專利名稱：熱泡式微型慣性感測元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關一種微型慣性感測元，特別是關于一種熱汽泡式的微型慣性感測元，以作為傾斜計及加速規(guī)，用以感測位置、傾斜角度及加速度的變化。
背景技術：
已有的慣性感測元如加速規(guī)及陀螺儀，其是作為導航控制不可或缺的元件，然而，由于其體積龐大且價格昂貴，所以不適合推廣。微機電技術是近年來興起的一種微加工技術(Micromachining Technology)，利用此技術來制作微型慣性感測元，特別是微加速規(guī)(Micro-accelerometer)，其特性可比傳統(tǒng)加工技術制造的更佳、靈敏度更高，所感測的微重力加速度可達μg等級，且微加速規(guī)又具有體積輕薄短小、適合大量制造、價格便宜等優(yōu)點，極適合推廣至汽車、游戲搖桿及3-D滑鼠等消費性電子產(chǎn)品。其相關文獻請參閱Yazdi等人所發(fā)表的“Micromachined InertialSensors”(參見附件一)。
在已有技術上，微加速規(guī)大部份為固態(tài)感測元，其結構通常具有一可移動的彈性質量塊及支撐質量塊的至少一彈性支腳，已有制造技術相當多，主要是利用硅微加工技術發(fā)展者，包括以多晶硅面型微加工技術(Poly-silicon Surface Micromachining)發(fā)展者，如美國專利編號US6223598B1、US5487305、US5417111，US5565625、US5817942及US5665915等或以SOI(Silicon on Insulator)面型微加工技術發(fā)展者，如美國專利編號US6294400B1、US5495761、US5747353及US5447067等。然而，此種結構的最大缺點為彈性質量塊易受突發(fā)的外力撞擊而破壞。
為此，遂發(fā)展出一種氣體熱對流式加速規(guī)，以克服上述的缺點，其是利用氣體熱對流的自然原理取代上述質量塊的移動作用，如美國專利編號US2445394、US2554512、US3241374及US5581034，而借由微加工技術形成氣體熱對流式加速規(guī)者請參見美國專利US5719333及US6171880；此種方法雖然可以克服質量塊易被破壞的問題，然而，由于氣體的熱傳特性較慢，使得此種氣體熱對流式加速規(guī)的反應速度都相當慢(～30Hz)，而限制了其應用，同時由于其封裝方式需要完全氣密，以控制環(huán)境壓力值，因此在實施上亦加重了成本。
有監(jiān)于此，本發(fā)明是針對上述的種種問題，提出一種新的感測機制，借一熱泡式微型慣性感測元作為一傾斜計或加速規(guī)，以同時達到無質量塊及快速反應的優(yōu)點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的，是在提供一種熱泡式微型慣性感測元，其是利用熱傳導良好、分子密度較致密的液相流體與高溫形成的熱汽泡間形成有相當清楚的界面的特性，作為傾斜計及加速規(guī)，以感測位置、傾斜角度及加速度的變化，具有無質量塊的優(yōu)點及反應速度快的功效，以有效改善已有技術存在的缺點。
本發(fā)明的另一目的，是在提出一種利用硅微加工技術形成懸浮于基板上的加熱器及溫度感測元結構，以提高加熱器的加熱效率及溫度感測元的靈敏度，進而有效提高微型慣性感測元的量測精確度。
本發(fā)明的再一目的，是在提供一種熱泡式微型慣性感測元，其是借由微加工技術整合相關電路于單一晶片上，不但可降低成本，且兼具有體積小的優(yōu)點。
為達到上述的目的，本發(fā)明技術解決方案提供的熱泡式微型慣性感測元是借由微加工技術在一基板上設置一加熱器，在加熱器的周圍且位于基板上分別對稱設置有至少二溫度感測元，以感測加熱器周圍的溫度變化；一封蓋設于基板上且包覆加熱器及溫度感測元以密封之，使一液相流體填充于封蓋與基板形成的空間內。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，基板是一硅基板。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，加熱器的材料是選自金屬材料、多晶硅及單晶硅其中的一種。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，溫度感測元的材料是選自金屬材料、多晶硅及單晶硅其中的一種。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，金屬材料是選自白金及鎢其中的一種。
所述的熱泡式微型慣性成測元，其中，液相流體為水。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，在加熱器溫度高于液相流體的沸點時，位于加熱器上方的液相流體會部份由液相變成氣相，而產(chǎn)生汽泡。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，可在基板上開設一凹槽，使加熱器及溫度感測元懸浮于基板的凹槽上方。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，加熱器是由一懸浮薄板及其周緣向外平行懸浮薄板延伸的數(shù)個對稱的細長支腳所組成，且加熱器是借由細長支腳的支撐而懸浮于基板上方。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，凹槽是利用異方性蝕刻法形成。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，溫度感測元是由至少一細長支腳支撐而懸浮于基板上方。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，溫度感測元是一熱敏電阻。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，溫度感測元是一熱電偶。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，溫度感測元是一由數(shù)個熱電偶串連而成的熱電堆。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，每一熱電偶或熱電堆鄰接于加熱器的部位是懸浮于基板的凹槽上方，而另一端是連接于基板上。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，熱電偶是包含一第一熱電偶材料及一第二熱電偶材料。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其中，第一熱電偶材料是選自多晶硅及單晶硅其中的一種，而第二熱電偶材料是為金屬連線。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其可應用于微加速規(guī)。
所述的熱泡式微型慣性感測元，其可應用于傾斜計。


圖1為本發(fā)明的熱泡式微型慣性感測元的結構剖視圖；圖2為本發(fā)明的熱泡式微型慣性感測元形成的高溫汽泡及溫度梯度分布示意圖；圖3為本發(fā)明熱泡式微型慣性成測元借由熱汽泡原理作為傾斜計的原理說明示意圖；圖4為本發(fā)明熱泡式微型慣性感測元借由熱汽泡原理作為加速規(guī)的原理說明示意圖；圖5為本發(fā)明借由微加工制程完成的微型慣性感測元的結構剖視圖；圖6為圖5的俯視圖；圖7為圖5及圖6的微型慣性感測元借由橋式電路安排的示意圖；圖8為本發(fā)明借由微加工制程完成的微型慣性感測元另一實施例的結構剖視圖；圖9為圖8的俯視圖；圖10為圖7及圖8的微型慣性感測元借由差分放大器安排的量測裝置示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的熱泡式微型慣性感測元作為加速規(guī)及傾斜計的作用原理是可透過圖1至圖4的原理說明加以了解。首先，請參見圖1，其是為本發(fā)明的熱泡式微型慣性感測元的結構剖視圖，如圖所示，一熱泡式微型慣性感測元1包括一基板10，其通常為硅基板；在基板10上設有一加熱器12，在基板10上且位于加熱器12二側周圍對稱設置有一溫度感測元14及16，借以感測加熱器12周圍的溫度變化，加熱器12及溫度感測元14、16的材料通常為白金或鎢等金屬，亦可為集成電路制程中常見的單晶硅或多晶硅材料，當加熱器12沒有進行加熱時，溫度感測元14、16是沒有量測到任何溫度變量的；在基板10上方并設有一封蓋18，且其是包覆加熱器12及溫度感測元14、16以密封的，另有一液相流體20填充在封蓋18與基板10形成的空間內，使加熱器12及溫度感測元14、16是處于一液相流體環(huán)境中，液相流體20在此為高純度去離子水。
當熱泡式微型慣性感測元1運作時，加熱器12會進行加熱而使其周圍溫度上升，當加熱器12溫度高于水的沸點時，位于加熱器12上方的水會部份由液相變成水蒸汽，且隨著溫度的提升，水蒸汽泡會逐漸長大。此一汽泡的形成方式類似于熱泡式噴墨印表機的驅動原理，差別是不需要提供過多的能量于水蒸汽泡以使之爆沖脫離加熱器。在本發(fā)明中，借由水的表面張力及溫度控制，可以控制汽泡的大小，進而控制熱泡式微型慣性感測元1的靈敏度及固定其位置。
如圖2所示，在所形成的高溫汽泡22內，其實為一具有連續(xù)式溫度梯度分布的汽泡，其如圖中所示的等溫線22a、22b及22c，其中，越接近加熱器12處的溫度越高，而與液相流體20形成界面交接的等溫線，其溫度為流體的沸點，以水為例，其溫度為100℃。當熱泡式微型慣性感測元1沒有受到外力改變其慣性時，位于加熱器12二側的溫度感測元14及16是偵測到相同的溫度變化A及B(在圖2中以圓圈大小表示溫度變化的大小)。
請參見圖3所示，其為本發(fā)明熱泡式微型慣性感測元1借由熱汽泡原理作為傾斜計的原理說明。當熱泡式微型慣性感測元1傾斜一角度θ時，汽泡22的重力方向Z會自然的與垂直于熱泡式微型慣性感測元1的法線方向N形成同一角度θ，使得溫度感測元16偵測到較大的溫度變化C，而其所對應的溫度感測元14則偵測到較小的溫度變化D，透過比較C與D則可校正傾斜的方向及大小。
再參見圖4所示，其為本發(fā)明熱泡式微型慣性感測元1借由熱汽泡原理作為加速規(guī)的原理說明。當熱泡式微型慣性感測元1受到線性加速度時，汽泡22周圍高密度D的液相流體20會產(chǎn)生慣性力推擠低密度d的汽泡22，使之受力平移，因此造成溫度感測元14感測的溫度變化E大于溫度感測元16感測的溫度變化F，透過比較E與F則可以判別并校正加速度的方向及大小。由于本發(fā)明利用熱傳導良好、分子密度較致密的液相流體特性，以及液相流體與高溫形成的熱汽泡間具有相當清楚的界面，所以在反應速度上可以有效的克服氣體熱對流式加速規(guī)反應速度慢的缺點(～30Hz)，可以達到100Hz甚至更高。
為了提高加熱器12的加熱效率及溫度感測元14、16的靈敏度，本發(fā)明更進一步可利用硅微加工技術來形成上述的加熱器12及溫度感測元14、16結構，特別是借由CMOS制程及其后續(xù)的微加工方法以形成具有懸浮結構的加熱器12及溫度感測元14、16，此舉最大的優(yōu)點是可以整合相關的電路于單一晶片，使體積縮小并有效降低成本。
請參見圖5及圖6所示，其是分別為本發(fā)明借由CMOS制程及后段微加工技術完成的微型慣性感測元的結構剖視圖及俯視圖，其中沒有示出液相流體20及封蓋18，由于CMOS制程為一已有技術，在此僅針對本發(fā)明使用的材料及形成方法做描述，其余不贅述。熱泡式微型慣性感測元2包括一硅基板200，其通常為晶向(100)的硅晶片，在硅基板200上利用硅異方性蝕刻法開設有一V型凹槽210，使一加熱器220懸浮于V型凹槽210上，加熱器220是由一懸浮薄板222及其周緣向外平行懸浮薄板222延伸的四個對稱的細長支腳224所組成，使懸浮薄板222借由細長支腳224的支撐而懸浮于硅基板200的V型凹槽210上；在加熱器220四周對應X-Y軸方向等距離設置有四組完全相同的溫度感測電阻230、240、250及260，其是分別由細長支腳231、241、251、261支撐而懸浮于V型凹槽210上方。
其中，溫度感測電阻230、240、250、260即為熱敏電阻，而作為加熱器220及溫度感測電阻230、240、250、260的材料是取自于CMOS制程中的多晶硅，或是借由硅深蝕刻技術(如感應耦合電漿蝕刻，inductivelycoupled plasma-reactive ion etching，ICP-RIE)搭配XeF2等氣體蝕刻來下切去除(undercutting)合份硅基板200材料(例如英國STS公司有提供雙重功能的商業(yè)機臺)，以形成懸浮的單晶硅結構來作為加熱器220及溫度感測電阻230、240、250、260的材料。
再如圖7所示，熱泡式微型慣性感測元2借由一橋式電路的安排是可成為一加速規(guī)或傾斜計電性量測裝置，其是使相對應的溫度感測電阻230及240(或250及260)設置于橋式電路輸出端點的兩側，并配合電阻R1及R2的設置，以借由一差分放大器(Differential Amplifier)A1讀取其信號差值。在本發(fā)明中，是有X-Y兩個方向的量測，故需要有溫度感測電阻230、240橋式電路及溫度感測電阻250、260橋式電路兩組橋式電路的安排。
請參見圖8及圖9所示，其分別為本發(fā)明借由CMOS制程及后段微加工技術完成的另一微型慣性感測元實施例的結構剖視圖及俯視圖，其中同樣亦沒有示出液相流體20及封蓋18。此實施例熱泡式微型慣性感測元3與圖5及圖6不同點在于溫度感測元由溫度成測電阻230、240、250、260變成熱電偶或由數(shù)個熱電偶串連而成的熱電堆310、320、330、340，每一熱電偶/熱電堆310、320、330、340緊臨加熱器220的熱接觸區(qū)350a是懸浮于V型凹槽210上，而遠離加熱器220的冷接觸區(qū)350b則是連接于硅基板200上；其中，每一熱電偶是包含有一第一熱電偶材料360及一第二熱電偶材料362，第一熱電偶材料360是多晶硅或上述方法形成的單晶硅，而第二熱電偶材料362則為CMOS制程中的金屬連線，通常為鋁或其合金。
同樣地，熱泡式微型慣性感測元3借由適當電路的安排亦可成為一加速規(guī)或傾斜計電性量測裝置，如圖10所示，其是為熱泡式微型慣性感測元3借由二差分放大器安排的量測裝置示意圖，位于X座標軸上的熱電偶/熱電堆310與其對應的熱電偶/熱電堆320是連接至一差分放大器A2，而Y座標軸上相對應的熱電偶/熱電堆330及340是連接至另一差分放大器A3，借由此安排即可決定加速度或傾斜角度的大小及方向。
本發(fā)明熱泡式微型慣性感測元利用熱傳導良好、分子密度較致密的液相 流體與高溫形成的熱汽泡間形成有相當清楚的界面的特性，作為傾斜計及加速規(guī)，以感測位置、傾斜角度及加速度的變化，因此具有無質量塊的優(yōu)點及反應速度快的功效；另一方面，本發(fā)明利用硅微加工技術形成懸浮于基板上的加熱器及溫度感測元結構，可提高加熱器的加熱效率及溫度感測元的靈敏度，進而可有效提高微型慣性感測元的量測精確度，此外，利用微加工技術能夠將相關電路整合于單一晶片上，不但可降低成本，且兼具有體積小的優(yōu)點。
以上所述是借由實施例說明本發(fā)明的特點，其目的在使熟習技術者能了解本發(fā)明的內容并據(jù)以實施，而非限定本發(fā)明的專利范圍，故，凡其他未脫離本發(fā)明所揭示的精神所完成的等效修飾或修改，仍應包含在本案所述的申請專利范圍中。
權利要求
1.一種熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，包括一基板；一加熱器，設置在基板上；至少二溫度感測元，分別對稱設置在加熱器的周圍且位于基板上，以感測加熱器周圍的溫度變化；一封蓋，設置在基板上且包覆加熱器及溫度感測元以密封之；以及一液相流體，填充于封蓋與基板的空間內。
2.如權利要求1所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，基板是一硅基板。
3.如權利要求1所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，加熱器的材料是選自金屬材料、多晶硅及單晶硅其中的一種。
4.如權利要求1所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，溫度感測元的材料是選自金屬材料、多晶硅及單晶硅其中的一種。
5.如權利要求3或4所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，金屬材料是選自白金及鎢其中的一種。
6.如權利要求1所述的熱泡式微型慣性成測元，其特征在于，其中，液相流體為水。
7，如權利要求1所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，在加熱器溫度高于液相流體的沸點時，位于加熱器上方的液相流體會部份由液相變成氣相，而產(chǎn)生汽泡。
8.如權利要求1所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，可在基板上開設一凹槽，使加熱器及溫度感測元懸浮于基板的凹槽上方。
9.如權利要求8所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，加熱器是由一懸浮薄板及其周緣向外平行懸浮薄板延伸的數(shù)個對稱的細長支腳所組成，且加熱器是借由細長支腳的支撐而懸浮于基板上方。
10.如權利要求8所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，凹槽是利用異方性蝕刻法形成。
11.如權利要求8所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，溫度感測元是由至少一細長支腳支撐而懸浮于基板上方。
12.如權利要求1所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，溫度感測元是一熱敏電阻。
13.如權利要求8所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，溫度感測元是一熱電偶。
14.如權利要求8所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，溫度感測元是一由數(shù)個熱電偶串連而成的熱電堆。
15.如權利要求13或14所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，每一熱電偶或熱電堆鄰接于加熱器的部位是懸浮于基板的凹槽上方，而另一端是連接于基板上。
16.如權利要求13所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，熱電偶是包含一第一熱電偶材料及一第二熱電偶材料。
17.如權利要求16所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其中，第一熱電偶材料是選自多晶硅及單晶硅其中的一種，而第二熱電偶材料是為金屬連線。
18.如權利要求1所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其可應用于微加速規(guī)。
19.如權利要求1所述的熱泡式微型慣性感測元，其特征在于，其可應用于傾斜計。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱泡式微型慣性感測元，是為一以微加工技術形成的微型裝置，其是在一基板上設置一加熱器，且在加熱器的四周對稱設有四組溫度感測元，以感測加熱器周圍的溫度變化，在基板上設有一封蓋，其是包覆加熱器及溫度感測元以密封的，使一液相流體填充于封蓋與基板形成的空間內；利用加熱器加熱液相流體，使之汽化形成一熱汽泡于液相流體環(huán)境中，借由水的表面張力及溫度控制可以控制汽泡的大小，以使加熱器四周的溫度感測元感測到溫度分布的變化，以作為一傾斜計以感測傾斜的方向及大小，亦可作為一加速規(guī)以量測加速度的方向及大小。本發(fā)明具有無質量塊、反應速度快，靈敏度高、體積小等優(yōu)點。
文檔編號G01D21/02GK1525145SQ03106450
公開日2004年9月1日 申請日期2003年2月26日 優(yōu)先權日2003年2月26日
發(fā)明者周正三 申請人:祥群科技股份有限公司