专利名称：钟摆式微型惯性传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种微型惯性传感器(micromachined inertia sensor)的结构及其制造方法，特别是涉及一种钟摆式的微型惯性传感器的结构及其制造方法。
微加工技术(micromachining technology)是一种新兴的技术，其主要用以制造各种微型传感器及微型制动器，因此可利用该微加工技术来制作微型惯性传感器，此微型惯性传感器包括有微加速规(Microaccelerometer)及微陀螺仪(Microgyroscope)，其优点为体积轻薄短小，且适合批量生产，价格便宜，更可推广至汽车、游戏摇杆及3-D鼠标等消费性电子产品中。
但是基本上的微型惯性传感器绝都为固态传感器，其通常具有一质量块及用于支撑该质量块的至少一支脚，由于受到半导体制程及现有微加工技术的限制，目前传统的微型惯性传感器在结构上仍有许多缺点。例如，由多晶硅面型微加工技术(Poly-Silicon surface micromachining)制成的产品质量不够大，且感测电容值也不够大，并且由于质量块的运动方向及支脚在同一平面而限制了运动的自由度，或者是单晶硅体型微加工技术(Silicon bulk micromachining)无法生产出多轴的惯性传感器，如二维的加速规。
因此，本发明是针对上述问题而提出的一种钟摆式微型惯性传感器及其制造方法，以克服上述不足。
本发明中的钟摆式微型惯性传感器，包括有一作为质量块的摆锤；一摆杆，该摆杆的一个端点固定在一基板上，另一个端点与所述摆锤相连接；以及至少二固定电极，该两个固定电极对称地设置在所述摆锤的周围，并在固定电极与摆锤之间具有一起始间距。
本发明中钟摆式微型惯性传感器的制造方法，包括有下列步骤首先提供一半导体基板，并在该基板的上、下表面形成已定义的图案化介电层，并具有蚀刻开窗；在该基板的下表面沉积一金属层，并在该基板的上表面形成一电镀起始层；在该基板的上表面形成一已定义的图案化光阻；以该图案化光阻为罩幕，蚀刻该基板而露出金属层，并形成穿孔；去除图案化光阻，并在基板的上表面形成一厚膜，进而形成已定义的厚膜结构；再进行电镀制程，从穿孔内延伸出镍柱，并满出该穿孔而使镍金属填满厚膜结构形成的模具中，以作为钟摆及固定电极；去除厚膜结构，并同时去除露出的电镀起始层，以作为异方性蚀刻窗；以及以异方性蚀刻去除部分基板而形成一V型槽。
本发明中的钟摆式微型惯性传感器是利用微型钟摆结构作为惯性传感器使用，并可同时兼顾二维的自由度，同时可提供大的质量块及大的起始电容值，以增加灵敏度及提高系统的Q值。
图1A是本发明中钟摆式微型惯性传感器的结构示意图；图1B是本发明中惯性传感器受外界惯性作用而产生摆动时的结构示意图；图2是本发明中二维钟摆式微型惯性传感器的俯视示意图；图3A至图3I是本发明中制作钟摆式微型惯性传感器各步骤的剖视示意图。
如图1A所示，本发明中的微型惯性传感器包含有一作为质量块的摆锤10、一摆杆12。其中，摆杆12具有第一端点12a和第二端点12b，第一端点12a固定在一基板14上，第二端点12b连接在摆锤10的中央位置，在摆锤10周围的相对位置处设有二固定电极16a及16b，在该二固定电极16a和16b与摆锤10之间具有一起始间距18。
当该微型惯性传感器受到外界惯性作用时，例如加速度或转动时，摆锤10便会因受力而往周边的固定电极16b靠近，如图1B所示，从而改变了起始间距18的宽度，即靠近固定电极16a的起始间距18变宽，而靠近固定电极16b的起始间距18变窄，从而可以量测摆锤10与固定电极16b间的电容值变化，并进一步检测出惯性改变的大小。
同时本发明中的微型惯性传感器也可同时兼顾二维的自由度。如图2所示，在摆锤10的周边均匀设置有四个固定电极16a、16b、20a及20b，并对应于摆锤10在+X、-X、+Y及-Y的四个方向，藉此检测四个方向上的起始间距18、22的变化(电容值变化)便可以了解到任一轴向上的加速度变化，例如X-Y轴向上的加速度变化，或者利用科氏力原理(Coriolis Force)，当摆锤10在X轴方向上运动时，若有一转动惯量产生，转动方向如图2中圆形箭头所示，则摆锤10会在Y轴向上受到惯性力作用并产生位移，同样也可以籍此检测角速度的变化。
因此，本发明所提供的微型惯性传感器在X-Y方向上的自由度是相同的，具有多种用途，特别是本发明中的摆锤10是利用深刻模造LIGA(LithographyElectroplating、Micromolding)(将在下面详细说明)技术来制作成形的，并且其材质为镍或镍合金，密度大于8g/cm3，远大于硅的2.3g/cm3，再加上LIGA技术提供的高深宽比(＞10)，为此，本发明可以提供大的质量块及大的起始电容值，以增加灵敏度及提高系统的Q值，而且调整摆杆的截面设计具有对称性，容易得到X与Y方向(二维方向)具有相同的操作频宽，尤其应用在陀螺仪上可以得到较佳的操作性能，此外Z轴方向(摆杆的延伸方向)所受到的惯性力也难以影响X与Y轴方向的感测。
现就上述结构来说明本发明的制造方法，如图3A至图3I所示，本发明中微型惯性传感器的主要制造方法包括有下列步骤首先，如图3A所示，提供一已双面抛光的半导体基板30，通常为硅基板，在半导体基板30的上、下表面分别沉积有一介电层，该介电层的材质为氧化硅或氮化硅，再利用微影蚀刻制程，以一图案化光阻为罩幕(mask)，在该半导体基板30的上、下表面形成一已定义的图案化介电层32，使半导体基板30的上、下表面分别形成有蚀刻开口34a及34b。
如图3B所示，用电化学在半导体基板30的下表面沉积一镍或镍合金的金属层36，并形成另一电镀起始层(Seed Layer)38在半导体基板30的上表面，该电镀起始层38的材料为镍/钛或镍/铬二层金属，其中，钛及铬作为附着层(adhesion layer)。
接着，如图3C所示，在半导体基板30的上表面形成一已定义图案化光阻40，并覆盖电镀起始层38，同时露出部分半导体基板30。
如图3D所示，以图案化光阻40为罩幕，蚀刻半导体基板30而露出金属层36，进而在贯穿半导体基板30的两表面间形成垂直穿孔42。其中，穿孔42的形成方法是利用感应耦合电浆反应性离子蚀刻技术(Inductively CoupledPlasma Reactive Ion Etching，ICP RIE)，蚀刻出垂直管壁的沟槽(trfench)，即为穿孔42，而且穿孔42的深度可以轻易的穿透半导体基板30。ICP RIE蚀刻所使用的蚀刻气体主要为六氟化硫(SF6)，蚀刻后穿孔42的深宽比可以高达30以上，同时对于硅材料的蚀刻速率可以达到10μm/min。若以六寸硅晶圆为例，其厚度约为670μm，则最小的沟槽截面尺寸可以达25μm以下。
在形成该穿孔42后，即可去除光阻40，接着继续在半导体基板30的上表面形成一厚膜44，如图3E图所示，厚膜44为厚光阻如SU-8等，其厚度介于20～80μm之间，且因厚膜44具有相当高的粘滞性，故不会流入到垂直穿孔42内。
如图3F所示，利用一图案化光阻为罩幕蚀刻该厚膜44，形成已定义的厚膜结构46，用于定义后续形成钟摆结构的宽度以及其与固定电极间的距离。
然后进行电镀制程，以氨基磺酸镍为主的电镀溶液进行电镀，如图3G所示，使穿孔42从其底部形成镍柱48，并延伸出该穿孔42而使镍金属流至半导体基板30的表面，进而填满厚膜结构46所形成的模具，并形成镍金属层50，以作为钟摆及固定电极之用。而后蚀刻去除厚膜结构46，并同时去除裸露的电镀起始层38，以形成异方性蚀刻窗52，如图3H所示。
最后，如图3I所示，用异方性蚀刻溶液配合该异方性蚀刻窗52，利用硅异方性蚀刻去除部分半导体基板，进而形成一V型槽(V-groove)54，该硅异方性蚀刻方法所使用的蚀刻溶液为高浓度的联胺，环境温度为80～100℃左右。如图3I所示，即可完成一钟摆式微型惯性传感器，摆锤10籍由摆杆12固定在基板上，且在摆锤10的周围设置有至少二固定电极16a、16b，并摆锤10与固定电极16a、16b间存有一间距18，该结构与图1中所示的微型惯性传感器结构完全相同。
因此，本发明是利用微型钟摆结构作为惯性传感器，使其可同时兼顾二维的自由度，并提供较大质量块及较大的起始电容值，以增加灵敏度及提高系统的Q值，进而得到较佳的操作性能。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使熟知此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，但不能作为本发明的保护范围，即凡是依据本发明所揭示的精神而加以修饰或变化，仍应认为落入本发明的保护范围。例如，本发明的精神还可以是利用硅的压阻特性作为感测原理。
权利要求
1.一种钟摆式微型惯性传感器，包括有一作为质量块的摆锤；一摆杆，该摆杆的一个端点固定在一基板上，另一个端点与所述摆锤相连接；以及至少二固定电极，该两个固定电极对称地设置在所述摆锤的周围，并在固定电极与摆锤之间具有一起始间距。
2.根据权利要求1中所述的钟摆式微型惯性传感器，其特征在于所述摆锤及摆杆的材质为镍或镍合金。
3.根据权利要求1中所述的钟摆式微型惯性传感器，其特征在于所述摆锤及摆杆是利用深刻模造技术来制作完成的。
4.一种钟摆式微型惯性传感器的制造方法，包括有下列步骤首先提供一半导体基板，并在该基板的上、下表面形成已定义的图案化介电层，并具有蚀刻开窗；在该基板的下表面沉积一金属层，并在该基板的上表面形成一电镀起始层；在该基板的上表面形成一已定义的图案化光阻；以该图案化光阻为罩幕，蚀刻该基板而露出金属层，并形成穿孔；去除图案化光阻，并在基板的上表面形成一厚膜，进而形成已定义的厚膜结构；再进行电镀制程，从穿孔内延伸出镍柱，并满出该穿孔而使镍金属填满厚膜结构形成的模具中，以作为钟摆及固定电极；去除厚膜结构，并同时去除露出的电镀起始层，以作为异方性蚀刻窗；以及以异方性蚀刻去除部分基板而形成一V型槽。
5.根据权利要求4中所述的钟摆式微型惯性传感器的制造方法，其特征在于所述介电层由氧化物或氮化物构成。
6.根据权利要求4中所述的钟摆式微型惯性传感器的制造方法，其特征在于所述已定义的图案化介电层为一图案化光阻罩幕。
7.根据权利要求4中所述的钟摆式微型惯性传感器的制造方法，其特征在于所述金属层的材质为镍或镍合金。
8.根据权利要求4中所述的钟摆式微型惯性传感器的制造方法，其特征在于所述电镀起始层的材质为镍/钛或镍/铬二层金属结构，且钛及铬为附着层。
9.根据权利要求4中所述的钟摆式微型惯性传感器的制造方法，其特征在于所述穿孔的成形方式是利用感应耦合电浆反应性离子蚀刻技术(ICP RIE)来完成的。
10.根据权利要4中所述的钟摆式微型惯性传感器的制造方法，其特征在于所述厚膜的材质为厚光阻材质。
11.根据权利要求4中所述的钟摆式微型惯性传感器的制造方法，其特征在于所述已定义的厚膜结构是以一图案化光阻为罩幕蚀刻形成的。
12.根据权利要求4中所述的钟摆式徽型惯性传感器的制造方法，其特征在于在所述电镀制程中，其是以氨基磺酸镍为电镀溶液进行电镀，以形成镍柱及镍金属层。
13.根据权利要求4中所述有钟摆式微型惯性传感器的制造方法，其特征在于所述异方性蚀刻是使用高浓度的联胺作为蚀刻溶液。
全文摘要
本发明公开了一种钟摆式微型惯性传感器及其制造方法，该微型钟摆式惯性传感器包括有一作为质量块的摆锤、一摆杆。该摆杆的一个端点固定在一基板上，另一个端点与所述摆锤相连接；以及至少二固定电极，该两个固定电极对称地设置在摆锤的周围，并在固定电极与摆锤之间具有一起始间距。借助于设在摆锤周边的固定电极可感测出摆锤及固定电极间因位移造成的电容变化，进而检测出惯性改变的大小。本发明中的传感器同时兼顾二维的自由度，并提供大的质量块及大的起始电容值，以得到较佳的操作性能。
文档编号G01D5/24GK1464286SQ0212305
公开日2003年12月31日 申请日期2002年6月13日 优先权日2002年6月13日
发明者周正三 申请人:祥群科技股份有限公司