專利名稱：慣性傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種慣性傳感器，更具體地說，本發明涉及具有優良的抗沖擊性的慣性傳感器，諸如加速度傳感器或回轉儀。
背景技術：
近年來，由于應用MEMS(微電機系統)技術的微處理技術的發展，因此慣性傳感器(例如加速度傳感器或回轉儀)同時實現了小型化、高性能和低成本。在這種環境下，希望將MEMS裝置慣性傳感器安裝在需要運動感測的各種裝置中，諸如用于車輛導航的裝置，車用氣囊控制裝置，用于照相機、攝像機等的避免由于的手抖動而導致圖像模糊的裝置，蜂窩電話裝置，機器人姿勢控制裝置，游戲手勢(game gesture)輸入識別裝置，HDD轉動和振動感測裝置等。
此外，這種需要運動感測的裝置有時會受到較大的意外振動，且因此安裝在這種裝置中的慣性傳感器有受到大的振動的危險。例如，在諸如車用氣囊的汽車配件中，在發生后端碰撞或車輛翻滾時，在正常操作中不會發生的較大振動可能會作用于慣性傳感器，且在蜂窩電話或類似物的情況下，當蜂窩電話由于失誤而掉落時會發生振動。此外，在娛樂設備(諸如游戲設備)的情況下，當使用者用力地操作該游戲設備時可能會發生非常大的振動。這種意外施加的偶然振動可能會達到3000G和5000G，因此安裝在這種設備中的慣性傳感器需要具有高的抗沖擊性。
但是，慣性傳感器的基本構造為其中一可移動的重量部分由一根梁懸掛。因此，已知的問題包括當偶然施加了較大振動時，該梁發生較大變形并損壞，因此喪失傳感器功能。日本專利申請特開No.2000-187041公開了用于解決這個問題的一個發明。
日本專利申請特開No.2000-187041公開了一種電容式加速度傳感器，在這種傳感器中，緩沖材料設置在容納有插設在它們之間的移動部件的絕緣保護罩上，該緩沖材料用作這樣的設備即使在所述移動部件和絕緣保護罩受到較大振動而發生碰撞的情況下也能防止由于振動而對該移動部件造成損壞。另外，由于設置了這種緩沖材料，因此可以獲得這樣的加速度傳感器，該加速度傳感器不會存在由于安裝有該傳感器的裝置掉落對所述移動部件造成損壞而不能測量加速度的危險。
然而，日本專利申請特開No.2000-187041公開的加速度傳感器是用于解決利用一種構造來承載加速度傳感器的問題的發明，該構造中一重物4a通過一梁4c與連接玻璃基底6，7和硅基底1的面相平行地被可移動支撐(參見日本專利申請特開No.2000-187041，第0005段)。該加速度傳感器也具有這樣的構造，其中支撐重物4Aa的梁的寬度比厚度窄且難于使該重物4Aa朝向玻璃基底6A和7A移動(參見日本專利申請特開No.2000-187041，第0026段)，可移動部件可以在其中移動的空間被基本限制在與連接玻璃基底6，7和硅基底1的面相平行的二維空間中。
另外，獲得了這樣一種加速度傳感器，該加速度傳感器不存在由于其中安裝有該加速度傳感器的裝置掉落對移動部件造成損壞、因而不能測量加速度的危險，這是因為在玻璃基底6A上的與重物4Aa的突起4Ab相對的表面中形成有大約15μm深的凹槽6Aa，且通過汽相淀積而沉積形成了大約5μm厚的鋁層8用作緩沖材料，用于緩沖由于突起4Ab在凹槽6Aa的底面上碰撞而造成的振動(參見日本專利申請特開No.2000-187041，第0027段)。
也就是說，在玻璃基底的表面上設置緩沖材料，該緩沖材料構成由日本專利申請特開No.2000-187041公開的所述加速度傳感器，在加速度傳感器正常操作的過程中，移動部件在該表面上并不移動。因此，存在這樣的問題，由于在正常操作過程中移動部件在三維空間中移動，因此不能在具有用于提供原始功能的構造的慣性傳感器中應用該緩沖材料。
因此，本發明人首先提出這樣一種構造，其也能提高包括可進行三維運動的移動部件的慣性傳感器(諸如加速度傳感器或回轉儀)的抗沖擊性(日本專利申請No.2004-099161)。
上述申請中所提出的構造如下，在包括感測部分的慣性傳感器中(在該感測部分中，作為移動部件的重物部分由一梁支撐)，通過對感測部分的基底的一部分進行MEMS處理，把重物止擋部分設置成靠近該重物部分且與該重物部分相距預定間隙。
但是，因為在該構造的結構中，用于所述重物部分沿一個方向的移動的止擋部分是通過對感測部分的基底的一部分進行MEMS處理而形成的，而MEMS處理是復雜的，因此必須使感測部分基底變厚或使重物部分變窄，這對減少元件高度或提高檢測靈敏度都是不利的。
發明內容
因此，鑒于上述問題而提出了本發明，本發明的一個目的是提供一種慣性傳感器，其具有即使在慣性傳感器(諸如加速度傳感器或回轉儀)包括能進行三維移動的移動部件的情況下也能增加抗沖擊性的構造，且該構造能同時實現小型化和高度減小。
用于實現上述目的的根據本發明第一方面的慣性傳感器是這樣的慣性傳感器，其包括一傳感器部分，該傳感器部分具有固定部件、具有小于所述固定部件的高度的預定大小的高度的重物部分、和連接所述重物部分和所述固定部件的梁部分；板狀第一止擋部分，其覆蓋所述重物部分且連接到所述固定部件上，并與所述重物部分相隔預定大小的間隙；和平板狀第二止擋部分，其通過預定高度的隆起部連接到所述固定部件，該隆起部位于與第一止擋部分相對的一側。
用于實現上述目的的根據本發明第二方面的慣性傳感器是根據所述第一方面的慣性傳感器，其中將所述預定大小的高度和所述隆起部的預定高度設置在與動態范圍相對應的重物部分的移動范圍內或超出該范圍。
用于實現上述目的的根據本發明第三方面的慣性傳感器是根據所述第一方面或第二方面的慣性傳感器，其中所述傳感器部分的固定部件是框架部分，所述重物部分設置在該框架部分內，且框架部分、重物部分和連接所述重物部分與框架部分的梁部分一體形成。
用于實現上述目的的根據本發明第四方面的慣性傳感器是根據所述第一方面或第二方面的慣性傳感器，其中所述傳感器部分的固定部件是中心軸，所述重物部分設置在該中心軸部的圓周上，且所述中心軸、重物部分和連接該重物部分和中心軸的梁部分一體形成。
用于實現上述目的的根據本發明第五方面的慣性傳感器是根據所述第三方面或第四方面的慣性傳感器，其中所述傳感器部分的一體形成的固定部件、重物部分和梁部分通過MEMS處理由硅基底形成。
用于實現上述目的的根據本發明第六方面的慣性傳感器是根據所述第一方面的慣性傳感器，其中，所述傳感器部分包括壓阻元件，該壓阻元件位于其中所述梁部分與所述固定部件和所述重物部分連接的所述梁部分的連接部中，且根據所述重物部分的移動而導致的阻值變化來檢測多軸向的慣性。
另外，用于實現上述目的的根據本發明第七方面的慣性傳感器是根據所述第一方面的慣性傳感器，其中所述傳感器部分是這樣的，在重物部分的端面上形成第一電極并至少在第一止擋部分或第二止擋部分上形成與所述第一電極相對的第二電極；且根據由所述重物部分的移動所引起的第一電極和第二電極之間的電容變化來檢測多軸向的慣性。
本發明在重物部分的兩側都設置了止擋部分，因此即使在所述重物部分向上和向下移動超過了與傳感器的額定靈敏度范圍相對應的位移量時，也能由重物止擋部分阻止移動。因此即使在被意外施加了較大振動的情況下，也能避免諸如由于所述梁發生較大變形所產生的損壞而導致傳感器功能喪失的問題。
圖1A至1C是示出了感測部分的結構的原理示意圖，感測部分是慣性傳感器的主要部分；圖2A至2F示出了圖1所示的感測部分的制造過程的示例，該感測部分構成了在本發明的慣性傳感器中應用的實施例；圖3A至3D示出了在圖2所示的步驟之后執行的感測部分制造過程的不例；圖4示出本發明的慣性傳感器的第一實施例；圖5用于表示間隙設置的原理并示出了重物移動量(橫軸)和作用在梁上的負載(縱軸)之間的關系；圖6是根據本發明的慣性傳感器的第二實施例；圖7示出了事先形成間隙的方法；圖8示出了在所述感測部分的圓周處設置偽隆起部(dummy bump)的方面；和圖9示出了應用了本發明原理的另一實施例的構成。
具體實施例方式
下面將參照附圖詳細描述本發明的優選實施例。此外，所描述的實施例用于理解本發明，而不是限制本發明的技術范圍。
作為根據本發明的慣性傳感器的一個具體實施示例，通過MEMS技術將感測部分嵌入到硅基底中，且將該感測部分放置在諸如玻璃基底的支撐件上并密封在一殼體(package)中以形成為一個元件。
圖1是示出了感測部分的結構的原理示意圖，該感測部分構成了慣性傳感器的主要部分。圖1A是感測部分的立體圖；圖1B是感測部分的平面圖；和圖1C是感測部分安裝在玻璃基底上的狀態下的沿A-A的截面圖。
在圖1A和圖1B中，作為用于制造慣性傳感器的感測部分的基底的SOI基底10是這樣構成的，其包括框架部分14；通過后面將描述的工藝嵌入到SOI基底10中的壓敏電阻器11；作為感測部分的移動部件的重物部分12；和連接所述重物部分12和框架部分14的梁13，該梁支撐所述重物部分12的移動。另外，如圖1C所示，玻璃基底15固定在框架部分14上以支撐所述梁13并保持所述重物部分12，從而沿重物部分12的軸向與其一個端面相面對。
利用這種結構，當作為移動部件的重物部分12移動時，該移動轉變成梁13的跳動和彎曲，且設置在梁13上的壓敏電阻器11的電阻值發生變化，且通過使用惠斯登電橋電路將該電阻值的變化檢測為電信號輸出。此外，在圖1中W是重物部分12和梁13之間的間隙，而w是梁的寬度，T是重物部分的厚度，t是梁的厚度。
這里，為了增大慣性傳感器的抗沖擊性，該慣性傳感器具有其中重物部分12由梁13支撐的結構，可以考慮這樣的方法增加梁13的強度或通過減少由梁13支撐的重物部分12的重量而減輕作用在梁13上的機械載荷。
但是，抗沖擊性與傳感器靈敏度相互之間一般成反比，因此利用這種方法增大抗沖擊性會導致傳感器靈敏度下降。例如，通過增大梁13的厚度t，加大寬度w并縮短長度來增加梁13的機械強度意味著，重物部分12在正常操作過程中的運動不可避免地減慢且傳感器靈敏度下降，從而設置在梁13上的壓敏電阻器11的電阻值的變化量減小。
另外，當重物部分12的重量減小時，就會產生諸如傳感器的靈敏度就會下降的結果。
為了實現避免出現上述問題并具有優良的抗沖擊性的慣性傳感器，本發明的慣性傳感器具有第一重物止擋部分和第二重物止擋部分，用于將重物部分12的豎直移動范圍限制為預定的范圍。因此，當重物部分12移動至超出與傳感器的額定靈敏度范圍相對應的位移量時，由重物止擋部分阻止該移動。因此，即使在意外發生較大振動的情況下，也能避免由于梁的較大變形所致的損壞使傳感器功能喪失的問題。
圖2和圖3用于說明圖1中示出的傳感器部分的制造過程的示例，該傳感器部分構成了在本發明的慣性傳感器應用的實施例。
這里所用的基底10是Si/SiO2/Si(＝10至20μm/1μm/500μm)分層基底，直徑為4英寸(圖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，在該氧化膜21的預定部分中開有用于離子注入的窗口，且通過利用氧化膜21和涂覆在氧化膜21上的抗蝕劑(未示出)作為掩模而用硼(B)進行離子注入來形成B擴散區域，從而形成壓敏電阻器11。
在形成壓敏電阻器11之后進行800℃至1300℃(→1000℃)的熱處理，且氧化膜21由于再次進行了熱氧化而變成厚膜氧化膜22(圖2B)。
接著，在氧化膜22的與壓敏電阻器11的配線接觸部分相對應的部分中開設窗口，然后進行用于接觸修復的B離子注入23。然后在氮氣環境中進行800至1300℃(→1000℃)的退火，以改善壓敏電阻器泄漏的問題(圖2C)。之后，通過DC磁控管濺射在整個表面上沉積有Al-Si合金膜，進行最小線寬為5μm的放大投影接觸曝光(magnified-projectioncontact exposure)，和執行利用基于氯氣的氣體的活性離子蝕刻(RIE)進行構圖，從而形成配線24(圖2D)。
在為了保護配線24中的Al而通過TEOS源CVD(化學氣相沉積)沉積了氧化膜25之后，通過使用CF4氣體的RIE來開設引線接合焊盤窗口(圖2E)。另外，通過在整個表面上沉積Au(300nm)/Ti(150nm)疊置膜并隨后將該膜剝離而形成用于保護Al焊盤的圖案26。
之后，處理過程進行到圖3的處理過程，通過RIE將表面側上的Si蝕刻到膜厚的程度，且通過成盒狀的蝕刻而去除預定點處的SiO2(圖3A)。在這個圖中，如圖1B的B-B截面圖所示通過蝕刻去除的部分(成盒狀去除的部分)和壓敏電阻器部件被示出為組合在一起。
通過蝕刻氧化膜25、SOI基底10的主表面的Si層(10至20μm)和SiO2層(1μm)而形成梁13(圖3B)。
在該梁形成之后，進行兩側對齊曝光(dual-sided alignment exposure)且利用RIE進行大約500μm的Si蝕刻以形成垂直度為90度±1度的重物部分12(圖3C；在此階段，獲得了集成在圖1所示的本發明的慣性傳感器中的傳感器部分)。
隨后，圖3D示出了根據本發明的第一重物止擋部分的形成。在形成第一重物止擋部分之前，利用H2SO4-H2O2混合物在陽極接合之前進行清潔。然后在玻璃部分15上設置膜厚為200nm的Cr層28，該玻璃部分15具有與Si基底相同的熱膨脹系數，且傳感器部分的框架部分14與玻璃部分15陽極接合。
在該陽極接合之后，在氮氣環境下進行燒結。如圖3D所示，上述步驟的結果是在SOI基底10上獲得了大量通過粘結有板狀玻璃部分15而形成的多個傳感器部分，其中板狀玻璃部分15構成第一重物止擋部分。之后，通過切割而將所述多個傳感器部分分成個體。
這里，在圖3D所示構成的情況下，在發生振動時，構成第一重物止擋部分的玻璃部分15可以對重物部分12的向下位移進行調節。另外，Cr層28用作緩沖材料，用于緩解在重物部分12撞擊第一重物止擋部分時的沖擊力。
但是，在圖3D所示的構成中，不能調節重物部分12在與第一重物止擋部分相反的方向上的移動。
因此，本發明的特征在于其中還設有第二重物止擋部分的結構，該第二重物止擋部分用于調節重物部分12在與第一重物止擋部分相反的方向上的移動。
圖4示出本發明的慣性傳感器的第一實施例。傳感器芯片在倒置之后設置在殼體101中，該傳感器芯片是通過圖2和圖3所示的制造過程預先制造的，其上固定有被切割成獨立部件的傳感器部分100和將成為第一重物止擋部分的板狀玻璃部分15。
因此，在圖4中，與構成第一重物止擋部分的板狀玻璃部分15相對的面通過硅基底16而放置在殼體101的底面上，該硅基底16用于構成以預定間隙相對設置的第二重物止擋部分。
構成第二重物止擋部分的硅基底16和以倒裝法安裝的傳感器芯片在圖4下方的圓圈中放大示出。也就是說，利用金屬隆起部17來設置構成第二重物止擋部分的硅基底16與傳感器芯片之間的間隙大小，該隆起部17與從形成在梁13上的壓敏電阻器11導出的Al配線相連接。
硅基底16通過貫通配線17a與形成在硅基底16的上下表面上的電極焊盤17b和17c連接。此外，在殼體101的底部上形成外聯用的引出電極18。
因此，傳感器芯片通過金屬隆起部17設置在硅基底16上，且當金屬隆起部17也連接到殼體101的底部上時，形成了從壓敏電阻器11至引出電極18的電連接。此外，當殼體被氣密密封時，獲得完整的慣性傳感器。
如上所述，根據本發明的慣性傳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擋部分。因此，即使在所述重物部分向上和向下移動超出與傳感器的額定靈敏度范圍對應的位移量時，也可以通過所述重物止擋部分來阻止所述移動。因此，即使在意外作用較大振動的情況下，也能避免諸如由于梁的較大變形所致的損壞而使傳感器功能喪失的問題。
這里，將檢測在所述重物部分12與第一和第二重物止擋部分之間的間隔或間隙。如果在重物止擋部分和重物部分12之間的間隔(間隙)較窄，則抗沖擊性提高而重物的移動范圍減小，由此傳感器的動態范圍下降。另一方面，如果所述間隙變寬，則重物的移動范圍較大且傳感器的動態范圍變寬。但是，當所述間隙過寬時，則會導致所述重物止擋部分不能有效地起作用且不能獲得預期的抗沖擊性。
因此，將本發明的慣性傳感器中的傳感器部分與重物止擋部分之間的間隙確定為同時滿足傳感器的動態范圍和所需要的抗沖擊性。
圖5用于示出間隙設置的原理，并示出了重物位移量(橫軸)與作用在所述梁上的負荷(縱軸)之間的關系。如果確定了如圖5所示的傳感器部分的動態范圍的最大值和與抗沖擊性規定相對應的重物位移量的范圍，則滿足這兩個條件的重物位移量范圍(即，等于或大于所述動態范圍的最大值且處于或低于抗沖擊性規定的范圍)被稱為間隙設置范圍。
此外，優選地盡可能地減小所述間隙。這是出于這樣的考慮，即當所述間隙比所需的更寬時，由于意外振動而開始運動的重物部分12在該重物部分12的運動被止擋部分限制之前在所述間隔距離上被大大加速，因此當撞擊所述止擋部分時發生損壞。
因此，在圖4中，在重物部分12和第一止擋部分之間的間隔以及重物部分12與第二止擋部分之間的間隔大小由圖5所示的關系確定。此外，可以通過改變所述隆起部17的尺寸來調節重物部分12與第二止擋部分之間的間隔大小。
圖6是根據本發明的慣性傳感器的第二實施例。圖6中所示的構造的特征在于，與圖4所示的實施例的構造相比，組合所述傳感器部分100與第一和第二止擋部分而形成的構造是倒置的且容納在所述殼體101中。
也就是說，所述結構是這樣的，構成第一重物止擋部分的玻璃基底15設置在殼體101的底面上。此外，構成第二重物止擋部分的硅基底16是IC電路基底。
對從根據本申請的壓敏電阻器11處獲得的檢測信號進行處理的電路安裝在IC電路基底上。貫通配線17d形成在框架部分14中用于連接殼體101外部的引出電極18。
在圖6所示的第二實施例中，構成第二重物止擋部分的硅基底16形成為IC電路基底。因此，在圖4的實施例中，放置在殼體101底部且構成第二重物止擋部分的硅基底16也可以形成IC電路基底。
這里，雖然在圖4或圖6的實施例中，在傳感器部分100以倒裝法安裝有構成第二重物止擋部分的基底16的情況下，重物部分12與第二重物止擋部分之間的間隔調整被描述為是利用隆起部17的高度進行的調節，但是也可以利用合金密封材料來調節殼體間隙的高度。
在這種情況下，由于均勻地形成所述間隙比較困難，因此例如如圖7所示的事先在止擋部分16的端部設置用于形成間隙的隔板34的方法是有效的。此外，為了使所述間隙一致，在只利用隆起部形成間隙的情況下，如圖8所示，不僅在需要電連接的部分，而且在傳感器部分100的框架14中設置用于實現大致均勻布置的接觸隆起部17和偽隆起部17e的方法是有效的。此外，設置偽隆起部意味著可以產生增大連接強度的效果。
圖9示出進一步應用本發明的原理的另一實施例的構造。上述實施例具有這樣的構造，其中由于傳感器部分100和連接重物部分12與框架部分14的梁一體形成，因此重物部分12設置在框架部分14內。但是，本發明的應用不限于這種構造或受這種構造的限制。
也就是說，圖9所示的示例是圍繞重物式傳感器結構，其包括位于傳感器部分100中心的固定中心軸14a和位于固定中心軸14a的圓周上的多個重物部分12a。
作為圍繞重物方法，可獲得應用了本發明的慣性傳感器。由形成在梁13上的壓敏電阻器11檢測的信號通過形成在中心軸14a中的貫通電極17d被引導至中心軸14a的底部。
此外，通過基底16的貫通電極17a和焊盤電極17c將檢測信號輸出至外部，所述電極17a和17c通過隆起部17與形成在下基底16上的焊盤17b電連接。
在圖9中，下基底16成為用于重物部分12a的第一重物止擋部分且上基底15用作第二重物止擋部分。利用第一重物止擋部分和第二重物止擋部分密封傳感器部分100可獲得實現本發明效果的慣性傳感器。
本發明可以提供具有優良抗沖擊性的慣性傳感器，諸如加速度傳感器或回轉儀，該慣性傳感器通過簡單的結構調節重物部分12在上限方向上的移動。
權利要求
1.一種慣性傳感器，其包括傳感器部分，該傳感器部分具有固定部件、具有小于所述固定部件的高度的預定大小的高度的重物部分、和連接所述重物部分與所述固定部件的梁部分；板狀第一止擋部分，其覆蓋所述重物部分且連接到所述固定部件上，并與所述重物部分相隔預定大小的間隙；和平板狀第二止擋部分，其通過預定高度的隆起部連接到所述固定部件，該隆起部位于與第一止擋部分相對的一側。
2.根據權利要求1所述的慣性傳感器，其特征在于，所述預定大小的高度和所述隆起部的預定高度設置在與動態范圍相對應的重物部分的移動范圍內或超出該范圍。
3.根據權利要求1或2所述的慣性傳感器，其特征在于，所述傳感器部分的固定部件是框架部分，所述重物部分設置在所述框架部分內，且框架部分、重物部分和連接重物部分與框架部分的梁部分一體形成。
4.根據權利要求1或2所述的慣性傳感器，其特征在于，所述傳感器部分的固定部件是中心軸，所述重物部分設置在該中心軸部的圓周上，且所述中心軸、重物部分和連接該重物部分與中心軸的梁部分一體形成。
5.根據權利要求3或4所述的慣性傳感器，其特征在于，所述傳感器部分的一體形成的固定部件、重物部分和梁部分通過微電機系統處理由硅基底形成。
6.根據權利要求1所述的慣性傳感器，其特征在于，所述傳感器部分包括壓阻元件，該壓阻元件位于其中所述梁部分與所述固定部件和所述重物部分連接的所述梁部分的連接部中，且根據所述重物部分的移動而導致的阻值變化來檢測多軸向的慣性。
7.根據權利要求1所述的慣性傳感器，其特征在于，所述傳感器部分是這樣的，在重物部分的端面上形成第一電極并至少在第一止擋部分或第二止擋部分上形成與所述第一電極相對的第二電極；且根據由所述重物部分的移動引起的第一電極和第二電極之間的電容變化來檢測多軸向的慣性。
全文摘要
一種慣性傳感器，諸如加速度傳感器或回轉儀，其通過調節重物部分在上限方向上的移動而具有優良的抗沖擊性。該傳感器包括傳感器部分，該傳感器部分具有固定部件、具有小于所述固定部件的高度的預定大小的高度的重物部分、和連接所述重物部分和所述固定部件的梁部分；板狀第一止擋部分，其覆蓋所述重物部分且連接到所述固定部件上，并與所述重物部分相隔預定大小的間隙；和平板狀第二止擋部分，其通過一預定高度的隆起部連接到所述固定部件，該隆起部位于與第一止擋部分相對的一側。
文檔編號G01P15/12GK1721858SQ200510064610
公開日2006年1月18日 申請日期2005年4月15日 優先權日2004年7月12日
發明者德永博司, 永田憲治, 小野正明, 花澤敏夫, 石川寬 申請人:富士通媒體部品株式會社, 富士通株式會社
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