專利名稱：單軸加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單軸加速度傳感器。
背景技術(shù)：
諸如加速度傳感器、振動(dòng)陀螺儀和振動(dòng)傳感器這樣的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器 是常規(guī)已知的，這些MEMS傳感器將聯(lián)接到質(zhì)量體的柔性梁的位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。硅處理技 術(shù)(silicon processing technology)已經(jīng)被充分地開發(fā)出且伴有集成電路的進(jìn)步，且適 用于制造MEMS。硅中的載荷子(電子、空穴)受到應(yīng)力施加(stress application)的影 響。電子運(yùn)動(dòng)性隨著沿遷移方向的拉應(yīng)力的增加而增加，且隨著沿遷移方向的壓應(yīng)力的增 加而減小?？昭ㄟ\(yùn)動(dòng)性隨沿遷移方向的壓應(yīng)力的增加而增加，且隨沿遷移方向的拉應(yīng)力的 增加而減小。在半導(dǎo)體層以凸面形狀變形時(shí)，半導(dǎo)體層的表面受到拉應(yīng)力，且在半導(dǎo)體層以 凹面形狀變形時(shí)半導(dǎo)體層的表面受到壓應(yīng)力。在半導(dǎo)體中的載荷子可運(yùn)動(dòng)性的變化可以通 過在受到較強(qiáng)應(yīng)力的硅區(qū)域中采用諸如電阻器或MOS轉(zhuǎn)變器這樣的半導(dǎo)體裝置來檢測。例 如，通過檢測由應(yīng)力引起的電阻值(壓電電阻器)的變化來檢測加速度。質(zhì)量體聯(lián)接到柔 性梁的一端，該柔性梁在另一端被支撐件等支撐。因?yàn)橘|(zhì)量體具有慣性，所以在支撐件運(yùn)動(dòng) 時(shí)，柔性梁變形并接收到應(yīng)力。因?yàn)槿嵝粤旱臋M截面面積被制造得較小，所以每單位橫截面 面積的應(yīng)力變得較大且變形量變得較大。通常，壓電電阻器形成在柔性梁上，以便檢測加速度?？紤]到制造過程的便利性， 需要的是壓電電阻器和配線形成在柔性梁的前表面上。為了改善檢測精度，通常通過四個(gè) 壓電電阻器形成橋接電路。例如，四個(gè)壓電電阻器形成在沿寬度方向的在柔性梁相對(duì)端附 近的兩個(gè)邊緣處。在施加某種應(yīng)力時(shí)電阻值增加的電阻器和電阻值降低的電阻器被串序地 連接。兩個(gè)串序連接結(jié)構(gòu)在供電配線之間沿反并聯(lián)的方向連接。檢測相應(yīng)串序連接結(jié)構(gòu)中 互連點(diǎn)之間的電壓差。存在用于檢測一維方向加速度的加速度傳感器和用于檢測沿二維或三維方向的 加速度的加速度傳感器。需要的是僅沿預(yù)定方向檢測加速度而不響應(yīng)其他方向加速度的一 維加速度傳感器。JP-A-8-160066提出了一種懸臂式加速度傳感器，包括固定部分、通過加速度可動(dòng) 的配重件、連接到固定部分和配重件的柔性梁和設(shè)置在柔性梁中的電阻器元件，通過處理 硅基板形成，其中，沿垂直于硅基板厚度方向的寬度方向，柔性梁比配重件窄，且沿硅基板 的厚度方向柔性梁具有與配重件相同的厚度。配重件的重心排布在柔性梁中心線的延長線 上。柔性梁可在基板表面的平面內(nèi)方向沿寬度方向變形，且因沿柔性梁的縱向方向的加速 度造成的變形受到抑制。兩對(duì)電阻器元件形成在臨近固定部分并臨近配重件的兩邊緣區(qū)域 處的柔性梁表面區(qū)域中。因?yàn)槿嵝粤貉貙挾确较驈澢妥冃?，所以在一個(gè)邊緣處兩個(gè)電阻 器元件和在另一邊緣處的兩個(gè)電阻器元件被拉伸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有新穎結(jié)構(gòu)的單軸加速度傳感器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種一維加速度傳感器，包括用具有恒定厚度的半導(dǎo)體基板制成的結(jié)構(gòu)，包括用半導(dǎo)體基板制成的支撐件，通過第一穿通溝道構(gòu)圖，除了設(shè)置在第一穿通溝道 外側(cè)且設(shè)置有連結(jié)墊的部分以外，該第一穿通溝道延伸穿過半導(dǎo)體基板；柔性梁，通過與第一穿通溝道的兩相對(duì)端連續(xù)的一對(duì)第二穿通溝道構(gòu)圖，第二穿 通溝道沿一個(gè)方向在支撐件內(nèi)延伸并穿過半導(dǎo)體基板，柔性梁具有比半導(dǎo)體基板的厚度小 得多的寬度，柔性梁從支撐件沿一個(gè)方向延伸，且具有設(shè)置在柔性梁近側(cè)的兩個(gè)邊緣處以 及設(shè)置在柔性梁遠(yuǎn)側(cè)的兩個(gè)邊緣處的四個(gè)壓電電阻器；和配重件，與柔性梁的遠(yuǎn)端連續(xù)，配重件通過第一穿通溝道和第二穿通溝道構(gòu)圖，配 重件具有在支撐件內(nèi)的一對(duì)對(duì)稱的第一部分和與一對(duì)第一部分聯(lián)接的第二部分，一對(duì)對(duì)稱 的第一部分將柔性梁夾在它們之間，且配重件具有在柔性梁縱向中心線上并在比柔性梁的 遠(yuǎn)端更靠近近側(cè)一位置處的重心；和其中，該一維加速度傳感器還包括配線，該配線在半導(dǎo)體基板上方且用同一配線 層形成，配線將四個(gè)壓電電阻器中的、在同一邊緣處的兩個(gè)壓電電阻器每一個(gè)串序連接，用 四個(gè)壓電電阻器形成橋接電路，且配線將壓電電阻器的相互連接點(diǎn)引導(dǎo)到連結(jié)墊。


圖IA和IB是根據(jù)第一實(shí)施例的單軸加速度傳感器的平面圖和橫截面視圖；圖IC 和ID是顯示了柔性梁的結(jié)構(gòu)和工作方式的示意性平面圖；圖IE是顯示了模擬結(jié)果的視圖， 且圖IF和IG是壓電電阻器和配線的平面圖和等效電路圖。圖2A、2B和2C是顯示了第一實(shí)施例的修改例的平面圖。圖3A和3B是顯示了由本發(fā)明的發(fā)明人作出的分析和研究的平面圖。圖4A到4E是顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的加速度傳感器的制造過程的橫截面圖。圖5A和5B是根據(jù)第二實(shí)施例的加速度傳感器的橫截面視圖和平面圖。圖6A、6B和6C是顯示了第二實(shí)施例的修改例的平面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在假設(shè)例如通過使用硅基板來制造單軸加速度傳感器。在硅基板平面內(nèi)限定χ 軸和y軸，且沿厚度方向限定ζ軸。構(gòu)造y方向單軸加速度傳感器，其方式是具有比沿ζ方向 厚度小得多的沿y方向?qū)挾鹊娜嵝粤貉卅址较蜓由?，并?lián)接支撐件和配重件(質(zhì)量部分)。 支撐件聯(lián)接到諸如殼體這樣的固定部分。柔性梁和配重件的厚度相等，且配重件的重心與 沿χ方向延伸的柔性梁的延長線對(duì)準(zhǔn)。對(duì)χ方向加速度的反應(yīng)由此基本上受到抑制，且能 降低噪聲。通過使柔性梁難以沿ζ方向彎曲而對(duì)ζ方向加速度的反應(yīng)進(jìn)行抑制。因此，需 要的是在梁橫截面區(qū)域中使得y方向的尺寸顯著地小于ζ方向的尺寸(基板厚度)。柔性 梁在xy平面內(nèi)的形狀被選擇為能確保y方向的柔性，并允許在兩邊緣處的相對(duì)端處制造壓 電電阻器。橋接電路通過串序連接電阻器并通過反并聯(lián)(antiparallel)地連接兩個(gè)串序 連接結(jié)構(gòu)來形成，所述電阻器在應(yīng)力導(dǎo)致電阻值改變的情況下具有相反的極性。
在配重件聯(lián)接到柔性梁遠(yuǎn)端且通過加速度產(chǎn)生的力作用在柔性梁遠(yuǎn)端上的結(jié)構(gòu) 中，當(dāng)配重件被沿柔性梁的寬度方向驅(qū)動(dòng)時(shí)，柔性梁以弓形形狀變形。位于在弓形形狀內(nèi)側(cè) 上的兩個(gè)電阻器接收壓應(yīng)力且以一種極性改變電阻值(增加或減小)，且位于在弓形形狀 外側(cè)上的兩個(gè)電阻器接收拉應(yīng)力且以相反極性改變電阻值(減小或增加)。如果四個(gè)壓電 電阻器用P型硅制造，則接收壓應(yīng)力的電阻器減小其電阻值，而接收拉應(yīng)力的電阻器增加 其電阻值。現(xiàn)在考慮用于連接四個(gè)壓電電阻器和將配線引導(dǎo)到連接墊的配線布置結(jié)構(gòu)。假 設(shè)每條配線不是形成為騎跨在壓電電阻器上。如圖3A所示，四個(gè)電阻器Rl到R4形成在柔性梁FB兩邊緣處的近端和遠(yuǎn)端處。假 設(shè)配線Wl形成為用于將表現(xiàn)出以相反極性改變電阻值的電阻器Rl和R2串序連接，且用于 將串序連接結(jié)構(gòu)的相對(duì)端子和電阻器的相互連接點(diǎn)連接到連結(jié)墊BP。電阻器Rl和R2和將 電阻器Rl和R2連接的配線Wl與柔性梁FB的整個(gè)寬度成橫向。當(dāng)配線W2要被形成為將 在柔性梁兩邊緣處的遠(yuǎn)端處的、表現(xiàn)出沿相反極性改變電阻值的電阻器R3和R4串序連接， 并用于將串序連接結(jié)構(gòu)的相互連接點(diǎn)和端部端子引出到連結(jié)墊BP時(shí)，配線W2應(yīng)與配線Wl 相交叉。即，需要交叉的配線。需要至少兩個(gè)配線層來形成交叉配線。如果配線空間形成 在柔性梁的邊緣和壓電電阻器之間，則可以通過使用一個(gè)配線層來形成橋接電路。但是，當(dāng) 壓電電阻器從柔性梁的邊緣移位離開時(shí)，最重要測量精確性會(huì)降低。替換地，當(dāng)電阻器Rl 和R4以及電阻器R2和R3串序連接時(shí)，也需要交叉配線。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)研究了柔性梁在接收到加速度時(shí)以字母S形狀變形的情況。 當(dāng)柔性梁以字母S的形狀變形時(shí)，在柔性梁的遠(yuǎn)端半部和近端半部之間變形(凸起方向) 相反。當(dāng)變形量被表示為是距柔性梁一個(gè)端部的縱向距離的函數(shù)時(shí)，二次微分或?qū)?shù)將具 有相反的符號(hào)(正號(hào)和負(fù)號(hào))。在這種情況下，形成在梁的兩邊緣上同一縱向位置處的電阻 器的電阻值將以相反的極性變化，類似于弓形變形。但是，形成在梁的遠(yuǎn)端和近端處同一邊 緣處的兩電阻器的電阻值也將以相反的極性變化。在形成在柔性梁的四個(gè)角部處的電阻器 中，在對(duì)角位置處的兩電阻器將以相同的極性變化電阻值，且沿邊緣或按照寬度的相鄰電 阻器將以相反的極性改變電阻值。當(dāng)沿邊緣的相鄰電阻器串序連接時(shí)，配線可被構(gòu)造為沿 梁的縱向方向，消除了交叉配線。還有在字母S形的變形中，即使柔性梁遠(yuǎn)端的運(yùn)動(dòng)距離相 同，柔性梁遠(yuǎn)端處的角度變化也會(huì)變小。如圖3B所示，當(dāng)形成在柔性梁FB各同一邊緣處的壓電電阻器Rl和R3以及壓電電 阻器R2和R4將呈現(xiàn)以相反極性改變的電阻時(shí)，在同一邊緣處的相應(yīng)兩壓電電阻器串序連 接。這些配線可以基本沿同一邊緣設(shè)置。因此配線不必沿寬度方向橫向于柔性梁。交叉配 線不是必須的，甚至在配重件W附近的遠(yuǎn)端處的壓電電阻器R3和R4相互連接，且相互連接 點(diǎn)被引出到連結(jié)墊BP時(shí)也是如此?？梢圆捎脝螌优渚€。還可以使得柔性梁FB末端處的角 度變化很小。配重件M的角度變化因此較小。甚至在配重件因沖擊力而撞在支撐件上時(shí)， 諸如在配重件角部處的缺陷和裂紋這樣的損壞也很少能發(fā)生。第一實(shí)施例圖IA是根據(jù)第一實(shí)施例的單軸加速度傳感器的示意性俯視圖。圖IB是圖IA中 沿線IB-IB截取的橫截面視圖。y方向加速度傳感器形成在矩形硅基板1上。硅基板1具 有沿ζ方向的預(yù)定厚度。矩形的橫向方向由χ方向代表，且其垂直方向由y方向代表。沿 將硅基板1的相對(duì)垂直(y方向)側(cè)邊的中心相互連接的中心線，形成一對(duì)穿通溝道40，該一對(duì)穿通溝道沿χ方向筆直向前延伸，以在穿通溝道40之間構(gòu)圖出沿χ方向延伸的柔性梁 FB。柔性梁FB具有沿y方向的基本恒定的寬度。穿通溝道50沿硅基板的左側(cè)形成，從穿 通溝道40的兩個(gè)左側(cè)端開始沿向上、向下方向形成相同的長度。穿通溝道50隨后按符合 硅基板左側(cè)角部的方式以直角彎曲并沿向右方向延伸相同的長度，且隨后進(jìn)一步按符合硅 基板右側(cè)角部的方式以直角彎曲并沿垂直方向延伸相同的長度，以最終在硅基板1的右側(cè) 區(qū)域中結(jié)合。圖IB顯示了氧化硅膜11和氮化硅膜12形成在硅基板1的表面上的狀態(tài)。穿通 溝道40和50穿過氮化硅膜12、氧化硅膜11和硅基板1形成。形成在一對(duì)穿通溝道40之 間的柔性梁FB具有比厚度小得多的寬度，且優(yōu)選地沿寬度方向可變形。硅基板1在穿通溝 道50以外的區(qū)域構(gòu)成支撐件S，該支撐件要被連接到諸如殼體H這樣的固定部分。穿通溝 道40和50之間的區(qū)域構(gòu)成配重件(質(zhì)量體)M。配重件M通過穿通溝道50與支撐件S分 開，且通過穿通溝道40與柔性梁FB分開。如圖IA所示，配重件M僅經(jīng)由柔性梁FB在物理 上被支撐件S支撐。在配重件M沿y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿通溝道40和50的寬度改變。如圖IA 所示，柔性梁FB的左端與支撐件S連續(xù)，且其右端與配重件M連續(xù)。通過沿y方向穿過柔性梁的右端的直線將配重件M分成在左側(cè)的第一部件Ml和 在右側(cè)的第二部件M2，構(gòu)成第一部件Ml的一對(duì)相對(duì)的第一部分Mla和Mlb夾著柔性梁FB， 而在右側(cè)上的第二部件M2構(gòu)成將柔性梁FB的遠(yuǎn)端與第一部分Mla和Mlb聯(lián)接的聯(lián)接部 分。一對(duì)第一部分Mla和Mlb具有相對(duì)于柔性梁FB的縱向中心線鏡像對(duì)稱或線對(duì)稱的形 狀。第二部件M2也具有相對(duì)于柔性梁FB的縱向中心線鏡像對(duì)稱或線對(duì)稱的形狀。以該形 狀，柔性梁(更嚴(yán)格地說是形成在柔性梁上的加速度傳感器)將基本不會(huì)對(duì)沿χ方向的加 速度作出響應(yīng)。第一部件Ml的重心位于在柔性梁FB的χ方向長度中心附近處的y方向?qū)挾鹊闹?心線上(朝向右側(cè)移過穿通溝道50寬度的一半)。第二部件M2延伸到離開柔性梁FB的遠(yuǎn) 端的區(qū)域。配重件M = M1+M2的重心從第一部件Ml的重心向右側(cè)(朝向柔性梁的遠(yuǎn)端) 偏移。但是，配重件M的平面形狀如此被選擇以使得通過使得第二部件M2的χ方向?qū)挾刃?于第一部件Ml的χ方向?qū)挾榷沟门渲丶﨧的重心設(shè)置在柔性梁FB的遠(yuǎn)端或右端的左側(cè) 上(在柔性梁FB的中心線上)。配重件M的重心設(shè)置在柔性梁FB的縱向中心線上(在縱 向中心和右端(遠(yuǎn)端)之間)。配重件對(duì)柔性梁的作用的位置(place of action)在柔性 梁的遠(yuǎn)端或右端，且配重件M的重心在柔性梁的遠(yuǎn)端或右端的左側(cè)(-χ側(cè))上。由此，沿y 方向的加速度對(duì)柔性梁FB的遠(yuǎn)端施加y方向的力和在xy平面內(nèi)的轉(zhuǎn)矩(沿抵消由y方向 的力引起的變形的方向)。這會(huì)使得柔性梁的遠(yuǎn)端沿y方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使柔性梁的縱向形狀 以S形狀變形。硅基板1的示例性尺寸例如是Imm(χ方向)Xlmm(y方向)Χ625μπι(ζ方向，厚 度)。厚度在硅基板的整個(gè)區(qū)域上不會(huì)改變。例如，配重件M的外部尺寸是800 μ m(x方 向)X800 μ m(y方向)。穿通溝道40和50具有約15 μ m的寬度，且延伸穿過硅基板(包括 氧化硅膜和氮化硅膜)。柔性梁FB具有的尺寸是30 μ m或更窄的寬度(y方向)Χ700μπι 長度(χ方向)，并沿χ方向延伸。在這種情況下，配重件M的第一部分Mla和Mlb每一個(gè) 的尺寸大約是700μπι(Χ方向)Χ400μπι(Υ方向)，且，配重件M的第二部分Μ2的尺寸是 約100μπι(Χ方向)Χ800μπι(Υ方向)。柔性梁FB的橫截面尺寸是30 μ m寬或更窄(y方向)Χ625μπι厚(ζ方向，高度)，且寬度/厚度的比例為1/20或更小。半導(dǎo)體基板的厚度 是約600 μ m到800 μ m?？梢允沟煤穸缺≈良s100 μ m。甚至在半導(dǎo)體基板變薄時(shí)，柔性梁 的寬度/厚度的比例也優(yōu)選被設(shè)置為1/10或更小。寬度顯著小于厚度。配重件M的重心 以0次近似(0th approximation)設(shè)置在800 μ m見方的中心，即在柔性梁FB的縱向中心 線上的一位置處且距離右端為約300 μ m。氧化硅膜11可以是1 μ m厚，且氮化硅膜12可以 是0. 5 μ m厚。這些值是示例性的且沒有限制性的含義。 圖IC和ID是柔性梁FB的平面圖和顯示了加速度傳感器功能的示意性平面圖。電 阻器Rl、R2、R3和R4形成在支撐件S側(cè)的端部處的兩邊緣部分中和形成在配重件M側(cè)的 端部處的兩邊緣部分中。電阻器Rl到R4適當(dāng)?shù)睾掀饋矸Q為電阻器R。壓電電阻器R優(yōu)選 地設(shè)置在應(yīng)力集中的端部和邊緣部分附近。配重件M的重心G在柔性梁FB右端的左側(cè)上。 在配重件M運(yùn)動(dòng)時(shí)，例如沿+y方向(粗箭頭方向)，聯(lián)接到配重件M的柔性梁FB的右端受 到向上的力和順時(shí)針轉(zhuǎn)矩。如果僅受到向上的力，則柔性梁FB以弓形向上變形。因?yàn)槿嵝?梁還受到順時(shí)針轉(zhuǎn)矩，所以柔性梁的右端向上運(yùn)動(dòng)且還向右下彎曲。
如圖ID所示，在施加+y方向力時(shí)，柔性梁FB的左部形成向下凸的曲率，且通過順 時(shí)針轉(zhuǎn)矩，柔性梁FB的右部形成向上凸的曲率。整體上，形成字母S形的變形。因此，可以 推知電阻器Rl和R4受到壓應(yīng)力且電阻器R2和R3受到拉應(yīng)力。這種推論得到模擬的驗(yàn)證。圖IE顯示了在施加IG加速度時(shí)的Mises應(yīng)力的輪廓線的模擬結(jié)構(gòu)。柔性梁具有 字母S形的變形。較高密度的黑點(diǎn)表示較大的Mises應(yīng)力?？梢杂^察到，應(yīng)力朝向與柔性 梁的一些部分聯(lián)接的支撐件S和配重件增加，即朝向柔性梁的相對(duì)端部增加。應(yīng)力還沿寬 度方向朝向兩邊緣增加。圖IF是電阻器R1、R2、R3和R4以及用于電阻器的配線的俯視圖。例如，硅基板為 η型的，且電阻器Rl到R4用ρ型區(qū)域制造，該區(qū)域例如擴(kuò)散有硼(B)。電阻器Rl到R4的 沿縱向方向的外端線與柔性梁FB的沿縱向方向的相對(duì)端線平齊。各個(gè)電阻器沿柔性梁的 兩邊緣設(shè)置。電阻器的相對(duì)端與摻入高濃度B的低電阻接觸區(qū)域C毗鄰。電阻器R3和R4 的遠(yuǎn)端連接到共同的接觸區(qū)域Ce。形成在與配線的層相同一層中的連結(jié)墊BP設(shè)置在支撐 件S的周邊或邊緣區(qū)域處。電阻器R的寬度是1. 5 μ m到2. 0 μ m,且其長度約為10 μ m或更 長，該長度小于柔性梁FB長度的一半。如果長度小于10 μ m，則難以獲得實(shí)際上充分的一致 性。因?yàn)橄喾捶较虻膽?yīng)力施加到柔性梁的支撐件側(cè)和配重件側(cè)，所以電阻器的長度需要比 柔性梁的長度的一半短，且更優(yōu)選地該長度是柔性梁長度的三分之一或比三分之一短。需 要的是配重件M的重心定位在一中間區(qū)域中，該中間區(qū)域位于形成在支撐件S側(cè)和配重件 W側(cè)的柔性梁上的電阻器之間。因?yàn)榫哂?.5μπι到2.0μπι寬度的兩個(gè)電阻器形成為沿橫向方向間隔開，所以柔 性梁FB的寬度優(yōu)選為5 μ m或更寬。柔性梁的橫截面二階矩與柔性梁FB寬度的立方(三 次方)成比例。當(dāng)柔性梁FB的寬度超過30 μ m時(shí)，需要非常重的重量來獲得必要的靈敏 度。例如，當(dāng)柔性梁寬度為30 μ m時(shí)，將需要30mm見方的裝置尺寸來實(shí)現(xiàn)類似于具有寬度 為10 μ m的柔性梁的Imm見方的裝置尺寸的靈敏度。柔性梁寬度由此優(yōu)選是5 μ m或更寬 和20 μ m或更窄。三條配線形成在柔性梁FB上筆直向前的配線W3，用于串序連接電阻器Rl和R3 并將其相互連接點(diǎn)引導(dǎo)到支撐件S;筆直向前的配線W5，用于串序連接電阻器R2和R4并將
8其相互連接點(diǎn)引導(dǎo)到支撐件S;和筆直向前的配線W4，用于將兩個(gè)電阻器R3和R4的共同的 接觸區(qū)域(相互連接點(diǎn))引導(dǎo)到支撐件S。用于引導(dǎo)電阻器Rl和R2的近側(cè)端子的配線W6 和W7額外地形成在支撐件S上。配線W3到W7以最少的彎折部分連接到支撐件S上的連 結(jié)墊BP。因?yàn)闆]有使用交叉配線，所以可以通過用一個(gè)層制造的配線來形成用于橋接電路 的配線。使用具有簡單形狀的一個(gè)配線構(gòu)圖掩模就足夠了。圖IG是橋接電路的等效電路圖。電阻器Rl和R3以及電阻器R2和R4構(gòu)成兩個(gè) 串序連接結(jié)構(gòu)。電壓計(jì)V連接在兩個(gè)串序連接結(jié)構(gòu)的相互連接點(diǎn)之間(經(jīng)由連結(jié)墊)。電 阻器R3和R4共同連接并連接到DC電源Vdc的正端子(經(jīng)由連結(jié)墊)，且在另一端上的電 阻器Rl和R2連接到DC電源的負(fù)端子(例如地)(經(jīng)由連結(jié)墊)。如圖IC所示，當(dāng)配重件M受到沿+y方向的加速度時(shí)(相對(duì)于支撐件S的沿y方 向加速度的反作用)，柔性梁FB以字母S形變形，電阻器Rl和R4受到壓應(yīng)力并降低電阻 值，而電阻器R2和R3受到拉應(yīng)力并增加電阻值?？邕^橋接電路電壓計(jì)V的端子的電壓增 加，以使得能檢測到應(yīng)力。如果加速度具有相反的方向，則所檢測電壓的極性顛倒。盡管已經(jīng)描述了硅基板的矩形平面形狀，但是平面形狀并不限于矩形。圖2A顯示了硅基板的修改例，具有等腰三角形平面形狀。除了底側(cè)的中心區(qū)域 外，穿通溝道50沿等腰三角形基板1的外側(cè)形成，且支撐件S被構(gòu)圖在穿通溝道50的外側(cè)。 與穿通溝道50的端部連續(xù)的、沿χ方向的一對(duì)穿通溝道40形成為將柔性梁FB構(gòu)圖在穿通 溝道40之間。配重件M被構(gòu)圖在支撐件S和柔性梁FB之間。柔性梁FB從三角形的底邊 中心朝向頂點(diǎn)延伸，且與配重件M連續(xù)。類似于第一實(shí)施例，半導(dǎo)體晶片區(qū)域能被有效地使 用。當(dāng)配重件被經(jīng)過柔性梁右端的y方向直線分開成在左側(cè)的第一部件和在右側(cè)的第二部 件時(shí)，構(gòu)成第一部件的一對(duì)第一部分Mla和Mlb具有相對(duì)于柔性梁FB的中心線成線對(duì)稱或 鏡像對(duì)稱的形狀，且第二部件M2也具有相對(duì)于柔性梁FB的中心線成線對(duì)稱或鏡像對(duì)稱的 形狀，類似于第一實(shí)施例。該修改例具有的特點(diǎn)是，配重件M的y方向的寬度朝向近端側(cè)線 性地增加，且重心G易于設(shè)置在三角形的底側(cè)上。在上述結(jié)構(gòu)中，配重件的每個(gè)角部形成直角或銳角。圖2B和2C顯示了配重件的角部被倒圓以便緩解撞擊時(shí)的沖擊的結(jié)構(gòu)。該修改例 可在必要時(shí)使用?？梢詢H一些角部被倒圓且其余角部可以不是倒圓的。圖4A到4E是解釋加速度傳感器的制造方法的截面圖。如圖4A所示，光致抗蝕劑圖案PRl形成在η型單晶硅基板1上，且ρ型摻雜離子 以高濃度注入到硅基板1的表面層上，以形成用作接觸區(qū)域C的低電阻部分60。例如，作為 P型摻雜物的硼(B)離子以2X102°/cm3的濃度注入。在光致抗蝕劑圖案PRl去除之后，執(zhí) 行退火(annealing)，以激活注入的ρ型摻雜物B。如圖4Β所示，新的光致抗蝕劑圖案PR2形成在硅基板1上，且摻雜物注入到硅基 板1的暴露在光致抗蝕劑圖案PR2開口中的表面層中，以形成壓電電阻器元件Rl到R4。例 如，B離子以2Χ 1018/cm3的濃度注入，光致抗蝕劑圖案PR2隨后被去除，且執(zhí)行退火來激活 P型摻雜物B。如圖4C所示，絕緣層11形成在硅基板1的表面上。光致抗蝕劑圖案PR3形成在 絕緣層11上，且絕緣層11被蝕刻以形成接觸孔HI。作為絕緣膜11，例如，具有Iym厚度 的SiO2膜或SixNy膜通過等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PE-CVD)形成。SiOx膜也可以通過低壓(LP)CVD形成。例如，接觸孔Hl通過使用CHF3W反應(yīng)離子蝕刻形成。光致抗蝕劑圖案 PR3隨后被去除。如圖4D所示，配線層形成在絕緣層11，且通過使用光致抗蝕劑圖案PR4，配線層被 蝕刻為構(gòu)圖出配線13和連結(jié)墊13。例如，0.6μπι厚的Al層用作配線層。具有300埃厚度 的Ti膜可在Al膜形成之前形成為粘結(jié)層。TiNx膜可以在Al膜形成之前形成為屏障金屬 層(barrier metal layer)。諸如AlSi和AlSiCu這樣的Al合金也可用于替代Al。在蝕 刻配線層的過程中，例如，采用使用Cl2氣體的反應(yīng)離子蝕刻。在配線層被蝕刻且配線13和 連結(jié)墊13形成之后，光致抗蝕劑圖案PR4被去除。鈍化層12形成為覆蓋絕緣膜11、配線13和連結(jié)墊13。通過使用光致抗蝕劑圖案， 鈍化層12被蝕刻以形成將連結(jié)墊13 (圖IF中的BP)露出的開口。光致抗蝕劑圖案隨后被 去除。在蝕刻鈍化層12時(shí)，采用使用CHF3的反應(yīng)離子蝕刻。如圖4E所示，具有用于形成穿通溝道的開口的光致抗蝕劑圖案PR5形成在鈍化層 12上。使用光致抗蝕劑圖案PR5，蝕刻鈍化層12、絕緣層11和硅基板1以形成穿通溝道(圖 1中的40、50)，且構(gòu)圖出支撐件S、柔性梁FB和配重件M。更具體地，例如，執(zhí)行使用CHF3的 反應(yīng)離子蝕刻來蝕刻鈍化層12和絕緣層11。接下來，通過深度RIE并通過使用作為掩模的 絕緣層11、鈍化層12和光致抗蝕劑圖案PR5來蝕刻硅基板1。對(duì)于深度RIE，使用Bosch方 法，其在短時(shí)間內(nèi)交替地重復(fù)通過C4F8進(jìn)行的保護(hù)過程和通過SF6等離子進(jìn)行的蝕刻過程。 在蝕刻完成之后，光致抗蝕劑圖案PR5被去除。通過這些過程，可以制造如圖IA到IF所示 的加速度傳感器。第二實(shí)施例圖5A和5B是顯示了第二實(shí)施例的加速度傳感器2的平面圖和橫截面圖。加速度 傳感器2具有兩個(gè)柔性梁FB 1和FB2，它們沿縱向方向平行并聯(lián)接配重件M和支撐件S。每 個(gè)柔性梁具有四個(gè)壓電電阻器(Rl到R4，R5到R8)，用于構(gòu)成橋接電路。每個(gè)柔性梁FB的 結(jié)構(gòu)類似于第一實(shí)施例的。半導(dǎo)體基板的層疊結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例是相同的。操作在配重件M沿y軸方向加速時(shí)，因?yàn)榕渲丶﨧經(jīng)由多個(gè)平行的柔性梁聯(lián)接到支撐 件S，所述柔性梁限制配重件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以配重件M沿y軸方向平移。柔性梁FB 1和 FB2由此基本以字母S形狀變形。類似于第一實(shí)施例，因此可以通過將在同一邊緣附近的壓 電電阻元件串序連接來構(gòu)成橋接電路。僅使用一層配線層。因?yàn)榭梢詫蓚€(gè)柔性梁的應(yīng)力 平均以得出加速度，所以可以改善S/N比例。制造方法壓電電阻器元件Rl到R4和R5到R8以及用作接觸區(qū)域的低電阻部分60形成基 于柔性梁FBl和FB2的位置和尺寸設(shè)計(jì)的位置處。光致抗蝕劑圖案PR5的開口被設(shè)計(jì)為用 于構(gòu)圖出第二實(shí)施例的柔性梁FBl和FB2、配重件M和支撐件S，以蝕刻硅基板1、絕緣層11 和鈍化層12。修改例圖6A、6B和6C是顯示了第二實(shí)施例修改例的平面圖。在圖6A到6C中僅繪制了 支撐件S、柔性梁FBl和FB2和配重件M(每條邊界通過虛線表示)。在圖6A所示的修改例 中，配重件M的左側(cè)朝向支撐件S突出。類似于第一實(shí)施例，由此可以增加配重件M的質(zhì)量
10并在有限的空間中延長出柔性梁FBl和F2。在圖6B所示的修改例中，兩個(gè)柔性梁FBl和FB2設(shè)置在比配重件M的上側(cè)和下側(cè) 更靠內(nèi)的位置處?？梢哉J(rèn)為這種結(jié)構(gòu)是通過形成兩套第一實(shí)施例中的柔性梁FB和配重件 M并將兩個(gè)配重件相結(jié)合而形成的。溝道的數(shù)目增加超過圖6A中配重件的數(shù)目，且配重件 側(cè)表面的面積增加，以使得能增強(qiáng)空氣緩沖效果。例如，特定頻率的振動(dòng)能被快速地衰減。在圖6C所示的實(shí)施例中，柔性梁FBl和FB2的寬度隨沿縱向方向的位置而改變。 在柔性梁FBl和FB2的端部處的寬度W5比在中心部分處的寬度W6小。因?yàn)榱ρ貀軸方向 施加到配重件M，因此易于在柔性梁FBl和FB2的端部中形成變形。本發(fā)明的公開范圍并不限于上述實(shí)施例。例如，實(shí)施例中所描述的材料、尺寸、形 狀、膜形成方法和圖案轉(zhuǎn)印(pattern transfer)方法僅是示例性的。上述加速度傳感器可 以通過以下制造方法制造。首先，絕緣層11形成在硅基板1的表面上，與接觸區(qū)域?qū)?yīng)的 開口穿過絕緣層11形成。光致抗蝕劑圖案形成在絕緣層11的表面上，該光致抗蝕劑圖案 具有與要被形成低電阻部分60和壓電電阻器Rx元件的區(qū)域?qū)?yīng)的開口。例如，B離子以允 許穿過絕緣層的加速度能量注入。例如，B離子以6X102°/cm3的濃度注入到接觸區(qū)域。壓 電電阻元件區(qū)域也可以被穿過絕緣層注入，且可具有2X 1018/cm3的濃度，因?yàn)橐恍╇x子會(huì) 被絕緣層擋住。電阻器元件Rx和低電阻區(qū)域60僅通過執(zhí)行一個(gè)雜質(zhì)注入過程形成。例如 形成配線部分13等的其他過程類可以似于上述實(shí)施例中的那些。盡管一個(gè)或兩個(gè)柔性梁用在第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中，但是可以使用三個(gè)或更 多的柔性梁。盡管設(shè)置在配重件一側(cè)上的多個(gè)懸臂式柔性梁用于第二實(shí)施例中，但是可以 使用沿縱向方向平行且設(shè)置在配重件兩相對(duì)側(cè)上且被支撐在支撐件的兩相對(duì)側(cè)上的多個(gè) 柔性梁。例如，相對(duì)于配重件M在矩形支撐件S內(nèi)，兩個(gè)柔性梁的每一個(gè)的一端連接到支撐 件S的、垂直于χ軸方向的兩個(gè)內(nèi)周表面每一個(gè)，且兩個(gè)柔性梁每一個(gè)的另一端連接到配重 件M的沿χ軸方向的兩相對(duì)端每一個(gè)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可以作出各種改變、替換、改進(jìn)和組合等。本申請基于2009年7月10日遞交的在先日本專利申請No. 2009-163621并要求 其優(yōu)先權(quán)，該申請的全部內(nèi)容通過引用合并于此。
權(quán)利要求
一種一維加速度傳感器，包括用具有恒定厚度的半導(dǎo)體基板制成的結(jié)構(gòu)，包括用半導(dǎo)體基板制成的支撐件，通過第一穿通溝道構(gòu)圖，除了設(shè)置在所述第一穿通溝道外側(cè)且設(shè)置有連結(jié)墊的部分以外，該第一穿通溝道延伸穿過所述半導(dǎo)體基板；柔性梁，通過與所述第一穿通溝道的兩相對(duì)端連續(xù)的一對(duì)第二穿通溝道構(gòu)圖，所述第二穿通溝道沿一個(gè)方向在所述支撐件內(nèi)延伸并穿過所述半導(dǎo)體基板，所述柔性梁具有比所述半導(dǎo)體基板的厚度小得多的寬度，所述柔性梁從所述支撐件的所述部分沿所述一個(gè)方向延伸到遠(yuǎn)端，且具有設(shè)置在所述柔性梁近側(cè)的兩個(gè)邊緣處以及設(shè)置在所述柔性梁遠(yuǎn)側(cè)的兩個(gè)邊緣處的四個(gè)壓電電阻器；和配重件，與所述柔性梁的遠(yuǎn)端連續(xù)，所述配重件通過所述第一穿通溝道和所述第二穿通溝道構(gòu)圖，所述配重件具有在所述支撐件內(nèi)的一對(duì)對(duì)稱的第一部分和與所述一對(duì)第一部分及所述柔性梁的遠(yuǎn)端聯(lián)接的第二部分，所述一對(duì)對(duì)稱的第一部分將所述柔性梁夾在它們之間，且所述配重件具有在柔性梁縱向中心線上的一位置處的重心，所述重心從所述柔性梁的所述遠(yuǎn)端朝向所述近側(cè)移動(dòng)；和配線，形成在所述半導(dǎo)體基板上方且用同一配線層制成，所述配線將四個(gè)壓電電阻器中的、在同一邊緣處的兩個(gè)壓電電阻器每一個(gè)串序連接，且所述配線將串序連接結(jié)構(gòu)中的相互連接點(diǎn)引導(dǎo)到所述連結(jié)墊、將遠(yuǎn)側(cè)上的兩個(gè)壓電電阻器的遠(yuǎn)端共同地引導(dǎo)到所述連結(jié)墊、和將近側(cè)上的兩個(gè)壓電電阻器的近端引到所述連結(jié)墊。
2.如權(quán)利要求1所述的單維加速傳感器，其中，所述柔性梁的寬度是所述半導(dǎo)體基板 厚度的1/20或更窄。
3.如權(quán)利要求2所述的單維加速傳感器，其中，所述柔性梁的寬度是從5μ m到30 μ m。
4.如權(quán)利要求3所述的單維加速傳感器，其中，所述柔性梁的寬度是從5μ m到20 μ m。
5.如權(quán)利要求1所述的單維加速傳感器，其中，所述半導(dǎo)體基板用η型硅制造，且所述 壓電電阻器用摻雜有硼的P型區(qū)域制造。
6.如權(quán)利要求5所述的單維加速傳感器，其中，所述壓電電阻器具有的寬度是從 1. 5 μ m到2. 0 μ m,且具有的長度是10 μ m或更長且比柔性梁的長度的一半短。
7.如權(quán)利要求6所述的單維加速傳感器，其中，所述壓電電阻器的長度是所述柔性梁 的長度的1/3或更短。
8.如權(quán)利要求7所述的單維加速傳感器，還包括ρ型的低電阻的接觸區(qū)域，該區(qū)域與所 述壓電電阻器每一個(gè)的兩相對(duì)端連續(xù)，且所述配線連接到所述接觸區(qū)域。
9.如權(quán)利要求1所述的單維加速傳感器，其中，所述半導(dǎo)體基板具有矩形平面形狀，且 所述柔性梁沿連接相對(duì)邊中心點(diǎn)的中心線設(shè)置。
10.如權(quán)利要求1所述的單維加速傳感器，其中，所述半導(dǎo)體基板具有等邊三角形平面 形狀，且所述柔性梁沿連接該等邊三角形的頂點(diǎn)和底邊中點(diǎn)的直線設(shè)置。
11.一種單維加速度傳感器，包括半導(dǎo)體基板，具有恒定的厚度；一對(duì)第二穿通溝道，穿過半導(dǎo)體基板的整個(gè)厚度形成在所述半導(dǎo)體基板中，且沿一個(gè) 方向平行地延伸以在它們之間限定出柔性梁，該柔性梁具有比所述半導(dǎo)體基板的厚度小得 多的寬度；四個(gè)壓電電阻器，形成在所述柔性梁的兩端區(qū)域上的兩邊緣處；第一穿通溝道，穿過半導(dǎo)體基板的整個(gè)厚度形成在所述半導(dǎo)體基板中且在一側(cè)與所述 第二穿通溝道的端部連續(xù)，以限定出與所述柔性梁的一端連續(xù)的配重件，該配重件具有一 對(duì)對(duì)稱的第一部分和與所述一對(duì)第一部分及柔性梁的所述一端聯(lián)接的第二部分，所述一對(duì) 對(duì)稱的第一部分將所述柔性梁夾在它們之間，且所述配重件具有在柔性梁的縱向中心線上 的一位置處的重心，該重心從所述柔性梁的所述一端朝向一相對(duì)端移動(dòng)；和配線，形成在所述柔性梁上方，且用同一配線層形成，所述配線串序連接四個(gè)壓電電阻 器中的同一邊緣處的兩個(gè)壓電電阻器每一個(gè)，并大致沿柔性梁的縱向方向引導(dǎo)串序連接結(jié) 構(gòu)的相互連接點(diǎn)并共同地引導(dǎo)配重件側(cè)上的兩個(gè)壓電電阻器的端部。
12.—種單維減速度傳感器，包括支撐件，用具有預(yù)定厚度的半導(dǎo)體基板制造，通過第一穿通溝道構(gòu)圖，除了沿設(shè)置在所 述溝道外側(cè)且設(shè)置有連結(jié)墊的所述基板一側(cè)的多個(gè)部分以外，該第一穿通溝道延伸穿過所 述半導(dǎo)體基板；多個(gè)柔性梁，通過多個(gè)成對(duì)的第二穿通溝道構(gòu)圖，所述多個(gè)成對(duì)的第二穿通溝道在所 述多個(gè)部分處與所述第一穿通溝道的兩相對(duì)端連續(xù)，所述第二穿通溝道沿一個(gè)方向在所述 支撐件內(nèi)延伸且穿過所述半導(dǎo)體基板，每個(gè)所述柔性梁具有比所述半導(dǎo)體基板的厚度小得 多的寬度，且沿所述一個(gè)方向從所述支撐件的所述部分延伸并具有設(shè)置在所述柔性梁近側(cè) 上的兩邊緣處以及所述柔性梁遠(yuǎn)側(cè)上的兩邊緣處的四個(gè)一組的壓電電阻器；和配重件，與所述多個(gè)柔性梁的遠(yuǎn)端連續(xù)，所述配重件通過所述第一穿通溝道和所述第 二穿通溝道構(gòu)圖，其中，該單維加速度傳感器還包括在所述半導(dǎo)體基板上方且通過同一配線層形成的配 線，所述配線將四個(gè)壓電電阻器中的同一邊緣處的兩個(gè)壓電電阻器每一個(gè)串序連接，將遠(yuǎn) 側(cè)上的兩個(gè)壓電電阻器的遠(yuǎn)端共同地連接，并將串序連接結(jié)構(gòu)的相互連接點(diǎn)、共同連接結(jié) 構(gòu)、和近側(cè)上的兩個(gè)壓電電阻器的近端部分引導(dǎo)到所述連結(jié)墊。
13.如權(quán)利要求12所述的單維加速度傳感器，其中，所述配重件具有第一部分和聯(lián)接 所述第一部分的第二部分，該第一部分在所述支撐件內(nèi)將所述柔性梁每一個(gè)包含在所述第 一部分之間。
全文摘要
一種單軸加速度傳感器，包括具有恒定厚度的半導(dǎo)體基板；穿過基板的平行的第二穿通溝道，該第二穿通溝道之間限定出柔性梁，第二穿通溝道具有比厚度小得多的寬度；四個(gè)壓電電阻器，形成在柔性梁的四個(gè)腳部區(qū)域處；穿過基板的第一穿通溝道，與第二穿通溝道的端部連續(xù)，以限定出與柔性梁的一端連續(xù)的配重件，該配重件包括將柔性梁夾在其間的一對(duì)對(duì)稱的第一部分和聯(lián)接到第二部分和柔性梁的一端的第二部分，且配重件具有的中心在柔性梁縱向中心線上的一中間位置處；一層配線，形成在柔性梁上方，將在同一邊緣處的壓電電阻器連接，并將相互連接點(diǎn)沿柔性梁的縱向方向引導(dǎo)。
文檔編號(hào)G01P15/09GK101949952SQ20101022759
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者服部敦夫, 松岡潤彌 申請人:雅馬哈株式會(huì)社