专利名称：电容式加速传感器的制作方法
技术领域：
本发明是提供一种加速传感器，尤指一种制作成本较低的电容式加速传感器(capacitive acceleration sensor，CAS)，以期符合市场需求。
背景技术：
加速传感器已广泛的应用于地震仪、车用安全汽囊、遥控设备(robotics)等领域中。一般而言，加速力测量的原理与方法有许多，针对应用于各个领域或特别需求，而有不同设计方法与考量。目前加速传感器的设计方法主要具有压阻式(piezoresistive)、压电式(piezoelectric)、电容式(capacitive)，以及半导体传感器等。
由于各种加速传感器尺寸方面的大幅缩小，与制造过程、组装和操作上的限制，一种新的微加工技术(micromachining technology)，可应用于制造各种微感测元件(microsensor)及微致动器(microactuator)，并与微电子电路整合后可构成微系统(microsystem)，通称为微机电系统(microelectro-mechanical system，MEMS)。MEMS具有微小化、可批量制作(batchproduction)以降低成本的优点，且可与信号处理电路同时制作于硅晶片上以形成单石(monolithic)元件，这对于传感器尤为重要，因为传感器微弱的输出信号可就近放大处理，以避免外界的电磁干扰，且可利用信号处理电路先行类比模数转换(analog-to-digital，A/D)后，再输送到中央处理单元，因此可提高信号可靠度，减少连线数与中央控制系统的负担。由于尺寸方面的大幅缩小，与制造过程、组装和操作上的限制，利用MEMS所制作的加速传感器，其灵敏度及制作成本上都比传统制造过程优秀，近几年来的发展相当迅速。而在各种驱动方式中，电容式加速传感器具有高灵敏度，与不易受外界环境影响等优势，在市场上已逐渐受到瞩目。
请参考图1，图1为现有电容式加速传感器10的剖面示意图。如图1所示，现有的电容式加速传感器10主要具有一半导体基底(semiconductorsubstrate)12，例如单晶硅基底或硅覆绝缘(silicon-on-insulator，SOI)基底，一外延生长硅梁状结构(beam section)14，梁状结构14具有一可动端(movablesection)，且在可动部分设有一可动电极16，一外延生长硅支承(supporter)构件18设于半导体基底12上，用来固定梁状结构14并使得梁状结构14与半导体基底12间隔一距离，以及一掺杂区20设于可动电极16下方的半导体基底12内。其中，可动电极16与掺杂区20构成一平板电容(platecapacitor)22，且可动电极16是用来当作一上电极，而掺杂区20是用来当作一下电极或固定(stationary)电极。此外，现有的电容式加速传感器10另具有一控制电路，例如一互补式金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide semiconductor，CMOS)控制电路24设于支承构件18或半导体基底12内，并电连接于平板电容22，主要是用来接收、处理并传送平板电容22所输出的信号。
当一垂直方向的加速力(acceleration force)施加于现有的电容式加速传感器10时，此时梁状结构14的可动端会产生弯曲模式的振动(flexuralvibration)，并同时改变平板电容22的电容值，接着再利用控制电路22接收由平板电容22传送的信号并进行一信号处理，例如将信号放大、进行温度补偿(temperature compensation)等，并将此信号转化为差动信号(differentialsignal)输出，其数值会相对于待测加速力的大小，因此现有的加速传感器10可以利用CMOS控制电路24来探测平板电容22的静电容量(electrostaticcapacitance)变化量，以得到加速力的大小。此外，由于该平板电容的电容值仅与物理状态(physical parameters)有关，因此可使用具有低热膨胀系数(thermal expansion coefficient)的材料来形成压力感测元件以得到灵敏度优选的加速传感器10。
然而现有的电容式加速传感器的半导体基底12、梁状结构14与支承构件18的材料皆具有单晶硅或外延生长硅，虽然可测得压力的灵敏度较高，但是由于硅晶圆片(silicon wafer)与形成外延生长硅层的成本较高，对于竞争激烈的压力感测元件市场而言，如何制作出成本较低且品质好的产品为目前一项重要的课题。

发明内容
本发明的主要目的在于提供一种制作成本较低的电容式加速传感器。
在本发明的优选实施例中公开了一种半导体加速传感器，其包括一非单晶硅基底，一多晶硅(polysilicon)梁状结构，其具有一固定端与一可动端，且该可动端具有一可动电极，一多晶硅支承构件设于该非单晶硅基底上，用来固定该梁状结构的该固定端，使得该梁状结构与该非单晶硅基底之间相隔一距离，一固定电极设于该绝缘基底上，相对应于该梁状结构的该可动端，且该固定电极与该可动电极构成一平板电容，以及一薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)控制电路设于该非单晶硅基底上，并电连接于该平板电容。
由于本发明的电容式加速传感器是制作于非单晶硅基底，例如玻璃基底或石英基底上，因此可大幅节省原材料的成本。此外，本发明利用多晶硅材料来形成一体成型的梁状结构与其支承构件，不但可以降低制造过程成本，且适合量产以符合市场价格需求。


图1为现有电容式加速传感器的剖面示意图；图2为本发明电容式加速传感器的剖面示意图。
附图标记说明10半导体加速传感器 12半导体基底14外延生长硅梁状结构16可动电极18外延生长硅支承构件20掺杂区22平板电容 24CMOS控制电路30半导体加速传感器 32非单晶硅基底34悬臂梁状结构 36多晶硅梁状结构38多晶硅支承构件40可动电极42固定电极 44平板电容46TFT控制电路具体实施方式
请参考图2，图2为本发明电容式加速传感器30的剖面示意图。如图2所示，本发明的电容式加速传感器30主要具有一非单晶硅基底32，一悬臂梁状结构34，其具有一多晶硅梁状结构36与一多晶硅支承构件38设于非单晶硅基底32上，用来固定梁状结构36，并使得梁状结构36与非晶硅基底32之间具有一距离，且梁状结构36具有一可动端，在可动端部分设有一可动电极40，一固定电极42设于可动电极40下方的非单晶硅基底32内，又可动电极40与固定电极42分别用来当作电容式加速传感器30的一平板电容44的上下电极，以及一控制电路，例如一薄膜晶体管(thin filmtransistor，TFT)控制电路46设于非单晶硅基底32上，并电连接于悬臂梁状结构34与平板电容44，用来接收、处理并传送平板电容44所输出的信号。
当一垂直方向的加速力施加于本发明的电容式加速传感器30时，设于梁状结构36的可动端的可动电极40会接收到一垂直方向的力，使得梁状结构36的可动端产生弯曲模式的振动(flexural vibration)，并与固定电极42间产生相对位置变化，亦使得平板电容44内的电容值随之改变，当可动电极40与固定电极42之间的距离缩短时，平板电容44的静电容量(electrostaticcapacitance)会变大，而当可动电极40与固定电极42之间的距离增大时，平板电容44的静电容量会减小，故可再通过TFT控制电路46利用一差动放大器(differential amplifier)或其他电子元件将接收到的电容值变化量进行一信号处理，以得到待测加速力的大小。
在本发明的优选实施例中，非单晶硅基底32是由玻璃(glass)所构成，且由于玻璃的熔点较低，为了避免后续形成的TFT控制电路46因温度过高而对非单晶硅基底32造成影响，因此本发明的TFT控制电路46需为一低温多晶硅(low temperature polysilicon，LTPS)TFT控制电路。然而本发明并不局限于此，本发明的非单晶硅基底32亦可以由石英所构成，由于石英的熔点较高，因此本发明的TFT控制电路46也可以为一高温多晶硅TFT控制电路。此外，多晶硅梁状结构36与多晶硅支承构件38可以为一体成型，也可以分开制作，而可动电极40可以由掺杂多晶硅或金属材质所构成，固定电极42可以由铝(Al)、钛(Ti)、铂(Pt)或合金材质所构成。
值得注意的是，在本发明的优选实施例中，控制电路46是设于玻璃基底32上，然本发明应用并不局限于此，本发明的控制电路46亦可以设于一印刷电路板(printed circuit board，PCB，未显示于图2中)上，再利用一软性印刷电路板(flexible printed circuit board，FPC board，未显示于图2中)电连接控制电路46与平板电容44。此外，控制电路46，例如具有多个集成电路芯片(integrated circuit chip，IC chip)也可以直接设于一软性印刷电路板上，再利用该软性印刷电路板电连接控制电路46与平板电容44。再者，本发明的非单晶硅基底32表面可另具有一TFT显示区域(display area)，用来显示本发明的电容式加速传感器30所探测到的压力变化值，以方便使用者观察与测量。
综上所述，相较于现有电容式半导体加速传感器，本发明的电容式半导体加速传感器是制作于非单晶硅基底，例如玻璃基底或石英基底上，因此可大幅节省原材料的成本。此外，本发明利用多晶硅来形成隔膜与其支承构件，也可以降低制造过程成本，不但适合量产以符合市场价格需求，且可避免现有形成外延生长硅层的复杂制造过程与参数控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种电容式加速传感器(capacitive acceleration sensor，CAS)，其包括一非单晶硅基底；一多晶硅梁状(beam)结构，其具有一可动端(movable section)，且该可动端具有一可动电极；一多晶硅支承构件(supporter)设于该非单晶硅基底上，用来固定该梁状结构，使得该梁状结构与该非单晶硅基底之间相隔一距离；一固定电板(stationary electrode)设于该非单晶硅基底上，相对应于该梁状结构的该可动端，且该固定电极与该可动电极构成一平板电容(platecapacitor)；以及一薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)控制电路设于该非单晶硅基底上，并电连接于该平板电容。
2.如权利要求1所述的电容式加速传感器，其中，该非单晶硅基底是为一玻璃基底。
3.如权利要求2所述的电容式加速传感器，其中，该薄膜晶体管控制电路是为低温多晶硅(low temperature polysilicon，LTPS)薄膜晶体管控制电路。
4.如权利要求1所述的电容式加速传感器，其中，该非单晶硅基底是为一石英基底。
5.如权利要求4所述的电容式加速传感器，其中，该薄膜晶体管控制电路是为一高温多晶硅(high temperature polysilicon，HTPS)薄膜晶体管控制电路。
6.如权利要求1所述的电容式加速传感器，其中，该固定电极是具有铝(Al)、钛(Ti)、铂(Pt)或合金材质。
7.如权利要求1所述的电容式加速传感器，其中，该梁状结构与该支承结构是为一体成型。
8.如权利要求7所述的电容式加速传感器，其中，该梁状结构与该支承构件皆是具有多晶硅(polysilicon)。
9.如权利要求1所述的电容式加速传感器，其中，该可动电极是具有掺杂(doped)多晶硅或金属材料。
10.如权利要求1所述的电容式加速传感器，其中，该非单晶硅基底表面另具有一TFT显示区域，是用来显示该电容式加速传感器所探测到的压力变化值。
11.一种电容式加速传感器(capacitive acceleration sensor，CAS)，其包括一绝缘基底；一悬臂梁状(cantilever beam)结构设于该绝缘基底上，其具有一可动端(movable section)，且该可动端具有一可动电极；一固定电极(stationary electrode)设于该绝缘基底上，相对应于该悬臂梁状结构的该可动端，并与该可动电极构成一平板电容(plate capacitor)；以及一控制电路(control circuit)设于该绝缘基底上，并电连接于该平板电容。
12.如权利要求11所述的电容式加速传感器，其中，该固定电极是具有铝(Al)、钛(Ti)、铂(Pt)或合金材质。
13.如权利要求11所述的电容式加速传感器，其中，该悬臂梁状结构具有多晶硅(polysilicon)。
14.如权利要求11所述的电容式加速传感器，其中，该可动电极是具有掺杂(doped)多晶硅或金属材料。
15.如权利要求11所述的电容式加速传感器，其中，该绝缘基底是为一玻璃基底。
16.如权利要求15所述的电容式加速传感器，其中，该控制电路是设于该玻璃基底上，且该控制电路是具有一低温多晶硅薄膜晶体管(lowtemperature polysilicon thin film transistor，LTPS TFT)控制电路。
17.如权利要求11所述的电容式加速传感器，其中，该绝缘基底是为一石英基底。
18.如权利要求17所述的电容式加速传感器，其中，该控制电路是设于该石英基底上，且该控制电路是具有一高温多晶硅薄膜晶体管(hightemperature polysilicon thin film transistor，HTPS TFT)控制电路。
19.如权利要求11所述的电容式加速传感器，其中，该控制电路是设于一印刷电路板(printed circuit board，PCB)上，且该控制电路利用一软性印刷电路板(flexible printed circuit board，FPC board)与该平板电容电连接。
20.如权利要求11所述的电容式加速传感器，其中，该控制电路是设于一软性印刷电路板上，且该控制电路是利用该软性印刷电路板与该平板电容电连接。
21.如权利要求11所述的电容式加速传感器，其中，该绝缘基底表面另具有一TFT显示区域，是用来显示该电容式加速传感器所探测到的压力变化值。
全文摘要
本发明是提供一种电容式加速传感器(capacitiveacceleration sensor，CAS)。该电容式加速传感器主要具有一非单晶硅基底，一具有一可动端(movable section)的多晶硅梁状(beam)结构，且在可动端部分设有一可动电极，一多晶硅支承构件(supporter)设于该非单晶硅基底上，用来固定梁状结构，使得梁状结构与该非单晶硅基底之间相隔一距离，一固定电极(stationary electrode)设于梁状结构的可动端下方的该非单晶硅基底上，且固定电极与可动电极构成一平板电容(plate capacitor)，以及一薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)控制电路电连接于平板电容。
文档编号G01P15/125GK1566962SQ0314745
公开日2005年1月19日 申请日期2003年7月10日 优先权日2003年7月10日
发明者杨健生 申请人:友达光电股份有限公司