多量程三轴加速度传感器装置的制作方法

专利名称：多量程三轴加速度传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在便携式终端设备、玩具、汽车、飞机等中进行 加速度检测的半导体加速度传感器。
背景技术：
加速度传感器通常用于汽车气嚢的致动并作为加速度来测量汽车
碰撞的沖击。因为在汽车中测量沿X轴方向的加速度和/或沿Y轴方 向的加速度，所以一轴或两轴的功能就足够了。因为所测得的加速度 非常大，所以检测加速度的加速度传感器元件要制造得很可靠。最近， 加速度传感器通常用于便携式终端设备和机器人中。为了检测三维空 间中的运动，需要可以测量沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的加速 度的三轴加速度传感器。在这些应用中，要求加速度传感器可以检测 小到几G到几十G的加速度并具有高的分辨率。
加速度传感器根据由施加到其上的加速度变形的挠性构件的结构 大致分为梁式和隔膜式。加速度传感器还根据位移检测系统而大致分 为压电阻抗式和静电容式。
申请人已经递交了许多与梁式压电阻抗型三轴加速度传感器相关 的申请。在日本专利未审定公开No. 2003-172745、日本专利未审定公 开No. 2003-279592、日本专利未审定公开No. 2004-184373、日本专 利未审定公开No. 2006-098323 、日本专利未审定公开No. 2006-098321、和国际公开No. WO2005/062060 Al中，申请人清楚说 明了配重的形状、梁的形状、压电电阻器的布置、压电电阻器的连接、 梁和框架的接合部的形状等。三轴传感器的分解透视图在图18中示 出，图18中沿着线IXX-IXX所取的剖视图在图19中示出，而传感器 芯片的俯视图在图20中示出。在三轴加速度传感器100中，调节板3
由粘结剂16例如树脂在壳体1中固定在与传感器芯片40具有预定间 隔处。传感器芯片40的芯片端子41通过引线15连接到壳体端子12 以从外部端子11提取传感器的信号。壳体盖2由粘结剂17例如AuSii 焊剂固定到壳体1并密封壳体1。梁式三轴加速度传感器元件50形成 在传感器芯片40中。梁式三轴加速度传感器元件50包括方形框架52、 配重51和梁53。配重51由两对梁53保持在框架52的中心。压电电 阻器设置在梁53中。X轴压电电阻器55和Z轴压电电阻器57设置 在一对梁中，而Y轴压电电阻器56设置在另一对梁中。在图19中， 当过大的加速度例如冲击施加到传感器时，配重51的运动被调节到配 重51的下表面与壳体l的内底表面之间的间隙g4以及配重51的上表 面与调节板3之间的间隙g3，以防止梁53的断裂。本发明中使用的 梁式三轴加速度传感器元件的基本结构与这些专利文献中公开的结构 相同。省略了梁式三轴加速度传感器元件的详细说明，除非特别指出 的不同情况。
隔膜式三轴加速度传感器元件的结构和压电电阻器的布置在日本 专利未审定公开No. 3-2535、日本专利未审定公开No. 6-174571和日 本专利未审定公开No. 7-191053中公开。圆形或多边形隔膜的外边由 框架支承并且配重布置在隔膜的中心。当由外力使配重移位时，设置 在隔膜中的压电电阻器变形并得到电信号。与梁式三轴加速度传感器 元件相比，在隔膜式三轴加速度传感器元件中压电电阻器的布置的自 由端较高。隔膜式三轴加速度传感器元件70的俯视图在图21中示出。 隔膜式三轴加速度传感器元件70包括方形框架72、配重71和作为挠 性构件的隔膜73。配重71被保持在隔膜73的中心。X轴压电电阻器 75、 Y轴压电电阻器76和Z轴压电电阻器77设置在隔膜73中。隔 膜式压电电阻器型三轴加速度传感器元件和隔膜式三轴加速度传感器 元件的基本结构与这些专利文献中公开的结构基本相同。于是，省略 了这些三轴加速度传感器元件的详细说明，除非特别指出的不同情况。
便携式小型设备落下所施加的加速度和施加到用户接口等的加速 度在几G的量级上。但是，冲击的加速度是几百到几千G。例如，在
内置有磁盘的便携式设备中，为了防止落下的冲击破坏磁盘，当检测 到落下时缩回磁头。测量加速度以防止冲击时的破坏。此外，当修复 损坏的产品时，需要产品上的冲击的历史。申请人还在日本专利未审
定公开No.2005-241503中清楚说明了 一种结合落下检测来高效记录沖 击加速度历史的方法。这样，要求对一个产品进行几G量级的落下检 测和几百到几千G量级的沖击检测。难以用一个加速度传感器非常精 确地获得从几G开始的加速度和几百到几千G的加速度。当由测量从 几百到几千G的加速度的加速度传感器来检测几G的加速度时，无法 获得检测的分辨率(精度)。
因为难以在同 一分辨率下检测从几百到几千G的大加速度和约几 G的加速度，所以必须分开准备测量从几百到几千G的加速度传感器 和测量几G的加速度传感器。图22是具有安装在电路板24上的加速 度传感器21、22和23并可以以高分辨率测量从几G到几百G的加速 度的加速度传感器装置200，这些加速度传感器21、 22和23分别具 有几G、几十G和几百G的测量量程。因为使用了三个加速度传感器， 所以该加速度传感器装置的价格比加速度传感器高几倍。而且，难以 减小其尺寸。
在使用多个加速度传感器的加速度传感器装置200中，非常难以 在加速度传感器之间匹配检测轴。当加速度传感器通过焊接连接到电 路板时，难以在加速度传感器之间将加速度传感器元件的检测轴的偏 差减小到基本为零。即使将加速度传感器利用其外侧边作为基准組装， 这些外侧边和加速度传感器元件的轴也需要彼此匹配。例如，当在加
速度传感器之间有检测轴的角偏差时，就无法在相同轴向上作为加速 度测量几G的加速度传感器测量值和几十G的加速度传感器测量值。 可以实现小尺寸和低价格并消除检测轴的角偏差的多量程加速度 传感器在日本专利未审定公开No. 8-136574中公开。该多量程加速度 传感器的结构在图23中示出。多量程加速度传感器装置300具有其中 两个或更多个传感器元件设置在框架31中的结构。传感器元件的梁 32的一端连接到框架31，而另一端连接到配重33。梁32具有以与框
架31的连接点作为支点并以与配重33的连接点作为力点的悬臂梁结 构。根据配重33与布置在距配重33预定间隔处的电极34之间的静电 容的变化来测量配重33的运动，以检测加速度。传感器元件通过改变 梁的长度和配重的重量来确定所测量加速度的量程。
在日本专利未审定公开No. 8-136574所公开的加速度传感器中， 具有不同测量量程的传感器元件形成在一个芯片上。于是，可以消除 传感器元件之间的轴偏差。尽管轴偏差由于光刻所用光掩模的误差而 在光刻时发生，但是可以几乎忽略该轴偏差。但是，因为加速度传感 器是测量三轴加速度的一轴传感器元件，所以必须将三个传感器元件 布置在彼此偏移90度的位置中。非常难以将三个传感器元件相对于 X、 Y和Z轴精确布置。因为必须组合三个传感器元件，所以难以减 小加速度传感器的尺寸。通过使用多量程一轴加速度传感器而获得的 多量程三轴加速度传感器装置在加速度传感器的数量、价格和尺寸方 面与图22所示传统加速度传感器装置并没有本质不同。
在专利文献所述的加速度传感器结构中，因为传感器元件很可能 彼此干扰，所以必须克服干扰进行测量。因为多个梁32形成在框架 31的一侧上，所以一个传感器元件的运动容易影响另一传感器元件的 测量。为了防止当在梁32的轴向上施加加速度时其它传感器元件和配 重33彼此干扰，必须在传感器元件之间设置间隔。

发明内容
本发明的一个目的是以低成本提供一种具有高精度的小尺寸多量 程三轴加速度传感器装置，其中多个具有不同加速度测量量程的传感 器元件形成在一个芯片中并且它们之间没有轴偏差。
根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置具有在单个硅芯片中 形成的多个三轴加速度传感器元件。所述多个三轴加速度传感器元件 中的每个包括配重；围绕所述配重并具有彼此相对的框架侧的框架； 比所述配重和所述框架薄的挠性构件，所述挠性构件连接所述相对框 架侧的上部与所述配重的上部以在所述相对框架侧的上部之间支承所
述配重；和布置在所述挠性构件的上表面上的压电电阻器，用于测量 在所述挠性构件的上表面中两个正交轴向上的加速度和与所述挠性构 件的上表面垂直的方向上的加速度。所述多个三轴加速度传感器元件 包括第一三轴加速度传感器元件，在所述第一三轴加速度传感器元件 的框架中设置其它三轴加速度传感器元件。所述多个三轴加速度传感 器元件中的每个产生彼此不同的对单位加速度的输出电压，并且来自 所述第一三轴加速度传感器元件的对单位加速度的输出电压大于来自 其它三轴加速度传感器元件的对单位加速度的输出电压。
根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中包括的多个三轴加 速度传感器元件形成在单个硅芯片上。于是，可以通过预先在光掩模 上形成相应元件的图案而利用光刻和刻蚀同时制造多个加速度传感器 元件。加速度作用在多个三轴加速度传感器元件的配重上，使挠性构 件变形，在挠性构件上形成的压电电阻器中产生应力，电阻变化，并 且将该电阻变化转换成电势差(输出电压)并输出。
其它三轴加速度传感器元件设置在多个三轴加速度传感器元件中 的第一三轴加速度传感器元件的框架上。换言之，因为其它三轴加速 度传感器元件装配在第一三轴加速度传感器元件的框架内，所以其它 三轴加速度传感器元件小于第一三轴加速度传感器元件。多个三轴加 速度传感器元件的总尺寸与第一三轴加速度传感器元件的尺寸相同。
通过将其它三轴加速度传感器元件形成在第一三轴加速度传感器 元件的框架内，因为多个三轴加速度传感器元件共享框架，所以可以 将多量程的三轴加速度传感器元件布置在小区域中。三轴加速度传感 器元件由其框架彼此分离。于是，每个三轴加速度传感器元件的振荡 不同影响其它三轴加速度传感器元件。三轴加速度传感器元件的配重
不会与其它加速度传感器元件的配重干涉。
多个三轴加速度传感器元件具有彼此不同的每单位加速度的输出 电压。第一三轴加速度传感器元件的每单位加速度的输出电压大于其 它三轴加速度传感器元件的每单位加速度的输出电压。
例如，当测量量程为±3G的第一三轴加速度传感器元件的每单位 加速度(1G)的输出电压是1V且其它三轴加速度传感器元件的测量 量程是300G时，通过将其它三轴加速度传感器元件的每单位加速度 的输出电压设成O.OIV，可以将与各个三轴加速度传感器元件的测量 量程相对应的输出电压的全量程调节为±3V。如果各个三轴加速度传 感器元件以相同分辨率检测±3V，则在具有不同加速度量程的三轴加 速度传感器元件中可以得到非常精确的加速度检测。
各个加速度传感器元件的每单位加速度的输出被设置在其中输出 电压在测量量程中保持线性度的区域中。当在具有宽测量量程的传感 器元件中将每单位加速度的输出电压设成过高时，挠性构件的变形可 能到达测量量程中的非线性区域，而无法保持输出电压的线性度。
因为多个三轴加速度传感器元件形成在相同的芯片平面上，所以 可以容易地非常精确地匹配在垂直于芯片平面的方向上的检测轴(Z 轴)。而且，还可以按照光刻的掩模精度非常精确地匹配芯片平面中的 两个检测轴(X和Y轴)。
调节板布置在多量程传感器芯片上方和下方。当施加超过测量量 程的加速度时，由调节板调节配重的运动。于是，可以防止挠性构件 的破坏并实现具有高可靠性的多量程三轴加速度传感器装置。
上下调节板期望由具有接近于多量程传感器芯片的热膨胀系数的 材料制成。可以使用例如玻璃、硅、陶瓷和FeNi合金的材料。调节板 使用粘结剂或金属接合结合到传感器元件，以在调节板和三轴加速度 传感器之间形成间隙。
可以使用具有检测电路的IC芯片作为上调节板。可以将多量程 三轴加速度传感器装置设置在壳体中，将壳体存放在顶部盖上的封装 中，并使用壳体的内底部作为下调节板。
从方便制造的角度期望将所有三轴加速度传感器元件的配重和调 节板之间的间隔设成相同，因为调节板被制成平坦的。在此情况下，
对于所有的三轴加速度传感器元件，将三轴加速度传感器元件和调节 板之间的间隔设成用于防止在测量量程中配重与调节板碰撞且防止在
配重与调节板碰撞之前破坏挠性构件的间隔。当可靠性更重要时，将 调节板布置成使得在测量量程较大时，配重和调节板之间的间隔较窄。 这通过例如在调节板中设置具有不同深度的腔来实现。对于具有较大
测量量程的几个三轴加速度传感器元件，当在假定施加的加速度下挠 性构件不太可能破坏时，就不必设置位于传感器元件上方和下方的调节板。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，优选的是，具 有较大的每单位加速度的输出电压的三轴加速度传感器元件中彼此相 对的框架侧之间的距离较长。因为第一三轴加速度传感器元件的每单 位加速度的输出电压大于其它三轴加速度传感器元件，所以第一三轴 加速度传感器元件的彼此相对的框架侧之间的距离大于其它三轴加速 度传感器元件。当该三轴加速度传感器元件具有较大的彼此相对的框 架侧之间的距离且对其施加同样大小的加速度时，挠性构件变形更大。 于是，设置在挠性构件中的压电电阻器的变形更大，且输出电压增大。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中包括的多个三轴 加速度传感器元件可以包括隔膜作为挠性构件，所述隔膜设置在由连 接彼此相对的框架侧上部和配重上部的多个梁围绕或者由框架的上部 围绕的区域中，并且所述隔膜将所述配重支承在所述隔膜的中心中。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，多个三轴加速 度传感器元件中的至少一个可以包括将彼此相对的框架侧的上部与所 述配重的上部连接的多个梁以作为所述挠性构件，并且其余的三轴加 速度传感器元件可以包括隔膜作为所述挠性构件，所述隔膜布置在由 框架的上部围绕的区域中并将所述配重支承在所述隔膜的中心中。
当三轴加速度传感器元件具有梁时，三轴加速度传感器元件可以 包括两组在元件的上表面内的两个正交方向上延伸的成对的梁。
当三轴加速度传感器元件具有隔膜时，隔膜设置在由框架的上部 围绕的整个区域中，并且配重可以设置的隔膜的中心中。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，第一三轴加速 度传感器元件可以包括连接彼此相对的框架侧上部与配重上部的多个 梁以作为所述挠性构件。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，多个三轴加速 度传感器元件中的每个可以包括连接彼此相对的框架侧上部与配重上 部的多个梁以作为所述挠性构件。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，第一三轴加速 度传感器元件可以包括隔膜作为所述挠性构件，所述隔膜布置在由框 架的上部围绕的区域中并将所述配重支承在所述隔膜的中心中。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，多个三轴加速 度传感器元件中的每个可以包括隔膜作为所述挠性构件，所述隔膜布 置在由框架的上部围绕的区域中并将所述配重支承在所述隔膜的中心中。
可以根据加速度的测量量程确定传感器元件的外部尺寸、制造的 容易程度等，其中应当使用隔膜式三轴加速度传感器元件和梁式三轴 加速度传感器元件。可以采用以下组合，其中第一传感器元件是隔膜 式，小于第一传感器元件的第二传感器元件是梁式，而小于第二传感 器元件的第三传感器元件是隔膜式。或者，第一传感器元件可以是梁 式，而第二和第三传感器元件可以是隔膜式。在梁式三轴加速度传感 器元件中，刻蚀薄硅层来形成梁。对于梁状挠性构件增加了加工工艺。 但是，与隔膜式三轴加速度传感器元件中使用的未加工的隔膜式挠性 构件相比，可以减小梁的弯曲刚度并增大每单位加速度的输出。通过 将梁式应用于第一三轴加速度传感器元件，可以减小第一三轴加速度 传感器元件的尺寸并减小整个多量程三轴加速度传感器芯片的尺寸。 在本发明中，隔膜式三轴加速度传感器元件和梁式三轴加速度传感器 元件被总体称为三轴加速度传感器元件，除非特别指出的不同情况。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，优选的是，所 有三轴加速度传感器元件的挠性构件的厚度是相同的。
期望根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置由SOI (绝缘体 上硅)基体形成，该SOI基体通过经由氧化硅膜层层叠薄硅层和厚硅
层形成。加工厚硅层以形成配重。在通过加工去除硅层的部分中，留 下薄硅层并形成挠性构件。在本发明中，当将所有三轴加速度传感器元件的挠性构件的厚度设成相同时，就不必在薄硅层中形成具有不同 厚度的挠性构件。于是，可以实际上使用薄硅层的厚度一起形成所有 三轴加速度传感器元件的挠性构件。可以减少制造的工时并以低成本 制造三轴加速度传感器元件。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，优选的是，所 有三轴加速度传感器元件的配重的厚度是相同的。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，优选的是，所 有三轴加速度传感器元件的配重和框架的厚度是相同的。
通过将所有三轴加速度传感器元件中的框架和配重以及挠性构件 的厚度设成相同，可以实际上使用厚硅层的厚度在一 次刻蚀中 一起形 成所有三轴加速度传感器元件的配重。结果，可以减少制造的工时并
以低成本制造三轴加速度传感器元件。
因为框架和配重的下表面的位置在相同平面中对齐，所以可以容
易地在框架的至少3个位置中经由具有相同高度的间隔件布置多量程 加速度传感器芯片和下调节板，并将所有三轴加速度传感器元件中的 配重的下平面和下调节板之间的间隔设成相同。
优选的是，在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，具 有较大每单位加速度的输出电压的三轴加速度传感器元件具有较大质 量的配重。
当减小配重的质量时，因为由于单位加速度而作用在配重上的力 增大，所以可以增大每单位加速度的输出电压。在根据本发明的多量 程三轴加速度传感器装置中，期望如上所述将配重的厚度设成相同。 于是，期望通过改变芯片平面中其尺寸来增大或减小配重的质量。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，优选的是，所 有三轴加速度传感器元件的挠性构件的厚度是相同的。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，优选的是，具 有较低每单位加速度的输出电压的三轴加速度传感器元件中彼此相对 的框架侧之间的距离较大。
当配重和框架之间的距离增大时，连接配重和框架的挠性构件的
弯曲刚度降低，并且由单位加速度在挠性构件中产生的应力增大。于 是，可以增大每单位加速度的输出电压。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，优选的是，具 有较低每单位加速度的输出电压的三轴加速度传感器元件中由挠性构 件和框架的连接部分围绕的面积较大。
由挠性构件和框架的连接部分围绕的面积是框架的内部区域的尺 寸，即由芯片平面中的三轴加速度元件所占据的尺寸。当该尺寸较大 时，可以将配重的尺寸设成较大。因为配重和框架之间的距离增加， 所以作用在配重上的力增大并且挠性构件的弯曲刚度降低。于是，可 以增大每单位加速度的输出电压。
在本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，所述其它三轴加速 度传感器元件中的至少一个可以包括两个两轴加速度传感器元件，所 述两轴加速度传感器元件每个都包括配重、围绕所述配重并具有彼此 相对的框架侧的框架、比所述配重和所述框架薄的一对梁、以及在所 述梁上形成并在所述梁延伸的方向上延伸的压电电阻器。所述两个两 轴加速度传感器元件在所述梁的上表面中的梁延伸方向彼此垂直，所 述两个两轴加速度传感器元件中的一个测量在所述梁的上表面中的梁 延伸方向上的加速度和与所述梁的上表面垂直的加速度，并且所述两 个两轴加速度传感器元件中的另一个至少测量在所述梁的上表面中的 梁延伸方向上的加速度。
与具有两组成对梁的梁式三轴加速度传感器元件相比，梁式两轴 加速度传感器元件的整体梁的弯曲刚度较小。于是，为了获得相同的 输出，可以减小配重的尺寸。可以减小在未设置成对梁的方向上的尺 寸。例如，当梁式两轴加速度传感器元件绕具有最大外部尺寸的第一 三轴加速度传感器元件布置时，可以减小多量程加速度传感器芯片的 尺寸。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，优选的是，所 有梁式两轴加速度传感器元件的梁和所有三轴加速度传感器元件的隔 膜的厚度是相同的。
当所有梁式两轴加速度传感器元件的梁和所有三轴加速度传感器 元件的隔膜的厚度是相同的时，因为不必在薄硅层中形成具有不同厚 度的隔膜，所以可以实际上使用薄硅层的厚度一起形成所有两轴和三 轴加速度传感器元件的挠性构件。于是，可以减少制造的工时并以低 成本制造两轴和三轴加速度传感器元件。
在根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置中，优选的是，所 有梁式两轴加速度传感器元件和所有三轴加速度传感器元件的配重的 厚度是相同的。
通过将所有梁式两轴加速度传感器元件和三轴加速度传感器元件 中的框架和配重以及挠性构件的厚度设成相同，可以实际上使用厚硅 层的厚度在一次刻蚀中一起形成所有梁式两轴加速度传感器元件和所 有三轴加速度传感器元件的配重。结果，可以减少制造的工时并以低 成本制造两轴和三轴加速度传感器元件。
按照根据本发明的多量程三轴加速度传感器装置，可以在同一芯 片上一起形成多个三轴加速度传感器元件。于是，不需要对每个元件 的分开的加工工艺，并可以共享框架。因此，可以以小尺寸和低成本 提供能够以多量程检测三轴加速度的多量程三轴加速度传感器装置。


图l是本发明的示例1的多量程三轴加速度传感器装置的分解透 视图。
图2是示例1的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传感 器芯片的透视图。
图3是沿图i的线m-ni所取的剖视图。 图4是本发明的示例2的多量程三轴加速度传感器装置的分解透 视图。
图5是示例2的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传感 器芯片的透视图。
图6是沿图4的线V-V所取的剖视图。
图7是示例3的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传感 器芯片的透视图。
图8是示例4的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传感 器芯片的透视图。
图9是示例5的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传感 器芯片的透视图。
图10是示例6的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传感 器芯片的透视图。
图11是示例7的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传感 器芯片的透视图。
图12是示例8的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传感 器芯片的透视图。
图13是示例9的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传感 器芯片的透视图。
图14是示例10的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传 感器芯片的透视图。
图15是示例11的多量程三轴加速度传感器装置中所用多量程传 感器芯片的透视图。
图16是示出示例12的多量程三轴加速度传感器装置中的晶片级 封装的剖视图。
图17是示例12的多量程三轴加速度传感器装置的剖视图。 图18是传统三轴加速度传感器装置的分解透视图。 图19是沿着图18的线IXX-IXX所取的剖视图。 图20是图18所示三轴加速度传感器装置中所用的梁式传感器芯 片的俯视图。
图21是传统三轴加速度传感器装置中所用的隔膜式传感器芯片 的俯视图。
图22是示出传统多量程加速度传感器装置的透视图。
图23是示出另 一传统多量程加速度传感器装置的透视图。
具体实施例方式
下面将参照基于示例的附图详细解释本发明。 示例1
下面使用图1至3解释根据本发明的示例1的多量程三轴加速度 传感器装置。图1是该多量程三轴加速度传感器装置的分解透视图， 图2是该多量程三轴加速度传感器装置中所用的多量程传感器芯片的
放大视图，而图3是沿线m-m所取的剖视图。在图i中，多量程三轴
加速度传感器装置100a具有以下结构，其中其上形成有传感器元件的 多量程传感器芯片40a和其上形成有检测电路且具有调节传感器元件 运动的作用的IC调节板3a设置在氧化铝制壳体la中并由氧化铝制 壳体盖2a密封。多量程传感器芯片40a的芯片端子41a和IC调节板 3a的IC端子31a、以及与壳体la的外部端子lla连接的壳体端子12a 和IC端子31a由引线15a连接。传感器的检测信号从外部端子lla 提取。
如图3所示，多量程传感器芯片40a使用第一粘结剂16a固定到 壳体la的内底部。第一粘结剂16a混有塑料球。在传感器元件的配重 和壳体la的内底部之间形成一定间隔。IC调节板3a由也混有塑料球 的粘结剂16a，结合到多量程传感器芯片40a。在传感器元件的配重和 IC调节板3a之间形成一定间隔。壳体盖2a由第二粘结剂17a结合到 壳体la以密封壳体la，从而形成多量程三轴加速度传感器装置100a。
将使用图2解释多量程传感器芯片40a的结构。第一三轴加速度 传感器元件50a和第二三轴加速度传感器元件50a，形成在多量程传感 器芯片40a上。在第一三轴加速度传感器元件50a中，第一元件配重 51a由相应两个梁的第一元件第一梁53a和第一元件第二梁54a支承 在第一元件框架52a中。当X轴和Y轴设置在多量程传感器芯片40a 的上表面中且Z轴设置在与上表面垂直的方向上时，用于X轴方向加 速度检测的X轴压电电阻器55a形成在沿着X轴形成的第一元件第一 梁53a上，而用于Y轴方向加速度检测的Y轴压电电阻器56a形成在
沿着Y轴形成的第一元件第二梁54a上。用于Z轴加速度检测的Z 轴压电电阻器57a可以形成在任一梁上。但是，这里Z轴压电电阻器 57a形成在第一元件第一梁53a上。对于每个轴设置四个压电电阻器， 并通过未示出的导线将该四个压电电阻器连接起来形成桥电路。通过 由加速度施加的力使配重位移并且使梁变形，由此压电电阻器的电阻 变化。可以通过使用桥电路提取由于四个压电电阻器之间电阻变化量 的差别产生的电势差，而检测加速度。
类似地，在第二三轴加速度传感器元件50a，中，第二元件配重51a， 由相应两个梁的第二元件第一梁53a，和第二元件第二梁54a，支承在第 二元件框架52a，中。X轴压电电阻器和Z轴压电电阻器形成在沿着X 轴的第二元件第一梁53a，上。Y轴压电电阻器形成在沿着Y轴的笫二 元件第二梁54a，上。
第二三轴加速度传感器元件50a，具有与第一三轴加速度传感器元 件50a相比较小的每单位加速度输出电压。换言之，第二三轴加速度 传感器元件50a，相对于满刻度的输出电压设置成较宽的测量量程。例 如，可以将第一三轴加速度传感器元件50a的测量量程设成±几G并 使用第 一三轴加速度传感器元件50a用于落下检测，并且将第二三轴 加速度传感器元件50a，的测量量程设成±几百G并使用第二三轴加速 度传感器元件50a，用于冲击检测。多个芯片端子41a形成在多量程传 感器芯片40a上。
将简单解释加速度传感器元件的制造方法和尺寸。使用SOI(绝
缘体上硅)晶片作为厚度约400nm的硅板，该SOI晶片包括厚度几^tm 的氧化硅层和厚度6pm的硅层。通过光刻胶进行图案化，并驱动1至 3x 1018原子/立方厘米的硼进入硅层以形成压电电阻器。连接到压电 电阻器的导线使用金属溅射器和干刻蚀装置形成。硅层和硅板使用光 刻和干刻蚀装置进行加工。在硅层中形成梁并在硅层和硅板上方形成 配重。氧化硅层用作在进行硅的干刻蚀时的刻蚀阻挡层。大量芯片在 一个晶片上制造并通过干刻蚀或划片分离成单个芯片。
在根据此示例的多量程三轴加速度传感器装置中，可以在一个多
量程传感器芯片40a上一起形成第一三轴加速度传感器元件50a和第 二三轴加速度传感器元件50a，。在用于硅干刻蚀的掩模上产生两个传 感器元件的形状以同时加工和形成传感器元件。这样，可以在不增加 工艺的情况下形成具有不同测量量程的两个传感器元件并可以降低制 造成本。因为第二三轴加速度传感器元件50a，在形成第一三轴加速度 传感器元件50a的框架52a的四个框架侧之一上形成，所以可以共用 两个传感器元件的框架，并将传感器元件装配在小区域中。于是，可 以减小该多量程三轴加速度传感器装置的尺寸。另外，因为可以使用 掩模图案调整两个传感器元件的梁的方向，所以可以使两个传感器元 件的加速度检测轴彼此非常精确地重合。
将解释根据示例1的多量程传感器芯片40a的示意性尺寸。在第 一三轴加速度传感器元件50a中， 一个梁的长度被设成400nm,其宽 度被设成40pm，而配重的外部尺寸被设成900jim x卯Onm。为了将 配重和梁装配在小区域中，将配重形成为使梁的连接部分中空所获得 的形状。结果，配重形成为如图2所示的三叶草形状。在第二三轴加 速度传感器元件50a，中， 一个梁的长度被设成12(Him,其宽度被设成 100pm，而配重的外部尺寸被设成200pm x 200ftm。在第二三轴加速 度传感器元件中，因为通过将配重形成为三叶草形状而导致的减小面 积的效果很小，所以将配重形成为方形。对于两个传感器元件，梁的 厚度是6pm，这是SOI晶片的硅层的厚度。对于两个传感器元件，酉己 重的厚度是整个SOI晶片的厚度。因为氧化硅膜层厚lpm，所以梁的 厚度是407jLim。
在3V的输入电压下每1G加速度的输出电压在第一三轴加速度传 感器元件50a中所有的X、 Y和Z轴上约为2.0mV，而在第二三轴加 速度传感器元件50a，中在X和Y轴上约为0.015mV且在Z轴上约为 O.OlmV。当比较输出电压时，第一三轴加速度传感器元件50a中的输 出电压大约是第二三轴加速度传感器元件50a，中的200倍。当由放大
第一三轴力l速度传感器元件50a的测^:量程是第二三轴加速度^感器
元件50a，的测量量程的1/200。例如，当将放大比设成150倍并将满 刻度输出电压设成土900mV时，第一三轴加速度传感器元件50a中的 测量量程是士3G，而第二三轴加速度传感器元件50a，中的测量量程是 ± 600G 。当由这种多量程三轴加速度传感器装置测量从等于或小于 1G的小加速度到几百G的大加速度的各种大小的加速度时，在±3G 的量程中使用第一三轴加速度传感器元件50a和在士600G的量程中 使用第二三轴加速度传感器元件50a，可以以令人满意的线性度测量加 速度。
如上述尺寸的示例所示，为了将第二三轴加速度传感器元件50a， 中的每单位加速度的输出电压设置成比第一三轴加速度传感器元件 50a中的更小，期望缩短梁、增大梁的宽度并增大梁的弯曲刚度。还 期望减小配重的外部尺寸并减小配重的重量。结果，期望在第二三轴 加速度传感器元件50a，中布置配重和梁的区域较小。换言之，期望框 架中的空间区域减小，即连接两个梁的连接点与框架的距离减小。
当传感器元件具有上述尺寸时，第一三轴加速度传感器元件50a 的谐振频率是约1.5kHz，且第二三轴加速度传感器元件50a，的谐振频 率是约25kHz。在检测冲击加速度的情况下，当加速度传感器的谐振 频率附近的振荡由安装有该传感器的装置的冲击振荡施加到加速度传 感器时，很可能在谐振频率下的振荡并不衰减，而仍然导致检测波形 中的不足。因此，在冲击检测中，必须将谐振频率设成较高。在测量 高加速度量程的第二三轴加速度传感器元件50a，中，将梁的弯曲刚度 设成较高，且将配重的重量设成较低，传感器元件的谐振频率较高。 于是，第二三轴加速度传感器元件50a，适合用于冲击检测。
当将远远超过测量量程的加速度施加到测量低加速度量程的第一 三轴加速度传感器元件50a时，过大的应力施加到梁上而破坏梁。因 此，调节板布置在传感器元件的配重的上方和下方彼此之间具有一定 间隔处。在此示例中，作为其上形成检测电路的IC芯片的IC调节板 3a布置在配重上方。壳体la的内底部用作配重下方的调节板。可以 将整个传感器的厚度设成小于当将独立的调节板与IC调节板3a和壳
体la分开设置时的厚度。调节板和配重之间的间隔是用于防止在测量 量程中配重与调节板碰撞且允许在梁变形破坏之前配重与调节板碰撞 的间隔。在此示例中，该间隔被设成15pm。为了精确形成间隔，将 具有基本固定外径的塑料球混和在第一粘結剂16a和16a，中以使得可 以利用塑料球作为间隔件来调节间隔。在具有大测量量程的第二三轴 加速度传感器元件50a，中，可能即使将假定的最大加速度施加到传感 器元件，梁也不会被破坏。在此情况下，调节板不必设置在第二三轴 加速度传感器元件50a，上方和下方。换言之，IC调节板3a可以布置 在从第一三轴加速度传感器元件50a上方覆盖而不会从第二三轴加速 度传感器元件50a，上方覆盖的区域中。
示例2
下面使用图4至6解释根据本发明的示例2的多量程三轴加速度 传感器装置。图4是根据示例2的多量程三轴加速度传感器装置的分 解透视图，图5是多量程传感器芯片的透视图。图6是沿图4中的线 VI-VI所取的剖视图。在图4中，多量程三轴加速度传感器装置100b 具有以下结构，其中其上形成有两个隔膜式三轴加速度传感器元件的 多量程传感器芯片40b和其上形成有检测电路且具有调节传感器元件 运动的作用的IC调节板3b设置在氧化铝制壳体lb中并由氧化铝制 壳体盖2b密封。多量程传感器芯片40b的芯片端子41b和IC调节板 3b的IC端子31b、以及与壳体lb的外部端子lib连接的壳体端子12b 和IC端子31b由引线15b连接。传感器的检测信号从外部端子lib 提取。
如图6所示，多量程传感器芯片40b使用第一粘结剂16b固定到 壳体lb的内底部。第一粘结剂16b混有塑料球。在传感器元件的配 重71b和71b，与壳体lb的内底部之间形成一定间隔。IC调节板3b 由也混有塑料球的粘结剂16b，结合到多量程传感器芯片40b。在传感 器元件的配重71b和71b，与IC调节板3b之间形成一定间隔。壳体盖 2b由第二粘结剂17b结合到壳体lb以密封壳体lb,从而形成多量程三轴加速度传感器装置100b。
将使用图5解释多量程传感器芯片40b的结构。第一隔膜式三轴 加速度传感器元件70b和第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，形成 在多量程传感器芯片40b上。在隔膜式三轴加速度传感器元件70b和 70b，中，配重71b和71b，由形成为比框架72b和72b，以及配重71b和 71b，更薄的隔膜形挠性构件73b和73b，支承在框架72b和72b，中。当 X轴和Y轴设置在多量程传感器芯片40b的上表面中且Z轴设置在与 上表面垂直的方向上时，用于X轴方向加速度检测的X轴压电电阻器 75b形成在沿着X轴的挠性构件73b上，而用于Y轴方向加速度检测 的Y轴压电电阻器76b沿着Y轴形成。用于Z轴加速度检测的Z轴 压电电阻器77b可以形成在任一轴向上。但是，这里Z轴压电电阻器 77b沿着X轴形成。对于每个轴设置四个压电电阻器，并通过未示出 的导线将该四个压电电阻器连接起来形成桥电路。通过由加速度施加 的力使配重位移并且使挠性构件变形，由此压电电阻器的电阻变化。 可以通过使用桥电路提取由于四个压电电阻器之间电阻变化量的差别 产生的电势差，而检测加速度。
第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，具有相同结构。但是，第 二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，形成在第一隔膜式三轴加速度传 感器元件70b的框架72b的一个框架侧上。
第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，具有与第一隔膜式三轴加 速度传感器元件70b相比较小的每单位加速度输出电压。换言之，第 二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，相对于满刻度的输出电压设置成 较宽的测量量程。例如，可以将第一隔膜式三轴加速度传感器元件70b 的测量量程设成±几G并使用第一隔膜式三轴加速度传感器元件70b 用于落下检测，并且将笫二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，的测量 量程设成士几百G并使用第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，用于 沖击检测。多个芯片端子41b形成在多量程传感器芯片40b上。
在根据此示例的多量程三轴加速度传感器装置中，可以在一个多 量程传感器芯片40b上一起形成第一隔膜式三轴加速度传感器元件70b和第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，。在用于硅干刻蚀的掩 模上产生两个传感器元件的形状以同时加工和形成传感器元件。这样， 可以在不增加工艺的情况下形成具有不同测量量程的两个传感器元件 并可以降低制造成本。因为第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，形 成在第一隔膜式三轴加速度传感器元件70b的框架72b内，所以可以 共用两个传感器元件的框架，并将传感器元件装配在小区域中。于是， 可以减小该多量程三轴加速度传感器装置的尺寸。另外，因为可以使 用掩模图案调整两个传感器元件的挠性构件的方向，所以可以使两个 传感器元件的加速度检测轴彼此非常精确地重合。将第一隔膜式三轴 加速度传感器元件70b和第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，的框 架72b和72b，以及配重71b和71b，的厚度设成相同，并将隔膜的挠性 构件73b和73b，的厚度制成相同。
为了使第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，中的每单位加速度 的输出电压比第一隔膜式三轴加速度传感器元件70b更小，期望增大 第二隔膜式三轴加速度传感器元件的隔膜的宽度(即配重和框架之间 的距离)并增大隔膜的弯曲刚度。还期望减小配重的外部尺寸并减小 配重的重量。结果，期望布置第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b， 的挠性构件和配重的区域较小。换言之，期望框架中的空间区域减小。
在检测冲击加速度的情况下，当加速度传感器的谐振频率附近的 振荡由安装有该传感器的装置的冲击振荡施加到加速度传感器时，很 可能在谐振频率下的振荡并不衰减，而仍然导致检测波形中的不足。 因此，在沖击检测中，必须将谐振频率设成较高。在测量高加速度量 程的第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，中，将挠性构件的弯曲刚 度设成较高，且将配重的重量设成较低。于是，传感器元件的谐振频 率较高，且第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，适合用于冲击检测。
当将远远超过测量量程的加速度施加到测量低加速度量程的第一 隔膜式三轴加速度传感器元件70b时，过大的应力施加到隔膜形的挠 性构件而破坏挠性构件。因此，调节板布置在传感器元件的配重的上 方和下方彼此之间具有一定间隔处。在此示例中，作为其上形成检测
电路的IC芯片的IC调节板3a布置在配重上方。壳体la的内底部用 作配重下方的调节板。可以使整个传感器的厚度小于当将独立的调节 板与IC调节板3a和壳体la分开设置时的厚度。调节板和配重之间 的间隔是用于防止在测量量程中配重与调节板碰撞且允许在挠性构件 变形破坏之前配重与调节板碰撞的间隔。为了精确形成间隔，将具有 基本固定外径的塑料球混和在第一粘结剂16a和16a，中以使得可以利 用塑料球作为间隔件来调节间隔。在具有大测量量程的第二隔膜式三 轴加速度传感器元件70b，中，可能即使将假定的最大加速度施加到传 感器元件，挠性构件也不会被破坏。在此情况下，调节板不必设置在 第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，上方和下方。换言之，IC调节 板3a可以布置在从第一隔膜式三轴加速度传感器元件70b上方覆盖而 不会从第二隔膜式三轴加速度传感器元件70b，上方覆盖的区域中。
示例3
下面将解释根据本发明的示例3的多量程三轴加速度传感器装 置。图7是示出根据示例3的多量程传感器芯片40c的透视图。代替 示例2中用于测量低加速度量程的第一隔膜式三轴加速度传感器元件 70b，使用第一梁式三轴加速度传感器元件50c。多量程传感器芯片40c 具有测量低加速度量程的第一梁式三轴加速度传感器元件50c和测量 高加速度量程的隔膜式三轴加速度传感器元件70c。隔膜式三轴加速 度传感器元件70c具有其中配重71c由隔膜73c支承在框架72c中的 结构。在梁式三轴加速度传感器元件50c中，配重51c由两对梁53c 和54c支承在框架52c中。如参照图2在示例1中所解释的，在梁53c 和54c上设置X轴压电电阻器、Y轴压电电阻器和Z轴压电电阻器。 隔膜式三轴加速度传感器元件70c形成在梁式三轴加速度传感器元件 50c的框架52c的一个框架侧上。将测量低加速度量程的梁式三轴加 速度传感器元件50c和测量高加速度量程的隔膜式三轴加速度传感器 元件70c的框架52c和72c以及配重51c和71c的厚度设成相同。将 梁53c和54c以及作为挠性构件的隔膜73c的厚度设成相同。
示例4
下面将解释根据本发明的示例4的多量程三轴加速度传感器装 置。图8是示出根据示例4的多量程传感器芯片40d的透视图。代替 示例2中用于测量高加速度量程的第二隔膜式三轴加速度传感器元件 70b，，在多量程传感器芯片40d中使用梁式三轴加速度传感器元件 50d。多量程传感器芯片40d具有测量低加速度量程的第一隔膜式三 轴加速度传感器元件70d和测量高加速度量程的梁式三轴加速度传感 器元件50d。隔膜式三轴加速度传感器元件70d具有其中配重71d由 隔膜73d支承在框架72d中的结构。在梁式三轴加速度传感器元件50d 中，配重51d由两对梁53d和54d支承在框架52d中。梁式三轴加速 度传感器元件50d形成在隔膜式三轴加速度传感器元件70d的框架 72d的一个框架侧上。将测量低加速度量程的第一隔膜式三轴加速度 传感器元件70d和测量高加速度量程的梁式三轴加速度传感器元件 50d的框架52d和72d以及配重51d和71d的厚度设成相同。将梁53d 和54d以及作为挠性构件的隔膜73d的厚度设成相同。
示例5
本发明的示例5是可以在进一步增加加速度检测量程的情况下在 三个不同加速度量程中检测三轴加速度的多量程三轴加速度传感器装 置。多量程传感器芯片40e的示意性结构在图9的透视图中示出。在 第一隔膜式三轴加速度传感器元件70e的框架72e的侧边内，除第二 隔膜式三轴加速度传感器元件70e，之外还布置第三隔膜式三轴加速度 传感器元件70e"。隔膜式三轴加速度传感器元件70e、 70e，和70e，，从 第 一到第三依次具有更小的每单位加速度的输出电压，并依次具有更 太的加速度测量量程。例如，第一隔膜式三轴加速度传感器元件被设 成土3G，第二隔膜式三轴加速度传感器元件是土30G,而第三隔膜式 三轴加速度传感器元件被设成± 600G。为了使隔膜式三轴加速度传感 器元件从第一到第三依次具有更小的每单位加速度的输出电压，使配
重的尺寸从第 一到第三依次更小并且还使挠性构件的长度更小。
在此示例中，第一隔膜式三轴加速度传感器元件70e具有方形隔 膜，第二隔膜式三轴加速度传感器元件70e，具有多边形隔膜，而第三 隔膜式三轴加速度传感器元件70e，，具有圓形隔膜。改变框架72e、 72e， 和72e"以及配重71e、 71e，和71e"的形状以匹配隔膜的形状。这样， 可以不仅选择方形，而且选择多边形和圆形。将从第一到第三隔膜式 三轴加速度传感器元件的框架72e、 72e，和72e"以及配重71e、 71e，和 71e"的厚度设成相同，并将其挠性构件73e、 73e，和73e"的厚度设成 相同。
示例6
本发明的示例6是可以在三个不同加速度量程中检测三轴加速度 的多量程三轴加速度传感器装置。多量程传感器芯片40f的示意性结 构在图10中示出。第二三轴加速度传感器元件50f，和第三三轴加速度 传感器元件50P布置在与示例1的第一三轴加速度传感器元件相同的 第一三轴加速度传感器元件50f的框架侧边内。三轴加速度传感器元 件从第一到第三依次具有更小的每单位加速度的输出电压。三轴加速 度传感器元件从第一到第三依次具有更大的加速度测量量程。例如， 第一三轴加速度传感器元件被设成土3G，第二三轴加速度传感器元件 是士30G,而第三三轴加速度传感器元件i皮设成土600G。为了使三轴 加速度传感器元件从第一到第三依次具有更小的每单位加速度的输出 电压，使配重的尺寸从第一到第三依次更小，并且使梁的长度更小或 者使其宽度更大。
示例7
将解释根据示例7的多量程三轴加速度传感器装置。图11以透视 图示出示例7的多量程传感器芯片40g的结构。第二三轴加速度传感 器元件50g，包括两个两轴加速度传感器元件60g和60g，。如示例1所 示，多量程传感器芯片40g具有第一三轴加速度传感器元件50g，该
第一三轴加速度传感器元件50g具有以下结构，其中第一元件配重51g 由相应两个梁的第一元件第一梁53g和第一元件第二梁54g支承在第 一元件框架52g中。另一方面，第二三轴加速度传感器元件50g，包括 第一两轴加速度传感器元件60g和第二两轴加速度传感器元件60g，， 该第一两轴加速度传感器元件60g具有其中第二元件第一配重61g由 两个梁的第二元件第一梁63g支承在第二元件第一框架62g中的结构， 该第二两轴加速度传感器元件60g，具有其中第二元件第二配重61g，由 第二元件第二梁63g，支承在第二元件第二框架62g，中的结构。
两轴加速度传感器元件与三轴加速度传感器元件的不同之处在 于，两轴加速度传感器元件具有形成一对的梁。可以检测在梁延伸的 方向上的第一轴(X轴)和与在梁上形成有压电电阻器的芯片平面垂 直的第二轴(Z轴)上的加速度。因为两个两轴加速度传感器元件布 置成使得其第一轴彼此正交，所以可以检测三个轴，即作为两个元件 的第一轴向的两个轴(X轴和Y轴)、以及Z轴。Z轴的检测可以由 两个元件之一进行。在此示例中，第一两轴加速度传感器元件60g的 梁63g沿着X轴布置，并设置X轴压电电阻器和Z轴压电电阻器。 第二两轴加速度传感器元件60g，的梁63g，沿着Y轴布置，并设置Y 轴压电电阻器。
因为两轴加速度传感器元件具有一对梁，所以梁的弯曲刚度整体 上小于具有两对梁的三轴加速度传感器元件的弯曲刚度。于是，可以 减小配重的尺寸以获得相同的每单位加速度的输出电压。因为梁仅在 一个方向上延伸，所以可以将梁装配在更小的框架中。两个元件的总 面积大于三轴加速度传感器元件的面积。但是，可以通过将两轴元件 设置在第二和随后的加速度传感器元件中并将加速度传感器元件布置 在具有最大尺寸的第一三轴加速度传感器元件中，而减小整个多量程 三轴加速度传感器装置的尺寸。换言之，可以选择是将三个轴分别设 置在一个第一三轴加速度传感器元件以及第二和随后的三轴加速度传 感器元件中，还是设置两个两轴加速度传感器元件
将描述根据示例7的多量程传感器芯片的示意性尺寸。第一三轴
加速度传感器元件50g具有与示例1中的第一三轴加速度传感器元件 50a相同的尺寸和相同的结构。第一两轴加速度传感器元件60g和第 二两轴加速度传感器元件60g，具有相同尺寸。其梁的长度设成12(Him， 其宽度设成100nm，而配重的外部尺寸设成150pm x 150|um。在此情 况下，在3V的输入电压下每1G加速度的输出电压在第一三轴加速度 传感器元件中所有的X、 Y和Z轴上约为2.0mV，而在第二三轴加速 度传感器元件中所有的X、 Y和Z轴上约为O.OlmV。第一和第二两 轴加速度传感器元件可以获得与示例1中的第二三轴加速度传感器元 件50a，相等的每单位加速度的输出电压，其中配重具有小于第二三轴 加速度传感器元件50a，的锥形配重的面积。通过设置如图11所示具有 上述尺寸的第一和第二两轴加速度传感器元件，整个多量程传感器芯 片的尺寸可以减小为小于示例1中的尺寸。
示例8
如图12所示，在示例8的结构中，与示例7中的第一和第二两轴 加速度传感器元件相同的第一和第二两轴加速度传感器元件60h和 60h，布置在第一三轴加速度传感器元件50h的两个框架侧上。具有在 X方向上延伸的梁的第一两轴加速度传感器元件60h设置在第一三轴 加速度传感器元件50h的平行于X轴的框架侧中。第二两轴加速度传 感器元件60h，设置在第一三轴加速度传感器元件50h的平行于Y轴的 框架侧中。作为整个第一和第二两轴加速度传感器元件60h和60h，的 尺寸，在梁的纵向方向上的尺寸较长。此结构是期望，因为可以相对 于整个多量程传感器芯片40h的平面垂直和水平尺寸将较长的尺寸设 成尽可能短。换言之，当多量程传感器芯片形成为基本方形形状时， 采用此示例结构时的面积最小，
示例9
在根据图IO所示示例6的多量程三轴加速度传感器装置中，可以 分别从两个两轴加速度传感器元件构成第二和第三三轴加速度传感器
元件50f，和50f，。例如，在根据示例9的多量程传感器芯片40i中， 如图13所示，第三三轴加速度传感器元件50i，，包括检测X和Z轴加 速度的第一两轴加速度传感器元件60i以及检测Y轴加速度的第二两 轴加速度传感器元件60i，。第一两轴加速度传感器元件60i与第二三 轴加速度传感器元件50i，一起布置在第一三轴加速度传感器元件50i 的沿着X轴的框架侧中，而第二两轴加速度传感器元件60i，布置在沿 着Y轴的其它框架侧中。
示例10
在根据图14所示示例IO的多量程传感器芯片40j中，第二三轴 加速度传感器元件50j，包括检测X和Z轴加速度的第一两轴加速度传 感器元件60j以及检测Y轴加速度的第二两轴加速度传感器元件60j，。 类似地，第三三轴加速度传感器元件50j"包括检测X和Z轴加速度的 第三两轴加速度传感器元件60j以及检测Y轴加速度的第四两轴加速 度传感器元件65j，。第一两轴加速度传感器元件60j和第三两轴加速 度传感器元件65j布置在第一三轴加速度传感器元件50j的沿着X方 向的框架侧中，而第二两轴加速度传感器元件60j，和第四两轴加速度 传感器元件65j，布置在第一三轴加速度传感器元件50j的框架的沿着 Y轴的框架侧中。
在根据这些示例的多量程三轴加速度传感器装置中，对于从1G 或更小到几百G的各种大小的加速度，可以使用适合于加速度大小的 三轴加速度传感器元件以令人满意的线性度测量加速度。
示例11
下面将解释根据本发明的示例u的多量程三轴加速度传感器装 置。根据示例11的多量程传感器芯片40k的结构在图15的透视图中 示出。在此示例中，多量程传感器芯片40k包括测量低加速度量程的 梁式三轴加速度传感器元件50k、测量中加速度量程的两个梁式两轴 加速度传感器60k和60k，、以及测量高加速度量程的隔膜式三轴加速 度传感器元件70k。在梁式两轴加速度传感器60k和60k，中，配重61k 和61k，以及框架62k和62k，分别由成对的梁63k和63k，连接。用于X 轴的压电电阻器和用于Z轴的压电电阻器形成在梁式两轴加速度传感 器60k的梁63k上。用于Y轴的压电电阻器形成在梁式两轴加速度传 感器60k，的梁63k，上。隔膜式三轴加速度传感器元件70k以及两个梁 式两轴加速度传感器60k和60k，形成在梁式三轴加速度传感器元件 50k的两个4匡架侧52k上。
梁式两轴加速度传感器60k和60k，与梁式三轴加速度传感器元件 50k的不同之处在于，梁式两轴加速度传感器60k和60k，分别具有成 对的梁63k和63k，。可以检测在梁的纵向方向上的第一轴(X轴)上 的加速度以及与在梁63k和63k，上形成有压电电阻器的芯片平面垂直 的第二轴(Z轴)上的加速度。因为两个两轴加速度传感器元件布置 成使得其第一轴彼此正交，所以可以检测总共三个轴上的加速度，即 在两个元件的梁分别延伸的轴向上延伸的两个轴(X轴和Y轴)、以 及Z轴。Z轴的检测可以由两个元件之一进行，或者可以由两个元件 进行。在此示例中，第一梁式两轴加速度传感器元件60k的梁63k沿 着X轴布置，并形成X轴压电电阻器和Z轴压电电阻器。第二梁式 两轴加速度传感器元件60k，的梁63k，沿着Y轴布置，并形成Y轴压 电电阻器。
因为梁式两轴加速度传感器元件具有一对梁，所以梁的弯曲刚度 整体上小于具有两对梁的三轴加速度传感器元件的弯曲刚度。于是， 可以减小配重的尺寸以获得相同的每单位加速度的输出电压。因为梁 仅在一个方向上延伸，所以可以将梁装配在更小的框架中。
示例12
在根据示例12的多量程三轴加速度传感器装置中，对示例1中所 述多量程传感器芯片40a的传感器元件形成区域的外侧应用晶片级封 装。根据示例12的多量程三轴加速度传感器装置以剖视图在闺16和 17中示出。如图16所示，第一帽3m和第二帽3m，结合在多量程传感
器芯片40a的上方和下方。第一帽3m和第二帽3m，在其中心中具有 腔32m,并且在其周边部分处结合到多量程传感器芯片40a。因为结 合部分布置在多量程传感器芯片40a的传感器元件形成区域的外侧 上，所以将传感器元件保护在由第一帽3m和第二帽3m，围绕的密封 封装中，使得传感器元件的特性不会由于湿度、异物等的影响而波动。
合适的间隔设置在传感器元件的配重51a和51a，与第一帽3m和 第二帽3m，之间，以起到调节板调节配重位移和防止在施加过大加速 度时梁的破坏的作用。芯片保护膜45a形成在多量程传感器芯片40a 的上表面上。连接布置在密封封装的外侧上的芯片端子41a和压电电 阻器的导线穿过芯片保护膜45a下方引出到密封封装的外侧。第一帽 3m和第二帽3m，由硅晶片形成，而腔32m通过硅的各向异性刻蚀或 杆刻蚀加工而成。多量程传感器芯片40a与第一帽3m和第二帽3m， 的结合在晶片状态下进行。在结合之后，多量程传感器芯片40a与第 一帽3m和第二帽3m，集成到一件单个传感器芯片封装100m中。使用 AuSii焊接进行结合。此外，还可以使用各种金属的焊接和共熔结合、 表面活性结合、阳极结合、低熔玻璃结合等。在将多量程传感器芯片 40a与第一帽3m和第二帽3m，集成为一件时，必须露出芯片电极。于 是，在第一帽中，在芯片电极的上方区域中形成腔，并由第一划片单 元A仅仅切割第一帽3m以露出芯片电极41a。之后，多量程传感器 芯片40a和第二帽3m，由第二划片单元B切割并集成为一件。
因为传感器元件被保护在密封封装中，所以可以采用通常使用的 塑料封装作为整个传感器的封装。金属引线框和树脂密封的结构的示 例在图17中示出。IC芯片80通过树脂的第一粘结剂79结合到金属 引线框85的芯片支承板78上，并通过树脂制成的笫二粘结剂81将传 感器芯片封装100m结合到IC芯片80上。传感器芯片封装100m的 芯片电极41a和IC芯片80的IC端子82由Au制成的导线15连接。 IC端子82和金属引线框85的外部端子83也由导线15连接。然后， 将这些用环氧树脂的密封树脂84密封。在此，使用示例1中说明的多 量程传感器芯片。但是，还可以使用示例2至11中所说明的那些芯片。
权利要求
1. 一种多量程三轴加速度传感器装置，包括在单个硅芯片中形成 的多个三轴加速度传感器元件，所述多个三轴加速度传感器元件中的每个包括配重，围绕所述配重并具有彼此相对的框架侧的框架，比所述配重和所述框架薄的挠性构件，所述挠性构件连接所述相 对框架侧的上部与所述配重的上部以在所述相对框架侧的上部之间支 承.所述配重，和布置在所述挠性构件的上表面上的压电电阻器，用于测量在所述 挠性构件的上表面中两个正交轴向上的加速度和与所述挠性构件的上 表面垂直的方向上的加速度，其中所述多个三轴加速度传感器元件包括第一三轴加速度传感器 元件，在所述第一三轴加速度传感器元件的框架中设置其它三轴加速 度传感器元件，所述多个三轴加速度传感器元件中的每个产生彼此不同的对单位 加速度的输出电压，并且来自所述第一三轴加速度传感器元件的对单位加速度的输出电压 大于来自其它三轴加速度传感器元件的对单位加速度的输出电压。
2. 根据权利要求l所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中具 有较大的对单位加速度的输出电压的三轴加速度传感器元件中所述相 对框架侧之间的距离较长。
3. 根据权利要求l所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中所 述多个三轴加速度传感器元件中的每个的挠性构件具有与其它三轴加 速度传感器元件的挠性构件相同的厚度。
4，根据权利要求l所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中所 述多个三轴加速度传感器元件中的每个的配重具有与其它三轴加速度传感器元件的配重相同的厚度。
5.根据权利要求4所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中所 述多个三轴加速度传感器元件中的每个的框架具有与其它三轴加速度 传感器元件的框架相同的厚度。
6. 根据权利要求1所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中所 述多个三轴加速度传感器元件中的每个的框架具有与其它三轴加速度 传感器元件的框架相同的厚度。
7. 根据权利要求1所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中所 述多个三轴加速度传感器元件中的至少 一个具有将所述相对框架侧的 上部与所述配重的上部连接的多个梁以作为所述挠性构件，并且所述 多个三轴加速度传感器元件中其余的三轴加速度传感器元件具有隔膜 作为所述挠性构件，所述隔膜布置在由其框架的上部围绕的区域中并 将所述配重支承在所述隔膜的中心中。
8. 根据权利要求7所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中所 述多个三轴加速度传感器元件的所有梁和隔膜具有相同厚度。
9. 根据权利要求8所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中所 述多个三轴加速度传感器元件的所有配重和框架具有相同厚度。
10. 根据权利要求7所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中 所述第一三轴加速度传感器元件具有连接所述相对框架侧的上部与所 述配重的上部的多个梁以作为所述挠性构件。
11. 根据权利要求IO所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中 具有较大的对单位加速度的输出电压的三轴加速度传感器元件具有较 长的梁。
12. 根据权利要求10所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中 具有较大的对单位加速度的输出电压的三轴加速度传感器元件具有较 窄的梁。
13. 根据权利要求7所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中 所述第一三轴加速度传感器元件具有隔膜作为所述挠性构件，所述隔 膜布置在由其框架的上部围绕的区域中并将所述配重支承在所述隔膜 的中心中。
14. 根据权利要求1所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中所述多个三轴加速度传感器元件中的每个具有将所述相对框架侧的上 部与所述配重的上部连接的多个梁以作为所述挠性构件。
15. 根据权利要求1所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中 所迷多个三轴加速度传感器元件中的每个具有隔膜作为所述挠性构 件，所述隔膜布置在由其框架的上部围绕的区域中并将所述配重支承 在所述隔膜的中心中。
16. 根据权利要求1所述的多量程三轴加速度传感器装置，其中 所述其它三轴加速度传感器元件中的至少一个包括两个两轴加速度传 感器元件，所述两轴加速度传感器元件每个都包括配重、围绕所述配 重并具有彼此相对的框架侧的框架、比所述配重和所述框架薄的一对 梁、以及在所述梁上形成并在所述梁延伸的方向上延伸的压电电阻器，所述两个两轴加速度传感器元件在所述梁的上表面中的梁延伸方 向彼此垂直，所述两个两轴加速度传感器元件中的一个测量在所述梁的上表面 中的梁延伸方向上的加速度和与所述梁的上表面垂直的加速度，并且所述两个两轴加速度传感器元件中的另一个至少测量在所述梁的 上表面中的梁延伸方向上的加速度。
全文摘要
公开了一种多量程三轴加速度传感器装置，其中多个三轴加速度传感器元件在其间没有轴偏差的情况下形成于单个硅芯片中并具有不同的加速度测量量程。多个传感器元件中每个都包括配重、围绕配重的框架、以及连接配重与框架的由梁或隔膜构成的挠性构件。多个传感器元件中每个都产生彼此不同的对单位加速度的输出电压。多个传感器元件中的第一三轴加速度传感器元件使其它传感器元件形成在第一三轴加速度传感器元件的框架中，并产生比其它传感器元件大的对单位加速度的输出电压。
文档编号H01L29/66GK101122611SQ20071014074
公开日2008年2月13日 申请日期2007年8月9日 优先权日2006年8月9日
发明者冈田亮二, 斋藤正胜, 杉本正和, 风间敦 申请人:日立金属株式会社