专利名称：热泡式微型惯性感测元的制作方法
技术领域：
本发明是有关一种微型惯性感测元，特别是关于一种热汽泡式的微型惯性感测元，以作为倾斜计及加速规，用以感测位置、倾斜角度及加速度的变化。
背景技术：
已有的惯性感测元如加速规及陀螺仪，其是作为导航控制不可或缺的元件，然而，由于其体积庞大且价格昂贵，所以不适合推广。微机电技术是近年来兴起的一种微加工技术(Micromachining Technology)，利用此技术来制作微型惯性感测元，特别是微加速规(Micro-accelerometer)，其特性可比传统加工技术制造的更佳、灵敏度更高，所感测的微重力加速度可达μg等级，且微加速规又具有体积轻薄短小、适合大量制造、价格便宜等优点，极适合推广至汽车、游戏摇杆及3-D滑鼠等消费性电子产品。其相关文献请参阅Yazdi等人所发表的“Micromachined InertialSensors”(参见附件一)。
在已有技术上，微加速规大部份为固态感测元，其结构通常具有一可移动的弹性质量块及支撑质量块的至少一弹性支脚，已有制造技术相当多，主要是利用硅微加工技术发展者，包括以多晶硅面型微加工技术(Poly-silicon Surface Micromachining)发展者，如美国专利编号US6223598B1、US5487305、US5417111，US5565625、US5817942及US5665915等或以SOI(Silicon on Insulator)面型微加工技术发展者，如美国专利编号US6294400B1、US5495761、US5747353及US5447067等。然而，此种结构的最大缺点为弹性质量块易受突发的外力撞击而破坏。
为此，遂发展出一种气体热对流式加速规，以克服上述的缺点，其是利用气体热对流的自然原理取代上述质量块的移动作用，如美国专利编号US2445394、US2554512、US3241374及US5581034，而借由微加工技术形成气体热对流式加速规者请参见美国专利US5719333及US6171880；此种方法虽然可以克服质量块易被破坏的问题，然而，由于气体的热传特性较慢，使得此种气体热对流式加速规的反应速度都相当慢(～30Hz)，而限制了其应用，同时由于其封装方式需要完全气密，以控制环境压力值，因此在实施上亦加重了成本。
有监于此，本发明是针对上述的种种问题，提出一种新的感测机制，借一热泡式微型惯性感测元作为一倾斜计或加速规，以同时达到无质量块及快速反应的优点。
发明内容
本发明的主要目的，是在提供一种热泡式微型惯性感测元，其是利用热传导良好、分子密度较致密的液相流体与高温形成的热汽泡间形成有相当清楚的界面的特性，作为倾斜计及加速规，以感测位置、倾斜角度及加速度的变化，具有无质量块的优点及反应速度快的功效，以有效改善已有技术存在的缺点。
本发明的另一目的，是在提出一种利用硅微加工技术形成悬浮于基板上的加热器及温度感测元结构，以提高加热器的加热效率及温度感测元的灵敏度，进而有效提高微型惯性感测元的量测精确度。
本发明的再一目的，是在提供一种热泡式微型惯性感测元，其是借由微加工技术整合相关电路于单一晶片上，不但可降低成本，且兼具有体积小的优点。
为达到上述的目的，本发明技术解决方案提供的热泡式微型惯性感测元是借由微加工技术在一基板上设置一加热器，在加热器的周围且位于基板上分别对称设置有至少二温度感测元，以感测加热器周围的温度变化；一封盖设于基板上且包覆加热器及温度感测元以密封之，使一液相流体填充于封盖与基板形成的空间内。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，基板是一硅基板。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，加热器的材料是选自金属材料、多晶硅及单晶硅其中的一种。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，温度感测元的材料是选自金属材料、多晶硅及单晶硅其中的一种。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，金属材料是选自白金及钨其中的一种。
所述的热泡式微型惯性成测元，其中，液相流体为水。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，在加热器温度高于液相流体的沸点时，位于加热器上方的液相流体会部份由液相变成气相，而产生汽泡。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，可在基板上开设一凹槽，使加热器及温度感测元悬浮于基板的凹槽上方。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，加热器是由一悬浮薄板及其周缘向外平行悬浮薄板延伸的数个对称的细长支脚所组成，且加热器是借由细长支脚的支撑而悬浮于基板上方。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，凹槽是利用异方性蚀刻法形成。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，温度感测元是由至少一细长支脚支撑而悬浮于基板上方。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，温度感测元是一热敏电阻。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，温度感测元是一热电偶。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，温度感测元是一由数个热电偶串连而成的热电堆。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，每一热电偶或热电堆邻接于加热器的部位是悬浮于基板的凹槽上方，而另一端是连接于基板上。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，热电偶是包含一第一热电偶材料及一第二热电偶材料。
所述的热泡式微型惯性感测元，其中，第一热电偶材料是选自多晶硅及单晶硅其中的一种，而第二热电偶材料是为金属连线。
所述的热泡式微型惯性感测元，其可应用于微加速规。
所述的热泡式微型惯性感测元，其可应用于倾斜计。
图1为本发明的热泡式微型惯性感测元的结构剖视图；图2为本发明的热泡式微型惯性感测元形成的高温汽泡及温度梯度分布示意图；图3为本发明热泡式微型惯性成测元借由热汽泡原理作为倾斜计的原理说明示意图；图4为本发明热泡式微型惯性感测元借由热汽泡原理作为加速规的原理说明示意图；图5为本发明借由微加工制程完成的微型惯性感测元的结构剖视图；图6为图5的俯视图；图7为图5及图6的微型惯性感测元借由桥式电路安排的示意图；图8为本发明借由微加工制程完成的微型惯性感测元另一实施例的结构剖视图；图9为图8的俯视图；图10为图7及图8的微型惯性感测元借由差分放大器安排的量测装置示意图。
具体实施例方式
本发明的热泡式微型惯性感测元作为加速规及倾斜计的作用原理是可透过图1至图4的原理说明加以了解。首先，请参见图1，其是为本发明的热泡式微型惯性感测元的结构剖视图，如图所示，一热泡式微型惯性感测元1包括一基板10，其通常为硅基板；在基板10上设有一加热器12，在基板10上且位于加热器12二侧周围对称设置有一温度感测元14及16，借以感测加热器12周围的温度变化，加热器12及温度感测元14、16的材料通常为白金或钨等金属，亦可为集成电路制程中常见的单晶硅或多晶硅材料，当加热器12没有进行加热时，温度感测元14、16是没有量测到任何温度变量的；在基板10上方并设有一封盖18，且其是包覆加热器12及温度感测元14、16以密封的，另有一液相流体20填充在封盖18与基板10形成的空间内，使加热器12及温度感测元14、16是处于一液相流体环境中，液相流体20在此为高纯度去离子水。
当热泡式微型惯性感测元1运作时，加热器12会进行加热而使其周围温度上升，当加热器12温度高于水的沸点时，位于加热器12上方的水会部份由液相变成水蒸汽，且随着温度的提升，水蒸汽泡会逐渐长大。此一汽泡的形成方式类似于热泡式喷墨印表机的驱动原理，差别是不需要提供过多的能量于水蒸汽泡以使之爆冲脱离加热器。在本发明中，借由水的表面张力及温度控制，可以控制汽泡的大小，进而控制热泡式微型惯性感测元1的灵敏度及固定其位置。
如图2所示，在所形成的高温汽泡22内，其实为一具有连续式温度梯度分布的汽泡，其如图中所示的等温线22a、22b及22c，其中，越接近加热器12处的温度越高，而与液相流体20形成界面交接的等温线，其温度为流体的沸点，以水为例，其温度为100℃。当热泡式微型惯性感测元1没有受到外力改变其惯性时，位于加热器12二侧的温度感测元14及16是侦测到相同的温度变化A及B(在图2中以圆圈大小表示温度变化的大小)。
请参见图3所示，其为本发明热泡式微型惯性感测元1借由热汽泡原理作为倾斜计的原理说明。当热泡式微型惯性感测元1倾斜一角度θ时，汽泡22的重力方向Z会自然的与垂直于热泡式微型惯性感测元1的法线方向N形成同一角度θ，使得温度感测元16侦测到较大的温度变化C，而其所对应的温度感测元14则侦测到较小的温度变化D，透过比较C与D则可校正倾斜的方向及大小。
再参见图4所示，其为本发明热泡式微型惯性感测元1借由热汽泡原理作为加速规的原理说明。当热泡式微型惯性感测元1受到线性加速度时，汽泡22周围高密度D的液相流体20会产生惯性力推挤低密度d的汽泡22，使之受力平移，因此造成温度感测元14感测的温度变化E大于温度感测元16感测的温度变化F，透过比较E与F则可以判别并校正加速度的方向及大小。由于本发明利用热传导良好、分子密度较致密的液相流体特性，以及液相流体与高温形成的热汽泡间具有相当清楚的界面，所以在反应速度上可以有效的克服气体热对流式加速规反应速度慢的缺点(～30Hz)，可以达到100Hz甚至更高。
为了提高加热器12的加热效率及温度感测元14、16的灵敏度，本发明更进一步可利用硅微加工技术来形成上述的加热器12及温度感测元14、16结构，特别是借由CMOS制程及其后续的微加工方法以形成具有悬浮结构的加热器12及温度感测元14、16，此举最大的优点是可以整合相关的电路于单一晶片，使体积缩小并有效降低成本。
请参见图5及图6所示，其是分别为本发明借由CMOS制程及后段微加工技术完成的微型惯性感测元的结构剖视图及俯视图，其中没有示出液相流体20及封盖18，由于CMOS制程为一已有技术，在此仅针对本发明使用的材料及形成方法做描述，其余不赘述。热泡式微型惯性感测元2包括一硅基板200，其通常为晶向(100)的硅晶片，在硅基板200上利用硅异方性蚀刻法开设有一V型凹槽210，使一加热器220悬浮于V型凹槽210上，加热器220是由一悬浮薄板222及其周缘向外平行悬浮薄板222延伸的四个对称的细长支脚224所组成，使悬浮薄板222借由细长支脚224的支撑而悬浮于硅基板200的V型凹槽210上；在加热器220四周对应X-Y轴方向等距离设置有四组完全相同的温度感测电阻230、240、250及260，其是分别由细长支脚231、241、251、261支撑而悬浮于V型凹槽210上方。
其中，温度感测电阻230、240、250、260即为热敏电阻，而作为加热器220及温度感测电阻230、240、250、260的材料是取自于CMOS制程中的多晶硅，或是借由硅深蚀刻技术(如感应耦合电浆蚀刻，inductivelycoupled plasma-reactive ion etching，ICP-RIE)搭配XeF2等气体蚀刻来下切去除(undercutting)合份硅基板200材料(例如英国STS公司有提供双重功能的商业机台)，以形成悬浮的单晶硅结构来作为加热器220及温度感测电阻230、240、250、260的材料。
再如图7所示，热泡式微型惯性感测元2借由一桥式电路的安排是可成为一加速规或倾斜计电性量测装置，其是使相对应的温度感测电阻230及240(或250及260)设置于桥式电路输出端点的两侧，并配合电阻R1及R2的设置，以借由一差分放大器(Differential Amplifier)A1读取其信号差值。在本发明中，是有X-Y两个方向的量测，故需要有温度感测电阻230、240桥式电路及温度感测电阻250、260桥式电路两组桥式电路的安排。
请参见图8及图9所示，其分别为本发明借由CMOS制程及后段微加工技术完成的另一微型惯性感测元实施例的结构剖视图及俯视图，其中同样亦没有示出液相流体20及封盖18。此实施例热泡式微型惯性感测元3与图5及图6不同点在于温度感测元由温度成测电阻230、240、250、260变成热电偶或由数个热电偶串连而成的热电堆310、320、330、340，每一热电偶/热电堆310、320、330、340紧临加热器220的热接触区350a是悬浮于V型凹槽210上，而远离加热器220的冷接触区350b则是连接于硅基板200上；其中，每一热电偶是包含有一第一热电偶材料360及一第二热电偶材料362，第一热电偶材料360是多晶硅或上述方法形成的单晶硅，而第二热电偶材料362则为CMOS制程中的金属连线，通常为铝或其合金。
同样地，热泡式微型惯性感测元3借由适当电路的安排亦可成为一加速规或倾斜计电性量测装置，如图10所示，其是为热泡式微型惯性感测元3借由二差分放大器安排的量测装置示意图，位于X座标轴上的热电偶/热电堆310与其对应的热电偶/热电堆320是连接至一差分放大器A2，而Y座标轴上相对应的热电偶/热电堆330及340是连接至另一差分放大器A3，借由此安排即可决定加速度或倾斜角度的大小及方向。
本发明热泡式微型惯性感测元利用热传导良好、分子密度较致密的液相 流体与高温形成的热汽泡间形成有相当清楚的界面的特性，作为倾斜计及加速规，以感测位置、倾斜角度及加速度的变化，因此具有无质量块的优点及反应速度快的功效；另一方面，本发明利用硅微加工技术形成悬浮于基板上的加热器及温度感测元结构，可提高加热器的加热效率及温度感测元的灵敏度，进而可有效提高微型惯性感测元的量测精确度，此外，利用微加工技术能够将相关电路整合于单一晶片上，不但可降低成本，且兼具有体积小的优点。
以上所述是借由实施例说明本发明的特点，其目的在使熟习技术者能了解本发明的内容并据以实施，而非限定本发明的专利范围，故，凡其他未脱离本发明所揭示的精神所完成的等效修饰或修改，仍应包含在本案所述的申请专利范围中。
权利要求
1.一种热泡式微型惯性感测元，其特征在于，包括一基板；一加热器，设置在基板上；至少二温度感测元，分别对称设置在加热器的周围且位于基板上，以感测加热器周围的温度变化；一封盖，设置在基板上且包覆加热器及温度感测元以密封之；以及一液相流体，填充于封盖与基板的空间内。
2.如权利要求1所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，基板是一硅基板。
3.如权利要求1所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，加热器的材料是选自金属材料、多晶硅及单晶硅其中的一种。
4.如权利要求1所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，温度感测元的材料是选自金属材料、多晶硅及单晶硅其中的一种。
5.如权利要求3或4所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，金属材料是选自白金及钨其中的一种。
6.如权利要求1所述的热泡式微型惯性成测元，其特征在于，其中，液相流体为水。
7，如权利要求1所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，在加热器温度高于液相流体的沸点时，位于加热器上方的液相流体会部份由液相变成气相，而产生汽泡。
8.如权利要求1所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，可在基板上开设一凹槽，使加热器及温度感测元悬浮于基板的凹槽上方。
9.如权利要求8所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，加热器是由一悬浮薄板及其周缘向外平行悬浮薄板延伸的数个对称的细长支脚所组成，且加热器是借由细长支脚的支撑而悬浮于基板上方。
10.如权利要求8所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，凹槽是利用异方性蚀刻法形成。
11.如权利要求8所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，温度感测元是由至少一细长支脚支撑而悬浮于基板上方。
12.如权利要求1所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，温度感测元是一热敏电阻。
13.如权利要求8所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，温度感测元是一热电偶。
14.如权利要求8所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，温度感测元是一由数个热电偶串连而成的热电堆。
15.如权利要求13或14所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，每一热电偶或热电堆邻接于加热器的部位是悬浮于基板的凹槽上方，而另一端是连接于基板上。
16.如权利要求13所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，热电偶是包含一第一热电偶材料及一第二热电偶材料。
17.如权利要求16所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其中，第一热电偶材料是选自多晶硅及单晶硅其中的一种，而第二热电偶材料是为金属连线。
18.如权利要求1所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其可应用于微加速规。
19.如权利要求1所述的热泡式微型惯性感测元，其特征在于，其可应用于倾斜计。
全文摘要
本发明提供一种热泡式微型惯性感测元，是为一以微加工技术形成的微型装置，其是在一基板上设置一加热器，且在加热器的四周对称设有四组温度感测元，以感测加热器周围的温度变化，在基板上设有一封盖，其是包覆加热器及温度感测元以密封的，使一液相流体填充于封盖与基板形成的空间内；利用加热器加热液相流体，使之汽化形成一热汽泡于液相流体环境中，借由水的表面张力及温度控制可以控制汽泡的大小，以使加热器四周的温度感测元感测到温度分布的变化，以作为一倾斜计以感测倾斜的方向及大小，亦可作为一加速规以量测加速度的方向及大小。本发明具有无质量块、反应速度快，灵敏度高、体积小等优点。
文档编号G01D21/02GK1525145SQ03106450
公开日2004年9月1日 申请日期2003年2月26日 优先权日2003年2月26日
发明者周正三 申请人:祥群科技股份有限公司