专利名称：加速度传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来探测加速度的传感器装置，更具体地说，涉及一种使用半导体技术能生产的加速度传感器装置，该加速度传感器装置用于玩具、汽车、飞机等。
背景技术：
已经开发和商品化了利用诸如压敏电阻效应和静电容的变化之类的物理量的变化的加速度传感器。这些加速度传感器能广泛用在各种领域，但在最近，需要这样小尺寸的加速度传感器，即能一次以高灵敏度探测在多轴方向上的加速度。
因为硅单晶体由于晶格缺陷极少是理想的弹性体，并且因为能应用半导体加工技术而不进行大的修改，所以更多注意力放在压敏电阻效应型半导体加速度传感器，在这种加速度传感器中一个薄的弹性支撑部分提供在一个硅单晶体基片处，并且由应变仪，例如压敏电阻器，将施加到薄弹性支撑部分上的应力转换成电信号，以便输出。
作为三维加速度传感器，已经使用这样一种加速度传感器，它包括数个弹性支撑臂，每一个梁结构由硅单晶体基片的一个较薄部分形成，该较薄部分连接由在中心的硅单晶体基片的较厚部分构成的质量部分和在其周缘的框架。多个应变仪形成在弹性支撑臂上的每个轴向上。为了用提高的灵敏度检测较小的加速度，使弹性支撑臂较长和/或较薄，或者使作为摆锤工作的质量部分较重。能探测较小加速度的加速度传感器当经受较大冲击时，导致质量部分的过大振幅，并且导致折断弹性支撑臂。为了即使作用施加较大冲击时也避免弹性支撑臂的折断，调整板被安装在加速度传感器芯片的上面和下面，以便把质量部分的振幅限制在一定范围内。
日本公开专利HEI 4-274005(JP 04-274005 A)和HEI 8-233851(JP 08-233851 A)公开了一种方法，其中为了在调节板与加速度传感器芯片的质量部分之间把间隙控制在预定值下，将具有与该间隙基本相同距离的直径的小球与粘合剂混合，并且与小球混合的粘合剂被用来将调节板粘合到加速度传感器芯片上。该间隙能保持在预定值下，因为在调节板与加速度传感器芯片之间的间隙能由小球的直径确定。包含小球的粘合剂的使用因而能够控制在调节板与加速度传感器芯片之间的间隙。
加速度传感器输出与加速度成比例的直流电压信号，并且输出电压小到几mV至几十mV。因此，必须包括一个用来放大输出电压的电路，以便与宽范围的应用领域相对应。使用一种加速度传感器装置，在该传感器装置中，将具有放大电路等的IC芯片安装在具有加速度传感器的基片上，如在日本公开专利2003-28891(JP 2003-28891 A)中描述的那样。
在一种压敏电阻效应型半导体加速度传感器中，在不施加加速度时的输出电压(下文称作“偏移电压”)有时变化，并且输出电压相对于加速度的灵敏度(下文称作“输出灵敏度”)有时变化。而且，输出电压的特性(下文称作“输出温度特性”)有时按照环境温度变化。为了以高精度测量加速度，必须安装一个用来补偿偏移电压变化、输出灵敏度变化和输出温度特性变化的补偿电路。
用于放大、补偿等的处理电路能容纳在单个IC芯片中，但如果加速度传感器装置通过把处理电路的IC和加速度传感器都安装在一个基片上而构成，则加速度传感器装置的安装面积和体积变大。因此，难以提供具有抗落下时的冲击的紧凑和薄结构的加速度传感器装置，这种装置当装载在可携带终端上时是需要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加速度传感器装置，该装置具有以IC芯片形式构造的处理电路和集成的IC芯片和加速度传感器芯片，该装置能够实现结构紧凑和较薄、抗冲击性优良、可靠性高，具有高精度和高灵敏度。
本发明的加速度传感器装置包括一个加速度传感器芯片，具有位于该加速度传感器芯片中心的一个质量部分、一个离开质量部分一段距离围绕质量部分的厚框架、桥接质量部分的上表面和厚框架的上表面的多个弹性支撑臂、及形成在弹性支撑臂的上表面上的应变仪；一块上部调节板，在质量部分的上表面与上部调节板的下表面之间以预定间隙安装以便覆盖加速度传感器芯片的上表面，并且用软膏粘结和固定在厚框架的上表面上；及一个保护壳体，容纳加速度传感器芯片。该加速度传感器芯片在加速度传感器芯片上具有上部调节板，并且厚框架的下表面粘结和固定在保护壳体的一块内底板上，在底板与质量部分下表面之间有一定间隙。上部调节板是一个IC芯片，该IC芯片具有用来处理由应变仪探测的信号的IC电路、和用于在上部调节板上的IC电路的终端。加速度传感器芯片具有用于应变仪的、形成在厚框架上的、及由多个第一引线或第一导体电气连接到在上部调节板上的处理电路的某些终端上的终端。保护壳体具有形成在保护壳体上、并由多个第二引线或第二导体电气连接到在上部调节板上的处理电路的某些终端上的终端。
在根据本发明的上述加速度传感器装置中，希望上部调节板由硅基片制成，在该硅基片上形成用来处理探测信号的IC电路。进一步希望，在本发明的加速度传感器装置中，上部调节板具有一个在面对加速度传感器芯片的一个表面上形成的绝缘层。要不然，绝缘层可以形成在加速度传感器芯片的上表面上，即面对着上部调节板的一个表面上。
在本发明的加速度传感器装置中，希望在上部调节板与质量部分的上表面之间的预定间隙是3至35μm。希望在保护壳体的底板与质量部分的下表面之间的间隙是3至35μm。第一引线的数量至少是四，而第二引线的数量至少是五，由此能防止在加速度传感器装置的操作期间的热产生。
确定在上部调节板与质量部分的上表面之间的间隙的上限值，以使对加速度传感器的冲击危害、和在实际功率消耗下在加速度传感器芯片与IC芯片之间的温度差最小。另一方面，间隙的下限值限制了质量部分的运动范围，因而在用来测量较大加速度的加速度传感器中把间隙设置得较大，而在用来测量较小加速度的高灵敏度加速度传感器中把间隙设置得较小，因为使弹性支撑臂的强度较小。由于某种原因希望把在保护壳体的底板与质量部分的下表面之间的间隙设置为3μm至35μm。
作为传统调节板，使用由玻璃、陶瓷或金属制成的板，以限制传统加速度传感器的质量部分的运动。在本发明中，在加速度传感器芯片的上部上提供具有基本用于提高精度的处理电路的IC芯片，由此给出信号处理和限制对上部调节板的间隙的两个功能。根据本发明，能实现高度精确的和紧凑的加速度传感器装置，同时保持抗冲击性而不增加元件的数量。因为通过磨削不带有电子电路的IC芯片的后表面能使IC芯片薄达0.3mm厚或更小，所以上部调节板的厚度能近似等效于传统调节板的厚度。尽管将处理电路添加到加速度传感器上，但能实现与传统加速度传感器相同尺寸的加速度传感器装置。
在本发明的加速度传感器装置中，IC芯片以气隙位于传感器芯片上方，并因此害怕由IC芯片产生的热量不能足够地散发。如果热辐射性能不足，则在保护壳体内的温度升高，并且减小处理电路的寿命，这成为来自可靠性方面的问题。必须减小在加速度传感器芯片与IC芯片之间的温度差。为了补偿温度，来自加速度传感器的输出由在IC芯片内的一个温度传感器通过探测加速度传感器芯片的温度而补偿，并因此希望在加速度传感器芯片与IC芯片之间的温度差较小。为了使在加速度传感器芯片与IC芯片之间的温度差较小，希望将热辐射性能优良的陶瓷用于保护壳体和保护壳体盖。而且，也希望将具有高热传导性的粘合剂用于用来粘合加速度传感器芯片和IC芯片的粘合剂，并且把具有高热传导性的间隙控制球用作混合到粘合剂中的间隙控制球。
使在加速度传感器芯片与IC芯片之间的间隙尽可能小，电气连接部分提供在加速度传感器芯片与IC芯片之间、和在IC芯片与保护壳体之间，以便通过电气连接部分传递热量和通过把具有希望散热能力的陶瓷材料用于保护壳体将热量散发到外部，由此能使在加速度传感器芯片与IC芯片之间的温度差较小。明确地说，将在加速度传感器芯片与IC芯片之间的间隙设置成从3μm至35μm，将在加速度传感器芯片与IC芯片之间的电气连接设置在至少四个点或更多点上，将在IC芯片与保护壳体之间的电气连接设置在至少五个点或更多点上，及将20μm或更大直径的裸金导线用于电气连接，由此能使热阻为100℃/W或更小。由于在实际使用中的功率消耗估计为最大为30mW，所以在保护壳体中的温度升高能限制在约3℃的范围内，这在没有问题的可工作水平内。即使当功率消耗是30mW时，也使在加速度传感器芯片与IC芯片之间的温度差为2℃或更小。
图1是本发明的一种加速度传感器装置的分解立体图；图2是用于本发明的加速度传感器装置的一种加速度传感器芯片的立体图；图3是沿图1中的线III-III得到的剖视图；图4是在连接裸金导线之后本发明的加速度传感器装置的平面图；图5是在连接裸金导线之后、由图4的加速度传感器装置修改的、本发明的一种加速度传感器装置的平面图；图6是曲线图，表示测量IC芯片的温度和加速度传感器芯片的温度的结果；及图7是曲线图，表示在本发明的加速度传感器装置中在IC芯片与加速度传感器芯片之间的温度相对于功率消耗。
具体实施例方式
参照图1至4将解释本发明的一种加速度传感器装置的一个实施例。图1表示本发明的加速度传感器装置的分解立体图，图2表示在本发明的加速度传感器装置中使用的一种加速度传感器芯片的立体图，及图3表示沿图1中的线III-III得到的剖视图。图4是在图1中表示的加速度传感器装置除去一个盖时的平面图。在本发明的加速度传感器装置100中，通过使用混有硬塑料球的粘合剂52把一个IC芯片20粘结到一个使其电路安装表面朝上的加速度传感器芯片10的顶表面上，并且加速度传感器芯片10被插入到一个保护壳体30中和粘结到其上。当加速度传感器芯片10被粘结到保护壳体30上时，混有硬塑料球的粘合剂52被预先涂敷到在保护壳体的底部表面31的粘结区域上。通过以约10wt％(重量百分比)在硅树脂中混合每个具有15μm直径的硬塑料球，制备粘合剂52。在IC芯片20与加速度传感器芯片10之间的间隙g1、和在保护壳体中的底表面31与加速度传感器芯片10之间的间隙g2由硬塑料球精确地保持成15μm。
用于本发明的加速度传感器芯片10使用一个具有经一个SiO2绝缘层形成的SOI层，即一个SOI晶片，的硅单晶体基片，以便使得有可能以高精度控制弹性支撑臂15的厚度。SOI是绝缘体上硅的缩写。在这个例子中，把通过薄薄地形成SiO2绝缘层形成晶片，SiO2绝缘层是在具有约600μm厚度的Si晶片上的蚀刻阻挡层(约1μm)，在蚀刻阻挡层上形成约7μm厚度的N型硅单晶体层。加速度传感器芯片10由以下部分构成一个在中心的质量部分11，质量部分11由硅单晶体基片的较厚部分构成；一个正方形框架14，绕质量部分11放置以围绕它；两对梁形弹性支撑臂15，由连接质量部分11和框架14的硅单晶体基片的较薄部分、应变仪(在下面的解释中，使用作为应变仪一个例子的“压敏电阻器”，并因此把它们称作“压敏电阻器”)16构成，应变仪的四个用于每个轴，并且它们放置在与相互垂直的两个探测轴(X和Y轴)和与加速度传感器芯片的顶表面正交的探测轴(Z轴)对应的弹性支撑臂上。即，两个压敏电阻器16设置在弹性支撑臂15的每一个上，弹性支撑臂15沿X轴方向延伸以探测沿X轴方向的加速度。两个压敏电阻器16设置在弹性支撑臂15的每一个上，弹性支撑臂15在Y轴方向延伸以探测在Y轴方向上的加速度。另两个压敏电阻器16设置在弹性支撑臂15的每一个上，弹性支撑臂15在Y轴方向延伸以探测在Z轴方向上的加速度。在这个例子中，在Z轴方向上的加速度由设置在沿Y轴方向延伸的弹性支撑臂15上的压敏电阻器探测，但是用来探测沿Z轴方向的加速度的元件可以设置在沿X轴方向延伸的弹性支撑臂15上。用来探测在每个轴方向的加速度的压敏电阻器构成一个全桥探测电路。通过用光敏抗蚀剂形成SOI晶片表面(7μm厚的硅层)的图案和通过用密度为1至3×1018原子/cm3的硼原子轰击硅层，形成压敏电阻器。用于压敏电阻器的电路通过金属溅射、干燥蚀刻等形成在晶片上。
用于压敏电阻器的多个输入/输出终端12设置在加速度传感器芯片10的厚框架14的上表面上。为了布线方便，输入/输出终端12希望沿加速度传感器芯片10的一侧对准，并且由从弹性支撑臂的上表面到厚框架的上表面提供的导体的每一个连接到在弹性支撑臂上的十二个压敏电阻器的终端上。图2没有表示将输入/输出终端12连接到压敏电阻器16上的这些导体。
安装一个IC芯片20，以覆盖加速度传感器芯片10的上表面。一个预定间隙，例如3至35μm的间隙g1，设置在IC芯片20的下表面与加速度传感器芯片10的质量部分11的上表面之间。在这个实施例中是方形厚框架的加速度传感器芯片10的厚框架14的上表面在每个角部处用软膏固定到IC芯片20上。
加速度传感器芯片10的质量部分11在质量部分的上表面上与IC芯片20的下表面具有预定间隙g1。当加速度从外部施加到加速度传感器芯片10上时，质量部分11运动，但质量部分11的移动限制在间隙g1内。IC芯片20作为一块上部调节板工作。
SiO2层形成在IC芯片20的下表面上作为一个绝缘层24。由于当加速度作用在加速度传感器装置上时，加速度传感器芯片10的质量部分11有时接触或碰撞IC芯片20的下表面，所以设置绝缘层，以防止电荷从IC芯片的底表面泄漏到加速度传感器芯片。Al2O3层可以用作绝缘层24以代替SiO2层。要不然，绝缘层可以设置在加速度传感器芯片的上表面上，来代替在IC芯片的底表面上的绝缘层。
用于压敏电阻器的终端12设置在加速度传感器芯片10的厚框架14一侧的上表面上。由于三组(对于X、Y和Z轴的每一个一组)全桥探测电路由设置在加速度传感器芯片上的十二个压敏电阻器16建造，需要至少四个终端12，并且八个终端12希望设置在厚框架14的上表面上。这些终端12的每一个由引线41(有时称作“第一引线”)电气连接到在IC芯片20处设置的一些处理电路终端22的每一个上。作为第一引线41，例如，可以使用0.5mm长和20μm直径的裸金导线。裸金导线每一根的一端焊接到相应终端12上，并且裸金导线的其它端由超声波焊接机焊接到相应处理电路终端22上。
一个保护壳体30具有一个侧框架和一块内底板31，并且加速度传感器芯片10的厚框架的一个下表面固定地粘合到内底板31上。当加速度传感器芯片10被固定到内底板31上时，在加速度传感器芯片10的中心中的质量部分11不与保护壳体30的内底板31相接触，并且保持一个预定间隙g2，该间隙g2与在质量部分的上表面与上部调节板之间的间隙g1不同。内底板31保持离质量部分11的下表面一定间隙，并且将向下振动限制在间隙内，起一块下部调节板的作用。
保护壳体30的侧框架具有多个输入/输出终端32，并且IC芯片20的一些终端22的每一个由引线42电气连接到这些输入/输出终端32上，引线42可以称作“第二引线”。输入/输出终端32的每一个由在侧框架中的导体(未表示)又连接到设置在保护壳体30的侧表面上的多个外部终端34上。保护壳体30具有至少五个输入/输出终端32。它们最好是十二个。20μm直径的裸金导线用于第二引线42，第二引线42把十二个终端32的每一个与IC芯片的终端22相电气连接，并且在其端部处由超声波焊接机焊接在终端的每一个上。由氧化铝陶瓷制成的保护壳体30用在壳体上的粘合剂39固定到氧化铝陶瓷的盖上。
现在将描述加速度传感器芯片的尺寸。方形加速度度传感器芯片10的边长的长度近似是2200(m，并且厚框架14具有600(m的厚度和300(m的宽度。在中心中的质量部分11具有近似600(m的长度的边长、和600(m的厚度。四个弹性支撑臂15具有500(m的长度和90(m的宽度，并且由于它们由在SiO2绝缘层上的硅制成，所以它们具有近似7(m的厚度。
在IC芯片中也具有作为调节板的功能的处理电路由如下元件建造一个多路转换器，用来切换输入轴；一个运算放大器，用来放大信号；一个EEPROM，用来存储校正数据；一个温度传感器，用来探测环境温度；一个电阻指针(rudder)，具有根据温度传感器的输出给出来自EEPROM的调节代码并且反馈运算放大器增益和偏移的功能；等等。IC芯片的尺寸是1.9mm宽(2.2mm长(0.2mm厚，以能够从加速度传感器芯片拉出引线并且避开加速度芯片具有垫部分(终端)的一侧，以让引线从加速度传感器芯片通到IC芯片。
图4表示在安装保护壳体盖38之前加速度传感器装置100的平面图，其中与IC芯片20粘合的加速度传感器芯片10安装在保护壳体30中，并且第一和第二引线41和42在它们之间连接。在这个例子中，IC芯片20当重叠在如图4中所示的传感器芯片10上时，具有不突出传感器芯片10的尺寸。然而，作为在图5中表示的一种修改加速度传感器装置200的平面图，IC芯片20可以部分突出传感器芯片10。
所实现的本发明的生产加速度传感器装置的外尺寸为4.8mm的正方形和1.3mm厚，这近似与传统加速度传感器相同，而与把放大器和温度补偿的处理电路功能添加到传感器装置上无关。
试验生产本发明的加速度传感器装置100，并且用摆锤型冲击试验机对它们进行冲击试验。在用振动机对加速度传感器装置施加20G的加速度期间，在冲击试验之前测量输出V1，并且然后用摆锤型冲击试验机对它们施加5000G的冲击加速度。在冲击试验之后当再次施加20G的加速度时，测量输出V2。确定当输出V2减少大于输出V1的5％时，在经受冲击之后的加速度传感器折断。结果，在5000G的冲击加速度下没有传感器装置折断。5000G的加速度与从1.5m的落下高度自然落到水泥地面上时的冲击相对应，并且证明IC芯片起用来防止加速度传感器芯片的弹性支撑臂折断的调节板的作用。
为了证实热辐射性能，测量热阻。通过监视包含在IC中的一个温度传感器的输出，测量IC芯片的温度。温度传感器输出到温度的温度转换由在环境温度与温度传感器输出之间的关系式进行，该关系式通过把加速度装置放入电烘炉中得到。通过利用压敏电阻器的温度依赖性和测量电阻，执行对加速度传感器芯片的温度测量。通过把加速度传感器装置放入到电烘炉中和得到在环境温度与电阻之间的关系式，进行来自电阻的温度转换。
图6表示功率消耗和IC芯片温度的测量结果、及加速度传感器芯片的温度。从曲线的斜率得到IC芯片的温度升高(温度)＝99.04(功率消耗)+38.444，并且它是99℃每1W。即，这个实施例的加速度传感器装置的热阻是99℃，并且在是真实使用中的30mW的功率消耗下的温度升高估计是约3℃。图7表示在IC芯片与加速度传感器芯片之间的温度差。功率消耗越多，在IC芯片与加速度传感器芯片之间的温度差越大，并且在30mW的功率消耗下温度差是2℃或更小。IC芯片的温度升高是3℃，并且能实现在IC芯片与加速度传感器芯片之间的温度差是2℃或更小，这在真实使用中没有问题。
如以上解释的那样，根据本发明，添加对提高加速度传感器的精度是基本的放大器和补偿电路，并且使得有可能提供紧凑和薄的加速度传感器装置，该装置具有添加有高可靠性的处理电路，该装置可装载到可携带终端等上并且抵抗在落下时的冲击。
权利要求
1.一种加速度传感器装置，包括一个加速度传感器芯片，具有位于该加速度传感器芯片中心的一个质量部分、一个围绕质量部分并离开质量部分一段距离的厚框架、桥接质量部分的上表面和厚框架的上表面的多个弹性支撑臂、及形成在弹性支撑臂的上表面上的应变仪；一块上部调节板，在质量部分的上表面与上部调节板的下表面之间以预定间隙安装以便覆盖加速度传感器芯片的上表面，并且用软膏固定在厚框架的上表面上；及一个保护壳体，包围加速度传感器芯片；其特征在于，上部调节板是一个IC芯片，该IC芯片具有用来处理由应变仪探测的信号的IC电路、和用于上部调节板上的IC电路的终端，加速度传感器芯片具有用于应变仪的、形成在厚框架上的、及由多个第一引线电气连接到在上部调节板上的某些终端上的终端；及保护壳体具有形成在保护壳体上、并由多个第二引线电气连接到在上部调节板上的某些终端上的终端。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器装置，其特征在于，上部调节板由硅基片制成，在该硅基片上形成用来处理探测信号的IC电路。
3.根据权利要求1所述的加速度传感器装置，其特征在于，在调节板与质量部分的上表面之间的预定间隙是3至35μm。
4.根据权利要求2所述的加速度传感器装置，其特征在于，第一引线的数量至少是四，而第二引线的数量至少是五。
5.根据权利要求3所述的加速度传感器装置，其特征在于，第一引线的数量至少是四，而第二引线的数量至少是五。
全文摘要
公开了一种具有以一个IC芯片形式建造的处理电路的加速度传感器装置，并且集成IC芯片和加速度传感器芯片。加速度传感器装置由如下构成一个加速度传感器芯片，由弹性支撑臂、一个质量部分和一个厚框架构成；一块调节板，用来限制质量部分的运动；及一个保护壳体。调节板是一个IC芯片，该IC芯片具有用来电气处理来自加速度传感器芯片的探测信号的处理电路，也用作调节板的IC芯片以离开加速度传感器芯片的预定间隙布置在加速度传感器芯片的上部处，并且电气连接到加速度传感器芯片上，及IC芯片和保护壳体彼此电气连接。
文档编号G01P15/12GK1550784SQ200410043148
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月12日 优先权日2003年5月12日
发明者坂口勇夫 申请人:日立金属株式会社