多量程三軸加速度傳感器裝置的制作方法

專利名稱：多量程三軸加速度傳感器裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于在便攜式終端設備、玩具、汽車、飛機等中進行 加速度檢測的半導體加速度傳感器。
背景技術：
加速度傳感器通常用于汽車氣嚢的致動并作為加速度來測量汽車
碰撞的沖擊。因為在汽車中測量沿X軸方向的加速度和/或沿Y軸方 向的加速度，所以一軸或兩軸的功能就足夠了。因為所測得的加速度 非常大，所以檢測加速度的加速度傳感器元件要制造得很可靠。最近， 加速度傳感器通常用于便攜式終端設備和機器人中。為了檢測三維空 間中的運動，需要可以測量沿X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的加速 度的三軸加速度傳感器。在這些應用中，要求加速度傳感器可以檢測 小到幾G到幾十G的加速度并具有高的分辨率。
加速度傳感器根據由施加到其上的加速度變形的撓性構件的結構 大致分為梁式和隔膜式。加速度傳感器還根據位移檢測系統而大致分 為壓電阻抗式和靜電容式。
申請人已經遞交了許多與梁式壓電阻抗型三軸加速度傳感器相關 的申請。在日本專利未審定公開No. 2003-172745、日本專利未審定公 開No. 2003-279592、日本專利未審定公開No. 2004-184373、日本專 利未審定公開No. 2006-098323 、日本專利未審定公開No. 2006-098321、和國際公開No. WO2005/062060 Al中，申請人清楚說 明了配重的形狀、梁的形狀、壓電電阻器的布置、壓電電阻器的連接、 梁和框架的接合部的形狀等。三軸傳感器的分解透視圖在圖18中示 出，圖18中沿著線IXX-IXX所取的剖視圖在圖19中示出，而傳感器 芯片的俯視圖在圖20中示出。在三軸加速度傳感器100中，調節板3
由粘結劑16例如樹脂在殼體1中固定在與傳感器芯片40具有預定間 隔處。傳感器芯片40的芯片端子41通過引線15連接到殼體端子12 以從外部端子11提取傳感器的信號。殼體蓋2由粘結劑17例如AuSii 焊劑固定到殼體1并密封殼體1。梁式三軸加速度傳感器元件50形成 在傳感器芯片40中。梁式三軸加速度傳感器元件50包括方形框架52、 配重51和梁53。配重51由兩對梁53保持在框架52的中心。壓電電 阻器設置在梁53中。X軸壓電電阻器55和Z軸壓電電阻器57設置 在一對梁中，而Y軸壓電電阻器56設置在另一對梁中。在圖19中， 當過大的加速度例如沖擊施加到傳感器時，配重51的運動被調節到配 重51的下表面與殼體l的內底表面之間的間隙g4以及配重51的上表 面與調節板3之間的間隙g3，以防止梁53的斷裂。本發明中使用的 梁式三軸加速度傳感器元件的基本結構與這些專利文獻中公開的結構 相同。省略了梁式三軸加速度傳感器元件的詳細說明，除非特別指出 的不同情況。
隔膜式三軸加速度傳感器元件的結構和壓電電阻器的布置在日本 專利未審定公開No. 3-2535、日本專利未審定公開No. 6-174571和日 本專利未審定公開No. 7-191053中公開。圓形或多邊形隔膜的外邊由 框架支承并且配重布置在隔膜的中心。當由外力使配重移位時，設置 在隔膜中的壓電電阻器變形并得到電信號。與梁式三軸加速度傳感器 元件相比，在隔膜式三軸加速度傳感器元件中壓電電阻器的布置的自 由端較高。隔膜式三軸加速度傳感器元件70的俯視圖在圖21中示出。 隔膜式三軸加速度傳感器元件70包括方形框架72、配重71和作為撓 性構件的隔膜73。配重71被保持在隔膜73的中心。X軸壓電電阻器 75、 Y軸壓電電阻器76和Z軸壓電電阻器77設置在隔膜73中。隔 膜式壓電電阻器型三軸加速度傳感器元件和隔膜式三軸加速度傳感器 元件的基本結構與這些專利文獻中公開的結構基本相同。于是，省略 了這些三軸加速度傳感器元件的詳細說明，除非特別指出的不同情況。
便攜式小型設備落下所施加的加速度和施加到用戶接口等的加速 度在幾G的量級上。但是，沖擊的加速度是幾百到幾千G。例如，在
內置有磁盤的便攜式設備中，為了防止落下的沖擊破壞磁盤，當檢測 到落下時縮回磁頭。測量加速度以防止沖擊時的破壞。此外，當修復 損壞的產品時，需要產品上的沖擊的歷史。申請人還在日本專利未審
定公開No.2005-241503中清楚說明了 一種結合落下檢測來高效記錄沖 擊加速度歷史的方法。這樣，要求對一個產品進行幾G量級的落下檢 測和幾百到幾千G量級的沖擊檢測。難以用一個加速度傳感器非常精 確地獲得從幾G開始的加速度和幾百到幾千G的加速度。當由測量從 幾百到幾千G的加速度的加速度傳感器來檢測幾G的加速度時，無法 獲得檢測的分辨率(精度)。
因為難以在同 一分辨率下檢測從幾百到幾千G的大加速度和約幾 G的加速度，所以必須分開準備測量從幾百到幾千G的加速度傳感器 和測量幾G的加速度傳感器。圖22是具有安裝在電路板24上的加速 度傳感器21、22和23并可以以高分辨率測量從幾G到幾百G的加速 度的加速度傳感器裝置200，這些加速度傳感器21、 22和23分別具 有幾G、幾十G和幾百G的測量量程。因為使用了三個加速度傳感器， 所以該加速度傳感器裝置的價格比加速度傳感器高幾倍。而且，難以 減小其尺寸。
在使用多個加速度傳感器的加速度傳感器裝置200中，非常難以 在加速度傳感器之間匹配檢測軸。當加速度傳感器通過焊接連接到電 路板時，難以在加速度傳感器之間將加速度傳感器元件的檢測軸的偏 差減小到基本為零。即使將加速度傳感器利用其外側邊作為基準組裝， 這些外側邊和加速度傳感器元件的軸也需要彼此匹配。例如，當在加
速度傳感器之間有檢測軸的角偏差時，就無法在相同軸向上作為加速 度測量幾G的加速度傳感器測量值和幾十G的加速度傳感器測量值。 可以實現小尺寸和低價格并消除檢測軸的角偏差的多量程加速度 傳感器在日本專利未審定公開No. 8-136574中公開。該多量程加速度 傳感器的結構在圖23中示出。多量程加速度傳感器裝置300具有其中 兩個或更多個傳感器元件設置在框架31中的結構。傳感器元件的梁 32的一端連接到框架31，而另一端連接到配重33。梁32具有以與框
架31的連接點作為支點并以與配重33的連接點作為力點的懸臂梁結 構。根據配重33與布置在距配重33預定間隔處的電極34之間的靜電 容的變化來測量配重33的運動，以檢測加速度。傳感器元件通過改變 梁的長度和配重的重量來確定所測量加速度的量程。
在日本專利未審定公開No. 8-136574所公開的加速度傳感器中， 具有不同測量量程的傳感器元件形成在一個芯片上。于是，可以消除 傳感器元件之間的軸偏差。盡管軸偏差由于光刻所用光掩模的誤差而 在光刻時發生，但是可以幾乎忽略該軸偏差。但是，因為加速度傳感 器是測量三軸加速度的一軸傳感器元件，所以必須將三個傳感器元件 布置在彼此偏移90度的位置中。非常難以將三個傳感器元件相對于 X、 Y和Z軸精確布置。因為必須組合三個傳感器元件，所以難以減 小加速度傳感器的尺寸。通過使用多量程一軸加速度傳感器而獲得的 多量程三軸加速度傳感器裝置在加速度傳感器的數量、價格和尺寸方 面與圖22所示傳統加速度傳感器裝置并沒有本質不同。
在專利文獻所述的加速度傳感器結構中，因為傳感器元件很可能 彼此干擾，所以必須克服干擾進行測量。因為多個梁32形成在框架 31的一側上，所以一個傳感器元件的運動容易影響另一傳感器元件的 測量。為了防止當在梁32的軸向上施加加速度時其它傳感器元件和配 重33彼此干擾，必須在傳感器元件之間設置間隔。

發明內容
本發明的一個目的是以低成本提供一種具有高精度的小尺寸多量 程三軸加速度傳感器裝置，其中多個具有不同加速度測量量程的傳感 器元件形成在一個芯片中并且它們之間沒有軸偏差。
根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置具有在單個硅芯片中 形成的多個三軸加速度傳感器元件。所述多個三軸加速度傳感器元件 中的每個包括配重；圍繞所述配重并具有彼此相對的框架側的框架； 比所述配重和所述框架薄的撓性構件，所述撓性構件連接所述相對框 架側的上部與所述配重的上部以在所述相對框架側的上部之間支承所
述配重；和布置在所述撓性構件的上表面上的壓電電阻器，用于測量 在所述撓性構件的上表面中兩個正交軸向上的加速度和與所述撓性構 件的上表面垂直的方向上的加速度。所述多個三軸加速度傳感器元件 包括第一三軸加速度傳感器元件，在所述第一三軸加速度傳感器元件 的框架中設置其它三軸加速度傳感器元件。所述多個三軸加速度傳感 器元件中的每個產生彼此不同的對單位加速度的輸出電壓，并且來自 所述第一三軸加速度傳感器元件的對單位加速度的輸出電壓大于來自 其它三軸加速度傳感器元件的對單位加速度的輸出電壓。
根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中包括的多個三軸加 速度傳感器元件形成在單個硅芯片上。于是，可以通過預先在光掩模 上形成相應元件的圖案而利用光刻和刻蝕同時制造多個加速度傳感器 元件。加速度作用在多個三軸加速度傳感器元件的配重上，使撓性構 件變形，在撓性構件上形成的壓電電阻器中產生應力，電阻變化，并 且將該電阻變化轉換成電勢差(輸出電壓)并輸出。
其它三軸加速度傳感器元件設置在多個三軸加速度傳感器元件中 的第一三軸加速度傳感器元件的框架上。換言之，因為其它三軸加速 度傳感器元件裝配在第一三軸加速度傳感器元件的框架內，所以其它 三軸加速度傳感器元件小于第一三軸加速度傳感器元件。多個三軸加 速度傳感器元件的總尺寸與第一三軸加速度傳感器元件的尺寸相同。
通過將其它三軸加速度傳感器元件形成在第一三軸加速度傳感器 元件的框架內，因為多個三軸加速度傳感器元件共享框架，所以可以 將多量程的三軸加速度傳感器元件布置在小區域中。三軸加速度傳感 器元件由其框架彼此分離。于是，每個三軸加速度傳感器元件的振蕩 不同影響其它三軸加速度傳感器元件。三軸加速度傳感器元件的配重
不會與其它加速度傳感器元件的配重干涉。
多個三軸加速度傳感器元件具有彼此不同的每單位加速度的輸出 電壓。第一三軸加速度傳感器元件的每單位加速度的輸出電壓大于其 它三軸加速度傳感器元件的每單位加速度的輸出電壓。
例如，當測量量程為±3G的第一三軸加速度傳感器元件的每單位 加速度(1G)的輸出電壓是1V且其它三軸加速度傳感器元件的測量 量程是300G時，通過將其它三軸加速度傳感器元件的每單位加速度 的輸出電壓設成O.OIV，可以將與各個三軸加速度傳感器元件的測量 量程相對應的輸出電壓的全量程調節為±3V。如果各個三軸加速度傳 感器元件以相同分辨率檢測±3V，則在具有不同加速度量程的三軸加 速度傳感器元件中可以得到非常精確的加速度檢測。
各個加速度傳感器元件的每單位加速度的輸出被設置在其中輸出 電壓在測量量程中保持線性度的區域中。當在具有寬測量量程的傳感 器元件中將每單位加速度的輸出電壓設成過高時，撓性構件的變形可 能到達測量量程中的非線性區域，而無法保持輸出電壓的線性度。
因為多個三軸加速度傳感器元件形成在相同的芯片平面上，所以 可以容易地非常精確地匹配在垂直于芯片平面的方向上的檢測軸(Z 軸)。而且，還可以按照光刻的掩模精度非常精確地匹配芯片平面中的 兩個檢測軸(X和Y軸)。
調節板布置在多量程傳感器芯片上方和下方。當施加超過測量量 程的加速度時，由調節板調節配重的運動。于是，可以防止撓性構件 的破壞并實現具有高可靠性的多量程三軸加速度傳感器裝置。
上下調節板期望由具有接近于多量程傳感器芯片的熱膨脹系數的 材料制成。可以使用例如玻璃、硅、陶瓷和FeNi合金的材料。調節板 使用粘結劑或金屬接合結合到傳感器元件，以在調節板和三軸加速度 傳感器之間形成間隙。
可以使用具有檢測電路的IC芯片作為上調節板。可以將多量程 三軸加速度傳感器裝置設置在殼體中，將殼體存放在頂部蓋上的封裝 中，并使用殼體的內底部作為下調節板。
從方便制造的角度期望將所有三軸加速度傳感器元件的配重和調 節板之間的間隔設成相同，因為調節板被制成平坦的。在此情況下，
對于所有的三軸加速度傳感器元件，將三軸加速度傳感器元件和調節 板之間的間隔設成用于防止在測量量程中配重與調節板碰撞且防止在
配重與調節板碰撞之前破壞撓性構件的間隔。當可靠性更重要時，將 調節板布置成使得在測量量程較大時，配重和調節板之間的間隔較窄。 這通過例如在調節板中設置具有不同深度的腔來實現。對于具有較大
測量量程的幾個三軸加速度傳感器元件，當在假定施加的加速度下撓 性構件不太可能破壞時，就不必設置位于傳感器元件上方和下方的調節板。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，優選的是，具 有較大的每單位加速度的輸出電壓的三軸加速度傳感器元件中彼此相 對的框架側之間的距離較長。因為第一三軸加速度傳感器元件的每單 位加速度的輸出電壓大于其它三軸加速度傳感器元件，所以第一三軸 加速度傳感器元件的彼此相對的框架側之間的距離大于其它三軸加速 度傳感器元件。當該三軸加速度傳感器元件具有較大的彼此相對的框 架側之間的距離且對其施加同樣大小的加速度時，撓性構件變形更大。 于是，設置在撓性構件中的壓電電阻器的變形更大，且輸出電壓增大。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中包括的多個三軸 加速度傳感器元件可以包括隔膜作為撓性構件，所述隔膜設置在由連 接彼此相對的框架側上部和配重上部的多個梁圍繞或者由框架的上部 圍繞的區域中，并且所述隔膜將所述配重支承在所述隔膜的中心中。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，多個三軸加速 度傳感器元件中的至少一個可以包括將彼此相對的框架側的上部與所 述配重的上部連接的多個梁以作為所述撓性構件，并且其余的三軸加 速度傳感器元件可以包括隔膜作為所述撓性構件，所述隔膜布置在由 框架的上部圍繞的區域中并將所述配重支承在所述隔膜的中心中。
當三軸加速度傳感器元件具有梁時，三軸加速度傳感器元件可以 包括兩組在元件的上表面內的兩個正交方向上延伸的成對的梁。
當三軸加速度傳感器元件具有隔膜時，隔膜設置在由框架的上部 圍繞的整個區域中，并且配重可以設置的隔膜的中心中。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，第一三軸加速 度傳感器元件可以包括連接彼此相對的框架側上部與配重上部的多個 梁以作為所述撓性構件。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，多個三軸加速 度傳感器元件中的每個可以包括連接彼此相對的框架側上部與配重上 部的多個梁以作為所述撓性構件。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，第一三軸加速 度傳感器元件可以包括隔膜作為所述撓性構件，所述隔膜布置在由框 架的上部圍繞的區域中并將所述配重支承在所述隔膜的中心中。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，多個三軸加速 度傳感器元件中的每個可以包括隔膜作為所述撓性構件，所述隔膜布 置在由框架的上部圍繞的區域中并將所述配重支承在所述隔膜的中心中。
可以根據加速度的測量量程確定傳感器元件的外部尺寸、制造的 容易程度等，其中應當使用隔膜式三軸加速度傳感器元件和梁式三軸 加速度傳感器元件。可以采用以下組合，其中第一傳感器元件是隔膜 式，小于第一傳感器元件的第二傳感器元件是梁式，而小于第二傳感 器元件的第三傳感器元件是隔膜式。或者，第一傳感器元件可以是梁 式，而第二和第三傳感器元件可以是隔膜式。在梁式三軸加速度傳感 器元件中，刻蝕薄硅層來形成梁。對于梁狀撓性構件增加了加工工藝。 但是，與隔膜式三軸加速度傳感器元件中使用的未加工的隔膜式撓性 構件相比，可以減小梁的彎曲剛度并增大每單位加速度的輸出。通過 將梁式應用于第一三軸加速度傳感器元件，可以減小第一三軸加速度 傳感器元件的尺寸并減小整個多量程三軸加速度傳感器芯片的尺寸。 在本發明中，隔膜式三軸加速度傳感器元件和梁式三軸加速度傳感器 元件被總體稱為三軸加速度傳感器元件，除非特別指出的不同情況。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，優選的是，所 有三軸加速度傳感器元件的撓性構件的厚度是相同的。
期望根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置由SOI (絕緣體 上硅)基體形成，該SOI基體通過經由氧化硅膜層層疊薄硅層和厚硅
層形成。加工厚硅層以形成配重。在通過加工去除硅層的部分中，留 下薄硅層并形成撓性構件。在本發明中，當將所有三軸加速度傳感器元件的撓性構件的厚度設成相同時，就不必在薄硅層中形成具有不同 厚度的撓性構件。于是，可以實際上使用薄硅層的厚度一起形成所有 三軸加速度傳感器元件的撓性構件。可以減少制造的工時并以低成本 制造三軸加速度傳感器元件。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，優選的是，所 有三軸加速度傳感器元件的配重的厚度是相同的。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，優選的是，所 有三軸加速度傳感器元件的配重和框架的厚度是相同的。
通過將所有三軸加速度傳感器元件中的框架和配重以及撓性構件 的厚度設成相同，可以實際上使用厚硅層的厚度在一 次刻蝕中 一起形 成所有三軸加速度傳感器元件的配重。結果，可以減少制造的工時并
以低成本制造三軸加速度傳感器元件。
因為框架和配重的下表面的位置在相同平面中對齊，所以可以容
易地在框架的至少3個位置中經由具有相同高度的間隔件布置多量程 加速度傳感器芯片和下調節板，并將所有三軸加速度傳感器元件中的 配重的下平面和下調節板之間的間隔設成相同。
優選的是，在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，具 有較大每單位加速度的輸出電壓的三軸加速度傳感器元件具有較大質 量的配重。
當減小配重的質量時，因為由于單位加速度而作用在配重上的力 增大，所以可以增大每單位加速度的輸出電壓。在根據本發明的多量 程三軸加速度傳感器裝置中，期望如上所述將配重的厚度設成相同。 于是，期望通過改變芯片平面中其尺寸來增大或減小配重的質量。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，優選的是，所 有三軸加速度傳感器元件的撓性構件的厚度是相同的。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，優選的是，具 有較低每單位加速度的輸出電壓的三軸加速度傳感器元件中彼此相對 的框架側之間的距離較大。
當配重和框架之間的距離增大時，連接配重和框架的撓性構件的
彎曲剛度降低，并且由單位加速度在撓性構件中產生的應力增大。于 是，可以增大每單位加速度的輸出電壓。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，優選的是，具 有較低每單位加速度的輸出電壓的三軸加速度傳感器元件中由撓性構 件和框架的連接部分圍繞的面積較大。
由撓性構件和框架的連接部分圍繞的面積是框架的內部區域的尺 寸，即由芯片平面中的三軸加速度元件所占據的尺寸。當該尺寸較大 時，可以將配重的尺寸設成較大。因為配重和框架之間的距離增加， 所以作用在配重上的力增大并且撓性構件的彎曲剛度降低。于是，可 以增大每單位加速度的輸出電壓。
在本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，所述其它三軸加速 度傳感器元件中的至少一個可以包括兩個兩軸加速度傳感器元件，所 述兩軸加速度傳感器元件每個都包括配重、圍繞所述配重并具有彼此 相對的框架側的框架、比所述配重和所述框架薄的一對梁、以及在所 述梁上形成并在所述梁延伸的方向上延伸的壓電電阻器。所述兩個兩 軸加速度傳感器元件在所述梁的上表面中的梁延伸方向彼此垂直，所 述兩個兩軸加速度傳感器元件中的一個測量在所述梁的上表面中的梁 延伸方向上的加速度和與所述梁的上表面垂直的加速度，并且所述兩 個兩軸加速度傳感器元件中的另一個至少測量在所述梁的上表面中的 梁延伸方向上的加速度。
與具有兩組成對梁的梁式三軸加速度傳感器元件相比，梁式兩軸 加速度傳感器元件的整體梁的彎曲剛度較小。于是，為了獲得相同的 輸出，可以減小配重的尺寸。可以減小在未設置成對梁的方向上的尺 寸。例如，當梁式兩軸加速度傳感器元件繞具有最大外部尺寸的第一 三軸加速度傳感器元件布置時，可以減小多量程加速度傳感器芯片的 尺寸。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，優選的是，所 有梁式兩軸加速度傳感器元件的梁和所有三軸加速度傳感器元件的隔 膜的厚度是相同的。
當所有梁式兩軸加速度傳感器元件的梁和所有三軸加速度傳感器 元件的隔膜的厚度是相同的時，因為不必在薄硅層中形成具有不同厚 度的隔膜，所以可以實際上使用薄硅層的厚度一起形成所有兩軸和三 軸加速度傳感器元件的撓性構件。于是，可以減少制造的工時并以低 成本制造兩軸和三軸加速度傳感器元件。
在根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置中，優選的是，所 有梁式兩軸加速度傳感器元件和所有三軸加速度傳感器元件的配重的 厚度是相同的。
通過將所有梁式兩軸加速度傳感器元件和三軸加速度傳感器元件 中的框架和配重以及撓性構件的厚度設成相同，可以實際上使用厚硅 層的厚度在一次刻蝕中一起形成所有梁式兩軸加速度傳感器元件和所 有三軸加速度傳感器元件的配重。結果，可以減少制造的工時并以低 成本制造兩軸和三軸加速度傳感器元件。
按照根據本發明的多量程三軸加速度傳感器裝置，可以在同一芯 片上一起形成多個三軸加速度傳感器元件。于是，不需要對每個元件 的分開的加工工藝，并可以共享框架。因此，可以以小尺寸和低成本 提供能夠以多量程檢測三軸加速度的多量程三軸加速度傳感器裝置。


圖l是本發明的示例1的多量程三軸加速度傳感器裝置的分解透 視圖。
圖2是示例1的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳感 器芯片的透視圖。
圖3是沿圖i的線m-ni所取的剖視圖。 圖4是本發明的示例2的多量程三軸加速度傳感器裝置的分解透 視圖。
圖5是示例2的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳感 器芯片的透視圖。
圖6是沿圖4的線V-V所取的剖視圖。
圖7是示例3的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳感 器芯片的透視圖。
圖8是示例4的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳感 器芯片的透視圖。
圖9是示例5的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳感 器芯片的透視圖。
圖10是示例6的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳感 器芯片的透視圖。
圖11是示例7的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳感 器芯片的透視圖。
圖12是示例8的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳感 器芯片的透視圖。
圖13是示例9的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳感 器芯片的透視圖。
圖14是示例10的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳 感器芯片的透視圖。
圖15是示例11的多量程三軸加速度傳感器裝置中所用多量程傳 感器芯片的透視圖。
圖16是示出示例12的多量程三軸加速度傳感器裝置中的晶片級 封裝的剖視圖。
圖17是示例12的多量程三軸加速度傳感器裝置的剖視圖。 圖18是傳統三軸加速度傳感器裝置的分解透視圖。 圖19是沿著圖18的線IXX-IXX所取的剖視圖。 圖20是圖18所示三軸加速度傳感器裝置中所用的梁式傳感器芯 片的俯視圖。
圖21是傳統三軸加速度傳感器裝置中所用的隔膜式傳感器芯片 的俯視圖。
圖22是示出傳統多量程加速度傳感器裝置的透視圖。
圖23是示出另 一傳統多量程加速度傳感器裝置的透視圖。
具體實施例方式
下面將參照基于示例的附圖詳細解釋本發明。 示例1
下面使用圖1至3解釋根據本發明的示例1的多量程三軸加速度 傳感器裝置。圖1是該多量程三軸加速度傳感器裝置的分解透視圖， 圖2是該多量程三軸加速度傳感器裝置中所用的多量程傳感器芯片的
放大視圖，而圖3是沿線m-m所取的剖視圖。在圖i中，多量程三軸
加速度傳感器裝置100a具有以下結構，其中其上形成有傳感器元件的 多量程傳感器芯片40a和其上形成有檢測電路且具有調節傳感器元件 運動的作用的IC調節板3a設置在氧化鋁制殼體la中并由氧化鋁制 殼體蓋2a密封。多量程傳感器芯片40a的芯片端子41a和IC調節板 3a的IC端子31a、以及與殼體la的外部端子lla連接的殼體端子12a 和IC端子31a由引線15a連接。傳感器的檢測信號從外部端子lla 提取。
如圖3所示，多量程傳感器芯片40a使用第一粘結劑16a固定到 殼體la的內底部。第一粘結劑16a混有塑料球。在傳感器元件的配重 和殼體la的內底部之間形成一定間隔。IC調節板3a由也混有塑料球 的粘結劑16a，結合到多量程傳感器芯片40a。在傳感器元件的配重和 IC調節板3a之間形成一定間隔。殼體蓋2a由第二粘結劑17a結合到 殼體la以密封殼體la，從而形成多量程三軸加速度傳感器裝置100a。
將使用圖2解釋多量程傳感器芯片40a的結構。第一三軸加速度 傳感器元件50a和第二三軸加速度傳感器元件50a，形成在多量程傳感 器芯片40a上。在第一三軸加速度傳感器元件50a中，第一元件配重 51a由相應兩個梁的第一元件第一梁53a和第一元件第二梁54a支承 在第一元件框架52a中。當X軸和Y軸設置在多量程傳感器芯片40a 的上表面中且Z軸設置在與上表面垂直的方向上時，用于X軸方向加 速度檢測的X軸壓電電阻器55a形成在沿著X軸形成的第一元件第一 梁53a上，而用于Y軸方向加速度檢測的Y軸壓電電阻器56a形成在
沿著Y軸形成的第一元件第二梁54a上。用于Z軸加速度檢測的Z 軸壓電電阻器57a可以形成在任一梁上。但是，這里Z軸壓電電阻器 57a形成在第一元件第一梁53a上。對于每個軸設置四個壓電電阻器， 并通過未示出的導線將該四個壓電電阻器連接起來形成橋電路。通過 由加速度施加的力使配重位移并且使梁變形，由此壓電電阻器的電阻 變化。可以通過使用橋電路提取由于四個壓電電阻器之間電阻變化量 的差別產生的電勢差，而檢測加速度。
類似地，在第二三軸加速度傳感器元件50a，中，第二元件配重51a， 由相應兩個梁的第二元件第一梁53a，和第二元件第二梁54a，支承在第 二元件框架52a，中。X軸壓電電阻器和Z軸壓電電阻器形成在沿著X 軸的第二元件第一梁53a，上。Y軸壓電電阻器形成在沿著Y軸的笫二 元件第二梁54a，上。
第二三軸加速度傳感器元件50a，具有與第一三軸加速度傳感器元 件50a相比較小的每單位加速度輸出電壓。換言之，第二三軸加速度 傳感器元件50a，相對于滿刻度的輸出電壓設置成較寬的測量量程。例 如，可以將第一三軸加速度傳感器元件50a的測量量程設成±幾G并 使用第 一三軸加速度傳感器元件50a用于落下檢測，并且將第二三軸 加速度傳感器元件50a，的測量量程設成±幾百G并使用第二三軸加速 度傳感器元件50a，用于沖擊檢測。多個芯片端子41a形成在多量程傳 感器芯片40a上。
將簡單解釋加速度傳感器元件的制造方法和尺寸。使用SOI(絕
緣體上硅)晶片作為厚度約400nm的硅板，該SOI晶片包括厚度幾^tm 的氧化硅層和厚度6pm的硅層。通過光刻膠進行圖案化，并驅動1至 3x 1018原子/立方厘米的硼進入硅層以形成壓電電阻器。連接到壓電 電阻器的導線使用金屬濺射器和干刻蝕裝置形成。硅層和硅板使用光 刻和干刻蝕裝置進行加工。在硅層中形成梁并在硅層和硅板上方形成 配重。氧化硅層用作在進行硅的干刻蝕時的刻蝕阻擋層。大量芯片在 一個晶片上制造并通過干刻蝕或劃片分離成單個芯片。
在根據此示例的多量程三軸加速度傳感器裝置中，可以在一個多
量程傳感器芯片40a上一起形成第一三軸加速度傳感器元件50a和第 二三軸加速度傳感器元件50a，。在用于硅干刻蝕的掩模上產生兩個傳 感器元件的形狀以同時加工和形成傳感器元件。這樣，可以在不增加 工藝的情況下形成具有不同測量量程的兩個傳感器元件并可以降低制 造成本。因為第二三軸加速度傳感器元件50a，在形成第一三軸加速度 傳感器元件50a的框架52a的四個框架側之一上形成，所以可以共用 兩個傳感器元件的框架，并將傳感器元件裝配在小區域中。于是，可 以減小該多量程三軸加速度傳感器裝置的尺寸。另外，因為可以使用 掩模圖案調整兩個傳感器元件的梁的方向，所以可以使兩個傳感器元 件的加速度檢測軸彼此非常精確地重合。
將解釋根據示例1的多量程傳感器芯片40a的示意性尺寸。在第 一三軸加速度傳感器元件50a中， 一個梁的長度被設成400nm,其寬 度被設成40pm，而配重的外部尺寸被設成900jim x卯Onm。為了將 配重和梁裝配在小區域中，將配重形成為使梁的連接部分中空所獲得 的形狀。結果，配重形成為如圖2所示的三葉草形狀。在第二三軸加 速度傳感器元件50a，中， 一個梁的長度被設成12(Him,其寬度被設成 100pm，而配重的外部尺寸被設成200pm x 200ftm。在第二三軸加速 度傳感器元件中，因為通過將配重形成為三葉草形狀而導致的減小面 積的效果很小，所以將配重形成為方形。對于兩個傳感器元件，梁的 厚度是6pm，這是SOI晶片的硅層的厚度。對于兩個傳感器元件，酉己 重的厚度是整個SOI晶片的厚度。因為氧化硅膜層厚lpm，所以梁的 厚度是407jLim。
在3V的輸入電壓下每1G加速度的輸出電壓在第一三軸加速度傳 感器元件50a中所有的X、 Y和Z軸上約為2.0mV，而在第二三軸加 速度傳感器元件50a，中在X和Y軸上約為0.015mV且在Z軸上約為 O.OlmV。當比較輸出電壓時，第一三軸加速度傳感器元件50a中的輸 出電壓大約是第二三軸加速度傳感器元件50a，中的200倍。當由放大
第一三軸力l速度傳感器元件50a的測^:量程是第二三軸加速度^感器
元件50a，的測量量程的1/200。例如，當將放大比設成150倍并將滿 刻度輸出電壓設成土900mV時，第一三軸加速度傳感器元件50a中的 測量量程是士3G，而第二三軸加速度傳感器元件50a，中的測量量程是 ± 600G 。當由這種多量程三軸加速度傳感器裝置測量從等于或小于 1G的小加速度到幾百G的大加速度的各種大小的加速度時，在±3G 的量程中使用第一三軸加速度傳感器元件50a和在士600G的量程中 使用第二三軸加速度傳感器元件50a，可以以令人滿意的線性度測量加 速度。
如上述尺寸的示例所示，為了將第二三軸加速度傳感器元件50a， 中的每單位加速度的輸出電壓設置成比第一三軸加速度傳感器元件 50a中的更小，期望縮短梁、增大梁的寬度并增大梁的彎曲剛度。還 期望減小配重的外部尺寸并減小配重的重量。結果，期望在第二三軸 加速度傳感器元件50a，中布置配重和梁的區域較小。換言之，期望框 架中的空間區域減小，即連接兩個梁的連接點與框架的距離減小。
當傳感器元件具有上述尺寸時，第一三軸加速度傳感器元件50a 的諧振頻率是約1.5kHz，且第二三軸加速度傳感器元件50a，的諧振頻 率是約25kHz。在檢測沖擊加速度的情況下，當加速度傳感器的諧振 頻率附近的振蕩由安裝有該傳感器的裝置的沖擊振蕩施加到加速度傳 感器時，很可能在諧振頻率下的振蕩并不衰減，而仍然導致檢測波形 中的不足。因此，在沖擊檢測中，必須將諧振頻率設成較高。在測量 高加速度量程的第二三軸加速度傳感器元件50a，中，將梁的彎曲剛度 設成較高，且將配重的重量設成較低，傳感器元件的諧振頻率較高。 于是，第二三軸加速度傳感器元件50a，適合用于沖擊檢測。
當將遠遠超過測量量程的加速度施加到測量低加速度量程的第一 三軸加速度傳感器元件50a時，過大的應力施加到梁上而破壞梁。因 此，調節板布置在傳感器元件的配重的上方和下方彼此之間具有一定 間隔處。在此示例中，作為其上形成檢測電路的IC芯片的IC調節板 3a布置在配重上方。殼體la的內底部用作配重下方的調節板。可以 將整個傳感器的厚度設成小于當將獨立的調節板與IC調節板3a和殼
體la分開設置時的厚度。調節板和配重之間的間隔是用于防止在測量 量程中配重與調節板碰撞且允許在梁變形破壞之前配重與調節板碰撞 的間隔。在此示例中，該間隔被設成15pm。為了精確形成間隔，將 具有基本固定外徑的塑料球混和在第一粘結劑16a和16a，中以使得可 以利用塑料球作為間隔件來調節間隔。在具有大測量量程的第二三軸 加速度傳感器元件50a，中，可能即使將假定的最大加速度施加到傳感 器元件，梁也不會被破壞。在此情況下，調節板不必設置在第二三軸 加速度傳感器元件50a，上方和下方。換言之，IC調節板3a可以布置 在從第一三軸加速度傳感器元件50a上方覆蓋而不會從第二三軸加速 度傳感器元件50a，上方覆蓋的區域中。
示例2
下面使用圖4至6解釋根據本發明的示例2的多量程三軸加速度 傳感器裝置。圖4是根據示例2的多量程三軸加速度傳感器裝置的分 解透視圖，圖5是多量程傳感器芯片的透視圖。圖6是沿圖4中的線 VI-VI所取的剖視圖。在圖4中，多量程三軸加速度傳感器裝置100b 具有以下結構，其中其上形成有兩個隔膜式三軸加速度傳感器元件的 多量程傳感器芯片40b和其上形成有檢測電路且具有調節傳感器元件 運動的作用的IC調節板3b設置在氧化鋁制殼體lb中并由氧化鋁制 殼體蓋2b密封。多量程傳感器芯片40b的芯片端子41b和IC調節板 3b的IC端子31b、以及與殼體lb的外部端子lib連接的殼體端子12b 和IC端子31b由引線15b連接。傳感器的檢測信號從外部端子lib 提取。
如圖6所示，多量程傳感器芯片40b使用第一粘結劑16b固定到 殼體lb的內底部。第一粘結劑16b混有塑料球。在傳感器元件的配 重71b和71b，與殼體lb的內底部之間形成一定間隔。IC調節板3b 由也混有塑料球的粘結劑16b，結合到多量程傳感器芯片40b。在傳感 器元件的配重71b和71b，與IC調節板3b之間形成一定間隔。殼體蓋 2b由第二粘結劑17b結合到殼體lb以密封殼體lb,從而形成多量程三軸加速度傳感器裝置100b。
將使用圖5解釋多量程傳感器芯片40b的結構。第一隔膜式三軸 加速度傳感器元件70b和第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，形成 在多量程傳感器芯片40b上。在隔膜式三軸加速度傳感器元件70b和 70b，中，配重71b和71b，由形成為比框架72b和72b，以及配重71b和 71b，更薄的隔膜形撓性構件73b和73b，支承在框架72b和72b，中。當 X軸和Y軸設置在多量程傳感器芯片40b的上表面中且Z軸設置在與 上表面垂直的方向上時，用于X軸方向加速度檢測的X軸壓電電阻器 75b形成在沿著X軸的撓性構件73b上，而用于Y軸方向加速度檢測 的Y軸壓電電阻器76b沿著Y軸形成。用于Z軸加速度檢測的Z軸 壓電電阻器77b可以形成在任一軸向上。但是，這里Z軸壓電電阻器 77b沿著X軸形成。對于每個軸設置四個壓電電阻器，并通過未示出 的導線將該四個壓電電阻器連接起來形成橋電路。通過由加速度施加 的力使配重位移并且使撓性構件變形，由此壓電電阻器的電阻變化。 可以通過使用橋電路提取由于四個壓電電阻器之間電阻變化量的差別 產生的電勢差，而檢測加速度。
第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，具有相同結構。但是，第 二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，形成在第一隔膜式三軸加速度傳 感器元件70b的框架72b的一個框架側上。
第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，具有與第一隔膜式三軸加 速度傳感器元件70b相比較小的每單位加速度輸出電壓。換言之，第 二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，相對于滿刻度的輸出電壓設置成 較寬的測量量程。例如，可以將第一隔膜式三軸加速度傳感器元件70b 的測量量程設成±幾G并使用第一隔膜式三軸加速度傳感器元件70b 用于落下檢測，并且將笫二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，的測量 量程設成士幾百G并使用第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，用于 沖擊檢測。多個芯片端子41b形成在多量程傳感器芯片40b上。
在根據此示例的多量程三軸加速度傳感器裝置中，可以在一個多 量程傳感器芯片40b上一起形成第一隔膜式三軸加速度傳感器元件70b和第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，。在用于硅干刻蝕的掩 模上產生兩個傳感器元件的形狀以同時加工和形成傳感器元件。這樣， 可以在不增加工藝的情況下形成具有不同測量量程的兩個傳感器元件 并可以降低制造成本。因為第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，形 成在第一隔膜式三軸加速度傳感器元件70b的框架72b內，所以可以 共用兩個傳感器元件的框架，并將傳感器元件裝配在小區域中。于是， 可以減小該多量程三軸加速度傳感器裝置的尺寸。另外，因為可以使 用掩模圖案調整兩個傳感器元件的撓性構件的方向，所以可以使兩個 傳感器元件的加速度檢測軸彼此非常精確地重合。將第一隔膜式三軸 加速度傳感器元件70b和第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，的框 架72b和72b，以及配重71b和71b，的厚度設成相同，并將隔膜的撓性 構件73b和73b，的厚度制成相同。
為了使第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，中的每單位加速度 的輸出電壓比第一隔膜式三軸加速度傳感器元件70b更小，期望增大 第二隔膜式三軸加速度傳感器元件的隔膜的寬度(即配重和框架之間 的距離)并增大隔膜的彎曲剛度。還期望減小配重的外部尺寸并減小 配重的重量。結果，期望布置第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b， 的撓性構件和配重的區域較小。換言之，期望框架中的空間區域減小。
在檢測沖擊加速度的情況下，當加速度傳感器的諧振頻率附近的 振蕩由安裝有該傳感器的裝置的沖擊振蕩施加到加速度傳感器時，很 可能在諧振頻率下的振蕩并不衰減，而仍然導致檢測波形中的不足。 因此，在沖擊檢測中，必須將諧振頻率設成較高。在測量高加速度量 程的第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，中，將撓性構件的彎曲剛 度設成較高，且將配重的重量設成較低。于是，傳感器元件的諧振頻 率較高，且第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，適合用于沖擊檢測。
當將遠遠超過測量量程的加速度施加到測量低加速度量程的第一 隔膜式三軸加速度傳感器元件70b時，過大的應力施加到隔膜形的撓 性構件而破壞撓性構件。因此，調節板布置在傳感器元件的配重的上 方和下方彼此之間具有一定間隔處。在此示例中，作為其上形成檢測
電路的IC芯片的IC調節板3a布置在配重上方。殼體la的內底部用 作配重下方的調節板。可以使整個傳感器的厚度小于當將獨立的調節 板與IC調節板3a和殼體la分開設置時的厚度。調節板和配重之間 的間隔是用于防止在測量量程中配重與調節板碰撞且允許在撓性構件 變形破壞之前配重與調節板碰撞的間隔。為了精確形成間隔，將具有 基本固定外徑的塑料球混和在第一粘結劑16a和16a，中以使得可以利 用塑料球作為間隔件來調節間隔。在具有大測量量程的第二隔膜式三 軸加速度傳感器元件70b，中，可能即使將假定的最大加速度施加到傳 感器元件，撓性構件也不會被破壞。在此情況下，調節板不必設置在 第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，上方和下方。換言之，IC調節 板3a可以布置在從第一隔膜式三軸加速度傳感器元件70b上方覆蓋而 不會從第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70b，上方覆蓋的區域中。
示例3
下面將解釋根據本發明的示例3的多量程三軸加速度傳感器裝 置。圖7是示出根據示例3的多量程傳感器芯片40c的透視圖。代替 示例2中用于測量低加速度量程的第一隔膜式三軸加速度傳感器元件 70b，使用第一梁式三軸加速度傳感器元件50c。多量程傳感器芯片40c 具有測量低加速度量程的第一梁式三軸加速度傳感器元件50c和測量 高加速度量程的隔膜式三軸加速度傳感器元件70c。隔膜式三軸加速 度傳感器元件70c具有其中配重71c由隔膜73c支承在框架72c中的 結構。在梁式三軸加速度傳感器元件50c中，配重51c由兩對梁53c 和54c支承在框架52c中。如參照圖2在示例1中所解釋的，在梁53c 和54c上設置X軸壓電電阻器、Y軸壓電電阻器和Z軸壓電電阻器。 隔膜式三軸加速度傳感器元件70c形成在梁式三軸加速度傳感器元件 50c的框架52c的一個框架側上。將測量低加速度量程的梁式三軸加 速度傳感器元件50c和測量高加速度量程的隔膜式三軸加速度傳感器 元件70c的框架52c和72c以及配重51c和71c的厚度設成相同。將 梁53c和54c以及作為撓性構件的隔膜73c的厚度設成相同。
示例4
下面將解釋根據本發明的示例4的多量程三軸加速度傳感器裝 置。圖8是示出根據示例4的多量程傳感器芯片40d的透視圖。代替 示例2中用于測量高加速度量程的第二隔膜式三軸加速度傳感器元件 70b，，在多量程傳感器芯片40d中使用梁式三軸加速度傳感器元件 50d。多量程傳感器芯片40d具有測量低加速度量程的第一隔膜式三 軸加速度傳感器元件70d和測量高加速度量程的梁式三軸加速度傳感 器元件50d。隔膜式三軸加速度傳感器元件70d具有其中配重71d由 隔膜73d支承在框架72d中的結構。在梁式三軸加速度傳感器元件50d 中，配重51d由兩對梁53d和54d支承在框架52d中。梁式三軸加速 度傳感器元件50d形成在隔膜式三軸加速度傳感器元件70d的框架 72d的一個框架側上。將測量低加速度量程的第一隔膜式三軸加速度 傳感器元件70d和測量高加速度量程的梁式三軸加速度傳感器元件 50d的框架52d和72d以及配重51d和71d的厚度設成相同。將梁53d 和54d以及作為撓性構件的隔膜73d的厚度設成相同。
示例5
本發明的示例5是可以在進一步增加加速度檢測量程的情況下在 三個不同加速度量程中檢測三軸加速度的多量程三軸加速度傳感器裝 置。多量程傳感器芯片40e的示意性結構在圖9的透視圖中示出。在 第一隔膜式三軸加速度傳感器元件70e的框架72e的側邊內，除第二 隔膜式三軸加速度傳感器元件70e，之外還布置第三隔膜式三軸加速度 傳感器元件70e"。隔膜式三軸加速度傳感器元件70e、 70e，和70e，，從 第 一到第三依次具有更小的每單位加速度的輸出電壓，并依次具有更 太的加速度測量量程。例如，第一隔膜式三軸加速度傳感器元件被設 成土3G，第二隔膜式三軸加速度傳感器元件是土30G,而第三隔膜式 三軸加速度傳感器元件被設成± 600G。為了使隔膜式三軸加速度傳感 器元件從第一到第三依次具有更小的每單位加速度的輸出電壓，使配
重的尺寸從第 一到第三依次更小并且還使撓性構件的長度更小。
在此示例中，第一隔膜式三軸加速度傳感器元件70e具有方形隔 膜，第二隔膜式三軸加速度傳感器元件70e，具有多邊形隔膜，而第三 隔膜式三軸加速度傳感器元件70e，，具有圓形隔膜。改變框架72e、 72e， 和72e"以及配重71e、 71e，和71e"的形狀以匹配隔膜的形狀。這樣， 可以不僅選擇方形，而且選擇多邊形和圓形。將從第一到第三隔膜式 三軸加速度傳感器元件的框架72e、 72e，和72e"以及配重71e、 71e，和 71e"的厚度設成相同，并將其撓性構件73e、 73e，和73e"的厚度設成 相同。
示例6
本發明的示例6是可以在三個不同加速度量程中檢測三軸加速度 的多量程三軸加速度傳感器裝置。多量程傳感器芯片40f的示意性結 構在圖10中示出。第二三軸加速度傳感器元件50f，和第三三軸加速度 傳感器元件50P布置在與示例1的第一三軸加速度傳感器元件相同的 第一三軸加速度傳感器元件50f的框架側邊內。三軸加速度傳感器元 件從第一到第三依次具有更小的每單位加速度的輸出電壓。三軸加速 度傳感器元件從第一到第三依次具有更大的加速度測量量程。例如， 第一三軸加速度傳感器元件被設成土3G，第二三軸加速度傳感器元件 是士30G,而第三三軸加速度傳感器元件i皮設成土600G。為了使三軸 加速度傳感器元件從第一到第三依次具有更小的每單位加速度的輸出 電壓，使配重的尺寸從第一到第三依次更小，并且使梁的長度更小或 者使其寬度更大。
示例7
將解釋根據示例7的多量程三軸加速度傳感器裝置。圖11以透視 圖示出示例7的多量程傳感器芯片40g的結構。第二三軸加速度傳感 器元件50g，包括兩個兩軸加速度傳感器元件60g和60g，。如示例1所 示，多量程傳感器芯片40g具有第一三軸加速度傳感器元件50g，該
第一三軸加速度傳感器元件50g具有以下結構，其中第一元件配重51g 由相應兩個梁的第一元件第一梁53g和第一元件第二梁54g支承在第 一元件框架52g中。另一方面，第二三軸加速度傳感器元件50g，包括 第一兩軸加速度傳感器元件60g和第二兩軸加速度傳感器元件60g，， 該第一兩軸加速度傳感器元件60g具有其中第二元件第一配重61g由 兩個梁的第二元件第一梁63g支承在第二元件第一框架62g中的結構， 該第二兩軸加速度傳感器元件60g，具有其中第二元件第二配重61g，由 第二元件第二梁63g，支承在第二元件第二框架62g，中的結構。
兩軸加速度傳感器元件與三軸加速度傳感器元件的不同之處在 于，兩軸加速度傳感器元件具有形成一對的梁。可以檢測在梁延伸的 方向上的第一軸(X軸)和與在梁上形成有壓電電阻器的芯片平面垂 直的第二軸(Z軸)上的加速度。因為兩個兩軸加速度傳感器元件布 置成使得其第一軸彼此正交，所以可以檢測三個軸，即作為兩個元件 的第一軸向的兩個軸(X軸和Y軸)、以及Z軸。Z軸的檢測可以由 兩個元件之一進行。在此示例中，第一兩軸加速度傳感器元件60g的 梁63g沿著X軸布置，并設置X軸壓電電阻器和Z軸壓電電阻器。 第二兩軸加速度傳感器元件60g，的梁63g，沿著Y軸布置，并設置Y 軸壓電電阻器。
因為兩軸加速度傳感器元件具有一對梁，所以梁的彎曲剛度整體 上小于具有兩對梁的三軸加速度傳感器元件的彎曲剛度。于是，可以 減小配重的尺寸以獲得相同的每單位加速度的輸出電壓。因為梁僅在 一個方向上延伸，所以可以將梁裝配在更小的框架中。兩個元件的總 面積大于三軸加速度傳感器元件的面積。但是，可以通過將兩軸元件 設置在第二和隨后的加速度傳感器元件中并將加速度傳感器元件布置 在具有最大尺寸的第一三軸加速度傳感器元件中，而減小整個多量程 三軸加速度傳感器裝置的尺寸。換言之，可以選擇是將三個軸分別設 置在一個第一三軸加速度傳感器元件以及第二和隨后的三軸加速度傳 感器元件中，還是設置兩個兩軸加速度傳感器元件
將描述根據示例7的多量程傳感器芯片的示意性尺寸。第一三軸
加速度傳感器元件50g具有與示例1中的第一三軸加速度傳感器元件 50a相同的尺寸和相同的結構。第一兩軸加速度傳感器元件60g和第 二兩軸加速度傳感器元件60g，具有相同尺寸。其梁的長度設成12(Him， 其寬度設成100nm，而配重的外部尺寸設成150pm x 150|um。在此情 況下，在3V的輸入電壓下每1G加速度的輸出電壓在第一三軸加速度 傳感器元件中所有的X、 Y和Z軸上約為2.0mV，而在第二三軸加速 度傳感器元件中所有的X、 Y和Z軸上約為O.OlmV。第一和第二兩 軸加速度傳感器元件可以獲得與示例1中的第二三軸加速度傳感器元 件50a，相等的每單位加速度的輸出電壓，其中配重具有小于第二三軸 加速度傳感器元件50a，的錐形配重的面積。通過設置如圖11所示具有 上述尺寸的第一和第二兩軸加速度傳感器元件，整個多量程傳感器芯 片的尺寸可以減小為小于示例1中的尺寸。
示例8
如圖12所示，在示例8的結構中，與示例7中的第一和第二兩軸 加速度傳感器元件相同的第一和第二兩軸加速度傳感器元件60h和 60h，布置在第一三軸加速度傳感器元件50h的兩個框架側上。具有在 X方向上延伸的梁的第一兩軸加速度傳感器元件60h設置在第一三軸 加速度傳感器元件50h的平行于X軸的框架側中。第二兩軸加速度傳 感器元件60h，設置在第一三軸加速度傳感器元件50h的平行于Y軸的 框架側中。作為整個第一和第二兩軸加速度傳感器元件60h和60h，的 尺寸，在梁的縱向方向上的尺寸較長。此結構是期望，因為可以相對 于整個多量程傳感器芯片40h的平面垂直和水平尺寸將較長的尺寸設 成盡可能短。換言之，當多量程傳感器芯片形成為基本方形形狀時， 采用此示例結構時的面積最小，
示例9
在根據圖IO所示示例6的多量程三軸加速度傳感器裝置中，可以 分別從兩個兩軸加速度傳感器元件構成第二和第三三軸加速度傳感器
元件50f，和50f，。例如，在根據示例9的多量程傳感器芯片40i中， 如圖13所示，第三三軸加速度傳感器元件50i，，包括檢測X和Z軸加 速度的第一兩軸加速度傳感器元件60i以及檢測Y軸加速度的第二兩 軸加速度傳感器元件60i，。第一兩軸加速度傳感器元件60i與第二三 軸加速度傳感器元件50i，一起布置在第一三軸加速度傳感器元件50i 的沿著X軸的框架側中，而第二兩軸加速度傳感器元件60i，布置在沿 著Y軸的其它框架側中。
示例10
在根據圖14所示示例IO的多量程傳感器芯片40j中，第二三軸 加速度傳感器元件50j，包括檢測X和Z軸加速度的第一兩軸加速度傳 感器元件60j以及檢測Y軸加速度的第二兩軸加速度傳感器元件60j，。 類似地，第三三軸加速度傳感器元件50j"包括檢測X和Z軸加速度的 第三兩軸加速度傳感器元件60j以及檢測Y軸加速度的第四兩軸加速 度傳感器元件65j，。第一兩軸加速度傳感器元件60j和第三兩軸加速 度傳感器元件65j布置在第一三軸加速度傳感器元件50j的沿著X方 向的框架側中，而第二兩軸加速度傳感器元件60j，和第四兩軸加速度 傳感器元件65j，布置在第一三軸加速度傳感器元件50j的框架的沿著 Y軸的框架側中。
在根據這些示例的多量程三軸加速度傳感器裝置中，對于從1G 或更小到幾百G的各種大小的加速度，可以使用適合于加速度大小的 三軸加速度傳感器元件以令人滿意的線性度測量加速度。
示例11
下面將解釋根據本發明的示例u的多量程三軸加速度傳感器裝 置。根據示例11的多量程傳感器芯片40k的結構在圖15的透視圖中 示出。在此示例中，多量程傳感器芯片40k包括測量低加速度量程的 梁式三軸加速度傳感器元件50k、測量中加速度量程的兩個梁式兩軸 加速度傳感器60k和60k，、以及測量高加速度量程的隔膜式三軸加速 度傳感器元件70k。在梁式兩軸加速度傳感器60k和60k，中，配重61k 和61k，以及框架62k和62k，分別由成對的梁63k和63k，連接。用于X 軸的壓電電阻器和用于Z軸的壓電電阻器形成在梁式兩軸加速度傳感 器60k的梁63k上。用于Y軸的壓電電阻器形成在梁式兩軸加速度傳 感器60k，的梁63k，上。隔膜式三軸加速度傳感器元件70k以及兩個梁 式兩軸加速度傳感器60k和60k，形成在梁式三軸加速度傳感器元件 50k的兩個4匡架側52k上。
梁式兩軸加速度傳感器60k和60k，與梁式三軸加速度傳感器元件 50k的不同之處在于，梁式兩軸加速度傳感器60k和60k，分別具有成 對的梁63k和63k，。可以檢測在梁的縱向方向上的第一軸(X軸)上 的加速度以及與在梁63k和63k，上形成有壓電電阻器的芯片平面垂直 的第二軸(Z軸)上的加速度。因為兩個兩軸加速度傳感器元件布置 成使得其第一軸彼此正交，所以可以檢測總共三個軸上的加速度，即 在兩個元件的梁分別延伸的軸向上延伸的兩個軸(X軸和Y軸)、以 及Z軸。Z軸的檢測可以由兩個元件之一進行，或者可以由兩個元件 進行。在此示例中，第一梁式兩軸加速度傳感器元件60k的梁63k沿 著X軸布置，并形成X軸壓電電阻器和Z軸壓電電阻器。第二梁式 兩軸加速度傳感器元件60k，的梁63k，沿著Y軸布置，并形成Y軸壓 電電阻器。
因為梁式兩軸加速度傳感器元件具有一對梁，所以梁的彎曲剛度 整體上小于具有兩對梁的三軸加速度傳感器元件的彎曲剛度。于是， 可以減小配重的尺寸以獲得相同的每單位加速度的輸出電壓。因為梁 僅在一個方向上延伸，所以可以將梁裝配在更小的框架中。
示例12
在根據示例12的多量程三軸加速度傳感器裝置中，對示例1中所 述多量程傳感器芯片40a的傳感器元件形成區域的外側應用晶片級封 裝。根據示例12的多量程三軸加速度傳感器裝置以剖視圖在閨16和 17中示出。如圖16所示，第一帽3m和第二帽3m，結合在多量程傳感
器芯片40a的上方和下方。第一帽3m和第二帽3m，在其中心中具有 腔32m,并且在其周邊部分處結合到多量程傳感器芯片40a。因為結 合部分布置在多量程傳感器芯片40a的傳感器元件形成區域的外側 上，所以將傳感器元件保護在由第一帽3m和第二帽3m，圍繞的密封 封裝中，使得傳感器元件的特性不會由于濕度、異物等的影響而波動。
合適的間隔設置在傳感器元件的配重51a和51a，與第一帽3m和 第二帽3m，之間，以起到調節板調節配重位移和防止在施加過大加速 度時梁的破壞的作用。芯片保護膜45a形成在多量程傳感器芯片40a 的上表面上。連接布置在密封封裝的外側上的芯片端子41a和壓電電 阻器的導線穿過芯片保護膜45a下方引出到密封封裝的外側。第一帽 3m和第二帽3m，由硅晶片形成，而腔32m通過硅的各向異性刻蝕或 桿刻蝕加工而成。多量程傳感器芯片40a與第一帽3m和第二帽3m， 的結合在晶片狀態下進行。在結合之后，多量程傳感器芯片40a與第 一帽3m和第二帽3m，集成到一件單個傳感器芯片封裝100m中。使用 AuSii焊接進行結合。此外，還可以使用各種金屬的焊接和共熔結合、 表面活性結合、陽極結合、低熔玻璃結合等。在將多量程傳感器芯片 40a與第一帽3m和第二帽3m，集成為一件時，必須露出芯片電極。于 是，在第一帽中，在芯片電極的上方區域中形成腔，并由第一劃片單 元A僅僅切割第一帽3m以露出芯片電極41a。之后，多量程傳感器 芯片40a和第二帽3m，由第二劃片單元B切割并集成為一件。
因為傳感器元件被保護在密封封裝中，所以可以采用通常使用的 塑料封裝作為整個傳感器的封裝。金屬引線框和樹脂密封的結構的示 例在圖17中示出。IC芯片80通過樹脂的第一粘結劑79結合到金屬 引線框85的芯片支承板78上，并通過樹脂制成的笫二粘結劑81將傳 感器芯片封裝100m結合到IC芯片80上。傳感器芯片封裝100m的 芯片電極41a和IC芯片80的IC端子82由Au制成的導線15連接。 IC端子82和金屬引線框85的外部端子83也由導線15連接。然后， 將這些用環氧樹脂的密封樹脂84密封。在此，使用示例1中說明的多 量程傳感器芯片。但是，還可以使用示例2至11中所說明的那些芯片。
權利要求
1. 一種多量程三軸加速度傳感器裝置，包括在單個硅芯片中形成 的多個三軸加速度傳感器元件，所述多個三軸加速度傳感器元件中的每個包括配重，圍繞所述配重并具有彼此相對的框架側的框架，比所述配重和所述框架薄的撓性構件，所述撓性構件連接所述相 對框架側的上部與所述配重的上部以在所述相對框架側的上部之間支 承.所述配重，和布置在所述撓性構件的上表面上的壓電電阻器，用于測量在所述 撓性構件的上表面中兩個正交軸向上的加速度和與所述撓性構件的上 表面垂直的方向上的加速度，其中所述多個三軸加速度傳感器元件包括第一三軸加速度傳感器 元件，在所述第一三軸加速度傳感器元件的框架中設置其它三軸加速 度傳感器元件，所述多個三軸加速度傳感器元件中的每個產生彼此不同的對單位 加速度的輸出電壓，并且來自所述第一三軸加速度傳感器元件的對單位加速度的輸出電壓 大于來自其它三軸加速度傳感器元件的對單位加速度的輸出電壓。
2. 根據權利要求l所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中具 有較大的對單位加速度的輸出電壓的三軸加速度傳感器元件中所述相 對框架側之間的距離較長。
3. 根據權利要求l所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中所 述多個三軸加速度傳感器元件中的每個的撓性構件具有與其它三軸加 速度傳感器元件的撓性構件相同的厚度。
4，根據權利要求l所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中所 述多個三軸加速度傳感器元件中的每個的配重具有與其它三軸加速度傳感器元件的配重相同的厚度。
5.根據權利要求4所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中所 述多個三軸加速度傳感器元件中的每個的框架具有與其它三軸加速度 傳感器元件的框架相同的厚度。
6. 根據權利要求1所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中所 述多個三軸加速度傳感器元件中的每個的框架具有與其它三軸加速度 傳感器元件的框架相同的厚度。
7. 根據權利要求1所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中所 述多個三軸加速度傳感器元件中的至少 一個具有將所述相對框架側的 上部與所述配重的上部連接的多個梁以作為所述撓性構件，并且所述 多個三軸加速度傳感器元件中其余的三軸加速度傳感器元件具有隔膜 作為所述撓性構件，所述隔膜布置在由其框架的上部圍繞的區域中并 將所述配重支承在所述隔膜的中心中。
8. 根據權利要求7所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中所 述多個三軸加速度傳感器元件的所有梁和隔膜具有相同厚度。
9. 根據權利要求8所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中所 述多個三軸加速度傳感器元件的所有配重和框架具有相同厚度。
10. 根據權利要求7所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中 所述第一三軸加速度傳感器元件具有連接所述相對框架側的上部與所 述配重的上部的多個梁以作為所述撓性構件。
11. 根據權利要求IO所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中 具有較大的對單位加速度的輸出電壓的三軸加速度傳感器元件具有較 長的梁。
12. 根據權利要求10所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中 具有較大的對單位加速度的輸出電壓的三軸加速度傳感器元件具有較 窄的梁。
13. 根據權利要求7所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中 所述第一三軸加速度傳感器元件具有隔膜作為所述撓性構件，所述隔 膜布置在由其框架的上部圍繞的區域中并將所述配重支承在所述隔膜 的中心中。
14. 根據權利要求1所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中所述多個三軸加速度傳感器元件中的每個具有將所述相對框架側的上 部與所述配重的上部連接的多個梁以作為所述撓性構件。
15. 根據權利要求1所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中 所迷多個三軸加速度傳感器元件中的每個具有隔膜作為所述撓性構 件，所述隔膜布置在由其框架的上部圍繞的區域中并將所述配重支承 在所述隔膜的中心中。
16. 根據權利要求1所述的多量程三軸加速度傳感器裝置，其中 所述其它三軸加速度傳感器元件中的至少一個包括兩個兩軸加速度傳 感器元件，所述兩軸加速度傳感器元件每個都包括配重、圍繞所述配 重并具有彼此相對的框架側的框架、比所述配重和所述框架薄的一對 梁、以及在所述梁上形成并在所述梁延伸的方向上延伸的壓電電阻器，所述兩個兩軸加速度傳感器元件在所述梁的上表面中的梁延伸方 向彼此垂直，所述兩個兩軸加速度傳感器元件中的一個測量在所述梁的上表面 中的梁延伸方向上的加速度和與所述梁的上表面垂直的加速度，并且所述兩個兩軸加速度傳感器元件中的另一個至少測量在所述梁的 上表面中的梁延伸方向上的加速度。
全文摘要
公開了一種多量程三軸加速度傳感器裝置，其中多個三軸加速度傳感器元件在其間沒有軸偏差的情況下形成于單個硅芯片中并具有不同的加速度測量量程。多個傳感器元件中每個都包括配重、圍繞配重的框架、以及連接配重與框架的由梁或隔膜構成的撓性構件。多個傳感器元件中每個都產生彼此不同的對單位加速度的輸出電壓。多個傳感器元件中的第一三軸加速度傳感器元件使其它傳感器元件形成在第一三軸加速度傳感器元件的框架中，并產生比其它傳感器元件大的對單位加速度的輸出電壓。
文檔編號H01L29/66GK101122611SQ20071014074
公開日2008年2月13日 申請日期2007年8月9日 優先權日2006年8月9日
發明者岡田亮二, 齋藤正勝, 杉本正和, 風間敦 申請人:日立金屬株式會社