应用无线射频识别标签技术的热气泡式加速仪及制备方法

专利名称：应用无线射频识别标签技术的热气泡式加速仪及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种热气泡式加速仪，特别涉及一种运用无线识别标签技术以及使 用低温工艺制作的热气泡式加速仪。
背景技术：
传统热气泡式加速仪是在硅芯片上进行制作，需要使用高温工艺，所以制造成 本昂贵。而在硅芯片上制作的热气泡式加速仪通常是用二氧化硅来支撑其加热器及热敏 电阻等的结构。但由于二氧化硅的热传导系数很小(1.5W/(m_K))，造成热传导效应不 好，使得热气泡式加速仪的下方气室温度较低，而导致热敏电阻的灵敏度会较差。同样 地，也会使热敏电阻对加速度的感测灵敏度下降。因此为提高加速度的感测灵敏度，必 须提供传统热气泡式加速仪加热器更多的能量，于是工作温度也会较高。如此一来这种 以二氧化硅来支撑加热器及热敏电阻的结构，在每次加热器开机、关机时，就很容易产 生热胀冷缩的效应，材料很容易有疲劳而老化的现象，寿期缩短。再者，传统热气泡式加速仪中是灌入空气，或其他易蒸发液体作为导热的介 质。但是因为空气中有氧气，所以加热器会因氧化作用而老化；而若灌入的是易蒸发气 体，也可能对加速仪各部的材料，产生化学作用，使用久了加速度量测的性能会降低， 寿期缩短。综上，传统热气泡式加速仪制作要用高温工艺，成本高，灵敏度较低，较不省 电，且容易有材料氧化，老化及性能降低的问题。因此，有必要发展出新的热气泡式加 速仪。

发明内容
本发明公开一种应用无线射频识别标签技术(RFID)的热气泡式加速仪及其制备 方法，本发明公开的热气泡式加速仪是将加速仪制作在一个可挠式基材上，因此可降低 加速仪的制作成本。另外值得一提的是，热气泡式加速仪与RFID天线整合制作，可具有 使用上的便利性。本发明一实施例的应用无线射频识别标签技术的热气泡式加速仪包含一挠性基 板、一嵌入式单芯片系统单元、一 RFID天线、至少一第一凹槽以及多个第一感测组件。 挠性基板具有一基板面，该基板面平行于正交的X轴、Y轴和Z轴中该X轴与该Y轴所 形成的XY平面。嵌入式单芯片系统单元是设于该挠性基板上，且包含一调变及解调模 块。天线形成于该挠性基板上，并耦接于该调变及解调模块。该至少一第一凹槽形成于 该基板面。多个第一感测组件沿X轴方向悬置于该至少一第一凹槽上，各该第一感测组 件包含一第一加热器与两第一温度感测元件，该第一加热器与该两第一温度感测元件沿 该X轴排列，其中各该第一感测组件中的该两第一温度感测元件，以实质上等距的方式 分别设置于该第一加热器两相对侧边，且相互串联。其中，各该第一感测组件中的该两 第一温度感测元件间的串联接点，耦接于该嵌入式单芯片系统单元，使该嵌入式单芯片系统单元可自该些第一感测组件的该两串联接点间的电压差，获取X轴加速度信号，而 该X轴加速度信号经该调变及解调模块调变与加密后，通过天线送出。本发明公开应用 无线射频识别标签技术的热气泡式加速仪的制备方法，其包含下列步骤于一挠性基板 的一基板面上形成一支撑层，其中该基板面平行于正交的X轴、Y轴和Z轴坐标系中， 该X轴与该Y轴所形成的XY平面；于该支撑层上形成一第一凹槽；于该第一凹槽底部 形成一第一二氧化硅层(当做牺牲层)；于该第一二氧化硅层上，沿该X轴分别形成一第 一加热器和两温度感测元件，其中该两温度感测元件以实质上等距的方式，位于该第一 加热器两相对侧边；以及蚀刻该第一二氧化硅层(故前面称其为牺牲层)，使该第一加热 器和该些温度感测元件悬置于该第一凹槽。
本发明一实施例的应用无线射频识别标签技术的多轴向热气泡式加速仪的制备 方法，包含下列步骤于一挠性基板的一基板面上形成一支撑层，其中该基板面平行于 正交的X轴、Y轴和Z轴中，该X轴与该Y轴所形成的XY平面；于该支撑层上形成一 第一凹槽；于该第一凹槽底部形成一第一二氧化硅层；于该第一二氧化硅层上，沿该X 轴分别形成一第一加热器和两温度感测元件，其中该两温度感测元件以实质上等距的方 式位于该第一加热器两相对侧边；以及蚀刻该第一二氧化硅层，使该第一加热器和该些 温度感测元件悬置于该第一凹槽。本发明有四个特点第一个特点是将加速仪制作在一个可挠式基材上，而非是 制作在传统的硅芯片上。第二个特点是与主动式RFID天线整合制作在一个可挠式基材 上。第三个特点是工艺中支撑加热器及温度传感器的材料是用氮化铝。第四个特点是封 盖内部还可以是半圆柱形或是半圆球形。


图1显示本发明一实施例的应用无线射频识别标签技术的多轴向热气泡式加速 仪及监测系统的示意图；图2显示本发明一实施例的应用无线射频识别标签技术的多轴向热气泡式加速 仪的示意图；图3显示本发明一实施例的一轴向热气泡式加速仪的示意图；图4显示本发明一实施例的温度感测元件连接电路的等效电路示意图；图5显示本发明一实施例的XY平面加速仪的布局示意图；图6显示本发明一实施例的挠性基板上形成凹槽的示意图；图7是图6沿A-A'割面线的剖视图；图8和图9显示本发明一实施例的凹槽底面二氧化硅牺牲层形成的示意图；图10显示本发明一实施例的氮化铝层和光致抗蚀剂形成的示意图；图11显示本发明一实施例的以光致抗蚀剂保护氮化铝结构的示意图；图12是图11沿B-B'割面线的剖视图；图13显示本发明一实施例的P型掺杂多晶硅层形成的示意图；图14显示本发明一实施例的用于形成温度感测元件的P型掺杂多晶硅结构的长 条状光致抗蚀剂结构的示意图；图15是图14沿C-C'割面线的剖视图16显示本发明一实施例的去掉温度传感器保护光致抗蚀剂前的温度感测元件 的示意图；图17是图16沿D-D'割面线的剖视图；图18显示本发明一实施例的铬层及镍层形成的示意图；图19显示本发明一实施例的加热器与RFID天线结构整合的外观示意图；图20是图19沿E-E'割面线的剖视图；图21显示本发明一实施例的金层形成的示意图；图22显示本发明一实施例的金层、加热器(铬及镍的两层金属)与温度感测元 件 (P型掺杂多晶硅结构)等结构悬浮于凹槽的示意图；图23显示本发明一实施例的一矩形封盖的水平轴向热气泡式加速仪与RFID卡 片整合的示意图；图24是图23沿F-F'割面线的剖视图；图25显示本发明一实施例的一矩形封盖内部为半圆柱形或是半圆球形的水平轴 向热气泡式加速仪的剖视图；图26显示本发明一实施例的一矩形封盖的Z轴向热气泡式加速仪与RFID卡片 整合的俯(透)视图；图27是图26沿G-G'割面线的剖视图；图28显示本发明一实施例的Z轴向热气泡式加速仪构造剖视示意图；图29显示本发明一实施例的一矩形封盖的Z轴向热气泡式加速仪的构造侧面剖 视示意图；图30显示本发明一实施例的一矩形封盖内部为半圆球形或半圆柱形的Z轴向热 气泡式加速仪的构造侧面剖视示意图；图31显示本发明一实施例的一矩形封盖内部为半圆球形的水平轴向热气泡式加 速仪与RFID卡片整合的示意图；图32显示本发明一实施例的的薄膜电阻的俯(透)视示意图；图33是图32沿H-H'割面线的剖视图；图34显示本发明一实施例的薄膜电容的示意图；及图35是图34沿I-I'割面线的剖视图。并且，上述附图中的附图标记说明如下102多轴向热气泡式加速仪104嵌入式单芯片系统单元 106薄膜电阻及电容模块108 RFID天线110 X轴向加速仪112 Y轴向加速仪114 Z轴向加速仪116调变及解调模块118整流模块120放大器模块 122 RFID收发装置124加速度监测系统202挠性基板204电路图案206薄膜电阻208薄膜电容210信号线排212外部电源
214a、214b、216a、216b 加热器218双差分式惠斯登电桥220、221电性检测端222a、222b 加热器301a、301b基板上、下表面304a、304b上、下二氧化硅层
306a、306b上、下正极性光致抗蚀剂层308 SU-8光致抗蚀剂层310、310'凹槽312、312' 二氧化硅层314正极性光致抗蚀剂层316、316'氮化铝层318、318'光致抗蚀剂层320条状光致抗蚀剂结构 322氮化铝结构324 P型掺杂多晶硅层326正极性光致抗蚀剂层328长条状正光致抗蚀剂结构330温度感测元件332 铬层334、334'镍层336光致抗蚀剂层338加热器340 RFID天线342正极性光致抗蚀剂层344金层346正极性光致抗蚀剂层348 粘胶350a、350b、350c、350d 矩形封盖352嵌入式单芯片系统单元354周围表面356 RFID天线馈送端358氮化铝层364弯曲部366金层焊垫370下层电极372铬层374镍层376金层378上层电极380金导线382氮化硅384胶体388空气室凹槽501-506基板上的焊垫601-606加热器及温度传感器上的焊垫701-706 氮化硅层801-806 金线
具体实施例方式本发明公开一种应用无线射频识别标签技术(RFID)的热气泡式加速仪及其制备 方法，本发明将热气泡式加速仪制作于可挠式基材上的技术与无线射频识别标签技术结合，因此具有使用上的便利性，以及可降低加速仪的制作成本。本发明的特色之一，在于更换传统热气泡式加速仪用的支撑材料为氮化铝或氮 化硅，尤其是氮化铝的热导系数高达160-320W/(m_K)，接近铜的400W/(m_K)。传统 方法是用二氧化硅，其热传导系数很小(约为1.5W/(m_K))。由于二氧化硅的热传导效 应很差，所以空气室下方的温度会较低，因此会降低热敏电阻对加速度的感测灵敏度。 而为达到加速度所需的感测灵敏度，必需要提高热气泡式加速仪内气室的温度，故会较 消耗能量，而将来加热器开机、关机时，产生的热膨胀收缩应力与老化效应，也会比较 严重。此外本发明的特色之二，是将密封加速仪的空间抽真空后，灌入高分子量的惰 性气体，如氩、氪及氙，可提升加速度感测的灵敏度，也不会对加热器及温度传感器造 成氧化及老化效应。传统的方法是灌入空气或是易挥发的液体，会对加热器及温度传感 器造成氧化及老化效应，而影响加热器及温度传感器的性能及寿命。本发明的特色之三，是以电子枪蒸镀法，蒸镀含有P型掺杂(P-TypeImpurity)及 硅等粉末的混合物，形成含有P型掺杂非晶硅层。再以激光进行退火(LaserAnneal)，使 非晶硅层转变成含有P型掺杂多晶硅层，以作为热敏电阻或一般电阻的 结构。这种以低 温工艺在可挠式基材上，制作P型掺杂多晶硅的方法，还没有人提出过。图1显示本发明一实施例的应用无线射频识别标签技术的多轴向热气泡式加速 仪102的系统示意图。本发明公开的应用无线射频识别标签技术的多轴向热气泡式加速 仪102建构于一挠性基板上，其包含一嵌入式单芯片系统单元104、一薄膜电阻及电容模 块106、一 RFID天线108、一 X轴向感测加速仪110、一 Y轴向感测加速仪112、一 Z 轴向感测加速仪114。本发明实施例中，X轴、Y轴与Z轴为正交的坐标系。嵌入式单 芯片系统单元(Embedded System-On-Chip) 104另包含调变及解调模块116、整流模块118 及放大器模块120。RFID天线108用于接收来自RFID收发装置(RFIDReader) 122的无 线射频信号，或发送无线射频信号回于该RFID收发装置122，RFID天线108耦接于调变 及解调模块116、整流模块118与薄膜电阻及电容模块106，本发明实施例中，RFID天线 108是以微机电工艺形成于挠性基板上。调变及解调模块116用于解调发自收发装置122的无线射频信号，以及调变发送 至RFID收发装置122的无线射频信号。此调变回传动作即是注入一载波，而使其成为适 合传送的电波信号。整流模块118建构是以利用RFID天线108接收无线射频信号，并藉以产生一直 流电源。当多轴向热气泡式加速仪102设定在被动模式(PassiveMode)时，该多轴向热气 泡式加速仪102是以无线射频信号及整流模块118产生的直流电源所驱动。一般而言，为 了节省无线射频信号的能量，当无线射频信号不工作时，可将其工作模式由主动(Active Mode)切换为被动模式，待收到RFID收发装置122的微波信号时才进行启动唤醒工作。 如收到的信号很弱且要发射信号回RFID收发装置122时，才启动主动工作模式。否则仍 可以被动模式，将无线射频信号回传给RFID收发装置122。放大器模块120是用于放大X轴向感测加速仪110、Y轴向感测加速仪112和Z 轴向感测加速仪114，所产生的电性信号。在本实施例中，放大器模块120可为多个仪表 放大器(InstmmentationAmplifiers)，又前述的调变及解调模块116、整流模块118与放大器模块120等，可整合构装于单一嵌入式单芯片系统单元上。薄膜电阻及电容模块106也形成于挠性基板上，其是用于提供该嵌入式单芯片 系统单元104—时钟脉冲信号，藉以驱动该嵌入式单芯片系统单元104。薄膜电阻及电 容模块106另可包含多个薄膜电阻及电容，其中该多个薄膜电阻可连接于该放大器模块 120，由此提供该放大器模块120外接的精密电阻；或和其他元件整合构成各种滤波器 (Filter),将噪声滤除，并获取加速度信号。 X轴向感测加速仪110、Y轴向感测加速仪112和Z轴向感测加速仪114，耦接于 嵌入式单芯片系统单元104，其是使嵌入式单芯片系统单元104可分别获得互为正交的X 轴、Y轴及Z轴方向上的加速度信号。通过X轴向感测加速仪110、Y轴向感测加速仪 112、Z轴向感测加速仪114、RFID天线108与调变及解调模块116的组合，可将多轴向 热气泡式加速仪102感测的加速度值，以无线微波的方式传送回RFID收发装置122，使 连接至RFID收发装置122的加速监测系统124，可即时获知多轴向热气泡式加速仪102的 加速度信号，而这些加速度信号可被一个RFID收发装置所读取，并送至一个监控中心。图2显示本发明一实施例的应用无线射频识别标签技术的多轴向热气泡式加速 仪102。一挠性基板202上可利用微机电工艺形成如RFID天线108、电路图案204、薄膜 电阻206和薄膜电容208等的薄膜元件、X轴向感测加速仪110、Y轴向感测加速仪112， 和Z轴向感测加速仪114。每一个X轴向感测加速仪110、Y轴向感测加速仪112和Z 轴向感测加速仪114，皆以信号线排210与嵌入式单芯片系统单元104耦合，各信号线排 210可包含正负信号线与接地线。挠性基板202上还可提供一用于连接外部电源212 (例 如电池)的连接机构，使多轴向热气泡式加速仪102于主动模式操作时，可获得足够的电 力。图3显示本发明一实施例的一轴向热气泡式加速仪的示意图。参照图2、图3与 图4，每一个X轴向感测加速仪110、Y轴向感测加速仪112和Z轴向感测加速仪114， 可包含两组的加热器(214a和214b)及温度感测元件(Rl、R2、R3、R4)的感测组件， 各感测组件中包含一加热器(214a或214b)及两温度感测元件(Rl、R2或R3、R4)。本 发明实施例中，温度感测元件(Rl、R2或R3、R4)是热敏电阻。各感测组件的加热器 (214a或214b)及两温度感测元件(Rl、R2或R3、R4)沿X轴、Y轴及Z轴方向中相 对应的一轴向排列，其中加热器(214a或214b)设置于两温度感测元件(Rl、R2或R3、 R4)间，由此当相对应的轴向上存在一加速度时，则此加速度会使两旁的温度感测元件 (RU R2或R3、R4)分别接触附近不同温度的环境气体，导致两个温度感测元件(Rl、 R2或R3、R4)的电阻值产生相反的变化(Differential Change)。此种电阻值变化的大小， 与加速度是成正比的关系，故可用此装置来检测该加速度。以图3实施例而言，图3公 开的是一 X轴向感测加速仪110。该些温度感测元件(Rl、R2、R3、R4)间的电路连接方式如下例如温度感测 元件Rl与温度感测元件R2之间，以及温度感测元件R4与温度感测元件R3之间，分 别是先串联后再加以并联，以形成如图4所示的双差分式惠斯登电桥(DoubleDifference Wheatstone Bridge) 218。并通过双差分式惠斯登电桥218上的电性检测端220及221，测 量由X轴向加速度引起的内部气体温度变化，所产生的差分输出电压，以换算X轴向加 速度。
图5显示本发明一实施例的XY平面加速仪的布局示意图。XY平面加速仪中， X轴向上分别排列着两个加热器(216a和216b)及四个温度感测元件(Rl、R2、R3、 R4) ； Y轴向上也排列两个加热器(222a和222b)及四个温度感测元件(Rl'、R2 ‘、 R3'、R4')，其中各加热器(216a、216b或222a、222b)与各温度感测元件((Rl、 R2)、(R3、R4)或(Rl'、R2' )、(R3'、R4'))均布置于一四方形区域，靠近其 相对应边缘处。为方便说明，图中是以条状显示加热器及温度感测元件，实际制作时可 以为弯曲形状，以符合加热器温度及感测传感器灵敏度的需求。各轴向的温度感测元件 (Rl、R2、R3、R4或Rl'、R2'、R3'、R4')分别以串、并联方式电性连接，以形 成双差分式惠斯登电桥。以图5的X轴方向为例，温度感测元件(Rl、R2、R3、R4)的 连接方式为温度感测元件Rl与温度感测元件R2之间，以及温度感测元件R4与温度感 测元件R3之间，先分别串联，然后再并联，形成双差分式惠斯登电桥。参照图6与图7，首先在挠性基板202的基板上、下两面301a及301b上，各别 先蒸镀一层二氧化硅层304a及304b，作为后续加速仪及RFID大线的隔热及防止湿气渗 透层，以免影响加速仪及RFID天线的性能。本发明实施例中，基板面301平行于正交的 X轴、Y轴和Z轴坐标系中，该X轴与该Y轴所形成的XY平面。其后在基板上、下两 面各涂上一层正极性光致抗蚀剂306a及306b，而后烤干。正极性光致抗蚀剂层306a及 306b有保护二氧化硅304a及304b，及防止湿气渗透的效用。接着，在可挠式基材正面 上的正极性光致抗蚀剂层306a，涂上一层负极性的SU-8光致抗蚀剂层308，而后烤干。 之后，运用黄光工艺，在SU-8光致抗蚀剂308上定义出凹槽310。经过显影工艺后，留 下凹槽310外围的负极性的SU-8光致抗蚀剂308，作为支撑后续连接加热器(铬及镍的两 层金属)、热敏电阻(P型掺杂的非晶硅及多晶硅)，以及天线等导线结构的支撑层。然 后，用电子枪蒸镀一层二氧化硅层312，其目的是作为加速仪加热器及热敏电阻下方的牺 牲层(这是因为在后续步骤中，会用氢氟酸缓冲溶液(BufferedHF Solution)，或用气体等 离子体蚀刻法(如SF6)，将这层二氧化硅层蚀刻掉，使加热器及热敏电阻悬浮于凹槽310 上方)。参照图8所示，在二氧化硅层312上涂布上一层正极性光致抗蚀剂314，而后烤 干。接着，运用黄光工艺，只在凹槽310位置处留下光致抗蚀剂314，其余部份的光致抗 蚀剂则去掉。参照图9所示，使用氢氟酸缓冲溶液(Buffered HF Solution)，或用活性离子干式 蚀刻法(Reaction Ion Etch)，将没有光致抗蚀剂314保护的外围二氧化硅层312蚀刻掉， 而留下位于凹槽310底面的二氧化硅层312'。最后，光致抗蚀剂314可用有机溶剂，如 丙酮(Acetone)去除，露出凹槽310。参照图10所示，在凹槽310底部形成一二氧化硅层312'后，接着用电子枪蒸镀 一层热传导系数很大的氮化铝层316，以作为支撑加热器以及热敏电阻的支撑结构，其中 氮化铝的热导率高达160-320W/(m_K)，接近铜的400W/(m_K)，所以本发明热气泡式 加速仪内，下气室的温度会提升，热敏电阻的灵敏度会更好(尤其是Z轴加速仪内，上、 下气室的温度分布的对称要求更是严格)。传统热气泡式加速仪用的支撑材料是二氧化 硅，其热传导系数很小(约为1.5W/(m_K))。所以空气室下方的温度会较低，因此会降 低热敏电阻对加速度的感测灵敏度。而传统热气泡式加速仪热敏电阻，为达到感测加速度所需的灵敏度，需要提高热气泡式加速仪内气室的温度，故会较消耗较多能量；而这 么一来，加热器开、关机时，二氧化硅支撑材料产生的热膨胀收缩应力与老化效应也会 比较严重，寿期会有影响。然后，在氮化铝层316上，涂上一层负极性的SU-8光致抗蚀剂层318，而后烤干。参照图11和图12所示，运用黄光工艺，在凹槽310所在的光致抗蚀剂层318 上，定义出三条条状光致抗蚀剂结构320(也可以为弯曲形状，以符合加热器温度及感测 传感器灵敏度的需求)。光致抗蚀剂结构320间的间距d是实质地相等。接着，运用蚀刻溶液(如H3PO4 H20 = 6 1，65°C )或活性离子干式蚀刻法 (Reaction Ion Etch)，以条状光致抗蚀剂结构320为掩膜对氮化铝层316进行蚀刻，如此可 获得三条条状氮化铝结构322 (若光致抗蚀剂为弯曲形状，则此层氮化铝结构也是为弯曲 形状)，及其他部分剩余的氮化铝层316'(可保护下方的308SU-8光致抗蚀剂，不被后 续工艺蚀刻掉)。该些条状氮化铝结构322以横向排列方式，沿该平面轴向排列，且各该 氮化铝结构322以其纵向方向，延伸至相对应的该凹槽310的周围表面上。
参照图13所示，用有机溶剂(如丙酮，Acetone)以湿式蚀刻法(WetEtch)，或 用臭氧灰化法(Ozone Ashing)去掉图12所示的条状光致抗蚀剂结构320与光致抗蚀剂层 318'。然后，用电子枪蒸镀含有P型掺杂(P-TypeImpurity)及硅等粉末的混合物，形 成含有P型掺杂非晶硅层。再以激光进行退火(LaserAnneal)，使非晶硅层转变成含有P 型掺杂多晶硅层324，以作为热敏电阻或一般电阻的结构，这种以低温工艺在可挠式基材 上，制作P型掺杂多晶硅的方法，还没有人提出过。之后，在P型掺杂多晶硅层324上 涂上一层正极性光致抗蚀剂层326，而后烤干。参照图14和图15所示，运用黄光工艺，在光致抗蚀剂326上定义出两条长条状 光致抗蚀剂结构328(也可以为弯曲形状，以符合感测传感器灵敏度的需求)，接着，进 行显影工艺以去掉其他的光致抗蚀剂。参照图16与图17所示，以长条状正光致抗蚀剂结构328为掩膜，对P型掺杂多 晶硅层324进行蚀刻(如可用加热60至80°C的氢氧化钾溶液(KOHSolution))，最后留下 两条作为温度感测元件330的P型掺杂多晶硅结构(此部份也可以为弯曲形状，以符合感 测传感器灵敏度的需求)。接着，用有机溶剂(如丙酮)以湿式蚀刻法(Wet Etch)或用 臭氧灰化法(OzoneAshing)，去掉长条状正光致抗蚀剂结构328。参照图18所示，在温度感测元件330完成后，用电子枪蒸镀铬层332及镍层334 等两层金属，以作为加热器与RFID天线的结构，及二者连接电源与传导信号的导线。然 后，在镍层334上涂上一层负极性的一般光致抗蚀剂层336 (此光致抗蚀剂层也可以为弯 曲形状，以符合加热器温度及感测传感器灵敏度的需求)，而后烤干。本发明实施例中， 温度感测元件330与加热器于长度上实质相同(但若为弯曲形状，则可不等长)。参照图18图、图19和图20所示，运用黄光工艺将光致抗蚀剂336图案化后， 蚀刻掉(如用硫酸溶液)没有光致抗蚀剂保护的铬层332及镍层334，以留下加热器338 与RFID天线340的部分结构，及用于连接加热器338与RFID天线340等的电源与传导 信号的导线(未图示)。最后，用有机溶剂(如丙酮)以湿式蚀刻法(Wet Etch)，或用 臭氧灰化法(Ozone Ashing)，将光致抗蚀剂去掉。另一较佳的实施例中，加热器338与RFID天线340等的结构，及用于连接加热器338与RFID天线340等的电源与传导信号的 导线(未图示)，可利用熟知的微机电掀离显影工艺(Lift-offProcess)制作。其方法是在 温度感测元件330完成后，先涂上一层厚SU-8光致抗蚀剂，并定义出加热器338、RFID 天线340及连接二者的电源及传导信号导线等的图案，而后才是蒸镀铬及镍金属。接着 用掀离显影工艺(Lift-offProcess)，去掉光致抗蚀剂，而附着在其上面的铬及镍金属薄膜 也可一并去除了，最后即可留下加热器338、RFID天线340的结构，及二者连接电源及 传导信号导线等部份的铬及镍薄膜。
参照图21所示，首先在加热器338上方形成一正极性光致抗蚀剂层342。接 着，用无电电镀方法(Electroless-Plating)在RFID天线340及电源及传导信号导线(未图 示)的镍层334'上镀一金层344。由于金的附着性佳及电阻较小，因此适合为RFID天 线340以及导线及焊垫(Pad)的材料。参照图22所示，完成金层的电镀后，接着涂上一正极性光致抗蚀剂层346，而 后烤干。然后，用氢氟酸缓冲溶液(Buffer ofEtch Solution)，或用气体等离子体蚀刻法 (如SF6),将凹槽310底部的二氧化硅牺牲层312'(如图17所示)蚀刻掉。如此加热 器338 (铬及镍的两层金属)以及温度感测元件330 (P型掺杂多晶硅结构)等结构即可悬 浮于凹槽310。另一实施例中，由于氢氟酸缓冲溶液不会蚀刻氮化硅，所以氮化硅可以取代氮 化铝，作为支撑加热器338以及温度感测元件330的材料，只是其热传导系数(约为 35W/(m-K))低于氮化铝(约为160-320W/(m_K))，但是仍比传统的二氧化硅热传导系 数(约为1.5W/(m_K))为高。最后，用有机溶剂(如丙酮)湿式蚀刻法(Wet Etch)或 用臭氧灰化法(Ozone Ashing)除去光致抗蚀剂层346。参照图23和图24。接着，在凹槽310的周围表面354上，以网印方式涂上一层 粘胶348，并加以烤干，以作为围篱(DamBar)。然后用矩形封盖350a(例如塑胶盖)密 封加热器338以及温度感测元件330等，先抽真空后，并灌入高分子量的惰性气体如氩、 氪或氙等。参照图25，另外要特别说明的是本发明的矩形封盖350b，内部还可以是半 圆柱形或是半圆球形，这样气泡腔体内的温度分布，即可很快到达平衡，而不会有乱流 (Turbulent Flow),所以可以大幅提升本装置的反应频宽，加速度量测，线性度及范围。 而矩形封盖350b外部仍须为平面矩形，以利打印商标、品名、生产序号及日期。粘胶348烤干后对密封的空间抽真空，并灌入高分子量的惰性气体，如氩、氪 及氙，可提升加速度感测的灵敏度，也不会对加热器及温度传感器造成氧化及老化效 应。传统的方法是灌入空气或是易挥发的液体，但是会造成氧化及老化效应，影响加热 器及温度传感器的性能及寿期。另一方面，将焊垫(BondingPad)上长有金属凸块(Under Bumped Metal, UBM)的 RFID 嵌入式单芯片单元 352 (Embedded System-On-Chip)，以 覆晶式焊接(FlipChipBonding)技术，对准RFID天线馈送端(Feed Terminal) 356、连接电 源及传导信号连线焊垫部分(未图示)，运用热摩擦挤压法(Thermal Compression)，即可 将嵌入式单芯片单元352焊接在RFID卡上，以完成此基本装置。参照图26、图27和图28，Z轴向感测加速仪114的制作，可依上述图6至图 24所公开的工艺方法，不同处仅在于Z轴向感测加速仪114的制作方法(如图27)，是将 加热器338制作在上、下方温度感测元件330的中间，方法是交替重复蒸镀多层铬、镍层338，氮化铝层358，氮化硅层701-706及二氧化硅牺牲层312'，成为三明治垂直排列结 构，其中各氮化硅层701-706周设于相对应的空气室凹槽388，以成为支撑层。
另一方面则是在空气室凹槽388外围，制作多个以金/镍/铬三层金属所形成的 焊垫501-506，其目的是以金线801-806进行打线连接(Wire-Bond)，将连接加热器338 的焊垫(602及605)及连接温度感测元件330的焊垫(601、606、603及604)连接到外 围的焊垫501-506，如图29所示。为了要降低金线在加热器338及温度感测元件330等 焊垫部份的弧度及高度(Wire loop andheight)，打线时在基板202上的焊垫501-506为第 一个焊点(First bond)，第二个焊点(Second bond)才是加热器338及感测元件330的焊 垫(编号为601-606)。当打线完成后，再以胶体384将金线601-606覆盖，以保护该些 金线601-606。而后用氢氟酸缓冲液，或用气体等离子体蚀刻法(如SF6)，将二氧化硅 牺牲层蚀刻掉。如此，加热器与上、下方热敏电阻及其支撑结构氮化铝层，彼此就可以 分开并悬浮于凹槽310 ‘内。如图29矩形封盖350c是以粘胶348将加热器338及温度 感测元件330密封。如图30所示，同水平式加速仪，要特别说明的是本发明的矩形封盖 350d内部，还可以是半圆柱形或是半圆球形，这样气泡腔体内的温度分布，即可很快到 达平衡，而不会有乱流，所以可以大幅提升本装置的反应频宽，加速度量测，线性度及 范围。而封盖350b外部仍须为平面矩形，以利打印商标、品名、生产序号及日期。图 31显示本发明一实施例的一内部为半圆柱形封盖的Z轴向热气泡式加速仪与RFID卡片 整合的示意图，矩形封盖350d密封后，将粘胶348烤干，并抽真空及灌入高分子量的惰 性气体，如氩、氪及氙。另一方面，将RFID嵌入式单芯片单元352以覆晶式焊接(Flip Chip Bonding)技术，焊接至RFID天线馈送端356及电源及传导信号连线焊垫部分，即完 成此Z轴基本加速度感测装置。由于气体会受重力的影响，上下气室中的温度及分布情 况会不相同，所以Z轴加速仪制作后要进行校准，以排除重力及运用在不同于设计情况 下的环境温度时的影响。由于本Z轴加速仪的热敏电阻传感器，是分别安置在加热器的 上、下方，并以四个热敏电阻构成双差分式的惠斯登电桥，所以即使其他X及Y轴有加 速度，也不会对Z轴加速仪产生交连效应。参照图32和图33，图1所示的薄膜电阻及电容模块106中的薄膜电阻206，可 制成“弓字”的弯曲部364，如此可较节省其所占的面积。弯曲部364可以用前述形成 加热器的金属铬层及镍层的两层薄膜的工艺一并制作。弯曲部364材料的另一实施例， 是用P型掺杂多晶硅。以这种材料制作的薄膜电阻206的好处是，可比用铬层及镍层制 作者具有较大的电阻值范围。故实作时可视薄膜电阻的大小需求及面积限制，选择上述 工艺的材料。弯曲部364制作完成后，在弯曲部364的两端形成一金层焊垫366，如此便 完成薄膜电阻206的制作。参照图34和35所示，图1所示的薄膜电阻及电容模块106中的薄膜电容208可 利用前述的工艺步骤来制作，其是以P型掺杂多晶硅作为下层电极370，而以铬层372、 镍层374及金层376等三层做为上层电极378，并以金导线380做为上、下层电极378和 370对外连接导线，其中是以氮化硅382或其他绝缘介质材料(高诱电系数)，作为上、 下层电极378和370间的绝缘介质。薄膜电容208可耦接于RFID天线以调整其共振频率 值；薄膜电容208也可运用在电源及信号滤波之用。综上所述，相较于传统电容式加速仪，本发明公开的加速仪利用可移动的高分子量热对流小气团作为质量块，并以四个热敏电阻所组成的双差分式惠斯登电桥，测量 由加速度引起的内部气体温度变化，以所产生的差分输出电压来换算出加速度。由于本 传感器中的质量块是高分子量的气体，气态的质量块比传统的固体质量块具有很大的优 势，没有可移动的结构，这使得热传导气泡式加速仪的损坏率和故障率可大幅降低。此外，本发明有四个特点第一个特点是将加速仪制作在一个可挠式基材上， 而非是制作在传统的硅芯片上。第二个特点是与主动式RFID天线整合制作在一个可挠 式基材上。第三个特点是工艺中支撑加热器及温度传感器的材料是用氮化铝。第四个 特点是封盖内部还可以是半圆柱形或是半圆球形。上述第一及第三个创新特征，在于 传统电容式加速仪或是热传导气泡式加速仪，都是在硅芯片上进行制作，要长二氧化硅 当做支撑材料，所以要用到高温工艺且成本很贵。再之，传统热传导气泡式加速仪所 用硅芯片基板的热传导系数，远高于本发明所用的可挠式基材，如聚对苯二甲酸乙二酯 (Polyethylene Terephthalate, PET)，或聚酰亚胺(Polyimide，PI)等塑胶材料，所以本发 明较传统热传导气泡式加速仪省电。而本发明支撑材料氮化铝的热传兽性能，又远大 于传统热传导气泡式加速仪所用的二氧化硅，所以本发明较传统热传导气泡式加速仪省 电，且灵敏度会较高。最后要特别提出的是，本发明的封盖内部还可以是半圆柱形或是 半圆球形，所以气泡腔体内的温度分布，可很快到达平衡，而不会有乱流，所以可以大 幅提升本装置的反应频宽，加速度量测，线性度及范围。 本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域普通技术人员仍可能基 于本发明的教示及公开而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护 范围应不限于实施例所公开的范围，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为随 附的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种应用无线射频识别标签技术的多轴向热气泡式加速仪，包含一挠性基板，具有一基板面，该基板面平行于正交的X轴、Y轴和Z轴中该X轴与 该Y轴所形成的XY平面；一嵌入式单芯片系统单元，其设于该挠性基板上，且包含一调变及解调模块；一 RFID天线，形成于该挠性基板上，耦接于该调变及解调模块；至少一第一凹槽，形成于该基板面；以及多个第一感测组件，其沿X轴方向悬置于该至少一第一凹槽上，各该第一感测组件 包含一第一加热器与两个第一温度感测元件，该第一加热器与该两个第一温度感测元件 沿该X轴排列，其中各该第一感测组件中的该两个第一温度感测元件，以实质上等距的 方式分别设置于该第一加热器两个相对侧边，且相互串联；其中，各该第一感测组件中的该两个第一温度感测元件间的串联接点，耦接于该嵌 入式单芯片系统单元，使该嵌入式单芯片系统单元，可自该些第一感测组件的两个该串 联电阻接点间的电压差，获取一 X轴加速度信号，而该X轴加速度信号，经该调变及解 调模块调变与加密后，通过该RFID天线送出。
2.根据权利要求1所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该至少一第一凹槽包含多个第 一凹槽，该多个第一凹槽沿X轴方向形成于该基板面，各该第一感测组件悬置于不同的 该些第一凹槽上。
3.根据权利要求2所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该些第一感测组件的该些第一 温度感测元件间，可电性连接成一双差分式惠斯登电桥。
4.根据权利要求2所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该第一加热器的材料包含镍及铬。
5.根据权利要求2所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该RFID天线包含一铬层、一 镍层及一金层，其中该金层以无电电镀金工艺形成于该铬层与该镍层上。
6.根据权利要求2所述的多轴向热气泡式加速仪，其还包含一高分子量的惰性气体、 及相对应于该些第一凹槽的多个封盖，各该封盖将该高分子量的惰性气体密封于该封盖 与相对应的该第一凹槽之间。
7.根据权利要求6所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该高分子量的惰性气体为氩、 氪或氣。
8.根据权利要求2所述的多轴向热气泡式加速仪，其中各该第一加热器及各该第一温 度感测元件分别还包含一支撑结构，其是设置于各该第一加热器及各该第一温度感测元 件之下，并延伸至该第一凹槽外，以使各该第一加热器及各该第一温度感测元件，悬置 于相对应的该第一凹槽。
9.根据权利要求8所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该支撑结构的材料为氮化铝， 或氮化硅。
10.根据权利要求2所述的多轴向热气泡式加速仪，其还包含多个第二凹槽，形成于该基板面；以及多个第二感测组件，各该第二感测组件悬置于不同的该些第二凹槽上，各该第二感 测组件包含一第二加热器与两个第二温度感测元件，该第二加热器与该些第二温度感测 元件沿该Z轴方向上排列，其中各该第二感测组件中的该两个第二温度感测元件，以实质上等距的方式分别设置于该第二加热器两个相对侧边，且相互串联；其中，各该第二感测组件中的该两个第二温度感测元件间的串联接点，耦接于该嵌 入式单芯片系统单元，使该嵌入式单芯片系统单元可自该第二感测组件的两个该串联接 点间的电压差，获取Z轴加速度信号，而该Z轴加速度信号，经该调变及解调模块调变与 加密后，通过天线送出。
11.根据权利要求10所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该些第二感测组件的该些第 二温度感测元件间，可电性连接成一双差分式惠斯登电桥。
12.根据权利要求10所述的多轴向热气泡式加速仪，其还包含一高分子量的气体，及 相对应于该些第二凹槽的多个第二封盖，该第二封盖将该高分子量的惰性气体密封于该 封盖与相对应的该第二凹槽之间。
13.根据权利要求12所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该高分子量的惰性气体为 氩、氪或氣。
14.根据权利要求10所述的多轴向热气泡式加速仪，其中各该第二加热器及各该第二 温度感测元件分别还包含一支撑结构，其是设置于各该第二加热器及各该第二温度感测 元件之下，并延伸至该第二凹槽外，以使各该第二加热器及各该第二温度感测元件，悬 置于相对应的该第二凹槽。
15.根据权利要求10所述的多轴向热气泡式加速仪，其还包含多个第三凹槽，形成于该基板面；以及多个第三感测组件，各该第三感测组件悬置于不同的该些第三凹槽上，各该第三感 测组件包含一第三加热器与两个第三温度感测元件，该第三加热器与该些第三温度感测 元件沿该Y轴方向上排列，其中各该第三感测组件中的该两个第三温度感测元件，以实 质上等距的方式分别设置于该第三加热器两个相对侧边，且相互串联；其中，各该第三感测组件中的该两个第三温度感测元件间的串联接点，耦接于该嵌 入式单芯片系统单元，使该嵌入式单芯片系统单元可自该第三感测组件的两个该串联接 点间的电压差，获取Y轴加速度信号，而该Y轴加速度信号，经该调变及解调模块调变 与加密后，通过天线送出。
16.根据权利要求15所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该些第三感测组件的该些第 三温度感测元件间，可电性连接成一双差分式惠斯登电桥。
17.根据权利要求15所述的多轴向热气泡式加速仪，其还包含一高分子量的气体，及 相对应于该些第三感测组件的多个第三封盖，该第三封盖用以密封该高分子量气体及相 对应的该第三感测组件。
18.根据权利要求17所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该高分子量的惰性气体为 氩、氪或氣。
19.根据权利要求15所述的多轴向热气泡式加速仪，其中各该第三加热器及各该第三 温度感测元件分别还包含一支撑结构，其是设置于各该第三加热器及各该第三温度感测 元件之下，并延伸至该第三凹槽外，以使各该第三加热器及各该第三温度感测元件，悬 置于相对应的该第三凹槽。
20.根据权利要求15所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该第一温度感测元件、该第 二温度感测元件及该第三温度感测元件的材料包含P型掺杂多晶硅。
21.根据权利要求1所述的多轴向热气泡式加速仪，其还包含一电阻及电容模块，该 电阻及电容模块形成于该挠性基板上，且与该嵌入式单芯片系统单元耦接，该电阻及电 容模块是用于提供嵌入式单芯片系统单元一时钟脉冲信号，其中该电阻及电容模块包含 至少一第一薄膜电阻及至少一薄膜电容。
22.根据权利要求21所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该电阻及电容模块还包含一 第二薄膜电阻，而该嵌入式单芯片系统单元还包含一放大器模块，其中该第二薄膜电阻 连接于该放大器模块。
23.根据权利要求22所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该薄膜电容包含一下层电 极、一上层电极，及介于该上层电极与下层电极间的一绝缘层，其中该第一薄膜电阻与 该第二薄膜电阻是以P掺杂多晶硅材料制作，该上层电极包含一铬层、一镍层和一金层 所整合构成。
24.根据权利要求22所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该放大器模块为由多个仪表 放大器所构成。
25.根据权利要求1所述的多轴向热气泡式加速仪，其还包含一电性连接至该天线的 整流模块，该整流模块是利用该微波信号产生一直流电源。
26.根据权利要求1所述的多轴向热气泡式加速仪，其中该挠性基板的材料为聚对苯 二甲酸乙二酯或聚酰亚胺。
27.一种应用无线射频识别标签技术的多轴向热气泡式加速仪的制备方法，包含下列 步骤于一挠性基板的一基板面上形成一支撑层，其中该基板面平行于正交的X轴、Y轴 和Z轴中，该X轴与该Y轴所形成的XY平面；于该支撑层上形成一第一凹槽；于该第一凹槽底部形成一第一二氧化硅层；于该第一二氧化硅层上，沿该X轴分别形成一第一加热器和两个温度感测元件，其 中该两个温度感测元件以实质上等距的方式位于该第一加热器两个相对侧边；以及蚀刻该第一二氧化硅层，使该第一加热器和该些温度感测元件悬置于该第一凹槽。
28.根据权利要求27所述的制备方法，其还包含下列步骤于该第一加热器与该第一二氧化硅层和各该温度感测元件与该第一二氧化硅层上， 分别形成相对应的支撑结构，其中各该支撑结构以其纵向方向延伸至该第一凹槽的周围 表面上。
29.根据权利要求27所述的制备方法，其还包含下列步骤于该支撑层上形成一图案化光致抗蚀剂层，其中该图案化光致抗蚀剂层包含该第一 加热器、一 RFID天线与电源和信号导线的图案；依序沉积一铬层与一镍层于该图案化光致抗蚀剂层上；以及以掀离显影工艺移除该图案化光致抗蚀剂层。
30.根据权利要求27所述的制备方法，其还包含下列步骤于该支撑层上依序形成一铬层与一镍层；于该镍层上形成一图案化的光致抗蚀剂层，其中该图案化的光致抗蚀剂层包含该第 一加热器、一 RFID天线与电源和信号导线的图案；对该铬层与该镍层进行蚀刻；以及 移除该图案化的光致抗蚀剂层。
31.根据权利要求27所述的制备方法，其中该温度感测元件是一P型掺杂多晶硅层。
32.根据权利要求31所述的制备方法，其还包含下列步骤以电子枪蒸镀法，蒸镀含有P型掺杂及硅等粉末的一混合物，以形成含有P型掺杂一 非晶硅层；以及以激光进行退火，使该非晶硅层转变成含有P型掺杂的该多晶硅层。
33.根据权利要求27所述的制备方法，其还包含下列步骤 在该第一凹槽的该周围表面上涂一粘胶；以一矩形封盖密封该第一凹槽，其中该矩形封盖的内部为半圆柱型或是半圆球形；以及抽真空后，灌入一高分子量的惰性气体于该矩形封盖与该第一凹槽内。
34.根据权利要求33的制备方法，其中该高分子的惰性气体是氩、氪或氙。
35.根据权利要求27所述的制备方法，其还包含下列步骤 于该支撑层上形成一第二凹槽；形成一第二二氧化硅层于该第二凹槽的底部； 于该第二二氧化硅层上形成一下支撑结构； 于该下支撑结构上形成一下温度感测元件； 于该下温度感测元件上，形成一第三二氧化硅层； 于该第三二氧化硅层上形成一中支撑结构； 于该中支撑结构上形成一第二加热器； 于该第二加热器上，形成一第四二氧化硅层； 于该第四二氧化硅层，形成一上支撑结构； 于该上支撑结构上，形成上温度感测元件；以及蚀刻该第二二氧化硅层、该第三二氧化硅层和该第四二氧化硅层，使该下温度感测 元件、该第二加热器与该上温度感测元件，可沿Z轴以悬置方式排列；其中该第二二氧化硅层、该第三二氧化硅层和该第四二氧化硅层实质上为等厚。
36.根据权利要求35所述的制备方法，其还包含下列步骤 在该第二凹槽的该周围表面上涂一粘胶；以一矩形封盖密封该第二凹槽其中该矩形封盖的内部为半圆柱型或是半圆球形；以及抽真空后，灌入一高分子量的惰性气体于该矩形封盖与该第二凹槽内。
37.根据权利要求36所述的制备方法，其中该高分子的惰性气体是氩、氪或氙。
全文摘要
本发明涉及应用无线射频识别标签技术(RFID)的热气泡式加速仪及制备方法，其中加速仪包含一挠性基板、一嵌入式单芯片系统单元、一RFID天线、一位在基板的凹槽以及多个感测组件。RFID天线形成于基板，并耦接嵌入式单芯片系统单元的调变及解调模块。各感测组件包含一加热器与两个温度感测元件，加热器与两个温度感测元件沿X轴排列并悬置于凹槽，且两个温度感测元件(热敏电阻)等距设置于加热器两相对侧边并串联。两温度感测元件的串联接点耦接于嵌入式单芯片系统单元，藉该些串联接点的电压差可获取X轴加速度信号，该加速度信号经调变及解调模块调变与加密后，由RFID天线送出。本发明将加速仪制作在一个可挠式基材上，而非是制作在传统的硅芯片上。
文档编号G01P15/18GK102012437SQ20091017052
公开日2011年4月13日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者林君明 申请人:中华大学