DE102004013583B4

DE102004013583B4 - Sensor für eine physikalische Grösse mit einem Balken

Info

Publication number: DE102004013583B4
Application number: DE102004013583A
Authority: DE
Inventors: Koichi Tsubaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2024-03-20
Also published as: JP2004286535A; JP4085854B2; DE102004013583B8; US20040182158A1; DE102004013583A1; US6923061B2

Abstract

Ein Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe, wobei der Sensor aufweist: ein Substrat (2) mit einer Öffnung (3); einen Balken (4), der in die Öffnung (3) des Substrates (2) ragt und auf dem Substrat (2) gelagert ist; und eine feste Elektrode (7a, 9a), die auf dem Substrat (2) gelagert ist; wobei der Balken (4) in einer vertikalen Richtung (Z) des Substrates (2) beweglich ist, so dass eine physikalische Größe in der vertikalen Richtung (Z) erfassbar ist, und wobei weiterhin: die feste Elektrode (7a, 9a) eine erste feste Elektrode (7a) und eine zweite feste Elektrode (9a) enthält; die ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) in die Öffnung (3) des Substrates (2) vorstehen; der Balken (4) eine bewegliche Elektrode (6d) beinhaltet; die bewegliche Elektrode (6d) den ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) gegenüberliegt, um jeweils erste und zweite Kondensatoren (21, 22) zu...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor für eine physikalische Größe.
Ein Sensor der in Frage stehenden Art erfasst die physikalische Größe durch Messung einer Kapazitätsänderung eines Kondensators zwischen einer festen Elektrode, welche auf einem Substrat gelagert ist, und einer beweglichen Elektrode, die an einem Balken angeordnet ist, der wiederum durch die physikalische Größe ausgelenkt wird.
Ein derartiger Sensor wird u. a. in einem Kraftfahrzeug verwendet. Der Sensor arbeitet beispielsweise als Beschleunigungssensor zur Steuerung von kinetischen Steuerausstattungen, beispielsweise eines Fahrzeugstabilitäts-Steuersystems. Dieser Beschleunigungssensor muss eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen und klein sein. Daher wird der Sensor unter Verwendung eines maschinellen Mikroprozesses hergestellt, wobei ein herkömmliches Halbleiterherstellungsverfahren angewendet wird.
Ein Beschleunigungssensor der in Frage stehenden Art ist beispielsweise in der JP 2002-71707 A offenbart. Der Sensor ist ein Beschleunigungssensor des Kapazitätstyps, der ein Trägersubstrat, einen Balken, eine bewegliche Elektrode und eine feste Elektrode beinhaltet.
Des Trägersubstrat besteht aus einem Siliziumsubstrat. Der Balken besteht aus Silizium und wird an dem Substrat über einen Anker und einen Isolationsfilm gelagert. Die bewegliche Elektrode besitzt den Aufbau einer Kammverzahnung und ist einstückig mit dem Balken ausgebildet. Die feste Elektrode besteht aus Silizium, besitzt den Aufbau einer Kammverzahnung und ist über den Isolationsfilm auf dem Substrat gelagert.
Das Trägersubstrat besitzt eine Hauptebene in Plattenform. Wenn eine Beschleunigung mit einer gewissen Komponente auf den Sensor aufgebracht wird, wird die bewegliche Elektrode entsprechend der Beschleunigung versetzt oder verschoben. Daher ändert sich ein Abstand zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode, so dass die Kapazität eines Kondensators zwischen den festen und beweglichen Elektroden ebenfalls geändert wird. Sodann erkennt der Sensor die Kapazitätsänderung und gibt ein der Beschleunigung entsprechendes Sensorsignal aus. Hierbei ist die gewisse Komponente der Beschleunigung parallel zu der Hauptebene des Substrates und senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung der beweglichen und festen Elektroden.
Andere Sensoren in Form von kapazitiven elektrostatischen Beschleunigungssensoren mit unterschiedlichen Kammstrukturen zwischen festen und beweglichen Elektroden sind auch aus der DE 101 22 928 A1 , der DE 199 60 094 A1 , der DE 100 03 066 A1 , der DE 40 00 903 C1 oder der DE 44 31 327 C2 bekannt.
Wenn ein derartiger Beschleunigungssensor in ein Fahrzeug eingebaut wird und ein elektronisches Substrat zur Aufnahme des Sensors in dem Fahrzeug horizontal ausgerichtet wird, liegt der Sensor parallel zu dem Substrat, so dass die Beschleunigung parallel zur horizontalen Richtung (d. h. einer Richtung parallel zum Boden) erfasst werden kann. Wenn der Sensor jedoch die Beschleunigung senkrecht zur horizontalen Richtung (d. h. der Richtung senkrecht zum Boden) erfassen soll, muss der Sensor senkrecht zum elektronischen Substrat angeordnet werden. Somit ist eine zusätzliche Handhabungshalterung notwendig, um den Sensor auf dem elektronischen Substrat derart anzuordnen, dass der Sensor senkrecht zum elektronischen Substrat ist. Dies bewirkt, dass die Herstellungskosten für den Sensor höher werden. Weiterhin werden zwei Beschleunigungssensoren auf dem Substrat angeordnet, um die Beschleunigungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu erkennen. In diesem Fall ist es notwendig, die zwei Sensoren in Plattenform in einem Gehäuse anzuordnen und senkrecht zueinander auszurichten. Somit verschlechtert sich die Anordnungseffizienz des Gehäuses derart, dass das Gehäuse größer wird. Eine Miniaturisierung des Gehäuses kann daher nicht erreicht werden.
Wenn der Sensor miniaturisiert wird, wird weiterhin der Abstand zwischen den festen und beweglichen Elektroden ebenfalls verringert. Die bewegliche Elektrode wird daher durch eine zwischen den festen und beweglichen Elektroden erzeugte Coulomb-Kraft beeinflusst. Die Coulomb-Kraft ist proportional zum Quadrat des Abstandes. Daher ist eine Beziehung zwischen der Beschleunigung, die auf den Sensor aufgebracht wird, und dem Sensorausgang nicht linear. Mit anderen Worten, die Beziehung besitzt keine Proportionalitätsbeziehung. Von daher ist ein verfügbarer Bereich des Sensorausgangs beschränkt.
Angesichts der oben genannten Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor für eine physikalische Größe zu schaffen, mit welchem eine physikalische Größe erfasst wird. Hierbei soll der Sensor die physikalische Größe in Vertikalrichtung eines Substrates erkennen. Weiterhin soll der Sensor minimiert werden und ausgezeichnete Ausgangseigenschaften besitzen und die Herstellungskosten für den Sensor sollen gering sein.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Weiterbildungen zum Inhalt haben.
Ein Sensor für eine physikalische Größe weist demnach auf: ein Substrat mit einer Öffnung; einen Balken, der in die Öffnung des Substrates ragt und auf dem Substrat gelagert ist; und eine feste Elektrode, die auf dem Substrat gelagert ist; wobei der Balken in einer vertikalen Richtung des Substrates beweglich ist, so dass eine physikalische Größe in der vertikalen Richtung erfassbar ist, und wobei weiterhin: die feste Elektrode eine erste feste Elektrode und eine zweite feste Elektrode enthält; die ersten und zweiten festen Elektroden in die Öffnung des Substrates vorstehen; der Balken eine bewegliche Elektrode beinhaltet; die bewegliche Elektrode den ersten und zweiten festen Elektroden gegenüberliegt, um jeweils erste und zweite Kondensatoren zu schaffen; die zweite feste Elektrode in einem vorbestimmten Abstand über der ersten festen Elektrode angeordnet ist, so dass die zweite feste Elektrode gegenüber der ersten festen Elektrode elektrisch isoliert ist; die zweite feste Elektrode eine obere Oberfläche aufweist, welche in der gleichen Ebene wie die obere Oberfläche der beweglichen Elektrode angeordnet ist; und die erste feste Elektrode eine Bodenoberfläche aufweist, welche in der gleichen Ebene wie die Bodenoberfläche der beweglichen Elektrode angeordnet ist.
Die ersten und zweiten festen Elektroden stehen in die Öffnung des Substrates vor. Der Balken beinhaltet die bewegliche Elektrode. Die bewegliche Elektrode liegt den beiden ersten und zweiten festen Elektroden gegenüber, um jeweilige erste beziehungsweise zweite Kondensatoren zu schaffen. Weiterhin ist die zweite feste Elektrode über der ersten festen Elektrode in einem vorbestimmten Abstand angeordnet, so dass die zweite Elektrode von der ersten festen Elektrode elektrisch isoliert ist. Die zweite feste Elektrode besitzt eine obere Oberfläche, welche in einer gleichen Ebene wie die obere Oberfläche der beweglichen Elektrode angeordnet ist. Die erste feste Elektrode besitzt eine Bodenoberfläche, welche in der gleichen Ebene wie eine Bodenoberfläche der beweglichen Elektrode angeordnet ist.
Wenn daher eine Beschleunigung in Vertikalrichtung auftritt, ändert sich der Gegenüberliegungsbereich zwischen der beweglichen Elektrode und der ersten festen Elektrode nicht. Daher ändert sich eine Kapazität eines Kondensators zwischen diesen beiden Elektroden ebenfalls nicht, da sich der Gegenüberliegungsbereich nicht ändert. Jedoch wird der Gegenüberliegungsbereich zwischen der beweglichen Elektrode und der zweiten festen Elektrode geändert, d. h. verkleinert. Daher wird die Kapazität des Kondensators zwischen diesen beiden Elektroden proportional zu einer Verringerung des Gegenüberliegungsbereichs oder der gegenüberliegenden Fläche (Bereich der einander gegenüberliegenden Flächen) verringert.
Wenn die Beschleunigung in entgegen gesetzter Richtung auf den Sensor aufgebracht wird, ändert sich der Gegenüberliegungsbereich zwischen der beweglichen Elektrode und der zweiten festen Elektrode nicht. Daher ändert sich die Kapazität nicht, da sich der Gegenüberliegungsbereich nicht ändert. Jedoch wird der Gegenüberliegungsbereich zwischen der beweglichen Elektrode und der ersten festen Elektrode geändert, d. h. verkleinert. Daher wird die Kapazität proportional zu einer Verringerung des Gegenüberliegungsbereichs oder der gegenüberliegenden Fläche verringert.
Somit ändert sich eine der Kapazitäten entsprechend einer Größe der Beschleunigung und der Wirkrichtung der Beschleunigung. Damit werden Große und Wirkrichtung der Beschleunigung auf der Grundlage einer Differenz zwischen den Kapazitätsänderungen erfassbar.
Der erste Kondensator besitzt vorzugsweise eine erste Kapazität, welche durch einen ersten Gegenüberliegungsbereich zwischen der ersten festen Elektrode und der beweglichen Elektrode geschaffen ist. Der zweite Kondensator besitzt eine zweite Kapazität, welche durch einen zweiten Gegenüberliegungsbereich zwischen der zweiten festen Elektrode und der beweglichen Elektrode geschaffen ist. Die bewegliche Elektrode ist nach oben bewegbar, so dass der erste Gegenüberliegungsbereich in einem Fall verringert wird, in welchem die physikalische Größe auf das Substrat in Richtung einer oberen Richtung des Substrates aufgebracht wird. Die bewegliche Elektrode ist nach unten beweglich, so dass der zweite Gegenüberliegungsbereich in einem Fall verringert wird, in welchem die physikalische Größe auf das Substrat in Richtung einer unteren Richtung des Substrates aufgebracht wird.
Weiterhin bevorzugt besitzt die auf das Substrat aufgebrachte physikalische Größe eine Stärke und eine Betätigungsrichtung, welche beide durch Messungen durch die ersten und zweiten Kapazitäten erfassbar sind. Das Substrat besteht aus einem Halbleiter. Der Balken und die feste Elektrode bestehen aus einem dotierten Halbleiter.
Bevorzugt besitzt die bewegliche Elektrode eine Stabform, so dass die bewegliche Elektrode beide Seiten und eine obere und eine untere Oberfläche beinhaltet. Beide ersten und zweiten festen Elektroden besitzen eine Stabform, so dass die ersten und zweiten festen Elektroden jeweils beide Seiten und Boden- und obere Oberflächen aufweisen. Eine Seite der beweglichen Elektrode liegt einer Seite der ersten festen Elektrode gegenüber und die andere Seite der beweglichen Elektrode liegt einer Seite der zweiten festen Elektrode gegenüber.
Weiter vorzugsweise sind beide Seiten der beweglichen Elektrode und beide Seiten der ersten und zweiten festen Elektroden parallel zur Vertikalrichtung des Substrats.
Der Balken wird bevorzugt an seinen beiden Enden auf dem Substrat gelagert. Die ersten und zweiten festen Elektroden ragen von dem Substrat auslegerartig vor.
Bevorzugt enthält der Balken ein Paar Federabschnitte, einen massiven Abschnitt und eine Mehrzahl von beweglichen Elektroden. Einer der Federabschnitte des Balkens ist an einem Ende des Balkens angeordnet, so dass der Federabschnitt eine Verbindung mit dem Substrat aufweist, um den Balken zu lagern, und der andere Federabschnitt ist am anderen Ende des Balkens angeordnet, so dass der Federabschnitt eine Verbindung mit dem Substrat aufweist, um den Balken zu lagern. Der massive Abschnitt ist zwischen den Federabschnitten angeordnet. Die beweglichen Elektroden stehen von dem massiven Abschnitt in einer Richtung senkrecht zum massiven Abschnitt vor.
Weiterhin bevorzugt weist die feste Elektrode eine erste feste Elektrode und eine zweite feste Elektrode auf. Die Öffnung des Substrates besitzt eine Rechteckform, so dass das Substrat ein Paar Querseiten und ein Paar von Längsseiten aufweist. Die erste feste Elektrode steht von den beiden Querseiten des Substrates vor, und die zweite feste Elektrode steht von den beiden Längsseiten des Substrates vor. Der Balken, die feste Elektrode und das Substrat besitzen eine Ebenensymmetrie.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt
1 eine Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittsdarstellung des Sensors entlang der Linie II-II in 1;
3 eine Querschnittsdarstellung durch den Sensor entlang der Linie III-III in 1;
4A bis 4E Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsprozesses eines Sensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform, und
5A bis 5C Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung des Herstellungsprozesses der bevorzugten Ausführungsform.
Ein Sensor 100 für eine physikalische Größe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 1 bis 3 gezeigt. Der Sensor 100 ist beispielsweise ein Halbleiter-Beschleunigungssensor zur Erfassung einer auf den Sensor 100 aufgebrachten Beschleunigung. In 1 sei eine horizontale Richtung (d. h. eine Richtung von rechts nach links) als X-Richtung bezeichnet, eine hierzu senkrecht verlaufende Richtung (d. h. eine Richtung von oben nach unten) als Y-Richtung bezeichnet, und eine vertikale Richtung (d. h. eine Richtung senkrecht zur Zeichenebene von 1) als Z-Richtung bezeichnet. Daher sind die X- und Y-Richtungen parallel zu einem Trägersubstrat 2, und die Z-Richtung ist senkrecht zum Trägersubstrat 2.
Das Trägersubstrat 2 hat Rechteckform und besteht beispielsweise aus einem Siliziumsubstrat. Eine Öffnung 3 ist in einer Hauptebene des Trägersubstrats 2 ausgebildet. Die Öffnung 3 durchtritt das Substrat 2 in Z-Richtung. Ein Balkan 4 ist mit seinen beiden Enden auf dem Substrat 2 gelagert. Der Balken 4 liegt der Öffnung 3 gegenüber. Der Balken 4 ist aus einem polykristallinen Siliziumfilm gefertigt. Eine Verunreinigung ist in den polykristallinen Siliziumfilm eindotiert und -diffundiert, so dass der polykristalline Siliziumfilm eine Leitfähigkeit des P-Typs oder des N-Typs besitzt. Ein erster Isolationsfilm 5 ist auf der Hauptebene des Substrates 2 ausgebildet. Der Balken 4 ist an seinen beiden Enden über dem ersten Isolationsfilm 5 auf dem Substrat 2 gelagert.
Der Balkan 4 beinhaltet einen Balkenkörper 6 mit einem Paar Federabschnitten 6a und 6b und einem massiven Abschnitt 6c. Die Federabschnitte 6a und 6b liegen an den beiden Enden des Balkenkörpers 6. Die Filmdicke eines jeden Federabschnittes 6a und 6b ist vergleichsweise dünn. Der massive Abschnitt 6c liegt in der Mitte des Balkenkörpers 6. Die Filmdicke des massiven Abschnittes 6c ist vergleichsweise dick. Wenn in Z-Richtung eine Beschleunigung auf den Sensor aufgebracht wird, wird der massive Abschnitt 6c in Z-Richtung verschoben. Genauer gesagt ist die Z-Richtung eine objektive Erfassungsrichtung, und der massive Abschnitt 6c bewegt sich in Richtung einer Wirkrichtung der Beschleunigung. Mehrere bewegliche Elektroden 6d sind an beiden Seiten des massiven Abschnittes 6c ausgebildet. In 1 sind zwei Paare der beweglichen Elektroden ausgebildet. Die benachbarten beweglichen Elektroden 6d auf der gleichen Seite des massiven Abschnittes 6c weisen einen bestimmten Abstand zueinander auf. Die bewegliche Elektrode 6d ist senkrecht zum Balkenkörper 6 und steht von dem Balkenkörper 6 in Y-Richtung vor, die parallel zur Hauptebene des Substrates 2 ist. Die bewegliche Elektrode 6d ist einstückig mit dem Balkenkörper 6 ausgebildet. Ein Anschlussabschnitt 6e ist an einem Ende des Balkenkörpers 6 angeordnet, d. h. am Ende des Federabschnittes 6b. Die Filmdicke des Anschlussabschnittes 6e ist vergleichsweise hoch, und der Anschlussabschnitt 6e ist einstückig mit dem Balkenkörper 6 ausgebildet. Die bewegliche Elektrode 6d besitzt einen rechteckigen Querschnitt, so dass die bewegliche Elektrode 6d eine Stabform aufweist. Eine Seite der beweglichen Elektrode 6d wirkt als eine Elektrodenoberfläche. Die Seite der beweglichen Elektrode 6d ist parallel zur Z-Richtung, welche eine Verschiebungs- oder Bewegungsrichtung des Balkens 4 ist, und liegt ersten oder zweiten festen Elektroden 7a, 9a gegenüber.
Ein Träger 7 für die erste feste Elektrode ist auf dem ersten Isolationsfilm 5 des Substrates 2 ausgebildet. Die erste feste Elektrode 7a ragt an dem Träger 7 für die feste Elektrode vor (d. h. ist nur an einem Ende hiervon gelagert). Bei dieser Ausführungsform beinhaltet die erste feste Elektrode 7a beispielsweise drei erste Stäbe, wie es in 3 gezeigt ist. Jeder erste Stab steht von dem Träger 7 für die erste Elektrode zur Öffnung 3 vor. Die erste feste Elektrode 7a besteht aus einem polykristallinen Siliziumfilm mit einer P- oder N-Leitfähigkeit, die durch Dotieren und Diffundieren einer Verunreinigung in den polykristallinen Siliziumfilm hergestellt wird. Die erste feste Elektrode 7a besitzt einen rechteckigen Querschnitt, so dass die erste feste Elektrode 7a eine Stabform aufweist. Eine Seite der ersten festen Elektrode 7a wirkt als Elektrodenoberfläche, so dass die Seite der ersten festen Elektrode 7a der Seite der beweglichen Elektrode 6d mit einem bestimmten Abstand gegenüberliegt. Insbesondere ist die Seite der ersten festen Elektrode 7a parallel zur Seite der beweglichen Elektrode 6d. Von daher wird ein erster Kondensator 21 mit einer ersten Kapazität C1 zwischen der Seite der ersten festen Elektrode 7a und der Seite der beweglichen Elektrode 6d ausgebildet. Somit wird dazwischen eine Mehrzahl erster Kondensatoren 21 ausgebildet.
Ein Träger 9 für die zweite feste Elektrode ist auf dem Träger 7 für die erste feste Elektrode über einen Isolationsfilm 8 ausgebildet, so dass der Träger 9 für die zweite feste Elektrode gegenüber dem Träger 7 für die erste feste Elektrode isoliert ist. Der zweite Isolationsfilm 8 wird durch ein Abscheidungsverfahren oder dergleichen ausgebildet.
Die zweite Elektrode 9a ist in der Art eines Auslegers an dem Träger 9 für die zweite feste Elektrode angeordnet. In dieser Ausführungsform beinhaltet die zweite feste Elektrode 9a drei zweite Stäbe, wie es in 3 gezeigt ist. Jeder zweite Stab steht von dem Träger 9 für die zweite feste Elektrode zur Öffnung 3 hin vor. Die zweiten Stäbe sind auf gleiche Weise wie die ersten Stäbe der ersten festen Elektrode 7a angeordnet, so dass die zweiten Stäbe jeweils über den ersten Stäben angeordnet sind. Die zweite feste Elektrode 9a ist aus einem polykristallinen Siliziumfilm mit einer P- oder N-Leitfähigkeit hergestellt, die durch Dotieren und Eindiffundieren einer Verunreinigung in den polykristallinen Siliziumfilm erstellt wird. Die zweite feste Elektrode 9a besitzt einen rechteckigen Querschnitt, so dass die zweite feste Elektrode 9a eine Stabform aufweist. Eine Seite der zweiten festen Elektrode 9a wirkt als eine Elektrodenoberfläche, so dass die Seite der zweiten festen Elektrode 9a der Seite der beweglichen Elektrode 6d mit einem bestimmten Abstand gegenüberliegt. Genauer gesagt ist die Seite der zweiten festen Elektrode 9a parallel zur Seite der beweglichen Elektrode 6d. Daher wird ein zweiter Kondensator 22 mit einer zweiten Kapazität C2 zwischen der Seite der zweiten festen Elektrode 9a und der Seite der beweglichen Elektrode 6d ausgebildet. Somit wird dazwischen eine Mehrzahl von zweiten Kondensatoren 22 ausgebildet.
Eine Kontaktöffnung 10 ist in dem Träger 9 für die zweite feste Elektrode und dem zweiten Isolationsfilm 8 ausgebildet. Die Kontaktöffnung 10 durchtritt den Träger 9 für die zweite feste Elektrode und den zweiten Isolationsfilm 8 und reicht bis zum Träger 7 für die erste feste Elektrode. Ein der Kontaktöffnung 10 entsprechender Teil des Trägers 7 für die erste feste Elektrode ist ein hochdotierter Abschnitt, in welchem die Verunreinigung hochdotiert ist, um mit einem ersten Bondierungsdraht 11 mit einen ohmschen Kontakt in Verbindung zu stehen. Der erste Bondierungsdraht 11 für die erste feste Elektrode 7A wird auf den hochdotierten Abschnitt des Trägers 7 für die erste feste Elektrode aufgebondet. Weiterhin ist ein vorbestimmter Teil des Trägers 9 für die zweite feste Elektrode ein hochdotierter Abschnitt, in welchem die Verunreinigung hoch dotiert ist, um mit einem zweiten Bondierungsdraht 12 mit einem ohmschen Kontakt in Verbindung zu stehen. Der zweite Bondierungsdraht 12 für die zweite feste Elektrode 9a ist an dem hochdotierten Abschnitt des Trägers 9 für die zweite feste Elektrode angebondet. Weiterhin ist der Anschlussabschnitt 6e ein hochdotierter Abschnitt, in welchem die Verunreinigung hoch dotiert ist, um mit einem dritten Bondierungsdraht 13 mit einem ohmschen Kontakt in Verbindung zu stehen. Der dritte Bondierungsdraht 13 für die bewegliche Elektrode 6d ist an dem hochdotierten Abschnitt des Anschlussabschnittes 6e angebondet.
Der Sensor 100 wird wie folgt hergestellt: Die 4A bis 5C zeigen einen Herstellungsprozess des Sensors 100. Hierbei sind die 4A bis 5C schematische Querschnittsdarstellungen, so dass die Anzahl der beweglichen und festen Elektroden 6d, 7a und 9a nicht mit derjenigen des Sensors 100 der 1 bis 3 übereinstimmt.
Gemäß 4A wird ein Siliziumoxidfilm 101 zur Bereitstellung des ersten Isolationsfilms 5 auf dem Trägersubstrat 2 durch ein thermisches Oxidationsverfahren oder CVD-Verfahren (d. h. chemische Dampfabscheidung) ausgebildet. Der Siliziumoxidfilm 101 wirkt auch als Opferschicht und Ätzstopper.
Gemäß 4B ist ein polykristalliner Siliziumfilm 102 auf dem Siliziumoxidfilm 101 durch das CVD-Verfahren oder dergleichen ausgebildet. Dann wird eine Verunreinigung unter Verwendung eines Diffusionsverfahrens oder dergleichen stark in den polykristallinen Siliziumfilm 102 eindotiert. Der polykristalline Siliziumfilm 102 bildet einen Teil des Balkens 4, d. h. die Federabschnitte 6a und 6b, einen unteren Hälftenabschnitt des massiven Abschnittes 6c, einen unteren Hälftenabschnitt der beweglichen Elektrode 6d und einen unteren Hälftenabschnitt des Anschlussabschnittes 6e. Weiterhin bildet der polykristalline Siliziumfilm 102 den Träger 7 für die erste feste Elektrode.
Gemäß 4C wird der polykristalline Siliziumfilm 102 durch ein photolithographisches Verfahren oder dergleichen mit einer vorbestimmten Musterung gemustert, so dass eine Mehrzahl von Öffnungen 102a in dem polykristallinen Siliziumfilm 102 ausgebildet wird. Somit werden die Bereiche zur Bildung des Teils des Balkens 4 (d. h. die Federabschnitte 6a, 6b, der untere Hälftenabschnitt des massiven Abschnittes 6c, der untere Hälftenabschnitt der beweglichen Elektrode 6d und der untere Hälftenabschnitt des Anschlussabschnittes 6e) und der Träger 7 für die erste feste Elektrode ausgebildet.
Gemäß 4D wird ein Siliziumoxidfilm 103 zur Bereitstellung des zweiten Isolationsfilmes 8 auf dem polykristallinen Siliziumfilm 102 mit den Öffnungen 102a durch das CVD-Verfahren oder dergleichen ausgebildet. Sodann wird eine andere Öffnung 103a in dem Siliziumoxidfilm 103 ausgebildet. Die Öffnung 103a reicht bis zu dem polykristallinen Siliziumfilm 102, um so den massiven Abschnitt 6c und die bewegliche Elektrode 6d zu schaffen. Der Siliziumoxidfilm 103 wirkt auch als Opferschicht. Nachdem der Siliziumoxidfilm 103 abgeschieden worden ist, wird, falls nötig, die Oberfläche des Siliziumoxidfilms 103 abgeflacht.
Gemäß 4E wird ein polykristalliner Siliziumfilm 104 auf dem Siliziumoxidfilm 103 mit der Öffnung 103a durch das CVD-Verfahren oder dergleichen ausgebildet. Sodann wird eine Verunreinigung unter Verwendung eines Diffusionsverfahrens oder dergleichen stark in den polykristallinen Siliziumfilm 104 eindotiert. Der polykristalline Siliziumfilm 104 bildet einen anderen Teil des Balkens 4, nämlich einen oberen Hälftenabschnitt des massiven Abschnittes 6c, einen oberen Hälftenabschnitt der beweglichen Elektrode 6d und einen oberen Hälftenabschnitt des Anschlussabschnittes 6e, sowie den Träger 9 für die zweite feste Elektrode. Nachdem der polykristalline Siliziumfilm 104 abgeschieden worden ist, wird, falls notwendig, die Oberfläche des polykristallinen Siliziumfilms 104 abgeflacht.
Gemäß 5A wird der polykristalline Siliziumfilm 104 durch ein photolithographisches Verfahren oder dergleichen mit einer bestimmten Musterung gemustert, so dass eine Mehrzahl von Öffnungen 104a im polykristallinen Siliziumfilm 104 ausgebildet wird. Somit werden die Bereiche zur Bereitstellung des anderen Teils des Balkens 4 (d. h. des oberen Hälftenabschnitt des massiven Abschnittes 6c, des oberen Hälftenabschnitt der beweglichen Elektrode 6d und des oberen Hälftenabschnitt des Abschnittes 6e), sowie der Träger 9 für die zweite feste Elektrode ausgebildet. Weiterhin schafft die Öffnung 104a die Kontaktöffnung 10.
Gemäß 5B wird das Substrat 2 mit einer KOH-Lösung (d. h. Kaliumhydroxid) geätzt, so dass das Substrat 2 anisotropisch geätzt wird. Somit wird die Öffnung 3 im Substrat 2 ausgebildet. In diesem Fall wirkt der Siliziumoxidfilm 101 als Ätzstopper.
Gemäß 5C werden die Siliziumoxidfilme 101 und 103 als Opferschichten anisotropisch mit Flusssäure geätzt, so dass der Balken 4 aus dem Substrat 2 freigesetzt wird.
In dem Sensor 100 sind die Kondensatoren 21 zwischen der beweglichen Elektrode 6d und der festen Elektrode 7a parallel miteinander verbunden, und die Kondensatoren 22 zwischen der beweglichen Elektrode 6d und der zweiten festen Elektrode 9a sind ebenfalls parallel miteinander verbunden. Die jeweilige Kapazität C1 und C2 der Kondensatoren 21 und 22 kann durch verschiedene Erfassungsschaltkreise erfasst werden. Allgemein wird, wenn die Kapazität C1 bzw. C2 erfasst wird, eine Wechselspannung mit einer vorbestimmten Frequenz an die Kondensatoren 21 und 22 angelegt. Wenn diese Wechselspannung an die Kondensatoren 21 und 22 angelegt wird, wird zwischen der beweglichen Elektrode 6d und der ersten festen Elektrode 7a und/oder zwischen der beweglichen Elektrode 6d und der zweiten festen Elektrode 9a eine Coulomb-Kraft erzeugt. Von daher wird die bewegliche Elektrode 6d ausbalanciert und gemäß 3 in einer bestimmten Position gehalten.
Wenn die bewegliche Elektrode 6d ausbalanciert ist und die Beschleunigung in Z-Richtung auf den Sensor aufgebracht wird, wird der Balken 4 in Wirkrichtung der Beschleunigung verschoben. Somit wird die bewegliche Elektrode 6d ebenfalls entsprechend dem Balken 4 verschoben. Hierbei wird die bewegliche Elektrode 6d entlang einer Richtung parallel zur Seitenoberfläche der beweglichen Elektrode 6d verschoben. Somit ändert sich einer der Gegenüberliegungsbereiche zwischen der ersten festen Elektrode 7a und der beweglichen Elektrode 6d und zwischen der zweiten festen Elektrode 9a und der beweglichen Elektrode 6d. Somit ändert sich auch eine der Kapazitäten C1, C2 entsprechend der Änderung dieses einen Gegenüberliegungsbereichs.
Wenn die Beschleunigung in einer Richtung des Pfeils Z in 3 (d. h. eine nach unten gerichtete Beschleunigung in 3) auf den Sensor 100 aufgebracht wird, ändert sich der Gegenüberliegungsbereich zwischen der beweglichen Elektrode 6d und der ersten festen Elektrode 7a nicht. Daher ändert sich die Kapazität C1 ebenfalls nicht, da sich der Gegenüberliegungsbereich nicht ändert. Jedoch wird der Gegenüberliegungsbereich zwischen der beweglichen Elektrode 6d und der zweiten festen Elektrode 9a geändert, d. h. verkleinert. Daher wird die Kapazität C2 proportional zu einer Verringerung des Gegenüberliegungsbereichs oder der gegenüberliegenden Fläche (Bereich der einander gegenüberliegenden Flächen) verringert.
Wenn die Beschleunigung in entgegen gesetzter Richtung des Pfeils Z in 3 (d. h. in 3 eine Beschleunigung nach oben) auf den Sensor 100 aufgebracht wird, ändert sich der Gegenüberliegungsbereich zwischen der beweglichen Elektrode 6d und der zweiten festen Elektrode 9a nicht. Daher ändert sich die Kapazität C2 nicht, da sich der Gegenüberliegungsbereich nicht ändert. Jedoch wird der Gegenüberliegungsbereich zwischen der beweglichen Elektrode 6d und der ersten festen Elektrode 7a geändert, d. h. verkleinert. Daher wird die Kapazität C1 proportional zu einer Verringerung des Gegenüberliegungsbereichs oder der gegenüberliegenden Fläche (Bereich der einander gegenüberliegenden Flächen) verringert.
Somit ändert sich eine der Kapazitäten C1 und C2 der Kondensatoren 21 und 22 entsprechend einer Größe der Beschleunigung und der Wirkrichtung der Beschleunigung. Somit werden Größe und Wirkrichtung der Beschleunigung auf der Grundlage einer Differenz zwischen den Kapazitätsänderungen der Kondensatoren 21 und 22 erfasst.
Wenn der Sensor 100 beispielsweise in einem Fahrzeug angeordnet wird, wird das Substrat 2 parallel zu einer Horizontalrichtung (d. h. parallel zum Boden) angeordnet, so dass der Sensor 100 eine Beschleunigung senkrecht zur Horizontalrichtung (d. h. senkrecht zum Boden) erfassen kann. Somit ist kein zusätzliches Handhabungswerkzeug notwendig, um den Sensor 100 senkrecht zum Boden anzubringen. Die Herstellungskosten für den Sensor 100 werden daher verringert.
Weiterhin kann, wenn der Sensor 100 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein herkömmlicher Sensor zur Erfassung einer Beschleunigung in horizontaler Richtung so kombiniert werden, dass der Sensor 100 auf den herkömmlichen Sensor gestapelt wird, diese Kombination des Sensors 100 und des herkömmlichen Sensors die Beschleunigung in zwei unterschiedlichen, zu einander senkrechten Richtungen erkennen. Es ist nicht notwendig, zwei Sensoren in Plattenform in einem Gehäuse anzuordnen und die Sensoren senkrecht zueinander auszurichten. Von daher ist die Anordnungsausnutzung innerhalb des Gehäuses verbessert, so dass das Gehäuse kleiner ausgebildet werden kann. Somit lässt sich eine Miniaturisierung des Gehäuses erreichen.
Weiterhin werden die Abstände zwischen der beweglichen Elektrode 6d und der ersten festen Elektrode 7a und zwischen der beweglichen Elektrode 6d und der zweiten festen Elektrode 9a im wesentlichen nicht geändert (d. h. verringert). Somit verschlechtert die Coulomb-Kraft die Beziehung zwischen der auf den Sensor aufgebrachten Beschleunigung und den Sensorausgang nicht, so dass die Beziehung eine lineare Charakteristik aufweist. Mit anderen Worten zeigt die Beziehung eine Proportionalitätsbeziehung. Daher werden die Ausgangseigenschaften verbessert.
Weiterhin wird der Balken 4 an seinen beiden Enden auf dem Substrat 2 gelagert. Somit bewegt sich die Elektrode 6d glatt und stabil, wenn die Beschleunigung auf den Sensor 100 aufgebracht wird. Die Zuverlässigkeit des Sensors 100 wird somit verbessert, so dass auch die Sensoreigenschaften erheblich verbessert werden. Weiterhin können die Federabschnitte 6a und 6b des Balkens 4 eine vorbestimmte Form aufweisen, so dass die Eigenschaften der Federabschnitte 6a und 6b gesteuert werden können. Beispielsweise kann die Abmessung in Z-Richtung (d. h. die Filmdicke) der Federabschnitte 6a und 6b geändert werden, um die Federkonstanten der Federabschnitte 6a und 6b zu ändern. Hierbei können die Federkonstanten geändert werden, solange die Federabschnitte 6a und 6b eine ausreichende Festigkeit aufweisen, also im Bereich der maximalen Bruchfestigkeit (d. h. der maximalen mechanischen Festigkeit). Somit kann der Sensor 100 eine unterschiedliche Empfindlichkeit hinsichtlich der Beschleunigung durch Ändern der Federkonstante der Federabschnitte 6a und 6b besitzen.
Somit kann der Sensor 100 die physikalische Größe in vertikaler Richtung des Substrates 2 erfassen. Weiterhin kann der Sensor 100 minimiert werden und besitzt ausgezeichnete Ausgangseigenschaften. Darüber hinaus sind die Herstellungskosten des Sensors 100 gering. Weiterhin kann der mit einem herkömmlichen Sensor kombinierte Sensor 100 für eine physikalische Größe eine physikalische Größe mit zwei Wirkkomponenten erfassen.
Obgleich der Sensor 100 ein Paar Kondensatoren 21 und 22 zwischen der beweglichen Elektrode 6d und den ersten und zweiten festen Elektroden 7a und 9a aufweist, kann der Sensor 100 eine Mehrzahl von Paaren dieser Kondensatoren aufweisen, beispielsweise drei oder vier Paare von Kondensatoren, die in Z-Richtung gestapelt sind.
Obgleich der Sensor 100 als Beschleunigungssensor verwendet wird, kann der Sensor 100 auch für andere physikalische Größen verwendet werden, beispielsweise als Gierratensensor, Winkelgeschwindigkeitssensor oder Aufprallsensor.
Derartige Änderungen und Abwandlungen liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.

Claims

Ein Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe, wobei der Sensor aufweist: ein Substrat (2) mit einer Öffnung (3); einen Balken (4), der in die Öffnung (3) des Substrates (2) ragt und auf dem Substrat (2) gelagert ist; und eine feste Elektrode (7a, 9a), die auf dem Substrat (2) gelagert ist; wobei der Balken (4) in einer vertikalen Richtung (Z) des Substrates (2) beweglich ist, so dass eine physikalische Größe in der vertikalen Richtung (Z) erfassbar ist, und wobei weiterhin: die feste Elektrode (7a, 9a) eine erste feste Elektrode (7a) und eine zweite feste Elektrode (9a) enthält; die ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) in die Öffnung (3) des Substrates (2) vorstehen; der Balken (4) eine bewegliche Elektrode (6d) beinhaltet; die bewegliche Elektrode (6d) den ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) gegenüberliegt, um jeweils erste und zweite Kondensatoren (21, 22) zu schaffen; die zweite feste Elektrode (9a) in einem vorbestimmten Abstand über der ersten festen Elektrode (7a) angeordnet ist, so dass die zweite feste Elektrode (9a) gegenüber der ersten festen Elektrode (7a) elektrisch isoliert ist; die zweite feste Elektrode (9a) eine obere Oberfläche aufweist, welche in der gleichen Ebene wie die obere Oberfläche der beweglichen Elektrode (6d) angeordnet ist; und die erste feste Elektrode (7a) eine Bodenoberfläche aufweist, welche in der gleichen Ebene wie die Bodenoberfläche der beweglichen Elektrode (6d) angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der erste Kondensator (21) eine durch einen Gegenüberliegungsbereich zwischen der ersten festen Elektrode (7a) und der beweglichen Elektrode (6d) geschaffene erste Kapazität (C1) aufweist der zweite Kondensator (22) eine durch einen zweiten Gegenüberliegungsbereich zwischen der zweiten festen Elektrode (9a) und der beweglichen Elektrode (6d) geschaffene zweite Kapazität (C2) aufweist; die bewegliche Elektrode (6d) nach oben beweglich ist, so dass der erste Gegenüberliegungsbereich in einem Fall verringert wird, in welchem die physikalische Größe auf das Substrat (2) in Richtung einer oberen Richtung des Substrates (2) aufgebracht wird; und die bewegliche Elektrode (6d) nach unten beweglich ist, so dass der zweite Gegenüberliegungsbereich in einem Fall verringert wird, in welchem die physikalische Größe auf das Substrat (2) in Richtung einer unteren Richtung des Substrates (2) aufgebracht wird.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die auf das Substrat (2) aufgebrachte physikalische Größe eine Größe und eine Wirkrichtung aufweist, welche beide durch Messen der ersten und zweiten Kapazitäten (C1, C2) erfassbar sind; das Substrat (2) aus einem Halbleiter besteht; und der Balkan (4) und die festen Elektroden (7a, 9a) aus einem dotierten Halbleiter bestehen.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die bewegliche Elektrode (6d) eine Stabform aufweist, so dass die bewegliche Elektrode (6d) beide Seiten und eine Bodenoberfläche und eine obere Oberfläche beinhaltet; die ersten und zweiten Elektroden (7a, 9a) eine Stabform aufweisen, so dass die ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) jeweils beide Seiten und eine Bodenoberfläche und eine obere Oberfläche enthalten; und eine Seite der beweglichen Elektrode (6d) einer Seite der ersten fasten Elektrode (7a) gegenüberliegt und die eine Seite der beweglichen Elektrode (6d) einer Seite der zweiten festen Elektrode (9a) gegenüberliegt.
Sensor nach Anspruch 4, wobei die beiden Seiten der beweglichen Elektrode (6d) und die beiden Seiten der ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) parallel zur Vertikalrichtung (Z) des Substrates (2) sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Balkan (4) an seinen beiden Enden auf dem Substrat (2) gelagert ist; und die ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) von dem Substrat (2) auslegerartig vorstehen.
Sensor nach Anspruch 6, wobei der Balken (4) ein Paar Federabschnitte (6a, 6b), einen massiven Abschnitt (6c) und eine Mehrzahl von beweglichen Elektroden (6d) aufweist; einer der Federabschnitte (6a, 6b) des Balkens (4) an einem Ende des Balkens (4) angeordnet ist, so dass der eine Federabschnitt (6a, 6b) eine Verbindung mit dem Substrat (2) aufweist, um den Balken (4) zu tragen, und der andere Federabschnitt (6b, 6a) am anderen Ende des Balkens (4) angeordnet ist, so dass der andere Federabschnitt (6b, 6a) eine Verbindung mit dem Substrat (2) aufweist, um den Balken (4) zu tragen; der massive Abschnitt (6c) zwischen den Federabschnitten (6a, 6b) angeordnet ist; und die beweglichen Elektroden (6d) von dem massiven Abschnitt (6c) in einer senkrechten Richtung (Y) des massiven Abschnittes (6c) vorstehen.
Sensor nach Anspruch 7, wobei die feste Elektrode (7a, 9a) eine erste feste Elektrode (7a) und eine zweite feste Elektrode (9a) beinhaltet; die Öffnung (3) des Substrates (2) eine Rechteckform aufweist, so dass das Substrat (2) ein Paar Querseiten und ein Paar Längsseiten aufweist; die erste feste Elektrode (7a) von den beiden Querseiten des Substrates (2) vorsteht und die zweite feste Elektrode (9a) von den beiden Querseiten des Substrates (2) vorsteht; und der Balken (4), die feste Elektrode (7a, 9a) und das Substrat (2) eine Ebenensymmetrie aufweisen.
Sensor nach Anspruch 8, wobei die erste feste Elektrode (7a) der beweglichen Elektrode (6d) gegenüberliegt, so dass ein erster Kondensator (21) mit einer ersten Kapazität (C1) geschaffen ist; die zweite feste Elektrode (9a) der beweglichen Elektrode (6d) gegenüberliegt, so dass ein zweiter Kondensator (22) mit einer zweiten Kapazität (C2) geschaffen ist; die bewegliche Elektrode (6d) und die ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) eine kammartige Verzahnungsform aufweisen; der Balken (4) zusammen mit den beweglichen Elektroden (6d) in vertikaler Richtung Z des Substrates (2) beweglich ist, so dass die physikalische Größe in vertikaler Richtung (Z) erfassbar ist; die zweite feste Elektrode (9a) über der ersten festen Elektrode (7a) mit einem bestimmten Abstand angeordnet ist, so dass die zweite feste Elektrode (9a) gegenüber der ersten festen Elektrode (7a) elektrisch isoliert ist; die zweite feste Elektrode (9a) eine obere Oberfläche aufweist, welche in der gleichen Ebene wie eine obere Oberfläche der beweglichen Elektrode (6d) angeordnet ist; und die erste feste Elektrode (7a) eine Bodenoberfläche aufweist, welche in der gleichen Ebene wie die Bodenoberfläche der beweglichen Elektrode (6d) angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 9, wobei die bewegliche Elektrode (6d) eine Stabform aufweist, so dass die bewegliche Elektrode (6d) beide Seiten und die Bodenfläche und die obere Oberfläche beinhaltet; die ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) eine Stabform aufweisen, so dass die ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) jeweils beide Seiten und die Bodenoberfläche und die obere Oberfläche beinhalten; eine Seite der beweglichen Elektrode (6d) einer Seite der ersten festen Elektrode (7a) gegenüberliegt und die andere Seite der beweglichen Elektrode (6d) einer Seite der zweiten festen Elektrode (9a) gegenüberliegt; und beide Seiten der beweglichen Elektrode (6d) und beide Seiten der ersten und zweiten festen Elektroden (7a, 9a) parallel zur Vertikalrichtung (Z) des Substrates (2) sind.
Sensor nach Anspruch 10, wobei die auf das Substrat (2) aufgebrachte physikalische Größe eine Größe und eine Wirkrichtung aufweist, welche beide durch Messung der ersten und zweiten Kapazitäten (C1, C2) erfassbar sind; das Substrat (2) aus einem Halbleiter besteht; und der Balken (4) und die festen Elektroden (7a, 9a) aus einem dotierten Halbleiter be- stehen.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Sensor ein Beschleunigungssensor oder ein Gierratensensor oder ein Winkelgeschwindigkeitssensor oder ein Aufprallsensor ist.