DE102005010393A1 - Halbleitersensor zur Erfassung einer dynamischen Grösse - Google Patents

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Abstract

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 wenigstens 20 beträgt.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die beweglichen Teile des Sensors sind mit dem zweiten Endabschnitt des mittleren Balkens der wenigstens drei Balken des Balkenabschnitts verbunden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Wert des Parameters (A/B)/(T/L) wenigstens 30.
  • 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.
  • 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:
  • 1 eine schematische Draufsicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
  • 2 eine vergrößerte Draufsicht, die die Umgebung eines Erfassungsbalkenabschnitts in 1 zeigt;
  • 3 eine Kennlinie, die eine Beziehung zwischen einem Parameter (A/B)/(T/L) und einer Variablen (Kx/Ky) darstellt;
  • 4 eine schematische Draufsicht des Erfassungsbalkenabschnitts gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
  • 5 eine schematische Draufsicht des Erfassungsbalkenabschnitts gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform; und
  • 6 ein Diagramm, das eine Draufsicht eines Balkenabschnitts eines Halbleitersensors zur Erfassung einer dynamischen Größe gemäß des Standes der Technik zeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Daher wird die Halbleiterschicht 12 gemäß dieser Ausführungsform durch das Trägersubstrat 11 mittels der Oxidschicht 13 an dem äußeren Umfangsabschnitt des Öffnungsabschnitts 10a getragen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Elektrodenabschnitte 34 und 44 fungieren als Antriebselektroden zum Antreiben der zwei Vibrationsabschnitte 30 und 40, um gegenphasig zu vibrieren.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Vibrationsabschnitte 30 und 40 sind mit den entsprechenden zweiten Endabschnitten der mittleren Balken 53 verbunden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • (Weitere Ausführungsformen)
  • 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.
  • 4 und 5 sind schematische Draufsichten, die weitere Ausführungsformen des Erfassungsbalkenabschnitts 50 zeigen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ferner kann die Erfindung nicht nur auf den oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitsensor, sondern auch auf einen Beschleunigungssensor, einen Drucksensor usw. angewendet werden.
  • 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.
  • Vorstehend ist ein Halbleitersensor zur Erfassung einer dynamischen Größe offenbart.
  • 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.

Claims (4)

  1. Halbleitersensor zur Erfassung einer dynamischen Größe, der in einer über einem Trägersubstrat (11) angeordneten Halbleiterschicht (12) ausgebildet ist, wobei der Halbleitersensor umfasst: beweglichen Teile (30, 40), die in einer vorbestimmten Richtung über dem Trägersubstrat (11) verlagerbar sind; und einen Balkenabschnitt (50) zur Verbindung des Trägersubstrats (11) mit den beweglichen Teilen (30, 40), wobei der Balkenabschnitt (50) wenigstens drei Balken (51, 52, 53) umfasst, die jeweils einen ersten und einen zweiten Endabschnitt aufweisen und parallel zueinander angeordnet sind, wobei die ersten Endabschnitte über einen Verbindungsabschnitt (55) miteinander verbunden sind, und wobei sich die wenigstens drei Balken (51, 52, 53) in einer zu ihrer Längsrichtung senkrechten Richtung biegen, wobei zwei äußere Balken (51, 52) der wenigstens drei Balken (51, 52, 53) die gleiche Länge aufweisen und an ihren zweiten Endabschnitten an dem Trägersubstrat (11) befestigt sind, wobei die beweglichen Teile (30, 40) jeweils mit den entsprechenden zweiten Endabschnitten des mittleren Balkens (53) der wenigstens drei Balken (51 - 53) verbunden sind, und wobei die zwei äußeren Balken (51, 52) und der Verbindungsabschnitt (55) durch einen Parameter (A/B)/(T/L) definiert sind, der wenigstens 20 beträgt, wobei L die Länge der zwei äußeren Balken (51, 52), T die Breite der zwei äußeren Balken (51, 52), B die Breite des Verbindungsabschnitts (55) und A die Dicke des Verbindungsabschnitts (55) bedeuten.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter (A/B)/(T/L) wenigstens 30 beträgt.
  3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle der wenigstens 3 Balken (51, 52, 53) des Balkenabschnitts (50) die gleiche Länge aufweisen.
  4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle der wenigsten drei Balken (51, 52, 53) in dem Balkenabschnitt (50) die gleiche Länge aufweisen.
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