专利名称：单轴加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单轴加速度传感器。
背景技术：
诸如加速度传感器、振动陀螺仪和振动传感器这样的微机电系统(MEMS)传感器 是常规已知的，这些MEMS传感器将联接到质量体的柔性梁的位移转换为电信号。硅处理技 术(silicon processing technology)已经被充分地开发出且伴有集成电路的进步，且适 用于制造MEMS。硅中的载荷子(电子、空穴)受到应力施加(stress application)的影 响。电子运动性随着沿迁移方向的拉应力的增加而增加，且随着沿迁移方向的压应力的增 加而减小。空穴运动性随沿迁移方向的压应力的增加而增加，且随沿迁移方向的拉应力的 增加而减小。在半导体层以凸面形状变形时，半导体层的表面受到拉应力，且在半导体层以 凹面形状变形时半导体层的表面受到压应力。在半导体中的载荷子可运动性的变化可以通 过在受到较强应力的硅区域中采用诸如电阻器或MOS转变器这样的半导体装置来检测。例 如，通过检测由应力引起的电阻值(压电电阻器)的变化来检测加速度。质量体联接到柔 性梁的一端，该柔性梁在另一端被支撑件等支撑。因为质量体具有惯性，所以在支撑件运动 时，柔性梁变形并接收到应力。因为柔性梁的横截面面积被制造得较小，所以每单位横截面 面积的应力变得较大且变形量变得较大。通常，压电电阻器形成在柔性梁上，以便检测加速度。考虑到制造过程的便利性， 需要的是压电电阻器和配线形成在柔性梁的前表面上。为了改善检测精度，通常通过四个 压电电阻器形成桥接电路。例如，四个压电电阻器形成在沿宽度方向的在柔性梁相对端附 近的两个边缘处。在施加某种应力时电阻值增加的电阻器和电阻值降低的电阻器被串序地 连接。两个串序连接结构在供电配线之间沿反并联的方向连接。检测相应串序连接结构中 互连点之间的电压差。存在用于检测一维方向加速度的加速度传感器和用于检测沿二维或三维方向的 加速度的加速度传感器。需要的是仅沿预定方向检测加速度而不响应其他方向加速度的一 维加速度传感器。JP-A-8-160066提出了一种悬臂式加速度传感器，包括固定部分、通过加速度可动 的配重件、连接到固定部分和配重件的柔性梁和设置在柔性梁中的电阻器元件，通过处理 硅基板形成，其中，沿垂直于硅基板厚度方向的宽度方向，柔性梁比配重件窄，且沿硅基板 的厚度方向柔性梁具有与配重件相同的厚度。配重件的重心排布在柔性梁中心线的延长线 上。柔性梁可在基板表面的平面内方向沿宽度方向变形，且因沿柔性梁的纵向方向的加速 度造成的变形受到抑制。两对电阻器元件形成在临近固定部分并临近配重件的两边缘区域 处的柔性梁表面区域中。因为柔性梁沿宽度方向弯曲和变形，所以在一个边缘处两个电阻 器元件和在另一边缘处的两个电阻器元件被拉伸。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有新颖结构的单轴加速度传感器。根据本发明的一个方面，提供一种一维加速度传感器，包括用具有恒定厚度的半导体基板制成的结构，包括用半导体基板制成的支撑件，通过第一穿通沟道构图，除了设置在第一穿通沟道 外侧且设置有连结垫的部分以外，该第一穿通沟道延伸穿过半导体基板；柔性梁，通过与第一穿通沟道的两相对端连续的一对第二穿通沟道构图，第二穿 通沟道沿一个方向在支撑件内延伸并穿过半导体基板，柔性梁具有比半导体基板的厚度小 得多的宽度，柔性梁从支撑件沿一个方向延伸，且具有设置在柔性梁近侧的两个边缘处以 及设置在柔性梁远侧的两个边缘处的四个压电电阻器；和配重件，与柔性梁的远端连续，配重件通过第一穿通沟道和第二穿通沟道构图，配 重件具有在支撑件内的一对对称的第一部分和与一对第一部分联接的第二部分，一对对称 的第一部分将柔性梁夹在它们之间，且配重件具有在柔性梁纵向中心线上并在比柔性梁的 远端更靠近近侧一位置处的重心；和其中，该一维加速度传感器还包括配线，该配线在半导体基板上方且用同一配线 层形成，配线将四个压电电阻器中的、在同一边缘处的两个压电电阻器每一个串序连接，用 四个压电电阻器形成桥接电路，且配线将压电电阻器的相互连接点引导到连结垫。
图IA和IB是根据第一实施例的单轴加速度传感器的平面图和横截面视图；图IC 和ID是显示了柔性梁的结构和工作方式的示意性平面图；图IE是显示了模拟结果的视图， 且图IF和IG是压电电阻器和配线的平面图和等效电路图。图2A、2B和2C是显示了第一实施例的修改例的平面图。图3A和3B是显示了由本发明的发明人作出的分析和研究的平面图。图4A到4E是显示了根据本发明第一实施例的加速度传感器的制造过程的横截面图。图5A和5B是根据第二实施例的加速度传感器的横截面视图和平面图。图6A、6B和6C是显示了第二实施例的修改例的平面图。
具体实施例方式现在假设例如通过使用硅基板来制造单轴加速度传感器。在硅基板平面内限定χ 轴和y轴，且沿厚度方向限定ζ轴。构造y方向单轴加速度传感器，其方式是具有比沿ζ方向 厚度小得多的沿y方向宽度的柔性梁沿χ方向延伸，并联接支撑件和配重件(质量部分)。 支撑件联接到诸如壳体这样的固定部分。柔性梁和配重件的厚度相等，且配重件的重心与 沿χ方向延伸的柔性梁的延长线对准。对χ方向加速度的反应由此基本上受到抑制，且能 降低噪声。通过使柔性梁难以沿ζ方向弯曲而对ζ方向加速度的反应进行抑制。因此，需 要的是在梁横截面区域中使得y方向的尺寸显著地小于ζ方向的尺寸(基板厚度)。柔性 梁在xy平面内的形状被选择为能确保y方向的柔性，并允许在两边缘处的相对端处制造压 电电阻器。桥接电路通过串序连接电阻器并通过反并联(antiparallel)地连接两个串序 连接结构来形成，所述电阻器在应力导致电阻值改变的情况下具有相反的极性。
在配重件联接到柔性梁远端且通过加速度产生的力作用在柔性梁远端上的结构 中，当配重件被沿柔性梁的宽度方向驱动时，柔性梁以弓形形状变形。位于在弓形形状内侧 上的两个电阻器接收压应力且以一种极性改变电阻值(增加或减小)，且位于在弓形形状 外侧上的两个电阻器接收拉应力且以相反极性改变电阻值(减小或增加)。如果四个压电 电阻器用P型硅制造，则接收压应力的电阻器减小其电阻值，而接收拉应力的电阻器增加 其电阻值。现在考虑用于连接四个压电电阻器和将配线引导到连接垫的配线布置结构。假 设每条配线不是形成为骑跨在压电电阻器上。如图3A所示，四个电阻器Rl到R4形成在柔性梁FB两边缘处的近端和远端处。假 设配线Wl形成为用于将表现出以相反极性改变电阻值的电阻器Rl和R2串序连接，且用于 将串序连接结构的相对端子和电阻器的相互连接点连接到连结垫BP。电阻器Rl和R2和将 电阻器Rl和R2连接的配线Wl与柔性梁FB的整个宽度成横向。当配线W2要被形成为将 在柔性梁两边缘处的远端处的、表现出沿相反极性改变电阻值的电阻器R3和R4串序连接， 并用于将串序连接结构的相互连接点和端部端子引出到连结垫BP时，配线W2应与配线Wl 相交叉。即，需要交叉的配线。需要至少两个配线层来形成交叉配线。如果配线空间形成 在柔性梁的边缘和压电电阻器之间，则可以通过使用一个配线层来形成桥接电路。但是，当 压电电阻器从柔性梁的边缘移位离开时，最重要测量精确性会降低。替换地，当电阻器Rl 和R4以及电阻器R2和R3串序连接时，也需要交叉配线。本发明的发明人已经研究了柔性梁在接收到加速度时以字母S形状变形的情况。 当柔性梁以字母S的形状变形时，在柔性梁的远端半部和近端半部之间变形(凸起方向) 相反。当变形量被表示为是距柔性梁一个端部的纵向距离的函数时，二次微分或导数将具 有相反的符号(正号和负号)。在这种情况下，形成在梁的两边缘上同一纵向位置处的电阻 器的电阻值将以相反的极性变化，类似于弓形变形。但是，形成在梁的远端和近端处同一边 缘处的两电阻器的电阻值也将以相反的极性变化。在形成在柔性梁的四个角部处的电阻器 中，在对角位置处的两电阻器将以相同的极性变化电阻值，且沿边缘或按照宽度的相邻电 阻器将以相反的极性改变电阻值。当沿边缘的相邻电阻器串序连接时，配线可被构造为沿 梁的纵向方向，消除了交叉配线。还有在字母S形的变形中，即使柔性梁远端的运动距离相 同，柔性梁远端处的角度变化也会变小。如图3B所示，当形成在柔性梁FB各同一边缘处的压电电阻器Rl和R3以及压电电 阻器R2和R4将呈现以相反极性改变的电阻时，在同一边缘处的相应两压电电阻器串序连 接。这些配线可以基本沿同一边缘设置。因此配线不必沿宽度方向横向于柔性梁。交叉配 线不是必须的，甚至在配重件W附近的远端处的压电电阻器R3和R4相互连接，且相互连接 点被引出到连结垫BP时也是如此。可以采用单层配线。还可以使得柔性梁FB末端处的角 度变化很小。配重件M的角度变化因此较小。甚至在配重件因冲击力而撞在支撑件上时， 诸如在配重件角部处的缺陷和裂纹这样的损坏也很少能发生。第一实施例图IA是根据第一实施例的单轴加速度传感器的示意性俯视图。图IB是图IA中 沿线IB-IB截取的横截面视图。y方向加速度传感器形成在矩形硅基板1上。硅基板1具 有沿ζ方向的预定厚度。矩形的横向方向由χ方向代表，且其垂直方向由y方向代表。沿 将硅基板1的相对垂直(y方向)侧边的中心相互连接的中心线，形成一对穿通沟道40，该一对穿通沟道沿χ方向笔直向前延伸，以在穿通沟道40之间构图出沿χ方向延伸的柔性梁 FB。柔性梁FB具有沿y方向的基本恒定的宽度。穿通沟道50沿硅基板的左侧形成，从穿 通沟道40的两个左侧端开始沿向上、向下方向形成相同的长度。穿通沟道50随后按符合 硅基板左侧角部的方式以直角弯曲并沿向右方向延伸相同的长度，且随后进一步按符合硅 基板右侧角部的方式以直角弯曲并沿垂直方向延伸相同的长度，以最终在硅基板1的右侧 区域中结合。图IB显示了氧化硅膜11和氮化硅膜12形成在硅基板1的表面上的状态。穿通 沟道40和50穿过氮化硅膜12、氧化硅膜11和硅基板1形成。形成在一对穿通沟道40之 间的柔性梁FB具有比厚度小得多的宽度，且优选地沿宽度方向可变形。硅基板1在穿通沟 道50以外的区域构成支撑件S，该支撑件要被连接到诸如壳体H这样的固定部分。穿通沟 道40和50之间的区域构成配重件(质量体)M。配重件M通过穿通沟道50与支撑件S分 开，且通过穿通沟道40与柔性梁FB分开。如图IA所示，配重件M仅经由柔性梁FB在物理 上被支撑件S支撑。在配重件M沿y方向运动时，穿通沟道40和50的宽度改变。如图IA 所示，柔性梁FB的左端与支撑件S连续，且其右端与配重件M连续。通过沿y方向穿过柔性梁的右端的直线将配重件M分成在左侧的第一部件Ml和 在右侧的第二部件M2，构成第一部件Ml的一对相对的第一部分Mla和Mlb夹着柔性梁FB， 而在右侧上的第二部件M2构成将柔性梁FB的远端与第一部分Mla和Mlb联接的联接部 分。一对第一部分Mla和Mlb具有相对于柔性梁FB的纵向中心线镜像对称或线对称的形 状。第二部件M2也具有相对于柔性梁FB的纵向中心线镜像对称或线对称的形状。以该形 状，柔性梁(更严格地说是形成在柔性梁上的加速度传感器)将基本不会对沿χ方向的加 速度作出响应。第一部件Ml的重心位于在柔性梁FB的χ方向长度中心附近处的y方向宽度的中 心线上(朝向右侧移过穿通沟道50宽度的一半)。第二部件M2延伸到离开柔性梁FB的远 端的区域。配重件M = M1+M2的重心从第一部件Ml的重心向右侧(朝向柔性梁的远端) 偏移。但是，配重件M的平面形状如此被选择以使得通过使得第二部件M2的χ方向宽度小 于第一部件Ml的χ方向宽度而使得配重件M的重心设置在柔性梁FB的远端或右端的左侧 上(在柔性梁FB的中心线上)。配重件M的重心设置在柔性梁FB的纵向中心线上(在纵 向中心和右端(远端)之间)。配重件对柔性梁的作用的位置(place of action)在柔性 梁的远端或右端，且配重件M的重心在柔性梁的远端或右端的左侧(-χ侧)上。由此，沿y 方向的加速度对柔性梁FB的远端施加y方向的力和在xy平面内的转矩(沿抵消由y方向 的力引起的变形的方向)。这会使得柔性梁的远端沿y方向运动，同时使柔性梁的纵向形状 以S形状变形。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)。厚度在硅基板的整个区域上不会改变。例如，配重件M的外部尺寸是800 μ m(x方 向)X800 μ m(y方向)。穿通沟道40和50具有约15 μ m的宽度，且延伸穿过硅基板(包括 氧化硅膜和氮化硅膜)。柔性梁FB具有的尺寸是30 μ m或更窄的宽度(y方向)Χ700μπι 长度(χ方向)，并沿χ方向延伸。在这种情况下，配重件M的第一部分Mla和Mlb每一个 的尺寸大约是700μπι(Χ方向)Χ400μπι(Υ方向)，且，配重件M的第二部分Μ2的尺寸是 约100μπι(Χ方向)Χ800μπι(Υ方向)。柔性梁FB的横截面尺寸是30 μ m宽或更窄(y方向)Χ625μπι厚(ζ方向，高度)，且宽度/厚度的比例为1/20或更小。半导体基板的厚度 是约600 μ m到800 μ m。可以使得厚度薄至约100 μ m。甚至在半导体基板变薄时，柔性梁 的宽度/厚度的比例也优选被设置为1/10或更小。宽度显著小于厚度。配重件M的重心 以0次近似(0th approximation)设置在800 μ m见方的中心，即在柔性梁FB的纵向中心 线上的一位置处且距离右端为约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。这些值是示例性的且没有限制性的含义。 图IC和ID是柔性梁FB的平面图和显示了加速度传感器功能的示意性平面图。电 阻器Rl、R2、R3和R4形成在支撑件S侧的端部处的两边缘部分中和形成在配重件M侧的 端部处的两边缘部分中。电阻器Rl到R4适当地合起来称为电阻器R。压电电阻器R优选 地设置在应力集中的端部和边缘部分附近。配重件M的重心G在柔性梁FB右端的左侧上。 在配重件M运动时，例如沿+y方向(粗箭头方向)，联接到配重件M的柔性梁FB的右端受 到向上的力和顺时针转矩。如果仅受到向上的力，则柔性梁FB以弓形向上变形。因为柔性 梁还受到顺时针转矩，所以柔性梁的右端向上运动且还向右下弯曲。
如图ID所示，在施加+y方向力时，柔性梁FB的左部形成向下凸的曲率，且通过顺 时针转矩，柔性梁FB的右部形成向上凸的曲率。整体上，形成字母S形的变形。因此，可以 推知电阻器Rl和R4受到压应力且电阻器R2和R3受到拉应力。这种推论得到模拟的验证。图IE显示了在施加IG加速度时的Mises应力的轮廓线的模拟结构。柔性梁具有 字母S形的变形。较高密度的黑点表示较大的Mises应力。可以观察到，应力朝向与柔性 梁的一些部分联接的支撑件S和配重件增加，即朝向柔性梁的相对端部增加。应力还沿宽 度方向朝向两边缘增加。图IF是电阻器R1、R2、R3和R4以及用于电阻器的配线的俯视图。例如，硅基板为 η型的，且电阻器Rl到R4用ρ型区域制造，该区域例如扩散有硼(B)。电阻器Rl到R4的 沿纵向方向的外端线与柔性梁FB的沿纵向方向的相对端线平齐。各个电阻器沿柔性梁的 两边缘设置。电阻器的相对端与掺入高浓度B的低电阻接触区域C毗邻。电阻器R3和R4 的远端连接到共同的接触区域Ce。形成在与配线的层相同一层中的连结垫BP设置在支撑 件S的周边或边缘区域处。电阻器R的宽度是1. 5 μ m到2. 0 μ m,且其长度约为10 μ m或更 长，该长度小于柔性梁FB长度的一半。如果长度小于10 μ m，则难以获得实际上充分的一致 性。因为相反方向的应力施加到柔性梁的支撑件侧和配重件侧，所以电阻器的长度需要比 柔性梁的长度的一半短，且更优选地该长度是柔性梁长度的三分之一或比三分之一短。需 要的是配重件M的重心定位在一中间区域中，该中间区域位于形成在支撑件S侧和配重件 W侧的柔性梁上的电阻器之间。因为具有1.5μπι到2.0μπι宽度的两个电阻器形成为沿横向方向间隔开，所以柔 性梁FB的宽度优选为5 μ m或更宽。柔性梁的横截面二阶矩与柔性梁FB宽度的立方(三 次方)成比例。当柔性梁FB的宽度超过30 μ m时，需要非常重的重量来获得必要的灵敏 度。例如，当柔性梁宽度为30 μ m时，将需要30mm见方的装置尺寸来实现类似于具有宽度 为10 μ m的柔性梁的Imm见方的装置尺寸的灵敏度。柔性梁宽度由此优选是5 μ m或更宽 和20 μ m或更窄。三条配线形成在柔性梁FB上笔直向前的配线W3，用于串序连接电阻器Rl和R3 并将其相互连接点引导到支撑件S;笔直向前的配线W5，用于串序连接电阻器R2和R4并将
8其相互连接点引导到支撑件S;和笔直向前的配线W4，用于将两个电阻器R3和R4的共同的 接触区域(相互连接点)引导到支撑件S。用于引导电阻器Rl和R2的近侧端子的配线W6 和W7额外地形成在支撑件S上。配线W3到W7以最少的弯折部分连接到支撑件S上的连 结垫BP。因为没有使用交叉配线，所以可以通过用一个层制造的配线来形成用于桥接电路 的配线。使用具有简单形状的一个配线构图掩模就足够了。图IG是桥接电路的等效电路图。电阻器Rl和R3以及电阻器R2和R4构成两个 串序连接结构。电压计V连接在两个串序连接结构的相互连接点之间(经由连结垫)。电 阻器R3和R4共同连接并连接到DC电源Vdc的正端子(经由连结垫)，且在另一端上的电 阻器Rl和R2连接到DC电源的负端子(例如地)(经由连结垫)。如图IC所示，当配重件M受到沿+y方向的加速度时(相对于支撑件S的沿y方 向加速度的反作用)，柔性梁FB以字母S形变形，电阻器Rl和R4受到压应力并降低电阻 值，而电阻器R2和R3受到拉应力并增加电阻值。跨过桥接电路电压计V的端子的电压增 加，以使得能检测到应力。如果加速度具有相反的方向，则所检测电压的极性颠倒。尽管已经描述了硅基板的矩形平面形状，但是平面形状并不限于矩形。图2A显示了硅基板的修改例，具有等腰三角形平面形状。除了底侧的中心区域 外，穿通沟道50沿等腰三角形基板1的外侧形成，且支撑件S被构图在穿通沟道50的外侧。 与穿通沟道50的端部连续的、沿χ方向的一对穿通沟道40形成为将柔性梁FB构图在穿通 沟道40之间。配重件M被构图在支撑件S和柔性梁FB之间。柔性梁FB从三角形的底边 中心朝向顶点延伸，且与配重件M连续。类似于第一实施例，半导体晶片区域能被有效地使 用。当配重件被经过柔性梁右端的y方向直线分开成在左侧的第一部件和在右侧的第二部 件时，构成第一部件的一对第一部分Mla和Mlb具有相对于柔性梁FB的中心线成线对称或 镜像对称的形状，且第二部件M2也具有相对于柔性梁FB的中心线成线对称或镜像对称的 形状，类似于第一实施例。该修改例具有的特点是，配重件M的y方向的宽度朝向近端侧线 性地增加，且重心G易于设置在三角形的底侧上。在上述结构中，配重件的每个角部形成直角或锐角。图2B和2C显示了配重件的角部被倒圆以便缓解撞击时的冲击的结构。该修改例 可在必要时使用。可以仅一些角部被倒圆且其余角部可以不是倒圆的。图4A到4E是解释加速度传感器的制造方法的截面图。如图4A所示，光致抗蚀剂图案PRl形成在η型单晶硅基板1上，且ρ型掺杂离子 以高浓度注入到硅基板1的表面层上，以形成用作接触区域C的低电阻部分60。例如，作为 P型掺杂物的硼(B)离子以2X102°/cm3的浓度注入。在光致抗蚀剂图案PRl去除之后，执 行退火(annealing)，以激活注入的ρ型掺杂物B。如图4Β所示，新的光致抗蚀剂图案PR2形成在硅基板1上，且掺杂物注入到硅基 板1的暴露在光致抗蚀剂图案PR2开口中的表面层中，以形成压电电阻器元件Rl到R4。例 如，B离子以2Χ 1018/cm3的浓度注入，光致抗蚀剂图案PR2随后被去除，且执行退火来激活 P型掺杂物B。如图4C所示，绝缘层11形成在硅基板1的表面上。光致抗蚀剂图案PR3形成在 绝缘层11上，且绝缘层11被蚀刻以形成接触孔HI。作为绝缘膜11，例如，具有Iym厚度 的SiO2膜或SixNy膜通过等离子增强化学气相沉积(PE-CVD)形成。SiOx膜也可以通过低压(LP)CVD形成。例如，接触孔Hl通过使用CHF3W反应离子蚀刻形成。光致抗蚀剂图案 PR3随后被去除。如图4D所示，配线层形成在绝缘层11，且通过使用光致抗蚀剂图案PR4，配线层被 蚀刻为构图出配线13和连结垫13。例如，0.6μπι厚的Al层用作配线层。具有300�：穸� 的Ti膜可在Al膜形成之前形成为粘结层。TiNx膜可以在Al膜形成之前形成为屏障金属 层(barrier metal layer)。诸如AlSi和AlSiCu这样的Al合金也可用于替代Al。在蚀 刻配线层的过程中，例如，采用使用Cl2气体的反应离子蚀刻。在配线层被蚀刻且配线13和 连结垫13形成之后，光致抗蚀剂图案PR4被去除。钝化层12形成为覆盖绝缘膜11、配线13和连结垫13。通过使用光致抗蚀剂图案， 钝化层12被蚀刻以形成将连结垫13 (图IF中的BP)露出的开口。光致抗蚀剂图案随后被 去除。在蚀刻钝化层12时，采用使用CHF3的反应离子蚀刻。如图4E所示，具有用于形成穿通沟道的开口的光致抗蚀剂图案PR5形成在钝化层 12上。使用光致抗蚀剂图案PR5，蚀刻钝化层12、绝缘层11和硅基板1以形成穿通沟道(图 1中的40、50)，且构图出支撑件S、柔性梁FB和配重件M。更具体地，例如，执行使用CHF3的 反应离子蚀刻来蚀刻钝化层12和绝缘层11。接下来，通过深度RIE并通过使用作为掩模的 绝缘层11、钝化层12和光致抗蚀剂图案PR5来蚀刻硅基板1。对于深度RIE，使用Bosch方 法，其在短时间内交替地重复通过C4F8进行的保护过程和通过SF6等离子进行的蚀刻过程。 在蚀刻完成之后，光致抗蚀剂图案PR5被去除。通过这些过程，可以制造如图IA到IF所示 的加速度传感器。第二实施例图5A和5B是显示了第二实施例的加速度传感器2的平面图和横截面图。加速度 传感器2具有两个柔性梁FB 1和FB2，它们沿纵向方向平行并联接配重件M和支撑件S。每 个柔性梁具有四个压电电阻器(Rl到R4，R5到R8)，用于构成桥接电路。每个柔性梁FB的 结构类似于第一实施例的。半导体基板的层叠结构与第一实施例是相同的。操作在配重件M沿y轴方向加速时，因为配重件M经由多个平行的柔性梁联接到支撑 件S，所述柔性梁限制配重件的旋转运动，所以配重件M沿y轴方向平移。柔性梁FB 1和 FB2由此基本以字母S形状变形。类似于第一实施例，因此可以通过将在同一边缘附近的压 电电阻元件串序连接来构成桥接电路。仅使用一层配线层。因为可以将两个柔性梁的应力 平均以得出加速度，所以可以改善S/N比例。制造方法压电电阻器元件Rl到R4和R5到R8以及用作接触区域的低电阻部分60形成基 于柔性梁FBl和FB2的位置和尺寸设计的位置处。光致抗蚀剂图案PR5的开口被设计为用 于构图出第二实施例的柔性梁FBl和FB2、配重件M和支撑件S，以蚀刻硅基板1、绝缘层11 和钝化层12。修改例图6A、6B和6C是显示了第二实施例修改例的平面图。在图6A到6C中仅绘制了 支撑件S、柔性梁FBl和FB2和配重件M(每条边界通过虚线表示)。在图6A所示的修改例 中，配重件M的左侧朝向支撑件S突出。类似于第一实施例，由此可以增加配重件M的质量
10并在有限的空间中延长出柔性梁FBl和F2。在图6B所示的修改例中，两个柔性梁FBl和FB2设置在比配重件M的上侧和下侧 更靠内的位置处。可以认为这种结构是通过形成两套第一实施例中的柔性梁FB和配重件 M并将两个配重件相结合而形成的。沟道的数目增加超过图6A中配重件的数目，且配重件 侧表面的面积增加，以使得能增强空气缓冲效果。例如，特定频率的振动能被快速地衰减。在图6C所示的实施例中，柔性梁FBl和FB2的宽度随沿纵向方向的位置而改变。 在柔性梁FBl和FB2的端部处的宽度W5比在中心部分处的宽度W6小。因为力沿y轴方向 施加到配重件M，因此易于在柔性梁FBl和FB2的端部中形成变形。本发明的公开范围并不限于上述实施例。例如，实施例中所描述的材料、尺寸、形 状、膜形成方法和图案转印(pattern transfer)方法仅是示例性的。上述加速度传感器可 以通过以下制造方法制造。首先，绝缘层11形成在硅基板1的表面上，与接触区域对应的 开口穿过绝缘层11形成。光致抗蚀剂图案形成在绝缘层11的表面上，该光致抗蚀剂图案 具有与要被形成低电阻部分60和压电电阻器Rx元件的区域对应的开口。例如，B离子以允 许穿过绝缘层的加速度能量注入。例如，B离子以6X102°/cm3的浓度注入到接触区域。压 电电阻元件区域也可以被穿过绝缘层注入，且可具有2X 1018/cm3的浓度，因为一些离子会 被绝缘层挡住。电阻器元件Rx和低电阻区域60仅通过执行一个杂质注入过程形成。例如 形成配线部分13等的其他过程类可以似于上述实施例中的那些。尽管一个或两个柔性梁用在第一实施例和第二实施例中，但是可以使用三个或更 多的柔性梁。尽管设置在配重件一侧上的多个悬臂式柔性梁用于第二实施例中，但是可以 使用沿纵向方向平行且设置在配重件两相对侧上且被支撑在支撑件的两相对侧上的多个 柔性梁。例如，相对于配重件M在矩形支撑件S内，两个柔性梁的每一个的一端连接到支撑 件S的、垂直于χ轴方向的两个内周表面每一个，且两个柔性梁每一个的另一端连接到配重 件M的沿χ轴方向的两相对端每一个。本领域技术人员应理解，可以作出各种改变、替换、改进和组合等。本申请基于2009年7月10日递交的在先日本专利申请No. 2009-163621并要求 其优先权，该申请的全部内容通过引用合并于此。
权利要求
一种一维加速度传感器，包括用具有恒定厚度的半导体基板制成的结构，包括用半导体基板制成的支撑件，通过第一穿通沟道构图，除了设置在所述第一穿通沟道外侧且设置有连结垫的部分以外，该第一穿通沟道延伸穿过所述半导体基板；柔性梁，通过与所述第一穿通沟道的两相对端连续的一对第二穿通沟道构图，所述第二穿通沟道沿一个方向在所述支撑件内延伸并穿过所述半导体基板，所述柔性梁具有比所述半导体基板的厚度小得多的宽度，所述柔性梁从所述支撑件的所述部分沿所述一个方向延伸到远端，且具有设置在所述柔性梁近侧的两个边缘处以及设置在所述柔性梁远侧的两个边缘处的四个压电电阻器；和配重件，与所述柔性梁的远端连续，所述配重件通过所述第一穿通沟道和所述第二穿通沟道构图，所述配重件具有在所述支撑件内的一对对称的第一部分和与所述一对第一部分及所述柔性梁的远端联接的第二部分，所述一对对称的第一部分将所述柔性梁夹在它们之间，且所述配重件具有在柔性梁纵向中心线上的一位置处的重心，所述重心从所述柔性梁的所述远端朝向所述近侧移动；和配线，形成在所述半导体基板上方且用同一配线层制成，所述配线将四个压电电阻器中的、在同一边缘处的两个压电电阻器每一个串序连接，且所述配线将串序连接结构中的相互连接点引导到所述连结垫、将远侧上的两个压电电阻器的远端共同地引导到所述连结垫、和将近侧上的两个压电电阻器的近端引到所述连结垫。
2.如权利要求1所述的单维加速传感器，其中，所述柔性梁的宽度是所述半导体基板 厚度的1/20或更窄。
3.如权利要求2所述的单维加速传感器，其中，所述柔性梁的宽度是从5μ m到30 μ m。
4.如权利要求3所述的单维加速传感器，其中，所述柔性梁的宽度是从5μ m到20 μ m。
5.如权利要求1所述的单维加速传感器，其中，所述半导体基板用η型硅制造，且所述 压电电阻器用掺杂有硼的P型区域制造。
6.如权利要求5所述的单维加速传感器，其中，所述压电电阻器具有的宽度是从 1. 5 μ m到2. 0 μ m,且具有的长度是10 μ m或更长且比柔性梁的长度的一半短。
7.如权利要求6所述的单维加速传感器，其中，所述压电电阻器的长度是所述柔性梁 的长度的1/3或更短。
8.如权利要求7所述的单维加速传感器，还包括ρ型的低电阻的接触区域，该区域与所 述压电电阻器每一个的两相对端连续，且所述配线连接到所述接触区域。
9.如权利要求1所述的单维加速传感器，其中，所述半导体基板具有矩形平面形状，且 所述柔性梁沿连接相对边中心点的中心线设置。
10.如权利要求1所述的单维加速传感器，其中，所述半导体基板具有等边三角形平面 形状，且所述柔性梁沿连接该等边三角形的顶点和底边中点的直线设置。
11.一种单维加速度传感器，包括半导体基板，具有恒定的厚度；一对第二穿通沟道，穿过半导体基板的整个厚度形成在所述半导体基板中，且沿一个 方向平行地延伸以在它们之间限定出柔性梁，该柔性梁具有比所述半导体基板的厚度小得 多的宽度；四个压电电阻器，形成在所述柔性梁的两端区域上的两边缘处；第一穿通沟道，穿过半导体基板的整个厚度形成在所述半导体基板中且在一侧与所述 第二穿通沟道的端部连续，以限定出与所述柔性梁的一端连续的配重件，该配重件具有一 对对称的第一部分和与所述一对第一部分及柔性梁的所述一端联接的第二部分，所述一对 对称的第一部分将所述柔性梁夹在它们之间，且所述配重件具有在柔性梁的纵向中心线上 的一位置处的重心，该重心从所述柔性梁的所述一端朝向一相对端移动；和配线，形成在所述柔性梁上方，且用同一配线层形成，所述配线串序连接四个压电电阻 器中的同一边缘处的两个压电电阻器每一个，并大致沿柔性梁的纵向方向引导串序连接结 构的相互连接点并共同地引导配重件侧上的两个压电电阻器的端部。
12.—种单维减速度传感器，包括支撑件，用具有预定厚度的半导体基板制造，通过第一穿通沟道构图，除了沿设置在所 述沟道外侧且设置有连结垫的所述基板一侧的多个部分以外，该第一穿通沟道延伸穿过所 述半导体基板；多个柔性梁，通过多个成对的第二穿通沟道构图，所述多个成对的第二穿通沟道在所 述多个部分处与所述第一穿通沟道的两相对端连续，所述第二穿通沟道沿一个方向在所述 支撑件内延伸且穿过所述半导体基板，每个所述柔性梁具有比所述半导体基板的厚度小得 多的宽度，且沿所述一个方向从所述支撑件的所述部分延伸并具有设置在所述柔性梁近侧 上的两边缘处以及所述柔性梁远侧上的两边缘处的四个一组的压电电阻器；和配重件，与所述多个柔性梁的远端连续，所述配重件通过所述第一穿通沟道和所述第 二穿通沟道构图，其中，该单维加速度传感器还包括在所述半导体基板上方且通过同一配线层形成的配 线，所述配线将四个压电电阻器中的同一边缘处的两个压电电阻器每一个串序连接，将远 侧上的两个压电电阻器的远端共同地连接，并将串序连接结构的相互连接点、共同连接结 构、和近侧上的两个压电电阻器的近端部分引导到所述连结垫。
13.如权利要求12所述的单维加速度传感器，其中，所述配重件具有第一部分和联接 所述第一部分的第二部分，该第一部分在所述支撑件内将所述柔性梁每一个包含在所述第 一部分之间。
全文摘要
一种单轴加速度传感器，包括具有恒定厚度的半导体基板；穿过基板的平行的第二穿通沟道，该第二穿通沟道之间限定出柔性梁，第二穿通沟道具有比厚度小得多的宽度；四个压电电阻器，形成在柔性梁的四个脚部区域处；穿过基板的第一穿通沟道，与第二穿通沟道的端部连续，以限定出与柔性梁的一端连续的配重件，该配重件包括将柔性梁夹在其间的一对对称的第一部分和联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纵向中心线上的一中间位置处；一层配线，形成在柔性梁上方，将在同一边缘处的压电电阻器连接，并将相互连接点沿柔性梁的纵向方向引导。
文档编号G01P15/09GK101949952SQ20101022759
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月12日 优先权日2009年7月10日
发明者服部敦夫, 松冈润弥 申请人:雅马哈株式会社
专业数控铣床产品供应商
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