CN101587131A - 加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高耐冲击力的加速度传感器，当向加速度传感器施加过度加速时，其不会被破坏，而是能够展现稳定的感应性能。加速度传感器由三层结构的SOI衬底11形成，所述三层结构包括硅层12(活性层硅)、二氧化硅层13和硅层14(衬底硅)。加速度传感器包括：框架部分23和27；多个梁部分22，梁部分从框架部分向内伸出；和由梁部分22支撑的重物部分21；以及设在梁部分2a的每一部分上的应变感应部分。梁部分22的每一部分的宽度W、梁部分22的每一部分的长度I以及框架部分23的内部框架长度L满足表达式(1)和(2)的下述关系：2＜L/I≤2.82 表达式(1)；I/W≤3.68 表达式(2)。

Description

加速度传感器
【相关申请的交叉参考引用】
本申请基于并要求2008年5月13日提交的在先日本专利申请第2008-125674号的优先权权益，该申请的全部内容以参考方式引用并入本文。
【技术领域】
本发明涉及一种加速度传感器，具体地涉及一种即使被施加过度加速时仍耐损的加速度传感器。
【背景技术】
最近由于使用了MEMS(Micro Electromechanical Systems，微电子机械***)技术的小型传感器的发展，用于感应加速度的传感器被用在各种仪器中，比如蜂窝电话或游戏机，或者以下回顾的其使用。例如，这种加速度传感器通过使用三层结构的SOI(Silicon On Insulator，硅绝缘体)晶片进行制备，该三层结构包括硅层、氧化硅层以及硅层。这种类型的传感器包括具有形成穿过SOI晶片的开口的框架，以及通过多个梁支撑在框架上的重物，当外力作用在重物上时，重物可被替代。当重物通过作用在其上的外力(加速度)被替代时，该替代被感知，从而测量加速度。(参见专利文献1和2。)通过感知替代将测量加速度的传感器分为压敏电阻型传感器，其中压敏电阻布置在梁上并对由梁的应变而致的电阻变化进行探测；以及电容型传感器，其中根据重物的替代探测电容变化。
[专利文献1]JP2003-329702A
[专利文献2]JP2004-144598A
在上述的加速度传感器中，存在这样的可能性，即当过度加速作用于重物时，梁被过度替代，这样就将梁和/或重物破坏了。为此，用于蜂窝电话等里面的加速度传感器需要具有抵抗3000G的耐冲击力。这是因为当加速度传感器由重力从一米高的位置跌向着木质板时，作用于具有100mm厚的木制板的冲击值为1500到2000G。
但是，鉴于其上安装有加速度传感器的仪器的广泛多样性，现在需要加速度传感器能够具有5000G或更高的耐冲击力，但是目前还没有获得这样的具有高耐冲击力的加速度传感器。
【发明内容】
本发明是鉴于上述情况而完成的。本发明的目的是提供一种具有高耐冲击力的加速度传感器，其在被施加过度加速时不会被破坏，然而能够稳定发挥传感性能。
本发明是由三层结构的SOI衬底形成的加速度传感器，该三层结构包括硅层(活性层)、氧化硅层以及硅层(衬底硅)，该加速度传感器包括：框架部分；多个梁部分，梁部分从框架部分向内伸出；以及由梁部分支撑的重物部分；其中：梁部分的每一部分设有应变(Strain)感应部分；以及梁部分的每一部分的宽度W，梁部分的每一部分的长度I和框架部分的内部框架长度L满足表达式(1)和(2)的下述关系：
2＜L/I≤2.82        表达式(1)
I/W≤3.68           表达式(2)
本发明为加速度传感器，其中I/W为3.1或者更大。
本发明为加速度传感器，其中L/I为2.4或者更大。
本发明为加速度传感器，其中梁部分的宽度从框架部分向着重物部分而不同，并且梁部分的每个梁的最小宽度被视为宽度W。
本发明为加速度传感器，其中梁部分的每部分的厚度介于3μm到10μm之间。
本发明为加速度传感器，其中重物部分包括：与梁部分形成整体的重物结合部分；和具有重物基部部分的重物，所述基部部分由重物结合部分支撑；和从重物基部部分向外伸出的突出部分；以及重物厚度介于300μm到800μm之间，并且突出部分和框架部分之间的间距介于70μm到110μm。
本发明为加速度传感器，其中重物部分包括：与梁部分形成整体的重物结合部分；和具有重物基部部分的重物，所述基部部分由重物结合部分支撑；和从重物基部部分向外伸出的突出部分；以及由所述一个框架部分和所述梁部分限定的窗口，每个窗口在其转角处设有停止器以用于限制突出部分的过度运动。
在本发明的加速度传感器中，梁部分的每一部分的宽度W、梁部分的每一部分的长度I以及框架部分的每一部分的内部框架长度L满足预定的关系。因而，即使当高达10000G的过度加速施加给加速度传感器时，能够可靠地防止梁部分和重力部分被损坏或者破坏。因而，产生了加速度传感器能够具有高可靠性的效果。除了该效果之外，当I/W的商数为3.1或者更大时，加速度传感器能够具有显著的卓越灵敏度，例如，0.3mV/g/v或者更大的灵敏度。
【附图说明】
图1是示出了本发明的加速度传感器一个实施方案的平面图。
图2是图1所示的加速度传感器沿着线A-A的剖视图。
图3是图1所示的加速度传感器沿着线B-B的剖视图。
图4是图1所示的加速度传感器的透视图。
图5是图1所示的加速度传感器的透视图，其中氧化硅层和硅层(衬底硅)彼此分开，并且支撑衬底和硅层(衬底硅)相互分开。
图6(A)到图6(D)是用于解释梁部分的形状的视图。
图7是示出了本发明的加速度传感器另一个实施方案的平面图。
图8(A)到图8(C)是示出了用于本发明的加速度传感器的制备步骤的一个实施例的视图。
【具体实施方式】
下面将参考附图描述本发明的具体实施方案。
图1是示出了本发明的加速度传感器一个实施方案的平面图。图2是图1所示的传感器沿着线A-A的剖视图。图3是图1所示的传感器沿着线B-B的剖视图。图1到图3，加速度传感器1包括传感器主体2，和结合至传感器主体2的支撑衬底3。传感器主体2由三层结构的SOI(Silicon On Insulator，硅绝缘体)衬底11形成，其中氧化硅层13***硅层12(活性层硅)和硅层14(衬底硅)之间。传感器主体2包括：框架部分23和27；多个(例如，相同形状的四个梁部分22)从框架部分23和27向内突出的梁部分22；以及由梁部分22支撑的重物部分21。图4是图1所示的加速度传感器的透视图。图5是图1所示的加速度传感器的透视图，其中氧化硅层13和硅层14(衬底硅)彼此分开，并且支撑衬底3和硅层14(衬底硅)相互分开。
如图1到5所示，构成传感器主体2的硅层12限定构成重物部分21的重物结合部分24、用于支撑重物结合部分24的四个梁部分22、框架部分23以及分别由梁部分22和框架部分23包围的四个窗口25。将压敏电阻用作应变感应部分29布置在四个梁部分22上。应变感应部分29设有四个配置为感应X轴方向的外力的压敏电阻29x，四个配置为感应Y轴方向的外力的压敏电阻29y，以及四个配置为感应Z轴方向的外力的压敏电阻29z。四个压敏电阻沿着各自轴方向相互连接，从而实现桥式电路。
构成传感器主体2的硅层14(衬底硅)限定构成重物部分21的重物26，并且框架部分27绕着在其间具有开口的重物26进行定位。重物26的厚度小于框架27的厚度。重物26包括基部部分26A和四个突出部分26B，该突出部分26B从基部部分26A伸向十字型梁部分22之间(朝向窗口部分25)的空间。重物26的基部部分26A通过氧化硅层13结合至硅层12(活性层硅)的重物结合部分24。换句话说，重物部分21由重物结合部分24和重物26构成。
构成加速度传感器1的支撑衬底3可以由例如玻璃板、硅板、SUS(硅单向开关)板、包括例如殷刚(铁36％的镍合金)的金属板以及绝缘树脂板制成。支撑衬底3的厚度可以适宜设置在大约50μm到大约1000μm的范围。在不提供支撑衬底3的情况下，本发明的加速度传感器可以仅由传感器主体2构成。在这种情况下，加速度传感器直接安装在用于封装的衬底上。
在加速度传感器1中，当沿着X轴、Y轴或Z轴(参见图1)方向在由四个梁部分22支撑的重物部分21上施加外力时，重物部分21被移置(displaced)。该移置压使梁部分22发生应变，从而通过应变感应部分(压敏电阻)29感应到作用在重物部分21上的外力。
在本发明中，梁部分22的每一部分的宽度W、梁部分22的每一部分的长度I以及框架部分23的每一部分的内部框架长度L有必要满足表达式(1)和(2)的下述关系。因而，即使当高达10000G的过度加速作用时，能够可靠地防止梁部分22和重物部分21被损坏或者破坏，从而能够提高加速度传感器1的可靠性。
2＜L/I≤2.82    表达式(1)
I/W≤3.68       表达式(2)
当L/I的商数超过2.82时，或者当I/W的商数超过3.68时，不能够获得抵抗10000G的卓越的耐冲击力。因为由梁部分22支撑的重物结合部分24的出现，L/I的商数必然大于2。优选地，L/I的商数为2.4或更大。
在附图中，尽管梁部分22的每一部分具有相同的宽度，但是本发明不受此限制。例如，如图6(A)到6(D)所示，梁部分22可以具有区域宽度被加宽的(图(A)到6(C))形状，该区域宽度被结合至框架部分23。可选地，梁部分22可以具有中间区域的宽度被加宽(图6(D)的形状。当梁部分22的宽度不相同时，梁部分22的宽度W被视为梁部分22的最小宽度。
此外，在本发明中，为了提供卓越的灵敏度，例如0.3mV/g/v或者更大的灵敏度，商数I/W优选地为3.10或者更大。
此外，在本发明中，优选地是：梁部分22的厚度处于3μm到10μm的范围内，构成重物部分21的重物26的厚度T处于300μm到800μm之间，以及重物26的突出部分26B和框架部分27之间的间距S为70μm或者更大。
加速度传感器的上述实施方案仅是示例性的描述，并且本发明不限于此。例如，如图7所示，分别由梁部分22和框架部分23包围的四个窗口部分25可以与由硅层12(活性层硅)形成的停止器28一起设在其转角处。在该实施方案中，当过度加速作用于重物26时，重物26的突出部分26B与停止器28接触，从而能够防止梁部分22的过度移置。
图8是示出了本发明的用于加速度传感器的制备过程的实施例，其中上述加速度传感器1的传感器主体2通过实施例进行制备。图8示出了相应于图3所示的截面形状的部分。
在图8中，包括硅层12(活性层硅)、氧化硅层13和硅层14(衬底硅)的三层结构的SOI晶片11′经受多面处理。首先，用于形成梁部分22、框架23和重物结合部分24的区域在每个强迫处理(imposition process)中进行设置，并且将应变感应部分29形成于硅层12(活性层硅)的预定位置以便通过热扩散方法或者离子实现方法将该应变感应部分29形成在梁部分22中。随后，用于形成梁部分22、框架部分23和重物结合部分24的凹槽16形成于硅层12(活性层硅)中，并且用于设置重物26厚度的凹部17形成于硅层14(衬底硅)(图8(A))中。凹槽16和凹部17通过DRIE(Deep Reactive Ion Ethching，深度反应离子刻蚀)方法经过掩模图案进行刻蚀，该DRIE方法是使用等离子体的干法刻蚀方法。可选地，凹槽16和凹部17可以通过喷砂方法、湿法刻蚀方法或者飞秒激光方法形成。
随后，在每个强迫处理中，将开口18从SOI晶片11′的硅层14(衬底硅)一侧(凹部17侧)钻穿掩模图案31直到露出氧化硅层13，从而形成重物26(基部部分26A和突出部分26B)和框架部分27。因此，氧化硅层13曝露给开口18，并且将凹槽16去除(图8(C))。因而，能够获得传感器主体2。开口18通过DRIE方法被刻蚀穿过掩模图案31。此外，例如当去除氧化硅层13时，可以采用使用反应气体的干法刻蚀方法。形成掩模图案31的方法没有被具体限制。例如，掩模图案31可以通过使用光敏抗蚀剂的光刻法形成，或者可以通过激光光束直接在树脂层上或者金属层上绘制图案形成。
因而，将支撑衬底3结合至传感器主体2，从而能够获得加速度传感器1。通过阳极键合、直接键合、熔融键合或者粘接键合将传感器主体2和支撑衬底3相互结合在一起。
实施例
下面，通过示出的实施例更加详细地描述本发明。
制备的三层结构的SOI晶片包括5μm厚的硅层(活性层硅)、2μm厚的氧化硅层和718μm厚的硅层(衬底硅)。随后SOI晶片经受多面处理。换句话说，在每个强迫处理中，用于形成梁部分、框架部分和重物结合部分的凹槽通过DRIE方法形成在硅层(活性硅层)中。梁部分的每一部分的宽度W值、梁部分的每一部分的长度I、框架部分每一部分的内部框架长度L、商数L/I以及商数I/W被设置为如表1所示的值。随后，5μm深的凹部通过RIE方法(参见，图8(A))形成在硅层(衬底硅)上。
随后，将开口从SOI晶片的硅层(衬底硅)一侧(凹部侧)通过DRIE方法钻穿掩模图案直到露出氧化硅，从而形成(参见图8(B))重物(基部部分和四个突出部分)和框架部分。从而形成的重物厚度为713μm，重物部分和梁部分之间的间距为10μm，并且重物和框架部分的突出部分的间距介于70μm到110μm之间。
随后，通过使用反应气体(见图8(C))的干法刻蚀方法将曝露给开口的氧化硅层和凹槽进行去除。因而，获得传感器主体，它具有5μm厚的梁部分。因此，支撑衬底(Pyrex(注册商标)玻璃)通过阳极键合结合至传感器主体，从而制备出加速度传感器(样品1)。
此外，加速度传感器(样品2到9)按照与上述样品1同样的方法进行制备，但是梁部分的每一部分的宽度W、梁部分的每一部分的长度I、框架部分的每一部分的内部框架长度L、商数L/I以及商数I/W被设置为如表1所示的值。
在这种方式中，共有制备的九种类型的加速度传感器(样品1到样品9)，每一种类型的传感器是50个单元。随后，通过将10000G的冲击力沿着Z轴方向作用在这些加速度传感器上，同时使用冲击测试仪(由AVEX公司制造，SM-10-MP)对其进行冲击测试。对已经经受这些测试的加速度传感器通过显微镜进行观察，并且基于下面的标准进行评价。表1示出了冲击测试结果。
<用于冲击测试的评价标准>
○：梁部分和重物部分均没有裂开和/或被破坏。
×：梁部分和重物部分至少一种裂开和/或被破坏。
[表1]
加速度传感器 内部框架长度(L)(μm)   梁部分宽度(W)(μm) 梁部分长度(I)(μm) L/I I/W 冲击测试结果
  样品1   790   80   294   2.69   3.68   ○
  样品2   790   90   290   2.72   3.22   ○
  样品3   790   90   280   2.72   3.11   ○
  样品4   790   100   285   2.77   2.85   ○
  样品5   790   110   280   2.82   2.55   ○
  样品6   790   70   275   2.87   3.93   ×
  样品7   1000   120   335   2.99   2.79   ×
  样品8   790   75   284   2.78   3.79   ×
  样品9   790   90   275   2.87   3.05   ×
表1明显地示出了不满足表达式(1)和(2)任何一个的加速度传感器不具备抵抗10000G的耐冲击力。
此外，按照下面描述的情形对具有卓越耐冲击力的加速度传感器(样品1到4)的四种类型的灵敏度进行测量。结果为：商数I/W为3.1或者更高(样品1：I/W＝3.68；样品2：I/W＝3.22；以及样品3：I/W＝3.11)的样品1到3具有0.3mV/g/V或者更大的灵敏度(样品1＝0.44mV/g/V，样品2＝0.32mV/g/V，样品3＝0.31mV/g/V)。但是，商数I/W小于3.1(I/W＝2.8)的样品4具有0.24mV/g/V的灵敏度。
(灵敏度的测量条件)
将加速度传感器安装在旋转杆的一端。随后，当给连接于应变感应部分的桥式电路施加电压时，杆被旋转。在这种状态下，计算输出电压(mv)相对于加速度(g)的趋势，从而测量加速度传感器的灵敏度。
本发明能够应用于需要具有高可靠性的小尺寸加速度传感器的各种领域。

Claims (7)

1、一种由三层结构的SOI衬底形成的加速度传感器，所述三层结构包括硅层(活性层硅)、氧化硅层和硅层(衬底硅)，所述加速度传感器包括：
框架部分；
多个梁部分，所述梁部分从所述框架部分向内伸出；以及
由所述梁部分支撑的重物部分；
其中：
所述梁部分的每一部分设有应变感应部分；以及
所述梁部分的每一部分的宽度W、所述梁部分的每一部分的长度I和所述框架部分的内部框架长度L满足表达式(1)和(2)的下述关系：
2＜L/I≤2.82     表达式(1)
I/W≤3.68        表达式(2)。
2、根据权利要求1所述加速度传感器，其中，I/W为3.1或者更大。
3、根据权利要求1所述加速度传感器，其中，L/I为2.4或者更大。
4、根据权利要求1所述加速度传感器，其中，所述梁部分的每一部分的宽度不同于所述框架部分朝向所述重物部分，并且所述梁部分的每一部分的最小宽度被视为所述宽度W。
5、根据权利要求1所述加速度传感器，其中，所述梁部分的每一部分的厚度t介于3μm到10μm之间。
6、根据权利要求5所述加速度传感器，其中，所述重物部分包括：与所述梁部分形成整体的重物结合部分；且所述重物具有由所述重物结合部分支撑的重物基部部分，以及从所述重物基部部分向外伸出的的突出部分；且所述重物的厚度介于300μm到800μm之间，并且所述突出部分和所述框架部分之间的间距介于70μm到110μm之间。
7、根据权利要求1所述加速度传感器，其中，所述重物部分包括：与所述梁部分形成整体的重物结合部分；且重物具有由所述重物结合部分支撑的重物基部部分，以及从所述重物基部部分向外伸出的的突出部分；并且窗口由所述一个框架部分和所述梁部分进行限定，每个所述窗口于其拐角部分设有停止器以用于限制所述突出部分的过度运动。
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