专利名称：无线式热气泡式加速仪及其制备方法
技术领域：
本发明关于一种热气泡式加速仪，特别关于一种具有非悬置的加热器与温度感测元件的热气泡式加速仪。
背景技术：
美国专利公告号第6，182,509号公开一种热气泡型加速仪(Thermal BubbleAccelerometer) 热气泡型加速仪包含一绝热基板、一加热器和两个温度感测元件。绝热基板具一凹槽，加热器与两个温度感测元件悬置于凹槽上，且两个温度感测元件分别等距置放于加热器的相对两侧。为形成悬置的加热器与两个温度感测元件，首先在绝热基板上形成二氧化硅层。然后，在二氧化硅层上形成一多晶硅层。之后，进行氧化工艺，在多晶硅层上形成另一氧化层。接着，图案化该多晶娃层，以获得3条多晶娃桥梁(Polysilicon Bridge)。然后，再次进行氧化工艺，以在多晶硅桥梁的侧边形成氧化层。之后，绝热基板以EDP(乙二胺(Ethylenediamine)、儿茶酹(Pyrocatechol)和水的混合物)蚀刻出深凹槽。从上述的工艺描述可看出，悬置的加热器与两个温度感测元件的制作步骤繁复，因而导致此热气泡型加速仪的制造成本高。而且，纤细的多晶硅桥梁，容易在制造及长时间工作时损坏，造成热气泡 型加速仪的低良率。再者，元件通常是作在为硅基板上，由于硅的热传导系数(1.48W/(cm-K)较高，容易散逸加热器的产生的热能，因此加热器需悬置于凹槽上，以节省能量消耗。虽然如此，硅基板仍会散逸加热器可观的能量，而导致此类热气泡型加速仪会消耗较大的能量。再者，此种热气泡型加速仪空腔中，是充入二氧化碳或是空气，容易使加热器及温度感测器，产生氧化效应，影响性能及寿命。综上，传统热气泡型加速仪仍有种种的问题。因此，有必要发展出新的热气泡式加速仪。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种无线式热气泡式加速仪及其制备方法。本发明提供了一种无线式热气泡式加速仪，其包含一第一绝热基板、一电路、至少一第一加速度感测装置，以及一第一支撑层。电路形成于第一绝热基板上。第一加速度感测装置耦接该电路。各第一加速度感测装置包含两个第一温度感测元件，和设置于该两个第一温度感测元件之间的一第一加热器。第一支撑层附着于第一绝热基板，并支撑所述两个第一温度感测元件及所述第一加热器。本发明一实施例的多轴向热气泡式加速仪的制备方法，包含下列步骤:在一绝热基板上，形成一支撑层；在该支撑层上，形成两个温度感测元件；在该支撑层上和所述两个温度感测元件上，沉积多个金属层；以及图案化该多个金属层，以于所述两个温度感测元件之间，形成构成一加热器的部分金属层、构成天线的部分金属层，以及构成连接电路的部份金属层。
图1显示本发明一实施例的多轴向加速度无线量测系统的示意图；图2显示本发明一实施例的多轴向热气泡式加速仪及与无线模块整合的示意图；图3显示本发明一实施例的X轴向热气泡加速仪及与无线模块整合的示意图；图4显示本发明一实施例的温度感测元件连接成惠斯登电桥电路的示意图；图5显不本发明一实施例的一插座连接器位于一绝热基板上的不意图；图6显不本发明一实施例的一插座连接器的不意图；图7显示本发明一实施例的Z轴向热气泡加速仪的示意图；图8至图21为各工艺步骤的截面图与上视图，显示本发明一实施例的热气泡式加速仪的制备方法的工艺步骤；图22显示本发明一实施例的薄膜电阻的截面示意图；图23显示本发明一实施例的薄膜电容的截面示意图；图24A例示本发明一实施例的加热器与温度感测热电堆元件及四周封胶的整合布线图；图24B例示本发明一实施例的用于制作加热器与温度感测元件(K型热电偶)镍铬电极(Chromel,正极)的一光罩图案；图24C例示本发明一实施例的用于制作加热器的另一光罩图案；图24D例示完成加热器与温度感测元件(K型热电偶镍铬电极(Chromel，正极))(两端尚未镀金层)；图24E例示本发明一实施例的用于制作K型热电偶镍铝锰硅(Alumel，负极)的另
一光罩图案;图24F例示本发明一实施例完成加热器及K型热电偶的电路整合布线图；图24G例示图24F的实施例完成后，分别在加热器及温度感测元件(K型热电堆)两端镀上金层后的示意图；图24H例示两个温度感测元件及与减法器的接线电路图案的示意图。其中，附图标记说明如下:1:多轴向加速度量测系统11:监控设备12:多轴向无线式热气泡式加速仪13:第一热气泡加速仪(X轴向)14:第二热气泡加速仪(Y轴向)15:第三热气泡加速仪(Z轴向)20:支撑层21: 二氧化硅层22:氮化硅层23:P型掺杂非晶硅层24:条状光阻结构
25:铬层26:镍层27:图案化光阻层28:金层29:焊垫30:粘胶层31:封装盖子32:封装盖子33:加热器部分金属层34:天线部分金属层41:薄膜电阻42:薄膜电容45:金层46:K型热电偶负极及导线的光罩图案50:Κ型热电偶正极及导线的光罩图案51、51':Κ型热电偶正极的块状图案52:加热器外观图案53、53':Κ型热电堆正极的图案54:加热器的光罩图案58、58,:Κ型热电堆正极的间断处59、59':Κ型热电偶负极的块状图形60,60':Κ型热电堆负极的间断处64、64':Κ型热电偶负极的合金金属图案65、65':温度感测元件66:粘胶围篱111:无线模块121a、121b:Χ轴向加速度感测装置122a、122b:Y轴向加速度感测装置123a、123b:Z轴向加速度感测装置124:控制及放大器125:无线模块126:天线127:电源供应装置128:晶片129:绝热基板(X、Y轴向热气泡加速仪)130:连接总线电路131:振荡电路132:放大器133、133':加热器(X、Y轴向热气泡加速仪)
134、134':加热器(X、Y轴向热气泡加速仪)135:插座连接器136:减法放大器151:绝热基板(Z轴向热气泡加速仪)152:接触垫(Z轴向热气泡加速仪)153、154:加热器(Z轴向热气泡加速仪)218:惠斯登电桥220、221:电路接点222、223:电路接点271、272:加热器及天线光阻图案411:电阻层412:焊垫421:下层电极422:上层电极423:绝缘层425:铬层426:镍层427:金层1351:绝缘本体1352:端子1353:凹槽K1、K1':热电偶RO、Rf:电阻No,No':电压值Rl、R2、R3、R4:温度感测元件(X轴向热气泡加速仪)Rl'、R2'、R3'、R4':温度感测元件(Y轴向热气泡加速仪)R5、R6、R7、R8:温度感测元件(Z轴向热气泡加速仪)
具体实施例方式在一方面上，本发明揭示的热气泡式加速仪的加热器与温度感测元件，直接附着制作于支撑的绝热基板层上，而并非悬置于凹槽上，因此本发明揭示的热气泡式加速仪，具有容易制作、高良率，更耐用，及低制造成本等优点。在一方面上，本发明揭示用于量测垂直轴向(Z轴)的热气泡加速仪信号的方法，是利用一插座连接器，将信号连接至信号处理及无线电路。此种连接设计容易制造、安装且成本低。图1显示本发明一实施例的多轴向加速度无线量测系统I的示意图。参照图1所示，多轴向加速度无线量测系统I包含一监控设备11，以及至少一多轴向无线式热气泡式加速仪12。多轴向无线式热气泡式加速仪12，是用来量测多个轴向上的加速度。在笛卡儿座标系统(Cartesian Coordinate System)上,多轴向无线式热气泡式加速仪12可被规划，以包含感测X轴向上的加速度的一 X轴向热气泡加速仪13、感测Y轴向上的加速度的一 Y轴向热气泡加速仪14，及感测Z轴向上的加速度的一 Z轴向热气泡加速仪15。然而，本发明并不以此为限。X轴向热气泡加速仪13、Y轴向热气泡加速仪14，和Z轴向热气泡加速仪15，可耦接一控制及放大器124，以控制、放大及传送下列装置的信号:X轴向热气泡加速仪13、Y轴向热气泡加速仪14，和Z轴向热气泡加速仪15。多轴向无线式热气泡式加速仪12,可另包含一无线模块125,无线模块125可通过一通讯标准及协议(CommunicationStandard and Protocol),与监控设备11的无线模块111,进行信号传输，由此使监控设备11，可监控多轴向无线式热气泡式加速仪12运动的加速度，其中通讯标准可包含RFID (Radio Frequency IDentif ication)标准、ZigBee 标准或蓝牙标准。图2显示本发明一实施例的多轴向无线式热气泡式加速仪12的示意图。在一实施例中，X轴向热气泡加速仪13、Y轴向热气泡加速仪14、Z轴向热气泡加速仪15、天线126、电源供应装置127，和包含控制及放大器124与无线模块125的晶片128，可形成在一绝热基板129上，并耦接绝热基板129上的连接电路130，以构成多轴向无线式热气泡式加速仪12。天线126可耦接晶片128。绝热基板129可为一挠性绝热基板，其材料可为聚噻吩(Polythiophene, PT)、聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate, PET),或聚酸亚胺(Polyimide，PI)。多轴向无线式热气泡式加速仪12，可利用微机电工艺制作。电源供应装置127，用于提供多轴向无线式热气泡式加速仪12所需的电源，可包含电池直接供电，或经由晶片控制，以进行省电模式的运作。在绝热基板129上，另可形成一振荡电路131，振荡电路131耦接晶片128，以提供多轴向无线式热气泡式加速仪12，操作时所需的钟波信号。振荡电路131可为RC振荡器，其可包含制作于绝热基板129上的薄膜电阻和薄膜电容。绝热基板129上可另设置一放大器132。X轴向热气泡加速仪13、Y轴向热气泡加速仪14，和Z轴向热气泡加速仪15，耦接放大器132，以放大X轴向热气泡加速仪13、Y轴向热气泡加速仪14，及Z轴向热气泡加速仪15，所输出的感测信号。在一实施例中，放大器132 可包含仪表放大器(Instrumentation Amplifier)。虽然图2实施例显示X轴向热气泡加速仪13、Y轴向热气泡加速仪14，Z轴向热气泡加速仪15，及与无线模块的整合，为设置于同一绝热基板129上。然而，本发明的主要技术内容，也可施行于X轴向热气泡加速仪13、Y轴向热气泡加速仪14，与Z轴向热气泡加速仪15中,任一者或者任两者,形成在绝热基板129的实施例上。图3显示本发明一实施例的X轴向热气泡加速仪13，及与无线模块整合的示意图。参照图3所示，X轴向热气泡加速仪13，可包含两个X轴向加速度感测装置121a和121b。各X轴向加速度感测装置121a和121b，运用耦接电路总线(Bus) 130，以获取操作所需的电能，及输出感测信号于晶片128。各X轴向加速度感测装置121a或121b，可包含两个温度感测元件(Rl和R2)或(R3和R4)，及加热器133或134，其中加热器133或134，设置于两个温度感测元件(Rl和R2)或(R3和R4)之间。在一实施例，两个温度感测元件(Rl和R2)或(R3和R4)，和加热器133或134等距。图4显示本发明一实施例的温度感测元件连接成惠斯登电桥(WheatstoneBridge)电路的示意图。参照图3与图4所示，X轴向加速度感测装置121a和121b，分别耦接晶片128，以获得操作所需的电源。再者，在两组X轴向加速度感测装置121a和121b之间是呈交叉相连，即将位在加热器133和134不同侧的两个温度感测元件(Rl、R2、R3和R4)，两两连接在同一电路接点220和221。以图3揭示为例说明，位在X轴向加速度感测装置121a左侧的温度感测元件Rl，和位在X轴向加速度感测装置121b右侧的温度感测元件R4，连接在同一电路接点220 ;而位在X轴向加速度感测装置121a右侧的温度感测元件R2，和位在X轴向加速度感测装置121b左侧的温度感测元件R3，连接在同一电路接点221。如此，温度感测元件(Rl、R2、R3和R4)连接，形成一惠斯登电桥218，如图4所示。由于位在加热器133和134不同侧的两个温度感测元件(Rl和R4，R2和R3)是属于串联连接，使得当X轴向热气泡加速仪13在X轴向上加速移动时，两组电路接点220和221间，会产生一电压差。放大器132将电压差放大，并输出至晶片128，晶片128取得此放大的电压差，SP可经由控制器124及无线模块125，输出X轴向热气泡加速仪13的加速度值。参照图2所示，Y轴向热气泡加速仪14，可以类似图4的X轴向热气泡加速仪13的实施例来实现。惟，不同处在于:在X轴向热气泡加速仪13内，各X轴向加速度感测装置121a或121b的加热器133或134，和两个温度感测元件(Rl和R2)或(R3和R4)，是平行X轴排列；而在Y轴向热气泡加速仪14内，各个Y轴向加速度感测装置122a或122b的加热器(133'或134')，与两个温度感测元件(Rl'和R2')或(R3'和R4')，是平行Y轴排列，其中各个Y轴向加速度感测装置122a或122b的加热器(133'或134')，位于相应的两个温度元件(Rl'和R2')或(R3'和R4')之间。Y轴向加速度感测装置122a或122b的温度感测元件(Rl'、R2'、R3'和R4')，可类似X轴向加速度感测装置121的温度感测元件(Rl、R2、R3和R4)，连接而形成一惠斯登电桥，以此产生一电压差。此电压差同样通过放大器132放大，并输出至晶片128，晶片128依照放大的电压差，经由控制器124及无线模块125，输出Y轴向加速度值。图5显不本发明一实施例的一插座连接器135,位于一绝热基板129上的不意图。图6显示本发明一实施例的一插座连接器135的示意图。图7显示本发明一实施例的Z轴向热气泡加速仪15的示意图。参照图5至图7所示，在X-Y平面上延伸的绝热基板129上，可设置一插座连接器135。插座连接器135用于固定并接收，如图7所显示的Z轴向热气泡加速仪15，所侦测的Z轴向的加速度信号，如此当Z轴向绝热基板151朝垂直于X-Y平面，即平行Z轴的方向上，加速运动时，可量测出在X-Y平面的绝热基板129在Z轴向的加速度。参照图7所示，Z轴向热气泡加速仪15，包含一绝热基板151、两个Z轴向加速度感测装置123a和123b，以及多个接触垫152 (Contact Pads)，其中绝热基板151的材料，可为聚噻吩、聚对苯二甲酸乙二酯，或聚酰亚胺。两个Z轴向加速度感测装置123a和123b，设置于绝热基板151上。而多个接触垫152，设置靠近绝热基板151的一边缘。各Z轴向加速度感测装置123a或123b，包含两个温度感测元件(R5和R6)或(R7和R8)，和一加热器153或154，其中加热器153或154，位于相应的两个温度感测元件(R5和R6)或(R7和R8)之间，且加热器153和154以及温度感测元件(R5、R6、R7和R8)的两端，分别耦接至相应的接触垫152。参照图5及图6所示，插座连接器135包含一绝缘本体1351和多个根连接端子1352。绝缘本体1351上具有一凹槽1353，Z轴向热气泡加速仪15，则可插置于凹槽1353内。连接端子1352设置于绝缘本体1351上，以电性连接Z轴向热气泡加速仪15，与在X-Y平面的绝热基板129上的电路总线130。参照图5，图6和图7所示，当Z轴向热气泡加速仪15，插入插座连接器135，位在其加热器153和154不同侧的温度感测元件(R5和R8)或(R6和R7)的一端，可通过相应的接触垫152与端子1352，耦接在X-Y平面的绝热基板129上的电路接点222或223，由此构成一惠斯登电桥。电路接点222或223耦接放大器132，以放大因Z轴向加速度而产生的信号，而该信号接着由晶片128进行地心重力补偿处理，经由控制器124及无线模块125，输出Z轴向加速度值。温度感测元件(R5、R8、R6和R7)的另一端，通过相应的接触垫152，耦接晶片128，以提供温度感测元件(R5、R8、R6和R7)量测加速度时所需的电源。以下列示本发明一实施例的热气泡加速仪的制备方法。例示的内容虽显示一 X轴向加速度感测装置121a的制作方法，惟此实施例的热气泡加速仪的主要制作流程，也可用于在上述基板上，同时制作多个X轴向加速度感测装置121a和121b，及多个Y轴向加速度感测装置122a和122b，并且可用于制作Z轴向加速度感测装置123a和123b。图8至图21为加速仪工艺步骤的截面图与上视图，显示本发明一实施例的热气泡式加速仪的制备方法的工艺步骤。参照图8所示，在一绝热基板129的上、下两个表面上，分别蒸镀二氧化硅层21，以覆盖绝热基板129并隔绝湿气。然后在上、下两个表面上，再蒸镀两个氮化硅层22，分别覆盖二氧化硅层21，以隔绝湿气及防止工艺中刮伤绝热基板129。图9为在图8显示的结构上蒸镀一层P型掺杂非晶硅层(P-Type DopedAmorphous-Si I icon) 23,作为热敏电阻(Thermistor),而后在两个温度感测器处，留下光阻24之后的上视图，其例示本发明一实施例的条状光阻结构。图10为图9的结构的截面图。参照图9与图10所示,在一氮化娃层22上，以电子枪蒸镀P型掺杂(P-Type Impurity,如硼)及硅等粉末的混合物，以在一氮化硅层22上，形成含有P型掺杂非晶硅层。之后，在P型掺杂非晶硅层23上，形成两组的多个条状光阻结构24，以蚀刻出温度感测元件。在另一实施例中，条状光阻结构24可具”弓”型结构，以提升其电阻，防止其产生不必要的热能，而使温度上升，会影响温度感测元件的灵敏度。图11为一上视图，其例示本发明一实施例的温度感测元件(Rl R4)。图12为图11的结构的截面图。参照图11与图12所示，以蚀刻溶液(如加热至60与80°C间的一温度的氢氧化钾溶液(KOH Solution))，对P型掺杂非晶硅层23进行蚀刻，其结果是在两组多个条状光阻结构24下方，形成两组多条P型掺杂非晶硅层，作为温度感测元件(Rl R4)。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(Ozone Ashing),去掉条状光阻结构24。接着，以激光进行退火(Laser Anneal)，使P型掺杂非晶硅层，转变成P型掺杂多晶娃(Poly-Silicon)层23,以作为形成温度感测元件(Thermistor)与薄膜电阻(Thin Film Resistor)的原料及结构。从图12可看出，二氧化硅层21与氮化硅层22，构成一支撑层20，其中支撑层20附着在绝热基板129上，且支撑温度感测元件(Rl R4)。图13为一上视图，其例示本发明一实施例(如图2或图3)的加热器133或134，及无线传输的天线126等光阻图案。图14为图13的结构的截面图。参照图14，图2及图3所示，用电子枪蒸镀两片金属层，其中一金属层为一铬层25 (和绝热基板129有良好的附着性)，而另一金属层为一镍层26 (和铬层25有良好的附着性)，以作为制作加热器133和134、无线传输的天线126，以及基板上的连接电路总线130之用。然后，形成一图案化光阻层27于该镍层26上，其中图案化光阻层27，包含用于形成加热器133和134的图案271、用于形成无线传输的天线126的图案272，以及用于形成基板上的连接电路总线130的图案(未绘示)。然后，利用蚀刻溶液(如硫酸)，蚀刻未被保护的铬层25及镍层26。接着，以丙酮(Acetone),或者以臭氧灰化法(Ozone Ashing),除去图案化光阻层27。如此如图15所示，留下构成加热器133和134的部分金属层33、无线传输的天线126的部分金属层34，以及基板上的连接总线电路130的部分金属层(未绘示)。如图15所示，在另一实施例中，加热器133的部分金属层33、无线传输的天线126的部分金属层34，以及基板上的连接总线电路130的部分金属层(未绘示)，可利用现有的微机电掀离显影工艺(Lift-Off Process)制作。其方法是在温度感测元件(Rl R4)完成后，涂上一层厚(如SU-8)光阻，并定义出(去掉)在加热器133和134、无线传输的天线126，以及基板上的连接总线电路130等的光阻图案。而后，蒸镀铬及镍金属。接着，用掀离显影工艺(Lift-Off Process)，去掉光阻和附着在其上面的铬及镍金属层，即可留下构成加热器133和134的部分金属层33、构成无线传输的天线126的部分金属层34，以及构成连接总线电路130的部份金属层。图16为一上视图，其例示本发明一实施例的加热器133和134与其两端对外连接的金属接触垫29，温度感测元件(Rl R4)与其两端对外连接的金属接触垫29，及无线传输的天线126等图案。图17为图16的结构沿AA’剖面线的截面图。参照图16与图17所示，在基板上表面，先形成一图案化光阻层，其中该图案化光阻层，只曝露(没有光阻覆盖)下列部分:如构成天线126的部分金属层34、连接总线电路130的部分金属层(未绘示)，及加热器133和134与温度感测元件(Rl R4)的两端对外连接的金属接触垫29(未绘示)。接着，用无电电镀方法(Electroless-Plating),在上述没有光阻覆盖等处,镀一金层28。由于金层28和镍层26的附着性佳及电阻较小，所以使用金层28，则天线及温度感测器的性能，会比使用网印银胶或电镀铜层为佳。然后，图案化光阻层可用有机溶剂(如丙酮)，以湿式蚀刻法(Wet Etch),或用臭氧灰化法(Ozone Ashing)去掉。从图17可看出，加热器133和134，及温度感测元件(Rl R4)等，均为支撑层20所支撑(由二氧化硅层21与氮化硅层22所构成)，而无悬空的结构，此为本发明的独有特点。如图2，图17及图18，Y轴向加速度感测装置122a或122b，可与X轴向加速度感测装置121a或121b，同时制作在同一绝热基板129上，因为此Y轴向加速度感测装置122a或122b的加热器与温度感测元件，也为同一支撑层20所支撑。此外，Y轴向加速度感测装置，也可单独制作在基板上的一支撑层，其加热器与温度感测元件，可为该支撑层所支撑，其中该支撑层也可为氮化硅层和二氧化硅层所组成，而无悬空的结构。此外，Z轴向加速度感测装置123a或123b，可用前述相同的工艺制作，且Z轴向加速度感测装置123a或123b的加热器与温度感测元件，可为一支撑层所支撑，其中该支撑层也可为氮化硅层和二氧化硅层所组成，而无悬空的结构。参照图18所示，在构成各X轴向加速度感测装置的加热器133或134，及温度感测元件(Rl和R2)或(R3和R4)的四周，以网印的方式，涂布一圈矩形粘胶层30，以作为封装用的粘胶层围篱(Dam Bar)。图19为一上视图，其例示本发明一实施例的具一 X轴向加速度感测装置，及天线整合的无线热气泡式加速仪。图20为图19的结构的截面图。参照图19和图20所示，将绝热性较佳的矩形封盖31 (例如塑胶盖)，粘合在粘胶层30上，并加以烤干，以密封加热器133或134，及温度感测元件(Rl和R2)或(R3和R4)。之后，将封盖31的内部抽成真空，接着灌入高分子量且没有氧化效应的惰性气体，如氩、氪或氙等，以提升本装置的灵敏度及可靠度。在另一个实施例中，参照图21所示，矩形封盖32的内部气泡腔体(Chamber)，还可以是半圆球形(Sem1-spherical)或是半圆柱形(Sem1-cylindrical),这样气泡腔体内的气体温度分布，受到外界加速度的扰动时，热气流不会由于一般现有所使用的矩形气泡腔体边界(Boundery of Rectangular Chamber)的反射效应,而散逸到较大的空间中，故可较快到达平衡，而不会有死角及乱流(Turbulent Flow)产生，所以可以提升本加速度感测装置的反应频宽，灵敏度，线性度及加速度量测范围，此也为本发明的独有特点。矩形封装盖子31和32的外部，则可为平面矩形，以利打印商标、品名、生产序号及日期。此外，晶片128上可先布植凸块。然后，以覆晶焊接方法，将晶片128固定在天线126的馈送端(Feed Terminals),以缩短连线,提升天线信号接收及发射性能。参照图2，图5与图6所示，本发明一实施例的热气泡加速仪的制备方法，还包含在连接总线电路130完成制作后，将插座连接器135，固定在绝热基板129上，且其端子1352的一边与图7Z轴向热气泡加速仪15的对应接触垫152相接，而另一边则连通至绝热基板129上，并与连接总线电路130电性连接，此也为本发明的独有特点。实际操作时Z轴向热气泡加速仪量测的结果，要作重力值的补偿，其输出才正确。图22显示本发明一薄膜电阻41 (如图2及图3)的截面示意图。薄膜电阻41包含一电阻层411，及用于对外连接的两个焊垫412，其中两个焊垫412是位在电阻层411的相对两端。电阻层411可为线型或制成”弓字”的形状。电阻层411可包含P型掺杂多晶硅。焊垫412可包含金层。薄膜电阻41的制作方法，类似温度感测元件(Rl和R2)或(R3和R4)，故不于此再赘述。此电阻41也可有多个，以作为仪表放大器132所需的精密电阻。图23显示本发明一实施例的薄膜电容42(如图2及图3)的截面示意图。薄膜电容42可包含下层电极421、上层电极422及一绝缘层423。上层电极422包含铬层425、镍层426及金层427等三层。下层电极421包含P型掺杂多晶硅。绝缘层423包含氮化硅，或其他绝缘介质材料(如可用高诱电系数的材料，以降低面积)。前述温度感测元件与前述加热器可具类似热电偶或热电堆的结构。如图24A为本发明揭示另一种加热器、温度感测元件及其制作方法。温度感测元件65和65'(两端完成镀金层)可为K、E、T及J等型的热电堆(Thermal-Pile)，温度感测元件65和65'可由多个串联的K型热电偶(Thermal Couple)Kl及Kl'整合而成，其中热电偶Kl及Kl'可为K型热电偶，其正、负电极分别是以镍、铬等克铬美合金(ChiOmel，正极)，及镍、铝、锰、硅等亚铝美合金(Alumel，负极)所构成。以下说明温度感测元件65和65'及加热器52 (两端完成镀金层)的制作方法。K型热电堆的制作方法参照图24B至24D所示，首先在前述图8的结构上制作K型热电堆的正极合金，即蒸镀(如用电子枪)一层由铬及镍金属粉末，均匀混合的金属靶材(Target)，相关组成比例可适当调整，使蒸镀后的镍铬合金薄膜组成比例是:铬为90-91%，镍为10-9%。而后用图24B例示的光罩50，以黄光工艺形成一图案化光阻层，接着蚀刻没有光阻覆盖保护的镍铬合金金属层，留下图案化金属层，即为K型热电偶的正极。热电偶的图案(53、53')可分别包含以间断处(58、58')分隔成的多个块状图形(51和51')。通过光罩50,可形成多个镍铬合金金属图案。加热器的制作方法参照图24C所示，先在前述图24B的结构上蒸镀(如用电子枪)一层由铬及镍金属粉末，均匀混合的金属靶材(Target)，相关组成比例可适当调整，使蒸镀后的合金薄膜组成比例是:铬为12% -19%,镍为88% -81%。而后用图24C例示的加热器光罩54，以黄光工艺形成一图案化光阻层，接着蚀刻没有光阻覆盖保护的镍铬合金金属层，留下图案化金属层即为加热器图案，如图24D的编号52所指。其次制作K型热电堆的负极合金，即蒸镀一层由镍、铝、锰金属及硅等粉末，均匀混合的靶材(Target)，相关组成比例可适当调整，使蒸镀后的合金薄膜组成比例是:镍为16% -17%、铝为34% -33%、锰为34% -33%、硅为16% -17%，并以图24E的光罩46的图案64、64'，运用黄光工艺，将该镍、铝、锰及硅组成的合金薄膜层图案化，从而形成多个镍、铝、锰及硅组成的合金图案，即为K型热电偶的负极。光罩46包含用于形成K型热电偶负极的图案(64、64')，而此热电偶负极的图案(64、64')，可分别包含以间断处(60、60')分隔的多个块状图形(59、59')。通过光罩46，可形成多个镍、铝、锰及硅组成的图案(64和64' )，K型热电堆的制作外观结果，如图24F。在一加热器的实施例中，可适当调整形成加热器图案52(如图24C、24D及24F)的弯折形状、宽度、数目及密度(可视黄光工艺的解析度而定)，以获得加热器较佳的性能功效。在一热电偶的实施例中，可适当调整形成热电偶Kl及Kr的块状正电极图案53、53'(如图24B及24D)的间断处58和58'，及形成热电偶块状负电极的图案59、59'(如图24E)的间断处60和60'，等弯折形状、宽度、数目及密度(可视黄光工艺的解析度而定)(如图24D至图24F)，以获得串联式热电堆65和65'较佳的性能及灵敏度。接下去的步骤是形成金线层。如图24G，先形成一层光阻，而后烤干。再运用黄光工艺，使加热器52、两个温度感测器65及65'的两端及其他要布金线部分露出来，而后放入电镀溶液中，以无电电镀方法，在加热器52、温度感测器65及65'的两端及其他要布金线部分，镀上一层金层45，做为良导体。这样用铬、镍、铝及金等金属作为电路连线的结构，不仅与基板的附着性好，且导电性也会很好。将图24A加热器52四周、温度感测元件65及65'等的一半部分，涂上一层粘胶66(如树脂)，作为围篱(Dam Bar)，而后盖上封装盖子(如图24A的半圆柱型)密封，将粘胶烘烤使其与封装盖子粘合，抽真空后再灌入惰性气体，如氩气、或氪气，或氙气，即可完成加热器52及温度感测元件(K型热电堆)65及65'。上述用封装盖子及封胶将加热器52四周围住，而只密封温度感测元件(K型热电堆)65及65'的一半部分，其目的是形成热电偶所需的冷、热两区温差结构，而冷区热电偶是做为环境温度补偿电路之用，如此每个热电偶的电压输出电压，就可用交互串联方式相加，不仅可形成较大的电压输出，提升温度感测的灵敏度，也可降低本加速仪装置操作于不同环境温度的影响。本发明将此环境温度补偿电路做在封装盖子的外边，也是不同于传统环境温度补偿电路的做法，他们是将环境温度补偿电路做在封装盖子里面，温度最低的地方，但是这些地方的气体温度，可能会受到载具加速度运动而改变，进而影响加速度量测的精确度，所以这也是本发明的另一特色。而另一方面，本加速仪因为是将环境温度补偿电路做在封装盖子的外边，同时又没有悬空的结构，所以加速度量测的范围，就可以提升，用途也更广，如安全气囊(Air Bag)等。
在另一实施例中，参照图24H所示，本发明尚可将K型热电堆65及65'的输出，接至图1与图24H所示的控制及放大器124。而控制及放大器124可包含一减法放大器(Substracter) 136,温度感测元件(65及65'),可整合前述的铬、镍、招及金等金属作为导体，分别经电阻R0，直接接到减法放大器136的正极输入端和负极输入端。这样可消除热电堆布线时，产生的几何偏差，及传输过程中共模噪声(Common-Mode Noise)的干扰,而获得纯粹由于加速度所产生的温度差，及正确的电压输出。在另一实施例中，两个位在加热器两旁的温度感测元件(65及65')，可分别用前述的铬、镍、铝及金等金属作为导体，而后再直接接至控制及放大器124内的仪表放大器。由于仪表放大器的输入阻抗更大，加速仪的性能会更好。另一方面，也可以消除两个温度感测兀件65及65'布线时,产生的几何偏差,及被干扰而产生的共模噪声。在另一实施例中，本发明尚可以上述相类似的方法，利用蒸镀镍、铬的克铬美(Chromel,正极)，及镍、铜的康铜(Constantan,负极)合金等两种合金,制作E型热电偶(热电堆)的温度感测元件。其中镍铬正极合金薄膜的制作方法及组成比例，与K型热电偶完全相同；而将K型热电偶负极，改为镍铜合金即可，并适当调整镍、铜金属粉末的组成比例，使蒸镀后的薄膜组成比例是:镍为45% -46%，铜为55% -54%。在另一实施例中，本发明尚可以上述相类似的方法，利用蒸镀铜(Copper，正极)及镍铜(负极)等两种合金，制作温度感测元件(T型热电偶及热电堆)。其中镍铜合金薄膜(负极)的制作方法及组成比例，与E型热电偶完全相同；而将E型热电偶所用的镍铬(正极)金属，改为铜金属(正极)即可。在另一实施例中，本发明尚可以上述相类似的方法，利用蒸镀铁(Iron，正极)及镍铜(负极)，制作J型热电偶(热电堆)的温度感测器。其中镍铜合金薄膜(负极)的制作方法及组成比例，与T型热电偶完全相同；而将T型热电偶所用的铜金属(正极)，改为铁金属(正极)即可。而后在基板安装电池插座，并将水平及垂直各部电路以绝缘薄膜覆盖及密封，以免相关电路接触外界湿气及灰尘，造成短路或影响加速仪的量测性能。最后安装电池，即可工作。 综上所述，本发明揭示一种热气泡加速仪，其建构在一绝热基板上，因其所用于加速度感测的加速度感测装置内的温度感测元件与加热器，可直接形成在一平面支撑层上，而不必在基板上形成凹槽，以便将温度感测元件与加热器隔绝于基板。是故，本发明揭示的一种热气泡加速仪，具有容易制作、高良率、耐用、高加速度量测及低制造成本等优点。 本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士，仍可能基于本发明的教示及揭示，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，应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的申请专利范围所涵盖。
权利要求
1.一种无线式热气泡式加速仪，包含: 一第一绝热基板； 一电路，形成于该第一绝热基板上； 至少一第一加速度感测装置，耦接该电路，且各第一加速度感测装置包含两个第一温度感测元件和设置于该两个第一温度感测元件之间的一第一加热器；以及 一第一支撑层，附着于该第一绝热基板，并支撑所述两个第一温度感测元件及该第一加热器。
2.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪，包含两个电路接点及两个第一加速度感测装置，其中位于该两个第一加速度感测装置的第一加热器不同侧的第一温度感测元件，连接在同一该电路接点。
3.根据权利要求2所述的无线式热气泡式加速仪，包含两个第二加速度感测装置，各该第二加速度感测装置包含两个第二温度感测元件，和设置于该两个第二温度感测元件之间的一第二加热器，其中 各该第一加速度感测装置的该第一加热器与第一温度感测元件的排列方向垂直于各该第二加速度感测测装置的该第二加热器与第二温度感测元件的排列方向。
4.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪,其中该第一绝热基板包含多个接触垫，其中所述多个接触垫排列在该第一绝热基板的一边缘旁，且该两个第一温度感测元件和该第一加热器连接相应的接触垫。
5.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪，还包含: 一插座连接器； 多个端子，设置于该插座连接器，且耦接该电路； 一第二绝热基板； 多个接触垫，排列在该第二绝热基板的一边缘旁，其中当该第二绝热基板，插置于该插座连接器，所述多个接触垫接触所述多个端子；以及 至少一第三垂直加速度感测装置，设置于该第二绝热基板，该第三垂直加速度感测装置包含: 两个第三温度感测元件，耦接相应的所述多个接触垫 '及 一第三加热器，设置于该两个第三温度感测元件之间，耦接相应的接触垫；及 一第二支撑层，附着该第二绝热基板，并支撑所述两个第三温度感测元件及第三加热器。
6.根据权利要求5所述的无线式热气泡式加速仪，包含两个设置于该第二绝热基板的第三垂直加速度感测装置。
7.根据权利要求1所述的热气泡式加速仪，其中该第一支撑层包含氮化硅及二氧化硅。
8.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪，其中该第一绝热基板的材料为聚噻吩、聚对苯二甲酸乙二酯，或聚酰亚胺。
9.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪，其中该第一加热器的材料包含镍及铬。
10.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪，还包含一天线，形成于该第一支撑层上。
11.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪，其中该第一温度感测元件包含P型掺杂多晶硅。
12.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪，其还包含一封装盖子及一惰性气体，其中该封装盖子密封该第一加速度感测装置，而该惰性气体在该封装盖子内。
13.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪，其中所述两个第一温度感测元件耦接至一控制及放大器，该控制及放大器为一减法放大器或一仪表放大器。
14.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪，其中各该第一温度感测元件包含多个交互串联的热电偶。
15.根据权利要求14所述的无线式热气泡式加速仪，其中各该热电偶包含一正极和一负极，该正极包含克铬美合金，该负极包含亚铝美合金。
16.根据权利要求14所述的无线式热气泡式加速仪，其还包含一封装盖子，该封装盖子密封该第一加速度感测装置，其中各该热电偶有一半热电偶位于该封装盖子外，作为环境温度感测补偿器。
17.根据权利要求1所述的无线式热气泡式加速仪，其还包含两个环境温度感测补偿器，其中该两个环境温度感测补偿器与该两个第一温度感测元件分别形成交互串联。
18.一种多轴向无线式热气泡式加速仪的制备方法，包含下列步骤: 在一绝热基板上，形成一支撑层； 在该支撑层上，形成 两个温度感测元件；以及 在该支撑层上与该两个温度感测元件之间，形成一加热器。
19.根据权利要求18所述的制备方法，其还包含下列步骤: 在所述两个温度感测元件及该加热器四周，涂布一圈粘胶层，其中各该温度感测元件包含多个交互串联的热电偶，各该热电偶有一半位于该粘胶层之外；以及将一封装盖子粘附该粘胶层。
20.根据权利要求19所述的制备方法，其还包含下列步骤: 将封装盖子的内部抽真空；以及 将IS、氪或氣灌入封装盖子内。
21.根据权利要求19所述的制备方法，其还包含下列步骤: 将一插座连接器固定在该绝热基板上，其中该插座连接器包含多个端子。
22.根据权利要求18所述的制备方法，其中在该支撑层上，形成两个温度感测元件的步骤，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，以形成一含有P型掺杂的非晶硅层； 图案化该含有P型掺杂的非晶硅层，以获得该两个温度感测元件；以及 以激光进行退火，使该非晶硅层转变成含有P型掺杂的多晶硅层。
23.根据权利要求18所述的制备方法，其中在一绝热基板上，形成一支撑层的步骤包含: 形成二氧化硅层于该绝热基板上；以及 形成氮化硅层于该二氧化硅层上。
24.根据权利要求18所述的制备方法，其中在该支撑层上，形成两个温度感测元件的步骤，包含下列步骤: 蒸镀包含铬及镍金属的一粉末，以形成一克铬美合金层； 图案化该克铬美合金层； 蒸镀包含镍、铝、锰及硅的一粉末，以获得一亚铝美合金层；以及 图案化该亚铝美合金层。
25.根据权利要求18所述的制备方法，其还包含形成两个环境温度感测补偿器的步骤，其中该两个环境温度感测补偿器与该两个温度感测元件分别形成交互串联。
26.根据权利要求18所述的制备方法，其中在该支撑层上，形成两个温度感测元件的步骤，包含下列步骤: 蒸镀包含铬及镍金属的一粉末，以形成一克铬美合金层； 图案化该克铬美合金层； 蒸镀包含镍和铜的一 粉末，以获得一康铜合金层；以及 图案化该康铜合金层。
27.根据权利要求18所述的制备方法，其中在该支撑层上，形成两个温度感测元件的步骤，包含下列步骤: 蒸镀一铜粉末，以形成一铜层； 图案化该铜层； 蒸镀包含镍和铜的一粉末，以获得一康铜合金层；以及 图案化该康铜合金层。
28.根据权利要求18所述的制备方法，其中在该支撑层上，形成两个温度感测元件的步骤，包含下列步骤: 蒸镀一铁粉末，以形成一铁层； 图案化该铁层； 蒸镀包含镍和铜的一粉末，以获得一康铜合金层；以及 图案化该康铜合金层。
全文摘要
本发明公开了一种无线式热气泡式加速仪及其制备方法，无线式热气泡式加速仪包含一第一绝热基板、一电路、一第一加速度感测装置，以及一第一支撑层。电路形成于第一绝热基板上。第一加速度感测装置耦接该电路，且包含两个第一温度感测元件和设置于该两个第一温度感测元件之间的一第一加热器。第一支撑层附着于第一绝热基板，并支撑所述两个第一温度感测元件及所述第一加热器。
文档编号G01P15/18GK103185810SQ201110461938
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者林君明 申请人:中华大学