DE10200873A1 - Dynamischer Sensor mit einer sich in Übereinstimmung mit einer darauf ausgeübten dynamischen Kraft ändernden Kapazität - Google Patents

Abstract

Ein dynamischer Sensor beinhaltet feststehende Elektroden und bewegliche Elektroden, die einander gegenüberliegen und eine Kapazität zwischen diesen ausbilden. Die Kapazität ändert sich in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft, wie zum Beispiel einer Beschleunigung, die auf den Sensor ausgeübt wird. Mehrere Vorsprünge sind auf den feststehenden Elektroden ausgebildet, um ein Elektrodenhaften zwischen den beweglichen Elektroden und den feststehenden Elektroden aufgrund eines übermäßigen Stoßes, der auf den Sensor ausgeübt wird, zu vermeiden oder zu unterdrücken. Die Vorsprünge sind derart ausgebildet, daß sie unterschiedliche Höhen aufweisen, so daß höhere Vorsprünge zuerst die beweglichen Elektroden treffen und dadurch die niedrigeren Vorsprünge schützen. Auch nachdem die höheren Vorsprünge durch den übermäßigen Stoß zerstört worden sind, bleiben die niedrigeren Vorsprünge wirksam und dienen dazu, das Elektrodenhaften durch einen übermäßigen Stoß zu verhindern, welcher später auftreten kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven dynamischen Sensor und genauer gesagt seine Elektroden und flexible Trägerstruktur.

Ein kapazitiver dynamischer Sensor besteht aus fest­ stehenden und beweglichen Elektroden, die den feststehen­ den Elektroden gegenüberliegen, was einen schmalen Luftspalt zwischen diesen ausbildet. Eine auf den Sensor ausgeübte dynamische Kraft, wie zum Beispiel eine Be­ schleunigung, wird durch Änderungen einer Kapazität er­ faßt, die zwischen beiden Elektroden ausgebildet ist. Wenn ein übermäßiger Stoß auf einen derartigen Sensor im Stand der Technik ausgeübt wird, berühren die beweglichen Elektroden die feststehenden Elektroden und dadurch kön­ nen beide Elektroden aneinander haften. Um ein derartiges Haftphänomen zu unterdrücken, schlägt die JP-A-11-326365 vor, eine Mehrzahl von Vorsprüngen auf den feststehenden Elektroden auszubilden. Da die beweglichen Elektroden die feststehenden Elektroden über derartige Vorsprünge berüh­ ren, wenn ein übermäßiger Stoß auf den Sensor ausgeübt wird, wird eine Berührungsfläche von beiden Elektroden verringert und wird die Haftkraft zwischen diesen ebenso verringert.

Da bei dem vorgeschlagenen dynamischen Sensor jedoch die Vorsprünge gleichmäßig auf den feststehenden Elektro­ den angeordnet sind, können alle Vorsprünge gleichzeitig zerstört werden, wenn ein übermäßiger Stoß ausgeübt wird. Wenn alle Vorsprünge zerstört sind, kann das Haften von beiden Elektroden nicht vermieden werden.

Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf das zu­ vor erwähnte Problem geschaffen worden und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbes­ serten dynamischen Sensor zu schaffen, bei welchem das Haften zwischen den beweglichen und feststehenden Elek­ troden vermieden wird.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 und 7 ange­ gebenen Maßnahmen gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Feststehende Elektroden und bewegliche Elektroden sind derart auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet, daß die beweglichen Elektroden den feststehenden Elektroden mit einem kleinen Luftspalt zwischen diesen gegenüberlie­ gen. Eine Kapazität, welche in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft, wie zum Beispiel, einer Beschleuni­ gung, veränderbar ist, die auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird, ist zwischen den feststehenden Elektroden und den beweglichen Elektroden ausgebildet. Die Änderun­ gen der Kapazität werden als elektrische Signale aus dem Sensor ausgegeben und die dynamische Kraft, die auf den Sensor ausgeübt wird, wird auf die Grundlage der elektri­ schen Signale erfaßt.

Die beweglichen Elektroden neigen dazu, an den fest­ stehenden Elektroden zu haften, wenn beide Elektroden aufgrund eines auf den Sensor ausgeübten übermäßigen Sto­ ßes einander berühren. Um das Elektrodenhaften zu vermei­ den oder zu unterdrücken, sind mehrere Vorsprünge auf entweder den beweglichen Elektroden oder den feststehen­ den Elektroden oder beiden Elektroden ausgebildet. Diese Vorsprünge verringern eine Berührungsfläche zwischen bei­ den Elektroden, wenn beide Elektroden durch einen übermä­ ßigen Stoß einander berühren. Die Vorsprünge sind derart ausgebildet, daß sie unterschiedliche Höhen aufweisen, so daß die höheren Vorsprünge zuerst die andere Elektrode treffen, um dadurch niedrigere Vorsprünge zu schützen. Die derart geschützten niedrigeren Vorsprünge dienen dazu, das Elektrodenhaften zu verhindern, welches anson­ sten durch den nächsten übermäßigen Stoß bewirkt werden würde.

Die feststehenden Elektroden werden an einem Ende von ihnen auf dem Halbleitersubstrat gehalten, was eine Aus­ legerstruktur ausbildet. Die beweglichen Elektroden sind an einem Ende von ihnen mit einer Mittenrippe verbunden, welcher an beiden Enden von ihm auf dem Halbleitersub­ strat verankert ist, wobei die beweglichen Elektroden ebenso eine Auslegerstruktur ausbilden. Aufgrund der Aus­ legerstruktur von beiden Elektroden ist es am wahrschein­ lichsten, daß das Elektrodenhaften an dem Spitzenab­ schnitt und Sockelabschnitt der Auslegerstruktur auf­ tritt. Deshalb sind die Vorsprünge entweder an dem Spit­ zenabschnitt oder an dem Sockelabschnitt der als Ausleger strukturierten Elektroden oder an beiden der Spitzen- und Sockelabschnitte dichter als an einem Mittenabschnitt von diesen angeordnet. Weiterhin sind an den Spitzen- oder Sockelabschnitten oder an beiden Abschnitten höhere Vor­ sprünge ausgebildet.

Es ist bevorzugt, die Vorsprünge auf den feststehen­ den Elektroden auszubilden, um eine dynamische Unausge­ glichenheit der beweglichen Elektroden zu vermeiden, wel­ che auftreten würde, wenn einige der Vorsprünge, die auf den beweglichen Elektroden ausgebildet sind, von einem übermäßigen Stoß zerstört werden würden. Die Vorsprünge können auf beiden Seiten der feststehenden Elektroden ausgebildet sein, die den beweglichen Elektroden gegen­ überliegen, um weiterhin sicher das Elektrodenhaften zu Vermeiden.

Die Vorsprünge können auf einem flexiblen Träger aus­ gebildet sein, der in Übereinstimmung mit einer darauf ausgeübten dynamischen Kraft zurück und vor schwingt. Derartige Vorsprünge sind derart ausgebildet, daß die Vorsprünge eine übermäßige Schwingbewegung des flexiblen Trägers einschränken, bevor die beweglichen Elektroden die feststehenden Elektroden berühren.

Das Haften zwischen den beweglichen Elektroden und den feststehenden Elektroden wird durch die Vorsprünge vermieden oder unterdrückt, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, und der dynamische Sensor kann für eine lange Zeit betrieben werden.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beilie­ gende Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1A eine Draufsicht eines kapazitiven Be­ schleunigungssensors;

Fig. 1B eine entlang einer Linie IB-IB in Fig. 1A genommene Querschnittsansicht des kapazitiven Beschleunigungssensors;

Fig. 2A eine Draufsicht einer Elektrodenstruk­ tur als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem vergrö­ ßerten Maßstab;

Fig. 2B eine Draufsicht einer anderen beispiel­ haften Elektrodenstruktur in einem ver­ größerten Maßstab;

Fig. 3A bis 3F schematische Querschnittsansichten ei­ nes Verfahrens zum Herstellen des Be­ schleunigungssensors;

Fig. 4A eine Draufsicht eines Ausbildens von Kondensatoren in dem Beschleunigungs­ sensor;

Fig. 4B eine entlang einer Linie IVB-IVB in Fig. 4A genommene Querschnittsansicht eines Ausbildens von Kondensatoren in dem Beschleunigungssensor;

Fig. 5A eine Darstellung einer Schaltung zum Erfassen einer Kapazität in dem Be­ schleunigungssensor;

Fig. 5B eine Darstellung von verschiedenen Wel­ lenformen der in Fig. 5A gezeigten Schaltung;

Fig. 6 eine Draufsicht eines Beispiels einer Elektrodenstruktur, bei welcher Vor­ sprünge auf flexiblen Trägern eines be­ weglichen Teils ausgebildet sind; und

Fig. 7 eine Draufsicht eines weiteren Bei­ spiels einer Elektrodenstruktur, bei welcher Vorsprünge auf flexiblen Trä­ gern eines beweglichen Teils und auf feststehenden Elektroden eines festste­ henden Teils ausgebildet sind.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1A bis 5B beschrieben. Zuerst wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1A und 1B eine Gesamtstruktur eines kapazitiven Beschleunigungssensors beschrieben. Ein Beschleunigungs­ sensor 1 ist auf einem Silizium-auf-Insolator- bzw. SOI- Substrat 5 ausgebildet, das eine erste Halbleiterschicht 3a, die aus einkristallinem Silizium besteht, eine oxi­ dierte Schicht 4 (SiO₂) und eine zweite Halbleiterschicht 3b aufweist, die aus einkristallinem Silizium besteht, wobei diese Schichten in dieser Reihenfolge geschichtet sind, wie es in Fig. 1B gezeigt ist. Nachdem mehrere Sen­ sorchips auf dem SOI-Substrat 5 ausgebildet worden sind, wird das SOI-Substrat 5 mit einem Klebstoff 7 auf eine Trägerplatte 6 geklebt. Dann werden die mehreren Sensor­ chips durch Stückeln in einzelne Chips getrennt. Details des Herstellungsverfahrens werden später beschrieben.

Wie es in Fig. 1B gezeigt ist, ist eine Öffnung 2a durch die erste Halbleiterschicht 3a ausgebildet und ist eine Öffnung 2b durch die oxidierte Schicht 4 ausgebil­ det. Beschleunigungssensorelemente, die ein erstes fest­ stehendes Teil 9a, ein zweites feststehendes Teil 9b und ein bewegliches Teil 8 beinhalten, sind derart auf der zweiten Halbleiterschicht 3b ausgebildet, daß Abschnitte der Elemente über den Öffnungen 2a und 2b angeordnet sind, wie es in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist. Die ersten und zweiten feststehenden Teile 9a, 9b und das be­ wegliche Teil 8 sind durch Ausbilden von Gräben, die die oxidierte Schicht 4 erreichen, auf der zweiten Halblei­ terschicht 3b ausgebildet.

Das bewegliche Teil 8 besteht aus einer Mittenrippe 10, einem Paar von flexiblen Trägern 12a, 12b und beweg­ lichen Elektroden 11a, 11b, die sich auf beiden Seiten der Mittenrippe 10 ausdehnen. Die Mittenrippe 10 dient als ein Gewicht des beweglichen Teils 8 und ist an An­ kerabschnitten 13a, 13b, die an beiden Seiten der Mitten­ rippe 10 ausgebildet sind, auf der zweiten Halbleiter­ schicht 3b verankert. Die beweglichen Elektroden 11a, 11b sind länglich stabförmig und dehnen sich senkrecht von der Mittenrippe 10 aus. Die stabförmigen beweglichen Elektroden 11a, 11b weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Jeder flexible Träger 12a, 12b dient als eine Feder, die in Übereinstimmung mit einer externen Beschleuni­ gungskraft, die auf das bewegliche Teil 8 in eine Rich­ tung X (in Fig. 1A gezeigt) ausgeübt wird, in dieser Richtung zurück und vor schwingt.

Eine Anschlußfläche 14a zum elektrischen Verbinden des beweglichen Teils 8 mit einer äußeren Schaltung ist an einer Position außerhalb der Öffnung 2b auf der zwei­ ten Halbleiterschicht 3b ausgebildet. Die Anschlußfläche 14a besteht aus Aluminium.

Das erste feststehende Teil 9a besteht aus einem er­ sten Verbindungsabschnitt 15a und ersten feststehenden Elektroden 16a, die sich senkrecht von dem ersten Verbin­ dungsabschnitt 15a ausdehnen. Der Verbindungsabschnitt 15a ist auf der zweiten Halbleiterschicht 3b ausgebildet, die über die oxidierte Schicht 4 an der ersten Halblei­ terschicht 3a befestigt ist. Die ersten feststehenden Elektroden 16a sind in der Art eines Auslegers über der Öffnung 2a angeordnet, was eine kammähnliche Form ausbil­ det. Jede der ersten feststehenden Elektroden 16a weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Die ersten festste­ henden Elektroden 16a sind derart angeordnet, daß jede feststehende Elektrode 16a jeder beweglichen Elektrode 11a mit einem kleinen Luftspalt zwischen diesen gegen­ überliegt, wie es in Fig. 1A gezeigt ist. Anders ausge­ drückt bilden die einander gegenüberliegenden feststehen­ den Elektroden 16a und beweglichen Elektroden 11a einen Kondensator, der eine Beschleunigung erfaßt, die auf den Beschleunigungssensor 1 ausgeübt wird. Der Luftspalt zwi­ schen beiden Elektroden 16a und 11a ändert sich in Über­ einstimmung mit der ausgeübten Beschleunigung und dadurch ändert sich eine Kapazität, die zwischen beiden Elektro­ den ausgebildet ist.

Auf ähnliche Weise besteht das zweite feststehende Teil 9b aus einem zweiten Verbindungsabschnitt 15b und zweiten feststehenden Elektroden 16b, die sich senkrecht von dem zweiten Verbindungsabschnitt 15b ausdehnen. Der Verbindungsabschnitt 15b ist auf der zweiten Halbleiter­ schicht 3b ausgebildet, die über die oxidierte Schicht 4 an der ersten Halbleiterschicht 3a befestigt ist. Die zweiten feststehenden Elektroden 16b sind in der Art ei­ nes Auslegers über der Öffnung 2b angeordnet, was eine kammähnliche Form ausbildet. Jede der zweiten feststehen­ den Elektroden 16b weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Die zweiten feststehenden Elektroden 16b sind derart angeordnet, daß jede feststehende Elektrode 16b jeder be­ weglichen Elektrode 11b mit einem kleinen Luftspalt zwi­ schen diesen gegenüberliegt, wie es in Fig. 1A gezeigt ist. Anders ausgedrückt bilden die einander gegenüberlie­ genden feststehenden Elektroden 16b und beweglichen Elek­ troden 11b einen Kondensator aus, der eine Beschleunigung erfaßt, der auf den Beschleunigungssensor 1 ausgeübt wird. Der Luftspalt zwischen beiden Elektroden 16b und 11b ändert sich in Übereinstimmung mit der ausgeübten Be­ schleunigung und dadurch ändert sich eine Kapazität, die zwischen diesen Elektroden ausgebildet ist.

Eine Anschlußfläche 14b zum elektrischen Verbinden des ersten feststehenden Teils 9a mit einer äußeren Schaltung ist auf der zweiten Halbleiterschicht 3b ausge­ bildet, welche über die oxidierte Schicht 4 an der ersten Halbleiterschicht 3a befestigt ist. Auf ähnliche Weise ist eine Anschlußfläche 14c zum elektrischen Verbinden des zweiten feststehenden Teils 9b mit der äußeren Schal­ tung auf der zweiten Halbleiterschicht 2b ausgebildet. Beide Anschlußflächen 14b und 14c bestehen aus Aluminium.

Bei dem Beschleunigungssensor 1, der aufgebaut ist, wie es zuvor beschrieben worden ist, ist eine erste Kapa­ zität CS1 (in Fig. 5A gezeigt) zwischen ersten festste­ henden Elektroden 16a und einer beweglichen Elektrode 11a ausgebildet und ist eine zweite Kapazität CS2 (in Fig. 5A gezeigt) zwischen zweiten feststehenden Elektroden 16b und einer beweglichen Elektrode 11b ausgebildet. Wenn eine Beschleunigungskraft auf die Mittenrippe 10 ausgeübt wird, die als ein Gewicht wirkt, ändert sich der Luftspalt zwischen den beweglichen Elektroden 11a, 11b und den feststehenden Elektroden 16a, 16b und ändern sich dadurch demgemäß die erste Kapazität CS1 und die zweite Kapazität CS2. Die Höhe der Beschleunigung, die auf den Sensor 1 ausgeübt wird, wird aus einer Differenz zwischen CS1 und CS2 auf die Weise erfaßt, die später im Detail beschrieben wird.

Mehrere Durchgangslöcher 17 sind auf der Mittenrippe 10 ausgebildet, um eine mechanischen Festigkeit zu erhö­ hen und das Gewicht der Mittenrippe zu verringern. Übli­ cherweise sind die Durchgangslöcher 17 ebenso auf beiden der beweglichen Elektroden 11a, 11b und der feststehenden Elektroden 16a, 16b ausgebildet.

Nun wird eine Elektrodenstruktur gemäß der vorliegen­ den Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 2A beschrieben. Da die rechtsseitigen Elektroden und die linksseitigen Elektroden symmetrisch aufgebaut sind, wie es in Fig. 1A gezeigt ist, ist lediglich die rechtsseitige Struktur in Fig. 2A gezeigt. In Fig. 2A liegt die zweite feststehende Elektrode 16b der beweglichen Elektrode 11b mit einem kleinen Luftspalt zwischen diesen gegenüber. Auf beiden Seiten der zweiten feststehenden Elektrode 16b sind meh­ rere Vorsprünge 40a, 40b einstückig mit der zweiten fest­ stehenden Elektrode 16b ausgebildet. In diesem besonderen Beispiel, das in Fig. 2A gezeigt, sind ein hoher Vor­ sprung 40a und niedrige Vorsprünge 40b an dem Spitzenab­ schnitt A und dem Sockelabschnitt B der zweiten festste­ henden Elektrode 16b ausgebildet, während die niedrigen Vorsprünge 40b an dem Mittenabschnitt C ausgebildet sind. Die Vorsprünge 40a, 40b können derart ausgebildet sein, daß sie zu dem Spitzenabschnitt und dem Sockelabschnitt hin allmählich höher werden. Weiterhin ist eine große An­ zahl von Vorsprüngen an dem Spitzenabschnitt A und dem Sockelabschnitt B ausgebildet, während eine kleine Anzahl von Vorsprüngen an dem Mittenabschnitt C ausgebildet ist. Anders ausgedrückt sind die Vorsprünge an sowohl dem Spitzenabschnitt A als auch dem Sockelabschnitt B dicht angeordnet, während sie an dem Mittenabschnitt C spärlich angeordnet sind. Auf der ersten feststehenden Elektrode 16a sind die Vorsprünge 40a, 40b auf die gleiche Weise wie diejenigen der zweiten feststehenden Elektrode 16b ausgebildet.

Wenn die beweglichen Elektroden 11a, 11b und die feststehenden Elektroden 16a, 16b durch einen darauf aus­ geübten hohen Stoß übermäßig verschoben werden, treffen die hohen Vorsprünge 14a zuerst die beweglichen Elektro­ den 11a, 11b und werden sie dann zuerst durch den tref­ fenden Stoß zerstört. Die niedrigen Vorsprünge 40b sind durch die hohen Vorsprünge 40b geschützt und bleiben auch, nachdem die hohen Vorsprünge 40a zerstört worden sind, unbeschädigt. Deshalb wird die Haftkraft zwischen den beweglichen Elektroden 11a, 11b und den feststehenden Elektroden 16a, 16b durch die verbleibenden niedrigen Vorsprünge 40b abgeschwächt und kann das Elektrodenhaften vermieden oder unterdrückt werden.

Die übermäßige Verschiebung der Elektroden kann bei Herstellungsverfahren oder einem Transport des Sensors 1 auftreten. Jedoch tritt das Haftproblem meist auf, wenn während seines tatsächlichen Gebrauchs ein übermäßiger Stoß auf den Sensor 1 ausgeübt wird. Da die beweglichen Elektroden 11a, 11b eine Auslegerstruktur aufweisen, die von der Mittenrippe 10 gehalten wird, ist eine Höhe einer Verschiebung an dem Spitzenabschnitt A groß, welcher dem Sockelabschnitt B der feststehenden Elektroden 16a, 16b gegenüberliegt. Ebenso weisen die feststehenden Elektro­ den 16a, 16b eine Auslegerstruktur auf, die von den Ver­ bindungsabschnitten 15a, 15b gehalten wird. Deshalb ist eine Höhe einer Verschiebung an dem Spitzenabschnitt A groß. Um mit der großen Höhe einer Verschiebung fertig zu werden, die an beiden Spitzenabschnitten der beweglichen Elektroden und der feststehenden Elektroden auftritt, sind die Vorsprünge 40a, 40b an dem Spitzenabschnitt A und dem Sockelabschnitt B der stationären Elektroden 16a, 16b verglichen mit denjenigen an dem Mittenabschnitt C dicht angeordnet. Wenn einige der dicht angeordneten Vor­ sprünge 40a, 40b durch den übermäßigen Stoß zerstört wer­ den, wird das Elektrodenhaften durch die verbleibenden Vorsprünge unterdrückt.

Weiterhin wird, da die Vorsprünge 40a, 40b auf beiden Seiten der feststehenden Elektroden 16a, 16b ausgebildet sind, das Elektrodenhaften nicht nur an der einen Konden­ sator ausbildenden Seite, sondern ebenso an der anderen Seite der feststehenden Elektroden 16a, 16b unterdrückt.

Ein Verfahren zum Herstellen des Beschleunigungssen­ sors 1 wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3A bis 3F beschrieben. Zuerst wird das SOI-Substrat, das die er­ ste Halbleiterschicht 3a, die oxidierte Schicht 4 und die zweite Halbleiterschicht 3b aufweist, vorbereitet, wie es in Fig. 3A gezeigt ist. Dann wird, wie es in Fig. 38 ge­ zeigt ist, ein Anschlußflächenausbildungsverfahren durch­ geführt. Eine dünne Aluminiumschicht, die eine Gesamt­ oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 3b bedeckt, wird durch Dampfabscheidung ausgebildet. Dann wird die dünne Aluminiumschicht durch ein Photolithographieverfahren und ein Ätzverfahren in eine Form von Anschlußflächen 14 (14a bis 14c) gemustert. Ein Sintern wird durchgeführt, um ei­ nen ohmschen Kontakt der Anschlußflächen 14 zu erzielen, wenn es erforderlich ist. Dann wird eine hintere Oberflä­ che der ersten Halbleiterschicht 3a durch spanende Ver­ formung oder Schleifen abgeflacht, um eine zweckmäßige Dicke der ersten Halbleiterschicht 3a zu erzielen. Wenn die zweite Halbleiterschicht 3a zu dick ist, erfordert ein Verfahren zum Herstellen der Öffnung 2a eine längere Zeit.

Dann wird, wie es in Fig. 3C gezeigt ist, ein Masken­ ausbildungsverfahren durchgeführt. Eine Siliziumnitrid­ schicht, die die gesamte hintere Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 3a bedeckt, wird durch ein Plasma-CVD- Verfahren oder dergleichen ausgebildet. Dann wird die Si­ liziumnitridschicht durch ein Photolithographieverfahren und ein Ätzverfahren in eine Maske 18 gemustert, die zum Ausbilden der Öffnung 2a verwendet wird. Die Maske 18 kann aus einer Siliziumnitridschicht, einer Siliziumoxid­ schicht oder einer Resistschicht bestehen.

Dann wird, wie es in Fig. 3D gezeigt ist, ein Graben­ ausbildungsverfahren durchgeführt. Eine Schicht, welche gegenüber einem Trockenätzen beständig ist und die Ober­ fläche der zweiten Halbleiterschicht 3b und der Anschluß­ flächen 14 bedeckt, wird ausgebildet. Die Schicht kann eine Resistschicht, eine Siliziumoxidschicht oder eine Siliziumnitridschicht sein. Die beständige Schicht wird in ein vorbestimmtes Muster gemustert, das den Sensorele­ menten, wie zum Beispiel dem beweglichen Teil 8 und dem feststehenden Teil 9a, 9b, entspricht. Dann wird die zweite Halbleiterschicht 3b unter einem anisotropischen Trockenätzen unter Verwendung der beständigen Schicht als eine Maske verarbeitet, um verschiedene Gräben auszubil­ den, die den Sensorelementen entsprechen. Die Gräben wer­ den derart durch die zweite Halbleiterschicht 3b ausge­ bildet, daß sie die oxidierte Schicht 4 erreichen. Die Gräben beinhalten ebenso die rechteckigen Durchgangslö­ cher 17 auf der Mittenrippe 10, die beweglichen Elektro­ den 11a, 11b und die feststehenden Elektroden 16a, 16b. Bei diesem Grabenausbildungsverfahren werden die Vor­ sprünge 40a, 40b einstückig mit den feststehenden Elek­ troden 16a, 16b ausgebildet.

Dann wird, wie es in Fig. 3E gezeigt ist, ein erstes Ätzverfahren durchgeführt. Die Öffnung 2a wird unter ei­ nem anisotropen Ätzen unter Verwendung einer wäßrigen Lö­ sung, wie zum Beispiel einer KOH-Lösung, durch die erste Halbleiterschicht 3a ausgebildet. Die Maske 18, die in dem Verfahren ausgebildet wird, das in Fig. 3C gezeigt ist, wird als eine Maske zum Ausbilden der Öffnung 2a verwendet. Die Ätzzeit wird derart gesteuert, daß die er­ ste Halbleiterschicht 3a bis zu der Oberfläche der oxidi­ dierten Schicht 4 geätzt wird und die oxidierte Schicht 4 durch das Ätzen nicht beschädigt wird. Anders ausgedrückt wird die Ätzzeit durch Berechnen auf der Grundlage einer Ätzgeschwindigkeit der Ätzlösung und der Dicke der ersten Halbleiterschicht 3a bestimmt. Die Maske 18 wird ent­ fernt, nachdem das erste Ätzverfahren beendet ist.

Dann wird, wie es in Fig. 3F gezeigt ist, ein zweites Ätzverfahren durchgeführt. Die oxidierte Schicht 4 wird unter einem Trockenätzen geätzt, um Abschnitte der oxi­ dierten Schicht 4 zu entfernen und um die Öffnung 2b durch die oxidierte Schicht 4 auszubilden. Durch Ausbil­ den der Öffnung 2b werden die flexiblen Träger 12a, 12b, die beweglichen Elektroden 11a, 11b und die Mittenrippe 10 des beweglichen Teils 8 bezüglich der zweiten Halblei­ terschicht 3b beweglich gemacht, während der Mittenrippe 10 an ihren beiden Enden auf der zweiten Halbleiter­ schicht 3b gehalten wird. Ebenso werden die feststehenden Elektroden 16a, 16b der feststehenden Teile 9a, 9b beweg­ lich gemacht, was Auslegerstrukturen ausbildet, die von den Verbindungsabschnitten 15a, 15b gehalten werden, wel­ che an der zweiten Halbleiterschicht 3b befestigt sind.

Nachdem das zweite Ätzverfahren beendet ist, wird das SOI-Substrat 5, das mehrere darauf ausgebildete Sensor­ chips aufweist, mit einem Klebstoff 7 auf die Träger­ platte 6 geklebt. Dann wird das Substrat in einzelne Sen­ sorchips zerstückelt, was den Beschleunigungssensor 1 ausbildet.

Nun wird eine Funktionsweise des kapazitiven Be­ schleunigungssensors 1 unter Bezugnahme auf die Fig. 4A bis 5B beschrieben. Wenn eine Beschleunigung, die eine Komponente in einer Richtung X beinhaltet, die in Fig. 1A gezeigt ist, auf den Sensor 1 ausgeübt wird, wird die Mittenrippe 10 (die als ein Gewicht dient), die von bei­ den flexiblen Trägern 12a, 12b gehalten wird, verschoben. Die Höhe der Verschiebung wird durch das Gewicht der Mit­ tenrippe 10, eine Federkraft der flexiblen Träger 12a, 12b und eine elektrostatische Kraft zwischen den bewegli­ chen Elektroden 11a, 11b und den feststehenden Elektroden 16a, 16b bestimmt. Die elektrostatische Kraft wird er­ zeugt, wenn eine Spannung an diese Elektroden angelegt wird.

Wie es in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, ist ein erster Kondensator CS1 zwischen beweglichen Elektroden 11a und ersten feststehenden Elektroden 16a ausgebildet und ist ein zweiter Kondensator CS2 zwischen beweglichen Elektroden 11b und zweiten feststehenden Elektroden 16b ausgebildet. Die Kapazität von beiden Kondensatoren CS1 und CS2 ändert sich differentiell in Übereinstimmung mit der Höhe einer Verschiebung der beweglichen Elektroden 11a, 11b. Das heißt, daß sich dann, wenn sich die Kapazi­ tät des ersten Kondensators CS1 erhöht, die Kapazität des zweiten Kondensators CS2 verringert. Derartige Kapazi­ tätsänderungen werden durch die Anschlußflächen 14a bis 14c als elektrische Signale ausgegeben. Die Höhe einer Beschleunigung, die auf den Sensor 1 ausgeübt wird, wird auf der Grundlage der Kapazitätsänderungen erfaßt. Da die linksseitigen Elektroden und die rechtsseitigen Elektro­ den symmetrisch angeordnet sind, ist die Kapazität des ersten Kondensators CS1 die gleiche wie die des zweiten Kondensators CS2, wenn keine Beschleunigung auf den Sen­ sor 1 ausgeübt wird.

Zusätzlich zu den ersten und zweiten Kondensatoren CS1, CS2 sind Streukondensatoren CP1 bis CP3 ausgebildet, wie es in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist. Das heißt, der Streukondensator CP1 ist zwischen dem ersten Verbin­ dungsabschnitt 15a und der ersten Halbleiterschicht 3a ausgebildet. Der Streukondensator CP2 ist zwischen dem zweiten Verbindungsabschnitt 15b und der ersten Halblei­ terschicht 3a ausgebildet. Der Streukondensator CP3 ist zwischen dem Ankerabschnitt 13b und der ersten Halblei­ terschicht 3a ausgebildet.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5A und 5B wird eine Schaltung zum Erfassen von Kapazitätsänderungen und ihre Funktionsweise erläutert. Der Sensor 1 ist in Fig. 5A als ein Ersatzschaltbild gezeigt. Ein erstes Trägersignal P1, das eine Rechteckswellenform aufweist, die in Fig. 5B ge­ zeigt ist (zum Beispiel 100 kHz, 5 V), wird an die An­ schlußfläche 14b angelegt, die mit den ersten feststehen­ den Elektroden 16a verbunden ist. Ein zweites Trägersi­ gnal P2, das eine Phase aufweist, die um 180 Grad ver­ schieden von der des ersten Trägersignals P1 ist (zum Beispiel 1G0 kHz, 5 V), wird an die Anschlußfläche 14c an­ gelegt, die mit den zweiten stationären Elektroden 16b verbunden ist. Beide Trägersignale P1, P2 werden synchro­ nisiert zu einem Taktsignal aus einem Oszillator (nicht gezeigt) erzeugt. Der Spannungspegel der Anschlußfläche 14a, die mit den beweglichen Elektroden 11a, 11b verbun­ den ist, ändert sich in Übereinstimmung mit einer Kapazi­ tät von beiden Kondensatoren CS1 und CS2.

Der Spannungspegel der Anschlußfläche 14a wird durch eine geschaltete Kondensatorschaltung 30 erfaßt, die in Fig. 5A gezeigt ist. Die geschaltete Kondensatorschaltung 30 beinhaltet einen Operationsverstärker 31, einen Rück­ kopplungskondensator 32 und ein Schaltelement 33, die verbunden sind, wie es in Fig. 5A gezeigt ist. Ein Signal aus der Anschlußfläche 14a (ein Signal, das einen Span­ nungspegel der beweglichen Elektroden 11a, 11b zeigt) wird einem invertierenden Eingangsanschluß des Operati­ onsvestärkers 31 zugeführt, während eine Spannung an ei­ nem Pegel von 2,5 V (welcher einem Spannungspegel ent­ spricht, der an der Anschlußfläche 14a auftritt, wenn die Kapazität CS1 gleich der Kapazität CS2 ist), wird einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsver­ stärkers 31 zugeführt.

Das Schaltelement 32 wird durch ein Triggersignal, das synchronisiert zu einem Taktsignal aus einem Oszilla­ tor (nicht gezeigt) erzeugt wird, ein- und ausgeschaltet. Wie es in Fig. 5B gezeigt ist, wird das Schaltelement 33 zu einem Zeitpunkt T1 synchronisiert zu einer abfallenden Flanke des ersten Trägersignals P1 lediglich für eine Vorbestimmte Periode (T1 bis T2), welche kürzer als eine Hälfte einer Periode des ersten Trägersignals P1 ist, eingeschaltet.

Die Erfassungsschaltung arbeitet auf die folgende Weise. Wenn die Kapazität CS1 gleich der Kapazität CS2 ist (wenn keine Beschleunigung ausgeübt wird), werden 0 Volt an die ersten feststehenden Elektroden 16a, 5 Volt an die zweiten feststehenden Elektroden 16b bzw. 2,5 Volt an die beweglichen Elektroden 11a, 11b zu einem Zeitpunkt T1 angelegt, der in Fig. 5B gezeigt ist. Da das Schalt­ element 33 zu einem Zeitpunkt T1 eingeschaltet wird, wird eine Ausgangsspannung Vo aus der geschalteten Kondensa­ torschaltung 30 2,5 Volt. Wenn das Schaltelement 33 zu einem Zeitpunkt T2 ausgeschaltet wird, bleibt die Aus­ gangsspannung Vo unverändert, da die Spannungspegel an den feststehenden Elektroden 16a, 16b ebenso unverändert bleiben, wenn keine Beschleunigung ausgeübt wird.

Andererseits ändert sich, wenn eine Beschleunigung auf den Sensor 1 ausgeübt wird, die Ausgangsspannung Vo in Übereinstimmung mit einer Kapazitätsdifferenz zwischen CS1 und CS2, das heißt einer Höhe einer ausgeübten Be­ schleunigung. Deshalb wird die Höhe einer Beschleunigung auf der Grundlage der Ausgangsspannung vo erfaßt. Die Ausgangsspannung vo wird in der folgenden Formel ausge­ drückt:

Vo = {(CS1-CS2) + (CP1-CP2).CP3}.V/Cf,

wobei V eine Spannungsdifferenz zwischen den ersten feststehenden Elektroden 16a und den zweiten feststehen­ den Elektroden 16b ist und Cf eine Kapazität des Rück­ kopplungskondensators 32 ist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das zuvor be­ schriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann verschieden abgeändert werden. Zum Beispiel ist die Form der Vorsprünge 40 (40a und 40b), die auf den feststehen­ den Elektroden 16a, 16b ausgebildet sind, nicht auf eine trapezförmige Form beschränkt. Sie können in anderen For­ men, wie zum Beispiel einer konischen Form, ausgebildet sein. Die Anzahl der Vorsprünge 40 kann verschieden aus­ gewählt werden, wobei ihre Festigkeit berücksichtigt wird. Obgleich die Höhe der Vorsprünge in dem Beispiel, das in Fig. 2A gezeigt ist, in Übereinstimmung mit ihren Positionen geändert wird, können die Vorsprünge derart ausgebildet sein, daß sie eine gleichmäßige Höhe aufwei­ sen (Vorsprünge 40c), wie es in Fig. 2B gezeigt ist. Je­ doch ist es bevorzugt, die Vorsprünge 40 auszubilden, wie es in Fig. 2A gezeigt ist, um eine Situation zu vermei­ den, in der alle Vorsprünge 40 durch einen übermäßigen Stoß zerstört werden.

Es ist ebenso möglich, die Vorsprünge 40 anstelle ei­ nes Ausbildens von diesen auf den feststehenden Elektro­ den 16a, 16b auf den beweglichen Elektroden 11a, 11b aus­ zubilden. Es ist jedoch bevorzugt, sie auf den festste­ henden Elektroden 16a, 16b auszubilden, um eine Unausge­ glichenheit der beweglichen Elektroden 11a, 11b zu ver­ meiden, welche auftreten würde, wenn einige Vorsprünge durch einen übermäßigen Stoß zerstört werden würden.

Weiterhin können, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, die Vorsprünge 40d, 40e anstelle eines Ausbildens von ihnen auf den feststehenden Elektroden 16a, 16b auf den flexi­ blen Trägern 12a, 12b ausgebildet werden. In diesem Fall muß die Höhe der Vorsprünge 40d, 40e derart eingestellt werden, daß die Vorsprünge die Mittenrippe 10 berühren, bevor die beweglichen Elektroden 11a, 11b die feststehen­ den Elektroden 16a, 16b berühren, wenn ein übermäßiger Stoß auf den Sensor 11 ausgeübt wird. Das Elektrodenhaf­ ten kann durch die Vorsprünge 40d, 40e vermieden werden, die auf den flexiblen Trägern 12a, 12b ausgebildet sind. Es ist bevorzugt, die hohen Vorsprünge 40d und die nied­ rigen Vorsprünge 40e auszubilden, um die niedrigen Vor­ sprünge 40e durch die hohen Vorsprünge 40d zu schützen.

Es ist ebenso möglich, die Vorsprünge auf sowohl den flexiblen Trägern 12a, 12b als auch den feststehenden Elektroden 16a, 16b auszubilden, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Die Vorsprünge 40d, 40e auf den flexiblen Trägern 12a, 12b müssen derart ausgebildet werden, daß sie zuerst die Mittenrippe 10 berühren, bevor die Vorsprünge 40a, 40b auf den feststehenden Elektroden 16a, 16b die beweg­ lichen Elektroden 11a, 11b berühren. Es ist bevorzugt, die hohen Vorsprünge 40a, 40b und die niedrigen Vor­ sprünge 40b, 40e in diesem Fall ebenso auszubilden, um weiterhin sicher das Elektrodenhaften zu verhindern.

Wie es zuvor beschrieben worden ist, beinhalte ein erfindungsgemäßer dynamischer Sensor feststehende Elek­ troden und bewegliche Elektroden, die einander gegenüber­ liegen und eine Kapazität zwischen diesen ausbilden. Die Kapazität ändert sich in Übereinstimmung mit einer dyna­ mischen Kraft, wie zum Beispiel einer Beschleunigung, die auf den Sensor ausgeübt wird. Mehrere Vorsprünge sind auf den feststehenden Elektroden ausgebildet, um ein Elektro­ denhaften zwischen den beweglichen Elektroden und den feststehenden Elektroden aufgrund eines übermäßigen Sto­ ßes, der auf den Sensor ausgeübt wird, zu vermeiden oder zu unterdrücken. Die Vorsprünge sind derart ausgebildet, daß sie unterschiedliche Höhen aufweisen, so daß höhere Vorsprünge zuerst die beweglichen Elektroden treffen und dadurch die niedrigeren Vorsprünge schützen. Auch nachdem die höheren Vorsprünge durch den übermäßigen Stoß zer­ stört worden sind, bleiben die niedrigeren Vorsprünge wirksam und dienen dazu, das Elektrodenhaften durch einen übermäßigen Stoß zu verhindern, welcher später auftreten kann.

Claims (11)

1. Dynamischer Sensor, der aufweist:
ein Halbleitersubstrat (5);
ein feststehendes Teil (9a, 9b), das auf dem Halblei­ tersubstrat ausgebildet ist, wobei das feststehende Teil längliche feststehende Elektroden (16a, 16b) aufweist;
ein bewegliches Teil (8), das auf dem Halbleitersub­ strat (5) Verankert ist, wobei das bewegliche Teil (8) längliche bewegliche Elektroden (11a, 11b) aufweist, die den feststehenden Elektroden (16a, 16b) gegenüberliegen und eine Kapazität (CS1, CS2) zwischen diesen ausbilden, welche sich in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft ändert, die auf die beweglichen Elektroden (11a, 11b) ausgeübt wird, wobei:
eine Mehrzahl von Vorsprüngen (40a, 40b) auf entweder den feststehenden Elektroden (16a, 16b) oder den bewegli­ chen Elektroden (11a, 11b) oder auf beiden Elektroden ausgebildet ist, wobei die Vorsprünge derart unterschied­ liche Höhen aufweisen, daß die höchsten Vorsprünge (40a) zuerst die Elektroden treffen, die den Vorsprüngen gegen­ überliegen, wenn eine übermäßige dynamische Kraft auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird.

2. Dynamischer Sensor nach Anspruch 1, wobei:
die länglichen feststehenden Elektroden (16a, 16b) an einem Ende von ihnen auf dem Halbleitersubstrat (5) ge­ halten werden, was Ausleger ausbildet;
das bewegliche Teil (8) eine längliche Mittenrippe (10) beinhaltet, die an beiden Enden von ihr auf dem Halbleitersubstrat (5) verankert ist; und
die länglichen beweglichen Elektroden (11a, 11b) an einem Ende von ihnen mit der Mittenrippe (10) verbunden sind, was Ausleger ausbildet.

3. Dynamischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorsprünge (40a, 40b) auf den feststehenden Elektro­ den (16a, 16b) ausgebildet sind.

4. Dynamischer Sensor nach Anspruch 3, wobei die Vorsprünge (40a, 40b) an entweder einem Spitzenabschnitt (A) oder einem Sockelabschnitt (B) von jeder der festste­ henden Elektroden (16a, 16b) oder an beiden Abschnitten dichter als an einem Mittenabschnitt (C) von diesen ange­ ordnet sind.

5. Dynamischer Sensor nach Anspruch 3, wobei die Vorsprünge (40a, 40b) an entweder einem Spitzenabschnitt (A) oder an einem Sockelabschnitt (B) von jeder der fest­ stehenden Elektroden (16a, 16b) oder an beiden Abschnit­ ten höher als an einem Mittenabschnitt (C) von diesen sind.

6. Dynamischer Sensor nach Anspruch 3, wobei die Vorsprünge (40a, 40b) auf beiden Seiten der feststehenden Elektroden (16a, 16b) ausgebildet sind.

7. Dynamischer Sensor, der aufweist:
ein Halbleitersubstrat (5);
ein feststehendes Teil (9a, 9b), das auf dem Halblei­ tersubstrat (5) ausgebildet ist, wobei das feststehende Teil (9a, 9b) längliche feststehende Elektroden (16a, 16b) aufweist;
ein bewegliches Teil (8), das auf dem Halbleitersub­ strat (5) verankert ist, wobei das bewegliche Teil (8) längliche bewegliche Elektroden (11a, 11b) aufweist, die den feststehenden Elektroden (16a, 16b) gegenüberliegen und eine Kapazität (CS1, CS2) zwischen diesen ausbilden, welche sich in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft ändert, die auf die beweglichen Elektroden (11a, 11b) ausgeübt wird, wobei:
die länglichen feststehenden Elektroden (16a, 16b) an einem Ende von ihnen auf dem Halbleitersubstrat (5) ge­ halten werden, was Ausleger ausbildet;
das bewegliche Teil (8) eine längliche Mittenrippe (10) und einen flexiblen Träger (12a, 12b) aufweist, der in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft federnd schwingt, die auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird, wobei die längliche Mittenrippe (10) an beiden Enden von ihr auf dem Halbleitersubstrat (5) verankert ist, wobei die länglichen beweglichen Elektroden (11a, 11b) mit der Mittenrippe (10) verbunden sind, was Ausleger ausbildet; und
eine Mehrzahl von Vorsprüngen (40d, 40e) zum Ein­ schränken einer übermäßigen Schwingbewegung des flexiblen Trägers (12a, 12b) auf dem flexiblen Träger (12a, 12b) ausgebildet ist.

8. Dynamischer Sensor nach Anspruch 7, wobei die Vorsprünge (40d, 40e), die auf dem flexiblen Träger (12a, 12b) ausgebildet sind, derart unterschiedliche Höhen auf­ weisen, daß die höchsten Vorsprünge (40d) zuerst die übermäßige Schwingbewegung des flexiblen Trägers (12a, 12b) einschränken.

9. Dynamischer Sensor nach Anspruch 7, wobei eine Mehrzahl von Vorsprüngen (40a, 40b) derart auf den fest­ stehenden Elektroden (16a, 16b) ausgebildet ist, daß die Vorsprünge (40a, 40b) die beweglichen Elektroden (11a, 11b) treffen, wenn ein übermäßiger Stoß auf den dynami­ schen Sensor ausgeübt wird.

10. Dynamischer Sensor nach Anspruch 9, wobei die Vorsprünge (40a, 40b), die auf den feststehenden Elektro­ den (16a, 16b) ausgebildet sind, derart unterschiedliche Höhen aufweisen, daß die höchsten Vorsprünge (40a) zuerst die beweglichen Elektroden (11a, 11b) treffen, wenn der übermäßige Stoß auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird.

11. Dynamischer Sensor nach Anspruch 9, wobei die Vorsprünge (40a, 40b), die auf den feststehenden Elektro­ den (16a, 16b) ausgebildet sind, an entweder einem Spit­ zenabschnitt (A) oder einem Sockelabschnitt (B) der fest­ stehenden Elektroden (16a, 16b), die Ausleger ausbilden, oder an beiden Abschnitten von diesen dichter als an ei­ nem Mittenabschnitt (C) von diesen angeordnet sind.