專利名稱：半導(dǎo)體加速感測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加速感測器，尤其是一種制作成本較低、并可避免漏電流的產(chǎn)生、以期符合市場需求的半導(dǎo)體加速感測器(semiconductoracceleration sensor)，。
背景技術(shù)：
加速感測器已廣泛的應(yīng)用于地震儀、車用安全汽囊、遙控設(shè)備(robotics)等領(lǐng)域中。一般而言，測量加速的原理與方法有許多，針對不同領(lǐng)域的應(yīng)用或特別需求而有不同的設(shè)計方法與考量。目前，加速感測器的設(shè)計方法主要包括壓阻式(piezoresistive)、壓電式(piezoelectric)、電容式(capacitive)以及半導(dǎo)體感測器等。
由于各種加速感測器尺寸方面的大幅縮小以及工藝、組裝和操作上的限制，出現(xiàn)了一種新的微加工技術(shù)(micromachining technology)，可應(yīng)用于制造各種微感測元件(microsensor)及微致動器(microactuator)，并與微電子電路整合后可構(gòu)成微系統(tǒng)(microsystem)，通稱為微機電系統(tǒng)(microelectro-mechanical system，MEMS)。MEMS具有微小化、可大規(guī)模生產(chǎn)(batchproduction)以降低成本的優(yōu)點，且可與信號處理電路同時制作于硅晶片上以形成單片(monolithic)元件，這對于感測器尤為重要，因為感測器微弱的輸出信號可就近放大處理，以避免外界的電磁干擾，且可利用信號處理電路先進行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(analog-to-digital，A/D)后，再輸送到中央處理單元，因此可提高信號可靠度，減少連線數(shù)與中央控制系統(tǒng)的負擔。由于尺寸方面的大幅縮小以及工藝、組裝和操作上的限制，利用MEMS所制作的加速感測器的靈敏度及制作成本都優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，近幾年來的發(fā)展相當快。而在各種驅(qū)動方式中，由于壓阻式具有高輸出電壓與高靈敏度等優(yōu)點，而壓電式具有高靈敏度、低電磁干擾、低功率散逸、具有機電能互換的能力、能量密度高、動作反應(yīng)快以及對環(huán)境敏感度低等優(yōu)點，因此在微機電的領(lǐng)域中，以這兩種形式所制作的微型感測器和微型致動器很受重視。
請參考圖1，圖1為已知壓阻式半導(dǎo)體加速感測器10的剖面示意圖。如圖1所示，其主要包括已蝕刻的半導(dǎo)體基底(etched semiconductorsubstrate)12，例如單晶硅基底或硅覆絕緣(silicon-on-insulator，SOI)基底，且已蝕刻的半導(dǎo)體基底12包括梁狀部分(beam section)14、用來支撐梁狀部分14的固定(anchor)部分16，設(shè)置于梁狀部分14的邊緣的重量(weight)部分18，以及至少一個設(shè)置于梁狀部分14內(nèi)的壓電電阻(piezoresistor)20，用作半導(dǎo)體加速感測器10的感測元件。此外，半導(dǎo)體加速感測器10還包括設(shè)置于半導(dǎo)體基底12內(nèi)的控制電路22，其與梁狀部分14與電壓電阻20電連接，控制電路22主要包括互補式金氧半導(dǎo)體(CMOS)、放大電路或邏輯電路(皆未顯示于圖1中)等，其功用在于接收、處理并傳送壓電電阻20所輸出的信號。
一般，已蝕刻的半導(dǎo)體基底12是利用蝕刻液(etchant)，例如氫氧化鉀(potassium hydroxide，KOH)對半導(dǎo)體基底的背面進行各項異性蝕刻，以形成工藝所需的梁狀部分14與重量部分18的面積與厚度，此外，重量部分18也可根據(jù)工藝需求另外設(shè)置于梁狀部分18的邊緣上。而形成壓電電阻20的方法主要是利用擴散法或離子布植工藝，將硼(boron，B)植入梁狀部分14內(nèi)，由于梁狀部分為單晶硅晶格結(jié)構(gòu)，因此可形成p-n接面(junction)，此p-n接面即為壓阻元件，可以用來感測壓力變化。
當垂直方向的加速力(acceleration force)施加于已知的壓阻式半導(dǎo)體加速感測器10時，此時由于梁狀部分14的重量部分18較重，因此會產(chǎn)生彎曲模式的振動(flexural vibration)，而設(shè)置于梁狀部分14內(nèi)的壓電電阻20也因此產(chǎn)生形變，同時造成壓電電阻20的電阻值改變，接著再利用控制電路22進行信號處理，例如將信號放大、進行溫度補償(temperature compensation)等，并將接收到的電阻值變化量轉(zhuǎn)化為差動信號(differential signal)輸出，以測量出與待測加速力成正比的電阻變化量，其數(shù)值會對應(yīng)于待測加速力的大小。
此外，當壓電電阻20的材料更換為壓電薄膜(piezoelectric thin film)，例如氧化鋅(ZnO)時，此半導(dǎo)體加速感測器即為壓電式半導(dǎo)體加速感測器。該壓電式半導(dǎo)體加速感測器主要是利用壓電效應(yīng)來驅(qū)動，當垂直的加速力施加于該壓電薄膜時，該壓電薄膜的兩端會隨伴產(chǎn)生與加速力大小成比例的電荷量，通過測量此電荷變化量，即可得知待測加速力的大小。
然而已知的不論是壓阻式或壓電式半導(dǎo)體加速感測器10均為單晶硅一體成型的結(jié)構(gòu)，雖然使用單晶硅所構(gòu)成的感測器靈敏度較高，然而其原材料與制造成本也較高。此外，由于已知利用摻雜法或離子植入工藝所形成的壓電電阻與單晶硅的梁狀部分之間有接合處，因此產(chǎn)生漏電流的機率較高，容易影響感測器的正常操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種制作成本較低的半導(dǎo)體加速感測器，并可減少上述漏電流問題的產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供一種半導(dǎo)體加速感測器(semiconductoracceleration sensor)，包括非單晶硅基底；梁狀結(jié)構(gòu)，其具有可動端(movablesection)與固定端；至少一個設(shè)置于該梁狀結(jié)構(gòu)上的壓電電阻(piezoresistor)；設(shè)置于該非單晶硅基底上的支承構(gòu)件(supporter)，用來固定該梁狀結(jié)構(gòu)的固定端，使得該梁狀結(jié)構(gòu)與該非單晶硅基底之間相隔一距離；以及，薄膜晶體管管(thin film transistor，TFT)控制電路，其設(shè)置于該非單晶硅基底上并與該壓電電阻和該梁狀結(jié)構(gòu)電連接。
由于本發(fā)明的半導(dǎo)體加速感測器制作于非單晶硅基底，例如玻璃基底或其他絕緣基底上，因此可大幅降低原材料的成本。此外，本發(fā)明利用多晶硅材料作為壓電電阻，可有效避免已知的漏電流問題的產(chǎn)生，從而提高感測器的靈敏度與準確度。


圖1為已知半導(dǎo)體加速感測器的剖面示意圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體加速感測器的剖面示意圖。
具體實施例方式
請參考圖2，圖2為本發(fā)明半導(dǎo)體加速感測器30的剖面示意圖。如圖2所示，本發(fā)明的半導(dǎo)體加速感測器30主要包括非單晶硅基底32；電性絕緣的懸臂梁(cantilever)結(jié)構(gòu)34，其包括具有可動端與固定端的梁狀部分36與設(shè)置于非單晶硅基底32上、并和梁狀部分36的固定端相連的支承構(gòu)件38，重量部分40設(shè)置于懸臂梁結(jié)構(gòu)34的邊緣上；至少一個設(shè)置于懸臂梁結(jié)構(gòu)34的梁狀部分36上的壓電電阻42；以及控制電路，例如薄膜晶體管(thin film transistor，TFT)控制電路44，其設(shè)置于非單晶硅基底32表面并電連接于懸臂梁結(jié)構(gòu)34與壓電電阻42，其用以接收、處理并傳送壓電電阻42輸出的信號。其中，當使用壓電電阻42作為感測元件時，本發(fā)明提供一種壓阻式半導(dǎo)體加速感測器，將壓電電阻42置換為壓電薄膜(未顯示于圖2中)以作為感測元件時，本發(fā)明是提供一種壓電式半導(dǎo)體加速感測器。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，非單晶硅基底32由玻璃(glass)構(gòu)成，由于玻璃的熔點較低，為避免后續(xù)形成的TFT控制電路44因溫度過高而對非單晶硅基底32造成影響，本發(fā)明的TFT控制電路44需要是低溫多晶硅(lowtemperature polysilicon，LTPS)TFT控制電路。然而本發(fā)明并不局限于此，本發(fā)明的非單晶硅基底32也可由石英構(gòu)成，由于石英的熔點較高，因此本發(fā)明的TFT控制電路44也可為高溫多晶硅TFT控制電路。此外，本發(fā)明的懸臂梁結(jié)構(gòu)34的梁狀部分36、支承構(gòu)件38以及重量部分40可一體成型，也可以分開制作，視工藝需求的設(shè)計而定，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)34與重量部分40的材料可以為電性絕緣材料，例如二氧化硅。此外，形成壓電電阻42的材料包括摻雜(doped)多晶硅，形成壓電電阻42的方法包括電子槍蒸鍍(e-beam evaporation)或無線電頻濺鍍(RF sputtering)等，形成該壓電薄膜的材料包括氧化鋅(ZnO)、鈦酸鋇陶瓷(BaTiO3)或鈦酸鉛鉻陶瓷(PbZrTiO3，PZT)，而形成該壓電薄膜的方法包括電子槍蒸鍍、無線電頻濺鍍、溶凝膠法(sol-gel)或有機金屬沉積法(metallo-organic decomposition，MOD)等，其中MOD法可制作出厚度較厚、表面性質(zhì)及壓電特性較好的壓電薄膜。
同樣地，本發(fā)明的壓阻式半導(dǎo)體加速感測器30是一種利用壓電電阻42的電阻值變化量來測量待測加速力的感測器，而壓電式半導(dǎo)體加速感測器則為一種利用壓電效應(yīng)驅(qū)動的共振力感測器(resonant force sensor)結(jié)構(gòu)，其主要利用壓電薄膜作為轉(zhuǎn)換器(transducer)，以作為梁狀部分36的振動驅(qū)動與感測的部分，并可利用改變壓電薄膜面積的配置來實現(xiàn)感測器電器特性的優(yōu)化，以減少電氣干涉(electrical crosstalk)的影響。而本發(fā)明的半導(dǎo)體加速感測器30的操作方式與已知感測器相同，在此不另贅述。
值得注意的是，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，控制電路44設(shè)置于玻璃基底32上，然而本發(fā)明應(yīng)用并不局限于此，本發(fā)明的控制電路44亦可以設(shè)于印刷電路板(printed circuit board，PCB，未顯示于圖2中)上，再利用柔性印刷電路板(FPC board，未顯示于圖2中)電連接控制電路44、懸臂梁結(jié)構(gòu)34以及壓電電阻42。此外，控制電路44，例如包括多個集成電路晶片(integrated circuit chip，IC chip)，也可以直接設(shè)置于柔性印刷電路板上，再利用該柔性印刷電路板電連接控制電路44、懸臂梁結(jié)構(gòu)34以及壓電電阻42。此外，本發(fā)明的非單晶硅基底32表面還可包括TFT顯示區(qū)域(display area，未顯示于圖2中)，用來顯示本發(fā)明的半導(dǎo)體加速感測器30測到的壓力變化值，以方便使用者觀察與測量。
和已知的半導(dǎo)體加速感測器相比，本發(fā)明的壓阻式或壓電式半導(dǎo)體加速感測器制作于玻璃基底或其他絕緣基底上，因此可以大幅降低原材料的成本。此外，本發(fā)明以多晶硅材料或其他壓電材料作為壓電電阻，并利用鍍覆方式形成于梁狀部分上，因此可得到較好的壓電系數(shù)，且其彎曲的幅度也較大，不但可避免產(chǎn)生已知的接面漏電流問題，更可有效地提高感測器的靈敏度與準確度。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體加速感測器，包括非單晶硅基底；電性絕緣的梁狀結(jié)構(gòu)，其具有可動端與固定端；至少一個壓電電阻，其設(shè)置于該梁狀結(jié)構(gòu)上；電性絕緣的支承構(gòu)件，其設(shè)置于該非單晶硅基底上，用來固定該梁狀結(jié)構(gòu)的該固定端，使得該梁狀結(jié)構(gòu)與該非單晶硅基底之間相隔一定距離；以及薄膜晶體管控制電路，其設(shè)置于該非單晶硅基底上并電連接于該壓電電阻與該梁狀結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該非單晶硅基底是玻璃基底。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該薄膜晶體管控制電路是低溫多晶硅薄膜晶體管控制電路。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該非單晶硅基底是石英基底。
5.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該薄膜晶體管控制電路是高溫多晶硅薄膜晶體管控制電路。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該梁狀結(jié)構(gòu)與該支承構(gòu)件一體成型。
7.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該梁狀結(jié)構(gòu)與該支承結(jié)構(gòu)都包括二氧化硅。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該壓電電阻包括摻雜多晶硅。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該壓電電阻壓電薄膜。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該壓電薄膜硅包括氧化鋅、鈦酸鋇陶瓷或鈦酸鉛鉻陶瓷。
11.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該非單晶硅基底表面還包括TFT顯示區(qū)域，用以顯示該半導(dǎo)體加速感測器測到的壓力變化值。
12.一種半導(dǎo)體加速感測器，包括絕緣基底；絕緣懸臂梁狀結(jié)構(gòu)，其設(shè)置于該絕緣基底表面上，具有可動端，且該可動端與該絕緣基底之間相隔一定距離；至少一個壓電電阻，其設(shè)置于該懸臂梁狀結(jié)構(gòu)上；以及控制電路，其電連接于該壓電電阻與該絕緣懸臂梁狀結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該絕緣懸臂梁狀結(jié)構(gòu)包括二氧化硅。
14.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該壓電電阻包括摻雜多晶硅。
15.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該壓電電阻是壓電薄膜。
16.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該壓電薄膜硅包括氧化鋅、鈦酸鋇陶瓷或鈦酸鉛鉻陶瓷。
17.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該絕緣基底是玻璃基底。
18.如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該控制電路設(shè)置于該玻璃基底上，且該控制電路包括低溫多晶硅薄膜晶體管控制電路。
19.如權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該絕緣基底是石英基底。
20.如權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該控制電路設(shè)置于該石英基底上，且該控制電路包括高溫多晶硅薄膜晶體管控制電路。
21.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該控制電路設(shè)置于印刷電路板上，且該控制電路利用柔性印刷電路板與該懸臂梁結(jié)構(gòu)和該壓電電阻電連接。
22.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該控制電路設(shè)置于柔性印刷電路板上，且該控制電路利用該柔性印刷電路板與該懸臂梁結(jié)構(gòu)和該壓電電阻電連接。
23.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體加速感測器，其中，該絕緣基底表面還包括TFT顯示區(qū)域，用以顯示該半導(dǎo)體加速感測器測到的壓力變化值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體加速感測器。該半導(dǎo)體加速感測器主要包括非單晶硅基底；具有可動端與固定端的梁狀結(jié)構(gòu)；至少一個壓電電阻，其設(shè)置于梁狀結(jié)構(gòu)上；支承構(gòu)件，其設(shè)置于非單晶硅基底上，用來固定梁狀結(jié)構(gòu)的固定端，使得梁狀結(jié)構(gòu)與非單晶硅基底之間相隔一定距離；以及，薄膜晶體管控制電路，其電連接于該壓電電阻與該梁狀結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01P15/12GK1566961SQ0314751
公開日2005年1月19日 申請日期2003年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月9日
發(fā)明者楊健生 申請人:友達光電股份有限公司