TWI438432B - 加速度感測器，其應用及具有此加速度感測器的車子 - Google Patents

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Description

加速度感測器，其應用及具有此加速度感測器的車子
本發明關於一種加速度感測器，具有一質量塊，以可動的方式支承在其重心外，其中在該質量塊上的第一電極和間隔設置的第二電極形成一電容式感測器，俾測定該質量塊之與時間有關的位置變化，且在該質量塊之朝向該電容式感測器的那一側上設在有至少一彈簧元件，該彈簧元件在該質量塊由其靜止位置向外偏轉時產生一股回復力量。這種加速度感測器舉例而言，用於車子中，以將保險裝置動作，或用於可攜帶的器具中，以將衝擊應力(例如由於掉下去所致)作檢出。
在美專利US 2006/0180896 A1發表了一種上述種類的加速度感測器。此習知加速度感器有一個大致方形的質量塊(Masse)，它用至少一彈簧元件固定在一基礎板上。在該基礎板與質量塊(它以彈性方式支承)之間有至少一對電極，它們可呈具有可變的板間隔的板電容器形式用電容測量質量塊運動。只要存在一對以上的電極，不但質量塊的上升可由該基礎板檢出，而且連傾斜或旋轉都能檢出。如此可測量一度空間以上的加速度。
但此先前技術的缺點為：該支承成可擺動方式的質量塊在其基礎面上的傾斜作用只造成很小的距離改變因此只有很小的檢出信號。加速度不垂直於質量塊的基礎面作用，因此其檢出準確度小。此外，在先前技術中所述的感測器只在一模殼體中構件，而不會限制該用於檢出的質量塊的運動性。如果該基礎板與質量塊之間的縫隙被殼體材料充填，則不再能檢出加速度。因此，該先前技術使用US 2006/018 0896 A1的圖4中所示之昂貴而龐大的殼體。因此要以高構件封裝密度建入小型可攜帶的殼體中就很難。
本發明由此先前技術著手，其目的在提供一種加速度感測器，它在所有三個空間方向有較佳的檢出準確性。此外本發明的目的在提供一種加速度感測器，它可用在一緊密而可簡單製造的殼體中。
此目的依本發明係利用一種申請專利範圍第1項的加速度感測器達成。
這種加速度感測器，具有一質量塊，以可動的方式支承在其重心外，其中在該質量塊上的第一電極和間隔設置的第二電極形成一電容式感測器，俾測定該質量塊之與時間有關的位置變化，且在該質量塊之朝向該電容式感測器的那一側上設在有至少一彈簧元件，該彈簧元件在該質量塊由其靜止位置向外偏轉時產生一股回復力量，其中該質量塊係由一材料層分離而得到，且至少其側面被此材料圍住。
本發明知道，該用於測量加速度使用的，支承成可擺動方式的質量塊可由一個材料層(例如矽)分開。該一對用於測量距離所用的電極一如先前技術係為於該測量質量塊與載體基板之間，該用於作支承的彈簧元件亦然。在此，該質量任意的外形，例如方形。
為了要能沿數個空間方向有很大的檢出準確性。該以彈性方式支承的質量塊宜只懸掛在一基礎面。因此位置的變化(它係由平行於垂直於基礎面的加速度引起者)可有較大的振幅。在此，大的偏轉振幅造成大的電容改變及高測量準確度。
為了進一提高準確度，在本發明一實施例中將電極構造化。這表示，電極作進一步分劃，且各部分面積可與一本身的測量電子電路連接以測量電容。如果用於測距離的電容式感測器設在質量塊的二個對立端上，則質量塊由其靜止位置傾斜會造成一電極距離減少，同時另一電極距離增加。藉著將二個值同時測量及比較，該測量的準確度可進一步提高。
在一實施例中，該質量塊也可懸掛在一條對稱軸內但該軸在其重心外。如此只需用單一彈簧作單一懸吊。因此可避免由於單簧元件設計得不準確地相同而使感測器性質不對稱。此外，由於只要有一彈性的支承，使空間需求減少，因此可進一步小型化。
依本發明，用於將「測量質量塊」作彈性支承用的微機械彈簧元件可用下述方式製造：該質量塊有一空間，該空腔用一膜封閉，膜由相同或不同材料構成。如此，該質量塊利用一細框條或一柱保持在基材上，該柱搭在膜上。因此，該將空腔封閉的膜就構成一彈簧元件。此元件可將空腔完全封閉，或者在空腔的一條或數條限制線上與質量塊的基礎面分開。如此造成一種特別軟的懸吊方式，它可使得很小的加速度能測量。對於能測量很小的加速度的懸吊方式，也可將數個膜的空腔上下設置當作彈簧元件。它們可沿一條線設置或沿側向交錯。此外彈簧常數可利用膜厚度調整。因此行家有許多參數可用，俾將本發明的加速度感測器最佳地配合所計劃的使用目的。
以下利用圖式說明藉著將一矽基板蝕刻用微機械方式製造本發明加速度感測器的實施例。此處只是本發明實施例的例子，但不限制本發明標的之範圍‧本發明可作其他同樣地有效的實施例。
圖1顯示一本發明的加速度感測器的第一製造步驟。為此將一矽晶圓(1)設一絕緣層(2)。將導電路(引線)(3)析出到此絕緣層上。舉例而言，此絕緣層(2)可由氧化矽、氮化矽或氧氮化矽構成。要將絕緣層析出，在背景技術有各種不同習知技術可用。舉例而言，矽基質可在氧氣中加熱到高溫以將表面氧化。
導電路(3)由導電材料構成，例如由一種金屬或合金或摻雜成導電的矽構成。這種導電層可用LPCVD或PECVD方法、外延式生長、蒸鍍或濺鍍析出。導電路(3)有一構造化部，因此製成的感測器可經導電路接觸導電。
要作構造化，可使用一感光漆(Photolach)構成的光罩，它在金屬層析出前施覆。因此不鍍金屬層的面積區域要利用該漆以防金屬施覆上去。如不用此方式也可將整面都鍍金屬，再將導電路部分用感光漆保護，並將未保護區域利用一蝕刻步驟從鍍金屬層除去。
所施第三層係一犧牲層(4)。此處它係可利用氣相蝕刻方法蝕刻掉者，例如SiO2 。再將接觸孔(5)做到此犧牲層中，鍍金屬層(3)在這些孔上。這些接觸孔(5)可利用一種感光漆光罩及作電漿蝕刻或濕化學蝕刻將最先整面施覆的犧牲層(4)蝕刻掉而產生。犧牲層(4)也用於阻擋層，以供以後要產生的渠溝構造(10)之用。
圖2顯示隨後二個方法步驟。一第一矽層(6)析出到此基材上。此矽層以後形成該支承成可動方式的質量塊(15)的外側以及該質量塊中形成的空腔(12)上的膜(17)。因此，矽層(6)的厚度也決定彈簧元件的彈簧常數[該測量用的質量塊(15)支承在其上]。由於該質量塊同時可當作該電容式感測器的對立電極，該矽層(6)可為可摻雜者。如此，該測量用之質量塊(15)可用特別簡單的方式作電接觸。
將另一蝕刻阻擋層(7)(例如由SiO2 構成者)析出在矽層(6)上，矽層將具有絕緣層(2)、導電路(3)、及犧牲層(4)的基材(1)整面蓋住。此蝕刻阻擋層(7)用於在另一方法過程當作犧牲層，以在該測量用之質量塊(15)中形成空腔，並同時當作以後要產生的渠溝構造(1)用的阻擋層。因此蝕刻阻擋層(7)利用一感光漆光罩以及作電漿蝕刻或濕化學蝕刻作構造化。使得SiO2 只存在一些面積區域，在這些區域中以後要設測量用質量塊的彈簧元件。
依圖3，另一矽層(8)析出到圖2的基材上，此矽層(8)宜摻雜成可導電。然而，當然也可將矽層未摻雜地析出成本態(intrinsisch)的矽材料形式。在此情形隨後只要將矽層(8)的一些區域摻雜，在這些區域中需要導電性以供加速度感測器操作。該層(6)(8)宜形成一均勻層，具有含入之氧化層(7)。如果層(6)(8)之間的界限層不能用合理的成本證實，則層(6)(8)要視為均勻者。
將導電之接點(9)施到該整面析出的矽層(8)上。這些接點位在一定之點上，在這些點上以後加速度感測器要與一外界電路連接。舉例而言，此鍍金屬層(9)可製成由一金屬或合金構成的結合墊片(Bondpad)形式。如不採此方式，感測器也可經由摻雜成可導電的多晶矽(Polysilizium)層(9)而接層。為了造成這種接點(9)，使用一般習知的層或層序及製造方法。
圖4顯示圖3的構造在將數個渠溝蝕到矽層(8)之後的情形的橫截面圖。舉例而言，這些壕構包含呈長形而形成的渠溝，它們沿測量用質量塊的外限制面延伸或將結合墊片(9)與周圍的矽材料(8)分開。此外在該要切分的質量塊內或有其他「蝕刻通道」或「渠溝」(11)，它們可呈長形或其他不同的橫截面，例如圓形橫截面。渠溝的形狀及位置由一光罩決定，例如一種感光漆光罩或一種由氧化物、氮化物或氧氮化物或氧氮化物構成的構造化的層。最好考慮SiO2 作光罩。如果所有渠溝在一道方法步驟中蝕刻出，則單一「蝕刻光罩」就夠了。
這些蝕刻的渠溝(10)(11)利用化學選擇性蝕刻製造，因此在此情形它們終止於一個在其下方的SiO2 層(在犧牲層(7)上或在犧牲層(4)上)。
如圖5a所示，該犧牲層隨後藉著蝕刻劑透過渠溝構造(10)及(11)過去而除去。舉例而言，這點利用氣態氫氟酸(HF)作氣相蝕刻達成。藉著將測量用質量塊(15)下方的犧牲層(4)除去，在質量塊(15)與導電路(3)之間產生一空腔。在空腔(14)中留有由矽構成的柱狀元件(14)，它們係最初析出到接點開口(5)中者，質量塊被同樣由層(8)形成的限制面(16)圍住。
將犧牲層(7)除去，在質量塊(15)內產生一空腔(12)。此空腔(12)被一膜(17)封閉，該膜由矽層(6)的部分形成。因此利用渠溝(10)及空腔產生一塊分隔的質量塊(15)，它經由一彈簧元件支承在插座(13)上，彈簧元件係由膜(17)和空腔(12)所造成。
如果質量塊(15)與第一矽層(6)由摻雜成導電方式的矽構成，則質量塊(15)可經膜形式的彈簧元件與插座(13)與一導電路(3)連接。因此質量塊(15)可當作全部電容性距離感測器用的對立電極用。為了測大致垂直於基板表面作用的加速度，在質量塊(15)下方在空腔(14)的對立側上有一電極，它從鍍金屬層(3)隔開。因此，質量件(15)距基板可用電容方式以高準度測量。
一種平行於基材(1)表面作用到質量塊(15)上的加速度造成質量塊(15)傾斜。舉例而言，如果加速力量Fb 向左作用，則渠溝(10)在質量塊(15)右邊較寬，在質量塊(15)左邊較窄。同樣地，縫隙(14)在質量塊一側較小，而在另一側較大。這種變化可利用對應設置的電極(3)測量。
圖5b顯示分離的質量塊(15)的上視圖。二個圓形膜(17)用虛線表示，它們各界定一個大約圓柱形的空腔(12)。在膜上各有一固定元件(13)。固定元件的位置與形狀可為任意。在膜上也可有多於一個的固定元件。利用該「蝕刻通道」(11)將犧牲層(7)(4)分開以造成空腔(12)。
圖5顯示加速度感測器另一變更實施例。圖6的實施例與圖5者不同處為：繞著該支承成可動方式的質量塊(15)的區域被一罩蓋(18)圍住。如此在將感測器建入在一殼體中時，能可靠地防止鑄造料侵入的情事。如果罩蓋將空腔隨質量塊(15)封閉成密封狀，則空腔的內壓力可調整。如此，舉例而言，藉著降低內壓，質量塊(15)的運動由於氣體的摩擦造成的緩衝作用減少。
有些情形，在罩蓋(18)上也可設一導電覆層(19)，例如鍍金屬層(19)。如果一導電覆層(19)要與一導電罩蓋(18)隔開，則可在此二部分之間設一絕緣覆層。如此，罩蓋(18)當作遮覆，而鍍金屬層(19)當作測量電極之用。此鍍金屬層(19)呈電極的作用，且和導電質量塊(15)一同與該導電質量塊(15)以電容方式測定質量塊(15)距罩蓋(18)的距離。當一加速度力量垂直於基材表面作用，且質量塊(15)與罩蓋(18)之間的距離減少，而質量塊(15)與基材之間距離加大。藉著用電容方式測該二距離可使感測器的可靠性提高。藉著將金屬鍍層與部分面的電接劃分，該利用平行於表面作用造成之加速度引起之質量塊傾斜用也可作差分電容方式將質量塊(15)的傾斜測出。
罩蓋(18)可用一絕緣元件(20)或用一導電的中間件(20)固定在矽層(8)上。在後一種情形，當作對立電極用的鍍金屬層(19)經由導電的中間件(20)、矽層(8)和鍍金屬層(3)接觸。在另一實施例中，對立電極(19)的接觸部也可位在該密封的殼體區域內。
圖7顯示彈簧元件一變更實施例的橫截面圖。在此，犧牲層(7)做成具有數個孔。如此，在質量塊(15)中的孔(11)穿過空腔(12)。貫通孔(21)改變膜(17)的彈性。要製造這些孔，在另一實施例中，在蝕刻阻擋層(7)析出之前，可將調蝕刻到第一矽層(6)中。這點使得凹陷部[它們不完全貫穿膜(17)]也可做到膜(17)中。利用貫通孔或凹陷部，可使感測器的零敏度配合各使用目的之需要。
圖8a與b之分離的彈簧構造也用於此相同目的。圖8a顯示經過測量用質量塊(15)的一橫截面。在此橫截面可看到，膜(17)在空腔(12)與縫隙(14)之間有一開口，由縫隙(22)形成。這點係用以下方式達成：將矽層(6)做開口一直到犧牲層(4)為止，並將此凹陷部用犧牲層的材料充填。如此，這種材料在將犧牲層除去時一齊被蝕刻掉。
圖8b的上視圖顯示具有一空腔(12)的另一實施例，空腔在此情形中有一近似方形的底裂痕。膜(17)[它界定出空腔(12)]在該方形的三邊利用一縫隙(22)與材料塊(15)的底面被一縫隙(22)隔開。因此膜(17)構成一個一邊懸掛的彎曲彈簧。固定元件(13)配合空腔(12)與膜(17)的幾何形狀，且橫截面大致呈長方形。
圖9a顯示一個二段式彈簧構造，它有二個空腔(12a)(12b)，該空腔(12a)(12b)各被一膜(17a)(17b)封閉。圖9b的示意圖顯示：各膜形成一個一邊夾入的彎曲彈簧，利用此串接的設置，造成彈簧較軟的反應，如此，質量塊(15)的加速感測器的靈敏度可調整。
本發明另一實施例包含呈彈性方式懸掛的上擋構件，它做到此基材晶圓(1)中。這些構造在太大的加速力量作用到加速感測器上時，防止質量塊(15)硬梆梆地碰撞。
當然本發明的實施例不限於此處所示例子，其實行家在一些情形也可將各種不同之此處所述的實施例互相組合。
(1)．．．矽晶圓(基材晶圓)
(2)．．．絕緣層
(3)．．．導電路
(4)．．．犧牲層
(5)．．．接觸孔
(6)．．．第一矽層
(7)．．．阻擋層
(8)．．．第二矽層
(9)．．．鍍
(10)．．．渠溝構造
(12)(12a)(12b)．．．空腔
(15)．．．質量塊
(16)．．．限制面
(17b)．．．膜
(18)．．．罩蓋
(19)．．．鍍金屬層(對立電極)
(22)．．．縫隙(開口)
圖1～圖6係本發明的製造步驟一實施例；
圖7係具有穿孔之彈簧構造的加速感測器的一另一實施例；
圖8a與b係具較軟之彈簧常數的本發明另一實施例；
圖9a與b係具二階段彈簧構造的一實施例。
(1)．．．矽晶圓(基材晶圓)
(2)．．．絕緣層
(3)．．．導電路
(9)．．．鍍
(12)．．．空腔
(15)．．．質量塊
(16)．．．限制面
(18)．．．罩蓋
(19)．．．鍍金屬層(對立電極)

Claims (12)

  1. 一種加速度感測器，具有一質量塊(5)，以可動的方式支承在其重心外，其中在該質量塊(15)上的第一電極和間隔設置的第二電極(3)形成一電容式感測器，俾測定該質量塊之與時間有關的位置變化，且在該質量塊之朝向該電容式感測器的那一側上設在有至少一彈簧元件，該彈簧元件在該質量塊由其靜止位置向外偏轉時產生一股回復力量，該質量塊係由一材料層(8)分離而得到，且至少其側面被此材料圍住，其中該至少一彈簧元件嵌在該質量塊的至少一個外限制面上以將該以可動方式支承住的質量塊(15)支承住。
  2. 如申請專利範圍第1項之加速度感測器，其中：該電容式感測器設在質量塊的二個對立的限制面上。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之加速度感測器，其中：該質量塊(15)上的第一電極及/或該間隔設置的第二電極(3)(19)具有側邊的構造化部分。
  4. 如申請專利範圍第1或第2項之加速度感測器，其中：一彈簧元件利用質量塊(15)中一空腔(12)及一包圍該空腔的膜(17)形成，其中至少一保持裝置(13)搭在膜上。
  5. 如申請專利範圍第4項之加速度感測器，其中：該膜(13)呈一體方式整合在質量塊(15)的外限制面中。
  6. 如申請專利範圍第5項之加速度感測器，其中：該膜(17)的限制線只一部分呈材料癒合方式接到質量塊(15)的外限制面。
  7. 如申請專利範圍第5項之加速度感測器，其中：該彈簧元件有多數空腔(12a)(12b)，它們各利用一膜(17a)(17b)互相隔開。
  8. 如申請專利範圍第1或第2項之加速度感測器，其中：該質量塊正好有一彈簧元件，搭在質量塊(15)的重心外的一條對稱者上。
  9. 如申請專利範圍第1或第2項之加速度感測器，其中：該質量塊位在一四面八方都封閉的空腔中。
  10. 如申請專利範圍第9項之加速度感測器，其中：該空腔中的壓力與大氣壓力不同，特別是較後者低。
  11. 一種如申請專利範圍第1項之加速度感測器的應用，該加速度感測器具有一質量塊(5)，以可動的方式支承在其重心外，其中在該質量塊(15)上的第一電極和間隔設置的第二電極(3)形成一電容式感測器，俾測定該質量塊之與時間有關的位置變化，且在該質量塊之朝向該電容式感測器的那一側上設在有至少一彈簧元件，該彈簧元件在該質量塊由其靜止位置向外偏轉時產生一股回復力量，該質量塊係由一材料層(8)分離而得到，且至少其側面被此材料圍住，其中該至少一彈簧元件嵌在該質量塊的至少一個外限制面上以將該以可動方式支承住的質量塊(15)支承住；該加速度感測器係用於沿三個空間方向測量側向加速度者。
  12. 一種車子，其具有申請專利範圍第1項的加速度感測器該加速度感測器具有一質量塊(5)，以可動的方式支承在其重心外，其中在該質量塊(15)上的第一電極和間隔設置 的第二電極(3)形成一電容式感測器，俾測定該質量塊之與時間有關的位置變化，且在該質量塊之朝向該電容式感測器的那一側上設在有至少一彈簧元件，該彈簧元件在該質量塊由其靜止位置向外偏轉時產生一股回復力量，該質量塊係由一材料層(8)分離而得到，且至少其側面被此材料圍住，其中該至少一彈簧元件嵌在該質量塊的至少一個外限制面上以將該以可動方式支承住的質量塊(15)支承住。
TW097139819A 2007-10-19 2008-10-17 加速度感測器，其應用及具有此加速度感測器的車子 TWI438432B (zh)

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