专利名称：半导体加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体加速度传感器，该半导体加速度传感器用于便携式终端设备、玩具、汽车、飞机等以检测加速度。
背景技术：
下面将讨论传统的使用压电电阻的三轴加速度传感器。附图15是表示该加速度传感器的分解透视图。在这种传感器中，通过粘合剂将加速度传感器元件200固定在壳体2上，并且通过粘合剂将盖3固定在保护壳体2上。加速度传感器元件200的外部端子7与保护壳体2的端子5通过金属线4连接。将加速度传感器元件200的输出从保护壳体2的外部端子6引到外面。在本说明书中，将加速度传感器元件200称作加速度传感器。
附图16是加速度传感器200的平面图。在附图16中，省略支撑框架上的线和外部端子，以便容易理解该压电电阻的结构。加速度传感器200包括由单晶硅基片的厚部分构成的块部分13，围绕该块部分13的支撑框架11，两对正交的类梁(beam-like)挠性臂21、21’和22、22’，它们由单晶硅基片的薄部分构成并且连接块部分13与支撑框架11，以及在与该挠性臂的顶面的两个方向(X和Y)和垂直于该挠性臂的顶面的方向(Z)对应的轴上的多个压电电阻51、51’、52、52’、61、61’、62、62’、71、71’、72和72’。而且，挠性臂21、21’、22和22’通过薄部分上的通孔150成形为梁状，这样该挠性臂容易变形，并且适于更高的灵敏度。
在传统的加速度传感器中，提供压电电阻，使得X轴压电电阻51、51’和Z轴压电电阻71、71’的末端对准挠性臂21和支撑框架11的边界以及挠性臂11和块部分13的边界，以便可以获得最大的传感器输出。
众所周知，当将压电电阻排列成如图16所示的时，在X轴和Z轴的灵敏度之间形成附图17的曲线图中的关系(在1G的加速度，相对于1V激励电压的输出)。当该块部分的厚度改变时，X轴的灵敏度如同二次函数一样改变。Z轴的灵敏度如同线性函数一样改变。这样，X轴和Z轴灵敏度不同。为了消除输出差异，改变该块部分的厚度和该压电电阻的灵敏度或者改变该压电电阻的排列。
为了消除X轴和Z轴之间的输出差异，可以适当地将该块部分的厚度设置在800μm左右，这使得X轴和Z轴能够具有相等的灵敏度。然而，用于半导体等的单晶硅基片的厚度主要设置在625μm和525μm，这样800μm左右的单晶硅基片必须特别定购，从而导致不规律的交货时间以及高成本。因此，通过使用该块部分的厚度来调整输出是不可取的。
通过将杂质元素如硼注入单晶硅基片形成压电电阻。该压电电阻的灵敏度可以通过改变该杂质元素的浓度而改变。至少需要几个杂质注入步骤以改变杂质元素的浓度，从而导致更高的制造成本以及更低的设备容量。这样，这种方法是不可取的。
此外，日本专利公开No.2003-279592和日本专利公开No.2003-294781提出了下面的技术为了消除X、Y和Z轴之间的输出差异，通过改变压电电阻的排列将Z轴的输出减少到X和Y轴的输出。当将Z轴的灵敏度减少到具有低输出的X和Y轴的灵敏度时，就损失了Z轴的灵敏度。而且，传统的加速度传感器被配置成使得Z轴的输出大于X轴的输出，从而导致轴之间较大的输出差异。在轴之间具有较大的输出差异的情况下，必须为每个轴准备具有不同输出放大系数的放大器。
发明内容
本发明的目的是提供一种便宜并且高灵敏度的半导体加速度传感器，该半导体加速度传感器提高X轴和Y轴输出，而不减少Z轴输出，并且不需要为每个轴准备不同振幅的放大器。
根据本发明的半导体加速度传感器包括块部分，该块部分提供在该加速度传感器的中心并且具有顶面；支撑框架，该支撑框架以离该块部分预定距离围绕该块部分并且具有顶面；以及多个挠性臂，每个挠性臂从该块部分的顶面的边缘延伸，桥接该块部分的顶面和该支撑框架的内边缘，并且在该支撑框架内悬挂该块部分。该多个挠性臂中的每一个包括两个宽部，该两个宽部是该挠性臂的两个端部，该两个宽部接触该挠性臂和该支撑框架或该块部分之间的边界，并且具有垂直于该挠性臂的纵向的横截面积；窄部，该窄部是在该挠性臂的两端的两个宽部之间插入的该挠性臂的一部分，该窄部具有垂直于该挠性臂的纵向并且小于该宽部的横截面积的横截面积。该多个挠性臂中的每一个的顶面包括压电电阻，每个压电电阻具有在该支撑框架或该块部分的顶面的两个端子，该压电电阻从该两个端子在该挠性臂的纵向上延伸，并且限制地提供在该挠性臂的宽部的顶面区域内，以及多个金属线，该多个金属线提供在该挠性臂的顶面，并且相对于该挠性臂的顶面的中心线对称，每个金属线在该挠性臂的纵向上通过该挠性臂的窄部的顶面从该挠性臂的一个宽部的顶面延伸到该挠性臂的另一个宽部的顶面。每个压电电阻包括至少两个压电子电阻，该至少两个压电子电阻相对于该挠性臂的顶面的中心线对称地提供，并且每个压电子电阻在该挠性臂的纵向上延伸；以及高浓度扩散层，除了该压电电阻的两个端子，该高浓度扩散层连接该压电子电阻的每两端，以便在该压电电阻的两个端子之间串联该压电子电阻。
在上述半导体加速度传感器中，优选地，该块部分、支撑臂和多个挠性臂由单晶硅整体地构成，并且该压电子电阻和该高浓度扩散层通过在形成该挠性臂的单晶硅的一部分上掺杂周期表的III族或V族元素构成。
在上述半导体加速度传感器中，该多个金属线中的至少一个是伪金属线，该伪金属线不连接到该压电电阻的任何端子。
在上述半导体加速度传感器中，优选地，该多个挠性臂中的两个在该块部分的顶面沿两个正交方向中的一个延伸，该多个挠性臂中的另两个在该块部分的顶面沿该两个正交方向中的另一个延伸，并且该多个挠性臂中的每一个在该多个金属线的结构上与任何其它挠性臂实质上相同。
在本发明的半导体加速度传感器中，优选地，该多个挠性臂中的每一个的宽部的横截面积是该窄部的1.1到3.5倍。以及，更优选地，该多个挠性臂中的每一个的宽部的横截面积是该窄部的1.5到2.5倍。
本发明的半导体加速度传感器可以包括块部分，该块部分提供在该加速度传感器的中心并且具有顶面；支撑框架，该支撑框架以离该块部分预定距离围绕该块部分并且具有顶面；以及四个挠性臂，每个挠性臂从该块部分的顶面延伸，桥接该块部分的顶面和该支撑框架的内边缘，并且在该支撑框架内悬挂该块部分。该四个挠性臂中的两个在该块部分的顶面沿两个正交方向中的一个延伸，该四个挠性臂中的另两个在该块部分的顶面沿该两个正交方向中的另一个延伸。该四个挠性臂中的每一个包括两个宽部，该两个宽部是该挠性臂的两个端部，该两个宽部接触该挠性臂和该支撑框架或该块部分之间的边界，并且具有垂直于该挠性臂的纵向的横截面积；以及窄部，该窄部是在该挠性臂的两端的两个宽部之间插入的该挠性臂的一部分，该窄部具有垂直于该挠性臂的纵向并且小于该宽部的横截面积的横截面积。该四个挠性臂中的两个的顶面每个包括用于检测该挠性臂纵向的加速度分量的压电电阻和用于检测垂直于该块部分的顶面的加速度分量的压电电阻，该压电电阻中的每个在该支撑框架或块部分的顶面上具有两个端子，该压电电阻在该挠性臂的纵向上从该两个端子延伸，并且限制地提供在该挠性臂的宽部的顶面区域内，以及多个金属线，该多个金属线提供在该挠性臂的顶面，并且相对于该挠性臂的顶面的中心线对称，每个金属线在该挠性臂的纵向上通过该挠性臂的窄部的顶面从该挠性臂的一个宽部的顶面延伸到该挠性臂的另一个宽部的顶面，该多个金属线中的至少一个连接提供在该挠性臂的顶面上的该压电电阻的端子中的至少一个。该四个挠性臂中的另外两个的顶面每个包括用于检测该挠性臂纵向的加速度分量的压电电阻，每个压电电阻在该支撑框架或块部分的顶面具有两个端子，该压电电阻在该挠性臂的纵向上从该两个端子延伸，并且限制地提供在该挠性臂的宽部的顶面区域内，以及多个金属线，该多个金属线提供在该挠性臂的顶面，并且相对于该挠性臂的顶面的中心线对称，每个金属线在该挠性臂的纵向上通过该挠性臂的窄部的顶面从该挠性臂的一个宽部的顶面延伸到该挠性臂的另一个宽部的顶面，该多个金属线中的至少一个连接提供在该挠性臂的顶面上的该压电电阻的端子中的至少一个。每个压电电阻包括至少两个压电子电阻，该至少两个压电子电阻相对于该挠性臂的顶面的中心线对称地提供，每个压电电阻在该挠性臂的纵向上延伸；以及高浓度扩散层，除了该压电电阻的两个端子，该高浓度扩散层连接该压电子电阻的每两端，以便在该压电电阻的两个端子之间串联该压电子电阻。以及，该四个挠性臂中的每一个在该金属线的结构上与任何其它挠性臂实质上相同。
在上述半导体加速度传感器中，优选地，该块部分、支撑臂和四个挠性臂由单晶硅整体地构成，并且该压电子电阻和该高浓度扩散层通过在形成该挠性臂的单晶硅的一部分上掺杂周期表的III族或V族元素构成。
在该半导体加速度传感器中，该四个挠性臂中的另外两个在该顶面上具有的该多个金属线中的两个是伪金属线，该伪金属线不连接到该压电电阻中的任何端子。
在本发明的半导体加速度传感器中，每个支撑该块部分的挠性臂在中心具有窄部，该窄部在横截面积上小于定位该挠性臂的端部的宽部，以便该块部分容易通过施加的加速度移动，并且在该施加的加速度的方向上延伸的挠性臂可以更大地弯曲。因此，该加速度传感器的检测灵敏度对于加速度在该块部分的顶面中每个轴方向上增加，也就是，该挠性臂的延伸方向。
例如，当在X轴方向上对加速度传感器应用加速度时，垂直于该加速度延伸的挠性臂(Y轴方向)阻止该块部分在X轴方向上移动。但是，在本发明的加速度传感器中，该垂直挠性臂的干扰减少，这是由于该Y轴挠性臂具有窄部。可以认为X轴方向上的检测灵敏度由此提高。
当X轴方向的挠性臂和Y轴方向的挠性臂在其上具有窄部时，Y轴方向和X轴方向的检测灵敏度都提高。结果，X轴方向和Y轴方向上的检测灵敏度可以与Z轴方向上的检测灵敏度具有相同的水平。
当宽部的横截面积(b)和窄部的横截面积(a)的横截面积比(b/a)在1.1和3.5之间时，X轴方向和Y轴方向上的检测灵敏度大于传统的，并且X轴方向或Y轴方向上的检测灵敏度与Z轴方向上的检测灵敏度的检测灵敏度比接近1。更优选地，横截面积比(b/a)在1.5和2.5之间，由于该灵敏度比从大约0.9到大约1.1。
本发明优选地，每个挠性臂相对于该挠性臂的中心线对称，该挠性臂理想地在该挠性臂的形状上对称，并且与该挠性臂上提供的金属线的结构上对称。当将垂直于该挠性臂的加速度施加于该挠性臂时，该挠性臂由于该加速度横向弯曲。该挠性臂相对于其中心线是对称的，其可以在正向和反向弯曲相同的程度，优选地挠性臂的弯曲没有方向相关。
而且，优选地，该加速度传感器的四个挠性臂相对于该传感器的中心也就是该块部分的中心对称。当X轴方向上的挠性臂与Y轴方向上的挠性臂具有基本上相同的结构时，Y轴方向上的检测灵敏度与X轴方向上的在同一水平。由于每个挠性臂具有多个金属线，因而可以实现该挠性臂之间的对称，当每个挠性臂上的金属线具有与传感器中其它挠性臂基本上相同的结构时。
在本发明的加速度传感器中，压电电阻由多个压电子电阻和高浓度扩散层组成，将该压电子电阻连接到该金属线的通孔提供在该块部分或该支撑框架上。由于该通孔是定位在块部分或支撑框架上，而不是所述的挠性臂上，因而该通孔不影响该挠性臂的变形。同样，该压电子电阻和该高浓度扩散层通过在形成该挠性臂的单晶硅的一部分上掺杂周期表的III族或V族元素构成，因此，该压电子电阻和该高浓度扩散层与该挠性臂的其它部件表现出相同的机械属性。
由于该压电电阻从该挠性臂和块部分或支撑框架之间的边界在该挠性臂的宽部的顶面区域内限制地提供，因而将该压电电阻定位在这样的位置，即在该挠性臂上具有加速度造成的最大的变形并且表现出极好的灵敏度。同样，由于在该挠性臂上没有连接压电电阻和金属线的通孔，因而该压电电阻表现出减少的偏移电压，并且该偏移电压的温度相关性非常小。
如上所述，在该半导体加速度传感器中，提高了该块部分的顶面中每个方向即X轴方向和Y轴方向上的加速度检测灵敏度，从而使该灵敏度与Z轴方向即垂直于该块部分的顶面的方向上的加速度检测灵敏度在同一水平。进一步，该加速度检测灵敏度该比传统的更高，而且偏移电压变得更小，以及该偏移电压的温度相关变得更小。
附图1是根据本发明的实例1的半导体加速度传感器的平面图；附图2是表示附图1的半导体加速度传感器的放大的挠性臂的透视图；附图3A表示在根据本发明的半导体加速度传感器中使用的X轴压电电阻的全桥电路，附图3B表示在根据本发明的半导体加速度传感器中使用的Z轴压电电阻的全桥电路；附图4A是表示在X轴方向的挠性臂上的压电电阻和金属线的平面图，附图4B是沿附图4A的线4B-4B的截面图；附图5A是表示在X轴方向的另一个挠性臂上的压电电阻和金属线的平面图，附图5B是表示在Y轴方向的挠性臂上的压电电阻和金属线的平面图；附图6表示了在实例1的半导体加速度度传感器中，灵敏度比(Ex/Ez)与挠性臂宽部的横截面积(b)和窄部的横截面积(a)的横截面积比(b/a)之间关系的曲线图；附图7表示了灵敏度比(Ex/Ez)与窄部长度之间关系的曲线图；附图8是表示实例3的半导体加速度传感器的挠性臂的透视图；
附图9是表示在实例3的半导体加速度传感器中，灵敏度比(Ex/Ez)与挠性臂宽部的横截面积(b)和窄部的横截面积(a)的横截面积比(b/a)之间关系的曲线图；附图10是表示实例4的半导体加速度传感器的挠性臂的透视图；附图11是表示在实例4的半导体加速度传感器中，灵敏度比(Ex/Ez)与挠性臂宽部的横截面积(b)和窄部的横截面积(a)的横截面积比(b/a)之间关系的曲线图；附图12是表示本发明的半导体加速度传感器和传统的产品的个数比分布(piece ratio distribution)与灵敏度的直方图；附图13A是表示本发明的半导体加速度传感器的片比分布与偏移电压的直方图，附图13B是表示传统的产品的片比分布与偏移电压的直方图；附图14A是偏移电压的温度属性的曲线图，其表示本发明的半导体加速度传感器的转换为对温度的误差比的加速度(％)，附图14B是偏移电压的温度属性的曲线图，其表示传统产品的转换为对温度的误差比的加速度(％)；附图15是表示传统的加速度传感器的分解透视图；附图16是传统的加速度传感器的平面图；以及附图17是表示传统的加速度传感器的X轴灵敏度和Z轴灵敏度与块部分的厚度的关系的曲线图。
具体实施例方式
实例1参照附图1至5，下面将描述本发明的半导体加速度传感器。附图1是表示该半导体加速度传感器的平面图。附图2是表示该半导体加速度传感器的挠性臂的放大部分的透视图。在附图1和2中，省略了金属线。
本发明的半导体加速度传感器由单晶硅基片构成，其中SOI层通过SiO2绝缘层形成以精确地控制该挠性臂的厚度，也就是说，SOI晶片。SOI是绝缘体上硅(Silicon On Insulator)的缩写。在本实例中，将用作蚀刻阻止的薄SiO2绝缘层(大约1μm)在具有大约625μm厚度的Si晶片上形成。将具有大约10μm厚度的N型单晶硅层的晶片用作该绝缘层上的基片。在本实例的半导体加速度传感器100中，在与支撑框架11具有相同尺寸的正方形单晶硅基片上形成四个L形通孔150。形成位于中心的块部分(mass portion)13，围绕块部分13的支撑框架11，以及连接支撑框架11与块部分13的挠性臂21、21’、22和22’，并且该挠性臂厚度减少。半导体加速度传感器100在该挠性臂上具有压电电阻R11，R12，…，R33和R34。该压电电阻与两个正交检测轴(X和Y轴)以及垂直于该加速度传感器的顶面的检测轴(Z轴)相对应。换句话说，将压电电阻R11、R12、R13和R14提供到在X轴方向延伸的挠性臂21和21’上，并且检测X轴方向上的加速度。将压电电阻R21、R22、R23和R24提供在Y轴方向延伸的挠性臂22和22’上，并且检测Y轴方向上的加速度。将压电电阻R31、R32、R33和R34进一步提供在X轴方向延伸的挠性臂21和21’上，并且检测Z轴方向上的加速度。在本实例中，通过提供在挠性臂21和21’上的压电电阻检测Z轴方向上的加速度。可以将用于检测Z轴方向上加速度的元件提供在挠性臂22和22’上。用于检测每个轴方向上加速度的压电电阻构成全桥检测电路。
四个挠性臂21、21’、22和22’每个与该挠性臂和支撑框架11或块部分13的边界接触。挠性臂包括宽部分211和212，每个宽部分具有垂直于该挠性臂的纵向的横截面积，以及窄部分213，该窄部分是介于该挠性臂的两侧上的两个宽部分211和212之间的挠性臂部分，并且其具有比该宽部分的横截面积更小的垂直于该挠性臂的纵向的横截面积。
如图1、2和4A至5B所示，压电电阻R11，R12，…，R33和R34在支撑框架的顶面或块部分的顶面具有两个端子(通孔)11a和11b…34a和34b，该压电电阻从两个端子11a，11b，…，34a和34b在挠性臂21、21’、22和22’的纵向上延伸，并且提供在挠性臂宽部211和212的顶面中。将压电电阻R11，R12，…R33和R34相对于挠性臂21、21’、22和22’的顶面上的中心线对称排列，并且每个压电电阻具有至少两个(在本实例中是两个)压电子电阻(例如R11a和R11b)，该压电子电阻在该挠性臂的纵向延伸。除了压电电阻的两个端子(通孔)11a，11b，…34a和34b，将至少两个压电子电阻的每两个端子通过高浓度扩散层41连接，并且至少两个压电子电阻在该压电电阻的端子11a，11b，…，34a和34b之间串联连接。
在半导体加速度传感器100中，块部分13，支撑框架11和挠性臂21、21’、22和22’由单晶硅整体地构成。通过在由单晶硅构成的挠性臂21、21’、22和22’的顶面的一部分上掺杂周期表的III族或V族元素如硼制造压电子电阻和连接每两个压电电阻的高浓度扩散层41。将压电电阻通过通孔连接金属线的部分也用作高浓度扩散层。
在X轴方向延伸的挠性臂21和21’上的压电电阻R11、R12、R13和R14形成附图3A所示的全桥电路。压电电阻的末端连接在支撑框架上提供的外部端子11t、12t、13t和14t，在外部端子12t和14t之间施加测量电压，并且在外部端子11t和13t之间提取输出。在Y轴方向延伸的挠性臂22和22’上提供的压电电阻R21、R22、R23和R24的桥接电路(未示出)如图3A所示配置。在外部端子22t和24t之间施加测量电压，并且在外部端子21t和23t之间提取输出。在X轴方向延伸的挠性臂21和21’上的Z轴压电电阻R31、R32、R33和R34形成附图3B所示的全桥电路。将压电电阻的末端连接在支撑框架上提供的外部端子31t、32t、33t和34t，在外部端子32t和34t之间施加测量电压，并且在外部端子31t和33t之间提取输出。
附图4和5表示挠性臂上的压电电阻和金属线的详细构造。附图4A表示挠性臂21上的X轴和Z轴压电电阻。附图4B是沿附图4A的线4B-4B的截面图。附图5A表示挠性臂21’上的X轴和Z轴压电电阻。附图5B表示Y轴压电电阻。
在附图4A中，接近挠性臂21上的支撑框架11，两个X轴压电子电阻R11a和R11b从支撑框架11在挠性臂21上延伸，将该压电子电阻相对于挠性臂21的中心线对称地提供，并且将在挠性臂的中心侧的两个压电子电阻R11a和R11b的末端通过高浓度扩散层41连接以形成X轴压电电阻R11。接近挠性臂21上的块部分13，两个X轴压电子电阻R12a和R12b从块部分13在挠性臂21上延伸，将该两个压电子电阻相对于挠性臂21的中心线对称地提供，并且将挠性臂的中心侧的两个压电子电阻R12a和R12b的末端通过高浓度扩散层41连接以形成X轴压电电阻R12。压电子电阻R11a和压电子电阻R12b排列在挠性臂21上相同的直线上，压电子电阻R11b和压电子电阻R12a也排列在挠性臂21上相同的直线上。在这种情况下，构成压电电阻R11的两个压电子电阻R11a和R11b以及构成压电电阻R12的两个压电子电阻R12a和R12b具有用于传统的加速度传感器的压电电阻(大约100μm)大约一半的长度(大约50μm)，并且几乎与传统的加速度传感器的压电电阻的宽度(大约5μm)相等。这样，每一个由两个压电子电阻构成的压电电阻R11和R12具有大约100μm的长度。
如图4B所示，其是示出了X轴压电电阻的截面图，在支撑框架11上的压电子电阻R11a的末端穿过在氧化硅(solicon oxide)绝缘层31上形成的通孔11a，并且连接到在支撑框架11上形成的金属线17(由附图4A中的粗虚线表示)。金属线17连接支撑框架上的外部端子11t。再参照附图4A，支撑框架11上的压电子电阻R11b的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔11b，并且连接在支撑框架11上形成的金属线17。金属线17连接支撑框架上的外部端子12t。块部分13上的压电子电阻R12a的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔12a，并且连接金属线17。金属线17与压电子电阻R12a和R11b平行沿挠性臂21在绝缘层31上延伸，并且在通孔11b上连接延伸到外部端子12t的金属线17。块部分13上的压电子电阻R12b的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔12b，并且连接两个金属线17。金属线的一个与压电子电阻R12b和R11a平行沿挠性臂21在绝缘层31上延伸，绕过通孔11a，并且连接外部端子13t。另一个金属线通过块部分13连接挠性臂21’上的压电电阻R13的压电子电阻13a，该挠性臂21’提供在挠性臂21的相对侧上。压电子电阻R11a和压电子电阻R11b相对于挠性臂21上挠性臂21的中心线对称，压电子电阻R12a和压电子电阻R12b相对于挠性臂21上挠性臂21的中心线对称。这样，挠性臂21上连接压电子电阻R11a的通孔11a和压电子电阻R12b的通孔12b的金属线17与挠性臂21上连接压电子电阻R11b的通孔11b和压电子电阻R12a的通孔12a的金属线17相对于挠性臂21的中心线对称。
关于提供在挠性臂21’上的X轴压电电阻R13和R14，参照附图5A，下面将描述构成压电电阻R13的两个压电子电阻R13a和R13b以及构成压电电阻R14的两个压电子电阻R14a和R14b的结构，以及压电子电阻的连接。接近挠性臂21’上的块部分13，构成压电电阻R13的两个压电子电阻R13a和R13b从块部分13延伸到挠性臂21’，并且相对于挠性臂21’的中心线对称地提供。挠性臂中心侧上的两个压电子电阻R13a和R13b的末端通过高浓度扩散层41彼此连接。接近挠性臂21’上的支撑框架11，构成压电电阻R14的两个压电子电阻R14a和R14b从支撑框架11延伸到挠性臂21’，并且相对于挠性臂21’的中心线对称地提供。挠性臂中心侧上的两个压电子电阻R14a和R14b的末端通过高浓度扩散层41彼此连接。压电子电阻R13a和压电子电阻R14b在挠性臂21’上相同的线上排列，压电子电阻R13b和压电子电阻R14a也排列在挠性臂21’上的相同的线上。在这种情况下，压电子电阻R13a、R13b、R14a和R14b大约是用于传统的加速度传感器的压电电阻的长度的一半，并且具有几乎与传统的加速度传器的压电电阻相同的宽度。
块部分13上的压电子电阻R13a的末端穿过形成在氧化硅绝缘层31上的通孔13a，并且经金属线17通过在块部分13上形成的通孔12b连接到挠性臂21上的压电子电阻R12b。支撑框架11上的压电子电阻R14a的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔14a，并且连接在支撑框架11上形成的金属线17。金属线17连接到支撑框架上的外部端子14t。块部分13上的压电子电阻R13b的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔，并且连接到金属线17。金属线17平行于压电子电阻R13b和R14a沿挠性臂21’在绝缘层31上延伸，并且在通孔14a上连接延伸到外部端子14t的金属线17。支撑框架11上的压电子电阻R14的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔14b，并且连接到在支撑框架11上形成的金属线17。金属线17连接到在支撑框架上的外部端子11t。
在块部分13上的通孔13a和支撑框架11上的通孔14b的附近之间，金属线17平行于压电子电阻R13a和R14b沿挠性臂21’在绝缘层31上延伸。然而，金属线17与挠性臂21’上的另一个金属线17具有相同的材料，横截面积结构和尺寸，并且经通孔13a连接支撑框架11上的外部端子13t，而没有连接到通孔14b。在挠性臂21’的压电子电阻R13a和R14b上提供的金属线17的部分与在挠性臂21’的压电子电阻R13b和R14a上提供的金属线17的部分结构上完全相同。这样，挠性臂21上的两个压电子电阻R11和R12及其金属线与挠性臂21上的两个压电子电阻R13和R14及其金属线在结构上完全相同。
如图4A所示，在挠性臂21上提供Z轴压电电阻R31和R32。接近挠性臂21上的支撑框架11，构成压电电阻R31的两个压电子电阻R31a和R31b从支撑框架11延伸到挠性臂21，并且相对于挠性臂21的中心线对称地布置在X轴压电子电阻R11b和R11a的外面，也就是说，比压电子电阻R11b和R11a离挠性臂21的中心线更远。挠性臂中心侧的两个压电子电阻R31a和R31b的末端通过高浓度扩散层41彼此连接，以形成Z轴压电电阻R31。接近挠性臂21上的块部分13，构成Z轴压电电阻R32的两个压电子电阻R32b和R32a从块部分13延伸到挠性臂21，并且相对于挠性臂21的中心线对称地布置在X轴压电子电阻R12a和R12b的外面，也就是说，比压电子电阻R12a和R12b离挠性臂21中心线更远。挠性臂中心侧上的两个压电子电阻R32b和R32a的末端通过高浓度扩散层41彼此连接，以形成Z轴压电电阻R32。压电子电阻R31a和压电子电阻R32b排列在挠性臂21上相同的直线上，压电子电阻R31b和压电子电阻R32a排列在挠性臂21上相同的直线上。在这种情况下，压电子电阻R31a、R31b、R32a和R32b具有用于传统的加速度传感器的压电电阻的长度的一半，并且具有几乎与传统的加速度传感器的压电电阻相同的宽度。
支撑框架11上压电子电阻R31a的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔31a，并且连接到在支撑框架11上形成的金属线17。金属线17连接到支撑框架上的外部端子31t。支撑框架11上压电子电阻R31b的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔31b，并且连接到形成在支撑框架11上的金属线17。金属线17连接到在支撑框架上形成的外部端子32t。块部分13上压电子电阻R32a的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔32a，并且连接到金属线17。金属线17平行于压电子电阻R32a和R31b沿挠性臂21在绝缘层31上延伸，并且在通孔31b上连接到延伸到外部端子32t的金属线17。块部分13上的压电子电阻R32b的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成通孔32b，并且连接到金属线17。该金属线平行于压电子电阻R32b和R31a沿挠性臂21在绝缘层31上延伸，绕过通孔31a，并且连接到外部端子33t。压电子电阻R31a和压电子电阻R31b相对于挠性臂21上的挠性臂21的中心线是对称的，压电子电阻R32b和压电子电阻R32a相对于挠性臂21上的挠性臂21的中心线也是对称的。这样，挠性臂21上连接压电子电阻R31a的通孔31a附近和压电子电阻R32b的通孔32b的金属线17与挠性臂21上连接压电子电阻R31b的通孔和压电子电阻R32a的通孔的金属线17相对于挠性臂21的中心线是对称的。
参照附图5A，下面将详细讨论在挠性臂21’上提供的Z轴压电电阻R33和R34。构成压电电阻R33的两个压电子电阻R33a和R33b，构成压电电阻R34的两个压电子电阻R34a和R34b，及其连接与构成Z轴压电电阻R31的压电子电阻R32b和R32a，构成Z轴压电电阻R31的压电子电阻R31b和R31a，及其在挠性臂21上的连接在结构上分别完全相同。
特别如上所述，在挠性臂21上形成的X轴压电电阻R11和R12和连接挠性臂21上的压电电阻的金属线17与在挠性臂21’上形成的X轴压电电阻R14和R13和连接挠性臂21’上的压电电阻的金属线结构上基本相同。在挠性臂21上形成的Z轴压电电阻R31和R32和连接挠性臂21上的压电电阻的金属线17与在挠性臂21’上形成Z轴压电电阻R34和R33和连接挠性臂21’上的压电电阻的金属线17在结构上实质相同。这样，挠性臂21和挠性臂21’基本上相同。通过外部加速度或相对于块部分13的中心对称地做同样的移动和变形。
在附图5B中，接近挠性臂22上的支撑框架11，两个Y轴压电子电阻R21a和R21b从支撑框架11延伸到挠性臂22，该两个Y轴压电子电阻相对于挠性臂22的中心线对称地提供。挠性臂中心侧上的两个压电子电阻R21a和R21b的末端通过高浓度扩散层41彼此连接，以形成Y轴压电电阻R21。接近挠性臂22上的块部分13，两个Y轴压电子电阻R22a和R22b从块部分13延伸到挠性臂22，该两个Y轴压电电阻相对于挠性臂22的中心线对称地提供。挠性臂中心侧上的两个压电子电阻R22a和R22b的末端通过高浓度扩散层41彼此连接，以形成Y轴压电电阻R22。压电子电阻R21a和压电子电阻R22b排列在挠性臂22上相同的直线上，压电子电阻R21b和压电子电阻R22a排列在挠性臂22上相同的直线上。在这种情况下，压电子电阻R21a、R21b、R22a和R22b大约具有用于传统的加速度传感器的压电电阻的一半长度，并且具有几乎与传统的加速度传感器的压电电阻相同的宽度。
支撑框架11上的压电子电阻R21a的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔21a，并且连接到在支撑框架11上形成的金属线17。金属线17连接到支撑框架上的外部端子21t。支撑框架11上的压电子电阻R21b的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔21b，并且连接到在支撑框架11上形成金属线17。金属线17连接到支撑框架上的外部端子22t。块部分13上的压电子电阻R22a的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔22a，并且连接到金属线17。金属线17平行于压电子电阻R22a和R21b沿挠性臂22在绝缘层31上延伸，并且在通孔21b上连接到延伸到外部端子22t的金属线17。块部分13上的压电子电阻的末端穿过在氧化硅绝缘层31上形成的通孔22b，并且连接到两个金属线17。一个金属线平行于压电子电阻R22b和R21a沿挠性臂22在绝缘层31上延伸，绕过通孔21a，并且连接到外部端子23t。另一个金属线通过块部分13连接到挠性臂22相对侧的挠性臂22’上的压电电阻R23的压电子电阻R23a。压电子电阻R21a和压电子电阻R21b相对于挠性臂22上的挠性臂22的中心线对称，压电子电阻R22a和压电子电阻R22b也相对于挠性臂22上的挠性臂22的中心线对称。这样，挠性臂22上连接压电子电阻R21a的通孔21a的附近和压电子电阻R22b的通孔22b的金属线17与挠性臂22上连接压电子电阻R21b的通孔和压电子电阻R22a的通孔22a的金属线17相对于挠性臂22的中心线对称。
如上所述，很明显，在挠性臂22上提供的Y轴压电电阻R21和R22以及连接该压电电阻的金属线17与挠性臂21上提供的X轴压电电阻R11和R12以及连接该压电电阻的金属线结构上基本相同。
在挠性臂22的氧化硅绝缘层31上相对于挠性臂22的中心线对称地提供与金属线17具有相同结构、材料和尺寸的伪(dummy)金属线17d和17d’，并且其位于连接通孔22b和通孔21a附近的金属线17以及连接通孔21b和22a的金属线17之外，也就是说，比该金属线离挠性臂22的中心线更远。在挠性臂22的一个位置提供伪金属线17d，与在挠性臂21上连接通孔31b和32a的金属线17相对应。在挠性臂22的一个位置提供伪金属线17d’，与挠性臂21上连接通孔32b和通孔31a的附近的金属线17相对应。伪金属线17d和17d’在支撑框架11和块部分13之间的挠性臂22上延伸。
未示出在挠性臂22’上提供的Y轴压电电阻R23和R24的细节。构成压电电阻R23的两个压电子电阻R23a和R23b，构成压电电阻R24的两个压电子电阻R24a和R24b，及其连接与构成在挠性臂21’上提供的X轴压电电阻R14和R13的压电子电阻R14a、R14b、R13a和R13b及其连接相同，这样，可以从上面解释理解Y轴压电电阻R23和R24的细节。挠性臂22’与挠性臂22一样具有两个伪金属线。通过外部加速度或相对于该块部分的中心对称地做相同的移动和变形。
挠性臂21(21’)和挠性臂22(22’)比较如下前者具有八个压电子电阻和四个连接该压电子电阻的高浓度扩散层，后者具有四个压电子电阻和两个连接该压电子电阻的高浓度扩散层。挠性臂21和挠性臂22的每个具有基本上相同的四个金属线或伪金属线。挠性臂21(21’)和22(22’)的剩余部分由单晶硅和氧化硅绝缘层构成。压电子电阻通过掺杂有1到3×1018原子/cm3浓度的硼的硅层形成，高浓度扩散层通过掺杂有3×1021原子/cm3浓度的硼的硅层形成，这样，这些部分具有与剩余部分上的硅层完全相同的机械特性。在本发明的加速度传感器中，四个挠性臂21、21’、22和22’从机械的观点来看是完全相同的。这样，相对于加速度做相同的移动和变形。
在上述本发明的加速度传感器100中，支撑框架11是一个矩形，其中边3300μm，厚600μm，宽度450μm。块部分13长1000μm，宽1000μm，厚600μm。挠性臂长700μm，厚6μm。在该挠性臂上形成的氧化硅绝缘层厚0.5μm。铝金属线厚0.3μm。挠性臂两侧上的宽部211和212长110μm，宽110μm。在该挠性臂中心的窄部213长230μm，宽从22μm到110μm变化。宽部211和212与窄部213之间的倾斜部分长大约125μm。
制造二十个加速度传感器，其中挠性臂的窄部分的宽度从22μm到110μm变化，以便将宽部分的横截面积(b)与窄部分的横截面积(a)的横截面积比(b/a)从1变到5，并且评估灵敏度和冲击阻力。将经历了灵敏度/冲击阻力测试的加速度传感器放置在附图15所示的保护壳体中。支撑框架的底部通过粘合剂固定在保护壳体中的底板上，并且将该块部分和保护壳体之间的间隙设置在10μm。保护壳体上的保护板与块部分的顶面之间的间隙设置在10μm。灵敏度是当1G的加速度与1V的电压施加时的输出电压。当将加速度传感器附着于振动器并且施加20G的加速度时，测量X、Y和Z轴的输出，为每一个加速度传感器测量X轴灵敏度(Ex)与Z轴灵敏度(Ez)的灵敏度比(Ex/Ez)，并且确定灵敏度比的平均值。在测量了灵敏度比之后，使该加速度传感器从1m高度重力下落到厚100mm的木板，以测量冲击阻力。当该加速度传感器从这一高度下落时，大约有1500到200G的冲击施加于该加速度传感器。下落之后，再通过该振动器施加20G的加速度，并且检查输出是否存在。可以确定，没有输出的加速度传感器是坏的。
附图6是表示X轴灵敏度(Ex)和Z轴灵敏度(Ez)的灵敏度比(Ex/Ez)与挠性臂的宽部横截面积(b)和窄部横截面积(a)的横截面积比(b/a)的关系的曲线图。横截面积比(b/a)是1的加速度传感器具有无窄部的挠性臂，其被描述为比较实例。该加速度传感器具有的灵敏度比(Ex/Ez)为0.83，并且Z轴灵敏度显著地大于X轴灵敏度。在横截面积比(b/a)大约是2.1时灵敏度比(Ex/Ez)大约是1，横截面积比大约是3.6时灵敏度是1.25。在灵敏度比为1.25时，X轴灵敏度显著地大于Z轴灵敏度，该灵敏度比与横截面积比为1的Z轴灵敏度/X轴灵敏度相反，这样该灵敏度比是不可取的。因此，可以发现在横截面积比(b/a)为1.1和3.5之间得到优选的灵敏度比(Ex/Ez)。在横截面积比(b/a)为1.5和2.5之间得到更优选的灵敏度比(Ex/Ez)。
关于冲击阻力测试结果，在施加冲击之后，二十个加速度传感器中的一个没有输出，其具有4.2的横截面积比为，并且二十个加速度传感器中的四个没有输出，其具有5.0的横截面积比。具有3.5或更少的横截面积比的加速度传感器没有被破坏。可以理解，通过减少窄部分的厚度并且将横截面积比设置在3.6或更大恶化了灵敏度比和冲击阻力。这样，通过使横截面积比(b/a)小于3.5得到优选的冲击阻力。
实例2根据实例1的半导体加速度传感器，制造加速度传感器，其中挠性臂(长度为700μm)的窄部长度从200μm变到400μm，并且评估灵敏度比(Ex/Ez)。挠性臂具有5μm的平均厚度，压电电阻的尺寸、金属线的尺寸和氧化硅绝缘层的厚度与实例1的加速度传感器相同。宽部的宽度为110μm，窄部的宽度为52.5μm，宽部的横截面积(b)和窄部的横截面积(a)的横截面积比(b/a)是2.1。
准附个加速度传感器，其中窄部的长度从200μm到400μm变化。将该加速度传感器放置在附图15所示的保护壳体中。通过粘合剂将支撑框架的底部固定在该保护壳体中的底板上，块部分和保护壳体之间的间隙设定为10μm。加速度传感器上的保护板与块部分的顶面之间的间隙设定为10μm。当该加速度传感器附着于振动器并且20G的加速度时，测量X、Y和Z轴的输出，对于每个加速度传感器测量X轴灵敏度(Ex)和Z轴灵敏度(Ez)的灵敏度比(Ex/Ez)，并且确定灵敏度比的平均值。附图7是表示灵敏度比(Ex/Ez)相对于窄部长度的关系的曲线图。如该曲线图中所示，即使当该窄部的长度从200μm变化到400μm时，灵敏度也不会受到很大地影响。
实例3实例3的半导体加速度传感器具有与实例1形状不同的挠性臂。如附图8的透视图中所示，在根据实例3的半导体加速度传感器的挠性臂中，宽部211’和212’和窄部213’具有相等的宽度110μm。窄部213’比宽部211’和212’更薄。宽部的厚度为8μm，窄部的厚度从1.74μm到8μm变化。
制造二十个加速度传感器，其中宽部的横截面积(b)和窄部的横截面积(a)的横截面积比(b/a)从1到4.6变化，评估灵敏度和冲击阻力。该加速度传感器放置在附图15所示的保护壳体中。通过粘合剂将支撑框架的底部固定在保护壳体的底板上，块部分和保护壳体之间的间隙设定为10μm。加速度传感器上的保护板和块部分的顶面之间的间隙设定为10μm。当将该加速度传感器附着于振动器并且施加20G的加速度时，测量X、Y和Z轴的输出，对于每个加速度传感器测量X轴灵敏度(Ex)和Z轴灵敏度(Ez)的灵敏度比(Ex/Ez)，确定该灵敏度比的平均值。
附图9是表示X轴灵敏度(Ex)和Z轴灵敏度(Ez)的测量到的灵敏度比(Ex/Ez)与挠性臂的宽部横截面积(b)和窄部横截面积(a)的横截面积比(b/a)之间的关系的曲线图。如在该曲线图中所示，当横截面积比(b/a)超过3.6时，灵敏度比超过1.25。这样，在横截面积比(b/a)为1.1和3.5之间得到优选的灵敏度比(Ex/Ez)。在横截面积比(b/a)为1.5和2.5之间得到更优选的灵敏度比(Ex/Ez)。将附图6的曲线图与附图9的曲线图比较，可以发现，在本发明中，通过减少宽度或厚度都可以使挠性臂的窄部的横截面积小于宽部的横截面积。
关于冲击阻力测试结果，在施加冲击之后，二十个加速度传感器中的两个没有输出，其具有4.2的横截面积比，二十个加速度传感器中的六个没有输出，其具有4.5的横截面积比。具有横截面积比为3.5或更小的加速度传感器没有被破坏。可以理解，通过减少窄部的厚度并且将横截面积比设置在3.6或更大恶化了灵敏度比和冲击阻力。
实例4实例4的半导体加速度传感器具有实例3不同形状的挠性臂。如图10的透视图所示，在根据实例4的半导体加速度传感器的挠性臂中，窄部213”宽度和厚度都小于宽部211”和212”。制造二十个加速度传感器，其中宽部的横截面积(b)和窄部的横截面积(a)的横截面积比(b/a)从1到4.7变化，评估灵敏度和冲击阻力。将该加速度传感器放置在附图15所示的保护壳体中。通过粘合剂将支撑框架的底部固定在保护壳体中的底板上，并且块部分和保护壳体之间的间隙设定为10μm。该加速度传感器上的保护板和该块部分的顶面之间的间隙设定为10μm。当将该加速度传感器附着于振动器并且应用20G的加速度时，测量X、Y和Z轴的输出，对每个加速度传感器测量X轴灵敏度(Ex)和Z轴灵敏度(Ez)的灵敏度比(Ex/Ez)，并且确定灵敏度比的平均值。
附图11是表示X测量到的轴灵敏度(Ex)与Z轴灵敏度(Ez)的灵敏度比(Ex/Ez)与挠性臂的宽部的横截面积(b)和窄部的横截面积(a)的横截面积比(b/a)之间的关系的曲线图。如该曲线图中所示，当横截面积比(b/a)超过3.6时，灵敏度比超过1.25。这样，在横截面积比(b/a)为1.1和3.5之间得到优选的灵敏度比(Ex/Ez)。在横截面积比(b/a)为1.5和2.5之间得到更优选的灵敏度比(Ex/Ez)。
关于冲击阻力测试结果，在应用冲击之后，二十个加速度传感器中的三个没有输出，其具有4.3的横截面积比，二十个加速度传感器中的五个没有输出，其具有4.7的横截面积比。具有3.5或更少的横截面积比的加速度传感器没有被破坏。可以理解，通过减少窄部的厚度并且将横截面积比设为3.6或更大恶化了灵敏度比和冲击阻力。
实例5关于实例1中使用的半导体加速度传感器，准备1000个半导体加速度传感器，其中挠性臂的宽部的横截面积(b)和窄部的横截面积(a)的横截面积比(b/a)大约为2.1，准备1000个附图16的传统的加速度传感器。测量该加速度传感器的灵敏度、偏移(offset)电压以及偏移电压的温度特性。在下面的测量中将该加速度传感器附着于附图15的保护壳体具体测量如下将该加速度传感器附着于振动器，施加20G的加速度，同时将5V的电压(Vin)施加于全桥电路，并且测量X、Y和Z轴的输出来确定对于1G的灵敏度。该灵敏度由对于1G的输出电压(h mV)表示。通过倾斜该加速度传感器，同时将5V的电压(Vin)施加到全桥电路，并且利用由该倾斜造成的1G重力加速度测量偏移电压。该偏移电压的温度特性测量如下在施加5V的驱动电压期间，将该倾斜的加速度传感器支撑并放置在恒温箱中，温度从-40℃到95℃变化。该偏离电压的温度特性由转变成误差比的加速度(Y％)表示。通过对于1G的输出电压(h mV)以及T℃时的偏移电压(j mV)和25℃时的偏移电压(k mV)之间的差异确定温度特性。也就是说，通过Y＝(j-k)/h(％)得到温度特性。例如，在加速度传感器在1G时具有3.6mV的输出电压(h)的情况下，当25℃时偏移电压(k)是2mV，当80℃时偏移电压(j)是3mV，得到Y＝(3-2)/3.6≈0.28＝28％。得到的28％表示在温度差异在80℃和25℃之间的情况下，出现了0.28G的检测误差。将三十个加速度传感器用于偏移电压的温度特性的每个测量。
附图12表示X轴灵敏度(对于1G的输出电压(h mV))。由于X、Y和Z轴在灵敏度分布上相同，因而仅表示X轴灵敏度。白条表示本发明的结果，黑条表示传统的产品的结果。传统的加速度传感器的灵敏度的平均值是3.6mV，而本发明的灵敏度的平均值是4.4mV，这意味着得到大约高1.22倍的灵敏度。本发明是这样实现的通过缩短压电电阻，并且将该压电电阻放置在挠性臂上的应变集中区域，以将比传统的产品更大的应力施加于该压电电阻。在本发明中，该加速度传感器的灵敏度具有更小的分布宽度。灵敏度的分布宽度通过从挠性臂消除接头(joint)而减少，其中该压电电阻经金属线通过绝缘层的通孔连接。通过消除该接头，能够阻止归因于通孔的形状和尺寸以及金属线厚度的变化的输出电压波动。
附图13A表示本发明的偏移电压分布。附图13B表示传统的偏移电压分布。本发明的加速度传感器的偏移电压从-4.2mV到4.6mV分布。传统的产品的偏移电压从-9.7mV到9.5mV分布，其分布范围大于本发明的两倍。通过从挠性臂消除接头，其中将具有不同热膨胀系数和应力的材料结合在一个复杂的形状中，能够阻止该接头在该挠性臂的变形期间妨碍变形，由此减少偏移电压。
附图14表示偏移电压的温度特性。该温度特性由转换成误差比(％)的加速度表示。附图14A表示本发明的结果，附图14B表示传统产品的结果。在附图14A和14B中的每个中显示了八个例子的数据。每个温度的偏移电压由转换成相对于25℃时的偏移电压的误差比(％)的加速度表示。加速度传感器的温度从-40℃到95℃变化。附图14A的本发明的加速度传感器具有是附图14B的传统的产品的一半或更小的转变成误差比的加速度。传统产品的转变成误差比的加速度非线性地变化，而本发明的转换成误差比的加速度被线性化，使得能够以线性函数近似。线性函数能够以简单的校正电路实现简单的校正。通过从挠性臂消除接头，相对于温度的变化转变成误差比的加速度的变化减少，并且该变化被线性化，以便能够以线性函数近似。
权利要求
1.一种半导体加速度传感器，包括块部分，该块部分设置在该加速度传感器的中心并且具有顶面；支撑框架，该支撑框架以离该块部分预定距离围绕该块部分并且具有顶面；以及多个挠性臂，每个挠性臂从该块部分的顶面的边缘延伸，桥接该块部分的顶面和该支撑框架的内边缘，并且在该支撑框架内悬挂该块部分；其中该多个挠性臂中的每一个包括两个宽部，该两个宽部是该挠性臂的两个端部，该两个宽部接触该挠性臂和该支撑框架或该块部分之间的边界，并且具有垂直于该挠性臂的纵向的横截面积；以及窄部，该窄部是位于该挠性臂的两端的两个宽部之间的该挠性臂的一部分，该窄部具有垂直于该挠性臂的纵向并且小于该宽部的横截面积的横截面积；其中该多个挠性臂中的每一个的顶面包括压电电阻，每个压电电阻具有在该支撑框架或块部分的顶面的两个端子，该压电电阻从该两个端子在该挠性臂的纵向上延伸，并且限制地设置在该挠性臂的宽部的顶面区域内，以及多个金属线，该多个金属线设置在该挠性臂的顶面并且相对于该挠性臂的顶面的中心线对称，每个金属线在该挠性臂的纵向上通过该挠性臂的窄部的顶面从该挠性臂的一个宽部的顶面延伸到该挠性臂的另一个宽部的顶面；以及其中每个压电电阻包括至少两个压电子电阻，该至少两个压电子电阻相对于该挠性臂的中心线对称地设置，并且每个压电子电阻在该挠性臂的纵向上延伸；以及高浓度扩散层，除了该压电电阻的两个端子，该高浓度扩散层连接该压电子电阻的每两端，以便在该压电电阻的两个端子之间串联该压电子电阻。
2.如权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中该块部分、该支撑臂和该多个挠性臂由单晶硅整体地构成，并且该压电子电阻和高浓度扩散层通过在形成该挠性臂的单晶硅的一部分上掺杂周期表的III族或V族元素构成。
3.如权利要求2所述的半导体加速度传感器，其中该多个金属线中的至少一个是伪金属线，该伪金属线不连接到该压电电阻的任何端子。
4.如权利要求2所述的半导体加速度传感器，其中该多个挠性臂中的两个在该块部分的顶面沿两个正交方向中的一个延伸，该多个挠性臂中的另两个在该块部分的顶面沿该两个正交方向中的另一个延伸，并且该多个挠性臂中的每一个在该多个金属线的结构上与任何其它挠性臂基本上相同。
5.如权利要求3所述的半导体加速度传感器，其中该多个挠性臂中的两个在该块部分的顶面沿两个正交方向中的一个延伸，该多个挠性臂中的另两个在该块部分的顶面沿该两个正交方向中的另一个延伸，并且该多个挠性臂中的每一个在该多个金属线的结构上与其它任何挠性臂基本上相同。
6.如权利要求1所述的半导体加速度传感器，其中该多个挠性臂中的每一个的宽部的横截面积是该窄部的横截面积的1.1到3.5倍。
7.如权利要求6所述的半导体加速度传感器，其中该多个挠性臂中的每一个的宽部的横截面积是该窄部的横截面积的1.5到2.5倍。
8.一种半导体加速度传感器，包括块部分，该块部分设置在该加速度传感器的中心并且具有顶面；支撑框架，该支撑框架以离该块部分预定距离围绕该块部分并且具有顶面；以及四个挠性臂，每个挠性臂从该块部分的顶面的边缘延伸，桥接该块部分的顶面和该支撑框架的内边缘，并且在该支撑框架内悬挂该块部分；该四个挠性臂中的两个在该块部分的顶面沿两个正交方向中的一个延伸，该四个挠性臂中的另两个在该块部分的顶面沿该两个正交方向中的另一个延伸；其中该四个挠性臂中的每个包括两个宽部，该两个宽部是该挠性臂的两个端部，该两个宽部接触该挠性臂和该支撑框架或该块部分之间的边界，并且具有垂直于该挠性臂的纵向的横截面积；以及窄部，该窄部是位于该挠性臂的两端的两个宽部之间的该挠性臂的一部分，该窄部具有垂直于该挠性臂的纵向并且小于该宽部的横截面积的横截面积；其中该四个挠性臂中的两个的顶面每个包括用于检测该挠性臂纵向的加速度分量的压电电阻，和用于检测垂直于该块部分的顶面的加速度分量的压电电阻，压电电阻中的每个在该支撑框架或块部分的顶面上具有两个端子，在该挠性臂的纵向上从该两个端子延伸，并且限制地设置在该挠性臂的宽部的顶面区域内，以及多个金属线，该多个金属线设置在该挠性臂的顶面，并且相对于该挠性臂的顶面的中心线对称，每个金属线在该挠性臂的纵向上通过该挠性臂的窄部的顶面从该挠性臂的一个宽部的顶面延伸到该挠性臂的另一介宽部的顶面，该多个金属线中的至少一个连接到设置在该挠性臂的顶面上的该压电电阻的端子中的至少一个；其中该四个挠性臂中的另两个的顶面的每个包括用于检测该挠性臂纵向的加速度分量的压电电阻，每个压电电阻在该支撑框架或块部分的顶面具有两个端子，在该挠性臂的纵向上从该两个端子延伸，并且限制地设置在该挠性臂的宽部的顶面区域内，以及多个金属线，该多个金属线设置在该挠性臂的顶面，并且相对于该挠性臂的顶面的中心线对称，每个金属线在该挠性臂的纵向上通过该挠性臂的窄部的顶面从该挠性臂的一个宽部的顶面延伸到该挠性臂的另一个宽部的顶面，该多个金属线中的至少一个连接到设置在该挠性臂的顶面上的该压电电阻的端子中的至少一个；其中每个压电电阻包括至少两个压电子电阻，该至少两个压电子电阻相对于该挠性臂的顶面的中心线对称地设置，每个压电子电阻在该挠性臂的纵向上延伸；以及高浓度扩散层，除了该压电电阻的两个端子，该高浓度扩散层连接该压电子电阻的每两端，以便在该压电电阻的两个端子之间串联该压电子电阻；以及其中该四个挠性臂中的每一个在该金属线的结构上与任何其它挠性臂基本上相同。
9.如权利要求8所述的半导体加速度传感器，其中该块部分、该支撑臂和该四个挠性臂由单晶硅整体地构成，并且该压电子电阻和该高浓度扩散层通过在形成该挠性臂的单晶硅的一部分上掺杂周期表的III族或V族元素构成。
10.如权利要求9所述的半导体加速度传感器，其中该四个挠性臂中的另两个在该顶面上具有的该多个金属线中的两个是伪金属线，该伪金属线不连接到该压电电阻中的任何端子。
11.如权利要求9所述的半导体加速度传感器，其中该四个挠性臂中的每个的宽部的横截面积是该窄部的1.1到3.5倍。
12.如权利要求11所述的半导体加速度传感器，其中该四个挠性臂中的每个的宽部的横截面积是该窄部的1.5到2.5倍。
全文摘要
公开了一种半导体加速度传感器，其在X、Y和Z轴之中的加速度检测灵敏度上具有较小的差异，并且具有较高的检测灵敏度。该加速度传感器具有在其中心的块部分，围绕该块部分的支撑框架，以及连接该块部分和支撑框架的多个挠性臂。挠性臂在两端具有宽部，以及在该宽却之间的窄部。压电电阻限制地提供在该挠性臂的宽部的顶面区域内，并且在该块部分/支撑框架上布置连接金属线和压电电阻的通孔。该多个挠性臂相对于该块部分的中心是对称的，并且每个挠性臂相对于该挠性臂的中心线是对称的。
文档编号G01P15/18GK1776434SQ200510131590
公开日2006年5月24日 申请日期2005年9月29日 优先权日2004年9月30日
发明者池田由夫, 细田雅之, 坂口勇夫, 斋藤正胜 申请人:日立金属株式会社