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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleitersensor zur Erfassung
einer dynamischen Größe, bei
dem ein Trägersubstrat
und bewegliche Teile durch einen Balkenabschnitt verbunden sind
und die beweglichen Teile durch den Balkenabschnitt in einer vorbestimmten
Richtung verlagert werden.
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Im
Stand der Technik (zum Beispiel in der JP-A-2001-121500) ist ein Halbleitersensor zur
Erfassung einer dynamischen Größe vorgeschlagen worden,
der durch eine über
einem Trägersubstrat angeordnete
Halbleiterschicht gebildet ist und der bewegliche Komponenten, die
in einer vorbestimmten Richtung über
dem Trägersubstrat
verlagerbar sind, und einen Balkenabschnitt zur Verbindung des Trägersubstrats
mit den beweglichen Komponenten umfasst. Der Sensor erfasst eine
dynamische Größe auf der
Grundlage der Verlagerung der beweglichen Komponenten.
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6 ist ein Diagramm, das
eine Draufsicht eines Balkenabschnitts 50 in einem Halbleitersensor zur
Erfassung einer dynamischen Größe nach
dem Stand der Technik zeigt, wie sie in der JP-A-2001-121500 beschrieben
ist.
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In
dem in 6 gezeigten Balkenabschnitt 50 sind
drei Balken 51, 52, und 53 parallel zueinander
angeordnet und durch einen Verbindungsabschnitt 55 an ersten
Endabschnitten verbunden. Der Balkenabschnitt 50 biegt
sich in einer zu der Längsrichtung
Y der Balken 51, 52 und 53 en Richtung
X.
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In
dem Balkenabschnitt 50 gemäß dem Stand der Technik, haben
die zwei äußeren Balken 51 und 52 der
drei Balken 51, 52 und 53 gleiche Länge, und
zweite Endabschnitte dieser zwei äußeren Balken 51 und 52,
das heißt
Endabschnitte auf der dem Verbindungsabschnitt 55 gegenüberliegenden Seite,
sind jeweils durch einen Befestigungsabschnitt 56 mit dem
Trägersubstrat
verbunden.
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Darüber hinaus
ist in dem Balkenabschnitt 50 des Standes der Technik ein
beweglicher Teil 30 mit dem zweiten Endabschnitt des mittleren
Balkens 53 der drei Balken 51, 52 und 53 und
nicht mit den zwei äußeren Seitenbalken 51 und 52 verbunden. Eine
Bewegung des Balkenabschnitts 50 in einer nicht erforderlichen
Richtung ist dadurch minimiert, dass eine solche Gestalt des Balkenabschnitts 50 verwendet
wird.
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Kurz
gesagt ist bei diesem Balkenabschnitt 50 die vorbestimmte
Richtung, in der sich der bewegliche Teil 30 verlagern
soll, die oben genannte Richtung X. Darüber hinaus ist die Verlagerung
des beweglichen Teils 30 in der vorbestimmten Richtung
X proportional zur Masse des beweglichen Teils 30.
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Jedoch
ergaben die Untersuchungen des Erfinders, dass selbst dann, wenn
der Aufbau des Balkenabschnitts 30 gemäß des Standes der Technik verwendet
wird, sich der Balkenabschnitt 50 in Abhängigkeit
von dem Verhältnis
zwischen der Breite B des Verbindungsabschnitts 55 und
der Dicke A des Verbindungsabschnitts 55 immer noch in
einer nicht erforderlichen Richtung durchbiegt, wobei die Dicke A
entlang der Längsrichtung
Y der Balkenabschnitte 51 bis 53 und die Breite
B in der zu der Längsrichtung Y
der Balken 51 bis 53 senkrechten Richtung X gemessen
ist.
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Nimmt
man zum Beispiel einen Fall an, in dem sich der Verbindungsabschnitt 55 des
Balkenabschnitts 50 in der Längsrichtung Y der Balken 51 bis 53 biegt,
wie es durch die gestrichelten Linien in 6 gezeigt ist, dann wird der bewegliche
Teil 30 nicht nur in der vorbestimmten Richtung X, sondern auch
in der oben genannten Längsrichtung
Y, das heißt
in der nicht erforderlichen Richtung, gebogen.
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Angesichts
der oben genannten Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
einen Halbleitersensor zur Erfassung einer dynamischen Größe bereitzustellen,
in dem ein Trägersubstrat
und bewegliche Teile über
einen Balkenabschnitt verbunden sind und in dem die beweglichen
Teile durch den Balkenabschnitt in einer vorbestimmten Richtung
verlagert werden, der jedoch weitestgehend verhindert, dass der
Balkenabschnitt in einer Richtung verlagert wird, die von der für den zu
verlagernden Balkenabschnitt vorbestimmten Richtung verschieden
ist.
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Um
das oben genannte Ziel zu erreichen, umfasst ein Halbleitersensor
zur Erfassung einer dynamischen Größe, der in einer über einem
Trägersubstrat
angeordneten Halbleiterschicht ausgebildet ist, gemäß einem
ersten Aspekt bewegliche Teile, die dazu geeignet sind, in einer
vorbestimmten Richtung über
dem Trägersubstrat
verlagert zu werden, und einen Balkenabschnitt zur Verbindung des
Trägersubstrates
mit den beweglichen Teilen. Der Halbleitersensor zur Erfassung einer
dynamischen Größe weist
die nachfolgend aufgeführten
Merkmale auf.
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Der
Balkenabschnitt umfasst wenigstens drei Balken, die jeweils einen
ersten und einen zweiten Endabschnitt aufweisen und parallel zueinander angeordnet,
wobei die drei Balken an ihren ersten Endabschnitten durch einen
Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind. Die Bal ken biegen
sich in einer zur Längsrichtung
der Balken senkrechten Richtung.
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Die
zwei äußeren Balken
der wenigstens drei Balken des Balkenabschnitts haben die gleiche
Länge und
sind jeweils an ihrem zweiten Endabschnitt mit dem Trägersubstrat
verbunden.
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Die
beweglichen Teile des Sensors sind mit dem zweiten Endabschnitt
des mittleren Balkens der wenigstens drei Balken des Balkenabschnitts
verbunden.
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Sei
L die Länge
der zwei äußeren Balken,
T die Breite der zwei äußeren Balken
und B und A die Breite bzw. die Dicke des Verbindungsabschnitts
des Balkenabschnitts, so beträgt
ein Parameter (A/B)/(T/L), der eine Funktion der Größen A, B,
L und T ist, wenigstens 20.
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Der
Halbleitersensor gemäß dem ersten
Aspekt basiert auf dem Ergebnis von Berechnungen, die von dem Erfinder
durchgeführt
wurden (siehe 3). Gemäß diesem Ergebnis kann der
Balkenabschnitt in der zu der Längsrichtung
der Balken senkrechten Richtung gebogen werden, während ein
Biegen in den verbleibenden Richtungen weitestgehend unterdrückt wird,
wenn der Parameter (A/B)/(T/L) 20 oder mehr beträgt.
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Demzufolge
kann in dem Halbleitersensor zur Erfassung einer dynamischen Größe, in dem
das Trägersubstrat
und die beweglichen Teile durch den Balkenabschnitt so miteinander
verbunden sind, dass die beweglichen Teile durch den Balkenabschnitt
in der vorbestimmten Richtung verlagert werden, weitestgehend verhindert
werden, dass der Balkenabschnitt in einer Richtung verlagert wird,
die von der vorbestimmten Richtung seiner Verlagerung verschieden
ist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Wert des Parameters (A/B)/(T/L)
wenigstens 30.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung haben in dem Halbleitersensor
zur Erfassung einer dynamischen Größe gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt
alle Balken in dem Balkenabschnitt im Wesentlichen die gleiche Länge.
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung,
die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gemacht wurde,
deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
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1 eine
schematische Draufsicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform;
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2 eine
vergrößerte Draufsicht,
die die Umgebung eines Erfassungsbalkenabschnitts in 1 zeigt;
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3 eine
Kennlinie, die eine Beziehung zwischen einem Parameter (A/B)/(T/L)
und einer Variablen (Kx/Ky) darstellt;
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4 eine
schematische Draufsicht des Erfassungsbalkenabschnitts gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform;
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5 eine
schematische Draufsicht des Erfassungsbalkenabschnitts gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform;
und
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6 ein
Diagramm, das eine Draufsicht eines Balkenabschnitts eines Halbleitersensors
zur Erfassung einer dynamischen Größe gemäß des Standes der Technik zeigt.
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Nachfolgend
sind bevorzugte Ausführungsformen
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Obwohl in den bevorzugten Ausführungsformen
ein Winkelgeschwindigkeitssensor 100 als der Halbleitersensor
zur Erfassung einer dynamischen Größe beschrieben ist, ist die
vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt.
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1 ist
ein Diagramm, das schematische eine Draufsicht einer Struktur eines
Winkelgeschwindigkeitssensors 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
zeigt. 2 ist eine vergrößerte Draufsicht, die die Umgebung
eines Erfassungsbalkenabschnitts 50 in 1 zeigt.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 ist in einem Halbleitersubstrat 10, das
aus einem Siliziumsubstrat oder dergleichen besteht, ausgebildet.
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Insbesondere
sind in dem Halbleitersubstrat 10 durch wohlbekannte Halbleiterherstellungstechniken
wie etwa Ätzen
Gräben
ausgebildet, um so eine Struktur zu definieren und zu bilden, die
einen rahmenförmigen
Basisabschnitt 20, zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40 (bewegliche
Teile), einzelne Balkenabschnitte 33, 43 und 50,
feststehende Abschnitte 56 und einzelne Elektroden 60 und 70 umfasst,
wie es in 1 gezeigt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
sind in 2 alle Abschnitte, die keine
Gräben
sind, schraffiert dargestellt.
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Insbesondere
ist der in 1 gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor 100 unter
Verwendung eines SOI-(Silicon
on Insulator) Substrats gebildet, das hergestellt wird, in dem als
das Halbleitersubstrat 10 zum Beispiel zwei Siliziumsubstrate 11 und 12 durch
einen Oxidfilm 13 getrennt miteinander verbunden werden.
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Ferner
ist eines 11 der Siliziumsubstrate 11, 12 als
das Trägersubstrat
ausgebildet, und das weitere Siliziumsubstrat und die Oxidschicht 13 werden von
der Seite des weiteren Siliziumsubstrats 12 wohlbekannten
Mikroverarbeitungstechniken wie zum Beispiel Ätzprozessen wie etwa Graben-
oder Opferschichtätzprozessen
unterzogen. Somit werden die Gräben
in dem weiteren Siliziumsubstrat 12 ausgebildet, und die
Strukturen wie etwa die oben genannten einzelnen Abschnitte 20 bis 70 sind
durch die Gräben
definiert.
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1 zeigt
die Oberflächenseite
des weiteren Siliziumsubstrats 12 mit der oben genannten Struktur,
das heißt
die Oberflächenseite
der Halbleiterschicht 12, die auf dem Trägersubstrat 11 angeordnet
ist. In dem inneren Umfangsabschnitt eines Öffnungsabschnitts 10a,
der durch gestrichelte Linien in 1 angezeigt
ist, wird an anderen Abschnitten als den feststehenden Abschnitten 56 durch
den Opferschicht-Ätzprozess
die Oxidschicht 13 entfernt, um dadurch ein Trägersubstrat 11 unterhalb
der Oxidschicht 13 offenzulegen.
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Somit
ist in dem inneren Umfangsabschnitt des Öffnungsabschnitts 10a die
Halbleiterschicht 12 mit der oben genannten Struktur an
den anderen Abschnitten als den feststehenden Abschnitten 56 von dem
Trägersubstrat 11 beabstandet.
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Daher
wird die Halbleiterschicht 12 gemäß dieser Ausführungsform
durch das Trägersubstrat 11 mittels
der Oxidschicht 13 an dem äußeren Umfangsabschnitt des Öffnungsabschnitts 10a getragen.
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In
dem inneren Umfang des Basisabschnitts 20 weisen der erste
Vibrationsabschnitt 30, der in 1 auf der
linken Seite angeordnet ist, und der zweite Vibrationsabschnitt 40,
der in 1 auf der rechten Seite angeordnet ist, zueinander
symmetrische Formen auf. In dieser Ausführungsform sind die zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40 entlang
einer Richtung x in 1 so angeordnet, dass sie auf
dem Trägersubstrat 1 verlagert
werden können.
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Die
zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40 umfassen allgemein "C"-förmige äußere Abschnitte 31 bzw. 41,
allgemein rechteckigförmige
innere Abschnitte 32 bzw. 42, die im Wesentlichen
innerhalb der äußeren Abschnitte 31 bzw. 41 angeordnet
sind, und Antriebsbalkenabschnitte 33 bzw. 43,
die die äußeren Abschnitte 31 und 41 mit
den inneren Abschnitten 32 und 42 verbinden.
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Ferner
sind die zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40 an
deren äußeren Abschnitten 31 und 41 über den
Erfassungsbalkenabschnitt 50 und den feststehenden Abschnitt 56 mit
dem Trägersubstrat 11 verbunden
und werden auf dem einen Siliziumsubstrat 11 getragen.
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Die
Antriebsbalkenabschnitte 33 und 43 sind jeweils
allgemein "C"-förmig ausgebildet
und können sich
in der x-Richtung in 1 elastisch verformen, so dass
sich in den zwei Vibrationsabschnitten 30 und 40 die
inneren Abschnitte 32 und 42 gegenüber den äußeren Abschnitten 31 und 41 über die
Antriebsbalkenabschnitte 33 und 43 in der x-Richtung verlagern
können
und dem System somit ein Freiheitsgrad in der x-Richtung verliehen
wird.
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Entsprechend
liefert der Erfassungsbalkenabschnitt 50 einen Freiheitsgrad
in y-Richtung in 1, so dass die zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40 der
beweglichen Teile über
dem Trägersubstrat 11 in
y-Richtung verlagert werden können.
Ferner weisen diese Antriebsbalkenabschnitte 33 und 43 und der
Erfassungsbalkenabschnitt 50 verschiedene Resonanzfrequenzen
auf.
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Wie
es in 1 und 2 gezeigt ist, ist jeder Erfassungsbalkenabschnitt 50 aus
drei stabförmigen
Balken 51, 52 und 53 gebildet, die parallel
zueinander angeordnet sind und jeweils erste und zweite Endabschnitte
aufweisen, wobei die ersten Endabschnitte über einen Verbindungsabschnitt 55 miteinander
verbunden sind. Darüber
hinaus biegt sich jeder Erfassungsbalkenabschnitt 50 in
der y-Richtung, das heißt
in der zur Längsrichtung
x der Balken 51 bis 53 senkrechten Richtung.
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Wie
in 2 gezeigt ist, ist die Länge L der zwei äußeren Balken 51 und 52 im
Wesentlichen gleich (siehe 2). Die
zwei äußeren Balken 51 und 52 sind,
wie oben ausgeführt,
durch die feststehenden Abschnitte 56 an ihren zweiten
Endabschnitten an dem Siliziumsubstrat 11 befestigt. Insbesondere
sind die feststehenden Abschnitte 56 über die Oxidschicht 13 auf
dem Siliziumsubstrat 11 befestigt und werden von diesem
getragen.
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Ferner
ist der zweite Endabschnitt des mittleren Balkens 53 jedes
Erfassungsbalkenabschnitts 50 mit den entsprechenden beweglichen
Teile 30 bzw. 40 verbunden. Gemäß dieser
Ausführungsform
weisen die Balken 51, 52, 53 in dem Balkenabschnitt 50 außerdem die
gleiche Länge
auf.
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Gemäß diesem
Erfassungsbalkenabschnitt 50 können die zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40 bezüglich der
feststehenden Abschnitte 56 über dem Siliziumsubstrat (das
heißt
dem Trägersubstrat) 11 in der
zu der Längsrichtung
x der Balken 51 bis 53 senkrechten Richtung y
verlagert werden.
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In
dieser Ausführungsform
ist angenommen, wie es in 2 gezeigt
ist, dass die zwei äußeren Balken 51 und 52 in
dem Erfassungsbalkenabschnitt 50 die gleiche Länge L und
die gleiche Breite T aufweisen und der Verbindungsabschnitt 55 in
dem Erfassungsbalkenabschnitt 50 eine Breite B und ein
Dicke A hat.
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Insbesondere
weist der Verbindungsabschnitt 55 in der Draufsicht eine
rechteckige Form auf, wie es in 2 gezeigt
ist. Die Breite B des Verbindungsabschnitts 55 ist entlang
der y-Richtung, das heißt
in der zu der Längsrichtung
x der Balken 51 bis 53 senkrechten Richtung y,
genommen, und die Dicke des Verbindungsabschnitts 55 ist
entlang der Längsrichtung
x der Balken 51 bis 53 genommen ist.
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Um
die Verlagerung des Erfassungsbalkenabschnitts 50 in einer
Richtung, die von der vorbestimmten Richtung y verschieden ist,
in der er sich verlager soll, zu minimieren, beträgt gemäß dieser Ausführungsform
ferner der Parameter (A/B)/(T/L), der durch die Größen A, B,
L und T ausgedrückt
ist, 20 oder mehr, vorzugsweise 30 oder mehr.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, sind in den inneren Abschnitten 32 und 42,
wo sich der erste und der zweite Vibrationsabschnitt 30 und 40 gegenüberliegen,
Elektrodenabschnitte (oder bewegliche Elektroden) 34 und 44 ausgebildet,
die kammzinkenförmig ausgebildet
sind und kämmend
ineinandergreifen.
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Die
Elektrodenabschnitte 34 und 44 fungieren als Antriebselektroden
zum Antreiben der zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40,
um gegenphasig zu vibrieren.
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Eine
Mehrzahl von kammzinkenförmigen
Erfassungselektroden (oder stationäre Erfassungselektroden) 60 und 70 zur
Erfassung der Winkelgeschwindigkeit sind an dem Basisabschnitt 20 links von
dem Vibrationsabschnitt 30 bzw. rechts von dem Vibrationsabschnitt 40 ausgebildet.
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Die
Erfassungselektroden 60 und 70 sind so angeordnet,
dass sie mit Kammzinkenabschnitten (bewegliche Erfassungselektroden) 31a bzw. 41a kämmend in
Eingriff sind, welche von den äußeren Abschnitten 31 bzw. 41 der
Vibrationsabschnitte 30 bzw. 40 hervorragen, so
dass Kapazitätserfassungsabschnitte
zwischen den Erfassungselektroden 60 und 70 und
den entsprechenden gegenüberliegenden
Kammzinkenabschnitten 31a und 41a ausgebildet
sind.
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Ferner
sind der erste Vibrationsabschnitt 30, der zweite Vibrationsabschnitt 40,
die Erfassungselektrode 60 auf der Seite des ersten Vibrationsabschnitts 30 und
die Erfassungselektrode 70 auf der Seite des zweiten Vibrationsabschnitts 40 durch
die oben genannten Gräben,
die das weitere Siliziumsubstrat 11 definieren, voneinander
elektrisch isoliert.
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Obgleich
es aus Gründen
der Übersichtlichkeit
in den Figuren nicht dargestellt ist, sind diese Vibrationsabschnitte 30 und 40 und
die Erfassungselektroden 60 und 70 elektrisch
mit einer Signalschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors 100 über Kontaktstellen
aus Aluminium verbunden, die in dem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet
sind.
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Im
Folgenden ist der Betrieb des Winkelgeschwindigkeitssensors 100 beschrieben.
Zunächst werden
Antriebssignale von der Signalschaltung dem Elektrodenabschnitt 34 des
ersten Vibrationsabschnitts 30 und dem Elektrodenabschnitt 44 des zweiten
Vibrationsabschnitts 40 zugeführt.
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Zum
Beispiel wird eine erste Rechteckwelle innerhalb eines Bereichs
von V0 bis 2V0 (zum Beispiel 2,5 bis 5 V) für ein Referenzpotential V0
an den ersten Vibrationsabschnitt 30, das heißt den Elektrodenabschnitt 34,
angelegt. Gleichzeitig wird eine zweite Rechteckwelle mit einer
gegenüber
der ersten Rechteckwelle umgekehrten Polarität innerhalb eines Bereiches
von 0 bis V0 (zum Beispiel 0 bis 2,5 V) an den zweiten Vibrationsabschnitt 40,
das heißt
den Elektrodenabschnitt 44, angelegt.
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Durch
Anlegen der Spannung zwischen dem Elektrodenabschnitt 34 und
dem Elektrodenabschnitt 44 wird zwischen den zwei Elektrodenabschnitten 34 und 44 eine
elektrostatische Anziehung erzeugt, die proportional zum Quadrat
der Spannungsdifferenz ist. Als Folge davon werden die inneren Abschnitte 32 und 42 der
zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40 so angetrieben,
dass sie durch die Wirkung der Antriebsbalkenabschnitte 33 und 43 gegenphasig
in der x-Richtung vibrieren.
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Bei
diesen Vibrationen werden die zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40,
das heißt
die zwei inneren Abschnitte 32 und 42 so angetrieben,
dass sie gegenphasig, jedoch mit gleicher Frequenz vibrieren.
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Wenn
der Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω um eine
z-Achse (siehe 1) gedreht wird, während die
zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40 schwingen,
wirkt auf die einzelnen Vibrationsabschnitte 30 und 40 in
y-Richtung eine Corioliskraft. Diese Corioliskraft bewirkt, dass die
einzelnen Vibrationsabschnitte 30 und 40 als Ganzes
durch die Wirkung des Erfassungsbalkenabschnitts 50 gegenphasige
und gleichfrequente Schwingungen in y-Richtung erfassen.
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Bei
diesen Vibrationserfassungen variieren die Kapazitäten zwischen
den Kammzinken in den Erfassungselektroden 60 und 70,
die den einzelnen Vibrationsabschnitten 30 und 40 entsprechen,
in Abhängigkeit
von dem Betrag der angelegten Winkelgeschwindigkeit Ω (bzw. der
Corioliskraft). Diese Änderung
der Kapazität
wird zum Beispiel nach Umwandlung in eine Spannung durch die oben
genannte Signalschaltung erfasst. Somit wird die Winkelgeschwindigkeit
erfasst.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
umfasst der in dem weiteren Halbleitersubstrat 12 ausgebildete Winkelgeschwindigkeitssensor 100 der
auf dem Trägersubstrat 11 angeordnet
ist, die zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40,
die als die in der vorbestimmten Richtung y über dem Trägersubstrat 11 verlagerbaren
beweglichen Teile wirken, und den Erfassungsbalkenabschnitt 50,
der als der Balkenabschnitt zur Verbindung des Trägersubstrats 11 mit
den einzelnen Vibrationsabschnitten 30 und 40 wirkt,
wobei die Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage der Verlagerungen
der zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40 bestimmt
wird. Der Winkelgeschwindigkeitssensor hat die folgenden Eigenschaften.
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Der
Erfassungsbalkenabschnitt 50 umfasst drei stabförmige Balken 51, 52 und 53,
die parallel zueinander angeordnet sind und deren erste Endabschnitte
durch den Verbindungsabschnitt 55 verbunden sind. Der Erfassungsbalkenabschnitt 50 biegt
sich in der zu der Längsrichtung
x der Balken 51 bis 53 senkrechten Richtung y.
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Bei
dem Erfassungsbalkenabschnitt 50 haben die zwei äußeren Balken 51 und 52 der
drei Balken 51 bis 53 die gleiche Länge L und
sind an ihren jeweiligen zweiten Endabschnitten an dem Trägersubstrat 11 befestigt.
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Die
Vibrationsabschnitte 30 und 40 sind mit den entsprechenden
zweiten Endabschnitten der mittleren Balken 53 verbunden.
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Der
Parameter (A/B)/(T/L), der durch die Länge L und die Breite T der
zwei äußeren Balken 51 und 52 des
Erfassungsbalkenabschnitts 50, die Breite B des Verbindungsabschnitts 55 des
Balkenabschnitts 50 und die Dicke A des Verbindungsabschnitts 55 ausgedrückt ist,
beträgt 20 oder
mehr.
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Der
vorliegende Winkelgeschwindigkeitssensor 100, der durch
diese Merkmale gekennzeichnet ist, basiert auf dem Ergebnis von
Berechnungen, die von dem Erfinder durchgeführt wurden. Die Rechenergebnisse
sind in 3 dargestellt.
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3 ist
eine Kennlinie, die das Ergebnis der Untersuchungen zeigt, die sich
aus der Analyse der Beziehungen zwischen dem Parameter (A/B)/(T/L)
und einer Variable (Kx/Ky) des Erfassungsbalkenabschnitts 50 mit
den oben genannten Eigenschaften der Ausführungsform unter Verwendung
der FEM (Finite Elemente Methode) ergaben.
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Entsprechend
dem Parameter (A/B)/(T/L) biegen sich die zwei äußeren Balken 51 und 52 leicht in
der y-Richtung für große Werte
von L, jedoch weniger leicht in der y-Richtung für große Werte von T, und der Verbindungsabschnitt 55 biegt
sich leicht in der x-Richtung für
große
Werte von B, jedoch weniger leicht in der x-Richtung für große Werte von A.
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Folglich
kann das Maß der
Richtungsabhängigkeit
der Biegung des Erfassungsbalkenabschnitts 50 durch Verwenden
des Parameters (A/B)/(T/L), das heißt des Verhältnisses von (A/B) zu (T/L),
gewonnen werden.
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Hierin
bedeutet der Wert Kx eine Federkonstante in x-Richtung der Vibrationsabschnitte 30 und 40,
die mit dem Erfassungsbalkenabschnitt 50 verbunden sind,
und der Wert Ky eine Federkonstante in y-Richtung der Vibrationsabschnitte 30 und 40,
die mit dem Erfassungsbalkenabschnitt 50 verbunden sind.
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Demzufolge
wird der Erfassungsbalkenabschnitt 50 starr und schwieriger
in der x-Richtung zu biegen, so dass sich die Vibrationsabschnitte 30 und 40 für große Werte
Kx in der x-Richtung kaum verlagern. Ebenso werden die Vibrationsabschnitte 30 und 40 starr
und schwieriger in der y-Richtung zu biegen, so dass sich die Vibrationsabschnitte 30 und 40 für große Werte
Ky in der y-Richtung kaum verlagert.
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Somit
werden die Vibrationsabschnitte 30 und 40 mehr
in der vorbestimmten y-Richtung verlagert, da sich der Erfassungsbalkenabschnitt 50 aufgrund
des großen
Betrages der Variable (Kx/Ky) kaum in den anderen Richtungen bewegt.
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Wie
es in 3 gezeigt ist, steigt die Variable (Kx/Ky) bei
einem Betrag des Parameters (A/B)/(T/L) von etwa 20 sprunghaft an
und erreicht bei einem Betrag von etwa 30 einen Sättigungswert von
etwa 3300.
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Kurz
gesagt, wenn der Parameter (A/B)/(T/L) 20 oder mehr, vorzugsweise
30 oder mehr, beträgt, kann
sich der Erfassungsbalkenabschnitt 50 in der zu der Längsrichtung
der Balken 51 bis 53 senkrechten Richtung y biegen,
während
gleichzeitig ein Biegen in den verbleibenden Richtungen weitestgehend
verhindert wird.
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Daher
kann gemäß dieser
Ausführungsform der
Winkelgeschwindigkeitssensor 100, in dem das Trägersubstrat 11 und
die beweglichen Teile 30 und 40 durch den Erfassungsbalkenabschnitt 50 so
verbunden sind, dass die beweglichen Abschnitte 30 und 40 durch
den Erfassungsbalkenabschnitt 50 in der vorbestimmten Richtung
y bewegt werden können,
eine Verlagerung des Erfassungsbalkenabschnitts 50 in den
von der vorbestimmten Richtung y verschiedenen Richtungen weitestgehend
unterdrückt
werden.
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Wie
es oben mit Bezug auf 6 beschrieben ist, kann die
Dicke A des Verbindungsabschnitts 55 vergrößert werden,
um dessen Biegen ausreichend zu unterdrücken und dadurch auch die Verlagerung
des Balkenabschnitts 50 in einer von der vorbestimmten
Richtung y verschiedenen Richtung zu unterdrücken. Diese Vergrößerung ist
jedoch nicht wünschenswert,
da sie auch die Struktur des Balkenabschnitts und die Sensorstruktur
vergrößert.
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Aus
der obigen Beschreibung folgt, dass gemäß dieser Ausführungsform
die Eigenschaften des Balkenabschnitts beibehalten werden können, während die
Vergrößerung der
Struktur des Balkenabschnitts weitestgehend unterdrückt wird,
in dem die einzelnen Abmessungen des Balkenabschnitts über den
oben genannten Parameter (A/B)/(T/L) optimiert werden.
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(Weitere Ausführungsformen)
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In
der obigen Ausführungsform
haben alle Balken in dem Erfassungsbalkenabschnitt 50,
das heißt
die drei Balken 51, 52 und 53, im Wesentlichen die
gleiche Länge.
Es ist jedoch auch möglich,
dass nur die zwei äußeren Balken 51 und 52 der
drei Balken 51 bis 53 die gleiche Länge L haben
und die Länge
des mittleren Balkens 53, der mit den Vibrationsabschnitten 30 und 40 verbunden
ist, verschieden ist.
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4 und 5 sind
schematische Draufsichten, die weitere Ausführungsformen des Erfassungsbalkenabschnitts 50 zeigen.
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Wie
es in 4 gezeigt ist, kann der Erfassungsbalkenabschnitt 50 zwei,
drei oder mehrere mittlere Balken 53 und 54 aufweisen,
die mit den Vibrationsabschnitten 30 und 40 verbunden
sind.
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Wie
in 5 gezeigt ist, kann der Verbindungsabschnitt 55 eine
Mehrzahl von Durchgangslöchern 55a aufweisen,
die sich in Richtung der Dicke des weiteren Siliziumsubstrats 12 erstrecken.
Die Durchgangslöcher 55a sind
ausgebildet, um den Ätzwirkungsgrad
zu verbessern, wenn der Opferschicht-Ätzprozess zum Ätzen der
Oxidschicht 13 verwendet wird.
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In
dem Winkelgeschwindigkeitsensor 100 sind ferner die inneren
Abschnitte 42 und 32 in den jeweiligen Vibrationsabschnitten 30 und 40 über die Antriebsbalkenabschnitte 33 und 43,
die äußeren Abschnitte 31 und 41 und
den Erfassungsbalkenabschnitt 50 mit dem Trägersubstrat 11 verbunden,
so dass sie in x-Richtung über
dem Trägersubstrat 11 verlagert
werden können.
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In
dem oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitsensor 100 sind
die inneren Abschnitte 32 und 42 der jeweiligen
Vibrationsabschnitte 30 und 40 ebenfalls als bewegliche
Teile ausgelegt, die durch die Balkenabschnitte 33 und 43 mit
dem Trägersubstrat 11 verbunden
sind, so dass sie in der vorbestimmten Richtung x über das
Trägersubstrat 11 verlagert
werden können.
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Durch
eine geeignete Anpassung der Geometrie kann die Struktur des Balkenabschnitts
mit den Eigenschaften der oben genannten Ausführungsformen nicht nur für den Erfassungsbalkenabschnitt 50,
sondern auch für
die Antriebsbalkenabschnitte 33 und 43 in dem
Winkelgeschwindigkeitssensor 100 verwendet werden.
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Ferner
ist der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 von einem Typ,
der durch Bearbeiten der Oberfläche
hergestellt wird, das heißt
bei dem die oben genannte Struktur durch Bearbeiten der Oberfläche des
weiteren Siliziumsubstrats 12 des SOI-Substrates 10 in
dem Halbleitersubstrat gebildet wird. Es ist klar, dass die Erfindung
auch auf einen Sensor angewendet werden kann, der ausgehend von
der Rückseite
hergestellt wird, um die beweglichen Teile durch Bilden der Öffnung auf
der Seite des einen Siliziumsubstrates 11, das heißt auf der
Trägersubstratseite, herauszuarbeiten.
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Ferner
kann die Erfindung nicht nur auf den oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitsensor, sondern
auch auf einen Beschleunigungssensor, einen Drucksensor usw. angewendet
werden.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung bezüglich
der bevorzugten Ausführungsformen
offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen,
sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene
Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie
alle möglichen
Ausführungsformen
und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die
realisiert werden können,
ohne den Umfang der Beschreibung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
ist.
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Vorstehend
ist ein Halbleitersensor zur Erfassung einer dynamischen Größe offenbart.
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Ein
Halbleitersensor zur Erfassung einer dynamischen Größe umfasst
bewegliche Teile 30, 40, die in einer vorbestimmten
Richtung über
einem Trägersubstrat 11 verlagerbar
sind, und einen Balkenabschnitt 50 zur Verbindung des Trägersubstrats 11 mit den
beweglichen Teilen 30, 40. Der Balkenabschnitt 50 umfasst
Balken 51, 52, 53, die parallel angeordnet und
zusammen an ersten Endabschnitten mit einem Verbindungsabschnitt 55 verbunden
sind. Die Balken 51, 52, 53 biegen sich
in einer zu der Längsrichtung der
Balken 51 bis 53 senkrechten Richtung durch. Äußere Balken 51, 52 haben
eine gleiche Länge
und sind an anderen Endabschnitten des Trägersubstrats 11 befestigt.
Die beweglichen Teile 30, 40 sind mit dem anderen
Endabschnitt eines weiteren Balkens 53 verbunden. Die äußeren Balken 51, 52 und
der Verbindungsabschnitt 55 haben einen Parameter (A/B)/(T/L),
der wengistens 20 beträgt.