CN1721858A - 惯性传感器 - Google Patents

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Abstract

一种惯性传感器，诸如加速度传感器或回转仪，其通过调节重物部分在上限方向上的移动而具有优良的抗冲击性。该传感器包括传感器部分，该传感器部分具有固定部件、具有小于所述固定部件的高度的预定大小的高度的重物部分、和连接所述重物部分和所述固定部件的梁部分；板状第一止挡部分，其覆盖所述重物部分且连接到所述固定部件上，并与所述重物部分相隔预定大小的间隙；和平板状第二止挡部分，其通过一预定高度的***部连接到所述固定部件，该***部位于与第一止挡部分相对的一侧。

Description

惯性传感器
技术领域
本发明涉及一种惯性传感器，更具体地说，本发明涉及具有优良的抗冲击性的惯性传感器，诸如加速度传感器或回转仪。
背景技术
近年来，由于应用MEMS(微电机***)技术的微处理技术的发展，因此惯性传感器(例如加速度传感器或回转仪)同时实现了小型化、高性能和低成本。在这种环境下，希望将MEMS装置惯性传感器安装在需要运动感测的各种装置中，诸如用于车辆导航的装置，车用气囊控制装置，用于照相机、摄像机等的避免由于的手抖动而导致图像模糊的装置，蜂窝电话装置，机器人姿势控制装置，游戏手势(game gesture)输入识别装置，HDD转动和振动感测装置等。
此外，这种需要运动感测的装置有时会受到较大的意外振动，且因此安装在这种装置中的惯性传感器有受到大的振动的危险。例如，在诸如车用气囊的汽车配件中，在发生后端碰撞或车辆翻滚时，在正常操作中不会发生的较大振动可能会作用于惯性传感器，且在蜂窝电话或类似物的情况下，当蜂窝电话由于失误而掉落时会发生振动。此外，在娱乐设备(诸如游戏设备)的情况下，当使用者用力地操作该游戏设备时可能会发生非常大的振动。这种意外施加的偶然振动可能会达到3000G和5000G，因此安装在这种设备中的惯性传感器需要具有高的抗冲击性。
但是，惯性传感器的基本构造为其中一可移动的重量部分由一根梁悬挂。因此，已知的问题包括当偶然施加了较大振动时，该梁发生较大变形并损坏，因此丧失传感器功能。日本专利申请特开No.2000-187041公开了用于解决这个问题的一个发明。
日本专利申请特开No.2000-187041公开了一种电容式加速度传感器，在这种传感器中，缓冲材料设置在容纳有插设在它们之间的移动部件的绝缘保护罩上，该缓冲材料用作这样的设备：即使在所述移动部件和绝缘保护罩受到较大振动而发生碰撞的情况下也能防止由于振动而对该移动部件造成损坏。另外，由于设置了这种缓冲材料，因此可以获得这样的加速度传感器，该加速度传感器不会存在由于安装有该传感器的装置掉落对所述移动部件造成损坏而不能测量加速度的危险。
然而，日本专利申请特开No.2000-187041公开的加速度传感器是用于解决利用一种构造来承载加速度传感器的问题的发明，该构造中一重物4a通过一梁4c与连接玻璃基底6，7和硅基底1的面相平行地被可移动支撑(参见日本专利申请特开No.2000-187041，第0005段)。该加速度传感器也具有这样的构造，其中支撑重物4Aa的梁的宽度比厚度窄且难于使该重物4Aa朝向玻璃基底6A和7A移动(参见日本专利申请特开No.2000-187041，第0026段)，可移动部件可以在其中移动的空间被基本限制在与连接玻璃基底6，7和硅基底1的面相平行的二维空间中。
另外，获得了这样一种加速度传感器，该加速度传感器不存在由于其中安装有该加速度传感器的装置掉落对移动部件造成损坏、因而不能测量加速度的危险，这是因为在玻璃基底6A上的与重物4Aa的突起4Ab相对的表面中形成有大约15μm深的凹槽6Aa，且通过汽相淀积而沉积形成了大约5μm厚的铝层8用作缓冲材料，用于缓冲由于突起4Ab在凹槽6Aa的底面上碰撞而造成的振动(参见日本专利申请特开No.2000-187041，第0027段)。
也就是说，在玻璃基底的表面上设置缓冲材料，该缓冲材料构成由日本专利申请特开No.2000-187041公开的所述加速度传感器，在加速度传感器正常操作的过程中，移动部件在该表面上并不移动。因此，存在这样的问题，由于在正常操作过程中移动部件在三维空间中移动，因此不能在具有用于提供原始功能的构造的惯性传感器中应用该缓冲材料。
因此，本发明人首先提出这样一种构造，其也能提高包括可进行三维运动的移动部件的惯性传感器(诸如加速度传感器或回转仪)的抗冲击性(日本专利申请No.2004-099161)。
上述申请中所提出的构造如下，在包括感测部分的惯性传感器中(在该感测部分中，作为移动部件的重物部分由一梁支撑)，通过对感测部分的基底的一部分进行MEMS处理，把重物止挡部分设置成靠近该重物部分且与该重物部分相距预定间隙。
但是，因为在该构造的结构中，用于所述重物部分沿一个方向的移动的止挡部分是通过对感测部分的基底的一部分进行MEMS处理而形成的，而MEMS处理是复杂的，因此必须使感测部分基底变厚或使重物部分变窄，这对减少元件高度或提高检测灵敏度都是不利的。
发明内容
因此，鉴于上述问题而提出了本发明，本发明的一个目的是提供一种惯性传感器，其具有即使在惯性传感器(诸如加速度传感器或回转仪)包括能进行三维移动的移动部件的情况下也能增加抗冲击性的构造，且该构造能同时实现小型化和高度减小。
用于实现上述目的的根据本发明第一方面的惯性传感器是这样的惯性传感器，其包括：一传感器部分，该传感器部分具有固定部件、具有小于所述固定部件的高度的预定大小的高度的重物部分、和连接所述重物部分和所述固定部件的梁部分；板状第一止挡部分，其覆盖所述重物部分且连接到所述固定部件上，并与所述重物部分相隔预定大小的间隙；和平板状第二止挡部分，其通过预定高度的***部连接到所述固定部件，该***部位于与第一止挡部分相对的一侧。
用于实现上述目的的根据本发明第二方面的惯性传感器是根据所述第一方面的惯性传感器，其中将所述预定大小的高度和所述***部的预定高度设置在与动态范围相对应的重物部分的移动范围内或超出该范围。
用于实现上述目的的根据本发明第三方面的惯性传感器是根据所述第一方面或第二方面的惯性传感器，其中所述传感器部分的固定部件是框架部分，所述重物部分设置在该框架部分内，且框架部分、重物部分和连接所述重物部分与框架部分的梁部分一体形成。
用于实现上述目的的根据本发明第四方面的惯性传感器是根据所述第一方面或第二方面的惯性传感器，其中所述传感器部分的固定部件是中心轴，所述重物部分设置在该中心轴部的圆周上，且所述中心轴、重物部分和连接该重物部分和中心轴的梁部分一体形成。
用于实现上述目的的根据本发明第五方面的惯性传感器是根据所述第三方面或第四方面的惯性传感器，其中所述传感器部分的一体形成的固定部件、重物部分和梁部分通过MEMS处理由硅基底形成。
用于实现上述目的的根据本发明第六方面的惯性传感器是根据所述第一方面的惯性传感器，其中，所述传感器部分包括压阻元件，该压阻元件位于其中所述梁部分与所述固定部件和所述重物部分连接的所述梁部分的连接部中，且根据所述重物部分的移动而导致的阻值变化来检测多轴向的惯性。
另外，用于实现上述目的的根据本发明第七方面的惯性传感器是根据所述第一方面的惯性传感器，其中所述传感器部分是这样的，在重物部分的端面上形成第一电极并至少在第一止挡部分或第二止挡部分上形成与所述第一电极相对的第二电极；且根据由所述重物部分的移动所引起的第一电极和第二电极之间的电容变化来检测多轴向的惯性。
本发明在重物部分的两侧都设置了止挡部分，因此即使在所述重物部分向上和向下移动超过了与传感器的额定灵敏度范围相对应的位移量时，也能由重物止挡部分阻止移动。因此即使在被意外施加了较大振动的情况下，也能避免诸如由于所述梁发生较大变形所产生的损坏而导致传感器功能丧失的问题。
附图说明
图1A至1C是示出了感测部分的结构的原理示意图，感测部分是惯性传感器的主要部分；
图2A至2F示出了图1所示的感测部分的制造过程的示例，该感测部分构成了在本发明的惯性传感器中应用的实施例；
图3A至3D示出了在图2所示的步骤之后执行的感测部分制造过程的不例；
图4示出本发明的惯性传感器的第一实施例；
图5用于表示间隙设置的原理并示出了重物移动量(横轴)和作用在梁上的负载(纵轴)之间的关系；
图6是根据本发明的惯性传感器的第二实施例；
图7示出了事先形成间隙的方法；
图8示出了在所述感测部分的圆周处设置伪***部(dummy bump)的方面；和
图9示出了应用了本发明原理的另一实施例的构成。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施例。此外，所描述的实施例用于理解本发明，而不是限制本发明的技术范围。
作为根据本发明的惯性传感器的一个具体实施示例，通过MEMS技术将感测部分嵌入到硅基底中，且将该感测部分放置在诸如玻璃基底的支撑件上并密封在一壳体(package)中以形成为一个元件。
图1是示出了感测部分的结构的原理示意图，该感测部分构成了惯性传感器的主要部分。图1A是感测部分的立体图；图1B是感测部分的平面图；和图1C是感测部分安装在玻璃基底上的状态下的沿A-A的截面图。
在图1A和图1B中，作为用于制造惯性传感器的感测部分的基底的SOI基底10是这样构成的，其包括：框架部分14；通过后面将描述的工艺嵌入到SOI基底10中的压敏电阻器11；作为感测部分的移动部件的重物部分12；和连接所述重物部分12和框架部分14的梁13，该梁支撑所述重物部分12的移动。另外，如图1C所示，玻璃基底15固定在框架部分14上以支撑所述梁13并保持所述重物部分12，从而沿重物部分12的轴向与其一个端面相面对。
利用这种结构，当作为移动部件的重物部分12移动时，该移动转变成梁13的跳动和弯曲，且设置在梁13上的压敏电阻器11的电阻值发生变化，且通过使用惠斯登电桥电路将该电阻值的变化检测为电信号输出。此外，在图1中W是重物部分12和梁13之间的间隙，而w是梁的宽度，T是重物部分的厚度，t是梁的厚度。
这里，为了增大惯性传感器的抗冲击性，该惯性传感器具有其中重物部分12由梁13支撑的结构，可以考虑这样的方法：增加梁13的强度或通过减少由梁13支撑的重物部分12的重量而减轻作用在梁13上的机械载荷。
但是，抗冲击性与传感器灵敏度相互之间一般成反比，因此利用这种方法增大抗冲击性会导致传感器灵敏度下降。例如，通过增大梁13的厚度t，加大宽度w并缩短长度来增加梁13的机械强度意味着，重物部分12在正常操作过程中的运动不可避免地减慢且传感器灵敏度下降，从而设置在梁13上的压敏电阻器11的电阻值的变化量减小。
另外，当重物部分12的重量减小时，就会产生诸如传感器的灵敏度就会下降的结果。
为了实现避免出现上述问题并具有优良的抗冲击性的惯性传感器，本发明的惯性传感器具有第一重物止挡部分和第二重物止挡部分，用于将重物部分12的竖直移动范围限制为预定的范围。因此，当重物部分12移动至超出与传感器的额定灵敏度范围相对应的位移量时，由重物止挡部分阻止该移动。因此，即使在意外发生较大振动的情况下，也能避免由于梁的较大变形所致的损坏使传感器功能丧失的问题。
图2和图3用于说明图1中示出的传感器部分的制造过程的示例，该传感器部分构成了在本发明的惯性传感器应用的实施例。
这里所用的基底10是Si/SiO2/Si(＝10至20μm/1μm/500μm)分层基底，直径为4英寸(图2A)。基底10的主表面(10到20μm厚的硅表面)被氧化以形成氧化膜21，在该氧化膜21的预定部分中开有用于离子注入的窗口，且通过利用氧化膜21和涂覆在氧化膜21上的抗蚀剂(未示出)作为掩模而用硼(B)进行离子注入来形成B扩散区域，从而形成压敏电阻器11。
在形成压敏电阻器11之后进行800℃至1300℃(→1000℃)的热处理，且氧化膜21由于再次进行了热氧化而变成厚膜氧化膜22(图2B)。
接着，在氧化膜22的与压敏电阻器11的配线接触部分相对应的部分中开设窗口，然后进行用于接触修复的B离子注入23。然后在氮气环境中进行800至1300℃(→1000℃)的退火，以改善压敏电阻器泄漏的问题(图2C)。之后，通过DC磁控管溅射在整个表面上沉积有Al-Si合金膜，进行最小线宽为5μm的放大投影接触曝光(magnified-projectioncontact exposure)，和执行利用基于氯气的气体的活性离子蚀刻(RIE)进行构图，从而形成配线24(图2D)。
在为了保护配线24中的Al而通过TEOS源CVD(化学气相沉积)沉积了氧化膜25之后，通过使用CF4气体的RIE来开设引线接合焊盘窗口(图2E)。另外，通过在整个表面上沉积Au(300nm)/Ti(150nm)叠置膜并随后将该膜剥离而形成用于保护Al焊盘的图案26。
之后，处理过程进行到图3的处理过程，通过RIE将表面侧上的Si蚀刻到膜厚的程度，且通过成盒状的蚀刻而去除预定点处的SiO2(图3A)。在这个图中，如图1B的B-B截面图所示通过蚀刻去除的部分(成盒状去除的部分)和压敏电阻器部件被示出为组合在一起。
通过蚀刻氧化膜25、SOI基底10的主表面的Si层(10至20μm)和SiO2层(1μm)而形成梁13(图3B)。
在该梁形成之后，进行两侧对齐曝光(dual-sided alignment exposure)且利用RIE进行大约500μm的Si蚀刻以形成垂直度为90度±1度的重物部分12(图3C；在此阶段，获得了集成在图1所示的本发明的惯性传感器中的传感器部分)。
随后，图3D示出了根据本发明的第一重物止挡部分的形成。在形成第一重物止挡部分之前，利用H2SO4-H2O2混合物在阳极接合之前进行清洁。然后在玻璃部分15上设置膜厚为200nm的Cr层28，该玻璃部分15具有与Si基底相同的热膨胀系数，且传感器部分的框架部分14与玻璃部分15阳极接合。
在该阳极接合之后，在氮气环境下进行烧结。如图3D所示，上述步骤的结果是在SOI基底10上获得了大量通过粘结有板状玻璃部分15而形成的多个传感器部分，其中板状玻璃部分15构成第一重物止挡部分。之后，通过切割而将所述多个传感器部分分成个体。
这里，在图3D所示构成的情况下，在发生振动时，构成第一重物止挡部分的玻璃部分15可以对重物部分12的向下位移进行调节。另外，Cr层28用作缓冲材料，用于缓解在重物部分12撞击第一重物止挡部分时的冲击力。
但是，在图3D所示的构成中，不能调节重物部分12在与第一重物止挡部分相反的方向上的移动。
因此，本发明的特征在于其中还设有第二重物止挡部分的结构，该第二重物止挡部分用于调节重物部分12在与第一重物止挡部分相反的方向上的移动。
图4示出本发明的惯性传感器的第一实施例。传感器芯片在倒置之后设置在壳体101中，该传感器芯片是通过图2和图3所示的制造过程预先制造的，其上固定有被切割成独立部件的传感器部分100和将成为第一重物止挡部分的板状玻璃部分15。
因此，在图4中，与构成第一重物止挡部分的板状玻璃部分15相对的面通过硅基底16而放置在壳体101的底面上，该硅基底16用于构成以预定间隙相对设置的第二重物止挡部分。
构成第二重物止挡部分的硅基底16和以倒装法安装的传感器芯片在图4下方的圆圈中放大示出。也就是说，利用金属***部17来设置构成第二重物止挡部分的硅基底16与传感器芯片之间的间隙大小，该***部17与从形成在梁13上的压敏电阻器11导出的Al配线相连接。
硅基底16通过贯通配线17a与形成在硅基底16的上下表面上的电极焊盘17b和17c连接。此外，在壳体101的底部上形成外联用的引出电极18。
因此，传感器芯片通过金属***部17设置在硅基底16上，且当金属***部17也连接到壳体101的底部上时，形成了从压敏电阻器11至引出电极18的电连接。此外，当壳体被气密密封时，获得完整的惯性传感器。
如上所述，根据本发明的惯性传感器包括在重物部分12上方和下方的用于重物部分12的第一和第二重物止挡部分。因此，即使在所述重物部分向上和向下移动超出与传感器的额定灵敏度范围对应的位移量时，也可以通过所述重物止挡部分来阻止所述移动。因此，即使在意外作用较大振动的情况下，也能避免诸如由于梁的较大变形所致的损坏而使传感器功能丧失的问题。
这里，将检测在所述重物部分12与第一和第二重物止挡部分之间的间隔或间隙。如果在重物止挡部分和重物部分12之间的间隔(间隙)较窄，则抗冲击性提高而重物的移动范围减小，由此传感器的动态范围下降。另一方面，如果所述间隙变宽，则重物的移动范围较大且传感器的动态范围变宽。但是，当所述间隙过宽时，则会导致所述重物止挡部分不能有效地起作用且不能获得预期的抗冲击性。
因此，将本发明的惯性传感器中的传感器部分与重物止挡部分之间的间隙确定为同时满足传感器的动态范围和所需要的抗冲击性。
图5用于示出间隙设置的原理，并示出了重物位移量(横轴)与作用在所述梁上的负荷(纵轴)之间的关系。如果确定了如图5所示的传感器部分的动态范围的最大值和与抗冲击性规定相对应的重物位移量的范围，则满足这两个条件的重物位移量范围(即，等于或大于所述动态范围的最大值且处于或低于抗冲击性规定的范围)被称为间隙设置范围。
此外，优选地尽可能地减小所述间隙。这是出于这样的考虑，即当所述间隙比所需的更宽时，由于意外振动而开始运动的重物部分12在该重物部分12的运动被止挡部分限制之前在所述间隔距离上被大大加速，因此当撞击所述止挡部分时发生损坏。
因此，在图4中，在重物部分12和第一止挡部分之间的间隔以及重物部分12与第二止挡部分之间的间隔大小由图5所示的关系确定。此外，可以通过改变所述***部17的尺寸来调节重物部分12与第二止挡部分之间的间隔大小。
图6是根据本发明的惯性传感器的第二实施例。图6中所示的构造的特征在于，与图4所示的实施例的构造相比，组合所述传感器部分100与第一和第二止挡部分而形成的构造是倒置的且容纳在所述壳体101中。
也就是说，所述结构是这样的，构成第一重物止挡部分的玻璃基底15设置在壳体101的底面上。此外，构成第二重物止挡部分的硅基底16是IC电路基底。
对从根据本申请的压敏电阻器11处获得的检测信号进行处理的电路安装在IC电路基底上。贯通配线17d形成在框架部分14中用于连接壳体101外部的引出电极18。
在图6所示的第二实施例中，构成第二重物止挡部分的硅基底16形成为IC电路基底。因此，在图4的实施例中，放置在壳体101底部且构成第二重物止挡部分的硅基底16也可以形成IC电路基底。
这里，虽然在图4或图6的实施例中，在传感器部分100以倒装法安装有构成第二重物止挡部分的基底16的情况下，重物部分12与第二重物止挡部分之间的间隔调整被描述为是利用***部17的高度进行的调节，但是也可以利用合金密封材料来调节壳体间隙的高度。
在这种情况下，由于均匀地形成所述间隙比较困难，因此例如如图7所示的事先在止挡部分16的端部设置用于形成间隙的隔板34的方法是有效的。此外，为了使所述间隙一致，在只利用***部形成间隙的情况下，如图8所示，不仅在需要电连接的部分，而且在传感器部分100的框架14中设置用于实现大致均匀布置的接触***部17和伪***部17e的方法是有效的。此外，设置伪***部意味着可以产生增大连接强度的效果。
图9示出进一步应用本发明的原理的另一实施例的构造。上述实施例具有这样的构造，其中由于传感器部分100和连接重物部分12与框架部分14的梁一体形成，因此重物部分12设置在框架部分14内。但是，本发明的应用不限于这种构造或受这种构造的限制。
也就是说，图9所示的示例是围绕重物式传感器结构，其包括位于传感器部分100中心的固定中心轴14a和位于固定中心轴14a的圆周上的多个重物部分12a。
作为围绕重物方法，可获得应用了本发明的惯性传感器。由形成在梁13上的压敏电阻器11检测的信号通过形成在中心轴14a中的贯通电极17d被引导至中心轴14a的底部。
此外，通过基底16的贯通电极17a和焊盘电极17c将检测信号输出至外部，所述电极17a和17c通过***部17与形成在下基底16上的焊盘17b电连接。
在图9中，下基底16成为用于重物部分12a的第一重物止挡部分且上基底15用作第二重物止挡部分。利用第一重物止挡部分和第二重物止挡部分密封传感器部分100可获得实现本发明效果的惯性传感器。
本发明可以提供具有优良抗冲击性的惯性传感器，诸如加速度传感器或回转仪，该惯性传感器通过简单的结构调节重物部分12在上限方向上的移动。

Claims (7)

1、一种惯性传感器，其包括：
传感器部分，该传感器部分具有固定部件、具有小于所述固定部件的高度的预定大小的高度的重物部分、和连接所述重物部分与所述固定部件的梁部分；
板状第一止挡部分，其覆盖所述重物部分且连接到所述固定部件上，并与所述重物部分相隔预定大小的间隙；和
平板状第二止挡部分，其通过预定高度的***部连接到所述固定部件，该***部位于与第一止挡部分相对的一侧。
2、根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述预定大小的高度和所述***部的预定高度设置在与动态范围相对应的重物部分的移动范围内或超出该范围。
3、根据权利要求1或2所述的惯性传感器，其特征在于，所述传感器部分的固定部件是框架部分，所述重物部分设置在所述框架部分内，且框架部分、重物部分和连接重物部分与框架部分的梁部分一体形成。
4、根据权利要求1或2所述的惯性传感器，其特征在于，所述传感器部分的固定部件是中心轴，所述重物部分设置在该中心轴部的圆周上，且所述中心轴、重物部分和连接该重物部分与中心轴的梁部分一体形成。
5、根据权利要求3或4所述的惯性传感器，其特征在于，所述传感器部分的一体形成的固定部件、重物部分和梁部分通过微电机***处理由硅基底形成。
6、根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述传感器部分包括压阻元件，该压阻元件位于其中所述梁部分与所述固定部件和所述重物部分连接的所述梁部分的连接部中，且根据所述重物部分的移动而导致的阻值变化来检测多轴向的惯性。
7、根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述传感器部分是这样的，在重物部分的端面上形成第一电极并至少在第一止挡部分或第二止挡部分上形成与所述第一电极相对的第二电极；且根据由所述重物部分的移动引起的第一电极和第二电极之间的电容变化来检测多轴向的惯性。
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