z軸感度並求取其平均值。作為擾動力，在箱型的情形，係來自將加速度感測器元件黏著於殼體或限制板的黏著材的應力，或是引線熔接時的熱等。在WLP型的情形是包括：在實施晶圓級封裝時之蓋片的緊壓力、來自接合材料的應力、溫度變化所產生的熱應力、樹脂模塑時的模塑材料的應力等。箱型的黏著材，由於是使用彈性模數較低者，故擾動力小。相對於此，在WLP型的情形，接合力等較大，擾動力的影響較大。在習知品，相對於箱型，WLP型的Z軸感度增加34%。另一方面，形成有框狀或曲折的應力緩衝部的加速度感測 器，Z軸感度的增加可降低至3%。如此可確認出，藉由形成應力緩衝部，可有效抑制WLP型的加速度感測器的感度變化量。
100a‧‧‧加速度感測器元件
10‧‧‧支承框
20‧‧‧慣性體
30、30a、30b、30c、30d‧‧‧樑
31、31x、31y、31z‧‧‧半導體壓阻元件
32‧‧‧(樑)的第一部分
32a‧‧‧第一根部
32b‧‧‧第二根部
32c‧‧‧寬度變化部
34‧‧‧(樑)的第二部分
36‧‧‧(樑)的第三部分
38、38a、38b、38c‧‧‧配線
40、40’‧‧‧應力緩衝部
42a‧‧‧第一框邊
42b‧‧‧第二框邊
42c‧‧‧第三框邊
42d‧‧‧第四框邊
42a’‧‧‧第一邊
42b’‧‧‧第二邊
42c’‧‧‧第三邊
42d’‧‧‧第四邊
42e’‧‧‧第五邊
48‧‧‧開口
m－m’‧‧‧樑的長度中心線
n－n’‧‧‧樑的寬度中心線
p‧‧‧交點
第1圖係顯示本發明的實施例1的加速度感測器元件的俯視圖。
第2圖係第1圖的II－II線的截面圖。
第3圖係詳細顯示本發明的實施例1的加速度感測器元件的樑，第3A圖係樑的擴大俯視圖，第3B圖係設置於樑上的框狀的應力緩衝部的俯視圖，第3C圖係顯示其他的框狀的應力緩衝部的俯視圖。
第4A圖係實施例1所使用的樑的立體圖，其示意顯示在樑施加壓縮擾動力時應力緩衝部發生的變形；第4B圖係實施例1所使用的樑的俯視圖，其示意顯示在樑施加壓縮擾動力時應力緩衝部發生的變形。
第5A圖係實施例1所使用的樑的側視圖，其示意顯示在樑施加壓縮擾動力時應力緩衝部發生的變形；第5B圖係習知的樑的截面圖，其示意顯示在樑施加壓縮擾動力時應力緩衝部發生的變形。
第6圖係本發明的實施例2所使用的具備曲折連接的邊所構成的應力緩衝部的樑之俯視圖。
第7圖係顯示本發明的實施例3的加速度感測器所使用的樑，第7A圖係具有2個由曲折連接的邊所構成的應 力緩衝部之樑的俯視圖，第7B圖係顯示在第7A圖所示的樑施加壓縮擾動力時樑發生的變形的側視圖。
第8圖係顯示實施例4的加速度感測器所使用的樑，第8A圖係具有3個框狀的應力緩衝部之樑的俯視圖，第8B圖係顯示在第8A圖所示的樑施加壓縮擾動力時樑發生的變形的側視圖。
第9圖係顯示實施例4的加速度感測器元件的俯視圖，第9A圖顯示的加速度感測器元件，是將實施例1所說明的框狀的應力緩衝部，僅設置在具有用來檢測Z軸方向加速度的半導體壓阻元件的樑上；第9B圖顯示的加速度感測器元件，是將實施例2所說明的由曲折連接的邊所構成的應力緩衝部，僅設置在具有用來檢測Z軸方向加速度的半導體壓阻元件的樑上。
第10A圖、第10B圖及第10C圖，係顯示運用本發明的應力緩衝部之實施例5的多範圍型加速度感測器元件的俯視圖。
第11A圖~第11H圖，係實施例6的其他形狀的應力緩衝部的俯視圖。
第12圖係實施例7所說明的，設有框狀的應力緩衝部的樑上之壓阻元件、金屬配線及P型配線的配置的俯視圖。
第13圖係實施例8所說明的，設有由曲折連接的邊構成的應力緩衝部的樑上之壓阻元件、金屬配線及P型配線的配置的俯視圖。
第14圖係顯示實施例9所說明的樹脂模塑加速度感測器的截面圖。
第15圖係3軸加速度感測器的分解立體圖。
第16A圖係第15圖的XVI A－XVIA線的截面圖，第16B圖係第15圖所使用的加速度感測器元件的俯視圖。
第17圖係顯示習知的3軸加速度感測器的加速度感測器元件的構造之立體圖。
第18圖係顯示習知的3軸加速度感測器的樹脂封裝體組裝構造的截面圖。
100a‧‧‧加速度感測器元件
10‧‧‧支承框
15‧‧‧空間
20‧‧‧慣性體
22‧‧‧缺口
30、30a、30b、30c、30d‧‧‧樑
31x、31y、31z‧‧‧半導體壓阻元件
40‧‧‧應力緩衝部
48‧‧‧開口

Claims (4)

  1. 一種加速度感測器，係具備依據半導體壓阻元件的電阻變化來檢測加速度之加速度感測器元件；該加速度感測器元件係具有：支承框、透過可撓性的樑而藉由支承框保持之慣性體、設置於樑上的半導體壓阻元件以及配線；將該加速度感測器元件保持於保護殼內；在該加速度感測器元件之至少設有用來檢測樑厚度方向的加速度的半導體壓阻元件的樑上，在至少一處以上具備應力緩衝部；該應力緩衝部，是在支承框和慣性體間的樑之大致中央部形成框狀；該樑係具備：連接於支承框和慣性體之第一根部、與框狀的應力緩衝部連接之第二根部、以及將第一根部和第二根部予以連接之寬度變化部；設有半導體壓阻元件的第一根部之寬度W1、框狀的應力緩衝部之與樑垂直方向(Y方向)之框邊的寬度W2滿足W2<W1的關係；該樑，關於該樑的長度中心線和該樑的寬度中心線的交點是形成對稱。
  2. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中， 前述第二根部之寬度W3滿足W2<W3<W1的關係。
  3. 一種加速度感測器，係具備依據半導體壓阻元件的電阻變化來檢測加速度之加速度感測器元件；該加速度感測器元件係具有：支承框、透過可撓性的樑而藉由支承框保持之慣性體、設置於樑上的半導體壓阻元件以及配線；將該加速度感測器元件保持於保護殼內；在該加速度感測器元件之至少設有用來檢測樑厚度方向的加速度的半導體壓阻元件的樑上，在至少一處以上具備應力緩衝部；該應力緩衝部，是在支承框和慣性體間的樑之大致中央部形成曲折狀；該樑係具備：連接於支承框和慣性體之第一根部、與曲折狀的應力緩衝部連接之第二根部、以及將第一根部和第二根部予以連接之寬度變化部；設有半導體壓阻元件的第一根部之寬度W1、曲折狀的應力緩衝部之與樑垂直方向(Y方向)之寬度W2滿足W2<W1的關係；該樑，關於該樑的長度中心線和該樑的寬度中心線的交點是形成對稱。
  4. 如申請專利範圍第3項之加速度感測器，其中，前述第二根部之寬度W3滿足W2≦W3的關係。
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