專利名稱：加速度傳感器的制作方法
背景技術：
1、發(fā)明領域本發(fā)明涉及一種加速度傳感器，用來探測加速度，可以用于玩具，汽車，航行器，便攜式終端等等，尤其涉及一種可以使用半導體工藝制造的加速度傳感器。
2、相關工藝描述利用物理量的改變例如壓電電阻效應和靜電電容的改變的加速度傳感器已經發(fā)展起來并商業(yè)化了。這些加速度傳感器能夠廣泛應用于各種領域，但是最近，需要象這樣能夠同時探測多軸方向的加速度并具有高的靈敏度的小尺寸加速度傳感器。
自從硅單晶由于極小的晶格缺陷成為理想的彈性體以及半導體工藝技術不必大的修改能夠應用于此以來，壓電電阻效應型半導體加速度傳感器引起了廣泛的注意，其中一薄的彈性支撐部分位于一硅單晶襯底上，應用于薄彈性支撐部分的壓力被應變儀例如，壓電電阻效應元件，轉換成電信號并輸出。
作為一個通常的三軸加速度傳感器，有一個公開，例如，在日本公開專利號No.63-169078，它的俯視圖顯示在

圖15中，沿著圖15中的XVI-XVI線取的截面圖顯示在圖16中，而透視圖顯示在圖17中。加速度傳感器100有許多彈性支撐臂130，每一個都具有梁結構，由硅單晶襯底的一薄的部分組成。在中間有一質量部分120，它由硅單晶襯底的一厚的部分組成，與在它邊緣的框架110由彈性支撐臂130連接起來。在彈性支撐臂130的每個軸方向形成許多應變儀140。
參照圖15，圖16和圖17能夠解釋整體結構。傳感器100具有由硅單晶襯底的厚的部分組成的質量部分120，框架110圍繞質量部分120放置，兩對彈性支撐臂130有梁的形式，它們互相垂直并且每一個都由硅單晶襯底的薄的部分組成并連接質量部分120和框架110。當傳感器工作時，此質量部分在框架內移動以使彈性支撐臂變形，因此變形被位于彈性支撐臂上的應變儀檢測到以獲得工作的加速度。在圖15中X軸方向上的加速度通過位于向X軸方向延伸的彈性支撐臂上的四個應變儀140測量，Y軸方向上的加速度通過位于向Y軸方向延伸的彈性支撐臂上的四個應變儀140測量。Z軸方向上的加速度依靠所有應變儀140得到測量。通過在具有框架110的尺寸的硅單晶襯底里制造四個L形通孔150，形成了中間的質量部分120、位于邊緣的框架110和連接它們的支撐臂130，而通過使支撐臂部分薄，加速度傳感器構造得可以變形和具有高靈敏性。
在以上描述的加速度傳感器中，為了加強靈敏性，有效的辦法是增加質量部分120的體積從而增加它的質量，或者增加彈性支撐臂130的長度，正如眾所周知的，靈敏性的增加充分地與質量部分的質量和支撐臂的長度成比例。這就是說，質量部分120的體積增加，或者彈性支撐臂130的長度增加，因此彈性支撐臂130變得更容易變形而且壓力能夠更有效地傳遞到應變儀，因此增加了靈敏性。然而，增加質量部分120和增加彈性支撐臂130的長度相互矛盾，而且特別是在晶片尺寸保持為常數(shù)的條件下或計劃減小尺寸時它們兩個互相不相容。也就是說，如果質量部分120變得更大，彈性支撐臂130的長度變得更短，那么靈敏性的許多提高不能得到提高。因此，在裝配過程中玻璃片等等都粘貼在質量部分120的后表面以提高質量部分120的體積(也就是，重量)，因此提高了靈敏性。彈性支撐臂130的長度不能做得很大，但是晶片在厚度方向(硅單晶襯底的厚度方向)做得更大，因此增加了質量部分120的質量從而加強了靈敏性。因此，通常不可能實現(xiàn)高靈敏度的小型和薄的加速度傳感器。
發(fā)明摘要本發(fā)明考慮到以上描述的情況，它的目的是解決以上描述的難題并提供了一種能提高靈敏性的小型和薄的加速度傳感器。
為了解決以上描述的問題，本發(fā)明采用以下的加速度傳感器。也就是說，本發(fā)明的加速度傳感器在中間具有質量部分；圍繞質量部分的厚的框架到質量部分具有預設的距離；應變儀分布在彈性支撐臂上，許多凹進部分，它們從質量部分的邊緣向它的中心凹進，形成在質量部分中，每個彈性支撐臂在每個凹進部分的底面與質量部分的上表面連接，彈性支撐臂的各側與凹進部分的各側分離。
在上述的加速度傳感器中，最好是加速度傳感器具有四個彈性支撐臂，它們的四個彈性支撐臂中的兩個與彈性支撐臂的其它兩個正交。同時最好是使四個彈性支撐臂的各自兩個彈性支撐臂都線性排列。最好是使沿著彈性支撐臂的縱向方向探測加速度的應變儀和沿著上表面方向探測加速度的應變儀位于線性排列的彈性支撐臂的兩個上。
最好是本發(fā)明的加速度傳感器由一SOI晶片制成，并且這些彈性支撐臂由一SiO2層和一硅層組成。
在本發(fā)明的加速度傳感器中，當加速度工作在加速度傳感器中時，質量部分的位移與在加速度的方向上加速度的大小成比例。彈性支撐臂，它位于質量部分的外周以向外延伸，在一個與質量部分的位移相應的特殊的方向彎曲，并且同時，多個位于彈性支撐臂上的應變儀也彎曲。因此，應變儀的電阻值由于這些彎曲而改變，并且如果由全電橋電路組成的探測電路是由四個應變儀提供在各個軸的方向上而構成的，那么能夠獲得相應于施加的彎曲量的電壓輸出。
在本發(fā)明的加速度傳感器中，在質量部分中，兩對基本成矩形平行六面體的凹口，也就是，凹進部分，它的寬度大于彈性支撐臂的寬度，相應于X和Y軸方向的兩個方向從質量部分的邊緣向中心凹進，并且質量部分在凹口的上表面?zhèn)扰c兩對彈性支撐臂連接。質量部分的體積和彈性支撐臂的長度能夠在此傳感器的性能的充要條件的范圍內獨立設計。也就是說，兩個設計參數(shù)，即為了提高質量部分的體積和提高彈性支撐臂的長度的參數(shù)，能夠自由決定，并且因此能夠在小而薄的元件結構里實現(xiàn)高靈敏度。
附圖簡述圖1是顯示本發(fā)明的第一實施方式的加速度傳感器的俯視圖；圖2是圖1中的加速度傳感器的仰視圖；圖3是圖1中的加速度傳感器沿圖1中的III-III線取的截面圖；圖4是圖1中的加速度傳感器的透視圖；圖5是顯示了靈敏性和本發(fā)明的加速度傳感器的質量部分的體積的關系的曲線圖；圖6是顯示了靈敏性和本發(fā)明的加速度傳感器的彈性支撐臂的長度的關系的曲線圖；圖7是顯示了靈敏性和本發(fā)明的加速度傳感器的彈性支撐臂的寬度的關系的曲線圖；圖8是顯示了靈敏性和本發(fā)明的加速度傳感器的彈性支撐臂的厚度的關系的曲線圖；圖9是解釋了當加速度在X軸(Y軸)方向工作時加速度傳感器的變形的示意圖；圖10顯示了測量X軸(Y軸)方向的加速度的橋電路的例子；圖11是解釋了當加速度在Z軸方向工作時加速度傳感器的變形的示意圖；圖12顯示了測量Z軸方向的加速度的橋電路的例子；圖13顯示了本發(fā)明的實施方式的加速度傳感器在A到E的生產過程；圖14是顯示了本發(fā)明的另一實施方式的加速度傳感器的俯視圖；圖15是顯示了在日本公開專利中公告的加速度傳感器的俯視圖；圖16是圖15中的加速度傳感器沿圖15中的XVI-XVI線取的截面圖；和圖17是圖15中的加速度傳感器的透視圖。
具體實施例方式
詳述本發(fā)明的每一種實施方式將在下面解釋。
將使用圖1，圖2和圖3來解釋本發(fā)明的第一實施方式。圖1是本發(fā)明的半導體加速度傳感器的俯視圖，圖2是根據(jù)圖1中顯示的本發(fā)明的實施方式的加速度傳感器的平面圖，它是從下面看的，圖3是圖1中沿III-III線(X軸)取的截面圖。
本發(fā)明的加速度傳感器使用一硅單晶襯底，通過SiO2絕緣層形成SOI層，也就是，一SOI晶片，為了使高精度地控制彈性支撐臂的厚度成為可能。SOI是絕緣體上的硅的縮寫。在此例中，通過稀疏地形成SiO2絕緣層而形成的晶片成為一厚度約550μm的Si晶片上的蝕刻阻止(約1μm)，這個晶片上形成了一厚10μm的N型硅單晶層，如此形成的晶片作為襯底使用。本實施方式的加速度傳感器由這些部分組成中心一質量部分2，它由硅單晶襯底的一厚的部分組成；放置在質量部分2周圍以包圍它的方形框架1；兩對梁形彈性支撐臂3a，3b，3c和3d，它們由硅單晶襯底的薄的部分組成以連接質量部分2和框架1，應變儀(在接下來的解釋中，“壓敏電阻”是應變儀使用的一個例子，因此它們被稱作“壓敏電阻”)11，12，...，33，34，它們中的四個用于每一個軸，并且它們位于彈性支撐臂上，相應于互相垂直的兩個探測軸(X和Y軸)和直交于加速度傳感器的上表面的探測軸(Z軸)。也就是說，兩個壓敏電阻13和14以及兩個壓敏電阻11和12各自位于沿X軸方向彈性支撐臂3a和3c上以探測X軸方向上的加速度。兩個壓敏電阻21和22以及兩個壓敏電阻23和24各自位于沿Y軸方向延伸的彈性支撐臂3b和3d上以探測Y軸方向上的加速度。兩個壓敏電阻33和34以及兩個壓敏電阻31和32各自位于沿X軸方向延伸的彈性支撐臂3a和3c上以探測Z軸方向的加速度。在這個例子中，Z方向上的加速度被位于彈性支撐臂3a和3c上的壓敏電阻探測，但是探測Z軸方向上的加速度的元件可以位于彈性支撐臂3b和3d上。探測每一個方向上的加速度的壓敏電阻中的四個電阻組成一整個橋探測電路。
在質量部分2中，形成許多凹進部分51，也就是，從邊緣向中心凹進的凹口部分。在本實施方式中，每一凹進部分51都沿方形質量部分2的每一側的中心向質量部分的中心而形成。這里凹進部分是矩形平行六面體的形狀，并且彈性支撐臂的一端在凹進部分的底部與質量部分的上表面相連，而彈性支撐臂的另一端與厚框架的上表面相連，并且質量部分和厚框架以彈性支撐臂橋接。必須使位于每一個凹進部分的彈性支撐臂的各側與凹進部分的各側分離。
為了使根據(jù)本發(fā)明的傳感器結構更加便于理解，在圖4中顯示了示意圖。如圖1到3中相同的成分在圖4中用相同的參數(shù)符號給出。在圖4中顯然，通過采用本發(fā)明的結構，能夠獨立控制質量部分2的體積和彈性支撐臂3a，3b，3c和3d的長度。也就是，彈性支撐臂3a，3b，3c和3d做得薄而盡可能長，而質量部分2做得盡可能大，因此傳感器的探測靈敏度能夠提高。
這里，將研究質量部分的體積和彈性支撐臂的長度，寬度和厚度，它們都對加速度傳感器的靈敏度有影響，而這，也就是本發(fā)明的課題。如圖5中顯示的加速度傳感器的靈敏度和質量部分的體積(質量)的關系，靈敏度與質量部分的體積(質量)成比例，如果體積加倍，靈敏度加倍。加速度傳感器的靈敏度和彈性支撐臂的長度的關系顯示在圖6中。靈敏度與彈性支撐臂的長度成比例。圖5和圖6顯示了假定其它條件相同的比較。在本發(fā)明中，凹口或者凹進部分提供在質量部分上以使彈性支撐臂更長，而質量部分的體積可以做得更大。為了這個目的，根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器，當芯片尺寸做成常數(shù)時，甚至當彈性支撐臂的長度固定在目前狀態(tài)下時，可以不增加芯片的厚度而使質量部分2的體積容易能夠做到2倍或更大，而靈敏度能夠提高到與這成比例。進一步，很容易使得凹口部分更大并使彈性支撐臂的長度變成目前長度的1.5倍或更多，并且在這種情況下質量部分2的體積的減小很小。靈敏度的增加幾乎與彈性部分的長度成比例。通過優(yōu)化質量部分的凹口的深度，可能不降低靈敏度而使芯片尺寸更小。
作為參考，靈敏度與彈性支撐臂的寬度之間的關系，以及靈敏度與彈性支撐臂的厚度之間的關系各自顯示在圖7和圖8中。彈性支撐臂更小的寬度和厚度適合于增加靈敏度是容易理解的。
在這里將解釋位于彈性支撐臂的壓敏電阻的功能。給沿著X軸方向延伸的彈性支撐臂3c和3a提供壓敏電阻11和12，以及13和14，用來測試X軸方向上的加速度。給沿著Y軸方向延伸的彈性支撐臂3d和3b提供壓敏電阻21和22，以及23和24，用來測試Y軸方向上的加速度。給沿著X軸方向延伸的彈性支撐臂3c和3a提供壓敏電阻31和32，以及33和34，用來測試Z軸方向上的加速度。
當X軸方向上的加速度加在質量部分2上時，力Fx作用于質量部分2的重力的中心，因此如圖9所示，質量部分2的上表面的左側向下移動，而它的上表面的右側向上移動。結果，處于彈性支撐臂3a上的壓敏電阻11擴張，而壓敏電阻12收縮。處于彈性支撐臂3a上的壓敏電阻13擴張，而壓敏電阻14收縮。由于壓敏電阻象這樣擴張和收縮，電阻R11，R12，R13和R14改變了。當壓敏電阻的電阻結合成為一個全電橋電路并且常壓Vin應用于它時，如圖10所示，能夠根據(jù)輸出Vout測量壓敏電阻的電阻的改變。至于Y軸方向的加速度，沿Y軸方向延伸的彈性支撐臂能夠用與在X軸方向相同的方式考慮。
當Z軸方向上的加速度加在質量部分2上時，力Fz作用，質量部分2的上表面的左側和右側向上移動，如圖11所示。結果，處于彈性支撐臂3c上的壓敏電阻31收縮，而壓敏電阻32擴張。以相同的方式，處于彈性支撐臂3a上的壓敏電阻33擴張，而壓敏電阻34收縮。當壓敏電阻的電阻R11，R12，R13和R14結合成為一整個橋電路和常壓Vin應用于它時，如圖12所示，能夠根據(jù)輸出Vout測量壓敏電阻的電阻的改變。也適合于從探測X軸方向的加速度的橋電路的那些連接中改變橋電路中的電阻的電線連接來探測Z軸方向上的加速度，因此也使用其它壓敏電阻。
下面將解釋本實施方式的一種生產方法。圖13顯示了圖1中的X軸方向的一個截面(III-III截面)的部分(左半部分)用來解釋主要工藝。如上面所描述的，SOI晶片是一Si單晶襯底，由Si基底60，上表面上的一SOI層80，(它是一Si活性層，)和一SiO2層70，(它處于Si基底60和SOI層80之間并且作為蝕刻阻止使用，)所構成，如圖13中的標號所表示。作為它們的厚度，Si基底60厚500μm到625μm，SiO2層厚1μm而SOI層厚約10μm。
生產工藝的第一步是做一個預設形式的圖形，它的SOI層80的表面上有光刻膠或熱氧化SiO2膜等等，以及制造壓敏電阻11和12，通過雜質擴散工藝例如離子注入(圖13)來進行硼擴散。作為表面雜質密度，從溫度特性和靈敏性兩個角度看，采用大約2×1018原子/cm3。
接著，為了保護壓敏電阻11和12，制造一層保護膜41(圖13B)。作為保護膜41，使用通常在半導體技術中使用的SiO2和PSG(磷硅酸鹽玻璃)多層膜，對可移動的離子起收氣作用。代替SiO2和PSG的兩層膜，可以使用SiO2和GaN的兩層膜。根據(jù)高靈敏度，最好是保護膜41的厚度做得盡可能薄以減小壓力，因此它做得0.3μm到0.5μm。
接著，通過氫氟酸作為主要成分的濕法腐蝕。在保護膜41中，在壓敏電阻11和12的兩端上，形成連接電極的通孔40a(圖13C)。
接著，為了制造電極電線，通過濺射形成鋁合金膜(鋁，銅，硅等等是主要成分)。厚度是0.3μm到0.5μm。引線電極(lead electrode)40通過光刻形成(圖13D)。
接著，雖然沒有顯示，通過干法腐蝕或其它類似方法腐蝕SOI層80，以形成一通孔圖形5到圖1中顯示的薄的部分。
接著，在基底60上后表面上，形成的光刻膠掩膜具有質量部分2和框架1的形狀，同時使用雙面調整器件來調整通壓敏電阻11和12，到達SOI層80的通孔圖形5等等的位置，通過干法腐蝕來蝕刻基底60，而作為腐蝕阻止的SiO2層70通過濕法腐蝕清除掉(圖13E)。作為腐蝕溶液，使用緩沖氫氟酸。本過程光刻膠掩膜的形狀做成這樣的形狀，在彈性支撐臂3a，3b，3c和3d連接的地方，在方形質量部分的四側面上，有矩形的凹口。彈性支撐臂3a，3b，3c和3d在這個干法腐蝕過程中形成，在某些情況下，最好是讓SiO2層70作為蝕刻阻止而不把它清除掉，目的是保持整個壓力的平衡，在彈性支撐臂的后側余下SiO2層70的部分作為蝕刻阻止可以是合適的。
然后，通過使用切割器或類似工具，形成在晶片上的許多加速度傳感器元件一片一片被切成傳感器芯片，通過裝配工藝例如封裝等等，完成了半導體加速度傳感器。
本發(fā)明的另一實施方式的加速度傳感器顯示在圖14中。圖14是傳感器的前側的平面圖，與圖1中相同的元件用相同的標號和符號給出，以便于理解。在此實施方式中，在質量部分2中，它的角落沿四個方向延伸如四葉苜蓿做成彎曲的表面，并且同時框架1的四個角落部分被做成彎曲的表面。在圖13描述的生產工藝中對質量部分2進行干法腐蝕的時候，通過降低圖形寬度尺寸的差異并提高蝕刻氣流的流動，這個實施方式具有提高蝕刻速度一致性的效果，它作為此實施方式特有的效果，同時也如前述第一實施方式中解釋的那樣，有使得傳感器做得緊湊且薄而增強靈敏性這樣的效果?？蚣懿糠值臋C械強度也能夠提高。
在迄今描述的第一和第二實施方式中，在SOI層80中形成的通孔圖形5與當通過蝕刻基底60形成質量部分2時從晶片的后側通過穿透蝕刻清除掉的模式具有相同的形狀，但是它們不是必須彼此符合，并且只要質量部分2和彈性支撐臂3a，3b，3c和3d，以及框架1是隔離的，也是可以的。到達SOI層80的通孔圖形5和質量部分2的圖形形狀，除了前述第一和第二實施方式外可以有各種考慮。也就是，作為質量部分2和框架1的形狀，可以考慮各種各樣的形狀，它們不限于前述實施方式的形狀。
權利要求
1.一種加速度傳感器，包括處在中心的質量部分；圍繞質量部分的厚邊框，它到質量部分有一個預設的距離；多個彈性支撐臂，橋接質量部分的一個上表面和厚邊框；以及布置在彈性支撐臂上的應變儀，其中多個凹進部分形成在質量部分中，它們從質量部分的周邊向質量部分的中心凹進，每一個彈性支撐臂在每個凹進部分的底部與質量部分的上表面連接，彈性支撐臂的各側與凹進部分的各側分離。
2.根據(jù)權利要求1的加速度傳感器，其中加速度傳感器具有四個彈性支撐臂，它的彈性支撐臂中的兩個與彈性支撐臂的其它兩個正交。
3.根據(jù)權利要求2的加速度傳感器，其中四個彈性支撐臂的各自兩個線性排列。
4.根據(jù)權利要求3的加速度傳感器，其中探測彈性支撐臂的縱向方向上的加速度的應變儀和探測上表面方向上的加速度的應變儀布置在線性排列的兩個彈性支撐臂上。
5.根據(jù)權利要求3的加速度傳感器，其中加速度傳感器由一SOI晶片制成，這些多個彈性支撐臂由一SiO2層和一硅層構成。
6.根據(jù)權利要求4的加速度傳感器，其中加速度傳感器由一SOI晶片制成，這些多個彈性支撐臂由一SiO2層和一硅層構成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超小型和薄的半導體加速度傳感器，具有高的靈敏度。加速度傳感器具有一質量部分形成在硅半導體襯底的中心部分，一框架形成襯底的周邊部分，薄的彈性支撐臂，位于質量部分和框架的上部并連接質量部分和框架，許多對壓敏電阻分布在彈性支撐臂的上表面?zhèn)取Ｔ谫|量部分中形成了許多凹進部分，它們從它的邊緣向它的中心凹進。每個彈性支撐臂在每個凹進部分的底部與質量部分的上表面連接，彈性支撐臂的各側與凹進部分的各側隔離。由于質量部分的體積和彈性支撐臂的長度能夠獨立地做大，靈敏度能夠做得更大。
文檔編號G01P15/18GK1409118SQ0214350
公開日2003年4月9日 申請日期2002年9月26日 優(yōu)先權日2001年9月26日
發(fā)明者斎藤正勝, 田中茂德, 池田由夫 申請人:日立金屬株式會社