專利名稱：半導體加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體加速度傳感器，該半導體加速度傳感器用于便攜式終端設備、玩具、汽車、飛機等以檢測加速度。
背景技術：
下面將討論傳統的使用壓電電阻的三軸加速度傳感器。附圖15是表示該加速度傳感器的分解透視圖。在這種傳感器中，通過粘合劑將加速度傳感器元件200固定在殼體2上，并且通過粘合劑將蓋3固定在保護殼體2上。加速度傳感器元件200的外部端子7與保護殼體2的端子5通過金屬線4連接。將加速度傳感器元件200的輸出從保護殼體2的外部端子6引到外面。在本說明書中，將加速度傳感器元件200稱作加速度傳感器。
附圖16是加速度傳感器200的平面圖。在附圖16中，省略支撐框架上的線和外部端子，以便容易理解該壓電電阻的結構。加速度傳感器200包括由單晶硅基片的厚部分構成的塊部分13，圍繞該塊部分13的支撐框架11，兩對正交的類梁(beam-like)撓性臂21、21’和22、22’，它們由單晶硅基片的薄部分構成并且連接塊部分13與支撐框架11，以及在與該撓性臂的頂面的兩個方向(X和Y)和垂直于該撓性臂的頂面的方向(Z)對應的軸上的多個壓電電阻51、51’、52、52’、61、61’、62、62’、71、71’、72和72’。而且，撓性臂21、21’、22和22’通過薄部分上的通孔150成形為梁狀，這樣該撓性臂容易變形，并且適于更高的靈敏度。
在傳統的加速度傳感器中，提供壓電電阻，使得X軸壓電電阻51、51’和Z軸壓電電阻71、71’的末端對準撓性臂21和支撐框架11的邊界以及撓性臂11和塊部分13的邊界，以便可以獲得最大的傳感器輸出。
眾所周知，當將壓電電阻排列成如圖16所示的時，在X軸和Z軸的靈敏度之間形成附圖17的曲線圖中的關系(在1G的加速度，相對于1V激勵電壓的輸出)。當該塊部分的厚度改變時，X軸的靈敏度如同二次函數一樣改變。Z軸的靈敏度如同線性函數一樣改變。這樣，X軸和Z軸靈敏度不同。為了消除輸出差異，改變該塊部分的厚度和該壓電電阻的靈敏度或者改變該壓電電阻的排列。
為了消除X軸和Z軸之間的輸出差異，可以適當地將該塊部分的厚度設置在800μm左右，這使得X軸和Z軸能夠具有相等的靈敏度。然而，用于半導體等的單晶硅基片的厚度主要設置在625μm和525μm，這樣800μm左右的單晶硅基片必須特別定購，從而導致不規律的交貨時間以及高成本。因此，通過使用該塊部分的厚度來調整輸出是不可取的。
通過將雜質元素如硼注入單晶硅基片形成壓電電阻。該壓電電阻的靈敏度可以通過改變該雜質元素的濃度而改變。至少需要幾個雜質注入步驟以改變雜質元素的濃度，從而導致更高的制造成本以及更低的設備容量。這樣，這種方法是不可取的。
此外，日本專利公開No.2003-279592和日本專利公開No.2003-294781提出了下面的技術為了消除X、Y和Z軸之間的輸出差異，通過改變壓電電阻的排列將Z軸的輸出減少到X和Y軸的輸出。當將Z軸的靈敏度減少到具有低輸出的X和Y軸的靈敏度時，就損失了Z軸的靈敏度。而且，傳統的加速度傳感器被配置成使得Z軸的輸出大于X軸的輸出，從而導致軸之間較大的輸出差異。在軸之間具有較大的輸出差異的情況下，必須為每個軸準備具有不同輸出放大系數的放大器。
發明內容
本發明的目的是提供一種便宜并且高靈敏度的半導體加速度傳感器，該半導體加速度傳感器提高X軸和Y軸輸出，而不減少Z軸輸出，并且不需要為每個軸準備不同振幅的放大器。
根據本發明的半導體加速度傳感器包括塊部分，該塊部分提供在該加速度傳感器的中心并且具有頂面；支撐框架，該支撐框架以離該塊部分預定距離圍繞該塊部分并且具有頂面；以及多個撓性臂，每個撓性臂從該塊部分的頂面的邊緣延伸，橋接該塊部分的頂面和該支撐框架的內邊緣，并且在該支撐框架內懸掛該塊部分。該多個撓性臂中的每一個包括兩個寬部，該兩個寬部是該撓性臂的兩個端部，該兩個寬部接觸該撓性臂和該支撐框架或該塊部分之間的邊界，并且具有垂直于該撓性臂的縱向的橫截面積；窄部，該窄部是在該撓性臂的兩端的兩個寬部之間插入的該撓性臂的一部分，該窄部具有垂直于該撓性臂的縱向并且小于該寬部的橫截面積的橫截面積。該多個撓性臂中的每一個的頂面包括壓電電阻，每個壓電電阻具有在該支撐框架或該塊部分的頂面的兩個端子，該壓電電阻從該兩個端子在該撓性臂的縱向上延伸，并且限制地提供在該撓性臂的寬部的頂面區域內，以及多個金屬線，該多個金屬線提供在該撓性臂的頂面，并且相對于該撓性臂的頂面的中心線對稱，每個金屬線在該撓性臂的縱向上通過該撓性臂的窄部的頂面從該撓性臂的一個寬部的頂面延伸到該撓性臂的另一個寬部的頂面。每個壓電電阻包括至少兩個壓電子電阻，該至少兩個壓電子電阻相對于該撓性臂的頂面的中心線對稱地提供，并且每個壓電子電阻在該撓性臂的縱向上延伸；以及高濃度擴散層，除了該壓電電阻的兩個端子，該高濃度擴散層連接該壓電子電阻的每兩端，以便在該壓電電阻的兩個端子之間串聯該壓電子電阻。
在上述半導體加速度傳感器中，優選地，該塊部分、支撐臂和多個撓性臂由單晶硅整體地構成，并且該壓電子電阻和該高濃度擴散層通過在形成該撓性臂的單晶硅的一部分上摻雜周期表的III族或V族元素構成。
在上述半導體加速度傳感器中，該多個金屬線中的至少一個是偽金屬線，該偽金屬線不連接到該壓電電阻的任何端子。
在上述半導體加速度傳感器中，優選地，該多個撓性臂中的兩個在該塊部分的頂面沿兩個正交方向中的一個延伸，該多個撓性臂中的另兩個在該塊部分的頂面沿該兩個正交方向中的另一個延伸，并且該多個撓性臂中的每一個在該多個金屬線的結構上與任何其它撓性臂實質上相同。
在本發明的半導體加速度傳感器中，優選地，該多個撓性臂中的每一個的寬部的橫截面積是該窄部的1.1到3.5倍。以及，更優選地，該多個撓性臂中的每一個的寬部的橫截面積是該窄部的1.5到2.5倍。
本發明的半導體加速度傳感器可以包括塊部分，該塊部分提供在該加速度傳感器的中心并且具有頂面；支撐框架，該支撐框架以離該塊部分預定距離圍繞該塊部分并且具有頂面；以及四個撓性臂，每個撓性臂從該塊部分的頂面延伸，橋接該塊部分的頂面和該支撐框架的內邊緣，并且在該支撐框架內懸掛該塊部分。該四個撓性臂中的兩個在該塊部分的頂面沿兩個正交方向中的一個延伸，該四個撓性臂中的另兩個在該塊部分的頂面沿該兩個正交方向中的另一個延伸。該四個撓性臂中的每一個包括兩個寬部，該兩個寬部是該撓性臂的兩個端部，該兩個寬部接觸該撓性臂和該支撐框架或該塊部分之間的邊界，并且具有垂直于該撓性臂的縱向的橫截面積；以及窄部，該窄部是在該撓性臂的兩端的兩個寬部之間插入的該撓性臂的一部分，該窄部具有垂直于該撓性臂的縱向并且小于該寬部的橫截面積的橫截面積。該四個撓性臂中的兩個的頂面每個包括用于檢測該撓性臂縱向的加速度分量的壓電電阻和用于檢測垂直于該塊部分的頂面的加速度分量的壓電電阻，該壓電電阻中的每個在該支撐框架或塊部分的頂面上具有兩個端子，該壓電電阻在該撓性臂的縱向上從該兩個端子延伸，并且限制地提供在該撓性臂的寬部的頂面區域內，以及多個金屬線，該多個金屬線提供在該撓性臂的頂面，并且相對于該撓性臂的頂面的中心線對稱，每個金屬線在該撓性臂的縱向上通過該撓性臂的窄部的頂面從該撓性臂的一個寬部的頂面延伸到該撓性臂的另一個寬部的頂面，該多個金屬線中的至少一個連接提供在該撓性臂的頂面上的該壓電電阻的端子中的至少一個。該四個撓性臂中的另外兩個的頂面每個包括用于檢測該撓性臂縱向的加速度分量的壓電電阻，每個壓電電阻在該支撐框架或塊部分的頂面具有兩個端子，該壓電電阻在該撓性臂的縱向上從該兩個端子延伸，并且限制地提供在該撓性臂的寬部的頂面區域內，以及多個金屬線，該多個金屬線提供在該撓性臂的頂面，并且相對于該撓性臂的頂面的中心線對稱，每個金屬線在該撓性臂的縱向上通過該撓性臂的窄部的頂面從該撓性臂的一個寬部的頂面延伸到該撓性臂的另一個寬部的頂面，該多個金屬線中的至少一個連接提供在該撓性臂的頂面上的該壓電電阻的端子中的至少一個。每個壓電電阻包括至少兩個壓電子電阻，該至少兩個壓電子電阻相對于該撓性臂的頂面的中心線對稱地提供，每個壓電電阻在該撓性臂的縱向上延伸；以及高濃度擴散層，除了該壓電電阻的兩個端子，該高濃度擴散層連接該壓電子電阻的每兩端，以便在該壓電電阻的兩個端子之間串聯該壓電子電阻。以及，該四個撓性臂中的每一個在該金屬線的結構上與任何其它撓性臂實質上相同。
在上述半導體加速度傳感器中，優選地，該塊部分、支撐臂和四個撓性臂由單晶硅整體地構成，并且該壓電子電阻和該高濃度擴散層通過在形成該撓性臂的單晶硅的一部分上摻雜周期表的III族或V族元素構成。
在該半導體加速度傳感器中，該四個撓性臂中的另外兩個在該頂面上具有的該多個金屬線中的兩個是偽金屬線，該偽金屬線不連接到該壓電電阻中的任何端子。
在本發明的半導體加速度傳感器中，每個支撐該塊部分的撓性臂在中心具有窄部，該窄部在橫截面積上小于定位該撓性臂的端部的寬部，以便該塊部分容易通過施加的加速度移動，并且在該施加的加速度的方向上延伸的撓性臂可以更大地彎曲。因此，該加速度傳感器的檢測靈敏度對于加速度在該塊部分的頂面中每個軸方向上增加，也就是，該撓性臂的延伸方向。
例如，當在X軸方向上對加速度傳感器應用加速度時，垂直于該加速度延伸的撓性臂(Y軸方向)阻止該塊部分在X軸方向上移動。但是，在本發明的加速度傳感器中，該垂直撓性臂的干擾減少，這是由于該Y軸撓性臂具有窄部?？梢哉J為X軸方向上的檢測靈敏度由此提高。
當X軸方向的撓性臂和Y軸方向的撓性臂在其上具有窄部時，Y軸方向和X軸方向的檢測靈敏度都提高。結果，X軸方向和Y軸方向上的檢測靈敏度可以與Z軸方向上的檢測靈敏度具有相同的水平。
當寬部的橫截面積(b)和窄部的橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)在1.1和3.5之間時，X軸方向和Y軸方向上的檢測靈敏度大于傳統的，并且X軸方向或Y軸方向上的檢測靈敏度與Z軸方向上的檢測靈敏度的檢測靈敏度比接近1。更優選地，橫截面積比(b/a)在1.5和2.5之間，由于該靈敏度比從大約0.9到大約1.1。
本發明優選地，每個撓性臂相對于該撓性臂的中心線對稱，該撓性臂理想地在該撓性臂的形狀上對稱，并且與該撓性臂上提供的金屬線的結構上對稱。當將垂直于該撓性臂的加速度施加于該撓性臂時，該撓性臂由于該加速度橫向彎曲。該撓性臂相對于其中心線是對稱的，其可以在正向和反向彎曲相同的程度，優選地撓性臂的彎曲沒有方向相關。
而且，優選地，該加速度傳感器的四個撓性臂相對于該傳感器的中心也就是該塊部分的中心對稱。當X軸方向上的撓性臂與Y軸方向上的撓性臂具有基本上相同的結構時，Y軸方向上的檢測靈敏度與X軸方向上的在同一水平。由于每個撓性臂具有多個金屬線，因而可以實現該撓性臂之間的對稱，當每個撓性臂上的金屬線具有與傳感器中其它撓性臂基本上相同的結構時。
在本發明的加速度傳感器中，壓電電阻由多個壓電子電阻和高濃度擴散層組成，將該壓電子電阻連接到該金屬線的通孔提供在該塊部分或該支撐框架上。由于該通孔是定位在塊部分或支撐框架上，而不是所述的撓性臂上，因而該通孔不影響該撓性臂的變形。同樣，該壓電子電阻和該高濃度擴散層通過在形成該撓性臂的單晶硅的一部分上摻雜周期表的III族或V族元素構成，因此，該壓電子電阻和該高濃度擴散層與該撓性臂的其它部件表現出相同的機械屬性。
由于該壓電電阻從該撓性臂和塊部分或支撐框架之間的邊界在該撓性臂的寬部的頂面區域內限制地提供，因而將該壓電電阻定位在這樣的位置，即在該撓性臂上具有加速度造成的最大的變形并且表現出極好的靈敏度。同樣，由于在該撓性臂上沒有連接壓電電阻和金屬線的通孔，因而該壓電電阻表現出減少的偏移電壓，并且該偏移電壓的溫度相關性非常小。
如上所述，在該半導體加速度傳感器中，提高了該塊部分的頂面中每個方向即X軸方向和Y軸方向上的加速度檢測靈敏度，從而使該靈敏度與Z軸方向即垂直于該塊部分的頂面的方向上的加速度檢測靈敏度在同一水平。進一步，該加速度檢測靈敏度該比傳統的更高，而且偏移電壓變得更小，以及該偏移電壓的溫度相關變得更小。
附圖1是根據本發明的實例1的半導體加速度傳感器的平面圖；附圖2是表示附圖1的半導體加速度傳感器的放大的撓性臂的透視圖；附圖3A表示在根據本發明的半導體加速度傳感器中使用的X軸壓電電阻的全橋電路，附圖3B表示在根據本發明的半導體加速度傳感器中使用的Z軸壓電電阻的全橋電路；附圖4A是表示在X軸方向的撓性臂上的壓電電阻和金屬線的平面圖，附圖4B是沿附圖4A的線4B-4B的截面圖；附圖5A是表示在X軸方向的另一個撓性臂上的壓電電阻和金屬線的平面圖，附圖5B是表示在Y軸方向的撓性臂上的壓電電阻和金屬線的平面圖；附圖6表示了在實例1的半導體加速度度傳感器中，靈敏度比(Ex/Ez)與撓性臂寬部的橫截面積(b)和窄部的橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)之間關系的曲線圖；附圖7表示了靈敏度比(Ex/Ez)與窄部長度之間關系的曲線圖；附圖8是表示實例3的半導體加速度傳感器的撓性臂的透視圖；
附圖9是表示在實例3的半導體加速度傳感器中，靈敏度比(Ex/Ez)與撓性臂寬部的橫截面積(b)和窄部的橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)之間關系的曲線圖；附圖10是表示實例4的半導體加速度傳感器的撓性臂的透視圖；附圖11是表示在實例4的半導體加速度傳感器中，靈敏度比(Ex/Ez)與撓性臂寬部的橫截面積(b)和窄部的橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)之間關系的曲線圖；附圖12是表示本發明的半導體加速度傳感器和傳統的產品的個數比分布(piece ratio distribution)與靈敏度的直方圖；附圖13A是表示本發明的半導體加速度傳感器的片比分布與偏移電壓的直方圖，附圖13B是表示傳統的產品的片比分布與偏移電壓的直方圖；附圖14A是偏移電壓的溫度屬性的曲線圖，其表示本發明的半導體加速度傳感器的轉換為對溫度的誤差比的加速度(％)，附圖14B是偏移電壓的溫度屬性的曲線圖，其表示傳統產品的轉換為對溫度的誤差比的加速度(％)；附圖15是表示傳統的加速度傳感器的分解透視圖；附圖16是傳統的加速度傳感器的平面圖；以及附圖17是表示傳統的加速度傳感器的X軸靈敏度和Z軸靈敏度與塊部分的厚度的關系的曲線圖。
具體實施例方式
實例1參照附圖1至5，下面將描述本發明的半導體加速度傳感器。附圖1是表示該半導體加速度傳感器的平面圖。附圖2是表示該半導體加速度傳感器的撓性臂的放大部分的透視圖。在附圖1和2中，省略了金屬線。
本發明的半導體加速度傳感器由單晶硅基片構成，其中SOI層通過SiO2絕緣層形成以精確地控制該撓性臂的厚度，也就是說，SOI晶片。SOI是絕緣體上硅(Silicon On Insulator)的縮寫。在本實例中，將用作蝕刻阻止的薄SiO2絕緣層(大約1μm)在具有大約625μm厚度的Si晶片上形成。將具有大約10μm厚度的N型單晶硅層的晶片用作該絕緣層上的基片。在本實例的半導體加速度傳感器100中，在與支撐框架11具有相同尺寸的正方形單晶硅基片上形成四個L形通孔150。形成位于中心的塊部分(mass portion)13，圍繞塊部分13的支撐框架11，以及連接支撐框架11與塊部分13的撓性臂21、21’、22和22’，并且該撓性臂厚度減少。半導體加速度傳感器100在該撓性臂上具有壓電電阻R11，R12，…，R33和R34。該壓電電阻與兩個正交檢測軸(X和Y軸)以及垂直于該加速度傳感器的頂面的檢測軸(Z軸)相對應。換句話說，將壓電電阻R11、R12、R13和R14提供到在X軸方向延伸的撓性臂21和21’上，并且檢測X軸方向上的加速度。將壓電電阻R21、R22、R23和R24提供在Y軸方向延伸的撓性臂22和22’上，并且檢測Y軸方向上的加速度。將壓電電阻R31、R32、R33和R34進一步提供在X軸方向延伸的撓性臂21和21’上，并且檢測Z軸方向上的加速度。在本實例中，通過提供在撓性臂21和21’上的壓電電阻檢測Z軸方向上的加速度?？梢詫⒂糜跈z測Z軸方向上加速度的元件提供在撓性臂22和22’上。用于檢測每個軸方向上加速度的壓電電阻構成全橋檢測電路。
四個撓性臂21、21’、22和22’每個與該撓性臂和支撐框架11或塊部分13的邊界接觸。撓性臂包括寬部分211和212，每個寬部分具有垂直于該撓性臂的縱向的橫截面積，以及窄部分213，該窄部分是介于該撓性臂的兩側上的兩個寬部分211和212之間的撓性臂部分，并且其具有比該寬部分的橫截面積更小的垂直于該撓性臂的縱向的橫截面積。
如圖1、2和4A至5B所示，壓電電阻R11，R12，…，R33和R34在支撐框架的頂面或塊部分的頂面具有兩個端子(通孔)11a和11b…34a和34b，該壓電電阻從兩個端子11a，11b，…，34a和34b在撓性臂21、21’、22和22’的縱向上延伸，并且提供在撓性臂寬部211和212的頂面中。將壓電電阻R11，R12，…R33和R34相對于撓性臂21、21’、22和22’的頂面上的中心線對稱排列，并且每個壓電電阻具有至少兩個(在本實例中是兩個)壓電子電阻(例如R11a和R11b)，該壓電子電阻在該撓性臂的縱向延伸。除了壓電電阻的兩個端子(通孔)11a，11b，…34a和34b，將至少兩個壓電子電阻的每兩個端子通過高濃度擴散層41連接，并且至少兩個壓電子電阻在該壓電電阻的端子11a，11b，…，34a和34b之間串聯連接。
在半導體加速度傳感器100中，塊部分13，支撐框架11和撓性臂21、21’、22和22’由單晶硅整體地構成。通過在由單晶硅構成的撓性臂21、21’、22和22’的頂面的一部分上摻雜周期表的III族或V族元素如硼制造壓電子電阻和連接每兩個壓電電阻的高濃度擴散層41。將壓電電阻通過通孔連接金屬線的部分也用作高濃度擴散層。
在X軸方向延伸的撓性臂21和21’上的壓電電阻R11、R12、R13和R14形成附圖3A所示的全橋電路。壓電電阻的末端連接在支撐框架上提供的外部端子11t、12t、13t和14t，在外部端子12t和14t之間施加測量電壓，并且在外部端子11t和13t之間提取輸出。在Y軸方向延伸的撓性臂22和22’上提供的壓電電阻R21、R22、R23和R24的橋接電路(未示出)如圖3A所示配置。在外部端子22t和24t之間施加測量電壓，并且在外部端子21t和23t之間提取輸出。在X軸方向延伸的撓性臂21和21’上的Z軸壓電電阻R31、R32、R33和R34形成附圖3B所示的全橋電路。將壓電電阻的末端連接在支撐框架上提供的外部端子31t、32t、33t和34t，在外部端子32t和34t之間施加測量電壓，并且在外部端子31t和33t之間提取輸出。
附圖4和5表示撓性臂上的壓電電阻和金屬線的詳細構造。附圖4A表示撓性臂21上的X軸和Z軸壓電電阻。附圖4B是沿附圖4A的線4B-4B的截面圖。附圖5A表示撓性臂21’上的X軸和Z軸壓電電阻。附圖5B表示Y軸壓電電阻。
在附圖4A中，接近撓性臂21上的支撐框架11，兩個X軸壓電子電阻R11a和R11b從支撐框架11在撓性臂21上延伸，將該壓電子電阻相對于撓性臂21的中心線對稱地提供，并且將在撓性臂的中心側的兩個壓電子電阻R11a和R11b的末端通過高濃度擴散層41連接以形成X軸壓電電阻R11。接近撓性臂21上的塊部分13，兩個X軸壓電子電阻R12a和R12b從塊部分13在撓性臂21上延伸，將該兩個壓電子電阻相對于撓性臂21的中心線對稱地提供，并且將撓性臂的中心側的兩個壓電子電阻R12a和R12b的末端通過高濃度擴散層41連接以形成X軸壓電電阻R12。壓電子電阻R11a和壓電子電阻R12b排列在撓性臂21上相同的直線上，壓電子電阻R11b和壓電子電阻R12a也排列在撓性臂21上相同的直線上。在這種情況下，構成壓電電阻R11的兩個壓電子電阻R11a和R11b以及構成壓電電阻R12的兩個壓電子電阻R12a和R12b具有用于傳統的加速度傳感器的壓電電阻(大約100μm)大約一半的長度(大約50μm)，并且幾乎與傳統的加速度傳感器的壓電電阻的寬度(大約5μm)相等。這樣，每一個由兩個壓電子電阻構成的壓電電阻R11和R12具有大約100μm的長度。
如圖4B所示，其是示出了X軸壓電電阻的截面圖，在支撐框架11上的壓電子電阻R11a的末端穿過在氧化硅(solicon oxide)絕緣層31上形成的通孔11a，并且連接到在支撐框架11上形成的金屬線17(由附圖4A中的粗虛線表示)。金屬線17連接支撐框架上的外部端子11t。再參照附圖4A，支撐框架11上的壓電子電阻R11b的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔11b，并且連接在支撐框架11上形成的金屬線17。金屬線17連接支撐框架上的外部端子12t。塊部分13上的壓電子電阻R12a的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔12a，并且連接金屬線17。金屬線17與壓電子電阻R12a和R11b平行沿撓性臂21在絕緣層31上延伸，并且在通孔11b上連接延伸到外部端子12t的金屬線17。塊部分13上的壓電子電阻R12b的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔12b，并且連接兩個金屬線17。金屬線的一個與壓電子電阻R12b和R11a平行沿撓性臂21在絕緣層31上延伸，繞過通孔11a，并且連接外部端子13t。另一個金屬線通過塊部分13連接撓性臂21’上的壓電電阻R13的壓電子電阻13a，該撓性臂21’提供在撓性臂21的相對側上。壓電子電阻R11a和壓電子電阻R11b相對于撓性臂21上撓性臂21的中心線對稱，壓電子電阻R12a和壓電子電阻R12b相對于撓性臂21上撓性臂21的中心線對稱。這樣，撓性臂21上連接壓電子電阻R11a的通孔11a和壓電子電阻R12b的通孔12b的金屬線17與撓性臂21上連接壓電子電阻R11b的通孔11b和壓電子電阻R12a的通孔12a的金屬線17相對于撓性臂21的中心線對稱。
關于提供在撓性臂21’上的X軸壓電電阻R13和R14，參照附圖5A，下面將描述構成壓電電阻R13的兩個壓電子電阻R13a和R13b以及構成壓電電阻R14的兩個壓電子電阻R14a和R14b的結構，以及壓電子電阻的連接。接近撓性臂21’上的塊部分13，構成壓電電阻R13的兩個壓電子電阻R13a和R13b從塊部分13延伸到撓性臂21’，并且相對于撓性臂21’的中心線對稱地提供。撓性臂中心側上的兩個壓電子電阻R13a和R13b的末端通過高濃度擴散層41彼此連接。接近撓性臂21’上的支撐框架11，構成壓電電阻R14的兩個壓電子電阻R14a和R14b從支撐框架11延伸到撓性臂21’，并且相對于撓性臂21’的中心線對稱地提供。撓性臂中心側上的兩個壓電子電阻R14a和R14b的末端通過高濃度擴散層41彼此連接。壓電子電阻R13a和壓電子電阻R14b在撓性臂21’上相同的線上排列，壓電子電阻R13b和壓電子電阻R14a也排列在撓性臂21’上的相同的線上。在這種情況下，壓電子電阻R13a、R13b、R14a和R14b大約是用于傳統的加速度傳感器的壓電電阻的長度的一半，并且具有幾乎與傳統的加速度傳器的壓電電阻相同的寬度。
塊部分13上的壓電子電阻R13a的末端穿過形成在氧化硅絕緣層31上的通孔13a，并且經金屬線17通過在塊部分13上形成的通孔12b連接到撓性臂21上的壓電子電阻R12b。支撐框架11上的壓電子電阻R14a的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔14a，并且連接在支撐框架11上形成的金屬線17。金屬線17連接到支撐框架上的外部端子14t。塊部分13上的壓電子電阻R13b的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔，并且連接到金屬線17。金屬線17平行于壓電子電阻R13b和R14a沿撓性臂21’在絕緣層31上延伸，并且在通孔14a上連接延伸到外部端子14t的金屬線17。支撐框架11上的壓電子電阻R14的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔14b，并且連接到在支撐框架11上形成的金屬線17。金屬線17連接到在支撐框架上的外部端子11t。
在塊部分13上的通孔13a和支撐框架11上的通孔14b的附近之間，金屬線17平行于壓電子電阻R13a和R14b沿撓性臂21’在絕緣層31上延伸。然而，金屬線17與撓性臂21’上的另一個金屬線17具有相同的材料，橫截面積結構和尺寸，并且經通孔13a連接支撐框架11上的外部端子13t，而沒有連接到通孔14b。在撓性臂21’的壓電子電阻R13a和R14b上提供的金屬線17的部分與在撓性臂21’的壓電子電阻R13b和R14a上提供的金屬線17的部分結構上完全相同。這樣，撓性臂21上的兩個壓電子電阻R11和R12及其金屬線與撓性臂21上的兩個壓電子電阻R13和R14及其金屬線在結構上完全相同。
如圖4A所示，在撓性臂21上提供Z軸壓電電阻R31和R32。接近撓性臂21上的支撐框架11，構成壓電電阻R31的兩個壓電子電阻R31a和R31b從支撐框架11延伸到撓性臂21，并且相對于撓性臂21的中心線對稱地布置在X軸壓電子電阻R11b和R11a的外面，也就是說，比壓電子電阻R11b和R11a離撓性臂21的中心線更遠。撓性臂中心側的兩個壓電子電阻R31a和R31b的末端通過高濃度擴散層41彼此連接，以形成Z軸壓電電阻R31。接近撓性臂21上的塊部分13，構成Z軸壓電電阻R32的兩個壓電子電阻R32b和R32a從塊部分13延伸到撓性臂21，并且相對于撓性臂21的中心線對稱地布置在X軸壓電子電阻R12a和R12b的外面，也就是說，比壓電子電阻R12a和R12b離撓性臂21中心線更遠。撓性臂中心側上的兩個壓電子電阻R32b和R32a的末端通過高濃度擴散層41彼此連接，以形成Z軸壓電電阻R32。壓電子電阻R31a和壓電子電阻R32b排列在撓性臂21上相同的直線上，壓電子電阻R31b和壓電子電阻R32a排列在撓性臂21上相同的直線上。在這種情況下，壓電子電阻R31a、R31b、R32a和R32b具有用于傳統的加速度傳感器的壓電電阻的長度的一半，并且具有幾乎與傳統的加速度傳感器的壓電電阻相同的寬度。
支撐框架11上壓電子電阻R31a的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔31a，并且連接到在支撐框架11上形成的金屬線17。金屬線17連接到支撐框架上的外部端子31t。支撐框架11上壓電子電阻R31b的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔31b，并且連接到形成在支撐框架11上的金屬線17。金屬線17連接到在支撐框架上形成的外部端子32t。塊部分13上壓電子電阻R32a的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔32a，并且連接到金屬線17。金屬線17平行于壓電子電阻R32a和R31b沿撓性臂21在絕緣層31上延伸，并且在通孔31b上連接到延伸到外部端子32t的金屬線17。塊部分13上的壓電子電阻R32b的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成通孔32b，并且連接到金屬線17。該金屬線平行于壓電子電阻R32b和R31a沿撓性臂21在絕緣層31上延伸，繞過通孔31a，并且連接到外部端子33t。壓電子電阻R31a和壓電子電阻R31b相對于撓性臂21上的撓性臂21的中心線是對稱的，壓電子電阻R32b和壓電子電阻R32a相對于撓性臂21上的撓性臂21的中心線也是對稱的。這樣，撓性臂21上連接壓電子電阻R31a的通孔31a附近和壓電子電阻R32b的通孔32b的金屬線17與撓性臂21上連接壓電子電阻R31b的通孔和壓電子電阻R32a的通孔的金屬線17相對于撓性臂21的中心線是對稱的。
參照附圖5A，下面將詳細討論在撓性臂21’上提供的Z軸壓電電阻R33和R34。構成壓電電阻R33的兩個壓電子電阻R33a和R33b，構成壓電電阻R34的兩個壓電子電阻R34a和R34b，及其連接與構成Z軸壓電電阻R31的壓電子電阻R32b和R32a，構成Z軸壓電電阻R31的壓電子電阻R31b和R31a，及其在撓性臂21上的連接在結構上分別完全相同。
特別如上所述，在撓性臂21上形成的X軸壓電電阻R11和R12和連接撓性臂21上的壓電電阻的金屬線17與在撓性臂21’上形成的X軸壓電電阻R14和R13和連接撓性臂21’上的壓電電阻的金屬線結構上基本相同。在撓性臂21上形成的Z軸壓電電阻R31和R32和連接撓性臂21上的壓電電阻的金屬線17與在撓性臂21’上形成Z軸壓電電阻R34和R33和連接撓性臂21’上的壓電電阻的金屬線17在結構上實質相同。這樣，撓性臂21和撓性臂21’基本上相同。通過外部加速度或相對于塊部分13的中心對稱地做同樣的移動和變形。
在附圖5B中，接近撓性臂22上的支撐框架11，兩個Y軸壓電子電阻R21a和R21b從支撐框架11延伸到撓性臂22，該兩個Y軸壓電子電阻相對于撓性臂22的中心線對稱地提供。撓性臂中心側上的兩個壓電子電阻R21a和R21b的末端通過高濃度擴散層41彼此連接，以形成Y軸壓電電阻R21。接近撓性臂22上的塊部分13，兩個Y軸壓電子電阻R22a和R22b從塊部分13延伸到撓性臂22，該兩個Y軸壓電電阻相對于撓性臂22的中心線對稱地提供。撓性臂中心側上的兩個壓電子電阻R22a和R22b的末端通過高濃度擴散層41彼此連接，以形成Y軸壓電電阻R22。壓電子電阻R21a和壓電子電阻R22b排列在撓性臂22上相同的直線上，壓電子電阻R21b和壓電子電阻R22a排列在撓性臂22上相同的直線上。在這種情況下，壓電子電阻R21a、R21b、R22a和R22b大約具有用于傳統的加速度傳感器的壓電電阻的一半長度，并且具有幾乎與傳統的加速度傳感器的壓電電阻相同的寬度。
支撐框架11上的壓電子電阻R21a的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔21a，并且連接到在支撐框架11上形成的金屬線17。金屬線17連接到支撐框架上的外部端子21t。支撐框架11上的壓電子電阻R21b的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔21b，并且連接到在支撐框架11上形成金屬線17。金屬線17連接到支撐框架上的外部端子22t。塊部分13上的壓電子電阻R22a的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔22a，并且連接到金屬線17。金屬線17平行于壓電子電阻R22a和R21b沿撓性臂22在絕緣層31上延伸，并且在通孔21b上連接到延伸到外部端子22t的金屬線17。塊部分13上的壓電子電阻的末端穿過在氧化硅絕緣層31上形成的通孔22b，并且連接到兩個金屬線17。一個金屬線平行于壓電子電阻R22b和R21a沿撓性臂22在絕緣層31上延伸，繞過通孔21a，并且連接到外部端子23t。另一個金屬線通過塊部分13連接到撓性臂22相對側的撓性臂22’上的壓電電阻R23的壓電子電阻R23a。壓電子電阻R21a和壓電子電阻R21b相對于撓性臂22上的撓性臂22的中心線對稱，壓電子電阻R22a和壓電子電阻R22b也相對于撓性臂22上的撓性臂22的中心線對稱。這樣，撓性臂22上連接壓電子電阻R21a的通孔21a的附近和壓電子電阻R22b的通孔22b的金屬線17與撓性臂22上連接壓電子電阻R21b的通孔和壓電子電阻R22a的通孔22a的金屬線17相對于撓性臂22的中心線對稱。
如上所述，很明顯，在撓性臂22上提供的Y軸壓電電阻R21和R22以及連接該壓電電阻的金屬線17與撓性臂21上提供的X軸壓電電阻R11和R12以及連接該壓電電阻的金屬線結構上基本相同。
在撓性臂22的氧化硅絕緣層31上相對于撓性臂22的中心線對稱地提供與金屬線17具有相同結構、材料和尺寸的偽(dummy)金屬線17d和17d’，并且其位于連接通孔22b和通孔21a附近的金屬線17以及連接通孔21b和22a的金屬線17之外，也就是說，比該金屬線離撓性臂22的中心線更遠。在撓性臂22的一個位置提供偽金屬線17d，與在撓性臂21上連接通孔31b和32a的金屬線17相對應。在撓性臂22的一個位置提供偽金屬線17d’，與撓性臂21上連接通孔32b和通孔31a的附近的金屬線17相對應。偽金屬線17d和17d’在支撐框架11和塊部分13之間的撓性臂22上延伸。
未示出在撓性臂22’上提供的Y軸壓電電阻R23和R24的細節。構成壓電電阻R23的兩個壓電子電阻R23a和R23b，構成壓電電阻R24的兩個壓電子電阻R24a和R24b，及其連接與構成在撓性臂21’上提供的X軸壓電電阻R14和R13的壓電子電阻R14a、R14b、R13a和R13b及其連接相同，這樣，可以從上面解釋理解Y軸壓電電阻R23和R24的細節。撓性臂22’與撓性臂22一樣具有兩個偽金屬線。通過外部加速度或相對于該塊部分的中心對稱地做相同的移動和變形。
撓性臂21(21’)和撓性臂22(22’)比較如下前者具有八個壓電子電阻和四個連接該壓電子電阻的高濃度擴散層，后者具有四個壓電子電阻和兩個連接該壓電子電阻的高濃度擴散層。撓性臂21和撓性臂22的每個具有基本上相同的四個金屬線或偽金屬線。撓性臂21(21’)和22(22’)的剩余部分由單晶硅和氧化硅絕緣層構成。壓電子電阻通過摻雜有1到3×1018原子/cm3濃度的硼的硅層形成，高濃度擴散層通過摻雜有3×1021原子/cm3濃度的硼的硅層形成，這樣，這些部分具有與剩余部分上的硅層完全相同的機械特性。在本發明的加速度傳感器中，四個撓性臂21、21’、22和22’從機械的觀點來看是完全相同的。這樣，相對于加速度做相同的移動和變形。
在上述本發明的加速度傳感器100中，支撐框架11是一個矩形，其中邊3300μm，厚600μm，寬度450μm。塊部分13長1000μm，寬1000μm，厚600μm。撓性臂長700μm，厚6μm。在該撓性臂上形成的氧化硅絕緣層厚0.5μm。鋁金屬線厚0.3μm。撓性臂兩側上的寬部211和212長110μm，寬110μm。在該撓性臂中心的窄部213長230μm，寬從22μm到110μm變化。寬部211和212與窄部213之間的傾斜部分長大約125μm。
制造二十個加速度傳感器，其中撓性臂的窄部分的寬度從22μm到110μm變化，以便將寬部分的橫截面積(b)與窄部分的橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)從1變到5，并且評估靈敏度和沖擊阻力。將經歷了靈敏度/沖擊阻力測試的加速度傳感器放置在附圖15所示的保護殼體中。支撐框架的底部通過粘合劑固定在保護殼體中的底板上，并且將該塊部分和保護殼體之間的間隙設置在10μm。保護殼體上的保護板與塊部分的頂面之間的間隙設置在10μm。靈敏度是當1G的加速度與1V的電壓施加時的輸出電壓。當將加速度傳感器附著于振動器并且施加20G的加速度時，測量X、Y和Z軸的輸出，為每一個加速度傳感器測量X軸靈敏度(Ex)與Z軸靈敏度(Ez)的靈敏度比(Ex/Ez)，并且確定靈敏度比的平均值。在測量了靈敏度比之后，使該加速度傳感器從1m高度重力下落到厚100mm的木板，以測量沖擊阻力。當該加速度傳感器從這一高度下落時，大約有1500到200G的沖擊施加于該加速度傳感器。下落之后，再通過該振動器施加20G的加速度，并且檢查輸出是否存在?？梢源_定，沒有輸出的加速度傳感器是壞的。
附圖6是表示X軸靈敏度(Ex)和Z軸靈敏度(Ez)的靈敏度比(Ex/Ez)與撓性臂的寬部橫截面積(b)和窄部橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)的關系的曲線圖。橫截面積比(b/a)是1的加速度傳感器具有無窄部的撓性臂，其被描述為比較實例。該加速度傳感器具有的靈敏度比(Ex/Ez)為0.83，并且Z軸靈敏度顯著地大于X軸靈敏度。在橫截面積比(b/a)大約是2.1時靈敏度比(Ex/Ez)大約是1，橫截面積比大約是3.6時靈敏度是1.25。在靈敏度比為1.25時，X軸靈敏度顯著地大于Z軸靈敏度，該靈敏度比與橫截面積比為1的Z軸靈敏度/X軸靈敏度相反，這樣該靈敏度比是不可取的。因此，可以發現在橫截面積比(b/a)為1.1和3.5之間得到優選的靈敏度比(Ex/Ez)。在橫截面積比(b/a)為1.5和2.5之間得到更優選的靈敏度比(Ex/Ez)。
關于沖擊阻力測試結果，在施加沖擊之后，二十個加速度傳感器中的一個沒有輸出，其具有4.2的橫截面積比為，并且二十個加速度傳感器中的四個沒有輸出，其具有5.0的橫截面積比。具有3.5或更少的橫截面積比的加速度傳感器沒有被破壞。可以理解，通過減少窄部分的厚度并且將橫截面積比設置在3.6或更大惡化了靈敏度比和沖擊阻力。這樣，通過使橫截面積比(b/a)小于3.5得到優選的沖擊阻力。
實例2根據實例1的半導體加速度傳感器，制造加速度傳感器，其中撓性臂(長度為700μm)的窄部長度從200μm變到400μm，并且評估靈敏度比(Ex/Ez)。撓性臂具有5μm的平均厚度，壓電電阻的尺寸、金屬線的尺寸和氧化硅絕緣層的厚度與實例1的加速度傳感器相同。寬部的寬度為110μm，窄部的寬度為52.5μm，寬部的橫截面積(b)和窄部的橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)是2.1。
準附個加速度傳感器，其中窄部的長度從200μm到400μm變化。將該加速度傳感器放置在附圖15所示的保護殼體中。通過粘合劑將支撐框架的底部固定在該保護殼體中的底板上，塊部分和保護殼體之間的間隙設定為10μm。加速度傳感器上的保護板與塊部分的頂面之間的間隙設定為10μm。當該加速度傳感器附著于振動器并且20G的加速度時，測量X、Y和Z軸的輸出，對于每個加速度傳感器測量X軸靈敏度(Ex)和Z軸靈敏度(Ez)的靈敏度比(Ex/Ez)，并且確定靈敏度比的平均值。附圖7是表示靈敏度比(Ex/Ez)相對于窄部長度的關系的曲線圖。如該曲線圖中所示，即使當該窄部的長度從200μm變化到400μm時，靈敏度也不會受到很大地影響。
實例3實例3的半導體加速度傳感器具有與實例1形狀不同的撓性臂。如附圖8的透視圖中所示，在根據實例3的半導體加速度傳感器的撓性臂中，寬部211’和212’和窄部213’具有相等的寬度110μm。窄部213’比寬部211’和212’更薄。寬部的厚度為8μm，窄部的厚度從1.74μm到8μm變化。
制造二十個加速度傳感器，其中寬部的橫截面積(b)和窄部的橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)從1到4.6變化，評估靈敏度和沖擊阻力。該加速度傳感器放置在附圖15所示的保護殼體中。通過粘合劑將支撐框架的底部固定在保護殼體的底板上，塊部分和保護殼體之間的間隙設定為10μm。加速度傳感器上的保護板和塊部分的頂面之間的間隙設定為10μm。當將該加速度傳感器附著于振動器并且施加20G的加速度時，測量X、Y和Z軸的輸出，對于每個加速度傳感器測量X軸靈敏度(Ex)和Z軸靈敏度(Ez)的靈敏度比(Ex/Ez)，確定該靈敏度比的平均值。
附圖9是表示X軸靈敏度(Ex)和Z軸靈敏度(Ez)的測量到的靈敏度比(Ex/Ez)與撓性臂的寬部橫截面積(b)和窄部橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)之間的關系的曲線圖。如在該曲線圖中所示，當橫截面積比(b/a)超過3.6時，靈敏度比超過1.25。這樣，在橫截面積比(b/a)為1.1和3.5之間得到優選的靈敏度比(Ex/Ez)。在橫截面積比(b/a)為1.5和2.5之間得到更優選的靈敏度比(Ex/Ez)。將附圖6的曲線圖與附圖9的曲線圖比較，可以發現，在本發明中，通過減少寬度或厚度都可以使撓性臂的窄部的橫截面積小于寬部的橫截面積。
關于沖擊阻力測試結果，在施加沖擊之后，二十個加速度傳感器中的兩個沒有輸出，其具有4.2的橫截面積比，二十個加速度傳感器中的六個沒有輸出，其具有4.5的橫截面積比。具有橫截面積比為3.5或更小的加速度傳感器沒有被破壞。可以理解，通過減少窄部的厚度并且將橫截面積比設置在3.6或更大惡化了靈敏度比和沖擊阻力。
實例4實例4的半導體加速度傳感器具有實例3不同形狀的撓性臂。如圖10的透視圖所示，在根據實例4的半導體加速度傳感器的撓性臂中，窄部213”寬度和厚度都小于寬部211”和212”。制造二十個加速度傳感器，其中寬部的橫截面積(b)和窄部的橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)從1到4.7變化，評估靈敏度和沖擊阻力。將該加速度傳感器放置在附圖15所示的保護殼體中。通過粘合劑將支撐框架的底部固定在保護殼體中的底板上，并且塊部分和保護殼體之間的間隙設定為10μm。該加速度傳感器上的保護板和該塊部分的頂面之間的間隙設定為10μm。當將該加速度傳感器附著于振動器并且應用20G的加速度時，測量X、Y和Z軸的輸出，對每個加速度傳感器測量X軸靈敏度(Ex)和Z軸靈敏度(Ez)的靈敏度比(Ex/Ez)，并且確定靈敏度比的平均值。
附圖11是表示X測量到的軸靈敏度(Ex)與Z軸靈敏度(Ez)的靈敏度比(Ex/Ez)與撓性臂的寬部的橫截面積(b)和窄部的橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)之間的關系的曲線圖。如該曲線圖中所示，當橫截面積比(b/a)超過3.6時，靈敏度比超過1.25。這樣，在橫截面積比(b/a)為1.1和3.5之間得到優選的靈敏度比(Ex/Ez)。在橫截面積比(b/a)為1.5和2.5之間得到更優選的靈敏度比(Ex/Ez)。
關于沖擊阻力測試結果，在應用沖擊之后，二十個加速度傳感器中的三個沒有輸出，其具有4.3的橫截面積比，二十個加速度傳感器中的五個沒有輸出，其具有4.7的橫截面積比。具有3.5或更少的橫截面積比的加速度傳感器沒有被破壞。可以理解，通過減少窄部的厚度并且將橫截面積比設為3.6或更大惡化了靈敏度比和沖擊阻力。
實例5關于實例1中使用的半導體加速度傳感器，準備1000個半導體加速度傳感器，其中撓性臂的寬部的橫截面積(b)和窄部的橫截面積(a)的橫截面積比(b/a)大約為2.1，準備1000個附圖16的傳統的加速度傳感器。測量該加速度傳感器的靈敏度、偏移(offset)電壓以及偏移電壓的溫度特性。在下面的測量中將該加速度傳感器附著于附圖15的保護殼體具體測量如下將該加速度傳感器附著于振動器，施加20G的加速度，同時將5V的電壓(Vin)施加于全橋電路，并且測量X、Y和Z軸的輸出來確定對于1G的靈敏度。該靈敏度由對于1G的輸出電壓(h mV)表示。通過傾斜該加速度傳感器，同時將5V的電壓(Vin)施加到全橋電路，并且利用由該傾斜造成的1G重力加速度測量偏移電壓。該偏移電壓的溫度特性測量如下在施加5V的驅動電壓期間，將該傾斜的加速度傳感器支撐并放置在恒溫箱中，溫度從-40℃到95℃變化。該偏離電壓的溫度特性由轉變成誤差比的加速度(Y％)表示。通過對于1G的輸出電壓(h mV)以及T℃時的偏移電壓(j mV)和25℃時的偏移電壓(k mV)之間的差異確定溫度特性。也就是說，通過Y＝(j-k)/h(％)得到溫度特性。例如，在加速度傳感器在1G時具有3.6mV的輸出電壓(h)的情況下，當25℃時偏移電壓(k)是2mV，當80℃時偏移電壓(j)是3mV，得到Y＝(3-2)/3.6≈0.28＝28％。得到的28％表示在溫度差異在80℃和25℃之間的情況下，出現了0.28G的檢測誤差。將三十個加速度傳感器用于偏移電壓的溫度特性的每個測量。
附圖12表示X軸靈敏度(對于1G的輸出電壓(h mV))。由于X、Y和Z軸在靈敏度分布上相同，因而僅表示X軸靈敏度。白條表示本發明的結果，黑條表示傳統的產品的結果。傳統的加速度傳感器的靈敏度的平均值是3.6mV，而本發明的靈敏度的平均值是4.4mV，這意味著得到大約高1.22倍的靈敏度。本發明是這樣實現的通過縮短壓電電阻，并且將該壓電電阻放置在撓性臂上的應變集中區域，以將比傳統的產品更大的應力施加于該壓電電阻。在本發明中，該加速度傳感器的靈敏度具有更小的分布寬度。靈敏度的分布寬度通過從撓性臂消除接頭(joint)而減少，其中該壓電電阻經金屬線通過絕緣層的通孔連接。通過消除該接頭，能夠阻止歸因于通孔的形狀和尺寸以及金屬線厚度的變化的輸出電壓波動。
附圖13A表示本發明的偏移電壓分布。附圖13B表示傳統的偏移電壓分布。本發明的加速度傳感器的偏移電壓從-4.2mV到4.6mV分布。傳統的產品的偏移電壓從-9.7mV到9.5mV分布，其分布范圍大于本發明的兩倍。通過從撓性臂消除接頭，其中將具有不同熱膨脹系數和應力的材料結合在一個復雜的形狀中，能夠阻止該接頭在該撓性臂的變形期間妨礙變形，由此減少偏移電壓。
附圖14表示偏移電壓的溫度特性。該溫度特性由轉換成誤差比(％)的加速度表示。附圖14A表示本發明的結果，附圖14B表示傳統產品的結果。在附圖14A和14B中的每個中顯示了八個例子的數據。每個溫度的偏移電壓由轉換成相對于25℃時的偏移電壓的誤差比(％)的加速度表示。加速度傳感器的溫度從-40℃到95℃變化。附圖14A的本發明的加速度傳感器具有是附圖14B的傳統的產品的一半或更小的轉變成誤差比的加速度。傳統產品的轉變成誤差比的加速度非線性地變化，而本發明的轉換成誤差比的加速度被線性化，使得能夠以線性函數近似。線性函數能夠以簡單的校正電路實現簡單的校正。通過從撓性臂消除接頭，相對于溫度的變化轉變成誤差比的加速度的變化減少，并且該變化被線性化，以便能夠以線性函數近似。
權利要求
1.一種半導體加速度傳感器，包括塊部分，該塊部分設置在該加速度傳感器的中心并且具有頂面；支撐框架，該支撐框架以離該塊部分預定距離圍繞該塊部分并且具有頂面；以及多個撓性臂，每個撓性臂從該塊部分的頂面的邊緣延伸，橋接該塊部分的頂面和該支撐框架的內邊緣，并且在該支撐框架內懸掛該塊部分；其中該多個撓性臂中的每一個包括兩個寬部，該兩個寬部是該撓性臂的兩個端部，該兩個寬部接觸該撓性臂和該支撐框架或該塊部分之間的邊界，并且具有垂直于該撓性臂的縱向的橫截面積；以及窄部，該窄部是位于該撓性臂的兩端的兩個寬部之間的該撓性臂的一部分，該窄部具有垂直于該撓性臂的縱向并且小于該寬部的橫截面積的橫截面積；其中該多個撓性臂中的每一個的頂面包括壓電電阻，每個壓電電阻具有在該支撐框架或塊部分的頂面的兩個端子，該壓電電阻從該兩個端子在該撓性臂的縱向上延伸，并且限制地設置在該撓性臂的寬部的頂面區域內，以及多個金屬線，該多個金屬線設置在該撓性臂的頂面并且相對于該撓性臂的頂面的中心線對稱，每個金屬線在該撓性臂的縱向上通過該撓性臂的窄部的頂面從該撓性臂的一個寬部的頂面延伸到該撓性臂的另一個寬部的頂面；以及其中每個壓電電阻包括至少兩個壓電子電阻，該至少兩個壓電子電阻相對于該撓性臂的中心線對稱地設置，并且每個壓電子電阻在該撓性臂的縱向上延伸；以及高濃度擴散層，除了該壓電電阻的兩個端子，該高濃度擴散層連接該壓電子電阻的每兩端，以便在該壓電電阻的兩個端子之間串聯該壓電子電阻。
2.如權利要求1所述的半導體加速度傳感器，其中該塊部分、該支撐臂和該多個撓性臂由單晶硅整體地構成，并且該壓電子電阻和高濃度擴散層通過在形成該撓性臂的單晶硅的一部分上摻雜周期表的III族或V族元素構成。
3.如權利要求2所述的半導體加速度傳感器，其中該多個金屬線中的至少一個是偽金屬線，該偽金屬線不連接到該壓電電阻的任何端子。
4.如權利要求2所述的半導體加速度傳感器，其中該多個撓性臂中的兩個在該塊部分的頂面沿兩個正交方向中的一個延伸，該多個撓性臂中的另兩個在該塊部分的頂面沿該兩個正交方向中的另一個延伸，并且該多個撓性臂中的每一個在該多個金屬線的結構上與任何其它撓性臂基本上相同。
5.如權利要求3所述的半導體加速度傳感器，其中該多個撓性臂中的兩個在該塊部分的頂面沿兩個正交方向中的一個延伸，該多個撓性臂中的另兩個在該塊部分的頂面沿該兩個正交方向中的另一個延伸，并且該多個撓性臂中的每一個在該多個金屬線的結構上與其它任何撓性臂基本上相同。
6.如權利要求1所述的半導體加速度傳感器，其中該多個撓性臂中的每一個的寬部的橫截面積是該窄部的橫截面積的1.1到3.5倍。
7.如權利要求6所述的半導體加速度傳感器，其中該多個撓性臂中的每一個的寬部的橫截面積是該窄部的橫截面積的1.5到2.5倍。
8.一種半導體加速度傳感器，包括塊部分，該塊部分設置在該加速度傳感器的中心并且具有頂面；支撐框架，該支撐框架以離該塊部分預定距離圍繞該塊部分并且具有頂面；以及四個撓性臂，每個撓性臂從該塊部分的頂面的邊緣延伸，橋接該塊部分的頂面和該支撐框架的內邊緣，并且在該支撐框架內懸掛該塊部分；該四個撓性臂中的兩個在該塊部分的頂面沿兩個正交方向中的一個延伸，該四個撓性臂中的另兩個在該塊部分的頂面沿該兩個正交方向中的另一個延伸；其中該四個撓性臂中的每個包括兩個寬部，該兩個寬部是該撓性臂的兩個端部，該兩個寬部接觸該撓性臂和該支撐框架或該塊部分之間的邊界，并且具有垂直于該撓性臂的縱向的橫截面積；以及窄部，該窄部是位于該撓性臂的兩端的兩個寬部之間的該撓性臂的一部分，該窄部具有垂直于該撓性臂的縱向并且小于該寬部的橫截面積的橫截面積；其中該四個撓性臂中的兩個的頂面每個包括用于檢測該撓性臂縱向的加速度分量的壓電電阻，和用于檢測垂直于該塊部分的頂面的加速度分量的壓電電阻，壓電電阻中的每個在該支撐框架或塊部分的頂面上具有兩個端子，在該撓性臂的縱向上從該兩個端子延伸，并且限制地設置在該撓性臂的寬部的頂面區域內，以及多個金屬線，該多個金屬線設置在該撓性臂的頂面，并且相對于該撓性臂的頂面的中心線對稱，每個金屬線在該撓性臂的縱向上通過該撓性臂的窄部的頂面從該撓性臂的一個寬部的頂面延伸到該撓性臂的另一介寬部的頂面，該多個金屬線中的至少一個連接到設置在該撓性臂的頂面上的該壓電電阻的端子中的至少一個；其中該四個撓性臂中的另兩個的頂面的每個包括用于檢測該撓性臂縱向的加速度分量的壓電電阻，每個壓電電阻在該支撐框架或塊部分的頂面具有兩個端子，在該撓性臂的縱向上從該兩個端子延伸，并且限制地設置在該撓性臂的寬部的頂面區域內，以及多個金屬線，該多個金屬線設置在該撓性臂的頂面，并且相對于該撓性臂的頂面的中心線對稱，每個金屬線在該撓性臂的縱向上通過該撓性臂的窄部的頂面從該撓性臂的一個寬部的頂面延伸到該撓性臂的另一個寬部的頂面，該多個金屬線中的至少一個連接到設置在該撓性臂的頂面上的該壓電電阻的端子中的至少一個；其中每個壓電電阻包括至少兩個壓電子電阻，該至少兩個壓電子電阻相對于該撓性臂的頂面的中心線對稱地設置，每個壓電子電阻在該撓性臂的縱向上延伸；以及高濃度擴散層，除了該壓電電阻的兩個端子，該高濃度擴散層連接該壓電子電阻的每兩端，以便在該壓電電阻的兩個端子之間串聯該壓電子電阻；以及其中該四個撓性臂中的每一個在該金屬線的結構上與任何其它撓性臂基本上相同。
9.如權利要求8所述的半導體加速度傳感器，其中該塊部分、該支撐臂和該四個撓性臂由單晶硅整體地構成，并且該壓電子電阻和該高濃度擴散層通過在形成該撓性臂的單晶硅的一部分上摻雜周期表的III族或V族元素構成。
10.如權利要求9所述的半導體加速度傳感器，其中該四個撓性臂中的另兩個在該頂面上具有的該多個金屬線中的兩個是偽金屬線，該偽金屬線不連接到該壓電電阻中的任何端子。
11.如權利要求9所述的半導體加速度傳感器，其中該四個撓性臂中的每個的寬部的橫截面積是該窄部的1.1到3.5倍。
12.如權利要求11所述的半導體加速度傳感器，其中該四個撓性臂中的每個的寬部的橫截面積是該窄部的1.5到2.5倍。
全文摘要
公開了一種半導體加速度傳感器，其在X、Y和Z軸之中的加速度檢測靈敏度上具有較小的差異，并且具有較高的檢測靈敏度。該加速度傳感器具有在其中心的塊部分，圍繞該塊部分的支撐框架，以及連接該塊部分和支撐框架的多個撓性臂。撓性臂在兩端具有寬部，以及在該寬卻之間的窄部。壓電電阻限制地提供在該撓性臂的寬部的頂面區域內，并且在該塊部分/支撐框架上布置連接金屬線和壓電電阻的通孔。該多個撓性臂相對于該塊部分的中心是對稱的，并且每個撓性臂相對于該撓性臂的中心線是對稱的。
文檔編號G01P15/18GK1776434SQ200510131590
公開日2006年5月24日 申請日期2005年9月29日 優先權日2004年9月30日
發明者池田由夫, 細田雅之, 坂口勇夫, 齋藤正勝 申請人:日立金屬株式會社
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