專利名稱：加速度傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速度傳感器及其制造方法，具體地涉及電容型加速度 傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
使用MEMS (微機電系統(tǒng))技術(shù)形成的電容型加速度傳感器是已知 的。這種電容型加速度傳感器通常具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中，提供在傳感
器中并具有預定質(zhì)量的檢測質(zhì)量(重塊可移動部分)被橫梁或類似物 支承。因此，當加速度傳感器經(jīng)受加速度時，提供在傳感器中的檢測質(zhì) 量因慣性力而移動。為此，通過將移動量與電容值的變化視為等同，便 能檢測加速度。
順便說一句，關(guān)于上述電容型加速度傳感器， 一般都知道加速度傳 感器在檢測質(zhì)量的側(cè)面具有梳齒。
圖47是常規(guī)加速度傳感器的一個實例的平面圖。參考圖47，在常規(guī) 加速度傳感器100中，通過表面微機械加工技術(shù)，在硅基板101上形成 檢測質(zhì)量102、橫梁部分103、支承部分104、固定電極105或類似物。 而且，檢測質(zhì)量102在它的側(cè)面具有梳齒102a。此外，每個固定電極105 都由第一固定電極106和第二固定電極107組成，第一固定電極106由 固定電極支承部分106a和在固定電極支承部分106a的側(cè)面形成的梳齒形 固定電極106b組成，梳齒形固定電極106b與檢測質(zhì)量102的梳齒102a 交錯地排列。此外，第二固定電極107形成為平行于梳齒形固定電極106b 延伸，如在平面圖中看到的那樣。第二固定電極107的至少一部分安排 在檢測質(zhì)量102的梳齒102a與梳齒形固定電極106b之間。此外，檢測質(zhì) 量102—般由多晶硅(導體)制成，并且構(gòu)造成使得檢測質(zhì)量102的梳 齒102a充當可移動電極102a。結(jié)果，在檢測質(zhì)量102中形成的梳齒(可 移動電極)102a的側(cè)面和固定電極105 (梳齒形固定電極106b和第二固定電極107)的側(cè)面，形成電容器。
在圖47中所示的上述常規(guī)加速度傳感器100中，當傳感器經(jīng)受加速 度時，慣性力作用在檢測質(zhì)量102上，因此檢測質(zhì)量102在水平方向(箭 頭X或Y所指示的方向)上移動。這導致可移動電極102a與固定電極 105 (梳齒形固定電極106b和第二固定電極107)之間的距離變化，由此 引起電容值的變化。通過檢測電容值的變化，可檢測傳感器所經(jīng)受的加 速度。
但是，在圖47中所示的上述常規(guī)加速度傳感器100中，為了增加由 檢測質(zhì)量102的梳齒(可移動電極)102a的側(cè)面和固定電極105 (梳齒形 固定電極106b和第二固定電極107)的側(cè)面所形成的電容器的電容量， 必須增加梳齒102a的側(cè)面面積和固定電極105 (梳齒形固定電極106b和 第二固定電極107)的側(cè)面面積。這使得必須增加檢測質(zhì)量102和固定電 極105的厚度，導致在檢測質(zhì)量102中形成梳齒102a時或在形成固定電 極105時，不得不采用DRIE (深活性離子蝕刻)工藝所帶來的麻煩。這 會降低生產(chǎn)效率，是不希望的。
由于這個原因，在常規(guī)技術(shù)中已提出能防止生產(chǎn)效率降低的電容型 加速度傳感器(例如參見非專利文件l)。
圖48是上述非專利文件1中提出的常規(guī)加速度傳感器結(jié)構(gòu)的示意剖 視圖。參考圖48，在上述非專利文件l中提出的常規(guī)加速度傳感器200 中，在硅基板201的上表面配置兩個電極(第一電極202和第二電極203) 使其彼此相鄰。這里，在上述非專利文件l中提出的加速度傳感器200 中，由于在電極之間施加有電壓，所以在第一電極202和第二電極203 之間產(chǎn)生邊緣場204 (fringe field)(在電極之間的空間旁邊產(chǎn)生的電場)。 此外，上述第一電極202和第二電極203以及由聚對亞苯基二甲基(相 對介電常數(shù)3.15)制成的檢測質(zhì)量205，被橫梁部分206支承從而處于 邊緣場204中。順便說一句，檢測質(zhì)量205構(gòu)造成能在相對于硅基板201 的上表面的垂直方向(箭頭Z所指示的方向)上移動。
在如上所述結(jié)構(gòu)的常規(guī)加速度傳感器200中，當檢測質(zhì)量205因傳 感器經(jīng)受加速度而在箭頭Z所指示的方向上移動時，檢測質(zhì)量205 (電介 質(zhì))在邊緣場204中的體積比例發(fā)生變化，引起電容值的變化。因此，通過檢測電容值的變化，可檢測傳感器所經(jīng)受的加速度。
此外，在非專利文件l中提出的上述加速度傳感器200中，與圖47 中所示的具有梳齒102a的上述加速度傳感器100不同，在制造過程中不 需要采用DRIE工藝。這有助于防止生產(chǎn)效率的降低。
非專禾ll文件1: the Collection of the Lecture Treatises Presented at the Symposium held by Kansai University Organization for Research and Development of Innovative Science and Technology,第8巻，第153-156頁 (2004.01.10)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題
但是，非專利文件l中提出的上述常規(guī)加速度傳感器200有一個缺 點因為用作電介質(zhì)的檢測質(zhì)量205是由聚對亞苯基二甲基制成的，所 以電介質(zhì)的相對介電常數(shù)相對地小。這使得難以改善加速度的檢測靈敏 度，是不希望的。
鑒于上述通常碰到的問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種具有高檢 測靈敏度并能提高生產(chǎn)效率的加速度傳感器，及其制造方法。
解決問題的方法
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，加速度傳感器提供有
陶瓷基板；通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成的電介質(zhì)層， 電介質(zhì)層由金屬氧化物制成；設(shè)置成面對電介質(zhì)層的可移動部分，可移 動部分離電介質(zhì)層有預定距離；以及在可移動部分的面對電介質(zhì)層的那 個側(cè)面形成的第一電極和第二電極。
在根據(jù)第一方面的加速度傳感器中，如上所述，通過在可移動部分 的面對電介質(zhì)層的那個側(cè)面形成第一電極和第二電極，能在第一電極和 第二電極之間產(chǎn)生邊緣場。此外，通過在陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成 用金屬氧化物制成的電介質(zhì)層，在利用具有相對介電常數(shù)例如為1000或 更高的金屬氧化物作為形成電介質(zhì)層的金屬氧化物的情況下，與聚對亞 苯基二甲基(相對介電常數(shù)3.15)相比，能使電介質(zhì)層的相對介電常數(shù) 大到足以令人滿意的程度。這使得能夠以高精度檢測電介質(zhì)層在邊緣場中的體積比例的變化所引起的電容值的變化，從而能以高靈敏度檢測傳 感器所經(jīng)受的加速度。
而且，在第一方面，通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成 電介質(zhì)層，能容易在陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成電介質(zhì)層。這與例如 在陶瓷基板上附加板狀電介質(zhì)層時相比，使得能夠提高生產(chǎn)效率。在上 述結(jié)構(gòu)中，與通過使用濺射、溶膠-凝膠法或類似方法形成電介質(zhì)層相比， 能增加電介質(zhì)層的厚度。這有助于避免這樣的可能性，即由于電介質(zhì)層 的厚度小而使以高精度檢測電容值的變化變得困難。因此，能在提高生 產(chǎn)效率的同時改善加速度的檢測靈敏度。此外，采用陶瓷基板作為基板， 能提供比采用硅基板或類似物作為基板時更高的電絕緣和更高的機械強 度。這使得能夠在提高生產(chǎn)效率的同時改善檢測靈敏度，并提高可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，加速度傳感器提供有陶瓷基板；通過絲 網(wǎng)印刷在陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成的電介質(zhì)層，電介質(zhì)層由金屬氧 化物制成；設(shè)置成面對電介質(zhì)層的可移動部分，可移動部分離電介質(zhì)層 有預定距離；以及在可移動部分的面對電介質(zhì)層的那個側(cè)面形成的第一 電極和第二電極。在這里，在電介質(zhì)層的上表面上的預定區(qū)域有金屬層 形成。
在根據(jù)第二方面的加速度傳感器中，如上所述，通過在可移動部分 的面對電介質(zhì)層的那個側(cè)面形成第一電極和第二電極，能在第一電極與 第二電極之間產(chǎn)生邊緣場。并且，通過在電介質(zhì)層的上表面上的預定區(qū) 域中形成金屬層，甚至當可移動部分在平行于陶瓷基板的主表面(上表 面)的預定方向上移動時，也能改變邊緣場電力線的外貌。也就是說， 雖然在第一電極和第二電極之間產(chǎn)生的邊緣場的電力線能穿過電介質(zhì) 層，但它們不能穿過金屬層，因此，通過在電介質(zhì)層的上表面上的預定 區(qū)域中形成金屬層，能引起邊緣場電力線的外貌隨著固定有第一電極和 第二電極的可移動部分在平行于陶瓷基板(電介質(zhì)層)的主表面(上表 面)的預定方向上的移動而變化。結(jié)果，電容值隨電力線的外貌的變化 而變化，使得能夠通過檢測電容值的變化來檢測在平行于陶瓷基板(電 介質(zhì)層)的主表面(上表面)的預定方向上的加速度，并且能以高靈敏 度檢測傳感器所經(jīng)受的加速度。此外，在第二方面，通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成 電介質(zhì)層，能容易在陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成電介質(zhì)層。這與例如 在陶瓷基板上的預定區(qū)域附加板狀電介質(zhì)層時相比，使得能夠提高生產(chǎn)
效率。順便說一句，在如上所述結(jié)構(gòu)的加速度傳感器中，不使用DRIE工
藝也能進行制造。此外，通過使用陶瓷基板作為基板，能提供比采用硅 基板或類似物作為基板時更高的電絕緣和更高的機械強度。這有助于改 善當檢測平行于陶瓷基板(電介質(zhì)層)的主表面(上表面)的預定方向 上的加速度時的檢測靈敏度，以及提高加速度傳感器的可靠性。
在根據(jù)第二方面的加速度傳感器中，優(yōu)選地，形成金屬層使其不從 電介質(zhì)層的上表面突出。采用該結(jié)構(gòu)，即使當金屬層形成在電介質(zhì)層的 上表面上時，也能通過與不形成金屬層的情況相同的工藝繼續(xù)進行后面 的制造過程。這有助于避免這樣的可能性，即由于金屬層從電介質(zhì)層的 上表面突出而使后續(xù)制造過程變得復雜。這使得能夠容易地提高生產(chǎn)效 率。而且，采用該結(jié)構(gòu)，能防止隨著可移動部分在平行于陶瓷基板(電 介質(zhì)層)的主表面(上表面)的預定方向上移動，金屬層與可移動部分 (第一電極，第二電極)之間的接合。這有助于避免這樣的可能性，即 金屬層與可移動部分(第一電極和第二電極)之間的接合妨礙可移動部 分在平行于陶瓷基板(電介質(zhì)層)的主表面(上表面)的預定方向上移 動。結(jié)果，能容易地檢測平行于陶瓷基板(電介質(zhì)層)的主表面(上表 面)的預定方向上的加速度。
在根據(jù)第二方面的加速度傳感器中，優(yōu)選地，進一步提供支承可移 動部分的橫梁部分，而且橫梁部分在厚度方向比在寬度方向長。采用該 結(jié)構(gòu)，能防止可移動部分在相對于陶瓷基板(電介質(zhì)層)的主表面(上 表面)的垂直方向上移動，從而使得能夠防止相對于陶瓷基板(電介質(zhì) 層)的主表面(上表面)的垂直方向上的加速度分量被包含在所檢測的 加速度中。這使得能夠容易地檢測在平行于陶瓷基板(電介質(zhì)層)的主 表面(上表面)的預定方向上的加速度，并且能容易改善檢測精度。
在根據(jù)第一和第二方面的加速度傳感器中，優(yōu)選地，電介質(zhì)層由
BaTi03來制造。采用該結(jié)構(gòu)，因為BaTi03是具有相對介電常數(shù)為1000 或更高的金屬氧化物(鐵電材料)，與聚對亞苯基二甲基(相對介電常數(shù)-3.15)相比，能使電介質(zhì)層的相對介電常數(shù)大到足以令人滿意的程度。這 使得能夠容易地以高精度檢測電容值的變化。此外，即使增加電介質(zhì)層 與可移動部分之間的距離，也能防止電容值的檢測靈敏度降低。結(jié)果， 通過增加電介質(zhì)層與可移動部分之間的距離，能防止靜摩擦(電介質(zhì)層 與可移動部分之間的粘附)的發(fā)生。這使得能夠容易在提高生產(chǎn)效率的 同時改善加速度的檢測靈敏度，也能防止因為發(fā)生靜摩擦而降低可靠性。
順便說一句，因為BaTi03是不含Pb(鉛)的鐵電材料，所以通過由BaTi03 制造電介質(zhì)層，能減少廢棄產(chǎn)物造成的環(huán)境負擔及其對人類的有害影響。
在根據(jù)第一和第二方面的加速度傳感器中，優(yōu)選地，陶瓷基板用 Al203來制造。采用該結(jié)構(gòu)，能容易提供更高的電絕緣和更高的機械強度。 這使得能夠在提高生產(chǎn)效率的同時改善加速度的檢測靈敏度，并提高可 靠性。
在根據(jù)第一和第二方面的加速度傳感器中，優(yōu)選地，第一電極和第 二電極每個都形成為具有多個梳齒部分的梳齒形狀，并且從平面圖中看， 它們的梳齒部分以交錯方式按預定的間隔排列。采用該結(jié)構(gòu)，能在可移 動部分的反面(下表面)產(chǎn)生均勻的邊緣場。這使得能夠檢測由電介質(zhì) 層在邊緣場中的體積比例的變化所引起的電容值的變化。這使得能夠在 提高生產(chǎn)效率的同時更容易改善檢測靈敏度。
在根據(jù)第一和第二方面的加速度傳感器中，優(yōu)選地，電介質(zhì)層具有 5pm或更厚的厚度。采用該結(jié)構(gòu)，能避免這樣的可能性，即由于電介質(zhì) 層的厚度小于5pm而使以高精度檢測電容值的變化變得困難。結(jié)果，能 在提高生產(chǎn)效率的同時更容易改善加速度的檢測靈敏度。
在根據(jù)第一和第二方面的加速度傳感器中，在陶瓷基板與電介質(zhì)層 之間，可進一步形成釉層(glaze layer)。順便說一句，本發(fā)明的釉層是為 得到適合于形成電介質(zhì)層或類似物的平滑表面而采用的層。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面， 一種制造加速度傳感器的方法包括通過 絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成用金屬氧化物制成的電介質(zhì)層 的步驟；形成第一電極和第二電極使其處于電介質(zhì)層上方的步驟；以及 在電介質(zhì)層的上方形成可移動部分使其面對電介質(zhì)層的步驟，所述第一 電極和第二電極固定于所述可移動部分中。在根據(jù)第三方面的加速度傳感器制造方法中，如上所述，通過在陶 瓷基板上的預定區(qū)域中形成用金屬氧化物制成的電介質(zhì)層，在例如具有 相對介電常數(shù)為1000或更高的金屬氧化物被用作形成電介質(zhì)層的金屬氧 化物的情況下，與聚對亞苯基二甲基(相對介電常數(shù)3.15)相比，能使 電介質(zhì)層的相對介電常數(shù)大到足以令人滿意的程度。這使得能夠以高精 度檢測電容變化，從而能夠以高靈敏度檢測傳感器所經(jīng)受的加速度。此 外，通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成電介質(zhì)層，能容易在 陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成電介質(zhì)層。這與例如在陶瓷基板上附加板 狀電介質(zhì)層時相比，能提高生產(chǎn)效率。
此外，在第三方面，通過絲網(wǎng)印刷形成電介質(zhì)層，與通過濺射、熔 膠-凝膠法或類似方法形成電介質(zhì)層相比，能容易增加電介質(zhì)層的厚度。 這有助于避免這樣的可能性，即由于電介質(zhì)層厚度小而使以高精度檢測 電容值的變化變得困難。因此，能在提高生產(chǎn)效率的同時制造具有高靈 敏度的加速度傳感器。此外，采用陶瓷基板作為基板，能提供比采用硅 基板或類似物作為基板時更高的電絕緣和更高的機械強度。這使得能夠 在提高生產(chǎn)效率的同時改善檢測靈敏度，而且也提高可靠性。順便說一
句，上述結(jié)構(gòu)省去加速度傳感器的制造過程中對DRIE工藝的需要。
在根據(jù)第三方面的加速度傳感器制造方法中，優(yōu)選地，形成電介質(zhì)
層的步驟包括由BaTi03制造電介質(zhì)層的步驟。采用該結(jié)構(gòu)，因為BaTi03 是具有相對介電常數(shù)為1000或更高的金屬氧化物(鐵電材料)，所以與 聚對亞苯基二甲基(相對介電常數(shù)3.15)相比，能使電介質(zhì)層的相對介 電常數(shù)大到足以令人滿意的程度。這使得能夠容易地以高精度檢測電容 值的變化。此外，即使增加電介質(zhì)層與可移動部分之間的距離，也能防 止電容值的檢測靈敏度的降低。結(jié)果，能通過增加電介質(zhì)層與可移動部 分之間的距離來防止靜摩擦的發(fā)生。這使得能夠在提高生產(chǎn)效率的同時 容易地改善加速度的檢測靈敏度，也能防止由于發(fā)生靜摩擦而使可靠性 降低。順便說一句，因為BaTiCb是不含Pb (鉛)的鐵電材料，所以通過 由BaTi03制造電介質(zhì)層，能減少廢棄產(chǎn)物造成的環(huán)境負擔及其對人類的 有害影響。
在根據(jù)第三方面的加速度傳感器制造方法中，優(yōu)選地，形成第一電極和第二電極的步驟包括使第一電極和第二電極每個都形成為具有多 個梳齒部分的梳齒形狀，并且從平面圖中看，它們的梳齒部分以交錯方 式按預定的間隔排列的步驟。采用該結(jié)構(gòu)，能在可移動部分的反面(下 表面)產(chǎn)生均勻的邊緣場。這使得能夠檢測由電介質(zhì)層在邊緣場中的體 積比例的變化所引起的電容值的變化。這使得能夠在提高生產(chǎn)效率的同 時更容易改善檢測靈敏度。
在根據(jù)第三方面的加速度傳感器制造方法中，優(yōu)選地，進一步提供 通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板的表面上形成布線層的步驟。采用該結(jié)構(gòu)，能 容易形成布線層。這也有助于提高生產(chǎn)效率。
本發(fā)明的優(yōu)點
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能容易獲得具有高的檢測靈敏度并能提高 生產(chǎn)效率的加速度傳感器，及其制造方法。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的結(jié)構(gòu)透視圖。
圖2是沿圖1的A1-A1線所取得的剖視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的平面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的鐵電層的結(jié)構(gòu)透視圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的檢測質(zhì)量從其反面
觀察的平面圖。
圖6是沿圖3的B1-B1線所取得的剖視圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的一部分的透視圖。 圖8是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器操作的示意 剖視圖。
圖9是鐵電層的厚度與覆蓋率之間的關(guān)系圖。
圖10是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的制造方法 的剖視圖。
圖11是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。圖12是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖13是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖14是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖15是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的該制造方
法的剖視圖。
圖16是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的該制造方
法的剖視圖。
圖17是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖18是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖19是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的結(jié)構(gòu)透視圖。
圖20是沿圖19的A2-A2線所獲得的剖視圖。
圖21是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的平面圖。
圖22是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的鐵電層的結(jié)構(gòu)透視圖。
圖23是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的檢測質(zhì)量從其反面 觀察的平面圖。
圖24是在根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器中的橫梁部分的結(jié) 構(gòu)放大透視圖。
圖25是沿圖21的B2-B2線所取得的剖視圖。
圖26是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器操作的透視圖。
圖27是在根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器中的金屬層的第一 形成圖案(formationpattern)剖視圖。
圖28是在圖27中所示第一形成圖案中的檢測質(zhì)量的移動量與電容 值C之間的關(guān)系圖。圖29是在根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器中的金屬層的第二 形成圖案剖視圖。
圖30是在圖29中所示第二形成圖案中的檢測質(zhì)量的移動量與電容 值C之間的關(guān)系圖。
圖31是在根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器中的金屬層的第三 形成圖案剖視圖。
圖32是在圖31中所示第三形成圖案中的檢測質(zhì)量的移動量與電容 值C之間的關(guān)系圖。
圖33是鐵電層的厚度與覆蓋率之間的關(guān)系圖。
圖34是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的制造方法 的剖視圖。
圖35是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖36是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖37是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖38是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖39是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖40是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖41是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖42是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖43是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的該制造方 法的剖視圖。
圖44是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的該制造方法的剖視圖。
圖45是根據(jù)本發(fā)明的修改例1的加速度傳感器的檢測質(zhì)量和橫梁部 分的結(jié)構(gòu)透視圖。
圖46是根據(jù)本發(fā)明的修改例2的加速度傳感器的結(jié)構(gòu)平面圖。 圖47是常規(guī)加速度傳感器示例的平面圖。
圖48是非專利文件1提出的常規(guī)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意剖視圖。
參考符號表
1陶瓷基板
2， 22鐵電層(電介質(zhì)層) 3， 23框架部分 3a， 23a開口
4， 24檢測質(zhì)量(可移動部分)
5釉層
6布線層
7， 27第一電極
7a， 8a， 27a， 28a梳齒部分
7b， 8b， 27b， 28b連接部分
7c， 8c， 27c， 28c焊盤電極
8， 28第二電極
9， 29橫梁部分
10邊緣場
11， 31犧牲層
具體實施例方式
下面，將參考附圖對本發(fā)明的實施例進行描述。 (第一實施例)
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的結(jié)構(gòu)透視圖。圖2 是沿圖1A1-A1線所取得的剖視圖。圖3是圖1所示根據(jù)本發(fā)明第一實施 例的加速度傳感器的平面圖。圖4至7是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施 例的加速度傳感器結(jié)構(gòu)的圖。首先，參考圖l至7描述根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器50的結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器50包括陶瓷 基板l，形成在陶瓷基板1上的鐵電層2，形成在陶瓷基板1上從而圍繞
鐵電層2的框架部分3，以及配置在框架部分3內(nèi)的檢測質(zhì)量4。鐵電層 2是本發(fā)明的"電介質(zhì)層"的一個實例，檢測質(zhì)量4是本發(fā)明的"可移動 部分"的一個實例。
陶瓷基板1由^203制成并具有大約lmm的厚度。在陶瓷基板1的 上表面形成有釉層5。形成釉層5是為了得到適合于形成鐵電層2或類似 物的平滑表面。此外，在陶瓷基板l (釉層5)的上表面的預定區(qū)域中提 供通過絲網(wǎng)印刷形成的布線層6，該預定區(qū)域處于框架部分3外側(cè)。布線 層6由例如Au (金)或類似物制成。
這里，在第一實施例中，鐵電層2由BaTi03 (相對介電常數(shù)為1000 或更高)制成。此外，如圖2和4中所示，通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板l (釉層5)上的預定區(qū)域中形成鐵電層2。鐵電層2具有基本上為西邊形 的形狀，如在平面圖中看到的那樣。
此外，在第一實施例中，鐵電層2形成為具有5pm或更厚的厚度。 具體地，鐵電層2形成為具有5至20nm的厚度tl (見圖6)。
并且，在第一實施例中，鐵電層2的上表面具有0.1至0.2nm量級的 表面粗糙度(未示出)，它是通過控制BaTi03的顆粒大小而形成的。即使 檢測質(zhì)量4與鐵電層2的上表面接觸，也可能減小檢測質(zhì)量4與鐵電層2 之間的接觸面積。因此，能有效地防止靜摩控(鐵電層2與檢測質(zhì)量4 之間的粘附)。
此外，檢測質(zhì)量4由聚對亞苯基二甲基(對二甲苯基樹脂聚對亞 苯基二甲基)制成，并形成為具有大約5)im的厚度t2 (見圖6)，如圖2 和6所示。而且，如圖3中所示，檢測質(zhì)量4形成基本上為四邊形的形 狀(每邊大約1000pm)，如在平面圖中看到的那樣。
這里，在第一實施例中，如圖5中所示，在檢測質(zhì)量4的反面(下 表面)，由鋁制成的兩個電極(第一電極7和第二電極8)在同一平面內(nèi) 形成，從而處于彼此相鄰的狀態(tài)。具體地，從平面圖中看，第一電極7 和第二電極8形成為梳齒的形狀，從而第一電極7的梳齒部分7a與第二電極8的梳齒部分8a以交錯方式排列。此外，如圖6和7中所示，第一 電極7的每一梳齒部分7a的寬度w和第二電極8的每一梳齒部分8a的 寬度w大約為5pm，從第一電極7的每一梳齒部分7a到相鄰的第二電極 8的梳齒部分8a的長度g也是大約為5pm。應當注意，在根據(jù)第一實施 例的加速度傳感器50中，如圖5中所示，第一電極7和第二電極8幾乎 整個形成在檢測質(zhì)量4的反面(下表面)上方。
此外，如圖1和3中所示，檢測質(zhì)量4包括與其整體連接的四個橫 梁部分9。這四個橫梁部分9為檢測質(zhì)量4的四個角的每個提供一個，并 形成輻射狀延伸，如在平面圖中看到的那樣。而且，四個橫梁部分9在 它們的末端整體地連接至框架部分3。這使檢測質(zhì)量4被支承在鐵電層2 的上方并面對鐵電層2，如圖1和2中所示。順便說一句，從鐵電層2的 上表面到檢測質(zhì)量4 (第一電極7和第二電極8)的距離d (見圖2和6) 大約為lpm。
而且，四個橫梁部分9每個都具有大約5pm的厚度和大約50)um的 寬度。也就是說，橫梁部分9制成在寬度方向比在厚度方向長，從而使 它們能比較容易在相對于陶瓷基板l的上表面的垂直方向(箭頭Z所指 示的方向)上彈性變形。結(jié)果，當四個橫梁部分9所支承的檢測質(zhì)量4 經(jīng)受加速度時，慣性力使檢測質(zhì)量4能在相對于陶瓷基板1的上表面的 垂直方向(箭頭Z的所指示的方向)上移動。
此外，如圖5中所示，上述第一電極7通過連接部分7b電連接至焊 盤電極7c，上述第二電極8通過連接部分8b電連接至焊盤電極8c。
此外，如圖2中所示，框架部分3具有的厚度大于檢測質(zhì)量4的厚 度，并如圖1至3中所示，具有通過橫梁部分9保持檢測質(zhì)量4的功能。 順便說一句，框架部分3主要由聚對亞苯基二甲基制成。而且，在框架 部分3的預定區(qū)域中形成用于暴露焊盤電極7c和8c表面的開口 3a。
圖8是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器操作的示意 剖視圖。下面，將參考圖5至8描述根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳 感器50的操作。
在根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器50中，通過在焊盤電極7c (見圖5)與焊盤電極8c (見圖5)之間施加電壓，如圖6和7中所示，在第一電極7的梳齒部分7a與第二電極8的梳齒部分8a之間產(chǎn)生邊緣場 10 (在電極之間的空間旁邊產(chǎn)生的電場)。這里，如圖5中所示，因為產(chǎn) 生邊緣場10的第一電極7和第二電極8每個都是以梳齒的形狀形成的， 并且第一電極7的梳齒部分7a和第二電極8的梳齒部分8a以交錯方式排 列，所以邊緣場10幾乎整個在檢測質(zhì)量4的反面(下表面)上方均勻地 產(chǎn)生。另一方面，如圖6至8中所示，面對檢測質(zhì)量4的鐵電層2處于 這樣產(chǎn)生的邊緣場10中。
如果加速度傳感器50在這種狀態(tài)下經(jīng)受加速度，就會有慣性力作用 于檢測質(zhì)量4。結(jié)果，如圖8中所示，檢測質(zhì)量4在箭頭Z所指示的方向 上移動。這引起鐵電層2在邊緣場IO中的體積比例的變化，從而導致電 容值的變化。因此，通過檢測電容值的變化可檢測加速度傳感器50所經(jīng) 受的加速度。
下面，將描述為估算根據(jù)第一實施例的加速度傳感器50的效能所做 的計算機模擬的結(jié)果。在該計算機模擬中，通過改變鐵電層2的厚度tl 獲得覆蓋率。
圖9是鐵電層厚度與覆蓋率之間的關(guān)系圖。圖9的垂直軸表示覆蓋 率(％)，圖9的水平軸表示鐵電層2的厚度tl (pm)。也就是說，圖9 表示在上述根據(jù)第一實施例的加速度傳感器50的結(jié)構(gòu)中，當鐵電層2的 厚度tl變化時觀察到的覆蓋率的變化。這里，由下面的公式(1)給出覆 蓋率。
覆蓋率(。/。h(Xl-X2)/Xlx100 (1)
其中，Xl是邊緣場10的電力線的數(shù)目，這些電力線進入鐵電層2 的區(qū)域，而
X2是不能在鐵電層2的區(qū)域內(nèi)繞過而從鐵電層2的區(qū)域底部射出的 電力線的數(shù)目。
也就是說，覆蓋率是一個指示在鐵電層2的區(qū)域內(nèi)繞過的電力線數(shù) 目與進入鐵電層2的電力線數(shù)目的比例數(shù)值。數(shù)值越高，檢測電容值變 化的靈敏度就越高。順便說一句，已經(jīng)將OV電壓施加到電極之一 (第一 電極7或第二電極8)，同時將5V電壓施加到另一電極(第二電極8或 第一電極7)。如圖9中所示，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使鐵電層2具有5pm或更厚的厚度tl能得 到99%或更高的覆蓋率。也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使鐵電層2具有10pm或更厚的厚度 tl能得到幾乎100% (99.8%或更高)的覆蓋率，而使鐵電層2具有20fim 或更厚的厚度tl則能得到100%的覆蓋率。順便說一句，在鐵電層2的厚 度tl為10pm的情況下，鐵電層2的厚度tl等于第一電極7和第二電極 8兩者之一的梳齒部分7a (或8a)的寬度w (約為5pm)與從第一電極 7的每一梳齒部分7a至相鄰的第二電極8的梳齒部分8a的長度g (大約 為5(im)相加的總長度(w+g:大約為10|am)。在鐵電層2的厚度tl為 20pm的情況下，鐵電層2的厚度tl等于上述總長度(w+g:大約為lOfam) 的兩倍(2 (w+g))。
如上所述，已確認通過使鐵電層2具有5pm或更厚的厚度tl能得到 足夠的覆蓋率，所以能以高精度檢測電容值的變化。因此，已確認能提 高加速度的檢測靈敏度。
在第一實施例中，如上所述，通過在檢測質(zhì)量4的面對鐵電層2的 那個側(cè)面形成第一電極7和第二電極8，能在第一電極7和第二電極8之 間產(chǎn)生邊緣場10。此外，通過在陶瓷基板1的預定區(qū)域中形成由BaTi03 制成的鐵電層2，能使鐵電層2的相對介電常數(shù)大到足以令人滿意的程度， 因為BaTi03是具有1000或更高相對介電常數(shù)的金屬氧化物(鐵電材料)。 這使得能夠以高精度檢測由鐵電層2在邊緣場10中的體積比例的變化所 引起的電容值的變化，從而使得能夠以高靈敏度檢測傳感器所經(jīng)受的加 速度。
此外，在第一實施例中，通過由BaTi03制造鐵電層2，即使鐵電層2 與檢測質(zhì)量4之間的距離d增加，也能防止電容值的檢測靈敏度降低。 結(jié)果，可能通過增加鐵電層2與檢測質(zhì)量4之間的距離d來防止發(fā)生靜 摩擦。這有助于防止由于發(fā)生靜摩擦而使可靠性降低。順便說一句，因 為BaTi03是不含Pb(鉛)的鐵電材料，所以通過由BaTi03制造鐵電層2， 能減少廢棄產(chǎn)物造成的環(huán)境負擔及其對人類的有害影響。
此外，在第一實施例中，通過采用由八1203制成的陶瓷基板1作為基 板，能提供比采用硅基板或類似物作為基板時更高的電絕緣和更高的機 械強度。這使得能夠在提高生產(chǎn)效率的同時改善檢測靈敏度，并提高可靠性。而且，通過采用陶瓷基板l作為基板，能獲得比采用硅基板時更 低的生產(chǎn)成本。
而且，在第一實施例中，通過使鐵電層2具有5pm或更厚的厚度tl， 能得到99%或更高的覆蓋率。結(jié)果，能以高精度檢測電容值的變化。這 使得能夠在提高生產(chǎn)效率的同時更容易改善加速度的檢測靈敏度。優(yōu)選 地，鐵電層2的厚度tl為l(Hmi或更厚，優(yōu)選地為20jim或更厚。
此外，在第一實施例中，通過在陶瓷基板1與鐵電層2之間形成釉 層5，能改善鐵電層2的上表面的平滑度。結(jié)果，通過控制BaTi03的顆 粒大小，能在鐵電層2的上表面形成0.1至0.2pm量級的表面粗糙度。
圖10至18是用于說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的加速度傳感器的制 造方法的圖。下面，將參考圖l、 5、 6和10至18描述根據(jù)本發(fā)明第一 實施例的加速度傳感器50的制造方法。順便說一句，根據(jù)第一實施例的 加速度傳感器50主要是使用表面微機械加工技術(shù)制造的。
首先，如圖10中所示，在具有大約lmm厚度并由八1203制成的陶瓷 基板1的上表面形成釉層5。形成釉層5的方法是例如在陶瓷基板1上印 刷含有玻璃成分的液體，然后以預定的溫度燒制。
接著，通過絲網(wǎng)印刷在釉層5上形成圖1中所示的布線層6。然后如 圖10中所示，在陶瓷基板l (釉層5)上的預定區(qū)域中形成鐵電層2。
這里，在第一實施例中，通過絲網(wǎng)印刷形成鐵電層2。具體地，在將 含有BaTiCb的糊劑印刷到釉層5的預定區(qū)域之后，由此得到的產(chǎn)品以800 至120(TC量級的燒制溫度進行燒制。這樣，便形成由BaTi03制成的鐵電 層2。
此外，在第一實施例中，鐵電層2形成為具有5至20)am的厚度tl (見圖6)，并且通過控制BaTi03的顆粒大小，使它的表面具有0.1至 0.2)am量級的表面粗糙度(未示出)。
然后，如圖11中所示，通過等離子體CVD，在釉層5上形成用非晶 硅制成的犧牲層11從而覆蓋鐵電層2。這里，犧牲層11是基于在后續(xù)處 理中將要除去的設(shè)想而形成的層。
接著，如圖12中所示，通過光刻技術(shù)和利用SF6等離子氣體的干蝕 刻，在犧牲層11中形成長的窄槽部分(狹槽)lla。然后，如圖13中所示，在犧牲層11的上表面氣相沉積第一聚對亞苯基二甲基層12。在這種
情形下，氣相沉積在窄槽部分lla中的第一聚對亞苯基二甲基層12就用 作保持檢測質(zhì)量4的錨定部分。
接著，如圖14中所示，通過光刻技術(shù)和利用02等離子氣體的蝕刻， 除去第一聚對亞苯基二甲基層12的預定區(qū)域。
此后，在犧牲層11和第一聚對亞苯基二甲基層12上面，通過濺射 或氣相沉積技術(shù)，沉積鋁層，并且，如圖15中所示，對沉積的鋁層使用 光刻技術(shù)和濕蝕刻進行構(gòu)圖。結(jié)果形成如圖5中所示的梳齒形第一電極7 和梳齒形第二電極8，并且形成分別電連接至第一電極7和第二電極8的 焊盤電極7C和8C。順便說一句，連接在第一電極7與焊盤電極7C之間 的連接部分7b (見圖5)以及連接在第二電極8與焊盤電極8C之間的連 接部分8b (見圖5)，與對鋁層的構(gòu)圖同時形成。
接著，如圖16中所示，在犧牲層11和第一聚對亞苯基二甲基層12 上氣相沉積第二聚對亞苯基二甲基層13，從而覆蓋第一電極7、第二電 極8、焊盤電極7C和8C以及連接部分7b和8b (見圖5)。然后，對第 二聚對亞苯基二甲基層13進行構(gòu)圖處理，使其具有如圖17中所示的形 狀。結(jié)果，形成全部由聚對亞苯基二甲基制成的檢測質(zhì)量4 (見圖l)、 橫梁部分9 (見圖1)和框架部分3 (見圖1)。關(guān)于這一點，如圖17和 18中所示，在框架部分3的預定區(qū)域中形成用于暴露焊盤電極7C和8C 表面的開口 3a。順便說一句，第一聚對亞苯基二甲基層12和第二聚對亞 苯基二甲基層13能在環(huán)境溫度下形成(氣相沉積)。
最后，通過XeF2氣體的干蝕刻，除去犧牲層11的預定區(qū)域而在檢測 質(zhì)量4與鐵電層2之間留下空間。這樣，便形成圖1中所示的根據(jù)本發(fā) 明第一實施例的加速度傳感器50。
在第一實施例的這種制造方法中，如上所述，通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷 基板1上的預定區(qū)域中形成由BaTi03制成的鐵電層2，能容易在預定區(qū) 域中形成鐵電層2。這與例如在基板上附加板狀的鐵電層的情況相比，能 提高生產(chǎn)效率。順便說一句，在根據(jù)第一實施例的加速度傳感器50中， 能不用DRIE工藝進行制造。
此外，在第一實施例中，通過絲網(wǎng)印刷形成由BaTi03制成的鐵電層2，與采用濺射、溶膠-凝膠法或類似方法形成鐵電層2的情況相比，能更 容易增加鐵龜層2的厚度tl。這有助于避免這樣的可能性，即由于鐵電
層2的厚度tl小而使以高精度檢測電容值的變化變得困難。這使得能夠 在提高生產(chǎn)效率的同時獲得具有高靈敏度的加速度傳感器50。
此外，在第一實施例中，通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板l (釉層5)的上 表面形成布線層6，能容易形成布線層6。這也有助于提高生產(chǎn)效率。 (第二實施例)
圖19是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器的結(jié)構(gòu)透視圖。圖20 是沿圖19的A2-A2線所取得的剖視圖。圖21是圖19中所示的根據(jù)本發(fā) 明第二實施例的加速度傳感器的平面圖。圖22至25是用于說明根據(jù)本 發(fā)明第二實施例的加速度傳感器結(jié)構(gòu)的圖。首先，將參考圖19至25描 述根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器60的結(jié)構(gòu)。
如圖19和20中所示，根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器60包 括陶瓷基板l，形成在陶瓷基板1上的鐵電層22，形成在陶瓷基板l 上從而圍繞鐵電層22的框架部分23，以及配置在框架部分23內(nèi)的檢測 質(zhì)量24。順便說一句，鐵電層22是本發(fā)明的"電介質(zhì)層"的一個實例， 檢測質(zhì)量24是本發(fā)明的"可移動部分"的一個實例。
陶瓷基板1由Al203制成并具有大約lmm厚度。與上述第一實施例 相同，在陶瓷基板l的上表面形成有釉層5。順便說一句，形成釉層5是 為了得到適合于形成鐵電層22或類似物的平滑表面。此外，如圖19中 所示，在陶瓷基板l (釉層5)的上表面的預定區(qū)域，提供有通過絲網(wǎng)印 刷形成的布線層6，該預定區(qū)域處于框架部分23外側(cè)。布線層6由例如 Au (金)或類似物的材料制成。
這里，在第二實施例中，如同在上述第一實施例中那樣，鐵電層22 由BaTi03 (相對介電常數(shù)為1000或更高)制成。此外，如圖20和22中 所示，通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板l (釉層5)上的預定區(qū)域中形成鐵電層 22。鐵電層22具有基本上為四邊形的形狀，如在平面圖中看到的那樣。
此外，鐵電層22形成為具有5pm或更厚的厚度。具體地，鐵電層 22形成為具有5至20pm的厚度tl (見圖25)。
并且，鐵電層22的上表面具有0.1至0.2pm量級的表面粗糙度(未示出)，它是通過控制BaTi03的顆粒大小而形成的。這樣，即使檢測質(zhì)量 24與鐵電層22的上表面接觸，也能減小檢測質(zhì)量24與鐵電層22之間的 接觸面積。因此，能有效地防止靜摩擦(鐵電層22與檢測質(zhì)量24之間 的粘附)。這有助于防止因靜摩擦而引起加速度傳感器60的可靠性降低。
此外，在第二實施例中，如圖20和22中所示，在鐵電層22的上表 面的預定區(qū)域，形成由鋁(Al)制成的金屬層40。金屬層40具有預定的 圖案，并且形成為不從鐵電層22的上表面突出。具體地，從平面圖中看， 金屬層40形成為分別與第一電極27和第二電極28的梳齒部分27a和28a 平行地延伸，這將在后面描述。并且，金屬層40形成為其上表面基本上 與鐵電層22的上表面齊平。
此外，如圖20和25中所示，檢測質(zhì)量24由聚對亞苯基二甲基(對 二甲苯基樹脂聚對亞苯基二甲基)制成，并形成為具有大約5pm的厚 度tl2 (見圖24)。而且，如圖21中所示，檢測質(zhì)量24形成基本上為四 邊形的形狀(每邊大約1000pm)，如在平面圖中看到的那樣。
而且，在第二實施例中，如圖23中所示，在檢測質(zhì)量24的反面(下 表面)，由鋁制成的兩個電極(第一電極27和第二電極28)在同一平面 內(nèi)形成，從而處于彼此相鄰的狀態(tài)。具體地，從平面圖中看，第一電極 27和第二電極28形成為梳齒的形狀，使得第一電極27的梳齒部分27a 和第二電極28的梳齒部分28a以交錯方式排列。并且，如圖25中所示， 第一電極27的每一梳齒部分27a的寬度wl和第二電極28的每一梳齒部 分28a的寬度wl大約為5jim，從第一電極27的每一梳齒部分27a到相 鄰的第二電極28的梳齒部分28a的長度gl大約為5pm。應當注意，在 根據(jù)第二實施例的加速度傳感器60中，如圖23中所示，第一電極27和 第二電極28幾乎整個形成在檢測質(zhì)量24的反面(下表面)上方。
此外，如圖19和21所示，檢測質(zhì)量24包括與其整體連接的四個橫 梁部分29。這四個橫梁部分29提供在檢測質(zhì)量24兩個相對側(cè)，每一側(cè) 提供有兩個橫梁部分29，并形成為在同一方向上延伸，如在平面圖中看 到的那樣。而且，四個橫梁部分29在它們的末端整體地連接至框架部分 23。這使檢測質(zhì)量24能被支承在鐵電層22的上方并面對鐵電層22，如 圖19和20中所示。順便說一句，從鐵電層22的上表面至檢測質(zhì)量24(第一電極27和第二電極28)的距離dl (見圖20和25)大約為l|im。 而且，在第二實施例中，如圖24中所示，橫梁部分29具有大約5|im 的厚度tl2和大約3(im的寬度w11。也就是說，橫梁部分29制成在厚度 方向比在寬度方向長，從而使橫梁部分29能比較容易在箭頭X所示的方 向，即平行于陶瓷基板l的上表面(主表面)的方向上彈性變形(見圖 19)。因此，當四個橫梁部分29所支承的檢測質(zhì)量24經(jīng)受加速度時，慣 性力使檢測質(zhì)量24能在箭頭X所指示的水平方向上相對于陶瓷基板1的 上表面(主表面)移動。
此外，如圖23中所示，上述第一電極27通過連接部分27b電連接 至焊盤電極27c，上述第二電極28通過連接部分28b電連接至焊盤電極 28c。
此外，如圖20中所示，框架部分23具有的厚度大于檢測質(zhì)量24的 厚度，并如圖19和21中所示，具有通過橫梁部分29保持檢測質(zhì)量24 的功能。順便說一句，框架部分23主要由聚對亞苯基二甲基制成。而且， 在框架部分23的預定區(qū)域中形成用于暴露焊盤電極27c和28c表面的開 □ 23a。
第二實施例的其他結(jié)構(gòu)與上述第一實施例的那些相同。
圖26至32是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器操作 的圖。下面，將參考圖23和圖25至32描述根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加 速度傳感器60的操作。
在根據(jù)第二實施例的加速度傳感器60中，通過在焊盤電極27c (見 圖23)與焊盤電極28c (見圖23)之間施加電壓，如圖25和26中所示， 在第一電極27的梳齒部分27a與第二電極28的梳齒部分28a之間產(chǎn)生邊 緣場IO (在電極之間的空間旁邊產(chǎn)生的電場)。這里，如圖23中所示， 因為產(chǎn)生邊緣場10的第一電極27和第二電極28每個都是以梳齒的形狀 形成的，并且第一電極27的梳齒部分27a與第二電極28的梳齒部分28a 以交錯方式排列，所以邊緣場10幾乎整個在檢測質(zhì)量24的反面(下表 面)上方均勻地產(chǎn)生。另一方面，面對檢測質(zhì)量24的鐵電層22處于這 樣產(chǎn)生的邊緣場10中。
如果加速度傳感器60在這種狀態(tài)下經(jīng)受加速度，就會有慣性力作用于檢測質(zhì)量24。結(jié)果，檢測質(zhì)量24在箭頭X所指示的水平方向上相對 于陶瓷基板l的上表面移動。在這種情況下，雖然在第一電極27和第二 電極28之間產(chǎn)生的邊緣場10的電力線能穿過鐵電層22，但它們不能穿 過金屬層40，隨著檢測質(zhì)量24在箭頭X所指示的方向上移動，就會引 起電力線的外貌改變。這就引起電容值隨電力線外貌的變化而變化。因 此，通過檢測電容值的變化，就可檢測加速度傳感器60在箭頭X所指示 的方向上經(jīng)受到的加速度。
順便說一句，電容值的變化模式被認為隨金屬層40的形成圖案而變 化。例如，如圖27.中所示，在形成金屬層40而正好處于第一電極27的 梳齒部分27a和相鄰的第二電極28的梳齒部分28a兩者下面的情況下(第 一形成圖案)，很容易預料電容值C如圖28中所示的那樣變化。另一方 向，如圖29中所示，在形成金屬層40而正好不處于第一電極27的梳齒 部分27a和第二電極28的梳齒部分28a下面的情況下(第二形成圖案)， 很容易預料電容值C如圖30中所示的那樣變化。此外，如圖31中所示， 在形成相對寬的金屬層40而正好處于第一電極27的梳齒部分27a和第二 電極28和梳齒部分28a兩者之一的下面的情況下(第三形成圖案)，很容 易預料電容值C如圖32中所示的那樣變化。因此，通過以不同方式改變 金屬層40的形成圖案，能調(diào)整加速度的檢測靈敏度。
下面，為了估算根據(jù)第二實施例的加速度傳感器60的效能，已經(jīng)采 用類似于第一實施例中所描述的方法進行計算機模擬。結(jié)果表示在圖33 中。
如圖33中所示，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使鐵電層22具有5pm或更厚的厚度或更 厚的厚度tll能得到99%或更高的覆蓋率。也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使鐵電層22具有 l(Him或更厚的厚度tll能得到幾乎100% (99.8%或更高)的覆蓋率，而 使鐵電層22具有20pm或更厚的厚度tll能得到100%的覆蓋率。順便說 一句，在鐵電層22的厚度t11為10pm的情況下，鐵電層22的厚度t11 等于第一電極27和第二電極28兩者之一的梳齒部分27a (或28a)的寬 度wl (大約5(im)與從第一電極27的每一梳齒部分27a至相鄰的第二 電極28的梳齒部分28a的長度gl相加的總長度(wl+gl:大約10)nm)。 在鐵電層22的厚度tll為2(Him的情況下，鐵電層22的厚度tll等于上述總長度(wl+gh大約10|_im)的兩倍(2 (wl+gl))。
如上所述，己確認使鐵電層22具有5pm或更厚的厚度tll能得到足 夠的覆蓋率，所以能以高精度檢測電容值的變化。結(jié)果，己經(jīng)確認能提 高加速度的檢測靈敏度。
在第二實施例中，如上所述，通過在檢測質(zhì)量24的面對鐵電層22 的那個側(cè)面形成第一電極27和第二電極28，能在第一電極27的梳齒部 分27a與第二電極28的梳齒部分28a之間產(chǎn)生邊緣場10。此外，通過在 鐵電層22的上表面的預定區(qū)域中形成金屬層40，即使當檢測質(zhì)量24在 箭頭X所指示的方向即平行于陶瓷基板1的上表面(主表面)的方向上 移動時，也能改變邊緣場IO的電力線的外貌。也就是說，雖然在第一電 極27的梳齒部分27a與第二電極28的梳齒部分28a之間產(chǎn)生的邊緣場 10的電力線能穿過鐵電層22，但是它們不能穿過金屬層40，所以通過在 鐵電層22的上表面的預定區(qū)域中形成金屬層40，能使邊緣場10的電力 線外貌隨檢測質(zhì)量24在箭頭X所指示的方向上的移動而變化。結(jié)果，電 容值隨電力線外貌的變化而變化，使得能夠通過檢測電容值的變化來檢 測在箭頭X所指示的方向即平行于陶瓷基板1 (鐵電層22)上表面(主 表面)的方向上的加速度。
此外，在第二實施例中，通過形成金屬層40使其不從鐵電層22的 上表面突出，即使在金屬層40在鐵電層22的上表面上形成時，也能通 過與不形成金屬層40的情況相同的工藝繼續(xù)進行后面的制造過程。這有 助于避免這樣的可能性，即后續(xù)制造過程因為金屬層40從鐵電層22的 上表面突出而變得復雜。這使得能夠容易地提高生產(chǎn)效率。
并且，在第二實施例中，通過形成金屬層使其不從鐵電層22的上表 面上突出，能防止當檢測質(zhì)量24在箭頭X所指示的方向即平行于陶瓷基 板l (鐵電層22)的上表面(主表面)的方向上移動時，金屬層40與檢 測質(zhì)量24 (第一電極27、第二電極28)之間的接合。這有助于避免這樣 的可能性，即金屬層40與檢測質(zhì)量24 (第一電極27、第二電極28)之 間接合妨礙檢測質(zhì)量24在箭頭X所指示的方向即平行于陶瓷基板1 (鐵 電層22)的上表面(主表面)的方向上移動。結(jié)果，能容易地檢測箭頭 X所指示的方向即平行于陶瓷基板l (鐵電層22)的上表面(主表面)的方向上的加速度。
此外，在第二實施例中，通過由BaTi03制成鐵電層22,能使鐵電層 22的相對介電常數(shù)大到足以令人滿意的程度，因為BaTi03是具有相對介 電常數(shù)為1000或更高的金屬氧化物(鐵電材料)。這就使得能夠以高精 度檢測電容值的變化，從而使得能夠容易地以高精度檢測箭頭X所指示 的方向即平行于陶瓷基板l (鐵電層22)的上表面(主表面)的方向上 的加速度。順便說一句，因為BaTi03是不含Pb (鉛)的鐵電材料，所以 通過由BaTi03制造鐵電層22，能減少廢棄產(chǎn)物造成的環(huán)境負擔及其對人 類的有影響。
此外，在第二實施例中，通過使支承檢測質(zhì)量24的橫梁部分29在 厚度方向比在寬度方向長，能防止檢測質(zhì)量24在相對于陶瓷基板1 (鐵 電層22)的上表面(主表面)的垂直方向(箭頭Z所指示的方向)上移 動，這能防止在箭頭Z所指示的方向上的加速度分量被包含在所檢測的 加速度中。這使得能夠容易地檢測箭頭X所指示的方向即平行于陶瓷基 板l (鐵電層22)的上表面(主表面)的方向上的加速度，并容易改善 檢測的精度。
此外，在第二實施例中，如同在上述第一實施例中，通過使鐵電層 22具有5pm或更厚的厚度t11，能得到99%或更高的覆蓋率。這使得能 夠以高精度檢測電容值的變化。結(jié)果，能以更高的精度檢測箭頭X所指 示的方向即平行于陶瓷基板l (鐵電層22)的上表面(主表面)的方向 上的加速度。
而且，在第二實施例中，通過在陶瓷基板l與鐵電層22之間形成釉 層5，能改善鐵電層22的上表面的平滑度。結(jié)果，通過控制BaTi03的顆 粒大小，能在鐵電層22的上表面形成0.1至0.2|am量級的表面粗糙度。
應當注意，第二實施例的其他效果與上述第一實施例的相同。
圖34至44是用于說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器制造 方法的圖。下面將參考圖19、圖23至25以及圖34至44，描述根據(jù)本 發(fā)明第二實施例的加速度傳感器60的制造方法。順便說一句，根據(jù)第二 實施例的加速度傳感器60主要是使用表面微機械加工技術(shù)制造。
首先，如圖34中所示，在具有大約lmm厚度并由八1203制成的陶瓷基板1的上表面形成釉層5。形成釉層5的方法是例如在陶瓷基板1上印 刷含有玻璃成分的液體，然后以預定的溫度進行燒制。
接著，通過絲網(wǎng)印刷在釉層5上形成圖19中所示的布線層6。順便 說一句，通過絲網(wǎng)印刷形成布線層6，能容易形成布線層6。這也有助于 提高生產(chǎn)效率。
然后，如圖34中所示，在陶瓷基板l (釉層5)的預定區(qū)域通過絲 網(wǎng)印刷形成鐵電層22。具體地，在將含有BaTi03的糊劑印刷到釉層5的 預定區(qū)域之后，對所得產(chǎn)品以800至120(TC量級的燒制溫度進行燒制。 這樣，便形成由BaTi03制成的鐵電層22。
此外，鐵電層22形成為具有5nm至20^im的厚度t11 (見圖25)， 并且是通過控制BaTiO3的顆粒大小使得它們的上表面具有0.1至0.2量級 的表面粗糙度(未示出)而形成的。
接著，如圖35中所示，利用氣相沉積技術(shù)或類似方法，在鐵電層22 的預定區(qū)域以預定的圖案形成金屬層40。然后，將溫度提高至稍高于鐵 電層22的燒制溫度(例如約5(TC)使鐵電層22軟化。這引起形成在鐵 電層22上的金屬層40向下沉陷。因此，如圖36中所示，金屬層40被 形成為不從鐵電層22的上表面突出。
然后，如圖37中所示，利用等離子體CVD，在釉層5上形成用非晶 硅制成的犧牲層31從而覆蓋鐵電層22。這里，犧牲層31是基于在后續(xù) 處理中將要除去的設(shè)想而形成的層。
接著，如圖38中所示，通過光刻技術(shù)和使用SF6等離子氣體的干蝕 刻，在犧牲層31中形成長的窄槽部分(狹槽)31a。然后，如圖39中所 示，在犧牲層31的上表面氣相沉積第一聚對亞苯基二甲基層32。在這種 情形下，沉積在窄槽部分31a中的第一聚對亞苯基二甲基層32就用作保 持檢測質(zhì)量24的錨定部分。
接著，如圖40中所示，通過光刻技術(shù)和使用02等離子氣體的蝕刻， 除去第一聚對亞苯基二甲基層32的預定區(qū)域。
此后，在犧牲層31和第一聚對亞苯基二甲基層32上通過濺射或氣 相沉積技術(shù)，沉積鋁層，并且如圖41中所示，對沉積的鋁層利用光刻技 術(shù)和濕蝕刻進行構(gòu)圖。結(jié)果形成如圖23中所示的梳齒形第一電極27和梳齒形第二電極28，并且形成分別電連接至第一電極27和第二電極28 的焊盤電極27c和28c。順便說一句，連接在第一電極27與焊盤電極27c 之間的連接部分27b (見圖23)以及連接在第二電極28與焊盤電極28c 之間的連接部分28b (見圖23)，與對鋁層的構(gòu)圖同時形成。
接著，如圖42中所示，在犧牲層31和第一聚對亞苯基二甲基層32 上氣相沉積第二聚對亞苯基二甲基層33，從而覆蓋第一電極27、第二電 極28、焊盤電極27c和28c (見圖23)，以及連接部分27b和28b (見圖 23)。然后，對第二聚對亞苯基二甲基層33進行構(gòu)圖以具有如圖43中所 示的形狀。關(guān)于這一點，如圖24中所示，四個橫梁部分29每個都制成 在厚度方向比在寬度方向長。結(jié)果，形成全部由聚對亞苯基二甲基制成 的檢測質(zhì)量24 (見圖19)、橫梁部分29 (見圖19)和框架部分23 (見圖 19)。關(guān)于這一點，在框架部分23的預定區(qū)域中形成用于暴露焊盤電極 27c和28c表面的開口 23a。順便說一句，第一聚對亞苯基二甲基層32 和第二聚對亞苯基二甲基層33能在環(huán)境溫度下形成(氣相沉積)。
最后，通過使用XeF2氣體的干蝕刻，從圖44中所示的狀態(tài)中除去 犧牲層31的預定區(qū)域而在檢測質(zhì)量24與鐵電層22之間留下空間。這樣， 便形成圖19中所示的根據(jù)本發(fā)明第二實施例的加速度傳感器60。
在第二實施例中，如上所述，通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板l的預定區(qū) 域中形成鐵電層22，能容易在陶瓷基板1上的預定區(qū)域中形成鐵電層22。 這與例如在陶瓷基板1上的預定區(qū)域附加板狀的鐵電層22的情況相比， 使得能夠提高生產(chǎn)效率。順便說一句，在根據(jù)第二實施例的加速度傳感 器60中，能不使用DRIE工藝進行制造。
應當理解，上述實施例只是圖解說明和范例，而不是作為限制。本 發(fā)明的范圍不是限于已經(jīng)具體描述過的內(nèi)容，而是在后附的權(quán)利要求中 進行陳述，并且包括任何在與權(quán)利要求中的陳述內(nèi)容等效的意義上和范 圍內(nèi)所做的修改和變型。
例如，上述第一和第二實施例涉及其中鐵電層由BaTi03制成的示例。 但是，本發(fā)明不限于這些示例，而是可以這樣來實現(xiàn)，即鐵電層可以用 除BaTi03以外的金屬氧化物制成，只要該金屬氧化物具有1000或更高的 相對介電常數(shù)，并且可適用絲網(wǎng)印刷。在這種情形下，優(yōu)選地使用不含Pb (鉛)的金屬氧化物。
此外，上述第一和第二實施例涉及其中鐵電層形成為具有5pm至 2(Hmi厚度的示例。但是，本發(fā)明不限于這些示例，而是可以這樣來實現(xiàn)， 即鐵電層形成為具有2(Him或更厚的厚度。順便說一句，如上所述，因為 鐵電層的形成是通過絲網(wǎng)印刷完成的，所以能容易形成，即使鐵電層厚 至20iim或更厚。
此外，上述第一和第二實施例涉及其中在形成有釉層的陶瓷基板上 通過絲網(wǎng)印刷形成鐵電層的示例。但是，本發(fā)明不限于這些示例，而是 可以這樣來實現(xiàn)，即在不具有釉層的陶瓷基板上通過絲網(wǎng)印刷形成鐵電 層。
此外，上述第一和第二實施例涉及其中鐵電層經(jīng)800至120(TC量級 的燒制溫度燒制而形成的示例。但是，本發(fā)明不限于這些示例，而是可 以這樣來實現(xiàn)，即鐵電層可通過以不同于上述燒制溫度的溫度進行燒制 而形成。例如以1200至150(TC量級的相對高的燒制溫度進行燒制，或者 以70(TC或更低的相對低的燒制溫度進行燒制。順便說一句，在以1200 。C至150(TC量級的燒制溫度進行燒制的情況下，上面的實施例中所述的 加速度傳感器，可通過在不具有釉層的陶瓷基板上形成鐵電層，并在形 成鐵電層以后形成布線層的方法進行制造。此外，在以70(TC的燒制溫度 進行燒制的情況下，優(yōu)選地，形成鐵電層不致于只具有1000或更小的相 對介電常數(shù)。
此外，上述第一和第二實施例涉及其中采用由八1203制成的陶瓷基板 的示例。但是，本發(fā)明不限于這些示例，而是可以這樣來實現(xiàn)，即采用 由A1203以外的陶瓷材料制成的陶瓷基板來制造加速度傳感器。
此外，上述第一和第二實施例涉及其中采用框架部分來保持檢測質(zhì) 量的示例。但是，本發(fā)明不限于這些示例，而是可以這樣來實現(xiàn)，即采 用與框架部分不同的部件來保持檢測質(zhì)量。
順便說一句，在上述第一和第二實施例中，檢測質(zhì)量可提供有多個 通孔，這些通孔形成為從檢測質(zhì)量的上表面貫穿至其下表面。這種結(jié)構(gòu) 使得能夠比較容易除去犧牲層，并能減小空氣阻力。
此外，上述第二實施例涉及其中形成金屬層使其不從鐵電層上表面突出的示例。但是，本發(fā)明不限于這個示例，而是可以這樣來實現(xiàn)，即 形成金屬層使其從鐵電層的上表面突出。
此外，作為金屬層形成圖案的示例，上述第二實施例涉及三種形成 圖案第一形成圖案，第二形成圖案和第三形成圖案。但是，本發(fā)明不 限于這些示例。金屬層的形成圖案可以是與上述的第一形成圖案、第二 形成圖案和第三形成圖案不同的形成圖案。而且，金屬層可以組合采用 兩種或多種形成圖案。如上所述，在組合采用兩種或多種金屬層形成圖 案的情況下，能調(diào)整加速度的檢測靈敏度并改善檢測靈敏度。
此外，上述第二實施例涉及其中金屬層由鋁制成的示例。但是，本 發(fā)明不限于這個示例，而是可以這樣來實現(xiàn)，即金屬層由除鋁以外的金 屬制成。
此外，上述第一實施例涉及其中檢測質(zhì)量用四個橫梁部分支承的結(jié) 構(gòu)。但是，本發(fā)明不限于這種結(jié)構(gòu)。支承檢測質(zhì)量的橫梁部分可以用與 作為實施例的上述具體描述方法不同的任何方法來構(gòu)成，只要能在預定 的方向即平行于陶瓷基板的上表面的方向上允許檢測質(zhì)量移動就行。例
如，如圖45中所示，支承檢測質(zhì)量34的橫梁部分39可以構(gòu)成為能在箭
頭x所指示的方向上彎曲。
此外，上述第二實施例涉及其中加速度傳感器構(gòu)成能檢測箭頭x所
指示的方向，即平行于陶瓷基板的上表面的方向上的加速度的示例。但 是，本發(fā)明不限于這個示例，而是可以這樣來實現(xiàn)，即通過在單一陶瓷 基板上形成多個加速度傳感器，能同時檢測多個方向上的加速度。例如，
如圖46中所示，在單一的陶瓷基板上，至少可形成兩個加速度傳感器60 用于檢測箭頭X和Y所指示的不同方向即平行于陶瓷基板1的上表面的 不同方向上的加速度，以及一個加速度傳感器50用于檢測相對于陶瓷基 板1的上表面的垂直方向上的加速度，這樣能同時檢測三個軸向上的加 速度。此外，如圖46中所示，可進一步提供具有不移動的檢測質(zhì)量的加 速度傳感器70作為參考。這種結(jié)構(gòu)使得能夠進一步改善加速度的檢測精 度。
權(quán)利要求
1.一種加速度傳感器，包括陶瓷基板；電介質(zhì)層，通過絲網(wǎng)印刷形成在陶瓷基板上的預定區(qū)域中，電介質(zhì)層由金屬氧化物制成；可移動部分，設(shè)置成面對電介質(zhì)層，可移動部分形成在距電介質(zhì)層預定距離的位置；以及第一電極和第二電極，形成在可移動部分的面對電介質(zhì)層的側(cè)面上。
2. —種加速度傳感器，包括 陶瓷基板；電介質(zhì)層，通過絲網(wǎng)印刷形成在陶瓷基板上的預定區(qū)域中，電介質(zhì) 層由金屬氧化物制成；可移動部分，設(shè)置成面對電介質(zhì)層，可移動部分形成在距電介質(zhì)層 預定距離的位置；以及第一電極和第二電極，形成在可移動部分的面對電介質(zhì)層的側(cè)面上，其中，在電介質(zhì)層的上表面上的預定區(qū)域中形成金屬層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的加速度傳感器，其中， 金屬層形成為使得該金屬層不從電介質(zhì)層的上表面突出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的加速度傳感器，進一步包括 橫梁部分，支承可移動部分，其中，橫梁部分在厚度方向比在寬度方向更長。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任何一項所述的加速度傳感器，其中， 電介質(zhì)層由BaTiCb制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任何一項所述的加速度傳感器，其中， 陶瓷基板由八1203制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任何一項所述的加速度傳感器，其中， 第一電極和第二電極各自按照具有多個梳齒部分的梳齒形狀形成，并且，從平面圖中看，第一電極和第二電極的梳齒部分以交錯方式按預 定的間隔排列。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任何一項所述的加速度傳感器，其中，電介質(zhì)層具有5pm或更厚的厚度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任何一項所述的加速度傳感器，其中， 在陶瓷基板與電介質(zhì)層之間進一步形成釉層。
10. —種制造加速度傳感器的方法，包括利用絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板上的預定區(qū)域中形成由金屬氧化物制成的 電介質(zhì)層的步驟；形成第一 電極和第二電極使得第一 電極和第二電極位于電介質(zhì)層的 上方的步驟；以及在電介質(zhì)層的上方形成可移動部分使得可移動部分面對電介質(zhì)層的 步驟，第一電極和第二電極固定于可移動部分。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的制造加速度傳感器的方法，其中，形成電介質(zhì)層的步驟包括由BaTi03形成電介質(zhì)層的步驟。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的制造加速度傳感器的方法， 其中，形成第一電極和第二電極的步驟包括按照具有多個梳齒部分的梳齒形狀形成第一電極和第二電極中的每一個的步驟，并且從平面圖 中看，第一電極和第二電極的梳齒部分以交錯方式按預定的間隔排列。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的制造加速度傳感器的方法，進一 步包括通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板的表面上形成布線層的步驟。
全文摘要
提供一種具有高檢測靈敏度并能提高生產(chǎn)效率的加速度傳感器。加速度傳感器(50)具有由A1₂O₃制成的陶瓷基板(1)；通過絲網(wǎng)印刷在陶瓷基板(1)上的預定區(qū)域中形成的鐵電層(2)，鐵電層(2)由BaTiO₃制成；設(shè)置成面對鐵電層(2)的檢測質(zhì)量(4)，所形成的檢測質(zhì)量(4)離鐵電層(2)有預定距離d；以及在檢測質(zhì)量(4)的面對鐵電層(2)的那個側(cè)面形成，從而固定于其中的第一電極(7)和第二電極(8)。第一電極(7)和第二電極(8)每個都形成為梳齒形狀，并且使它們的梳齒部分(7a)和(8a)以交錯方式排列。
文檔編號G01P15/125GK101542296SQ20088000063
公開日2009年9月23日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月30日
發(fā)明者吉川泰弘, 田尻浩之 申請人:羅姆股份有限公司