CN1605870A - 加速度传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了易于实现的用于限制惯性锤位移的精密控制结构的加速度传感器。其配备具有硅层(100)、氧化硅层(20)和硅层(300)的三层结构SOI衬底，通过从上面选择性地仅除去硅的感应耦合等离子体蚀刻，形成狭缝(S1)和(S2)，接下来，从下面进行同样的蚀刻，形成沟槽部分(G1)和(G2)，将硅层(300)隔离为惯性锤(310)和基座(330)(图(a))。接着，在选择性地仅除去氧化硅的蚀刻液中浸渍，除去氧化硅层(20)的露出部分的附近部分，用连接层(200)(图(b))将玻璃基板(400)连接在基座(330)的底面上。在硅层(100)的上面，形成压敏电阻元件，检测挠曲。根据连接层(200)的厚度正确设定惯性锤(310)向上的位移自由度。

Description

加速度传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及加速度传感器及其制造方法，尤其涉及用在小型民用电子设备上的批量生产上的加速度传感器及其制造方法。
背景技术
手机、数码相机、电子游戏机、PDA设备等内置有微处理机的小型民用电子设备普及得很快，最近，内置在这些电子设备或者其输入装置上的加速度传感器的需求也增长起来。在内置有加速度传感器的电子设备中，将作用在机体上的冲击或振动等的加速度作为数字数据能够在微处理机上摄取，所以能够把握电子设备周围的物理环境，做出适当地处理。例如，在数码相机中，通过对按下快门按钮瞬间作用的加速度进行检测，能够进行与手颤动相对的校正。此外，在电子游戏机用的输入装置等中，也能够将用户的操作指令以加速度的形式输入。例如，如果将加速度传感器用于检测重力加速度，因为可以作为倾斜仪使用，所以能够识别电子设备整体的方位(相对于水平状态的倾斜程度)，基于用户使电子设备倾斜的操作，能够输入特定的操作。
内置在这种小型民用电子设备上的加速度传感器，最好是微型化且适于批量生产。例如，在日本专利公开第1989-263576号公报和日本专利公开第1991-202778号公报上，公开了适于批量生产的小型的加速度传感器的的结构，在日本专利公开第1992-249726号公报上，公开了采用硅衬底，批量生产的这种加速度传感器的制造方法。作为这种一般的加速度传感器，将惯性锤连接在具有可挠性的衬底上，由于作用于该惯性锤上的加速度，使衬底产生挠曲，电检测该衬底挠曲。在衬底挠曲检测上，采用压敏电阻元件、电容元件、压敏元件等各种检测元件。
如上所示，作为小型且适于批量生产的加速度传感器，建议采用硅衬底等的半导体衬底。在这种加速度传感器中，为了提高检测灵敏度，既需要增加惯性锤的质量，又需要提高惯性锤支承面的可挠性，总之，在作用瞬间加速度的时候，有可能损坏惯性锤的支承面。特别是在使传感器机壳落下时，大冲击力作用在惯性锤上，则由半导体构成的惯性锤支承面有可能受损。因此，通常需要事先设置用于在特定范围内控制惯性锤位移的物理控制结构。上述公报上记载的加速度传感器，也设置了控制基板和基座等的物理控制结构，用于控制惯性锤垂直方向的位移以及水平方向的位移。当作用瞬间加速度时，惯性锤的一部分与控制基板和基座等接触，能将惯性锤的位移控制在规定的自由度范围内。从而，能够避免在惯性锤支承面上作用过度应力，免于损坏。
不过，这种控制结构需要符合惯性锤的形状和配置，具有特定的形状，配置在特定的位置上。为此，为了制造具有控制结构的加速度传感器，需要额外的蚀刻工序和机械切削工序，从而使制造工序变得复杂。特别是为了确保作为批量生产制造的每批都具有全部一样的性能，需要精密设计惯性锤和控制结构之间的距离，所以上述各公报上公开的现有的加速度传感器，在形成控制结构的工序中，技术上负担重，从降低成本的角度考虑也存在大问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种易于实现的用于限制惯性锤位移的精密控制结构的加速度传感器。
(1)本发明第一种形态的加速度传感器构成如下：
衬底层，其具有设置在中央部分的可动部分；设置在该可动部分周围的固定部分；将该可动部分相对于该固定部分呈可移动状态的连接部分；
惯性锤，其配置在该衬底层下面，具有与形成在固定部分内侧部分下表面的控制面相对的上表面周围部分；
基座，其围着该惯性锤的周围配置，从下面支撑并固定固定部分；
惯性锤连接层，其插入该惯性锤和该衬底层之间的空间里的惯性锤上表面周围部分以外的区域，由与惯性锤以及衬底层不同的材料构成，将惯性锤连接在该可动部分的下面；以及
位移检测装置，用于检测该可动部分位移的；
其中，当加速度作用在惯性锤上时，根据连接部分产生的挠曲，可动部分相对于固定部分移动，设定该惯性锤连接层的厚度，以使当作用的加速度在特定方向上的大小超过规定的容许值时，通过惯性锤上表面周围部分与该控制面接触来控制位移。
(2)在上述第一种形态的加速度传感器中，本发明的第二种形态为，在基座和固定部分之间，设有由和惯性锤连接层相同材料构成的基座连接层，通过该基座连接层，基座和该固定部分相连接，惯性锤连接层和基座连接层可由同一材料构成。
(3)在上述第二种形态的加速度传感器中，本发明的第三种形态为，构成衬底层、基座和惯性锤的材料，与构成惯性锤连接层和基座连接层的材料，由相互蚀刻特性不同的材料组成。
(4)在上述第一至第三种形态的加速度传感器中，本发明的第四形态为，通过在衬底层形成狭缝，该衬底层的各部分作为可动部分、固定部分和连接部分起作用。
(5)在上述第四种形态的加速度传感器中，本发明的第五种形态为，部分上形成具有开口部分的呈环形的多个狭缝，各自的开口部分朝向衬底层中心配置；
将由各个环形狭缝包围的部分作为叶片部分的呈风机的扇状的结构作为可动部分，将形成在相互邻接的一对狭缝之间的部分作为连接部分，将位于比该多个狭缝外包络线更外的位置上的衬底层的周边部分作为固定部分。
(6)在上述第五种形态的加速度传感器中，本发明的第六种形态为，将沿着近似正方形的轮廓形成，在相当于该正方形的一个顶点部分上具有开口部分的四组相似形状的狭缝，对称地配置在呈近似正方形的衬底层上。
(7)在上述第五或第六种形态的加速度传感器中，本发明的第七种形态为，为了能够由形成在衬底层下表面的多个狭缝外包络线的外部最近区域上的控制面，控制惯性锤的上表面周围部分的位移，惯性锤上表面的轮廓，呈将构成可动部分的结构的轮廓向外侧扩张的形状。
(8)在上述第七种形态的加速度传感器中，本发明的第八种形态为，惯性锤连接层包括：在扇状的中央部分的位置上连接可动部分和惯性锤的中央部分连接层；以及在扇状的各个叶片部分的位置上连接可动部分和惯性锤的各个叶片部分连接层。
(9)在上述第一至第八种形态的加速度传感器中，本发明的第九种形态为，设定惯性锤侧面和基座内侧面之间的间隔，以使当作用的加速度在特定方向上的大小超过规定的容许值时，通过惯性锤的侧面与基座的内侧面接触来控制位移。
(10)在上述第一至第九种形态的加速度传感器中，本发明的第十种形态为，设定惯性锤的厚度，以使惯性锤底面位于距基座底面的上方仅为特定距离处，当基座固定在控制基板上时，可确保惯性锤底面和该控制基板上表面之间的特定间隔；
设定两者的间隔，以使当作用的加速度在特定方向上的大小超过规定的容许值时，通过惯性锤底面与控制基板上表面接触来控制位移。
(11)在上述第一至第十种形态的加速度传感器中，本发明的第十一种形态为，位移检测装置包括：配置在连接部分的压敏电阻元件，及用于检测该压敏电阻元件的电阻变化的检测电路。
(12)在上述第十一种形态的加速度传感器中，本发明的第十二种形态为，在可动部分的左右两侧分别形成连接部分，在该左右连接部分上分别各设有两个压敏电阻元件，共计四个压敏电阻元件近似一条直线配置，由采用该四个压敏电阻元件的电桥构成检测电路。
(13)在上述第一至第十种形态的加速度传感器中，本发明的第十三种形态为，位移检测装置包括：以规定间隔配置在衬底层上面的辅助衬底；形成在可动部分上表面的可动电极；形成在该辅助衬底下表面的固定电极；以及用于检测由可动电极和固定电极形成的电容元件的电容变化的检测电路。
(14)在上述第十三种形态的加速度传感器中，本发明的第十四种形态为，至少在与上面固定电极相对的区域上配备具有导电性的可动部分，将该可动部分自身作为可动电极使用。
(15)本发明的第十五种形态是制造上述第二种形态的加速度传感器的方法，包括：
制备步骤，从上依次制备叠层第一层、第二层和第三层的三层的材料衬底；
衬底层形成步骤，其通过对该第一层具有侵蚀性，而对该第二层没有侵蚀性的蚀刻方法，在厚度方向蚀刻该第一层的特定区域，直到该第二层的上表面露出为止，在该第一层上形成狭缝，将该第一层作为具有可动部分、固定部分和连接部分的衬底层；
惯性锤/基座隔离步骤，通过对该第三层具有侵蚀性，而对该第二层没有侵蚀性的蚀刻方法，在厚度方向上蚀刻到该第三层的特定区域，直到第二层下表面露出为止，将第三层隔离为惯性锤和基座；以及
连接层形成步骤，通过对该第二层具有侵蚀性，而对该第一层没有侵蚀性的蚀刻方法，从其露出部分开始在厚度方向上及层方向上蚀刻第二层，由残存部分构成惯性锤连接层及基座连接层。
(16)在上述第十五种形态的加速度传感器的制造方法中，本发明的第十六种形态为，在衬底层形成步骤，部分上形成具有开口部分的呈环形的多个狭缝，各自的开口部分朝向第一层的中心配置；
由各环形狭缝包围的部分作为叶片部分的呈风机的扇状的结构形成可动部分，由形成在相互邻接的一对狭缝之间的部分形成连接部分，由位于比该多个狭缝外包络线更外的位置上的第一层的外围部分形成固定部分。
(17)在上述第十六种形态中的加速度传感器的制造方法中，本发明的第十七种形态为，在惯性锤/基座隔离步骤，在比第一层上形成的多个狭缝的外包络线更外的位置上，进行隔离惯性锤和基座之间的蚀刻，形成具有将构成可动部分的结构的轮廓向外侧扩张的轮廓形状的惯性锤，能由形成在第一层下表面的多个狭缝的外包络线的外部最近区域上的控制面，控制惯性锤上表面周围部分的位移。
(18)在上述第十五至第十七种形态的加速度传感器的制造方法中，本发明的第十八种形态为，厚度调整步骤，蚀刻除去应该成为第三层的惯性锤区域的底层部分，以使惯性锤部分的厚度比基座部分的厚度小；以及
控制基板连接步骤，将控制基板连接在基座底面上。
(19)在上述第十五至第十八种形态的加速度传感器的制造方法中，本发明的第十九种形态为，第一层和第三层由同一材料构成。
(20)在上述第十九种形态的加速度传感器的制造方法中，本发明的第二十种形态为，由硅构成第一层及第三层，由氧化硅构成第二层。
(21)在上述第十五至第二十种形态的加速度传感器的制造方法中，本发明的第二十一种形态为，在衬底层形成步骤及惯性锤/基座隔离步骤，通过采用感应耦合等离子体蚀刻法，在厚度方向上进行蚀刻。
附图说明
图1是本发明一个实施例中的传感器结构的俯视图；
图2是图1所示传感器结构在断开线2-2位置剖开的截面图；
图3是图1所示传感器结构在断开线3-3的位置剖开的截面图；
图4是图1所示传感器结构的仰视图；
图5是图2或图3所示截面图中的上层部分100的俯视图；
图6是图3所示截面图中的上层部分100沿断开线6-6剖开得到的上层部分100单体的横截面图；
图7是图3所示截面图中的中层部分200沿断开线7-7剖开得到的中层部分200单体的横截面图；
图8是图3所示截面图中的底层部分300沿断开线8-8剖开得到的底层部分300单体的横截面图；
图9是在图2截面图所示的传感器结构下面安装控制基板400时的截面图；
图10是图2截面图所示的传感器结构位于装置机壳450内时的横截面图；
图11是在图9所示传感器结构中，当施加使惯性锤310向下位移的作用力时，表示位移受控状态的截面图；
图12是在图9所示传感器结构中，当施加使惯性锤310向左位移的作用力时，表示位移受控状态的截面图；
图13是在图9所示传感器结构中，当施加使惯性锤310向上位移的作用力时，表示位移受控状态的截面图；
图14是在图9所示传感器结构中，当施加使惯性锤310转动的作用力时，表示位移受控状态的截面图；
图15示出了在图1所示传感器结构中，设置在固定部分130旁边的控制面和惯性锤310上表面周围部分之间位置关系的俯视图；
图16示出了在图9所示传感器结构中，采用压敏电阻元件的位移检测装置的一个实施例的俯视图；
图17示出了图16所示采用压敏电阻元件的加速度检测电路的电路图；
图18是在图9所示的传感器结构中，采用压敏电阻器件的位移检测装置的另一实施例的俯视图；
图19示出了在图9所示的传感器结构中，采用电容元件的位移检测装置的一个实施例截面图；
图20是图19所示的辅助衬底500的仰视图；
图21是图19所示的采用电容元件的加速度检测电路的一个实施例的电路图；
图22示出了在本发明的一个实施例的加速度传感器中用的加速度传感器结构制造方法的前一半工序的截面图；
图23示出了在本发明的一个实施例的加速度传感器中用的传感器结构制造方法的后一半工序的截面图；
图24是在本发明第一变形例中采用的上层部分100A的横截面图；
图25是采用图24所示上层部分100A的传感器结构的俯视图；
图26是图25所示爪状狭缝S11周边的放大俯视图；
图27是在本发明第二变形例中采用的上层部分100B的横截面图；
图28是在本发明第二变形例中采用的中层部分200B的横截面图；
图29是在本发明第二变形例中采用的底层部分300B的横截面图；
图30是本发明第二变形例中用的传感器结构的俯视图(底层部分300B用虚线表示，图中省略中层部分200B)。但是图的下半部分示出了除掉上层部分100B及中层部分200B的状态(即底层部分300B的上表面状态)；以及
图31示出了图30所示的传感器结构沿图中断开线31-31剖开状态的横截面图。
具体实施方式
以下，根据图示的实施方式对本发明进行说明。
<<<§1.传感器结构的基本构造>>>
首先说明本发明的加速度传感器中采用的检测加速度用的传感器结构的基本构造。作为该传感器结构的中枢的构成元件是衬底层和惯性锤。惯性锤连接在衬底层底面的中央部位。当加速度作用在惯性锤上时，由于该作用的加速度，衬底层的一部分产生位移。换言之，该传感器结构能够将加速度转变为衬底层的位移。此外，如§3中所述，如果将电检测所生位移的位移检测装置附加在该传感器结构上，就能得到本发明的加速度传感器。
图1是本发明一个实施例中用的传感器结构的俯视图。该传感器结构基本上包括：由硅构成的上层部分100，由氧化硅构成的中层部分200，以及由硅构成的底层部分300的三层结构。具有这种硅/氧化硅/硅组成的三层结构的材料，作为SOI(Silicon OnInsulator)衬底在市场上有售，这里所示的传感器结构通过采用该SOI衬底的制造工艺而能够制造。
在这里所示的实施例中，上层部分100、中层部分200和底层部分300都基本上是正方形的板状构件。在上层部分100中，形成在厚度方向上穿透的狭缝S1～S4，在图1中，透过狭缝S1～S4能够观察底层部分300的一部分。虽然图1是很复杂的图，但这是因为位于上层部分100下面的中层部分200的结构用点划线表示，底层部分300的结构用虚线表示的缘故。另一方面，图2是图1所示传感器结构沿断开线2-2剖开的截面图；图3同样也是图1所示传感器结构沿断开线3-3剖开的截面图。这些截面图上明显示出了该传感器结构是由上层部分100、中层部分200和底层部分300的三层结构构成的。另外，在此为了便于说明，上层部分100的构成元件用符号100至199之间的参考数字表示，中层部分200的构成元件用符号200至299之间的参考数字表示，底层部分300的构成元件用符号300至399之间的参考数字表示。此外，图4是该传感器结构的仰视图，在该仰视图中，被底层部分300遮挡住的中层部分200的结构用点划线表示，上层部分100的结构用虚线表示。
图1所示的俯视图和图4所示的仰视图，在确认各层相互位置关系时很方便，但要想在单独一幅图上描述三层所有的结构，相当繁杂，对于说明各层详细的结构未必适合。所以，以下采用各自独立描述各层的平面图，参照图2及图3的横截面图，依次说明各层的结构。
首先，用图5说明上层部分100的结构。该图5示出了上层部分100单体的俯视图。如图所示，上层部分100由正方形的板状部件构成，并具有在厚度方向上穿透的狭缝S1～S4。在该实施例中，上层部分100由硅衬底构成，狭缝S1～S4如后面所述，相对于该硅衬底层通过蚀刻处理形成。由于形成了狭缝S1～S4，上层部分100如图所示，划分为由多个区域构成的各部分。图5所示的虚线是用于方便表示该区域分界线的。进一步说，这些虚线，不是表示各区域严密的界线位置的，而是为说明上的方便绘制的。
这里，在对形成在该上层部分100上的各部分进行说明之前，先对四个狭缝S1～S4的特有形状进行阐述。图6是图3所示截面图中的上层部分100沿图中断开线6-6剖开的横截面图，明显地示出了在厚度方向上穿透的狭缝S1～S4的形状及配置。也就是说，各狭缝S1～S4中任何一个都是沿着近似正方形的轮廓形成的，且宽度为狭窄带状的环状狭缝。不过，并不是完全环状，在相当于正方形一个顶点的部位形成开口部分，通过该开口部分，各部分保持互相连接的状态。换言之，上层部分100作为整体，具有作为一个衬底的结构，以下根据场合，将该上层部分100称作衬底层100。
四组狭缝S1～S4是完全相似的，各狭缝的开口部分都是面向衬底层100的中心配置，并且对称(在图6的平面图中左右对称及上下对称)配置。形成该四组狭缝S1～S4时，在衬底层100的中央部位形成呈风机的扇状的部分。
如图5的俯视图所示，将各环形狭缝包围的部分S1、S2、S3和S4，分别称作叶片部分111、112、113和114，将衬底层100的中心部分的正方形状的部分称为中央部分115，这样的话，通过这些叶片部分111～114和中央部分115，能够形成呈风机的扇状的结构。这里，将呈扇状的结构称为可动部分110。此外，如图5所示，在此将形成在相互邻接的一对狭缝之间的矩形状部分称为连接部分121、122、123和124(统称为连接部分120)，将位于比多个狭缝S1～S4外包络线更外的位置上的衬底层100的周边部分称为固定部分130。
如上所述，在该实施例中，衬底层100由硅衬底层构成，具有梁状结构的连接部分121～124具有在外力的作用下产生挠曲的物理性质。换言之，设定连接部分121～124的宽度及厚度(衬底层100的厚度)，使其在外力的作用下产生挠曲。从而，如后面所述，向可动部分110施加外力时，该外力传给各连接部分121～124，从而在连接部分121～124上产生挠曲。其结果，可动部分110相对于固定部分130产生位移。结果，图5所示的衬底层100通过形成狭缝S1～S4，能够划分为三个部分：设置在中央部分的可动部分110，设置在该可动部分110周围的固定部分130，以及连接前两者且使可动部分110相对于固定部分130能产生位移的连接部分120。
此外，在该实施例中，虽然形成了呈正方形形状的四个狭缝S1～S4，但是这些狭缝不一定需要呈正方形形状，还有不一定需要形成四个狭缝。一般的，形成部分具有开口部分的多个环状狭缝，各自的开口部分面向衬底层100的中心配置。这样的话，将各环形狭缝包围的部分作为叶片部分，能够将该叶片部分的呈风机的扇状的结构作为可动部分，将形成在相互邻接的一对狭缝之间的部分作为连接部分，将位于比所述多个狭缝外包络线更外的位置上的衬底层100的周边部分作为固定部分。然而，从实用角度看，如该实施例所述，如果形成了四个呈正方形形状的狭缝S1～S4，就能够确保可动部分110面积尽量大，此外，能够通过呈四根带状的连接部分121～124，从四面支撑该可动部分110，从而效率非常高。
下面，用图7说明中层部分200的结构。该图7示出了中层部200单体的截面图，相当于图3中的中层部分200沿图中断开线7-7剖开的截面图。在这里所示的实施例中，如后面所述，通过蚀刻层面呈正方形的氧化硅层，形成中层部分200。如图所示，中层部分200的构成是：五个惯性锤连接层210，以及在包围这些的位置上配置的、呈方形环状的基座连接层230。这些各连接层都具有相同的厚度。惯性锤连接层210包括四个叶片部分连接层211、212、213和214，以及一个中央部分连接层215。
最后，用图8说明底层部分300的结构。该图8示出了底层部分300单体的截面图，相当于图3中的底层部分300沿图中断开线8-8剖开的截面图。在这里所示的实施例中，如后面所述，通过蚀刻层面呈正方形的氧化硅层，形成底层部分300。图中的沟槽部分G1及G2是通过该蚀刻除去硅的部分。如图所示，底层部分300包括：呈风机的扇状的惯性锤310，以及在包围这些的位置上配置的、呈方形环状的基座330。惯性锤310由惯性锤叶片部分311、312、313和314以及惯性锤中央部分315构成，这些一一对应于图5所示的可动部分110中的叶片部分111、112、113和114以及中央部分115，另外，一一对应图7所示的叶片部分连接层211、212、213和214以及中央部分连接层215。
以上，分别说明了上层部分100、中层部分200和底层部分300各个的结构，这里说明的实施例中用的传感器结构正如图1的俯视图、图2及图3的截面图所示，是通过连接这三层获得的结构。也就是说，在作为上层部分100(衬底层)的构成元件的叶片部分111～114和中央部分115的下面，分别连接作为中层部分200的构成元件的叶片部分连接层211～214和中央部分连接层215，进一步，在这些的下面，分别连接作为底层部分300的构成元件的惯性锤叶片部分311～314和惯性锤中央部分315。换言之，惯性锤连接层210包括：在扇状的各个叶片部分的位置上，连接可动部分110和惯性锤310的各个叶片部分连接层211～214；以及在扇状的各个中央部分的位置上，连接可动部分110和惯性锤310的中央部分连接层215。另外，在构成上层部分100(衬底层)的周边的固定部分130的下面，连接构成中层部分200的周边的基座连接层230，进一步，在其下面连接构成底层部分300周边的基座330。
此外，从实用的角度看，如图9的截面图(在图1的俯视图中沿断开线2-2的位置剖开的截面图：随后的截面图也以同样的方式剖开)所示，基座330的底面接着连接控制基板400(比如玻璃基板)。该控制基板400如后面所述，能够控制惯性锤310向下的位移。图10的截面图示出了一个实施例，其中。将基座330的底面固定在装置机壳450的底部，装置机壳450的顶部安装盖板460，以密封装置机壳450。此时，装置机壳450的底部起着控制基板的作用。
<<<§2.加速度传感器结构的工作原理>>>
接着，对采用在前面§1中所述的传感器结构的加速度传感器的工作原理进行说明。如图9或图10的截面图所示，在该传感器结构中惯性锤310安装在衬底层100的下面(可动部分110的下面)，构成衬底层100周边的固定部分130由基座330支撑并固定。而且，可动部分110相对于固定部分130，通过连接部分120保持可移动的状态，所以，惯性锤310在基座330包围的空间内呈悬空状。为此，当将基座330(控制基板400)定为加速度的检测对象时，作用在该检测对象上的加速度，作为其反作用力也作用在惯性锤上310，从而得到使惯性锤310相对于基座330产生位移的力。该力使连接部分120产生挠曲，可动部分110相对于固定部分130产生位移。
这样，这里所述的传感器结构具有将作用的加速度转变为可动部分110的位移的功能。本发明中用的加速度传感器通过位移检测装置检测出可动部分110的位移，从而测出所作用的加速度，在图9或图10所示的传感器结构中，通过进一步附加位移检测装置来实现本发明中的加速度传感器。关于位移检测装置的具体例子，将在§3中说明，此处说明在施加瞬间加速度时使用该传感器结构的加速度传感器的运行。
如上所述，这里所示实施例中用的传感器结构的衬底层100由硅衬底构成。而且，如图5所示，狭缝S1～S4形成在衬底层100上，通过由于加速度产生的应力而发生挠曲的连接部分120具有非常纤细的结构，施加瞬间加速度时有可能破损。为此，上述传感器结构中，在施加瞬间加速度时，设有用于控制惯性锤310位移的控制结构。
例如，考虑对图9所示的传感器结构的惯性锤310，作用图中向下方向的瞬间加速度的情况，此时，产生使惯性锤310图中向下方向移动的力，惯性锤310的底面与控制基板400的上表面接触，从而能够限制惯性锤310的位移不超过控制基板400的上表面。也就是说，在图9所示的传感器结构中，惯性锤310的底面位于距基座330的底面的上方仅为特定距离d3处，惯性锤310固定在控制基板400上时，能够确保惯性锤310的底面和控制基板400上表面之间为特定间隔。从而，惯性锤310在图中向下方向上，能够在间隔d3的范围内自由移动。不过，作用的加速度的大小超过规定的容许值时，如图11的截面图所示，通过惯性锤310的底面与控制基板400的上表面接触来控制位移。
这样，由控制基板400控制惯性锤310向下的位移，即使作用瞬间加速度时，也能防止衬底层100发生破损。从而，图9所示的特定间隔d3可称之为惯性锤310向下方向位移的自由度，此值设定在衬底层100不发生破损的安全范围内，考虑了惯性锤310向下移动多大程度的位移会导致底层100的破损。
惯性锤310图中水平方向的位移受基座330控制。例如，当将图9所示的惯性锤310强制向图中左向移动时，如图12所示，惯性锤310的侧面即与基座330的内侧面接触，从而惯性锤310的位移不超过该基座330的内侧面。因为基座330呈包围惯性锤310四周的结构，所以基座330水平方向的位移都由基座330控制。从而，图9所示的特定间隔可称之为惯性锤310水平方向位移的自由度，该值设定在衬底层100不发生破损的安全范围内，考虑了惯性锤310水平方向多大程度的位移会导致衬底层100破损。
此外，惯性锤310在图中向上方向的位移由固定部分130的内侧下表面的控制面来控制。例如，当图9所示的惯性锤310被强制向图中向上方向移动时，如图13所示，上表面周围部分与固定部分130的内侧的下表面(控制面)接触，从而，防止惯性锤位移超过该固定部分130的内侧的下表面。
这种位移控制如图13所示，不只限于使惯性锤310向垂直方向移动的作用力，如图14所示，对惯性锤310作用旋转力矩时也有效。也就是说，如图14所示，即使作用使惯性锤310倾斜的力，惯性锤310的上表面周围部分任一处接触固定部分130下表面的控制面，从而能够控制惯性锤310的位移不超过该控制面。在图14所示例子中，惯性锤310的如图中右上角所示部分与固定部分130下表面接触，如果加以更强的旋转力矩，惯性锤310的如图中左下角所示部分与控制基板400的上表面接触，也同时由控制基板400进行位移控制。此外，在实际的加速度传感器中，如果加以图中向上方向的加速度，则进行如图13所示的位移控制，当施加图中向下方向的加速度时，进行如图11所示的位移控制。不过，当加以图中水平方向的加速度时，则不进行图12所示的位移控制，而进行图14所示的位移控制。这是因为仅惯性锤310的上部通过连接部分120被支撑，水平方向的加速度对惯性锤310来说，起着旋转力矩的作用。
图5俯视图所示的呈扇状的可动部分110与图8截面图所示的呈扇状的惯性锤310比较，两者的共同点都是呈平面的扇状的结构，不过可以发现与前者的轮廓相比，后者的轮廓更宽一些。也就是说，呈通过将图5所示的可动部分110的轮廓向外部扩张得到图8所示惯性锤310的轮廓。该特征在图2的截面图中得到明显地显示。在图2中，作为底层部分300的构成元件表示的惯性锤叶片部分311左端位置，相对于上层部分100的构成元件表示的叶片部分111的左端位置偏左。因为这种位置关系，惯性锤310上表面周围部分A12(在图2中是惯性锤叶片部分311上表面左端部分)配置在与形成在固定部分130的下表面的控制面A11相对的稍下的位置上。同样作为底层部分300的构成元件表示的惯性锤叶片部分312右端位置，相对于上层部分100的构成元件表示的叶片部分112的右端位置偏右。因为这种位置关系，惯性锤310上表面周围部分A22(在图2中是惯性锤叶片部分312上表面右端部分)配置在与形成在固定部分130的下表面的控制面A21相对的稍下的位置上。
这意味着，惯性锤310即使移动到图中上方，通过上表面周围部分A12和A22与控制面A11和A21接触，控制使之不发生超过该控制面的位移，这是本发明中用的加速度传感器的本质特征。在图2的截面图中，只示出了左右两侧的控制面A11和A12，实际上，在图1 5的俯视图中用剖面线表示的控制区域A10、A20、A30和A40也进行此种控制。也就是说，在图1 5中，将相当于固定部分130下面的控制区域A10、A20、A30和A40的部分，分别称作控制面A11、A21、A31和A41，将相当于惯性锤310上面的控制区域A10、A20、A30和A40的部分，分别称为上表面周围部分A12、A22、A32和A42，控制面A11、A21、A31和A41是形成在固定部分130内侧部分的下表面的面(换言之，是形成在衬底层100下表面的各个狭缝S1～S4的外部最近区域的面)。上表面周围部分A12、A22、A32和A42是形成在惯性锤310的上表面周围部分的面。而且，因为上表面周围部分A12、A22、A32和A42，分别配置在与控制面A11、A21、A31和A41相对的位置上，所以，如上所述，能够控制与上表面周围部分A12、A22、A32和A42相对的向上方向的位移。
这样，在此所述的实施例中，通过将扇状的可动部分110的轮廓向外部扩张形成扇状的惯性锤310上表面的轮廓，惯性锤310的上表面周围部分的各处，能够依赖于控制面控制位移。
当然，在上述公报中披露的现有加速度传感器中，设有能够控制惯性锤的向上方向、水平方向和向下方向的位移的控制结构。不过，如前所述，过去，具有适合惯性锤的形状和配置的正确控制结构的加速度传感器批量生产时，存在增大制造工艺方面的技术上负担的问题。在具有本发明结构的加速度传感器中，能够大幅度减轻这种制造工艺方面的技术上的负担。以下阐述其理由。
在图2截面图中所示的传感器结构，惯性锤310的向上方向的位移，通过控制面A11和A21与上表面周围部分A12和A22的接触来控制惯性锤310的向上位移，这在前面已经阐述过。这里重点要说明的是，控制面A11和A21与上表面周围部分A12和A22之间的间隔，可根据中层部分200的厚度(惯性锤连接层210及基座连接层230的厚度)来精确地设定。换言之，惯性锤310的向上的位移自由度由中层部分200的厚度决定。这里，中层部分200是由与上层部分(衬底层)100和底层部分300不同的材料构成，即插入衬底层100和惯性锤310之间起着隔片作用的层，这样，通过采用中间插入了起着隔片作用的中层部分200的三层结构，能够时常将惯性锤310向上位移的自由度设定为固定的值(中层部分200的厚度)。从而，在通过比较简单的制造工艺批量生产的时候，每批批量都不必特别变动惯性锤位移的自由度。
此外，为了使惯性锤310能够在特定的自由度范围内向上移动，惯性锤连接层210需要插在位于惯性锤310和衬底层100之间的空间中的上表面周围部分以外的区域(图15剖面线部分表示控制区域A10、A20、A30和A40以外的区域)。在图15所示的例子中，惯性锤连接层210(叶片部分连接层211～214和中央部分连接层215：参照图7)插在图中点划线所示的位置上。将该惯性锤连接层210的厚度设定为适当的值，使之达到即使作用的加速度的大小超过容许值时，将惯性锤310向上的位移控制在特定的范围内，能够防止衬底层100的破损。
这样，本发明的特征在于，通过在衬底层100和惯性锤310之间插入起着隔片作用的惯性锤连接层210，能够将用于控制向上位移的装置准确地定位。
<<<§3.位移检测装置的具体实施例>>>
如上所述，本发明的特征在于传感器结构独特的构造，采用这种传感器结构的加速度传感器，位移检测装置无论采用什么装置都没关系。不过，在此为了参考，列举了最好应用在上述的传感器结构中的具体的位移检测装置的两个优选例子。
第一例是由配置在连接部分的压敏电阻元件和用于检测该压敏电阻元件电阻变化的检测电路构成的位移检测装置。例如，如图16俯视图所示，总计12个压敏电阻元件RX1～RX4、RY1～RY4和RZ1～RZ4形成在连接部分121、122、123和124上。这里，衬底层100采用N型的硅层，如果将P型的杂质在这里扩散，能够形成各压敏电阻元件(N型和P型之间的关系也可以相反)。压敏电阻元件具有作用应力时电阻值发生变化的性质。当可动部分110移动时，连接部分121、122、123和124根据应力能发生挠曲。所以，如果检测各压敏电阻元件的电阻值，能够识别作用在连接部分121、122、123和124的应力。能够知道可动部分110的位移，从而能够求得作用在惯性锤上的加速度的方向和大小。
从实用角度看，如图示的实施方式，连接部分121和124分别形成在可动部分110的左右两侧，左侧的连接部分121配置两个压敏电阻元件RX1和RX2，右侧的连接部分124配置两个压敏电阻元件RX3和RX4，如果总计四个压敏电阻元件RX1～RX4沿近似一条直线配置的话，通过采用该四个压敏电阻元件RX1～RX4的电桥，能够检测该四个压敏电阻元件RX1～RX4配置方向上的加速度或者与衬底层100垂直方向上的加速度。例如，以衬底层100中心位置为原点O，如图所示，图中向右方向定义为X轴，图中向左方向定义为Y轴，图纸垂直方向定义为Z轴，通过采用沿X轴方向配置的四个压敏电阻元件RX1～RX4的电桥，能够检测作用在惯性锤上的X轴方向的加速度，通过采用沿Y轴方向配置的四个压敏电阻元件RY1～RY4的电桥，能够检测作用在惯性锤上的Y轴方向的加速度，通过采用沿Z轴方向配置的四个压敏电阻元件RZ1～RZ4的电桥，能够检测作用在惯性锤上的Z轴方向的加速度。
图17示出了用于检测采用这些电桥的检测电路的电路图。由电源61、62和63向各电桥提供预定电压，通过电压计64、65和66检测各部分的电桥电压，则这些电压计64、65和66的检测电压分别表示X轴、Y轴和Z轴方向上的加速度。此外，根据本发明人的实验，替换图16所示的压敏电阻元件的配置，采用图18所示的配置(电阻元件RX3和RX4的位置与电阻元件RZ3和RZ4的位置互换)能够获得精度更高的检测值。
接着说明第二例。在第二例中，该位移检测装置包括：以特定的间隔配置在衬底层上方的辅助衬底；形成在可动部分上表面的可动电极；形成在辅助衬底下表面的固定电极；以及用于检测由可动电极和固定电极形成的电容元件的电容变化的检测电路。
例如，图19的截面图所示的例子，将辅助衬底500安装在位于图9所示的传感器结构的衬底层100的上方。以特定的间隔将该辅助衬底500的下表面配置在衬底100的上方。而且，如图20的仰视图所示，五个固定电极501、502、503、504和505形成在该辅助衬底500的下表面。图19截面图所示的辅助衬底500的截面是图20所示的辅助衬底500沿图中断开线19-19位置剖开的截面图。一方面，在可动部分110的上面设有该五个固定电极501～505，通过各固定电极501～505和与此相对的可动电极形成总计五组的电容元件C1～C5。在此基础上，从实用角度看，可动部分110的上面至少与各固定电极501～505相对的区域是具有导电性的区域，该可动部分110能够自己作为可动电极使用。这里所示的实施方式，由导电性材料(扩散高浓度的杂质的硅层)构成整个衬底层100，能够整体作为一个共用电极发挥作用。
根据这种结构，基于五组电容元件C1～C5的电容的变化，能够识别可动部分110的位移状态，从而能够求得作用在惯性锤上的加速度的方向和大小。也就是说，构成可动部分110的各叶片部分111～114和中央部分115和辅助衬底500之间的距离，能够根据电容元件C1～C5的电容值进行识别，所以，基于这些电容值的演算，能够求得作用在惯性锤上的加速度各方向上的大小。
图21是根据这种原理求得各方向上的加速度的检测电路的一个实施例的电路图。在该电路中的电容元件C1～C5是将具有导电性的可动部分110作为一方的共用接地电极，将五个固定电极501～505作为另一方的电极的电容元件，其电容值通过C/V转换器71～75转换为电压值V1～V5。进一步，通过减法器76及77，求得差分V1-V2以及差分V3-V4。这样，在输出端子Tx上得到的差分V1-V2示出了图20所示的X轴方向上的加速度值，在输出端子Ty上得到的差分V3-V4示出了图20所示的Y轴方向上的加速度值，在输出端子Tz上得到的差分V5示出了朝向图20纸面垂直上方的Z轴方向上的加速度值。
<<<§4.加速度传感器的制造方法>>>
下面参照图22及图23所示的截面图，说明上述传感器结构的制造方法的实施例。图9所示的传感器结构是根据以下所述的方法制造的。此外，图2及图3所示的截面图中的任一个都相当于图1所示的传感器结构沿断开线2-2剖开的截面。
首先，如图22(a)所示，配备从上面依次叠层第一层10、第二层20和第三层30的三层的衬底材料。这里，第一层10是用于构成上层部分100(衬底层)的层，在该实施例中是由硅构成的层，另外，第二层20是用于构成中层部分200(连接层)的层，在该实施例中是由氧化硅构成的层。第三层30是用于构成底层部分300(惯性锤及基座)的层，在该实施例中是由硅构成的层。这样，具有硅/氧化硅/硅的三层的叠层结构的材料衬底，如上所述，作为SOI衬底在市场上能够得到，实用方面，可以准备在市场上有售的SOI衬底。
在实施这里所示的制造方法方面，第一层10和第二层20需要由蚀刻特性互不同的材料构成，此外，第二层20和第三层30也需要由蚀刻特性互不同的材料构成。这是因为相对于第一层10从上面进行蚀刻时，需要将第二层20作为蚀刻的阻挡层使用，同时，相对于第三层30从下面进行蚀刻时，需要将第二层20作为蚀刻的阻挡层使用。结果，在最终得到的传感器结构中，构成衬底层100、基座330以及惯性锤310的材料，与构成惯性锤连接层210和基座连接层230的材料是由蚀刻特性不同的材料构成的。这里所示的实施例，第一层10和第三层30是由同一材料(硅)构成，当然，第一层10、第二层20和第三层30也可以由互不同的材料构成。
接着，通过对第一层10具有侵蚀性，而对第二层20没有侵蚀性的蚀刻方法，在厚度方向蚀刻所述第一层的特定区域，直到第二层20的上表面露出为止，第一层10上形成狭缝，从而将该第一层10作为具有可动部分、固定部分和连接部分的衬底层100。在这里形成的狭缝是图6所示的狭缝S1～S4。从而，在这里进行的蚀刻工序是，第一层10的上面形成相当于图6中的阴影线部分的图案的抗蚀层，垂直向下侵蚀没有被该抗蚀层覆盖的露出部分。在该蚀刻工序中，因为第二层20不被侵蚀，所以仅除去第一层10的特定区域。这样一来，图22(b)示出了使第一层10变化为衬底层100的情形。该图示出了作为可动部分110一部分的叶片部分111和112，作为连接部分120的一部分的连接部分122，以及固定部分130。这些部分通过蚀刻形成狭缝S1～S4(图中仅示出了S1和S2)而得到。
接着，为了使惯性锤部分的厚度小于基座部分的厚度，除去应该成为第三层30的惯性锤区域的底层部分。此处所进行的蚀刻工序是，在第三层30的下面形成具有相当于图8中的基座330区域的图案的抗蚀层，垂直向上侵蚀没有被该抗蚀层覆盖的露出部分。图22(c)示出了经过这种处理后，第三层30变化为第三层35的情形。第三层35的底部因为通过蚀刻除去了底层部分，形成空隙部分V。该空隙部分V的高度规定为图9中的尺寸d3，从而设定惯性锤310向下方向的位移自由度。空隙部分V的高度根据调节蚀刻时间，能够控制在希望的设定值上。
接着，通过对第三层35具有侵蚀性，而对第二层20没有侵蚀性的蚀刻方法，在厚度方向蚀刻第三层35的特定区域，直到第二层20的下表面露出为止，将第三层35隔离成惯性锤310和基座330。这里所进行的蚀刻工序是，在第三层35的下面形成具有相当于图8中的阴影部分的图案的抗蚀层，使该抗蚀层没有覆盖的露出部分，即相当于沟槽部分G1和G2部分垂直向上侵蚀。在该蚀刻工序中，因为对第二层20没有侵蚀性，所以能够仅除去第三层35的特定区域。这样一来，图23(a)示出了将第三层35变化为由惯性锤310和基座330构成的底层部分300的情形。形成沟槽部分G1和G2，在这部分中，第二层20的下表面被暴露。这里，重要的是，相对于形成在衬底层100上的狭缝S1和S2的位置，沟槽部分G1形成在其外部。这正如以上所述，因为与构成衬底层100上的可动部分110的呈扇状的结构相比，构成底层部分300的惯性锤310的呈扇状的结构具有大一圈儿的轮廓。据此，惯性锤310的上表面周围部分是与形成在固定部分130下表面的控制面相对的结构，能够控制惯性锤310向上的位移。
接着，通过对第二层20具有侵蚀性，而对第一层10没有侵蚀性的蚀刻方法，从其露出部分在厚度方向及层方向上蚀刻第二层20，由残余部分构成惯性锤连接层210和基座连接层230。这里所进行的蚀刻工序不需要再另外形成抗蚀层，也就是说，如图23(a)所示，作为第一层10的残余部分的上层部分(衬底层)100，和作为第三层30的残余部分的底层部分300，分别起着与第二层20相对的抗蚀层的作用，蚀刻第二层20的露出部分，即形成狭缝S1～S4以及沟槽部分G1和G2的区域。此外，在这里，对第二层20不仅在厚度方向，层方向上也采用侵蚀的蚀刻法。其结果，如图23(b)所示，通过蚀刻除去第二层20中的狭缝S1～S4形成区域的附近部分和沟槽部分G1和G2形成区域的附近部分，从而形成惯性锤连接层210(图中仅示出叶片部分连接层211和212)和基座连接层230。
最后，若将控制基板400(在该实施例中为玻璃基板)连接在基座330的底面上的话，则能够得到如图23(c)所示的结构。这正是图9所示的传感器结构。此外，在图23(c)所示的结构中，因为通过蚀刻工序形成惯性锤连接层210和基座连接层230，所以构成中层部分200的这些各连接层的端面呈弧面，不会产生任何连接衬底层100和底层部分300功能上的障碍。
在以上的制造工序中，通过垂直向下蚀刻第一层10以形成衬底层100的工序(图22(b))，以及通过垂直向上蚀刻第三层35以形成底层部分300的工序(图23(a))，都需要进行满足两个条件的蚀刻法。第一个条件是在各层厚度方向上具有方向性的蚀刻法，第二个条件是对硅层具有侵蚀性，而对氧化硅层不具有侵蚀性的蚀刻。第一个条件是用于形成具有特定尺寸宽度的狭缝或沟槽的必要条件，第二个条件是用于将由氧化硅构成的第二层20作为蚀刻阻挡层使用的必要条件。
要进行满足第一个条件的蚀刻，最好采用感应耦合等离子体蚀刻法(ICP蚀刻法：Induced Coupling Plasma Etching Method)。该蚀刻法是用于在垂直方向形成深度沟槽时的有效方法。一般地，是被称为DRIE(Deep Reactive Lon Etching)蚀刻方法的一种。该方法的特征在于交替重复地在厚度方向侵蚀材料层的同时继续蚀刻的蚀刻步骤，和在蚀刻的孔的侧面形成聚合物壁的沉积步骤。因为依次形成的聚合物壁保护蚀刻的孔的侧面，所以能够仅在几乎厚度方向进行蚀刻。另一方面，要进行满足第二个条件的蚀刻，最好采用在氧化硅和硅之间具有可选择性的蚀刻材料。
本发明人在现实中的以下条件下进行满足该两个条件的蚀刻，得到了较好的结果。也就是说，采用该感应耦合等离子体蚀刻法，通过以下具体的条件，交替重复地进行蚀刻步骤和沉积步骤。首先，将被蚀刻的材料放在低压的容器内，在蚀刻步骤，向容器内供给100sccm的SF6气体和10sccm的O2，在沉积步骤，向容器内供给100sccm的C4F8气体。以10秒为一个周期分别反复交替进行蚀刻步骤和沉积步骤，以3μm/min左右的蚀刻速率进行蚀刻。该蚀刻法可以使用在譬如在第三层30的底层形成空隙部V的工序中。当然，本发明中的制造方法，并不限于仅仅是采用上述蚀刻方法的方法。
另一方面，在对第二层20的蚀刻工序(图23(b))中，需要进行满足以下两个条件的蚀刻法。第一个条件是在各层厚度方向上及层方向上都具有方向性的蚀刻法，第二个条件是对氧化硅层具有侵蚀性，而对硅层不具有侵蚀性的蚀刻法。第一个条件是用于不在不需要的部分上残存连接层以妨碍惯性锤的位移自由度的必要条件，第二个条件是用于防止侵蚀由已经被蚀刻为上述特定形状的硅构成的衬底层100和底层部分300的必要条件。
本发明人在现实中的以下条件下进行满足这两个条件的蚀刻，得到了较好的结果。也就是说，以缓冲氟酸(HF∶NH4F＝1∶10的混合液)作为蚀刻液，通过将蚀刻对象物在该蚀刻液中浸渍三十分钟，再进行蚀刻。或者，采用CF4气体和O2气体的混合气体RIE法的干蚀刻法，也可以得到同样良好的效果。当然，本发明中的制造方法，并不限于仅仅是采用上述蚀刻方法的方法。
上述制造方法的优点在于，即使蚀刻时的温度、压力、气体浓度和蚀刻时间等的条件有一些变动，衬底层100和底层部分300之间的间隔也不会改变。也就是说，两者的间隔，相当于如图9所示的间隔尺寸d2，是设定惯性锤310向上方向的位移自由度的距离，该间隔通常由中层部分200的厚度决定，不受蚀刻条件的影响。为此，如果用本发明中的制造方法批量生产加速度传感器，则至少在惯性锤向上的位移自由度上，每组都能够设定不变动的正确尺寸。
<<<§5.几个变形例>>>
最后，说明本发明中的传感器结构的变形例。在上述实施例中，在图15阴影线部分所示的控制面A10、A20、A30和A40上，固定部分130一侧的控制面A11、A21、A31和A41和惯性锤310一侧的上表面周围部分A12、A22、A32和A42彼此相对，从而进行位移控制。不过，当是非常小型的传感器结构时，控制区域A10、A20、A30和A40的宽度极小，所以狭缝S1～S4的位置和惯性锤310的位置之间会产生尺寸误差，此时有可能不能正确形成这些控制区域。例如，在图15中，当狭缝S1～S4的位置整个倾斜偏向左上方时，由于狭缝S1的移动，图示的控制区域A10面积减少，相反，由于狭缝S4的移动，图示的控制区域A40面积增加。从而，当偏移量超过某个程度时，控制区域A10完全消失，失去位于图中左上部分的位移控制功能。
特别地，在§4中所述的制造工序中，因为能利用蚀刻形成各部分的结构，所以不能完全确保蚀刻的位置精度，这样有可能发生上述的偏移。批量生产加速度传感器时，需要作为次品排除由于蚀刻处理不良等导致的位移控制功能不完全的一批传感器结构。不过，图15所示的传感器结构，从外观上很难确认位移控制功能正常否。也就是说，只看图15的俯视图，惯性锤310通过狭缝S1～S4只露出其中的一部分，不能目视确认隐藏在固定部分130的背面的图示的控制区域A10、A20、A30和A40。
这里所述的第一变形例，是用于解决该课题的实施例。在这个变形例中，取代图6的截面图所示的上层部分100的是采用图24的截面图所示的上层部分100A。该上层部分100A的特征在于，在狭缝S1、S2、S3和S4的周围分别形成爪状狭缝S11～S14、S21～S24、S31～S34和S41～S44。这些爪状狭缝起着惯性锤310的轮廓位置的目测确认窗的作用。图25是采用该上层部分100A的传感器结构的俯视图。同图15一样，进行蚀刻的控制区域A10、A20、A30和A40是发挥着位移控制的功能的区域。不过，与图15所示的结构相比，在图25所示的结构中，因为形成爪状狭缝，能够目测确认惯性锤310的轮廓位置。例如，如果看图示的爪状狭缝S11和S12的内部，能确认惯性锤叶片部分311左侧的轮廓位置。
图26是图25中的爪状狭缝S11周边的扩大俯视图。如图所示，如果从上面往下看爪状狭缝S11的内部，能确认惯性锤叶片部分311位于右侧，沟槽部分G1位于左侧。在此示出了两者的轮廓线位于惯性锤叶片部分311左侧的轮廓位置。从而，如果往下看分散配置在上层部分100A上的各爪状狭缝的里面，能识别惯性锤310的整体轮廓位置，可判断控制区域A10、A20、A30和A40能否正确形成。当然如果是非常小型的传感器结构，通过采用显微镜等的光学装置扩大，也可进行同样的判断。如图25所示，通过设置爪状狭缝，控制区域的面积虽然减少一些，但不产生任何位移控制功能上的障碍。这样一来，本发明中形成在惯性锤的“上表面周围部分”和固定部分下表面的“控制面”不需要呈完全包围惯性锤周围状配置，也可以都分散地配置在能够有效控制惯性锤位移的部位上。
接着说明的第二变形例是使控制区域的面积变得更小的实施例。在该实施例中，取代图6的截面图所示的上层部分100的是采用图27所示的上层部分100B，取代图7所示的中层部分200的是采用图28所示的中层部分200B，取代图8所示的底层部分300的是采用图29所示的底层部分300B(所有图都是平行于层表面剖开的横截面图)。
首先，当观测图27所示的上层部分100B时，就会知道形成了四个狭缝SS1～SS4。但是，这些狭缝不是正方形的形状，而是近似八角形的形状。都不是完全环状的八角形，在接近于上层部分100B的中央部分具有开口部分。换言之，该狭缝SS1～SS4可以说是削掉了形成在图6所示的上层部分100上的正方形狭缝S1～S4中的三个角所形成的形状。实际上，该被削掉角的部分发挥着控制面的功能。另一方面，图28所示的中层部分200B由配置在中央部分五处的惯性锤连接层210B(叶片部分连接层211B～214B以及中央部分连接层215B)，和包围其周围的基座连接层230B构成。叶片部分连接层211B～214B的形状符合狭缝SS1～SS4的形状，为削掉角的形状(可在进行§4中的蚀刻工序时形成此种形状)。此外，图29所示的底层部分300B由呈扇状的惯性锤310B(惯性锤叶片部分311B～314B以及惯性锤中央部分315B)，和包围其周围的基座330B构成，两者被沟槽部分GG1和GG2隔离。
在这里，比较惯性锤连接层210B和惯性锤310B的平面形状，图29所示的惯性锤叶片部分311B～314B呈正方形的形状，与此相对，图28所示的叶片部分连接层211B～214B呈削掉正方形三个角的形状。实际上，构成惯性锤叶片部分311B～314B的正方形的各自三个角的部分发挥着上表面周围部分的功能，而叶片部分连接层211B～214B因为呈与该上表面周围部分的区域相错的形状，所以能够确保上表面周围部分和控制面之间的间隔为d2(中层部分200B的厚度)，惯性锤310B能在间隔d2的自由度的范围内向上方向移动。
图30是叠层上层部分100B、中层部分200B和底层部分300B的传感器结构的俯视图(用虚线表示底层部分300B，图中省略了中层部分200B)，不过，图中的下半部分示出了除去上层部分100B和中层部分200B的状态(即底层部分300B的上表面状态)。通过该图，能识别形成在上层部分100B上的各狭缝SS1～SS4和惯性锤310B之间的平面位置关系。图中剖面线的区域是控制区域，位于上层部分100B下表面的控制区域为“控制面”，位于惯性锤310B上表面的控制区域为“上表面周围部分”。例如如果观测狭缝SS1和位于其下的惯性锤叶片部分311B之间的位置关系，就会知道正方形形状的惯性锤叶片部分311B如图所示，由三处控制区域AA1、AA2和AA3控制位移。四个惯性锤叶片部分311B～314B都由三处控制区域控制其位移。这样，本发明中的“与控制面相对的上表面周围部分”不必在惯性锤310的上表面的周围全区域上设置，象在图30的蚀刻区域一样，在其一部分上设置就足够了。连接部分120B在比较固定的时候，也能再减少控制区域的数量。例如，在图30所示的例子中，狭缝SS1的周围设有三个控制区域AA1、AA2和AA3，也能将此减少为只有一个控制区域AA2。
图31是将图30所示的传感器结构沿图中断开线31-31的位置剖开的截面图。如图所示，底层部分300B形成在上层部分100B一侧的狭缝SS1和SS2的稍下方，只观测该截面图，没有显示出惯性锤310B的位移由固定部分130B的下表面控制的结构。不过，如果是将图30所示的结构沿相当于正方形对角线的倾斜45°位置的断开线剖开的截面，就易理解在相当于控制区域AA2的部分上，惯性锤310B的上表面周围部分的位移由固定部分130B的下表面的控制面控制的结构。
以上所述，根据本发明中的加速度传感器及其制造方法，能够容易实现用于限制惯性锤位移的精密控制结构。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化和等同物由权利要求书的内容涵盖。
附图标记说明
10  第一层(硅层)
20  第二层(氧化硅层)
30  第三层(硅层)
35  第三层(硅层)
61～63  电源
64～66  电压计
71～75  C/V转换器
76，77  减法器
100，100A，100B  上层部分(由硅组成衬底层)
110，110B  可动部分
111～114  叶片部分
115  中央部分
120，120B  连接部分
121～124  连接部分
130，130B  固定部分
200，200B  中层部分(由氧化硅构成连接层)
210，210B  惯性锤连接层
211～214，211B～214B  叶片部分连接层
215，215B  中央部分连接层
230，230B  基座连接层
300，300B  底层部分(由硅构成惯性锤及基座层)
310，310B  惯性锤
311～314，311B～314B  惯性锤叶片部分
315，315B  惯性锤中央部分
330，330B  基座
400  控制基板(玻璃基板)
450  装置机壳
460  盖板
500  辅助衬底
501～505  固定电极
A10，A20，A30，A40  控制区域
A11，A21，A31，A41  控制面
A12，A22，A32，A42  惯性锤的上表面周围部分
AA1，AA2，AA3  控制区域
C1～C5  电容元件
d1～d3  间隔尺寸
G1，G2，GG1，GG2  沟槽部分
Rx1～Rx4，Ry1～Ry4，Rz1～Rz4  压敏电阻元件
S1～S4，SS1～SS4  近似环状的狭缝
S11～S14，S21～S24，S31～S34，S41～S44  爪状狭缝
Tx，Ty，Tz  输出端子
V  间隔部分
V1～V5  电压

Claims (21)

1.一种加速度传感器，其特征在于包括：
衬底层，其具有设置在中央部分的可动部分；设置在所述可动部分周围的固定部分；将所述可动部分相对于所述固定部分呈可移动状态的连接部分；
惯性锤，其配置在所述衬底层下面，具有与形成在所述固定部分内侧部分下表面的控制面相对的上表面周围部分；
基座，其围着所述惯性锤的周围配置，从下面支撑并固定所述固定部分；
惯性锤连接层，其插入所述惯性锤和所述衬底层之间的空间里的所述上表面周围部分以外的区域，并由与所述惯性锤以及所述衬底层不同的材料构成，将所述惯性锤连接在所述可动部分的下表面；以及
位移检测装置，用于检测所述可动部分的位移；
其中，当加速度作用在所述惯性锤上时，根据所述连接部分产生的挠曲，所述可动部分相对于所述固定部分移动，设定所述惯性锤连接层的厚度，以使当作用的加速度在特定方向上的大小超过规定的容许值时，通过所述上表面周围部分与所述控制面发生接触来控制位移。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：
在所述基座和所述固定部分之间，设有由和所述惯性锤连接层相同的材料构成的基座连接层，通过所述基座连接层，所述基座和所述固定部分相连接。
3.根据权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于：
构成所述衬底层、所述基座和所述惯性锤的材料，与构成所述惯性锤连接层和所述基座连接层的材料，由相互蚀刻特性不同的材料组成。
4.根据权利要求1至3中任一所述的加速度传感器，其特征在于：通过在所述衬底层上形成狭缝，所述衬底层的各部分作为可动部分、固定部分和连接部分起作用。
5.根据权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于：
部分上形成具有开口部分的呈环形的多个狭缝，各自的开口部分朝向所述衬底层中心配置；
将由各个环形狭缝包围的部分作为叶片部分的呈风机的扇状的结构作为可动部分，将形成在相互邻接的一对狭缝之间的部分作为连接部分，将位于比所述多个狭缝外包络线更外的位置上的衬底层的周边部分作为固定部分。
6.根据权利要求5所述的加速度传感器，其特征在于：
将沿着近似正方形的轮廓形成，在相当于所述正方形的一个顶点部分上具有开口部分的四组相似的狭缝，对称地配置在呈近似正方形的所述衬底层上。
7.根据权利要求5或6所述的加速度传感器，其特征在于：
为了能够由在衬底层下表面的多个狭缝的外包络线的外部最近区域上形成的控制面，控制惯性锤的上表面周围部分的位移，惯性锤上表面的轮廓，呈将构成可动部分的结构的轮廓向外侧扩张的形状。
8.根据权利要求7所述的加速度传感器，其特征在于：
所述惯性锤连接层包括：中央部分连接层，其在扇状的中央部分的位置上连接可动部分和惯性锤；以及各个叶片部分连接层，其在扇状的各个叶片部分的位置上连接可动部分和惯性锤。
9.根据权利要求1至8中任一所述的加速度传感器，其特征在于：
设定所述惯性锤侧面和所述基座内侧面之间的间隔，以使当作用的加速度在特定方向上的大小超过规定的容许值时，通过所述惯性锤的侧面与所述基座的内侧面接触来控制位移。
10.根据权利要求1至9中任一所述的加速度传感器，其特征在于：
设定所述惯性锤的厚度，以使所述惯性锤底面位于所述基座底面的上方仅距特定距离处，当所述基座固定在控制基板上时，可确保所述惯性锤底面和所述控制基板上表面之间的特定间隔；
设定所述特定间隔，以使当作用的加速度在特定方向上的大小超过规定的容许值时，通过所述惯性锤底面与所述控制基板上表面接触来控制位移。
11.根据权利要求1至10中任一所述的加速度传感器，其特征在于：
位移检测装置包括：压敏电阻元件，其配置在连接部分上；以及检测电路，用于检测所述压敏电阻元件的电阻变化。
12.根据权利要求11所述的加速度传感器，其特征在于：
在所述可动部分的左右两侧分别形成左右连接部分，在所述左右连接部分上分别各设有两个压敏电阻元件，共计四个压敏电阻元件沿近似一条直线配置，由采用所述四个压敏电阻元件的电桥构成所述检测电路。
13.根据权利要求1至10中任一所述的加速度传感器，其特征在于：
位移检测装置包括：辅助衬底，其以规定间隔配置在所述衬底层的上面；可动电极，其形成在所述可动部分的上表面；固定电极，其形成在所述辅助衬底的下表面；以及检测电路，用于检测由所述可动电极和所述固定电极形成的电容元件的电容变化。
14.根据权利要求13所述的加速度传感器，其特征在于：
至少在与上面的固定电极相对的区域上配备具有导电性的可动部分，将所述可动部分自身作为可动电极使用。
15.一种制造权利要求2所述的加速度传感器的方法，其特征在于包括：
制备步骤，从上依次制备叠层第一层、第二层和第三层的三层材料衬底；
衬底层形成步骤，其通过对所述第一层具有侵蚀性，而对所述第二层没有侵蚀性的蚀刻方法，在厚度方向蚀刻所述第一层的特定区域，直到所述第二层的上表面露出为止，在所述第一层上形成狭缝，将所述第一层作为具有可动部分、固定部分和连接部分的衬底层；
惯性锤/基座隔离步骤，通过对所述第三层具有侵蚀性，而对所述第二层没有侵蚀性的蚀刻方法，在厚度方向蚀刻所述第三层的特定区域，直到所述第二层下表面露出为止，将第三层隔离为惯性锤和基座；
连接层形成步骤，通过对所述第二层具有侵蚀性，而对所述第一层没有侵蚀性的蚀刻方法，从其露出部分开始在厚度方向及层方向蚀刻所述第二层，由残存部分构成惯性锤连接层及基座连接层。
16.根据权利要求15所述的加速度传感器制造方法，其特征在于：
在所述衬底层形成步骤，部分上形成具有开口部分的呈环形的多个狭缝，各自的开口部分朝向所述第一层的中心配置；
由所述各环形狭缝包围的部分作为叶片部分的呈风机的扇状的结构形成可动部分，由形成在相互邻接的一对狭缝之间的部分形成连接部分，由位于比所述多个狭缝的外包络线更外的位置上的所述第一层的外围部分形成固定部分。
17.根据权利要求16所述的加速度传感器制造方法，其特征在于：
在所述惯性锤/基座隔离步骤，在比所述第一层上形成的所述多个狭缝的外包络线更外的位置上，进行隔离惯性锤和基座的蚀刻，形成具有将构成所述可动部分的结构的轮廓向外侧扩张的轮廓形状的惯性锤，能由形成在所述第一层下表面的多个狭缝的外包络线的外部最近区域上的控制面，控制所述惯性锤上表面周围部分的位移。
18.根据权利要求15至17中任一所述的加速度传感器的制造方法，其特征在于还包括：
厚度调整步骤，蚀刻除去应该成为所述第三层的惯性锤的区域的下层部分，以使所述惯性锤部分的厚度比所述基座部分的厚度小；以及
控制基板连接步骤，将控制基板连接在所述基座底面上。
19.根据权利要求15至18中任一所述的加速度传感器的制造方法，其特征在于：
所述第一层和所述第三层由同一材料构成。
20.根据权利要求19所述的加速度传感器的制造方法，其特征在于：
由硅构成所述第一层及所述第三层，由氧化硅构成所述第二层。
21.根据权利要求15至20中任一所述的加速度传感器的制造方法，其特征在于：
在所述衬底层形成步骤及所述惯性锤/基座隔离步骤，通过采用感应耦合等离子体蚀刻法，在厚度方向进行蚀刻。
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