專利名稱：加速度計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及加速度計，尤其涉及一種光學式加速度計。
背景技術：
近年來，手持游戲機等消費性電子產(chǎn)品受到消費者的青睞。為了更好地實現(xiàn)人機互動， 許多手持設備都引入了加速度計以感測外界加速度變化，而且，越來越多的微機電結構( Microelectronic Mechanical Structure, MEMS)電容式加速度計被應用于手持設備。關于 微機電結構電容式加速度計的分析請參閱Beliveau， A.等人于Design & Test of
Computers, IEEE， Volume 16， Issue 4， Oct.-Dec. 1999 Page(s):48-56發(fā)表的文章
"Evaluation of MEMS capacitive accelerometers"。
微機電結構電容式加速度計一般具有可動臂和固定臂，可動臂與固定臂之間平行板電容 距離改變，而后通過電容-電壓轉(zhuǎn)換電路將電容變化訊號讀出。然而，可動臂和固定臂之間 的距離畢竟有限，若要具有更高的靈敏度就需要增加可動臂和固定臂之間的距離，這將帶來 體積增加的問題，因此電容式加速度計的靈敏度受限于體積。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，提供一種靈敏度高且體積小的加速度計十分必要。
一種加速度計，該加速度計包括一個基底、 一個蓋板、 一個光源、 一個具有第一表面的 襯底、 一個可動板及位于該襯底第一表面的第一錨定件、第二錨定件、第一彈性連接部和第 二彈性連接部，該基底與該蓋板構成一封閉空間，該基底承載該襯底，該封閉空間收容該光 源，該光源用于提供檢測用光線，該可動板包括一個第一透光區(qū)和若干非透光區(qū)，該可動板 兩端分別與該第一彈性連接部和該第二彈性連接部相連，該第一彈性連接部、該第二彈性連 接部分別由第一錨定件、第二錨定件錨接于該襯底第一表面，該可動板懸于該襯底第一表面 上方且具有一平行于該襯底第一表面的移動方向，該光線經(jīng)由該可動板的第一透光區(qū)照射到 該襯底第一表面，該襯底第一表面對應于該可動板的區(qū)域、沿該可動板的移動方向交替分布 有多個光電感測器及多個非光電感測區(qū)。
相對于現(xiàn)有技術，該加速度計的可動板根據(jù)受到的加速度大小而水平移動，具有光電轉(zhuǎn) 換功能的區(qū)域所受的光強也隨可動板的移動而改變，從而影響輸出電流的大小，其靈敏度不 受加速度計機械結構和體積的影響。


圖l是本發(fā)明第一實施例提供的加速度計晶片立體示意圖。
圖2是圖1中沿II-II方向剖視圖。
圖3是本發(fā)明第二實施例提供的加速度計示意圖。
圖4是本發(fā)明第三實施例提供的加速度計晶片的示意圖。
具體實施例方式
請一并參閱圖1和圖2，本發(fā)明第一實施例提供的加速度計晶片10包括襯底12，光電感測 區(qū)20，非光電感測區(qū)21，可動板30，第一錨定件32和第二錨定件34，第一彈性連接部31和第 二彈性連接部33，透光區(qū)36，不透光區(qū)38和電路單元40。
其中，襯底12的材料為硅或砷化鎵或其他半導體。襯底12具有一個表面121，在襯底20 上利用互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工藝 ，制成光電感測區(qū)20，光電感測區(qū)20的表面和襯底12的表面121重合。光電感測區(qū)20是一個 光電感測器陣列，具體地，可以是晶體管陣列，光電二極管陣列或者光電倍增管陣列。
光電感測區(qū)20包括相互平行排列的光電感測器14， 15， 16， 17， 18，和19。每個光電感 測器所在區(qū)域的截面大致為一長方形。
由于光電感測器16和光電感測器17之間的距離明顯大于光電感測器14和光電感測器15之 間的距離，因此可以認為光電感測器14， 15和16形成一個分區(qū)，在該分區(qū)內(nèi)，每相鄰兩個光 電感測區(qū)之間，例如光電感測器14和光電感測器15之間，光電感測器15和光電感測器16之間 被半導體材料隔開，且每相鄰兩個光電感測區(qū)之間的距離相等。
光電感測器17， 18和19形成一個分區(qū)，在該分區(qū)內(nèi)，每相鄰兩個光電感測區(qū)之間的距離 相等。
當然，光電感測器16和光電感測器17之間的距離也可以等于每個分區(qū)內(nèi)的相鄰兩個光電 感測器之間的距離。
光電感測器14， 15， 16， 17， 18和19之間的區(qū)域為非光電感測區(qū)，其材料與襯底12相同
可動板30懸伸于襯底12的表面121上方，且與襯底12平行，其移動方向與襯底12平行， 還與光電感測器14的延伸方向垂直?？蓜影?0是利用微機電結構(Microelectronic Mechanical Structure, MEMS)制程加工形成。 一般地，該可動板30的材料為金屬。透光區(qū) 36和不透光區(qū)38設置在可動板30上。
透光區(qū)36是一個形狀大小和光電感測器14、 15、 16、 17、 18、 19中任一個的寬度都相同的區(qū)域，S卩，是一個截面大致為長方形的狹孔。
當加速度計晶片沒有受到外界作用力時，透光區(qū)36和非光電感測區(qū)21對準，并且透光區(qū) 36的垂直投影落在非光電感測區(qū)21之內(nèi)。
第一錨定件32和第二錨定件34固定于襯底表面121，可動板30兩端分別與第一彈性連接 部31和第二彈性連接部33連接，第一彈性連接部31和第二彈性連接部33分別通過第一錨定件 32和第二錨定件34錨接于襯底表面121，且光電感測區(qū)20對應著可動板30的區(qū)域，g卩，位于 第一彈性連接部31和第二彈性連接部33所限的范圍之內(nèi)。第一錨定件32和第二錨定件34的作 用在于使可動板30相對襯底12固定連接。第一彈性連接部31和第二彈性連接部33的作用在于 :當加速度計晶片10受到外界作用力時，可動板30能沿平行于襯底12沿垂直光電感測器的延 伸方向移動。
光電感測器陣列20與電路40連接，且電路40通常為放大電路，以將光電感測器陣列20所 產(chǎn)生的電信號放大輸出。
加速度計晶片10的工作原理具體如下
當加速度計晶片10不受外力時，可動板30的透光區(qū)36位于襯底表面121的光電感測區(qū)20 以外，由于此時光電感測區(qū)20沒有感光，因此沒有電信號輸出。
當加速度計晶片10受外力時，根據(jù)牛頓第二定律(F,a，其中F表示物體所受外力大小， m表示物體質(zhì)量，a指物體所受的加速度大小)，加速度計晶片10具有一定的加速度，使得可 動板30相對襯底12水平移動，因此透光區(qū)36相對襯底12移動，光電感測區(qū)20的光電感測陣列 將感測到外部的光信號。
例如，在第一時刻，透光區(qū)36位于光電感測器18的上方，光電感測器18感光，因此只有 光電感測器18有電信號輸出；在第二時刻，透光區(qū)36位于光電感測器19的上方，光電感測器 19感光，因此只有光電感測器19有電信號輸出。
電路40記錄兩次電信號的時間差，又由于光電感測器18及光電感測器19之間的距離是已 知量，因此可以計算出加速度計晶片1 O所受的加速度變化量。
當然，也可以得到瞬時加速度值，或該信號作為其他功能性結構的指令。
另外，每個光電探測器所接收的光信號的性質(zhì)，例如光強、頻率等隨著外界加速度的變 化而變化，都會影響光電感測器陣列電信號的輸出。
特別是，當可動板30受到外界作用力而以固定頻率振動時，在第一時刻和第二時刻，透 光區(qū)36都位于光電感測器18的上方使得光電感測器18輸出電信號，g卩，在一個周期內(nèi)，光電 感測器18輸出兩次電信號，由于光電感測器18與透光區(qū)36所能到達的最遠處間隔確定且已知，便可根據(jù)一個周期內(nèi)的電信號測得加速度變化量。若初始速度為0，則測得一個周期后的 瞬時加速度。
請參看圖3，加速度計50包括基底100，內(nèi)部光源106，蓋板102和加速度計晶片10。其中 ，基底1 OO和蓋板l02形成一封閉空間103，該封閉空間103容納加速度計晶片10和內(nèi)部光源 106，基底100和蓋板102可為該加速度計提供機械保護。
基底100具有一內(nèi)表面101，加速度計晶片10的襯底12位于表面101且加速度計晶片10和 基底100以引線鍵合(wire bonding)的方式進行電性相連。
內(nèi)部光源106位于基底表面101，且通過管芯鍵合(die bonding)的方式與該基底100進 行電性相連。
優(yōu)選地，內(nèi)部光源106采用發(fā)光效率較高耗電量低易封裝的發(fā)光二極管(LED)。內(nèi)部光 源可以是一個或多個獨立封裝的發(fā)光單元，也可以是一個發(fā)光單元陣列。
蓋板102為一玻璃板，其具有一個外表面1021和內(nèi)表面1022，外表面1021鍍有反射膜 104。優(yōu)選地，該反射膜104為高反射率反射膜，例如通過鍍一層金屬反射膜或絕緣膜( dielectric coating)來實現(xiàn)高反射率。反射膜104的作用在于使內(nèi)部光源106發(fā)出的光經(jīng)過 反射膜104的反射到達加速度計晶片10。
根據(jù)實際需要，蓋板102也可以由不透明材料制成。另外，反射膜104既可鍍于外表面 1021，也可鍍于內(nèi)表面1022，也可兩面都鍍，以提高加速度計晶片10的受光量。
請參看圖4，本發(fā)明第三實施例提供的加速度計晶片60與第一實施例提供的加速度計晶 片10基本相同，不同之處在于
加速度計60為振幅型加速度計；
可動板70包括三個透光區(qū)71， 72和73，且透光區(qū)71、 72、 73的寬度相等。 光電感測區(qū)66包括一個光電感測器陣列，其包括光電感測器61， 62， 63， 64和65;其中 ，光電感測器61和光電感測器62的中心間距等于透光區(qū)71的寬度；光電感測器63和光電感測 器64的中心間距等于透光區(qū)72的三倍寬度；光電感測器64和光電感測器65的中心間距等于透 光區(qū)73的五倍寬度。
靜止時，透光區(qū)71位于光電感測器61和光電感測器62中間，透光區(qū)72位于光電感測器 63和光電感測器64中間，透光區(qū)73位于光感測器64和光電感測器65中間，且每個透光區(qū)的垂 直投影區(qū)落在與之相鄰的兩個光電感測器之間，以保證測量的精確性。
當加速度計晶片60受到外力時，在同一時刻，至少有一個透光區(qū)落在至少一個光電感測 器上方，S卩，同一時刻，至少有一個光電感測器輸出光信號。當可動板70受到外界作用力而移動時，由于受力大小不同，可動板70的移動幅度不同， 對應地，不同位置的光電感測器有電信號輸出。例如，可動板70的移動幅度較小時，光電感 測器61或62輸出電信號，若移動幅度進一步加大，則光電感測器63或64輸出電信號，依此類 推，再由電路80來判斷電信號的輸出時間差，從而得到加速度變化量。
可以理解，還可以進一步增設第四個透光區(qū)，第四個透光區(qū)的垂直投影區(qū)與相鄰的光電 感測器的距離是透光區(qū)寬度的四倍。
另外，本領域技術人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，當然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所 做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
權利要求
權利要求1一種加速度計，其特征在于該加速度計包括一個基底、一個蓋板、一個光源、一個具有第一表面的襯底、一個可動板及位于該襯底第一表面的第一錨定件、第二錨定件、第一彈性連接部和第二彈性連接部，該基底與該蓋板構成一封閉空間，該基底承載該襯底，該封閉空間收容該光源，該光源用于提供檢測用光線，該可動板包括一個第一透光區(qū)和若干非透光區(qū)，該可動板兩端分別與該第一彈性連接部和該第二彈性連接部相連，該第一彈性連接部、該第二彈性連接部分別由該第一錨定件、該第二錨定件錨接于該襯底第一表面，該可動板懸于該襯底第一表面上方且具有一平行于該襯底第一表面的移動方向，該光線經(jīng)由該可動板的第一透光區(qū)照射到該襯底第一表面，該襯底第一表面對應于該可動板的區(qū)域、沿該可動板的移動方向交替分布有多個光電感測器及多個非光電感測區(qū)。
2.如權利要求l所述的加速度計，其特征在于每相鄰兩個光電感 測器的間距相等，該第一透光區(qū)的寬度與該多個光電感測器之一的寬度相同。
3.如權利要求l所述的加速度計，其特征在于該可動板進一步包 括分布于該第一透光區(qū)一側且沿該可動板移動方向排列的一個第二透光區(qū)和一個第三透光區(qū) ，第一透光區(qū)、第二透光區(qū)、第三透光區(qū)的寬度相同，與該第一透光區(qū)的垂直投影區(qū)相鄰的 兩個光電感測器的間距等于該第一透光區(qū)的寬度，與該第二透光區(qū)的垂直投影區(qū)相鄰的兩個 光電感測器的間距等于該第一透光區(qū)寬度的兩倍，與該第三透光區(qū)的垂直投影區(qū)相鄰的兩個 光電感測器的間距等于該第一透光區(qū)寬度的三倍。
4.如權利要求l所述的加速度計，其特征在于該光源位于該基底 ，該蓋板為反射板以使該光源發(fā)出的檢測用光線反射至該可動板。
5.如權利要求l所述的加速度計，其特征在于該光電感測器是晶 體管、光電二極管或光電倍增管。
6.如權利要求l所述的加速度計，其特征在于該光源包括一個發(fā)光二極管。
全文摘要
一種加速度計，其包括一基底、一蓋板、一光源、一具有第一表面的襯底、一可動板及位于該襯底第一表面的第一錨定件、第二錨定件、第一彈性連接部和第二彈性連接部，該基底與該蓋板構成一封閉空間，該基底承載該襯底，該封閉空間收容該光源，該光源用于提供光線，該可動板包括一個第一透光區(qū)和若干非透光區(qū)，該可動板兩端分別與該第一彈性連接部和該第二彈性連接部相連，該第一彈性連接部、該第二彈性連接部分別由第一錨定件、第二錨定件錨接于該襯底第一表面，該可動板懸于該襯底第一表面上方，該光線經(jīng)由該可動板的第一透光區(qū)照射到該襯底第一表面，該襯底第一表面對應于該可動板的區(qū)域交替分布有多個光電感測區(qū)及多個非光電感測區(qū)。
文檔編號G01P15/093GK101545921SQ20081030070
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月25日 優(yōu)先權日2008年3月25日
發(fā)明者張仁淙 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻海精密工業(yè)股份有限公司