DE10141867A1 - Halbleitersensor für dynamische Grössen mit beweglichen Elektroden und Festelektroden auf einem Unterstützungssubstrat - Google Patents
Halbleitersensor für dynamische Grössen mit beweglichen Elektroden und Festelektroden auf einem UnterstützungssubstratInfo
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Abstract
Ein Halbleitersensor zum Erfassen dynamischer Größen weist ein Trägersubstrat (20) mit einem rechteckigen Öffnungsabschnitt (21) auf, und eine bewegliche Elektrode (30) und Festelektroden (40, 50) werden jeweils vom Trägersubstrat durch Trägerabschnitte (34a, 34b, 41a, 41b, 51a, 51b) unterstützt, um dem Öffnungsabschnitt gegenüberzuliegen. Die Trägerabschnitte, die die beweglichen Elektroden unterstützen, sind in einer Richtung angeordnet, die ungefähr die gleiche ist wie die, in der die Trägerabschnitte, die die festen Elektroden unterstützen, angeordnet sind.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleitersensor
für dynamische Größen, der eine bewegliche Elektrode und
eine Festelektrode aufweist, um eine darauf wirkende dy
namische Größe auf der Grundlage einer Veränderung des
Abstands zwischen der beweglichen Elektrode und der Fest
elektrode zu erfassen.
Diese Art Halbleitersensor für dynamische Größen ist
beispielsweise in JP-A-11-326365 offenbart. Die Fig.
1A und 1B zeigen eine Ausführung dieser Art eines Halb
leitersensors für dynamische Größen.
Der Sensor wird, wie in Fig. 1B gezeigt, durch Mikro
bearbeitungstechniken gebildet, die auf ein Halbleiter
substrat angewendet werden, das aus einer ersten Halblei
terschicht 201, einer zweiten Halbleiterschicht 202 und
einer Isolierschicht 203 zwischen den Halbleiterschichten
201 und 202 besteht. Beispielsweise sind die Halbleiter
schichten 201 und 202 aus Silizium (Si) und die Isolier
schicht 203 ist ein Siliziumoxidfilm.
Eine Struktur, die aus einer beweglichen Elektrode
204 und mit dazwischen definierten Erfassungsabständen
206 gegenüberliegenden Festelektroden 205 gebildet wird,
ist durch Gräben in der zweiten Halbleiterschicht 202 des
Halbleitersubstrats festgelegt. In der Zeichnung ist jede
der Elektroden 204 und 205 kammförmig. Die bewegliche
Elektrode 204 weist einen Gewichtsabschnitt 207 und meh
rere Stababschnitte 208 auf, die vom Gewichtsabschnitt
207 ausgehen, und die Festelektroden 205 weisen mehrere
Stababschnitte 209 auf, die jeweils Seite an Seite einem
zugeordneten Stababschnitt 208 gegenüberliegen.
Die erste Halbleiterschicht 201 und die Isolations
schicht 203 bilden ein Trägersubstrat, und ein Öffnungs
abschnitt 210, der an einer Seite der zweiten Halbleiter
schicht 202 offen ist, wird im Trägersubstrat gebildet.
In diesem Beispiel ist der Öffnungsabschnitt 210 ein
Rechteck und geht in der Richtung ihrer Dicke sowohl
durch die erste Halbleiterschicht 201 als auch durch die
Isolierschicht 203.
Beide Enden des Gewichtsabschnitts 207 sind elastisch
an einem Paar von gegenüberliegenden Seiten, die den Öff
nungsabschnitt 210 bilden, befestigt. Die bewegliche
Elektrode 204 kann über dem Öffnungsabschnitt 210 in ei
ner Richtung, die durch den Pfeil X in Fig. 1A angezeigt
ist, verschoben werden, wenn sie eine dynamische Größe
(wie eine Beschleunigung) empfängt. Die Trägerabschnitte
211 der Festelektroden 205 werden durch ein anderes Paar
von gegenüberliegenden Seiten, die den Öffnungsabschnitt
210 bilden, fest unterstützt, das sich von den Seiten un
terscheidet, die den Gewichtsabschnitt 207 unterstützen.
Im vorstehend beschriebenen Halbleitersensor für dy
namische Größen wird die dynamische Größe auf der Grund
lage von Veränderungen der Erfassungsabstände 206 erfaßt,
wenn die bewegliche Elektrode 204 aufgrund der darauf
wirkenden dynamischen Größe verschoben wird.
Aufgrund von Studien und Experimenten der Erfinder
wird jedoch festgestellt, dass der vorstehend beschrie
bene Halbleitersensor für dynamische Größen das folgende
Problem aufweist: Die jeweiligen Teile des Träger
substrats 201, 203 und die Balkenstruktur 204, 205 weisen
thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, die sich unter
scheiden. Daher verziehen sich diese Teile bei einer Tem
peraturänderung unterschiedlich, so dass die Erfassungs
abstände 206 zwischen der beweglichen Elektrode 204 und
der Festelektrode 205 erweitert oder verengt werden. Dar
aus ergeben sich verschlechterte Temperaturcharakteristi
ken.
Insbesondere wird in den Sensoren, die in den Fig.
1A und 1B gezeigt werden, das Trägersubstrat 201, 203 auf
einer Unterseite (auf der Seite der ersten Halbleiter
schicht 201) mit Klebstoff (der beispielsweise aus Polyi
mid besteht) auf ein Gehäuse 212 geklebt. Das Gehäuse 212
besteht aus Keramik (wie Aluminiumoxid) mit einem größe
ren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als dem des Trä
gersubstrats.
Daher treten, wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt,
Verformungen aufgrund der Unterschiede der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen Si, dem Si-Oxidfilm,
dem Klebstoff und dem Gehäuse auf. Wenn beispielsweise
die Temperatur von einer Raumtemperatur abfällt, verformt
sich das Trägersubstrat 201, 203 konvex, wie in Fig. 2B
gezeigt, weil die Schrumpfung des keramischen Gehäuses
212 größer als die des Trägersubstrats ist. Eine solche
konvexe Verformung des Trägersubstrats tritt entlang ei
ner Richtung auf, die durch den Pfeil X in Fig. 2A ange
zeigt ist, und in einer Richtung, die senkrecht auf die
ser Richtung X steht.
In. diesem Fall verformt sich die bewegliche Elektrode
204, um in der Richtung X größer zu werden. Im Gegensatz
dazu verzieht sich jede Festelektrode 205 propellerartig.
Das bedeutet mit Bezug auf Fig. 2A beim Vergleich der
beiden Stapelteile 209a, 209b der Festelektrode 205, die
an beiden Enden in Richtung X in Fig. 2A angeordnet sind,
dass sich der Erfassungsabstand 206 durch das obere Sta
pelteil 209a verringert, während der Erfassungsabstand 206
durch das untere Stapelteil 209b verbreitert wird.
Daher verändert sich im vorstehend beschriebenen
Halbleitersensor für dynamische Größen der Erfassungsab
stand mit der Temperaturänderung, weil sich die Festelek
troden und die beweglichen Elektroden aufgrund der unter
schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ma
terialien, aus denen die jeweiligen Teile wie die beweg
liche Elektrode, die Festelektroden, das Trägersubstrat,
das Gehäuse und der Klebstoff bestehen, unterschiedlich
verziehen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vor
stehend genannten Probleme zu lösen, und es ist eine Auf
gabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleitersensor
für dynamische Größen zu schaffen, der es ermöglicht, ei
ne Veränderung des Erfassungsabstands, die durch eine
Veränderung der Temperatur hervorgerufen wird, zu unter
drücken.
Demzufolge schafft die vorliegende Erfindung gemäß
einer ersten Ausführungsform einen Halbleitersensor für
dynamische Größen, der ein Trägersubstrat mit einem Öff
nungsabschnitt, der an einer seiner Oberflächen offen
ist, eine bewegliche Elektrode, die vom Trägersubstrat
durch erste und zweite Trägerabschnitte für die bewegli
che Elektrode gehalten wird, und eine Festelektrode, die
vom Trägersubstrat durch erste und zweite Festelektroden
trägerabschnitte gehalten wird, um der beweglichen Elek
trode mit einem dazwischenliegenden Erfassungsabstand ge
genüberzuliegen, aufweist. Die ersten und zweiten Träger
abschnitte für die beweglichen Elektroden sind an gegen
überliegenden Seiten des Öffnungsabschnitts vorgesehen,
und zwar an denselben, auf denen die ersten und zweiten
Festelektrodenträgerabschnitte vorgesehen sind.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sind erste und zweite Trägerabschnitte für be
wegliche Elektroden in einer Richtung angeordnet, die un
gefähr parallel zu einer Richtung ist, in der erste und
zweite Festelektrodenträgerabschnitte angeordnet sind.
Weil die Trägerabschnitte für die bewegliche Elek
trode und die Festelektrodenträgerabschnitte jeweils
(getrennt) in zueinander gleicher Richtung angeordnet
sind, ist in der vorliegenden vorstehend beschriebenen
Erfindung eine Richtung, in der aufgrund des Verziehens
des Trägersubstrats eine Spannung wirkt, für die bewegli
chen Elektroden und für die Festelektroden ungefähr
gleich. Das bedeutet, dass sich die beweglichen Elektro
den und die Festelektroden bei Temperaturänderungen unge
fähr in der gleichen Richtung verziehen. Als Ergebnis
kann eine Veränderung des Erfassungsabstands zwischen der
beweglichen Elektrode und der Festelektrode, die durch
die Temperaturänderung verursacht wird, effektiv unter
drückt werden.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist ein Halbleitersensor für dynamische Grö
ßen ein Rahmenteil, eine von dem Rahmenteil unterstützte
bewegliche Elektrode, die durch eine darauf wirkende dy
namische Größe in einer Verschiebungsrichtung verschoben
wird, und eine Festelektrode auf, die vom Rahmenteil ge
halten wird und eine Erfassungsoberfläche aufweist, die
einer Erfassungsoberfläche der beweglichen Elektrode ge
genüberliegt, wodurch ein Erfassungsabstand festgelegt
ist. Eine Breite des Rahmenteils in Richtung der Ver
schiebung der beweglichen Elektrode ist gleichbleibend.
Wenn die Breite des Rahmenteils in Richtung der Ver
schiebung der beweglichen Elektrode gleichbleibend ist,
wird die Verschiebung der beweglichen Elektrode auch dann
gleich bleiben, wenn das Rahmenteil durch Temperaturände
rungen verformt wird, wodurch eine Veränderung der Ausga
be verhindert wird.
Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfin
dung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung offenbar. Es zeigen:
Fig. 1A eine Draufsicht eines Halbleitersensors für
dynamische Größen nach dem Stand der Technik;
Fig. 1B eine Querschnittansicht entlang der Linie 1B-
1B in Fig. 1A;
Fig. 2A und 2B schematische Ansichten zum Erläutern
der Probleme des Halbleitersensors für dynamische Größen
nach Fig. 1A und Fig. 1B;
Fig. 3 eine Draufsicht eines Halbleiterbeschleuni
gungssensors nach einer ersten bevorzugten Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Querschnittansicht entlang der Linie IV-
IV in Fig. 3;
Fig. 5 ein Schaubild, das eine Erfassungsschaltung
des in den Fig. 3 und 4 gezeigten Halbleiterbeschleuni
gungssensors zeigt;
Fig. 6 ein Zeitschaubild bezogen auf die in Fig. 5
gezeigte Erfassungsschaltung;
Fig. 7A und 78 erläuternde Ansichten zum Erklären der
Vorteile der ersten Ausführungsform;
Fig. 8 eine schematische Ansicht, die die Richtungen
anzeigt, in der Spannung auf eine Festelektrode in einem
herkömmlichen Halbleitersensor für dynamische Größen
wirkt;
Fig. 9A eine Draufsicht, die einen Halbleiterbe
schleunigungssensor vom kapazitiven Typ gemäß einer zwei
ten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung zeigt;
Fig. 9B eine Querschnittansicht entlang der Linie
IXB-IXB in Fig. 9A;
Fig. 10A ein Schaubild, das eine Erfassungsschaltung
des Halbleiterbeschleunigungssensors nach den Fig. 9A und
9B zeigt;
Fig. 10B ein Zeitschaubild in Bezug auf den Erfas
sungsschaltkreis nach Fig. 10A;
Fig. 11A und 11B schematische Schaubilder, die einen
Beschleunigungssensor als Vergleichsbeispiel zeigen, wenn
der Beschleunigungssensor heftig verschoben wird;
Fig. 11C und 11D schematische Schaubilder, die den
Beschleunigungssensor der zweiten Ausführungsform zeigen,
wenn der Beschleunigungssensor heftig verschoben wird;
Fig. 12 ein Schaubild, das Veränderungen der Ausgabe
anzeigt, wenn die in den Fig. 11A bis 11C gezeigten Be
schleunigungssensoren heftig bewegt werden; und
Fig. 13A bis 13F Querschnittansichten, die schritt
weise ein Verfahren zur Herstellung des Beschleunigungs
sensors der zweiten Ausführungsform zeigen.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird die
vorliegende Erfindung auf einen Halbleiterbeschleuni
gungssensor 1 vom differentialkapazitiven Typ angewendet,
der in den Fig. 3 und 4 gezeigt und als Sensor vom kapa
zitiven Typ für dynamische Größen ausgebildet ist.
Mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 wird der Sensor 1
durch Mikrobearbeitungstechniken gebildet. Ein Halblei
tersubstrat, das den Sensor 1 bildet, ist, wie in Fig. 4
gezeigt, ein SOI (Silizium auf Isolator)-Substrat 10, das
aus einem ersten Siliziumsubstrat 11 als einer ersten
Halbleiterschicht, einem zweiten Siliziumsubstrat 12 als
einer zweiten Halbleiterschicht und einer Oxidschicht 13
als einer zwischen den ersten und zweiten Silizium
substraten 11 und 12 liegenden Isolationsschicht besteht.
Das erste Siliziumsubstrat 11 und die Oxidschicht 13 bil
den in der vorliegenden Erfindung ein Trägersubstrat 20.
Ein Öffnungsabschnitt 21 wird in Trägersubstrate 20
so gebildet, dass er auf einer Oberfläche des Träger
substrats 20 offen zu einer Seite des zweiten Silizium
substrats 21 ist. Eine Balkenstruktur, die aus einer be
weglichen Elektrode 30 und Festelektroden 40, 50 besteht,
wird im zweiten Siliziumsubstrat 12 gebildet, indem darin
Gräben gebildet werden. In der vorliegenden Ausführungs
form wird der Öffnungsabschnitt 21 durch Ätzen eines
rechteckigen Abschnitts des Trägersubstrats 20 gebildet,
wo die Balkenstrukturen 30 bis 50 gebildet werden, um das
Trägersubstrat 20 in Richtung seiner Dicke zu durchdrin
gen.
Die aus einem Halbleiter (in dieser Ausführungsform
Silizium) gefertigte bewegliche Elektrode 30 wird vom
Trägersubstrat 20 unterstützt und als Antwort auf eine
darauf wirkende dynamische Größe verschoben. In der vor
liegenden Ausführungsform bewegt sich die bewegliche
Elektrode 30 über dem Öffnungsabschnitt 21 zwischen ge
genüberliegenden Seiten, die den Öffnungsabschnitt 21
festlegen. Die bewegliche Elektrode 30 besteht aus einem
rechteckigen Gewichtsabschnitt 31 und Stababschnitten
(beweglichen Stababschnitten) 32, die aus dem Gewichtsab
schnitt 31 hervorstehen.
Der Gewichtsabschnitt 31 ist mit Ankerteilen 34a, 34b
durch Balkenabschnitte 33 (die eine rechteckige Rahmen
struktur aufweisen) an beiden Enden vollständig verbun
den. Insbesondere werden die Ankerteile 34a, 34b fest vom
Trägersubstrat 20 an den gegenüberliegenden Seiten
(Kantenteilen) des Öffnungsabschnitts 21 unterstützt. Je
des Ankerteil wirkt als Trägerabschnitt der beweglichen
Elektrode am Trägersubstrat.
Die beweglichen Stababschnitte 32 stehen von beiden
Seiten des Gewichtsabschnitts 32 in einander entgegenge
setzten Richtungen senkrecht zur Richtung X, in der die
bewegliche Elektrode verschoben wird, aus dem Gewichtsab
schnitt 31 hervor. Die Anzahl der beweglichen Stabab
schnitte 32 ist in dieser Ausführungsform an jeder Seite
des Gewichtsabschnitts 31 vier. Jeder der beweglichen
Stababschnitte 32 weist eine Balkengestalt mit einem
rechteckigen Querschnitt auf.
Jeder der Balkenabschnitte 33 weist eine Federfunk
tion auf, so dass er sich in einer Richtung verformt, die
senkrecht zu einer Längsrichtung der Balken ist. Die Bal
kenabschnitte 33 verschieben den Gewichtsabschnitt 31 in
der Richtung X, wenn eine Beschleunigung mit einer Kompo
nente in der X-Richtung darauf wirkt, und bringen den Ge
wichtsabschnitt 31 in seine ursprüngliche Position, so
bald die Beschleunigung verschwindet. Entsprechend kann
die bewegliche Elektrode 30 über dem Öffnungsabschnitt 21
als Antwort auf eine darauf wirkende Beschleunigung ver
schoben werden. Im Folgenden wird die Richtung X als Ver
schiebungsrichtung X bezeichnet.
Die Festelektroden 40, 50 aus Halbleitermaterial
(Silizium in der vorliegenden Ausführungsform) werden vom
Unterstützungssubstrat 20 gestützt und liegen den bewegli
chen Elektroden 30 über dem Öffnungsabschnitt 21 gegen
über, wodurch sie Erfassungsabstände 60 dazwischen fest
legen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Fest
elektroden 40, 50 in eine erste Festelektrode 40, die auf
der linken Seite der beweglichen Elektrode 30 in Fig. 3
vorgesehen ist, und eine zweite Festelektrode 50, die an
der rechten Seite der beweglichen Elektrode 30 vorgesehen
ist, unterteilt, wobei die Achse parallel zur Verschie
bungsrichtung X ist.
Jede der Festelektroden 40, 50 ist so angeordnet,
dass sie den Öffnungsabschnitt 21 in einer gleichen Rich
tung mit der beweglichen Elektrode 30 überspannt, und ist
an beiden Enden an dem Trägersubstrat 20 durch die Anker
teile 41a, 41b, 51a, 51b befestigt. Das bedeutet, dass
die beiden Ankerteile jeder Festelektrode 40 oder 50 auf
gegenüberliegenden Seiten des Öffnungsabschnitts 21 lie
gen, und zwar auf denselben, auf denen die Ankerteile
34a, 34b der beweglichen Elektrode 30 vorgesehen sind,
und als Trägerabschnitte der Festelektrode am Träger
substrat wirken.
Jede der Festelektroden 40, 50 besteht aus einem Ver
bindungsabschnitt 42, 52, der mit den Ankerteilen 41a,
41b, 51a, 51b verbunden ist, und Stababschnitten (festen
Stababschnitten) 43, 53, die vom Verbindungsabschnitt 42,
52 hervorstehen. Die festen Stababschnitte 43 liegen je
weils den beweglichen Stababschnitte 32 an deren Seiten
flächen gegenüber und legen dadurch die vorstehend be
schriebenen Erfassungsabstände 60 fest.
Jede Festelektrode 40, 50 weist verschiedene (in der
vorliegenden Ausführungsform vier) feste Stababschnitte
43, 53 auf, die sich jeweils vom Verbindungsabschnitt 42,
52 in einer Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung
X der beweglichen Elektrode 30 ausdehnen. Jeder feste
Stababschnitt 43, 53 weist eine Balkenform mit einem
rechteckigen Querschnitt auf. Zudem weist jeder Verbin
dungsabschnitt 43, 53 gebogene Teile (L-förmige Teile in
der Figur) 44, 54 auf, die sich in Richtung der Anker
teile 34a, 34b erstrecken.
Daher sind in der vorliegenden Ausführungsform die
Ankerteile 34a, 34b der beweglichen Elektrode 30 und die
Ankerteile 41a, 41b, 51a, 51b der Festelektroden 40, 50
jeweils an gegenüberliegenden Kantenteilen
(gegenüberliegenden Seiten) des Öffnungsabschnitts 21 po
sitioniert. Das bedeutet, dass die Richtung, in der die
Ankerteile 34a, 34b voneinander durch den Öffnungsab
schnitt 21 getrennt sind, im wesentlichen parallel nicht
nur zu der Richtung ist, in der die Ankerteile 41a, 41b
der ersten Festelektrode 40 voneinander getrennt sind,
sondern auch zu der Richtung, in der die Ankerteile 51a,
51b der zweiten Festelektrode 50 voneinander getrennt
sind.
Mit anderen Worten ist die Richtung, in der die An
kerteile 34a, 34b mit dem dazwischen liegenden Öffnungs
abschnitt 21 angeordnet sind, im wesentlichen parallel zu
der Richtung, in der die Ankerteile 41a, 41b der ersten
Festelektrode 40 angeordnet sind, und zu der Richtung, in
der die Ankerteile 51a, 51b der zweiten Festelektrode 50
angeordnet sind.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Öffnungs
abschnitt rechteckig, um die vorstehend beschriebene An
ordnung umzusetzen. Das Ankerteil 34a der beweglichen
Elektrode 30 und die Ankerteile 41a, 51a der Festelektro
den 40, 50 sind auf einer Seite des Öffnungsabschnitts 21
angeordnet, während das Ankerteil 34b der beweglichen
Elektrode 30 und die Ankerteile 41b, 51b der Festelektro
den 40, 50 auf der gegenüberliegenden Seite des Öffnungs
abschnitts 21 angeordnet sind.
Zudem sind, wie in Fig. 3 gezeigt, Achsen, die die
Ankerteile 34a, 34b der beweglichen Elektrode 30 verbin
den und die die Ankerteile 41a, 41b, 51a, 51b der Fest
elektroden 40, 50 verbinden, parallel zur Verschiebungs
richtung X der beweglichen Elektrode 30.
Die bewegliche Elektrode 30, die erste Festelektrode
40 und die zweite Festelektrode 50 sind elektrisch von
einander unabhängig, und Kapazitäten
(Erfassungskapazitäten) werden in den Erfassungsabständen
60 zwischen den beweglichen Stababschnitten 32 und den
zugehörigen festen Stababschnitten 43, 53 gebildet. Die
in den Erfassungsabständen 60 zwischen den beweglichen
Stababschnitten 32 und den festen Stababschnitten 43 der
ersten Festelektrode 40 erzeugte Kapazität wird als eine
erste Kapazität CS1 bezeichnet, und die in den Erfas
sungsabständen 60 zwischen den beweglichen Stababschnit
ten 32 und den festen Stababschnitten 53 der zweiten
Festelektrode 50 erzeugte Kapazität wird als eine zweite
Kapazität CS2 bezeichnet.
Ein Anschluß 35 für die bewegliche Elektrode, der
elektrisch mit der beweglichen Elektrode 30 verbunden
ist, ein erster Festelektrodenanschluß 45, der elektrisch
mit der ersten Festelektrode 40 verbunden ist und ein
zweiter 55, der elektrisch mit der zweiten Festelektrode
50 verbunden ist, sind jeweils auf festgelegten Punkten
des Trägersubstrats 20 vorgesehen. In dem in Fig. 3 ge
zeigten Beispiel werden diese Anschlüsse 35, 45, 55 bei
spielsweise aus Aluminium hergestellt und stehen jeweils
elektrisch mit den Ankerteilen 34b, 41b, 51b auf der Un
terseite in Fig. 3 in Verbindung.
Zusätzlich werden im Gewichtsabschnitt 31, den beweg
lichen Stababschnitten 32 und den jeweiligen festen Stab
abschnitten 43, 53 rechteckige Durchgangslöcher 70, ge
schaffen, wodurch eine Struktur mit festem Rahmen vorge
sehen ist. Demgemäß können die bewegliche Elektrode 30
und die zugehörigen Festelektroden 40, 50, erleichtert
werden, und eine Widerstandsfähigkeit gegen Verdrehung
kann erhöht werden.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ist der Sensor 1 durch den
Klebstoff 81, beispielsweise Polyimidharz, an einer Rück
seite des ersten Siliziumsubstrats 11 (auf einer dem
Oxidfilm 13 gegenüberliegenden Seite) fest mit einem Ge
häuse 80 verbunden. Dieses Gehäuse 80 besteht aus Keramik
wie Aluminiumoxid, und eine Schaltungseinheit
(Erfassungseinheit) 90, die unten beschrieben wird, be
findet sich in dem Gehäuse 80. Die Schaltungseinheit 90
ist elektrisch mit den jeweiligen Elektrodenanschlüssen
35, 45, 52 durch Drahtbonden mit (nicht gezeigten) Gold-
oder Aluminiumdrähten verbunden.
Im Folgenden wird ein Betrieb des wie vorstehend be
schrieben aufgebauten Sensors 1 erläutert. Der Sensor 1
ist ein Beschleunigungssensor vom Differenzkapazitätstyp,
der eine Beschleunigung auf der Grundlage einer Kapazi
tätsdifferenz zwischen der ersten Erfassungskapazität
(CS1) und der zweiten Erfassungskapazität (CS2) erfasst,
wenn die bewegliche Elektrode 30 durch eine darauf wir
kende Beschleunigung in der Verschiebungsrichtung X ver
schoben wird. Fig. 5 zeigt die Erfassungsschaltung 90 im
Sensor 1.
Die Erfassungsschaltung 90 weist ein schaltbares Kon
densatorschaltnetz (SC-Schaltung) 91 auf. Die SC-Schal
tung 91 besteht aus einem Kondensator 92 mit einer Kapa
zität Cf, einem Schalter 93, und einem Differenzverstär
ker 94, und wandelt einen Kapazitätsunterschied (CS1-CS2)
am Eingang in eine Spannung um, wodurch sie die wirkende
Beschleunigung erfasst.
Fig. 6 zeigt beispielhaft ein Zeitschaubild mit Bezug
auf die Erfassungsschaltung 90. Im Sensor 1 wird bei
spielsweise die Trägerwelle 1 (Frequenz 100 kHz, Ampli
tude: 0-5 V) durch den ersten Festelektrodenanschluß 45
angelegt, während die Trägerwelle 2 (Frequenz 100 kHz, Am
plitude: 5-0V), deren Phase gegenüber der der Trägerwelle
1 um 180° verschoben ist, am zweiten Festelektrodenan
schluß 55 angelegt wird. Dann wird der Schalter 93 der
SC-Schaltung 91 zu den im Schaubild gezeigten Zeiten ge
öffnet und geschlossen. Die ausgeübte Beschleunigung wird
dann als Spannung V0 ausgegeben, die durch die Gleichung
V0 = (CS1 - CS2) . V/Cf (1)
ausgedrückt wird. In Gleichung (1) ist V eine Diffe
renz der Spannung zwischen den Anschlüssen 45 und 55. Die
Beschleunigung entlang der Verschiebungsrichtung X der
beweglichen Elektrode 30 kann auf der Grundlage der Span
nung V0, die man wie vorstehend beschrieben erhält, er
fasst werden.
Wenn sich die Temperatur im Sensor 1 ändert, verzieht
sich das Trägersubstrat 20 (beispielsweise windschief)
aufgrund der Unterschiede zwischen den thermischen Ausdeh
nungskoeffizienten der Materialien (Halbleiter, Oxid
schicht, Kunststoff, Keramik), aus denen die beweglichen
und festen Elektroden 30, 40, 50, das Trägersubstrat 20,
den Klebstoff 81 und das Gehäuse 80 bestehen. Beispiels
weise wird angenommen, dass die Oberfläche des Träger
substrats 20, auf der die Balkenstrukturen 30 bis 50 ge
bildet werden, konvex verzogen ist. Die Fig. 7A und 7B
sind Ansichten, um die Vorteile der vorliegenden Ausfüh
rungsform in einem solchen Fall zu erläutern. Fig. 8 ist
eine Ansicht, die Richtungen anzeigt, in denen Spannung
auf die Festelektrode in einem herkömmlichen Halbleiter
sensor für dynamische Größen wirkt.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Anker
teile 34A, 34B der beweglichen Elektrode 30, die Anker
teile 41A, 41B der ersten Festelektrode 40, und die An
kerteile 51A, 51B der zweiten Festelektrode 50 jeweils
getrennt voneinander ungefähr in der gleichen Richtung
mit dem dazwischenliegenden Öffnungsabschnitt 21 angeord
net. Daher sind die Richtungen, in denen Spannungen auf
grund des Verziehens des Trägersubstrats 20 jeweils von
den Ankerteilen auf die beweglichen Elektroden und die
Festelektroden wirken, ungefähr einander gleich (das
heißt, ungefähr parallel zueinander).
Das heißt mit Bezug auf die Fig. 7A und 78, dass,
auch wenn das Trägersubstrat 20 mit der Temperaturände
rung konvex verformt wird, die bewegliche Elektrode 30,
die erste Festelektrode 40 und die zweite Festelektrode
50 jeweils durch Ausdehnen oder Schrumpfen in einer unge
fähr gleichen Richtung (in der Verschiebungsrichtung X
der beweglichen Elektrode, die durch weiße Pfeile in den
Fig. 7A und 7B angezeigt ist) zwischen den Ankerteilen
34A, 34B, zwischen den Ankerteilen 41A, 41B und zwischen
den Ankerteilen 51A, 51B verzogen werden.
Deshalb ist in der vorliegenden Ausführungsform die
Verzugsrichtung der beweglichen Elektrode 30 ungefähr
parallel zu den Verzugsrichtungen der Festelektroden 40,
50. Folglich können die Veränderungen der Erfassungsab
stände 60 zwischen den beweglichen Elektroden 30 und den
Festelektroden 40, 50, die durch die Temperaturänderung
erzeugt werden, so weit wie möglich unterdrückt werden.
Im Vergleich mit der vorliegenden Ausführungsform
werden im herkömmlichen Sensor, der in den Fig. 1A und 1B
gezeigt ist, die Trägerabschnitte 211 der Festelektroden
205 an gegenüberliegenden Seiten (Kantenteilen) des Öff
nungsabschnitts 210 vorgesehen, die von denen, mit denen
die bewegliche Elektrode 204 verbunden ist, verschieden
sind. Daher wirkt, wenn das Trägersubstrat 201, 203 kon
vex verformt wird, wie in Fig. 8 gezeigt, Spannung von
der beweglichen Elektrode in komplexer Weise auf die Fest
elektroden 205 in den mit Pfeilen angezeigten Richtungen.
Als Ergebnis ändern sich im herkömmlichen Sensor die Er
fassungsabstände aufgrund des Unterschieds in der Art des
Verzugs zwischen der beweglichen Elektrode und der Fest
elektrode sehr stark.
Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform ist,
wie in Fig. 3 gezeigt, bevorzugt die Achse, die die An
kerteile 34a, 34b der beweglichen Elektrode 30 verbindet,
parallel zu den Achsen, die die Ankerteile 41a, 41b und
51a, 51b der jeweiligen Festelektroden 40, 50 verbinden.
Dementsprechend fallen die Richtungen, in die Spannungen
von den Ankerteilen auf die Elektroden aufgrund des Ver
zugs des Trägersubstrats 20 wirken, für die beweglichen
Elektroden und die Festelektroden zusammen. Als Ergebnis
können die Änderungen der Erfassungsabstände 60 effektiv
unterdrückt werden.
Zusätzlich weist gemäß der vorliegenden Ausführungs
form wieder unter Bezug auf Fig. 7A der Verbindungsab
schnitt 42, 52 der Festelektroden 40, 50 dort, wo die
Stababschnitte 43, 53 vorgesehen sind, die Breite W1 auf.
Die Breite W1 ist größer als die Breite W2 an den anderen
Teilen des Verbindungsabschnitts 42, 52, wie den geboge
nen Abschnitten 44, 54. Das heißt, der Verbindungsab
schnitt 42, 52 wird an den Sockelabschnitten der Stabab
schnitte 43, 53 (noch genauer an Teilen, die jeweils zwei
Stababschnitte verbinden) im Vergleich mit den anderen
Teilen verbreitert, um die Stababschnitte 43, 53 sicher
zu unterstützen. Daher wird verhindert, dass sich die
Stababschnitte 43, 53 propellerförmig ausdehnen. Hier
sind die Breiten W1, W2 Abmessungen des Verbindungsab
schnitts 43, 53 in der Richtung senkrecht zur Verschie
bungsrichtung X der beweglichen Elektrode 30.
Im Sensor 1 besteht die bewegliche Elektrode 30 aus
dem Gewichtsabschnitt 31 und den Stababschnitten 32 und
jede Festelektrode 40, 50 besteht aus den Verbindungsab
schnitten 42, 52 und den Stababschnitten 43, 53. Zudem
weist jeder Verbindungsabschnitt 42, 52 die gebogenen Ab
schnitte 44, 54 auf, die derart gebogen sind, dass sie
sich jeweils in Richtung der Ankerteile 34A, 34B der be
weglichen Elektrode 30 erstrecken.
Gemäß dieser Struktur kann erreicht werden, dass sich
beide Enden des Verbindungsabschnitts 42, 52 den Anker
teilen 34a, 34b der beweglichen Elektrode 30 über die ge
bogenen Abschnitte 44, 54 annähern. Daher können sich die
Ankerteile 41a, 41b, 51a, 51b der Festelektrode 50 je
weils an die Ankerteile 34a, 34b der beweglichen Elek
trode 30 annähern, so dass der Unterschied der Spannun
gen, die auf die bewegliche Elektrode 30 und die Fest
elektroden 40, 50 von den Ankerteilen wirken, soweit wie
möglich reduziert werden kann.
Das Material, das das Trägersubstrat mit dem Öff
nungsabschnitt bildet, ist nicht auf Halbleitermaterial
beschränkt, sondern kann ein anderes Material wie Glas
oder Keramik sein. Die Form des Öffnungsabschnitts ist
nicht auf ein Rechteck beschränkt, es kann eine andere
Form wie einen Kreis oder ein anderes Polygon als ein
Rechteck aufweisen.
Zudem ist es nicht erforderlich, dass der Öffnungsab
schnitt durch das Trägersubstrat durchgeht, und der Öff
nungsabschnitt kann durch eine Aussparung auf der Ober
fläche des Trägersubstrats ersetzt werden. Beispielsweise
kann in dem SOI-Substrat 10, das in Fig. 4 gezeigt ist,
eine Aussparung als ein Öffnungsabschnitt durch Wegätzen
so gebildet werden, dass die Oxidschicht 13 entfernt wird
und das erste Siliziumsubstrat 11 als Boden der Ausspa
rung übrigbleibt.
Ebenso kann die bewegliche Elektrode und jede der
Festelektroden neben einer Kammform verschiedene geome
trische Formen annehmen, wenn sichergestellt ist, dass
die bewegliche Elektrode und die Festelektroden einander
gegenüber liegen und Erfassungsabstände dazwischen fest
legen. Die Anzahl der Erfassungsabstände kann Eins oder
größer sein.
Als Nächstes wird ein Halbleiterbeschleunigungssensor
vom Kapazitätstyp 100 in einer zweiten bevorzugten Aus
führungsform mit Bezug auf die Fig. 9A und 9B erläutert,
der beispielsweise für ein Airbagsystem, ein ABS-System
und Ähnliches für Fahrzeuge verwendet wird.
Wie in Fig. 9B gezeigt, ist der Beschleunigungssensor
100 aus einem SOI-Substrat 105, das aus einer ersten
Halbleiterschicht 103a aus Einkristall-Silizium besteht
und eine Rahmenform mit einem Durchgangsloch 102a auf
weist, einer zweiten Halbleiterschicht (SOI-Schicht)
103b, die aus Einkristall-Silizium besteht, um Beschleu
nigung zu erfassen, und einem zwischen der ersten und
zweiten Halbleiterschicht 103a, 103b vorgesehenen einge
betteten Oxidfilm 104 zusammengesetzt. Der Oxidfilm 104
besteht aus SiO2 und weist ein Durchgangsloch 102b auf.
Der Oxidfilm 104 ist ein thermisch bzw. durch Tempern
oxidierter Film, der einen thermischen Ausdehnungskoeffi
zienten aufweist, der ungefähr gleich dem des Einkris
tall-Siliziums ist, das die Halbleiterschichten 103a,
103b bildet.
Die zweite Halbleiterschicht 103b des SOI-Substrats
105 wird in eine bestimmte Form gebracht, indem verschie
dene Gräben darin gebildet werden, die bis auf den einge
betteten Oxidfilm 104 reichen, und wie in Fig. 9A ge
zeigt, weist sie einen beweglichen Abschnitt 108, eine
erste freitragende Festelektrodenstruktur 109a und eine
zweite freitragende Festelektrodenstruktur 109b auf.
Der bewegliche Abschnitt 108 besteht aus einem recht
eckigen Gewichtsabschnitt 110, kammförmigen beweglichen
Elektroden 111a, 111b, die gemeinsam mit dem Gewichtsab
schnitt 110 gebildet werden, und Balkenabschnitten 112a,
112b und Ankerteilen 113a, 113b, die an beiden Enden des
Gewichtsabschnitts 110 vorgesehen sind. Die Ankerteile
113a, 113b sind an der ersten Halbleiterschicht 103a, die
als Trägersubstrat (Rahmenteil) 140 dient, durch die ein
gebettete Oxidschicht 104 befestigt. Die Balkenabschnitte
112a, 112b sind jeweils mit den Ankerteilen 113a, 113b
verbunden und durch diese unterstützt. Der Gewichtsab
schnitt 110 und die beweglichen Elektroden 111a, 111b
werden dann von den Balkenabschnitten 112a, 112b ge
stützt. Die beweglichen Elektroden 111a, 111b strecken
sich einander entgegen, senkrecht zu den Seitenflächen
des Gewichtsabschnitts 110. Jede bewegliche Elektrode
weist Stababschnitte auf, die jeweils einen rechteckigen
Querschnitt aufweisen.
Die Balkenabschnitte 112a, 112b verschieben den Ge
wichtsabschnitt 110 in der Richtung X in Fig. 9A, wenn
sie eine Beschleunigung erfahren, die eine Komponente in
der X-Richtung aufweist, und bringen den Gewichtsab
schnitt 110 in seine ursprüngliche Position zurück, so
bald die Beschleunigung verschwindet. Daher kann der be
wegliche Abschnitt 108 in der Verschiebungsrichtung
(Richtung X) der Balkenabschnitte 112a, 112b als Antwort
auf die darauf wirkende Beschleunigung verschoben werden.
Ein Elektrodenanschluss 114d für Drahtbonden wird auf
dem Ankerteil 113a auf einer Seite des beweglichen Ab
schnitts 108 gebildet. Der Elektrodenanschluss 104d wird
auf der zweiten Halbleiterschicht 103b gebildet, die auf
der ersten Halbleiterschicht 103a mit dem dazwischen ein
gebetteten Oxidfilm 104 vorgesehen ist. In gleicher Weise
wird ein Elektrodenanschluss 114a zum Drahtbonden auf dem
Ankerteil 113b des beweglichen Abschnitts 108 auf der an
deren Seite (auf einer der dem Elektrodenanschluss 114d
gegenüberliegenden Seite) gebildet. Der Elektrodenan
schluss 114a wird ebenso auf der zweiten Halbleiter
schicht 103b gebildet. Beide Elektrodenanschlüsse 114a,
114b bestehen aus Aluminium.
Die erste freitragende Festelektrodenstruktur 109a
besteht aus einem ersten Festelektrodenträgerabschnitt
115a und einer ersten Festelektrode 116a. Der erste Fest
elektrodenträgerabschnitt 115a wird von der zweiten Halb
leiterschicht 103b unterstützt und die erste Festelektro
de 116a weist eine Kammform auf, wobei ein Zahn davon ei
nen rechteckigen Querschnitt aufweist. Die kammförmige
erste Festelektrode 116a wird von dem ersten Festelektro
denträgerabschnitt 115a unterstützt und weist eine Sei
tenfläche (Erfassungsoberfläche) auf, die einer Seiten
fläche (Erfassungsoberfläche) der kammförmigen bewegli
chen Elektrode 111a parallel gegenüberliegt, wodurch ein
bestimmter Erfassungsabstand dazwischen definiert ist.
Wenn eine Beschleunigung auf den Beschleunigungssen
sor 100 wirkt, wird die bewegliche Elektrode 111a ver
schoben, und eine Veränderung der Relativposition zwi
schen der Festelektrode 116a und der beweglichen Elek
trode 111a wird als eine Veränderung der Kapazität zwi
schen den beiden Elektroden erkannt.
Entsprechend besteht die zweite freitragende Festel
ektrodenstruktur 109b aus einem zweiten Festelektroden
trägerabschnitt 115b und einer zweiten Festelektrode
116b. Der zweite Festelektrodenträgerabschnitt 115b wird
von der zweiten Halbleiterschicht 103b unterstützt, und
die zweite Festelektrode 116b weist eine Kammform auf,
wobei ein Zahnteil davon im Querschnitt rechteckig ist.
Die kammförmige zweite Festelektrode 116b wird von dem
zweiten Festelektrodenträgerabschnitt 115b unterstützt,
und liegt einer Seitenfläche der kammförmigen beweglichen
Elektrode 111b (auf einer gegenüberliegenden Seite des
Erfassungsabstandes, das durch die bewegliche Elektrode
111a definiert ist) parallel gegenüber, wodurch ein be
stimmter Erfassungsabstand dazwischen festgelegt ist.
Wenn eine Beschleunigung auf den Beschleunigungssen
sor 100 wirkt, wird die bewegliche Elektrode 111b ver
schoben, und eine Veränderung der relativen Position zwi
schen der Festelektrode 116b und der beweglichen Elek
trode 111b wird als eine Veränderung der Kapazität zwi
schen den beiden Elektroden erkannt.
Ein Elektrodenanschluss 114b zum Drahtbonden wird im
Festelektrodenträgerabschnitt 115a der ersten freitragen
den Festelektrodenstruktur 109a gebildet. Der Elektroden
abschnitt 114b wird auf der zweiten Halbleiterschicht
113b gebildet. Entsprechend wird ein Elektrodenanschluss
114c zum Drahtbonden auf dem Festelektrodenträgerab
schnitt 115b der zweiten freitragenden Festelektroden
struktur 109b gebildet. Der Elektrodenanschluss 114c wird
ebenfalls auf der zweiten Halbleiterschicht 103b gebil
det. Die Elektrodenanschlüsse 114b, 114c bestehen aus
Aluminium.
Weiterhin werden rechteckige Durchgangslöcher 117 in
dem Gewichtsabschnitt 110, den Festelektroden 116a, 116b
und den beweglichen Elektroden 111a, 111b gebildet, wo
durch eine Struktur mit festem Rahmen geschaffen wird.
Dadurch wird der Beschleunigungssensor 100 vom Kapazi
tätstyp erleichtert.
In der vorliegenden Ausführungsform sind mit Bezug
auf Fig. 9A die Breiten A1 und A2 der Rahmenteile des
Trägersubstrats 140 (das aus der ersten Halbleiterschicht
103a besteht), an denen jeweils die Ankerteile 113a, 113b
des beweglichen Abschnitts 108 befestigt sind, einander
gleich, das heißt, sie genügen einer Beziehung von
A1 = A2. Zudem sind die Breiten B1 und B2 der Rahmenteile
des Trägersubstrats 140, an denen jeweils das erste Fest
elektrodenträgerabschnitt 115a und das zweite Festelek
trodenträgerabschnitt 115b befestigt sind, einander
gleich, das heißt, sie genügen einer Beziehung von
B1 = B2. Die obigen Breiten können eine Beziehung von
A1 = A2 = B1 = B2 oder eine Beziehung von A1 = A2 ≠
B1 = B2 erfüllen. Die durch diese Beziehung der Breiten
erzielten Vorteile werden nachstehend beschrieben.
Hier wird ein Betrieb des Beschleunigungssensors 100
unter Bezug auf die Fig. 10A und 105 beschrieben, ob
wohl er dem in der ersten Ausführungsform ähnlich ist.
Wenn eine Beschleunigung mit einer Komponente in der
Richtung X in Fig. 9A auf den Beschleunigungssensor 100
wirkt, wird der Gewichtsabschnitt 110 in Richtung X ver
schoben. Die aus der Beschleunigung resultierende Ver
schiebungsgröße wird von der Masse des Gewichtsabschnitts
110, den Rückstellkräften der Balkenabschnitte 112a, 112b
und den elektrostatischen Kräften bestimmt, die zwischen
den beweglichen Elektroden 111a, 111b und den Festelek
troden 116a, 116b unter der darauf wirkenden Beschleuni
gung wirken.
In dieser Ausführungsform wird eine erste Erfassungs
kapazität CS1 zwischen der beweglichen Elektrode 111a und
der ersten Festelektrode 116a erzeugt, und eine zweite
Erfassungskapazität CS2 wird zwischen der beweglichen
Elektrode 111b und der zweiten Festelektrode 116b er
zeugt. Der Beschleunigungssensor 100 kann die darauf wir
kende Beschleunigung den Veränderungen der Kapazitäten
CS1, CS2, die über die Elektrodenanschlüsse 114a, 114b,
114c und 114d erfasst werden, entnehmen. Zunächst werden
die Kapazitäten CS1, CS2 so gesteuert, dass sie einander
gleich sind, wenn keine Beschleunigung auf den Sensor 100
wirkt.
Insbesondere heißt dies, dass die Festelektroden
116a, 116b, die auf den rechten und linken Seiten in Fig.
9A liegen, zueinander in Bezug auf die dazwischenliegen
den beweglichen Elektroden 111a, 111b, symmetrisch sind,
um eine Bedingung von CS1 = CS2 zu schaffen. Hier werden
parasitäre Kapazitäten, die von den ersten und zweiten
Halbleiterschichten 103a, 103b und anderen erzeugt wer
den, nicht berücksichtigt, um die Erläuterung kurz zu ma
chen.
Unter Bezug auf Fig. 10B wird im Sensor 100 eine ers
te Trägerwelle (Trägerwelle 1), die aus Rechteckwellen
(Frequenz: 100 kHz, Spannungspegel: 5 V) besteht, am Elek
trodenanschluss 114b der ersten Festelektrode 116a ange
legt. Eine zweite Trägerwelle (Trägerwelle 2), die aus
Rechteckwellen (Frequenz: 100 kHz, Spannungspegel: 5 V) mit
einer von der der ersten Trägerwelle um 180° gedrehten
Phase besteht, wird in den Elektrodenanschlüssen 114c der
zweiten Festelektrode 116b angelegt. Obwohl dies nicht
gezeigt ist, sind die ersten und zweiten Trägerwellensig
nale von einer Oszillatorschaltung erzeugte synchroni
sierte Taktsignale.
In dem Zustand, in dem die ersten und zweiten Träger
wellensignale wie vorstehend beschrieben angelegt werden,
weist das Potential an den Elektrodenanschlüssen 114a,
114d der beweglichen Elektroden 111a, 111b einen Pegel
auf, der den Kapazitäten CS1, CS2 entspricht, und der Po
tentialpegel wird von einem schaltbaren Kondensator
schaltnetz 91 erfasst. Das schaltbare Kondensatorschalt
netz 91 weist einen Operationsverstärker 94, einen Rück
kopplungskondensator 92 und einen Schalter 93 auf, die
wie in Fig. 10A gezeigt verbunden sind.
Ein Signal (das den Potentialpegel der beweglichen
Elektroden 111a, 111b anzeigt) wird an einem invertierten
Eingangsanschluss des Operationsverstärker 94 von den
Elektrodenanschlüssen 14a, 14d angelegt und ein Span
nungssignal von 2,5 V (entsprechend dem Potentialpegel,
der an den Elektrodenanschlüssen 114a, 114b anliegt, wenn
die Kapazitäten CS1, CS2 einander gleich sind) wird an
einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operati
onsverstärker 94 angelegt.
Der Schalter 93 wird von Triggersignalen, die zur
Synchronisierung der Taktsignale von der Oszillatorschal
tung erzeugt werden ein- oder ausgeschaltet. Insbesondere
wird der Schalter 93 nur für einen bestimmten Zeitab
schnitt (kürzer als 1/2 Periode des ersten Trägerwellen
signals) zu einer Zeit, wenn das erste Trägerwellensignal
abfällt (und übereinstimmend mit der Zeit, wenn das zwei
te Trägerwellensignal ansteigt), eingeschaltet.
Die in Fig. 10A gezeigte Kapazitätserfassungsschal
tung arbeitet wie folgt.
Wenn die Kapazitäten CS1, CS2 einander gleich sind,
wird zu einem Zeitpunkt T1, wie in Fig. 10B gezeigt, 0 V
an der ersten Festelektrode 116a angelegt, 5 V an der
zweiten Festelektrode 116b angelegt und 2,5 V an den be
weglichen Elektroden 111a, 111b angelegt. Zu dieser Zeit
ist die Ausgabespannung V0 des schaltbaren Kondensator
schaltnetzes 91 2,5 V, weil der Schalter 93 eingeschaltet
ist. Zum Zeitpunkt T2, wenn ein bestimmter Zeitabschnitt
seit dem Zeitpunkt T1 verstrichen ist, wird der Schalter
93 ausgeschaltet. Weil die Spannungen, die an den Fest
elektroden 116a, 116b anliegen, sich nicht ändern, ändert
sich die Ausgangsspannung ebenfalls nicht.
Hier ändern sich die Ausgangsspannungen gemäß einer
Änderung des Kapazitätsunterschieds von CS1, CS2, das
heißt, entsprechend der Größe der Beschleunigung, die auf
den Gewichtsabschnitt 110 wirkt. Daher kann die Größe der
Beschleunigung unter Nutzung der Ausgangsspannung erfasst
werden. Das heißt, die Ausgabe wird aufgrund der Änderung
der Kapazität (CS1-CS2) erzeugt, die von den Änderungen
der Abstände zwischen den beweglichen Elektroden 111a,
111b und den Festelektroden 116a, 116b herrührt.
Wie in Fig. 9B gezeigt, ist hier das Trägersubstrat
140, das aus der ersten Halbleiterschicht 103a und dem
eingebetteten Oxidfilm 104 zusammengesetzt ist, über ei
nen Klebstoff 107 auf Silizium-Basis oder Epoxyd-Basis
fest an ein aus Keramik bestehendes Gehäuse 106 auf der
Rückseite der ersten Halbleiterschicht 103a (auf einer
der eingebetteten Oxidschicht 104 gegenüberliegenden
Seite) angebracht. Weil jedoch angenommen werden kann,
dass das Trägersubstrat 140 aus metallischen Systemmate
rial besteht und der Klebstoff 107, der das Träger
substrat 104 an das Gehäuse 106 klebt, aus Harzmaterial
besteht, sind das Trägersubstrat 140 und der Klebstoff
107 in ihren physikalischen Eigenschaften unterschied
lich.
Insbesondere unterscheiden sich das Trägersubstrat
140 und der Klebstoff 107 im thermischen Ausdehnungskoef
fizienten. Aufgrund dessen ist eine Verformungsgröße des
Trägersubstrats 140 von der des Klebstoffs 107 aufgrund
der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizien
ten verschieden, wenn sich die Betriebstemperatur des Be
schleunigungssensors 100 ändert.
Wenn beispielsweise die Betriebstemperatur des Be
schleunigungssensors 100 von einer Raumtemperatur verrin
gert wird, schrumpft der Klebstoff 107 stärker als das
Trägersubstrat 140, weil der thermische Ausdehnungskoef
fizient des Klebstoffs 107 größer als der des Träger
substrats 140 ist. Als Ergebnis verzieht sich das Träger
substrat 140 an den Seiten des Gehäuses 106 konvex.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des aus Keramik
bestehenden Gehäuses 106 ist im Vergleich zu dem des
Klebstoffs 107 dem des Trägersubstrats 140 sehr ähnlich.
Daher kann die Auswirkung des Unterschieds in thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Gehäuse 106 und dem
Trägersubstrats 140 auf das Trägersubstrat 140 in der
vorliegenden Ausführungsform vernachlässigt werden.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Silizi
ums, das die ersten und zweiten Halbleiterschichten 103a,
103b bildet, des Klebstoffs 107, und des Gehäuses 106
sind genauer jeweils 2,5 ppm/°C, 100-300 ppm/°C und 7,7
ppm/°C. Somit ist der Unterschied des thermischen Ausdeh
nungskoeffizienten zwischen dem Silizium und dem Kleb
stoff 107 groß. Weil der bewegliche Abschnitt 108 und die
Festelektroden 106a, 106b vom Trägersubstrat 140 gestützt
werden, das aus der ersten Halbleiterschicht 103a und dem
eingebetteten Oxidfilm 104 zusammengesetzt ist, wird der
von der Temperaturänderung verursachte Verzug des Träger
substrats 140 von einem Verzug des beweglichen Abschnitts
108 und der Festelektroden 106a, 106b begleitet.
Als Nächstes werden unter Bezug auf die in den
Fig. 11A bis 11D gezeigten Schaubilder Fälle erläutert, in
denen das Trägersubstrat 40 durch Kräfte verschoben wird.
Wie in Fig. 11A gezeigt, bewegt sich der bewegliche
Abschnitt 108 in einer Richtung schräg nach oben von der
Position "108a" in die Position "108b", wenn das Träger
substrat kräftig verschoben (deformiert) wird, wenn bei
spielsweise die Breite des rahmenförmigen Trägersubstrats
140 (die Breite des Trägersubstrats 140, an dem das An
kerteil 113a oder 113b befestigt ist) nicht gleichblei
bend ist, wie in Fig. 11B gezeigt, wenn die Breite des
unteren Abschnitts des Trägersubstrats 140 größer als die
Breite seines oberen Abschnitts ist.
Wenn sich der bewegliche Abschnitt 108 von der Posi
tion 108a in die Position 108b bewegt, ändern sich die
Abstände zwischen den beweglichen Elektroden 111a, 111b
und den Festelektroden 116a, 116b, und verändern die Sen
sorausgabe. Das heißt, dass sich die Kapazitätsdifferenz
(CS1 - CS2) zwischen den Kapazitäten CS1, CS2 verändert.
Dieses Ergebnis wird in Fig. 12 als Vergleichsbeispiel
mit einer gestrichelten Linie gezeigt. In Fig. 12 zeigt
eine horizontale Achse den Betrag der kraftverursachten
Verschiebung des Trägersubstrats 140, und eine senkrechte
Achse zeigt die Veränderung der Ausgabe an. Die jeweili
gen gegenüberliegenden Bereiche zwischen den beweglichen
Elektroden 111a, 111b und Festelektroden 116a, 116b ver
ändern sich in diesem Fall ebenso. Weil jedoch die Verän
derungen ungefähr gleich sind, ist der Effekt nicht sig
nifikant.
In diesem Zusammenhang wird in der vorliegenden Aus
führungsform, wie in Fig. 11C gezeigt, die Breite des
Trägersubstrats 140 in Richtung der Verschiebung X des
beweglichen Abschnitts 108, der die beweglichen Elektro
den 111a, 111b umfaßt, gleichbleibend hergestellt. Ent
sprechend ist, wie in Fig. 11D gezeigt, die Verschiebung
ungefähr senkrecht zur Verschiebungsrichtung X und der
bewegliche Abschnitt 108 wird kaum in der Verschiebungs
richtung X verschoben, obwohl der bewegliche Abschnitt
108 insgesamt nach oben (das heißt, in Fig. 11D aus dem
Papier heraus) verschoben wird.
Die Abstände zwischen den beweglichen Elektroden
111a, 111b und den Festelektroden 116a, 116b ändern sich
in diesem Fall nicht. Daher kann die Veränderung des Ka
pazitätsunterschieds (CS1 - CS2) unterdrückt werden, auch
wenn sich die Temperatur ändert und das Trägersubstrat
140 dadurch verzogen wird. Als Ergebnis kann die durch
die Temperaturänderung verursachte Ausgabeveränderung un
terdrückt werden, wie durch die durchgezogene Linie in
Fig. 12 gezeigt.
Wenn der bewegliche Abschnitt 108 verschoben wird,
sind die Verformungsgröße des Gewichtsabschnitts 110, der
von den Balkenabschnitten 112a, 112b gestützt wird, und
die Verformungsgrößen der beweglichen Elektroden 111a,
111b klein, weil sich vorwiegend die in Fig. 9A gezeigten
Stababschnitte 112a, 112b verformen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Breite
des Trägersubstrats 140 in der Richtung der Verschiebung
X des beweglichen Abschnitts 108 gleichbleibend. Die To
leranzen der Differenz zwischen den Breiten A1 und A2 des
Trägersubstrats 140 sollten jedoch unter Berücksichtigung
der Fertigungstoleranzen beispielsweise bei der Bildung
des Durchgangslochs 102a und beim Schneiden bis zu 30 µm
betragen.
Um die Veränderung der Ausgabe zu unterdrücken, ist
die Differenz zwischen den Breiten A1 und A2 des Träger
substrats 140 bevorzugt 15% oder weniger der kleineren
davon. Noch besser ist ein Unterschied von 10% oder we
niger. Um die Variation der Ausgabe deutlich zu reduzie
ren, sollte der Unterschied 7% oder weniger betragen.
Beispielsweise ist in der vorliegenden Ausführungsform A1
320 µm und A2 340 µm.
Zudem ist in der vorliegenden Ausführungsform die
Breite des Trägersubstrats 140 in der Richtung senkrecht
zur Verschiebungsrichtung X des beweglichen Abschnitts
108 ebenfalls gleichbleibend.
Wenn die Breite des Trägersubstrats 140 in der Rich
tung senkrecht zur Verschiebungsrichtung X nicht gleich
bleibend ist, verändern sich die gegenüberliegenden Be
reiche zwischen den beweglichen Elektroden 111a, 111b und
den Festelektroden 116a, 116b aufgrund des Unterschieds
der Verzugsgröße zwischen den Festelektroden 116a, 116b,
wenn das Trägersubstrat 140 durch die Temperaturänderung
verformt wird. Die Änderungen der gegenüberliegenden Be
reiche wirken sich auf die Erfassungskapazitäten CS1, CS2
unterschiedlich aus, was zu einer Veränderung der Ausgabe
führt.
Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform die
Breite des Trägersubstrats 140 in der Richtung senkrecht
zur Verschiebungsrichtung X ebenfalls gleichbleibend aus
geführt (B1 = B2), sodass die Größe der Verschiebung der
Festelektroden 116a, 116b gleich wird. Als ein Ergebnis
werden die Änderungen der gegenüberliegenden Bereiche
zwischen den beweglichen Elektroden 111a, 111b und den
Festelektroden 116a, 116b ebenfalls gleichbleibend, wo
durch eine Veränderung der Ausgabe verhindert wird. Zwi
schen den Breiten B1, B2 des Trägersubstrats 140 ist
ebenso wie vorstehend zwischen dessen Breiten A1, A2 be
schrieben ein bestimmter Unterschied tolerierbar.
Unter Bezug auf Fig. 9A fällt die Mitte (die Mittel
linie) des beweglichen Abschnitts 108 mit der Mittellinie
C des Trägersubstrats 140 zusammen. Das bedeutet, dass
die Ankerteile 113a, 113b des beweglichen Abschnitts 108
auf der Mittellinie C liegen.
Wie vorstehend beschrieben, wird die Verformung des
Trägersubstrats 140 von der Verformung des beweglichen
Abschnitts 108 begleitet, weil der bewegliche Abschnitt
108 vom Trägersubstrat 140 gehalten wird. In der vorlie
genden Ausführungsform wird die Verschiebung des bewegli
chen Abschnitts 108 gleichbleibend, auch wenn sich das
Trägersubstrat 140 mit der Temperaturänderung verzieht,
weil die Mitte des beweglichen Abschnitts 108 auf der
Mittellinie C des Trägersubstrats 140 positioniert wird.
Als ein Ergebnis kann die Verschiebung der beweglichen
Elektroden 111a, 111b gegenüber den Seiten der Festelek
troden 116a, 116b verhindert werden. Die durch die Ver
schiebungen der beweglichen Elektroden 111a, 111b hervor
gerufenen Kapazitätsänderungen können reduziert werden,
um die auf der Temperaturänderung beruhende Ausgabeverän
derung zu verhindern.
Insbesondere ist der bewegliche Abschnitt 108 in Be
zug auf die Mittellinie des Trägersubstrats 140 symme
trisch. Daher wird die Verformung, die durch das Verzie
hen des Trägersubstrats 140 hervorgerufen wird (und zu
Veränderungen der gegenüberliegenden Bereiche zwischen
den beweglichen Elektroden 111a, 111b und den Festelek
troden 116a, 116b führt) mit Bezug auf die Festelektroden
116a, 116b gleichbleibend. Daher können die Veränderungen
der gegenüberliegenden Bereiche durch den differenziellen
Ausgang (CS1 - CS2) kompensiert werden.
Zudem ist die Breite in der Richtung der Seiten des
Rahmens des Trägersubstrats 140, an dem die Ankerteile
113a, 113b befestigt sind, klein gehalten, um die Größe
der Verschiebung zu verringern.
Zudem sind in der vorliegenden Ausführungsform die
Festelektrodenunterstützungsteile 115a, 115b in Bezug auf
den Mittelpunkt CC des Trägersubstrats 140 punktsymmetri
sch. Weil die Festelektrodenträgerabschnitte, die die
Festelektroden 116a, 116b unterstützen, durch das Träger
substrat 140 unterstützt werden, wird die Verformung des
Trägersubstrats 140 von den Verformungen der Festelektro
denträgerabschnitte 115a, 115b, begleitet.
In diesem Zusammenhang werden die Verformungen der
Festelektrodenträgerabschnitte 115a, 115b gleichbleibend,
auch wenn das Trägersubstrat 140 durch die Temperaturän
derung verformt wird, wenn die Festelektrodenträgerab
schnitte 115a, 115b in Bezug auf den Mittelpunkt CC des
Trägersubstrats 140 punktsymmetrisch sind. Als ein Ergeb
nis können die Verschiebungen der Festelektroden 116a,
116b bezüglich der Seiten der beweglichen Elektroden
111a, 111b verhindert werden. Folglich können die Verän
derungen der Kapazitäten, die durch die Verschiebungen
der Festelektrodenträgerabschnitte 115a, 115b verursacht
werden, verringert werden, wodurch die Veränderung der
Ausgabe verhindert wird, die durch die Temperaturänderung
verursacht ist.
Noch genauer wird die Größe der Verformung des ersten
Festelektrodenträgerabschnitts 115a gleich der des zwei
ten Festelektrodenträgerabschnitts 115b, und die Verände
rungen der gegenüberliegenden Bereiche zwischen den be
weglichen Elektroden 111a und den Festelektroden 116a und
zwischen den beweglichen Elektroden 111b und den Fest
elektroden 116b, die durch diese Verformung verursacht
sind, werden einander gleich. Im Ergebnis kann dieser Ef
fekt durch die differenzielle Ausgabe (CS1 - CS2) kompen
siert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform weist das Träger
substrat 140 eine quadratische ebene Form auf. Wenn die
ebene Form des Trägersubstrats 140 unregelmäßig ist, sind
die Verschiebungen des beweglichen Abschnitts 108 und der
Festelektroden 116a, 116b, die vom Trägersubstrat 140 un
terstützt werden, nicht gleichbleibend, so dass sich die
Abstände zwischen den beweglichen Elektroden 111a, 111b
und den Festelektroden 116a, 116b verändern.
In der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch die
Verschiebungen des beweglichen Abschnitts 108 und der
Festelektroden 116a, 116b gleichbleibend, so dass die
Veränderungen der Abstände zwischen den beweglichen Elek
troden 111a, 111b und den Festelektroden 116a, 116b redu
ziert werden können, auch wenn sich das Trägersubstrat
140 mit der Temperaturänderung verzieht, weil die ebene
Fläche des Trägersubstrats 140 ein Quadrat ist. Dies
führt zu verringerten Veränderungen der Kapazitäten, die
durch die Verschiebungen der bewegliche Teile 108 und der
Festelektroden 116a, 116b hervorgerufen werden. Zudem än
dern sich die gegenüberliegenden Bereiche zwischen den
beweglichen Elektroden 111a, 111b und den Festelektroden
116a, 116b, wenn sich das Trägersubstrat 140 mit der Tem
peraturänderung verformt; durch Anpassen der vorstehend
beschriebenen Struktur werden jedoch die Änderungen der
gegenüberliegenden Bereiche gleichbleibend.
Wie vorstehend beschrieben, weist die vorliegende
Ausführungsform die folgenden 5 Merkmale auf, dass:
- a) die Breite des Trägersubstrats 140 in der Ver schiebungsrichtung X des beweglichen Abschnitts 108 gleichbleibend ist;
- b) die Breite des Trägersubstrats 140 in der Rich tung, in der die Festelektroden 116a, 116b unterstützt werden, gleichbleibend ist;
- c) die Mittellinie (die durch die Ankerteile 113a, 113b bestimmte Achse) des beweglichen Abschnitts 108 fällt mit der Mittellinie C des Trägersubstrats 140 zu sammen;
- d) die Festelektrodenträgerabschnitte 115a, 115b in Bezug auf den Mittelpunkt des Trägersubstrats 140 punktsymmetrisch sind; und
- e) die eben Form des Trägersubstrats 140 quadratisch ist.
Von den obigen Merkmalen (a) bis (e) zielen die Merk
male (b) bis (e) darauf ab, die Veränderungen der gegen
überliegende Bereiche zwischen den beweglichen Elektroden
111a, 111b und den Festelektroden 116a, 116b jeweils an
den Seiten der Erfassungskapazitäten CS1, CS2 auszuglei
chen. Das Merkmal (a) zielt darauf ab, die Veränderungen
des Abstands zwischen den beweglichen Elektroden 111a,
111b und den Festelektroden 116a, 116b zu verhindern. Der
Effekt durch die Verschiebungen der Festelektroden 116a,
116b kann prinzipiell verringert werden, indem die diffe
renzielle Ausgabe verwendet wird; die Verschiebungen der
beweglichen Elektroden 111a, 111b beeinflussen jedoch di
rekt die differenzielle Ausgabe. Daher weist der Sensor
bevorzugt mindestens das Merkmal (a) auf. Hier sollte an
gemerkt sein, dass es nicht immer notwendig ist, dass der
Sensor alle obigen Merkmale (a) bis (e) aufweist.
Im Folgenden wird hier ein Verfahren zur Herstellung
des Beschleunigungssensors 100 mit der obigen Struktur
unter Bezug auf die Fig. 13A bis 13F erläutert.
Zunächst wird, wie in Fig. 13A gezeigt, das SOI-
Substrat 105 vorbereitet. Das SOI-Substrat 105 weist eine
Struktur auf, in der die zweite Halbleiterschicht 103b
auf der ersten Halbleiterschicht 103a als eine Basis mit
dem dazwischen eingebetteten Oxidfilm 104 gebildet wird.
Nachfolgend wird, wie in Fig. 13B gezeigt, ein Elek
trodenanschlußbildungsschritt durchgeführt. Im Elektro
denanschlußbildungsschritt wird Aluminium auf der gesam
ten Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 103b abge
schieden, um eine dünne Schicht zu bilden, und die dünne
Aluminiumschicht wird durch Photolithographie und Ätz
technik strukturiert, wodurch die Elektrodenanschlüsse
114 (114a, 114b, 114c, 114d) gebildet werden. Dieser
Elektrodenanschlußbildungsschritt kann optional eine Wär
mebehandlung (Sintern) einbeziehen, um einen Ohmschen
Kontakt der Elektrodenanschlüsse 114 zu erhalten.
In diesem Zustand wird ein Maßanpassungsschritt
durchgeführt. Im Maßanpassungsschritt werden Schleif- und
Poliervorgänge an der Oberfläche der Halbleiterschicht
103a (die Oberfläche auf der dem eingebetteten Oxidfilm
104 gegenüberliegenden Seite) durchgeführt, um die Dicke
der ersten Halbleiterschicht 103a anzupassen. So wird die
Dicke der ersten Halbleiterschicht 103a gesteuert, um ei
ne Ätztiefe zum Bilden des Durchgangslochs 102a durch
anisotopes Ätzen zu verringern, und um eine Dimensions
vergrößerung des Chipdesigns durch das anisotrope Ätzen
zu verhindern.
Nachfolgend wird, wie in Fig. 13C gezeigt, ein Mas
kenbildungsschritt durchgeführt. Im Maskenbildungsschritt
wird ein Siliziumnitritfilm durch ein plasmaunterstütztes
CVD-Verfahren auf der gesamten Oberfläche der ersten
Halbleiterschicht 103a (die Oberfläche auf der dem einge
betteten Oxidfilm 104 gegenüberliegenden Seite) abge
schieden und danach der Siliziumnitritfilm durch die Pho
tolithographie- und Ätztechniken strukturiert. Entspre
chend wird eine Maske 18 zum Bilden des Durchgangslochs
102A mittels Ätzen vorgesehen. Die Maske kann aus anderen
Materialien wie Siliziumoxid und Resist zusätzlich zu Si
liziumnitrit bestehen. So wird die Maske 18, die dort of
fen ist, wo der Öffnungsabschnitt 102A und der bewegliche
Abschnitt 108 gebildet wird, auf der rückseitigen Ober
fläche des SOI-Substrats 105 vorgesehen.
Dann wird wie in Fig. 13D gezeigt, ein Grabenbil
dungsschritt durchgeführt. Im Grabenbildungsschritt wird
ein Resist 119 auf der zweiten Halbleiterschicht 103 mit
einer bestimmten Struktur (die dem beweglichen Teil 108
und dem freitragenden Festelektrodenstrukturen 109A, 109B
zugeordnet ist) gebildet, während die Elektrodenanschlüs
se 114 abgedeckt sind. In diesem Zustand wird in einer
Trockenätzvorrichtung unter Nutzung des Resists 119 als
einer Maske anisotropes Ätzen durchgeführt. Entsprechend
werden in der zweiten Halbleiterschicht 103b die Gräben
120 gebildet, die bis zum eingebetteten Oxidfilm 104 rei
chen. Die Gräben 120 enthalten die Durchgangslöcher 117,
die in Fig. 9A gezeigt sind. Die Maske kann zusätzlich zu
Resist aus anderen Materialien wie Siliziumoxid und Sili
ziumnitrit hergestellt werden.
Als nächstes wird, wie in Fig. 13E gezeigt, ein ers
ter Ätzschritt durchgeführt. Im ersten Ätzschritt wird
ein anisotropes Ätzen auf der Oberfläche der ersten Halb
leiterschicht 103a (auf der dem eingebetteten Oxidfilm
104 gegenüberliegenden Seite) unter Nutzung der Maske 118
und einer wässrigen anisotropischen Ätzlösung, wie einer
wässrigen KOH-Lösung, durchgeführt.
Wenn in diesem Schritt das anisotrope Ätzen nach der
Entfernung der ersten Halbleiterschicht 103a zum einge
betteten Oxidfilm 104 vordringt, besteht eine hohe Wahr
scheinlichkeit, dass der eingebettete Oxidfilm 104 durch
den Druck der Ätzlösung bricht und die zweite Halbleiter
schicht 103b beschädigt wird. Daher wird die Ätzzeit so
gesteuert, dass das anisotrope Ätzen zu der Zeit gestoppt
wird, wenn der eingebettete Oxidfilm 104 offenliegt. Noch
genauer kann die Ätzzeit auf der Grundlage einer Berech
nung mittels der Dicke der ersten Halbleiterschicht 103a
und einer Ätzrate der Ätzlösung gesteuert werden.
Folglich wird das Durchgangsloch 102A in der ersten
Halbleiterschicht 103a wie in Fig. 13E gezeigt durch die
sen ersten Ätzschritt gebildet. Die Maske 108 wird nach
dem Beenden des ersten Ätzschritts entfernt.
Dann wird, wie in Fig. 13F gezeigt, ein zweiter Ätz
schritt durchgeführt. Im zweiten Ätzschritt wird in einem
Zustand, in dem die Ätzrate der im Grabenbildungsschritt
verwendeten Ätzvorrichtung verändert wird, Trockenätzen
auf der Rückseite des eingebetteten Oxidfilms 104 (auf
der Seite der ersten Halbleiterschicht 103a) durchge
führt, um dadurch den eingebetteten Oxidfilm 104 zu ent
fernen. Als Ergebnis wird das Durchgangsloch 102b gebil
det, der bewegliche Abschnitt 108 beweglich ausgeführt
und die freitragenden Festelektrodenstrukturen 109a, 109b
werden durch den zweiten Ätzschritt durch die Festelek
trodenträgerabschnitte 115a, 115b frei getragen.
Nach der Durchführung des zweiten Ätzschritts wird
das SOI-Substrat 105 mittels eines Silikonsystem- oder
Epoxydsystemklebers 107 an das aus Keramik bestehende Ge
häuse 106 geklebt. Danach wird ein Trennschritt durchge
führt, um das SOI-Substrat 105 in Sensorchips zu trennen.
Dadurch wird die Herstellung des Beschleunigungssensors
100 vom Kapazitätstyp beendet.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die
vorher beschriebene bevorzugte Ausführungsform gezeigt
und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offen
sichtlich, dass Änderungen in Form und Details durchge
führt werden können, ohne vom in den beigefügten Ansprü
chen dargestellten Anwendungsbereich der Erfindung abzu
weichen.
Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf
verschiedene Halbleitersensoren für dynamische Größen zum
Erfassen dynamischer Größen wie einen Winkelgeschwindig
keitssensor, einen Giersensor und einen Drucksensor zu
sätzlich zu einem Beschleunigungssensor angewendet wer
den.
Claims (17)
1. Halbleitersensor für eine dynamische Größe, der Fol
gendes umfaßt:
ein Trägersubstrat (20), das einen Öffnungsabschnitt (21) aufweist, der auf einer Oberfläche desselben offen ist;
erste und zweite Trägerabschnitte (34a, 34b) für be wegliche Elektroden, die an dem Trägersubstrat befestigt sind;
eine bewegliche Elektrode (30), die durch die ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegliche Elektroden gehalten wird, um in Übereinstimmung mit einer darauf wirkenden dynamischen Größe verschoben zu werden;
erste und zweite Festelektrodenträgerabschnitte (41a, 41b, 51a, 51b), die an dem Trägersubstrat befestigt sind; und
eine Festelektrode (40, 50), die durch die ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte gehalten wird und der beweglichen Elektrode mit einem Erfassungsabstand (60), der zwischen beiden definiert ist, gegenüberliegt, wobei der Erfassungsabstand verändert wird, um die dyna mische Größe zu erfassen, wenn die bewegliche Elektrode verschoben wird, wobei
die ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegli che Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten des Öff nungsabschnitts vorgesehen sind, und
die ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnit te auf den gegenüberliegenden Seiten des Öffnungsab schnitts vorgesehen sind.
ein Trägersubstrat (20), das einen Öffnungsabschnitt (21) aufweist, der auf einer Oberfläche desselben offen ist;
erste und zweite Trägerabschnitte (34a, 34b) für be wegliche Elektroden, die an dem Trägersubstrat befestigt sind;
eine bewegliche Elektrode (30), die durch die ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegliche Elektroden gehalten wird, um in Übereinstimmung mit einer darauf wirkenden dynamischen Größe verschoben zu werden;
erste und zweite Festelektrodenträgerabschnitte (41a, 41b, 51a, 51b), die an dem Trägersubstrat befestigt sind; und
eine Festelektrode (40, 50), die durch die ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte gehalten wird und der beweglichen Elektrode mit einem Erfassungsabstand (60), der zwischen beiden definiert ist, gegenüberliegt, wobei der Erfassungsabstand verändert wird, um die dyna mische Größe zu erfassen, wenn die bewegliche Elektrode verschoben wird, wobei
die ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegli che Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten des Öff nungsabschnitts vorgesehen sind, und
die ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnit te auf den gegenüberliegenden Seiten des Öffnungsab schnitts vorgesehen sind.
2. Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch
1, wobei eine Achse, die die ersten und zweiten Trägerab
schnitte für bewegliche Elektroden verbindet, ungefähr
parallel zu einer Achse ist, die die ersten und zweiten
Festelektrodenträgerabschnitte verbindet.
3. Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch
1 oder 2, wobei der Öffnungsabschnitt im wesentlichen
rechteckig ist.
4. Halbleitersensor für dynamische Größen nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, wobei:
die bewegliche Elektrode einen Gewichtsabschnitt (31), der an seinen beiden Enden mit den ersten und zwei ten Trägerabschnitten für bewegliche Elektroden verbunden ist, und einen Stababschnitt (32) aufweist, der aus dem Gewichtsabschnitt hervorragt;
die Festelektrode einen Verbindungsabschnitt (42, 52) aufweist, der an seinen beiden Enden mit den ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitten verbunden ist, und einen Stababschnitt (43, 53) aufweist, der von dem Verbindungsabschnitt hervorragt und eine Seitenfläche aufweist, die einer Seitenfläche des Stababschnitts der beweglichen Elektrode gegenüberliegt.
die bewegliche Elektrode einen Gewichtsabschnitt (31), der an seinen beiden Enden mit den ersten und zwei ten Trägerabschnitten für bewegliche Elektroden verbunden ist, und einen Stababschnitt (32) aufweist, der aus dem Gewichtsabschnitt hervorragt;
die Festelektrode einen Verbindungsabschnitt (42, 52) aufweist, der an seinen beiden Enden mit den ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitten verbunden ist, und einen Stababschnitt (43, 53) aufweist, der von dem Verbindungsabschnitt hervorragt und eine Seitenfläche aufweist, die einer Seitenfläche des Stababschnitts der beweglichen Elektrode gegenüberliegt.
5. Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch
4, wobei der Verbindungsabschnitt der Festelektrode einen
gebogenen Abschnitt (44, 54) aufweist, der derart gebogen
ist, dass er sich zu einer der ersten und zweiten Träger
abschnitte für bewegliche Elektroden hin erstreckt.
6. Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch
4, wobei:
die Festelektrode zwei Stababschnitte aufweist, die jeweils von dem Verbindungsabschnitt hervorragen; und
der Verbindungsabschnitt an einem Abschnitt, der die beiden Stababschnitte verbindet, verbreitert ist.
die Festelektrode zwei Stababschnitte aufweist, die jeweils von dem Verbindungsabschnitt hervorragen; und
der Verbindungsabschnitt an einem Abschnitt, der die beiden Stababschnitte verbindet, verbreitert ist.
7. Halbleitersensor für dynamische Größen, der Folgen
des umfaßt:
ein Trägersubstrat (20), das einen Öffnungsabschnitt (21) aufweist, der auf einer Oberfläche desselben offen ist;
erste und zweite Trägerabschnitte für bewegliche Elektroden (34a, 34b), die an dem Trägersubstrat befe stigt sind;
eine bewegliche Elektrode (30), die durch die ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegliche Elektroden gehalten wird, um in Übereinstimmung mit einer darauf wirkenden dynamischen Größe in einer Verschiebungsrich tung (X) verschoben zu werden;
erste und zweite Festelektrodenträgerabschnitte (41a, 41b, 51a, 51b), die an dem Trägersubstrat befestigt sind; und
eine Festelektrode (40, 50) die durch die ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte gestützt wird und der beweglichen Elektrode mit einem Erfassungsabstand (60), der zwischen beiden definiert ist, gegenüberliegt, wobei der Erfassungsabstand verändert wird, um die dyna mische Größe zu erfassen, wenn die bewegliche Elektrode verschoben wird, wobei
die ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegli che Elektroden in einer Richtung angeordnet sind, die un gefähr parallel zu einer Richtung ist, in der die ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte angeordnet sind.
ein Trägersubstrat (20), das einen Öffnungsabschnitt (21) aufweist, der auf einer Oberfläche desselben offen ist;
erste und zweite Trägerabschnitte für bewegliche Elektroden (34a, 34b), die an dem Trägersubstrat befe stigt sind;
eine bewegliche Elektrode (30), die durch die ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegliche Elektroden gehalten wird, um in Übereinstimmung mit einer darauf wirkenden dynamischen Größe in einer Verschiebungsrich tung (X) verschoben zu werden;
erste und zweite Festelektrodenträgerabschnitte (41a, 41b, 51a, 51b), die an dem Trägersubstrat befestigt sind; und
eine Festelektrode (40, 50) die durch die ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte gestützt wird und der beweglichen Elektrode mit einem Erfassungsabstand (60), der zwischen beiden definiert ist, gegenüberliegt, wobei der Erfassungsabstand verändert wird, um die dyna mische Größe zu erfassen, wenn die bewegliche Elektrode verschoben wird, wobei
die ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegli che Elektroden in einer Richtung angeordnet sind, die un gefähr parallel zu einer Richtung ist, in der die ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte angeordnet sind.
8. Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch
7, wobei die Richtung, in der die ersten und zweiten Trä
gerabschnitte für bewegliche Elektroden bzw. die ersten
und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte angeordnet
sind, ungefähr parallel zu der Verschiebungsrichtung der
beweglichen Elektrode verläuft.
9. Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch
7 oder 8, wobei:
einer der ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegliche Elektroden und einer der ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte auf einer ersten Seite des Öffnungsabschnitts vorgesehen sind; und
ein anderer der ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegliche Elektroden und ein anderer der ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte auf einer zweiten Seite des Öffnungsabschnitts vorgesehen sind, die der ersten Seite gegenüberliegt.
einer der ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegliche Elektroden und einer der ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte auf einer ersten Seite des Öffnungsabschnitts vorgesehen sind; und
ein anderer der ersten und zweiten Trägerabschnitte für bewegliche Elektroden und ein anderer der ersten und zweiten Festelektrodenträgerabschnitte auf einer zweiten Seite des Öffnungsabschnitts vorgesehen sind, die der ersten Seite gegenüberliegt.
10. Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch
9, wobei die bewegliche Elektrode und die Festelektrode
jeweils Stababschnitte (32, 43, 53) aufweisen, die einan
der mit dem dazwischen definierten Erfassungsabstand ge
genüberliegen und sich die Stababschnitte ungefähr paral
lel zu der ersten Seite und der zweiten Seite des Öff
nungsabschnitts ausdehnen.
11. Halbleitersensor für dynamische Größen, der Folgen
des umfasst:
ein Rahmenteil (103a);
eine bewegliche Elektrode (111a, 111b), die von dem Rahmenteil durch einen Balkenabschnitt (112a, 112b) ge halten wird, um durch eine darauf wirkende dynamische Größe in einer Verschiebungsrichtung (X) verschoben zu werden, wobei die bewegliche Elektrode (111a, 111b) eine Erfassungsoberfläche aufweist; und
eine Festelektrode (116a, 116b), die von dem Rahmen teil gehalten wird, und eine Erfassungsoberfläche auf weist, die der Erfassungsoberfläche der beweglichen Elek trode gegenüberliegt, wobei ein Erfassungsabstand defi niert ist, der verändert wird, um die dynamische Größe zu erfassen, wenn die bewegliche Elektrode durch die dynami sche Größe verschoben wird, wobei
eine Breite (A1, A2) des Rahmenteils in der Ver schiebungsrichtung der beweglichen Elektrode gleichblei bend ist.
ein Rahmenteil (103a);
eine bewegliche Elektrode (111a, 111b), die von dem Rahmenteil durch einen Balkenabschnitt (112a, 112b) ge halten wird, um durch eine darauf wirkende dynamische Größe in einer Verschiebungsrichtung (X) verschoben zu werden, wobei die bewegliche Elektrode (111a, 111b) eine Erfassungsoberfläche aufweist; und
eine Festelektrode (116a, 116b), die von dem Rahmen teil gehalten wird, und eine Erfassungsoberfläche auf weist, die der Erfassungsoberfläche der beweglichen Elek trode gegenüberliegt, wobei ein Erfassungsabstand defi niert ist, der verändert wird, um die dynamische Größe zu erfassen, wenn die bewegliche Elektrode durch die dynami sche Größe verschoben wird, wobei
eine Breite (A1, A2) des Rahmenteils in der Ver schiebungsrichtung der beweglichen Elektrode gleichblei bend ist.
12. Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch
11, wobei das Rahmenteil mittels eines Klebstoffs (107),
der einen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist,
der sich von dem des Rahmenteils unterscheidet, auf einen
Sockelabschnitt (106) befestigt ist.
13. Halbleitersensor für dynamische Größen nach Anspruch
11 oder 12, wobei die bewegliche Elektrode bezüglich ei
ner Mittellinie des Rahmenteils symmetrisch ist.
14. Halbleitersensor für dynamische Größen nach einem
der Ansprüche 11 bis 13, wobei:
die Festelektrode aus einer ersten Festelektrode und einer zweiten Festelektrode besteht, die auf beiden Sei ten der beweglichen Elektrode angeordnet sind und eine erste Kapazität (CS1) bzw. eine zweite Kapazität (CS2) mit der beweglichen Elektrode bilden;
sich die erste Kapazität in einer anderen Richtung als die zweite Kapazität verändert, wenn die bewegliche Elektrode verschoben wird, so dass ein Kapazitätsunter schied zwischen der ersten Kapazität und der zweiten Ka pazität ausgegeben wird, um eine dynamische Größe zu er fassen; und
ein erster Abschnitt des Rahmenteils, der die erste Festelektrode hält, eine Breite aufweist, die ungefähr gleich zu der eines zweiten Abschnitts des Rahmenteils ist, der die zweite Festelektrode hält.
die Festelektrode aus einer ersten Festelektrode und einer zweiten Festelektrode besteht, die auf beiden Sei ten der beweglichen Elektrode angeordnet sind und eine erste Kapazität (CS1) bzw. eine zweite Kapazität (CS2) mit der beweglichen Elektrode bilden;
sich die erste Kapazität in einer anderen Richtung als die zweite Kapazität verändert, wenn die bewegliche Elektrode verschoben wird, so dass ein Kapazitätsunter schied zwischen der ersten Kapazität und der zweiten Ka pazität ausgegeben wird, um eine dynamische Größe zu er fassen; und
ein erster Abschnitt des Rahmenteils, der die erste Festelektrode hält, eine Breite aufweist, die ungefähr gleich zu der eines zweiten Abschnitts des Rahmenteils ist, der die zweite Festelektrode hält.
15. Halbleitersensor für dynamische Größen nach einem
der Ansprüche 11 bis 13, wobei:
die Festelektrode aus ersten und zweiten Festelek troden besteht, die auf beiden Seiten der beweglichen Elektrode angeordnet sind;
jede der ersten und zweiten Festelektroden einen Trägerabschnitt (115a, 115b), der an dem Rahmenteil be festigt ist, und einen kammförmigen Elektrodenabschnitt (116a, 116b) aufweist, der sich von dem Trägerabschnitt zu der beweglichen Elektrode erstreckt; und
der Trägerabschnitt der ersten Festelektrode und der Trägerabschnitt der zweiten Festelektrode bezüglich eines Mittelpunkts des Rahmenteils punktsymmetrisch sind.
die Festelektrode aus ersten und zweiten Festelek troden besteht, die auf beiden Seiten der beweglichen Elektrode angeordnet sind;
jede der ersten und zweiten Festelektroden einen Trägerabschnitt (115a, 115b), der an dem Rahmenteil be festigt ist, und einen kammförmigen Elektrodenabschnitt (116a, 116b) aufweist, der sich von dem Trägerabschnitt zu der beweglichen Elektrode erstreckt; und
der Trägerabschnitt der ersten Festelektrode und der Trägerabschnitt der zweiten Festelektrode bezüglich eines Mittelpunkts des Rahmenteils punktsymmetrisch sind.
16. Halbleitersensor für dynamische Größen nach einem
der Ansprüche 11 bis 15, wobei das' Rahmenteil quadratisch
ist.
17. Halbleitersensor für dynamische Größen nach einem
der Ansprüche 11 bis 16, wobei:
das Rahmenteil ein erstes Rahmenteil, das ein Ende der beweglichen Elektrode hält, und ein zweites Rahmen teil aufweist, das ein anderes Ende der beweglichen Elek trode hält; und
das erste Rahmenteil eine Breite in der Verschie bungsrichtung aufweist, die ungefähr gleich zu der des zweiten Rahmenteils ist.
das Rahmenteil ein erstes Rahmenteil, das ein Ende der beweglichen Elektrode hält, und ein zweites Rahmen teil aufweist, das ein anderes Ende der beweglichen Elek trode hält; und
das erste Rahmenteil eine Breite in der Verschie bungsrichtung aufweist, die ungefähr gleich zu der des zweiten Rahmenteils ist.
Applications Claiming Priority (4)
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