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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Dynamiksensor, der ein piezoresistives Element verwendet und insbesondere auf einen Sensor für die Erfassung einer uniaxialen Dynamik.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik wurden verschiedene Dynamiksensoren, die piezoresistente Elemente verwenden, vorgeschlagen. Beispielsweise umfasst ein solcher Dynamiksensor in Patentdokument 1 ein Gewicht mit einer rechteckigen Parallelepipedform, einen Träger, der geformt ist, um das Gewicht zu umgeben, und Balken, die das Gewicht drehbar an den Träger tragen. Die Balken sind auf beiden gegenüberliegenden Enden des Gewichts vorgesehen und in solch einer Form gebildet, um es dem Gewicht zu ermöglichen, eine externe Kraft zu empfangen, um sich zu bewegen.
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7 ist eine perspektivische Ansicht eines bestehenden Dynamiksensors 10P mit der gleichen Struktur wie derjenigen des im Patentdokument 1 offenbarten Dynamiksensors. In 7 sind mit Bezug auf einen Träger 12P nur Abschnitte gezeigt, die mit Balkendrähten 13P verbunden sind, und die Darstellung des anderen Abschnitts ist ausgelassen. Außerdem hat der Dynamiksensor 10P eine bestehende allgemeine Struktur und somit wird nur ein Umriss der Struktur beschrieben.
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Ein Gewicht 11P ist in einer im Wesentlichen kubischen Form gebildet. Die Balken 13P sind im Wesentlichen jeweils mit Mitten von zwei gegenüberliegenden Seiten des Gewichts 11P auf der oberen Oberflächenseite verbunden. Jeder Balken 13P ist in solch einer Form geformt, um es dem Gewicht 11P zu ermöglichen, sich durch eine externe Kraft zu bewegen. Ein Ende jedes Balkens 13P auf der Seite gegenüber der Seite des Balkens 13P, mit der das Gewicht 11P verbunden ist, ist mit dem Träger 12P verbunden. Das Gewicht 11P, die Balken 13P und der Träger 12P sind integral gebildet, beispielsweise durch Ätzen eines Siliziumsubstrats, auf dem ein piezoresistives Element gebildet ist.
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Zitatliste
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Patentliteratur
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- Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.63-305256
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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In dem Dynamiksensor 10P mit der bestehenden Struktur, wie sie in 7 gezeigt ist, ergibt sich jedoch das folgende Problem.
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Wenn in dem bestehenden Dynamiksensor 10P eine Kraft in einer Richtung parallel zu einer Achse (in 7 eine x-Achse), parallel zu den zwei gegenüberliegenden Seiten auf der oberen Oberflächenseite des Gewichts 11P, an der die Balken 13P vorgesehen sind, angelegt wird, oszilliert das Gewicht 11P um eine Achse, die die beiden Balken 13P verbindet (in 7 eine y-Achse). In diesem Fall sind, wie es in 7 gezeigt ist, sehr kleine Regionen nahe den Ecken an vier Abschnitten, wo die Balken 13P mit dem Gewicht 11P und dem Träger 12P verbunden sind, Belastungsauftretensregionen 30P.
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Wenn hier eine physikalische Größe, wie z. B. Beschleunigung durch angelegte Kraft mit einem Dynamiksensor gemessen wird, ist es notwendig, in jeder Belastungsauftretensregion 30P ein piezoresistives Element vorzusehen.
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In dem bestehenden Dynamiksensor 10P hat jedoch jede Belastungsauftretensregion 30P einen sehr geringen Oberflächenbereich, und somit ist es nicht leicht, ein piezoresistives Element genau in dieser Region vorzusehen. Umgekehrt ist es nicht leicht, einen Dynamiksensor zu realisieren, der Belastung genau erfassen kann, um eine physikalische Größe, wie z. B. Beschleunigung, zuverlässiger zu messen.
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dynamiksensor zu realisieren, der eine physikalische Größe, wie z. B. Beschleunigung durch eine angelegte Kraft zuverlässiger erfassen kann.
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Lösung des Problems
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Dynamiksensor. Bei dem Dynamiksensor, der bei der vorliegenden Anmeldung erörtert wird, wird ein Gewicht schematisch auf oszillierbare Weise auf Trägern getragen durch Verwendung von Balken. Der Dynamiksensor erfasst Belastung, die durch die Oszillation in den Balken auftritt, mit einer Mehrzahl von piezoresistiven Elementen, die in den Balken vorgesehen sind, um eine bestimmte physikalische Größe basierend auf einer angelegten Kraft zu erfassen. Unter einer solchen angenommenen Konfiguration haben das Gewicht, die Träger und die Balken die folgenden Merkmale.
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Das Gewicht umfasst ein erstes Teilgewicht und ein zweites Teilgewicht, die entlang einer ersten Achsenrichtung ausgerichtet sind, und von denen jedes eine im Wesentlichen rechteckige Parallelepipedform und einen Brückenabschnitt aufweist. Der Brückenabschnitt ist im Wesentlichen an einer Mittelposition des ersten Teilgewichts und des zweiten Teilgewichts in einer zweiten Achsenrichtung senkrecht zu der ersten Achsenrichtung vorgesehen und hat eine Struktur, um das erste Teilgewicht und das zweite Teilgewicht zu verbinden. Anders ausgedrückt, das Gewicht ist von einer Draufsicht aus gesehen in einer „H”-Form gebildet, die die erste Achse und die zweite Achse umfasst.
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Die Träger sind vorgesehen, um sich entlang der zweiten Achsenrichtung zu erstrecken, um mit dem Brückenabschnitt des Gewichts dazwischen befindlich angeordnet zu sein, und um von dem Gewicht beabstandet zu sein.
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Die Balken sind an Positionen auf beiden Seiten des Brückenabschnitts entlang der zweiten Achsenrichtung in solch einer Form gebildet, um sich entlang der ersten Achsenrichtung zu erstrecken, um das erste Teilgewicht mit dem Träger und das zweite Teilgewicht mit dem Träger zu verbinden.
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Wenn bei einer solchen Konfiguration eine Kraft entlang der ersten Achsenrichtung angelegt wird, tritt eine Belastung desselben Modus über Regionen nahe der Verbindungsenden des Balkens an dem Gewicht und dem Träger auf, wie es in 4 gezeigt ist (die Einzelheiten werden später beschrieben). Anders ausgedrückt, Belastung tritt in breiten Regionen entlang der Verbindungsseiten der Balken an dem Gewicht und dem Träger auf. Somit reicht es aus, dass die piezoresistiven Elemente angeordnet sind, um sich entlang den Verbindungsseiten zu erstrecken, und eine hohe Genauigkeit der Anordnung der piezoresistiven Elemente wie im Stand der Technik ist nicht erforderlich. Wie es später beschrieben wird, kann mit dieser Konfiguration außerdem eine größere Belastung erfasst werden als mit einer bestehenden Struktur. Daher ist es möglich, Belastung zuverlässiger zu erfassen als mit der bestehenden Struktur.
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Außerdem ist bei dem Dynamiksensor der Erfindung die Mehrzahl von piezoresistiven Elementen jeweils nahe einem Verbindungsende jedes Balkens auf der Trägerseite vorgesehen.
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Bei dieser Konfiguration ist eine spezifische Struktur gezeigt, bei der die piezoresistiven Elemente in den Balken vorgesehen sind. Es ist durch Experimente bekannt, dass, wenn eine Kraft entlang der ersten Achse angelegt wird, wie es oben beschrieben ist, in den Enden der Balken auf der Trägerseite eine größere Belastung auftritt als in den Enden der Balken auf den Seiten des ersten und zweiten Teilgewichts. Wenn daher die piezoresistiven Elemente an den Enden der Balken auf der Trägerseite vorgesehen sind, ist es möglich, Belastung zuverlässiger zu erfassen.
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Außerdem haben bei dem Dynamiksensor der Erfindung das erste Teilgewicht und das zweite Teilgewicht das gleiche Gewicht. Oder das erste Teilgewicht und das zweite Teilgewicht haben ein unterschiedliches Gewicht bei dem Dynamiksensor der Erfindung.
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Wenn das erste Teilgewicht und das zweite Teilgewicht, die über den Brückenabschnitt miteinander verbunden sind, ihre Gewichtsbeziehung verändern, wie bei diesen Konfigurationen, kann die Mittelposition bezüglich der Anordnungsposition jedes Balkens und des Schwerpunkts geändert werden. Dadurch kann die Erfassungsrichtung geändert werden, selbst wenn der Dynamiksensor auf gleiche Weise platziert ist.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der Erfindung kann selbst mit einer relativ einfachen Struktur eine physikalische Größe, wie z. B. Beschleunigung durch eine angelegte Kraft, zuverlässiger erfasst werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Ansicht zum Darstellen einer Struktur eines Dynamiksensors 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht jeder Seite des Dynamiksensors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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3 ist ein Diagramm, das eine Anordnungsstruktur der piezoresistiven Elemente 21A, 21B, 21C und 21D zeigt und eine Verdrahtungsstruktur 22 des Dynamiksensors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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4 ist ein Diagramm, das ein Erfassungskonzept des Dynamiksensors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist ein Diagramm zum Darstellen eines Verfahrens zum Herstellen des Dynamiksensors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Struktur eines Dynamiksensors 10A mit einer anderen Konfiguration gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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7 ist eine perspektivische Ansicht eines bestehenden Dynamiksensors 10P mit der gleichen Struktur wie derjenigen eines Dynamiksensors, der in Patentdokument 1 offenbart ist.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Ein Dynamiksensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht zum Darstellen einer Struktur des Dynamiksensors gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 2 ist eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht jeder Seite des Dynamiksensors 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 2(A) ist eine Draufsicht des Dynamiksensors 10. 2(A) ist eine Seitenquerschnittsansicht, wenn ein Al-A2-Querschnitt des Dynamiksensors 10 in 2(A) betrachtet wird, 2(C) ist eine Seitenquerschnittsansicht, wenn ein B1-B2-Querschnitt des Dynamiksensors 10 in 2(A) betrachtet wird, und 2(D) ist eine Seitenquerschnittsansicht, wenn ein C1-C2-Querschnitt des Dynamiksensors 10 in 2(A) betrachtet wird. 2(E) ist eine Seitenquerschnittsansicht, wenn ein D1-D2-Querschnitt des Dynamiksensors 10 in 2(A) betrachtet wird, 2(F) ist eine Seitenquerschnittsansicht, wenn ein E1-E2-Querschnitt des Dynamiksensors 10 in 2(A) betrachtet wird und 2(G) ist eine Seitenquerschnittsansicht, wenn ein F1-F2-Querschnitt des Dynamiksensors 10 in 2(A) betrachtet wird. 3 ist ein Diagramm, das eine Anordnungsstruktur von piezoresistiven Elementen 21A, 21B, 21C und 21D und eine Verdrahtungsstruktur 22 des Dynamiksensors 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt.
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Der Dynamiksensor 10 umfasst ein Gewicht 11, das in der Draufsicht eine „H”-Form ausweist, nämlich entlang einer z-Achsenrichtung in 1 gesehen. Das Gewicht 11 wird gebildet durch Durchführen jedes nachfolgend beschriebenen Bildungsprozesses, wie z. B. Strukturätzen auf einem SOI(SOI = silicon an insulator = Silizium auf Isolator) Substrat. In dem Gewicht 11 sind ein erstes Teilgewicht 11A und ein zweites Teilgewicht 11B, die eine im Wesentlichen rechteckige Parallelepipedformen aufweisen, und ein Brückenabschnitt 11C mit einer im Wesentlichen rechteckigen Parallelepipedform gleichermaßen durch diesen Prozess integral gebildet. Genauer gesagt hat das Gewicht 11 die folgende Struktur.
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Das erste Teilgewicht 11A und das zweite Teilgewicht 11B haben die gleiche Form und sind in einem vorbestimmten Abstand angeordnet, so dass kurze Seiten derselben sich in einer Draufsicht entlang einer Richtung einer ersten Achse (x-Achse in 1) erstrecken. In diesem Fall sind das erste Teilgewicht 11A und das zweite Teilgewicht 11B so angeordnet, dass sich lange Seiten derselben in einer Draufsicht entlang einer zweiten Achse (y-Achse in 1) senkrecht zu der ersten Achse erstrecken.
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Der Brückenabschnitt 11C ist im Wesentlichen an einer Mittelposition des ersten Teilgewichts 11A und des zweiten Teilgewichts 11B in der zweiten Achsenrichtung vorgesehen und sowohl mit dem ersten Teilgewicht 11A als auch dem zweiten Teilgewicht 11B verbunden ist. Der Brückenabschnitt 11C hat die gleiche Dicke (Länge in der z-Achsenrichtung in 1) wie diejenige des ersten Teilgewichts 11A und des zweiten Teilgewichts 11B. Es wird angemerkt, dass die Breite des Brückenabschnitts 11C passend eingestellt ist der Basis des gesamten Gewichts 11, der Gewichte des ersten Teilgewichts 11A und des zweiten Teilgewichts 11B, der Breiten der Balken 13A, 13B, 13C und 13D, die nachfolgend beschrieben sind, und der Abstände zu denselben.
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Träger 12A und 12B sind integral mit einer Gehäusewand 14 gebildet, die das Gewicht 11 umgibt, und haben rechteckige Säulenformen, die von einer Innwandoberflächenseite der Gehäusewand 14 nach innen vorstehen. Die Träger 12A und 12B sind zwischen dem ersten Teilgewicht 11A und dem zweiten Teilgewicht 11B in der x-Achsenrichtung des Gewichts 11 angeordnet. Außerdem sind die Träger 12A und 12B angeordnet, um den Brückenabschnitt 11C des Gewichts 11 in der y-Achsenrichtung zwischen sich aufzunehmen. In diesem Fall sind die Träger 12A und 12B in einem vorbestimmten Abstand angeordnet, um nicht mit dem Gewicht 11 in Kontakt zu sein. Ferner sind die Höhen (Höhen in der z-Achsenrichtung) der Träger 12A und 12B eingestellt, um größer zu sein als die Dicke des Gewichts 11. Somit, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, ist ein Zwischenraum 15 gebildet zwischen dem Gewicht 11 und den Trägern 12A und 12B und der Gehäusewand 14. Eine Abdeckung 16 ist mit dem Träger 12 und dem Gehäusewand 14 verbunden, um nicht in Kontakt mit dem Gewicht 11 zu sein.
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Die Balken 13A, 13B, 13C und 13D sind in solch einer Form gebildet, um das erste Teilgewicht 11A und das zweite Teilgewicht 11B mit den Trägern 12A und 12B zu verbinden. Genauer gesagt, der Balken 13A verbindet die Umgebung eines Endes des ersten Teilgewichts in der y-Achsenrichtung mit dem Träger 12A. Der Balken 13C verbindet die Umgebung des anderen Endes des ersten Teilgewichts 11A in der y-Achsenrichtung mit dem Träger 12B. Der Balken 13B verbindet die Umgebung eines Endes des zweiten Teilgewichts 11B in der y-Achsenrichtung mit dem Träger 12A. Der Balken 13D verbindet die Umgebung des anderen Endes des zweiten Teilgewichts 11B in der y-Achsenrichtung mit dem Träger 12B.
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Die Balken 13A, 13B, 13C und 13D haben Formen, in denen alle Längen (Längen entlang der x-Achse), Breiten (Längen entlang der y-Achse) und Dicken (Längen entlang der z-Achse) im Wesentlichen gleich sind. Außerdem sind die Balken 13A, 13B, 13C und 13D angeordnet, um symmetrisch zueinander zu sein um die x-Achse und die y-Achse, die in einer Draufsicht (einer xy-Draufsicht) durch den Mittelpunkt des Brückenabschnitts 11C verlaufen, nämlich den Mittelpunkt des Gewichts 11.
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Aufgrund solcher Formen wird das Gewicht 11 oszillierbar getragen an den Trägern 12A und 12B durch die Balken 13A, 13B, 13C und 13D. In diesem Fall ist das Gewicht 11 angeordnet, so dass der Schwerpunkt desselben mit dem obigen Mittelpunkt zusammenfällt und die Schwerkraft von dem Schwerpunkt in einer Richtung parallel zu der z-Achse angelegt wird.
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In der Struktur mit solch einer Form sind eine Mehrzahl der piezoresistiven Elemente 21A, 21B, 21C und 21D und die Verdrahtungselektrodenstruktur 22 gebildet, wie es in 3 gezeigt ist. Eine Mehrzahl der piezoresistiven Elemente 21A, 21B, 21C und 21D sind miteinander verbunden über die Verdrahtungselektrodenstruktur 22, um eine Wheatstone-Brücke zu bilden, wie es in 3 gezeigt ist. Externe Verbindungsanschlüsse der Wheatstone-Brücke sind an vorbestimmten Positionen in der Gehäusewand 14 über die Träger 12A und 12B (nicht gezeigt) gebildet.
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Genauer gesagt, das piezoresistive Element 21A ist nahe an einem Ende des Balkens 13A vorgesehen, das mit dem Träger 12A verbunden ist. Das piezoresistive Element 21A ist gebildet, um sich entlang der y-Achse zu strecken, nämlich um sich entlang der Verbindungsseite zwischen dem Balken 13A und dem Träger 12A um eine Länge zu erstrecken, die im Wesentlichen gleich ist wie diejenige der Verbindungsseite.
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Das piezoresistive Element 21B ist nahe einem Ende des Balkens 13B vorgesehen, der mit dem Träger 12A verbunden ist. Das piezoresistive Element 21B ist auch gebildet, um sich entlang der y-Achse zu erstrecken, nämlich um sich entlang der Verbindungsseite zwischen dem Balken 13B und dem Träger 12A um eine Länge zu erstrecken, die im Wesentlichen gleich ist wie diejenige der Verbindungsseite.
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Ferner ist das piezoresistive Element 21C nahe einem Ende des Balkens 13C vorgesehen, der mit dem Träger 12B verbunden ist. Das piezoresistive Element 21C ist auch gebildet, um sich entlang der y-Achse zu erstrecken, nämlich um sich entlang der Verbindungsseite zwischen dem Balken 13C und dem Träger 12B um eine Länge zu erstrecken, die im Wesentlichen gleich ist wie diejenige der Verbindungsseite.
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Ferner ist das piezoresistive Element 21D nahe einem Ende des Balkens 13D vorgesehen, der mit dem Träger 12B verbunden ist. Das piezoresistive Element 21D ist auch gebildet, um sich entlang der y-Achse zu erstrecken, nämlich um sich entlang der Verbindungsseite zwischen dem Balken 13D und dem Träger 12B um eine Länge zu erstrecken, die im Wesentlichen gleich ist wie diejenige der Verbindungsseite.
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Wenn derselbe wie oben beschrieben konfiguriert ist, kann der Dynamiksensor 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Kraft von außen erfassen, wie es nachfolgend beschrieben wird. 4 ist ein Diagramm, das ein Erfassungskonzept des Dynamiksensors 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel darstellt. 4(A) stellt einen Zustand von Belastungsauftreten dar, wenn eine Kraft einer x-Achsenverschiebung angelegt wird, und 4(B) ist ein Diagramm, das eine Eigenfrequenz für jede Richtung zeigt, in der eine Kraft angelegt wird. Es wird angemerkt, dass das Ergebnis in 4(B) ein Ergebnis ist in dem Fall, wo in Bezug auf die äußere Form des Gewichts 11 die Breite (Länge in der y-Achsenrichtung) auf 290 μm eingestellt ist, die Länge (Länge in der x-Achsenrichtung) auf 400 μm eingestellt ist, und die Dicke (Länge in der z-Achsenrichtung) auf 300 μm eingestellt ist, die Dicke jeden Balkens auf 5 μm eingestellt ist, und die Resonanzfrequenz (niedrigste Eigenfrequenz) auf 30 kHz eingestellt ist.
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Zunächst ist in dem Fall, wo keine Kraft von außen angelegt wird, beinahe keine Belastung an die Balken 13A, 13B, 13C und 13D angelegt. Selbst wenn Belastung daran angelegt ist, sind der Betrag und Modus der Belastung an den angeordneten Positionen der piezoresistiven Elemente 21A, 21B, 21C und 21D gleich, und somit sind die Widerstandswerte der piezoresistiven Elemente 21A, 21B, 21C und 21D im Wesentlichen die gleichen. Deswegen wird ein Gleichgewichtszustand der Wheatstone-Brücke beibehalten und es erscheint keine Erfassungsspannung.
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Als nächstes, wenn eine Kraft zum Verschieben bzw. Translatieren entlang der x-Achse angelegt wird, oszilliert das Gewicht 11 um die y-Achse als eine Referenzachse. Falls dies eine sehr kleine Oszillation ist, kann dies angenähert werden an eine Verschiebung bzw. Translation in der x-Achsenrichtung. Wenn das Gewicht 11 oszilliert (sich leicht bewegt) in der positiven x-Achsenrichtung wie oben beschrieben, tritt Belastung durch Kompression in einer Verbindungsendregion 31A des Balkens 13A zu dem Träger 12A, einer Verbindungsendregion 32B des Balkens 13B zu dem zweiten Teilgewicht 11B, einer Verbindungsendregion 31C des Balkens 13C zu dem Träger 12B und einer Verbindungsendregion 32D des Balkens 13D zu dem zweiten Teilgewicht 11B auf, wie es in 4(A) gezeigt ist. In der Zwischenzeit tritt Belastung durch Dehnung in einer Verbindungsendregion 32A des Balkens 13A zu dem ersten Teilgewicht 11A, einer Verbindungsendregion 31B des Balkens 13B zu dem Träger 12A, einer Verbindungsendregion 32C des Balkens 13C zu dem ersten Teilgewicht 11A und einer Verbindungsendregion 31D des Balkens 13D zu dem Träger 12B auf.
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Hier sind die piezoresistiven Elemente 21A, 21B, 21C und 21D jeweils in den Verbindungsendregionen 31A, 31B, 31C bzw. 31D gebildet, und die Widerstandswerte dieser Elemente ändern sich ansprechend auf die angelegte Belastung. Wenn das Gewicht 11 oszilliert und Belastung auftritt, ist der Gleichgewichtszustand der Wheatstone-Brücke verloren aufgrund einer Änderung der Widerstandswerte dieser Elemente, und eine Erfassungsspannung, die der Belastung entspricht, wird ausgegeben. Es wird angemerkt, dass, wenn das Gewicht 11 in der Negativrichtung der x-Achse oszilliert (sich leicht bewegt), aufgrund der Oszillation eine Erfassungsspannung, deren Vorzeichen umgekehrt ist zu dem der Erfassungsspannung ausgegeben wird. Aufgrund eines solchen Phänomens kann die Kraft, die in der x-Achsenrichtung angelegt wird, erfasst werden.
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Zu diesem Zeitpunkt ist bei der Struktur, wie sie oben beschrieben ist, die Eigenfrequenz durch die Kraft der x-Achsentranslation bzw. x-Achsenverschiebung sehr viel niedriger als die Eigenfrequenzen durch Kräfte in anderen Richtungen, wie es 4(B) gezeigt ist. Genauer gesagt, selbst die Eigenfrequenz der x-Achsenrotation, die die zweitniedrigste ist nach der Eigenfrequenz durch die Kraft der x-Achsenverschiebung ist, etwa zweimal diejenige der Eigenfrequenz durch die Kraft der x-Achsenverschiebung. Wenn eine solche Beziehung zwischen den Eigenfrequenzen hergestellt ist, kann im Wesentlichen nur die Kraft der x-Achsenverschiebung erfasst werden. Daher kann mit der oben beschriebenen Konfiguration ein Dynamiksensor vom einachsigen Typ realisiert werden.
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Zu diesem Zeitpunkt sind, wie es auch in 4(A) gezeigt ist, Regionen, an denen Belastung auftritt, keine sehr kleine Regionen nahe den Ecken an den vier Abschnitten, wo die Balken mit dem Gewicht und dem Träger verbunden sind, wie im Stand der Technik, und Regionen nahe den Verbindungsenden der Balken 13A, 13B, 13C und 13D, die mit dem Gewicht 11 und den Trägern 12A und 12B verbunden sind, nämlich breite Regionen entlang den Verbindungsseiten der Balken 13A, 13B, 13C und 13D zu dem Gewicht 11 und den Trägern 12A und 12B. Selbst wenn es eine Schwankung gibt bei der Bildung der piezoresistiven Elemente 21A, 21B, 21C und 21D werden daher die piezoresistiven Elemente 21A, 21B, 21C und 21D leicht durch Belastung beeinflusst. Deswegen können Belastung und ferner eine Kraft, die an das Gewicht 11 angelegt sind, zuverlässiger erfasst werden als im Stand der Technik.
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Obwohl dies nicht in den Zeichnungen gezeigt ist, wenn eine Kraft unter den gleichen Bedingungen experimentell an den Dynamiksensor 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels und den bestehenden Dynamiksensor 10P angelegt wird, tritt ferner bei dem Dynamiksensor 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Belastung auf, die dreimal größer ist als bei dem bestehenden Dynamiksensor 10P. Auch von einem solchen Ergebnis ist zu erkennen, dass der Dynamiksensor 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels Belastung zuverlässiger erfassen kann als der bestehende Dynamiksensor 10P.
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Wie es oben beschrieben ist, kann durch Verwenden der Konfiguration des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Dynamiksensor realisiert werden, der eine angelegte Kraft zuverlässiger erfassen kann. Wie es nachfolgend beschrieben ist, ist es in diesem Fall, beinahe unnötig, den Herstellungsprozess von dem Herstellungsprozess des bestehenden Dynamiksensors zu ändern, und ein Dynamiksensor mit höherer Erfassungsfähigkeit kann ohne die Verwendung eines komplizierten Herstellungsverfahrens realisiert werden.
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5 ist ein Diagramm zum Darstellen eines Verfahrens zum Herstellen des Dynamiksensors 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Bei dieser Zeichnung wird eine Formveränderung durch jeden Herstellungsprozess gezeigt unter Verwendung des oben beschriebenen in 2(C) gezeigten Seitenquerschnitts. Es wird angemerkt, dass eine Beschreibung folgt, bei der die Träger 12A und 12B darstellend als Träger 12 bezeichnet werden, die Balken 13A, 13B, 13C und 13D darstellend als Balken 13 bezeichnet werden und die piezoresistiven Elemente 21A, 21B, 21C und 21D darstellend als piezoresistives Element 21 bezeichnet werden.
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Zuerst wird, wie es in 5(A) gezeigt ist, ein SOI-Substrat 100 vorbereitet. Das SOI-Substrat 100 besteht aus einem N-Typ Siliziumsubstrat 101, einem Trägersiliziumsubstrat 102 und einer isolierenden Schicht 103, die dazwischen angeordnet ist und beispielsweise aus SiO2 oder SiN hergestellt ist. Ferner ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine isolierende Schicht 104 auf einer Vorderoberfläche des Siliziumsubstrats 101 gebildet. Hier fällt die Dicke des laminierten Siliziumsubstrats 101 und der isolierenden Schichten 103 und 104 wünschenswerterweise im Wesentlichen zusammen mit der Dicke des Balkens 13.
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An einer Position auf der Seite der Vorderoberfläche (isolierende Schicht 104) des Siliziumsubstrats 101 eines solchen SOI-Substrats 100, an der ein Seitenendabschnitt des Trägers 12 des Balkens 13 angeordnet werden soll, ist ein P-Typ-Dotiermittel ionenimplantiert, um einen Piezowiderstand (P+-Schicht) zu bilden, der das piezoresistive Element 21 sein soll. Ferner ist eine Niedrigwiderstandswertverdrahtungsregion (P++-Schicht), die die Verdrahtungselektrodenstruktur 22 werden soll, in einer vorbestimmten Struktur an einer Position geformt, die im Wesentlichen so tief ist wie eine Position des Piezowiderstands (P+-Schicht) in dem Siliziumsubstrat 101.
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Als nächstes, wie es in 5(B) gezeigt ist, wird Trockenätzen unter Verwendung eines Ätzgases, z. B. eines Fluortypgases (CF4, C4F8, SF6 usw.) oder eines Chlortypgases (Cl2) von der Rückoberflächenseite des SOI-Substrats 100 an einer Region auf dem Trägersiliziumsubstrat 102 durchgeführt, wobei die Region der Zwischenraum 15 werden soll. Wenn solches Trockenätzen durchgeführt wird, wird die isolierende Schicht 103 eine Stoppschicht, und die isolierende Materialschicht 103, das Siliziumsubstrat 101 und die isolierende Schicht 104 werden nicht geätzt. Aufgrund dieses Prozesses werden das Gewicht 11 und der Träger 12, die das Trägersiliziumsubstrat 102 als ein Teilmaterial umfassen, und ein anderer Abschnitt als die Gehäusewand 14, nämlich ein Abschnitt, der dem Balken 13 und dem Raum 15 entspricht, geformt, um von der Rückoberflächenseite ausgenommen zu sein.
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Als nächstes wird, wie es in 5(C) gezeigt ist, die Abdeckung 16 mit der Rückoberflächenseite des SOI-Substrats 100 verbunden, in dem die Ausdehnung gebildet ist. Die Abdeckung 16 ist geformt, so dass die Abdeckung 16 in Kontakt kommt mit dem Träger 12 und der Gehäusewand 14, aber zu diesem Zeitpunkt nicht mit dem Gewicht 11 an der Mitte der Ausnehmung in Kontakt kommt. Es wird angemerkt, dass das Material der Abdeckung 16 wünschenswerterweise das gleiche ist wie dasjenige des Trägersiliziumsubstrats 102.
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Als nächstes wird, wie es in 5(D) gezeigt ist, die Verdrahtungselektrodenstruktur 22 zum Bilden der oben beschriebenen Wheatstone-Brücke auf der Vorderoberfläche der isolierenden Schicht 104 gebildet, nämlich der Vorderoberfläche des SOI-Substrats 100. Obwohl es nicht gezeigt ist, ist die Verdrahtungselektrodenstruktur 22 gebildet, um mit der Niedrigwiderstandswertverdrahtungsregion des Siliziumsubstrats 101 verbunden zu sein.
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Als nächstes, wie es in 5(E) gezeigt ist, werden die isolierende Schicht 104, das Siliziumsubstrat 101 und die isolierende Schicht 103 entfernt, indem dieselben trocken geätzt werden von der Vorderoberflächenseite des SOI-Substrats 100, so dass das Gewicht 11, der Träger 12, der Balken 13 und die Gehäusewand 14 verbleiben. Aufgrund dieses Prozesses wird eine Struktur realisiert, bei der das Gewicht 11 oszillierbar getragen wird durch den Balken 13 und den Träger 12 in dem Raum 15 in der Gehäusewand 14. Es wird angemerkt, dass eine obere Abdeckung nachfolgend auf der Vorderoberflächenseite vorgesehen sein kann.
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Es wird angemerkt, dass die oben beschriebene Form eine Struktur anzeigt zum Erfassen einer Kraft einer x-Achsenverschiebung und ein erstes Teilgewicht 11W und ein zweites Teilgewicht 11L können in der Form und Gewicht unterschiedlich gemacht werden, wie es in 6 gezeigt ist. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Struktur eines Dynamiksensors 10A mit einer anderen Konfiguration des vorliegenden Ausführungsbeispiels zeigt.
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Wenn, wie es in 6 gezeigt ist, das erste Teilgewicht 11W und das zweite Teilgewicht 11L, die durch die Träger 12A und 12B und die Balken 13A, 13B, 13C und 13D getragen werden, im Gewicht unterschiedlich zueinander sind, wird die Mitte des Schwerpunkts eines Gewichts 11' von der Mitte der angeordneten Positionen der Balken 13A, 13B, 13C und 13D verschoben. Wenn die Mittelposition und der Schwerpunkt voneinander verschoben werden wie es oben beschrieben ist, verschiebt sich eine Erfassungsrichtung. Wenn beispielsweise das erste Teilgewicht 11W und das zweite Teilgewicht 11L eine Beziehung wie in 6 haben, wird eine Richtung, die um einen vorbestimmten Winkel von der x-Achsenrichtung zu der z-Achsenrichtung hin drehbar verschoben ist, eine Erfassungsrichtung. Daher kann durch Ändern der Formen des ersten Teilgewichts 11W und des zweiten Teilgewichts 11L die Erfassungsrichtung ohne Weiteres geändert werden. Anders ausgedrückt, selbst wenn die äußere Form und der befestigte Zustand gleich sind, kann ein Dynamiksensor mit einer anderen Richtung realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10A
- Dynamiksensor
- 11, 11'
- Gewicht
- 11A, 11W
- erstes Teilgewicht
- 11B, 11L
- zweites Teilgewicht
- 11C
- Brückenabschnitt
- 12A, 12B
- Träger
- 13A, 13B, 13C, 13D
- Balken
- 14
- Gehäusewand
- 15
- Zwischenraum
- 16
- Abdeckung
- 21A, 21B, 21C, 21D
- piezoresistives Element
- 22
- Verdrahtungselektrodenstruktur
- 31A, 31B, 31C 31D, 32A, 32B, 32C, 32D
- Verbindungsendregion
