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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Sensor für dynamische
Größen, der
eine bewegliche und eine feste Elektrode aufweist, um eine, basierend
auf der Änderung
der Kapazität
zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode, darauf
beaufschlagte dynamische Größe zu erfassen.
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JP-A-11-326365 schlägt einen
kapazitiven Sensor für
dynamische Größen vor.
Der Sensor für dynamische
Größen weist
einen Verschiebungsabschnitt (Federabschnitt) auf, der mit einem
Unterstützungssubstrat
(Halbleitersubstrat) verbunden ist, eine bewegliche Elektrode, die
mit dem Verschiebungsbereich verbunden ist, um zusammen mit dem Verschiebungsbereich
bewegt zu werden, und eine feste Elektrode, die gegenüberliegend
der beweglichen Elektrode vorgesehen ist.
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Der
Verschiebungsabschnitt ist aus einem ersten Balken, der mit dem
Unterstützungssubstrat verbunden
ist und vom Unterstützungssubstrat
in ihrem Mittelteil unterstützt
wird, einem zweiten Balken, der getrennt von und parallel zu dem
ersten Balken vorgesehen ist und Verbindungsteile, welche die Enden
der ersten und der zweiten Balken verbinden, wobei eine Rahmenform
ausgebildet wird. Die bewegliche Elektrode ist mit dem Mittelteil
des zweiten Balkens verbunden, und ist zusammen mit dem zweiten
Balken verschiebbar.
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Das
Unterstützungssubstrat
ist mit Kontaktstellen ausgebildet, die elektrisch mit der beweglichen
Elektrode und der festen Elektrode verbunden sind. Im allgemeinen werden
die Kontaktstellen mit einer externen Schaltung mittels Drahtbonden
verbunden.
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Wenn
zum Beispiel eine dynamische Größe, wie
zum Beispiel Beschleunigung, auf den Sensor für dynamische Größen beaufschlagt
wird, führen
die ersten und zweiten Balken des Verschiebungsabschnitts eine Erfassungsschwingung
mit dem Verbindungsbereich als eingespanntes Ende aus, die sich senkrecht
auf die Längsrichtung
der Balken erstreckt. Die bewegliche Elektrode wird dann entsprechend der
Erfassungsschwingung verschoben, um die Kapazität zwischen der beweglichen
Elektrode und der festen Elektrode zu ändern. Die dynamische Größe wird
basierend auf dieser Änderung
der Kapazität
erfaßt.
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Aber
entsprechend der Studien und Experimente der Erfinder kommt ans
Tageslicht, daß der herkömmliche,
oben beschriebene Sensor für
dynamische Größen folgendes
Problem aufweist. Wenn nämlich
das Drahtbonden an den Kontaktstellen durchgeführt wird, ist mit dem Drahtbonden
Schwingung verbunden, so daß die
Schwingung auf den Verschiebungsabschnitt übertragen wird. Wenn die Frequenz
des Drahtbondens mit der Eigenfrequenz der Balken des Verschiebungsabschnitts
zusammenfällt,
können
die Balken des Verschiebungsabschnitts in Resonanz geraten, so daß das Verbindungsteil
gegen dessen Außenabschnitt
schlägt.
Das kann zu einer Beschädigung
des Verschiebungsabschnitts führen.
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Um
dieses Problem zu lösen,
ist es denkbar, daß die
Eigenfrequenz der ersten und zweiten Balken kontrolliert wird, um
nicht mit der Frequenz der Schwingung des Drahtbondens zusammenzufallen. Aber
in diesem Fall würde
auch die Schwingungscharakteristik des Verschiebungsabschnitts zur
Erfassung der dynamischen Größen bei
der eigentlichen Verwendung abgeändert
werden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts des obigen Problems gemacht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verschiebungsabschnitt
eines kapazitiven Sensors für
dynamische Größen vor
der Beschädigung
durch das Drahtbonden zu bewahren, und gleichzeitig die Schwingungscharakteristik
des Verschiebungsabschnitts zur Erfassung dynamischer Größen sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen 1 und 6 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verschiebungsabschnitt eines kapazitiven Sensors für dynamische
Größen zusammengesetzt
aus, einem ersten Balken, der mit einem Unterstützungssubstrat verbunden ist,
einem zweiten Balken, der getrennt von und parallel zu dem ersten
Balken vorgesehen ist und ferner mit der beweglichen Elektrode verbunden
ist, und einem Balkenverbindungsteil, das die ersten und zweiten
Balken an deren Enden verbindet. Die ersten und zweiten Balken führen Erfassungsschwingungen
aus, wobei das Balkenverbindungsteil als eingespanntes Ende in senkrechter Richtung
auf eine Längsrichtung
des Verschiebungsabschnitts fungiert, wenn eine dynamische Größe auf den
Verschiebungsabschnitt beaufschlagt wird. Die ersten und zweiten
Balken können
ferner eine Biegeschwingung ausführen,
um sich in die gleiche Richtung zu biegen, wobei das Balkenverbindungsteil
als freies Ende fungiert. Die Form des Balkenverbindungsteils wird
so angepaßt,
daß die
Eigenfrequenz des Verschiebungsabschnitts sich bei der Biegeschwingung
von der Frequenz der Schwingung unterscheidet, die durch Drahtbonden
auf den Verschiebungsabschnitt übertragen
wird.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf dem Ergebnis, daß der Verschiebungsabschnitt
bei der eigentlichen Anwendung zur Erfassung dynamischer Größen und
beim Drahtbonden unterschiedliche Schwingungen ausführt (Erfassungsschwingung
und Biegeschwingung). Die Formanpassung des Balkenverbindungsteils
beeinflußt
die ersten und zweiten Balken kaum, welche die Schwingungscharakteristik zur
Erfassung der dynamischen Größe maßgeblich bestimmen.
Daher kann verhindert werden, daß der Verschiebungsabschnitt
durch das Drahtbonden beschädigt
wird, und zugleich die Schwingungscharakteristik zur Erfassung sichergestellt
werden.
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Andere
Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch ein
besseres Verständnis
der bevorzugten Ausführungsformen
leicht klar, die unten mit Bezug auf die folgende Zeichnung beschrieben
werden, wobei;
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1 eine
Draufsicht ist, die einen Halbleiterbeschleunigungssensor gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine
Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1 ist;
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3 eine
vergrößerte Ansicht,
welche die Umgebung des Verschiebungsabschnittes in 1 zeigt,
ist;
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4A und 4B erläuternde
Ansichten sind, um die Schwingungsarten des Verschiebungsabschnitts
zu erläutern;
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5 ein
Schaltplan ist, der eine Erfassungsschaltung des Halbleiterbeschleunigungssensors,
wie in 1 gezeigt, darstellt; und
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6 eine
Zeittafel mit Bezug auf die Erfassungsschaltung ist, die in 5 gezeigt
ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unten mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In
der Ausführungsform
wird die vorliegende Erfindung auf einen Differentialkapazitätshalbleiterbeschleunigungssensor 100 angewendet,
der in 1 und 2 als kapazitiver Sensor für dynamische
Größen angepaßt, gezeigt
ist. Der Halbleiterbeschleunigungssensor 100 ist zum Beispiel
anwendbar auf einen Beschleunigungssensor und einen Kreiselsensor
für Fahrzeuge,
um den Betrieb von Airbag, ABS, VSC-Systemen (Vehicle Stability
Control) und ähnlichem
zu regeln.
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Bezugnehmend
auf 1 und 2 wird der Sensor 100 durch
die Ausführung
von Mikromaschinenbearbeitungen ausgebildet. Das Halbleitersubstrat,
das den Sensor 100 bildet, wie in 2 gezeigt,
ist ein SOI-Substrat (Unterstützungssubstrat) 10,
das aus einem ersten Siliziumsubstrat 11 als erste Halbleiterschicht
und einem zweiten Siliziumsubstrat 12 als zweite Halbleiterschicht
zusammengesetzt ist. Ferner ist eine Oxidschicht 13 als
Isolationsschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Siliziumsubstrat 11 und 12 eingefügt.
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Eine
bewegliche Elektrode 20 als beweglicher Abschnitt und feste
Elektroden 31 und 32, die der beweglichen Elektrode 20 über Nuten 14 gegenüberstehen,
sind auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 vorgesehen. Ein
rechteckiger Öffnungsabschnitt 13a wird
in der Oxidschicht 13 durch Opferndes Schichtätzen in
einem Bereich entsprechend der Balkenstruktur 20, 31, 32 ausgebildet.
Die bewegliche Elektrode 20 ist gegenüber des Öffnungsabschnitts 13a vorgesehen
und weist einen rechteckigen Gewichtskraftabschnitt 21 auf,
deren beiden Enden vollständig mit
Ankerabschnitten 23 über
die Verschiebungsabschnitte 22 verbunden sind. Beide Ankerabschnitte 23 sind
an den Kanten des Öffnungsabschnitts 13a der Oxidschicht 13 befestigt
und werden von dem ersten Siliziumsubstrat 11 unterstützt. Somit
stehen der Gewichtskraftabschnitt 21 und der Verschiebungsabschnitt 22 dem Öffnungsabschnitt 13a gegenüber.
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht,
welche die Umgebung von einer der Verschiebungsabschnitte 22 in 1 zeigt.
Jeder Verschiebungsabschnitt 22 hat eine rechteckige Rahmenform
und ist aus ersten und zweiten Balken 221 und 222 zusammengesetzt,
die voneinander getrennt und parallel zueinander angeordnet sind
und identisch in Größe und Form sind.
Der Verschiebungsabschnitt 22 weist ferner Verbindungsteile 223 auf,
welche die ersten und zweiten Balken 221 und 222 an
deren beiden Enden verbinden. Der erste Balken 221 ist
verbunden mit und unterstützt
vom SOI-Substrat (Unterstützungssubstrat) 10 an
einem Mittelteil in dessen Längsrichtung.
Der zweite Balken 222 ist mit dem Gewichtskraftabschnitt 21 der
beweglichen Elektrode 20 an einem Mittelteil in dessen
Längsrichtung
verbunden.
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Der
Verschiebungsbereich 22 weist eine Federfunktion auf, um
eine Verschiebung in Y-Richtung zu ermöglichen, dargestellt durch
die Pfeile Y in 1 und 3 senkrecht
auf die Längsrichtung
der Balken 221 und 222. Besonders wenn der Sensor 100 eine
Beschleunigung aufnimmt, die eine Komponente in Richtung Y einschließt, wie
in 4A schematisch dargestellt, schwingen (oszillieren)
die ersten und zweiten Balken 221 und 222 mit
dem Balkenverbindungsteil 223 als eingespanntes Ende, so
daß sie
sich aneinander anzunähern
und voneinander entfernen (Erfassungsschwingungsart). Daher kann der
Gewichtskraftabschnitt 21 in der Erfassungsschwingungsart
als Antwort auf die Beaufschlagung einer Beschleunigung verschoben
werden.
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Ferner
werden eine Vielzahl von Elektrodenbauteilen 24 vollständig mit
beiden Seiten des Gewichtskraftsabschnitts 21 parallel
zur Richtung Y ausgebildet. Die Elektrodenbauteile 24 stehen
von den jeweiligen Seiten senkrecht zur Richtung Y in einander entgegengesetzten
Richtungen hervor und bilden eine kammähnliche Form an den jeweiligen Enden.
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Die
festen Elektroden 31 und 32 sind vorgesehen, um
mit den kammähnlich
geformten Elektrodenbauteilen 24 wie Zähne an beiden Seiten des Gewichtskraftsabschnitts 21 in
Eingriff zu stehen. Die festen Elektroden 31 und 32 werden
von dem ersten Siliziumsubstrat 11 über die Oxidschicht 13 an
den Kanten des Öffnungsabschnitts 13a unterstützt.
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Insbesondere
hat jede der festen Elektroden 31 und 32 eine
Vielzahl von Elektrodenbauteilen (vier in der Figur), jede dieser
weist eine Stangen-(Balken-)-form mit rechteckigem Querschnitt auf
und ist von dem ersten Siliziumsubstrat 11 einseitig eingespannt,
um dem Öffnungsabschnitt 13a gegenüberzustehen.
Jedes Elektrodenbauteil der festen Elektroden 31 und 32 ist
mit einem Profil gegenüberliegend
eines entsprechenden der Elektrodenbauteile mit einem vorbestimmten
Abstand (Erfassungsabstand) 40 angeordnet. Die Elektrodenbauteile
der festen Elektroden 31 und 32 sind parallel
zu den Elektrodenbauteilen 24 der beweglichen Elektrode 20 vorgesehen.
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Nachstehend
wird bei den festen Elektroden 31 und 32 die Elektrode
auf der linken Seite in 1 erste feste Elektrode 31 genannt
und die rechte Elektrode in 1 zweite
feste Elektrode 32 genannt. Die ersten und zweiten festen
Elektroden 31 und 32 sind voneinander elektrisch
unabhängig
und stehen jeweils elektrisch mit den Verdrahtungsabschnitten 31a und 32a miteinander
in Verbindung, die auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 ausgebildet
sind.
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Die
festen Elektrodenkontaktstellen 31b und 32b sind
jeweils an vorbestimmten Bereichen der Verdrahtungsabschnitte 31a und 32a zum
Drahtbonden vorgesehen. Auf der anderen Seite ist ein beweglicher
Elektrodenverdrahtungsabschnitt 25 in einem Zustand vorgesehen,
in welchem er vollständig mit
einem der Ankerbereiche 23 verbunden ist, und eine bewegliche
Elektrodenkontaktstelle 25a ist in einem vorbestimmten
Bereich des Verdrahtungsabschnitts 25 zum Drahtbonden vorgesehen.
Die bewegliche Elektrode 20 und die festen Elektroden 31 und 32 sind
elektrisch mit Außerhalb über diese
Kontaktstellen 25a, 31b und 32b verbunden.
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In 1 sind
die jeweiligen Kontaktstellen 25a, 31b, 32b voneinander
elektrisch unabhängig. Ferner
sind die Elektrodenkontaktstellen 33a und 33b auf
dem zweiten Siliziumsubstrat 12 vorgesehen. Die Elektrodenkontaktstellen 33a und 33b halten
das zweite Siliziumsubstrat 12 in der Peripherie des Verschiebungsabschnitts 22,
der ein gegebenes elektrisches Potential aufweist und dadurch verhindert,
daß ein
unnötiges
Signal während
des Betriebs des Sensors 100 an die bewegliche Elektrode 20 angelegt
wird. Die jeweiligen Elektrodenkontaktstellen 25a, 31b, 32b, 33a, 33b werden
zum Beispiel aus Aluminium hergestellt.
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Der
Gewichtskraftabschnitt 21, die Elektrodenbauteile 24 und
die festen Elektroden 31 und 32 weisen eine Vielzahl
von rechteckigen Durchgangslöchern 50 auf,
die von der Seite des Öffnungsabschnitts 31 bis
zu der ihr gegenüberliegenden
Seite durchdringen, so daß eine
Starrahmenstruktur aus den Durchgangslöchern 50 erreicht
wird, die als eine Verbindung einer Vielzahl rechteckiger Rahmenteile vorgesehen
ist. Entsprechend werden die bewegliche Elektrode 20 und
die festen Elektroden 31 und 32 leichter gemacht
und die Torsionsstabilität
wird verbessert.
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Wie
auch in 2 gezeigt wird, wird die Rückfläche des
ersten Siliziumsubstrats 11 (die Fläche auf der gegenüberliegenden
Seite der Oxidschicht 13) an das Gehäuse 70 mit Klebstoff 60 geklebt.
Eine Schaltungseinheit (Erfassungsschaltung) 80, wie unten
beschrieben, ist in dem Gehäuse 70 untergebracht.
Die Schaltungseinheit 80 ist elektrisch mit den jeweiligen
Elektrodenkontaktstellen 25a, 31b, 32b, 33a, 33b mittels
Drahtbonden verbunden, wobei Drähte
(nicht dargestellt) aus Gold oder Aluminium verwendet werden.
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In
der oben beschriebenen Struktur ist eine erste Kapazität (CS1)
im Erfassungsabstand 40 vorgesehen, der zwischen der ersten
festen Elektrode 31 und den Elektrodenbauteilen 24 definiert
ist, und es ist eine zweite Kapazität (CS2) im Erfassungsabstand 40 zwischen
der zweiten festen Elektrode 32 und den Elektrodenbauteilen 24 vorgesehen.
Auf den Erhalt einer Beschleunigung schwingt die bewegliche Elektrode 20 in
der Erfassungsschwingungsart und wird als Ganzes in Richtung Y verschoben.
Zu dieser Zeit verändert
sich der Erfassungsabstand 40 entsprechend der Verschiebung
der beweglichen Elektrode 20, um die Kapazitäten CS1
und CS2 zu verändern.
Dann erfaßt
die Erfassungsschaltung 80 die Beschleunigung, die auf
der Differentialkapazität (CS1–CS2) basiert,
die durch die Elektrodenbauteile 24 und die festen Elektroden 31 und 32 verursacht wird.
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5 zeigt
das Schaltschema der Erfassungsschaltung 80 des vorliegenden
Sensors 100. Die Erfassungsschaltung 80 weist
eine geschaltete Kapazitätsschaltung
(SC-Schaltung) 81 auf. Die SC-Schaltung 81 ist
aus einer Kapazität 82,
die eine Kapazität
Cf aufweist, einem Schalter 83 und einem Differenzverstärker 84 zusammengesetzt
und wandelt eine Differenz der Kapazität (CS1–CS2) in eine Spannung um.
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Im übrigen stellen
CP1, CP2 und CP3 jeweils störende
Kapazitäten
dar. CP1 ist eine Kapazität
zwischen dem Verdrahtungsabschnitt 31a der ersten festen
Elektrode 31 und dem ersten Siliziumsubstrat 11,
CP2 ist eine Kapazität
zwischen dem Verdrahtungsabschnitt 32a der zweiten festen
Elektrode 32 und dem ersten Siliziumsubstrat 11 und
CP3 ist eine Kapazität
zwischen dem Verdrahtungsabschnitt 25 der beweglichen Elektroden 24 und
dem ersten Siliziumsubstrat 11.
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6 zeigt
als Beispiel eine Zeittafel mit Bezug auf die Erfassungsschaltung 80.
In dem Sensor 100 wird zum Beispiel die Trägerwelle
1 (Frequenz: 100 kHz, Amplitude: 0–5 V) über die feste Elektrodenkontaktstelle 31b zugeführt, während die
Trägerwelle
2 (Frequenz: 100 kHz, Amplitude: 0–5 V), die gegenüber der
Trägerwelle
1 mit 180° phasenverschoben
ist, über
die feste Elektrodenkontaktstelle 32b zugeführt wird.
Dann wird der Schalter 83 des SC-Schaltkreises 81 zu
den in der Zeittafel gezeigten Zeitpunkten geöffnet und geschlossen. Die
beaufschlagte Beschleunigung wird dann als Spannung V0 ausgegeben,
beschrieben durch Formel (1): V0 = {(CS1 – CS2) + (CP1 – CP2)·CP3}·V/Cf (1)
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In
der Formel (1) ist V die Differenz der Spannung zwischen der Kontaktstelle 31b und 32b.
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Der
oben beschriebene Sensor 100 wird mittels Drahtbonden der
oben beschriebenen Schaltungseinheit 80 an die jeweiligen
Kontaktstellen 25a, 31b, 32b, 33a und 33b hergestellt,
nachdem die Balkenstruktur 20, 31 und 32 auf dem
SOI-Substrat 10 ausgebildet ist, indem bekannte Halbleiterherstellungstechniken
verwendet werden.
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Wenn
das Drahtbonden durchgeführt
wird, werden Schwingungen des Drahtbondens auf den Verschiebungsabschnitt 22 übertragen.
In der vorliegenden Ausführungsform
wird die Form des Balkenverbindungsteils 223 angepaßt, so daß die Eigenfrequenz
der Balken 221 und 222 des Verschiebungsabschnitts 22 sich
von den Schwingungen des Drahtbondens unterscheidet, um den Verschiebungsbereich 22 dahingehend
zu beschränken,
daß keine
Beschädigungen
während
des Drahtbondens durch das Schlagen gegen den peripheren Abschnitt,
der dem Verschiebungsabschnitt 22 über die Nut 14 gegenübersteht,
entstehen.
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Im
Besonderen wurde als Ergebnis von Studien und Experimenten entdeckt,
daß die
Schwingungsart des Verschiebungsabschnitts 22 sich bei der
eigentlichen Anwendung (Schwingungserfassung) von der Schwingungsart
beim Drahtbonden unterscheidet. Bei der eigentlichen Anwendung schwingt
der Verschiebungsabschnitt 22 mit dem Balkenverbindungsteil 223 als
eingespanntes Ende, so daß die
ersten und zweiten Balken 221 und 222 sich aneinander
annähern
und voneinander entfernen (siehe 4A, Erfassungsschwingungsart).
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Andererseits
führt beim
Drahtbonden, wie in 4B gezeigt, der Verschiebungsabschnitt 22 eine Biegeschwingung
aus, bei der sich die ersten und zweiten Balken 221 und 222 in
die gleiche Richtung biegen, mit dem Balkenverbindungsteil 223 als
freies Ende und dem Verbindungsteil zwischen dem ersten Balken 221 und
dem Ankerabschnitt 23 (Verbindungsteil mit dem Unterstützungssubstrat)
und einem Verbindungsteil zwischen dem zweiten Balken 222 und
dem Gewichtskraftabschnitt 21 (Verbin dungsteil mit der
beweglichen Elektrode) als eingespanntes Ende. Das wird Biegeschwingungsart
genannt.
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Wenn
bei diesen zwei Schwingungsarten die Federkonstante der Balken 221 und 222 K
ist, und die Masse des Schwingungskörpers M ist, ist die Eigenfrequenz
der Balken 221 und 222, die den Verschiebungsabschnitt 22 bilden,
mit (K/M)1/2 festgelegt. Ferner werden die
Federkonstanten K1 und K2 der
ersten und zweiten Balken 221 und 222 bei der Erfassungsschwingungsart
und der Biegeschwingungsart durch die folgenden Formeln (2) und
(3) beschrieben: K1 =
(2·E·h·W1 3)/L1 3 (2) K2 = (E·h·W1 3)/4·(L1 + L2 3) (3)
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In
den Formeln (2) und (3), mit Bezug auf 3, ist L1 jede Länge
der Balken 221 und 222 in deren Längsrichtung,
W1 ist jede Breite der Balken 221 und 222,
und L2 ist eine Länge des Balkenverbindungsteils 223.
Ferner ist h jede Dicke der Balken 221 und 222 (annähernd die
gleiche als die des Balkenverbindungsteils 223) und E ist
das Elastizitätsmodul
der Balken 221 und 222.
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Im
Verschiebungsabschnitt des kapazitiven dynamische Größen Sensors
ist wegen der Länge
L2 des Balkenverbindungsteils, die kleiner
ist als die Länge
L1 jedes Balkens, die Federkonstante K2 bei der Biegeschwingungsart kleiner als
die Federkonstante K1 bei der Erfassungsschwingungsart
entsprechend der Formeln (2), (3) (ungefähr ein Zehntel).
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Ebenso
wird bei der Erfassungsschwingungsart die Masse M des Schwingungskörpers nicht
nur von dem Verschiebungsabschnitt 22 abgeleitet, sondern
auch von der beweglichen Elektrode 20, die wesentlich schwerer
als der Verschiebungsabschnitt 22 ist. Im Gegensatz dazu
wird bei der Biegeschwingungsart die Masse M im wesentlichen nur von
dem Verschiebungsabschnitt 22 abgeleitet. Daher bestimmen
nicht die unterschiedliche Federkonstante K, sondern die unterschiedliche
Masse M des Schwingungskörpers
maßgeblich
die unterschiedliche Eigenfrequenz der Balken in sowohl der Erfassungsschwingungsart
als auch der Biegeschwingungsart.
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Aus
diesem Grund ist die Eigenfrequenz ω1 der
Balken bei der Biegeschwingungsart größer als die Eigenfrequenz ω2 der Balken bei der Erfassungsschwingung
(ungefähr
zehnmal so groß).
Zum Beispiel ist die Eigenfrequenz ω1 im
Bereich von 0 bis ungefähr
10 kHz und die Eigenfrequenz ω2 ist größer als
mehrere Dutzend kHz. Ob daher zum Beispiel die Frequenz mit der
hohen Frequenz (60 kHz oder 120 kHz) des Drahtbondens zusammenfällt, hängt von der
Eigenfrequenz (ω2 der Balken bei der Biegeschwingungsart
ab.
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Angesichts
dieser Punkte wird in der vorliegenden Ausführungsform die Eigenfrequenz ω2 bei der Biegeschwingung anders ausgelegt
als die Frequenz, die beim Drahtbonden beaufschlagt wird, und der
Verschiebungsabschnitt 22 ist so konstruiert, daß er nicht
während
des Drahtbondens in Resonanz gerät,
so daß die
Erfassungscharakteristik beim Erfassungsschwingen während der
eigentlichen Anwendung sichergestellt werden kann.
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Das
heißt,
entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wird die Form des
Balkenverbindungsteils 223 kontrolliert, so daß die Eigenfrequenz ω2 bei der Biegeschwingung sich von der Frequenz unterscheidet,
die beim Drahtbonden beaufschlagt wird. Weil dies durch einfaches
Anpassen der Form des Balkenverbindungsteils 223 erreicht
wird, das als eingespanntes Ende bei der Erfassungsschwingung dient
(eigentliche Anwendung), beeinflußt diese Formanpassung des
Balkenverbindungsteils 223 kaum die ersten und zweiten
Balken 221 und 222, die hauptsächlich die Erfassungsschwingungscharakteristik
maßgeblich
bestimmen. Als Ergebnis kann die Schwingungscharakteristik wunschgemäß während der
eigentlichen Anwendung des Verschiebungsabschnitts 22 an
den Tag gelegt werden.
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Ferner
kann verhindert werden, daß der
Verschiebungsabschnitt 22 bei der Biegeschwingungsart aufgrund
der Schwingung beim Drahtbonden in Resonanz gerät, weil die Eigenfrequenz ω2 des Verschiebungsabschnitts 22 beim
Biegeschwingen sich von der Frequenz unterscheidet, die beim Drahtbonden
beaufschlagt wird, und es kann verhindert werden, daß das Balkenverbindungsteil 223 gegen
dessen peripheren Abschnitt schlägt.
Daher kann verhindert werden, daß der Verschiebungsbereich 22 beim Drahtbonden
beschädigt
wird, während
die Schwingungscharakteristik des Verschiebungsabschnitts 22 während der
eigentlichen Anwendung an den Tag gelegt werden kann.
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Wenn
die Frequenz, die beim Drahtbonden beaufschlagt wird, mit ω0 bezeichnet wird, liegt die Eigenfrequenz ω2 des Verschiebungsabschnitts 22 bei der
Biegeschwingung vorzugsweise in einem Bereich, der durch die Beziehung ω2 ≤ (2-21/2)ω0 und 21/2 ω0 ≤ ω2 festgelegt wird. Das ist darauf zurückzuführen, daß es auf
dem Gebiet der Schwingungen üblich ist,
daß die
Eigenschwingung ω eines
Schwingkörpers
so gesetzt wird, daß sie
gleich oder kleiner als (2-21/2)ω, und gleich
oder größer als
21/2ω ist,
um zu verhindern, daß der
Schwingungskörper
durch die Eigenfrequenz ω in
Resonanz kommt.
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Im
besonderen kann die Formeinstellung des Balkenverbindungsteils 223 erreicht
werden, indem mindestens eine der Längen L2 des
Balkenverbindungsteils 223 in Längsrichtung des Verschiebungsabschnitts 22 und
des Gewichts des Balkenverbindungsteils 223 gesteuert wird. Entsprechend kann
die Länge
L1 + L2, die eine
Länge zwischen
dem eingespannten Ende und dem freien Ende ist, bei der Biegeschwingung
ohne eine Veränderung
der Länge L1 der ersten und zweiten Balken 221 und 222 kontrolliert
werden. Daher kann die Eigenfrequenz ω2 bei der
Biegeschwingung einfach kontrolliert werden, ohne die Eigenfrequenz ω1 bei der Erfassungsschwingung zu verändern, so
daß die
Schwingungscharakteristik des Verschiebungsabschnitts 22 während der
eigentlichen Anwendung sichergestellt werden kann. Zum Beispiel
vergrößert die
Vergrößerung der
Länge L2 des Balkenverbindungsteils 223 die
Gesamtlänge
L1 + L2 des Verschiebungsabschnitts 22 und
verringert die Eigenfrequenz ω2 bei der Biegeschwingungsart.
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Im
Sensor 100 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform
sind die Kenngrößen des
Verschiebungsabschnitts 22 zum Beispiel wie folgt. Bezüglich der
ersten und zweiten Balken 221 und 222 ist das
Elastizitätsmodul
E ungefähr
1,7·1011 Pa, die Dicke h ist ungefähr 15 μm, die Breite
W1 ist ungefähr 4 μm, und die Länge L1 ist
ungefähr
290 μm.
Ferner ist die Länge
L2 des Balkenverbindungsteils ungefähr 18 μm.
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Ebenso
kann das Balkenverbindungsteil 223 im Sensor 100 optional
Durchgangslöcher 224 aufweisen,
die durch teilweises Entfernen des Balkenverbindungsteils 23 ausgebildet
werden. Die Durchgangslöcher 224 durchdringen
das zweite Siliziumsubstrat 12 in Richtung ihrer Dicke ähnlich der
Durchgangslöcher 225,
und die Anzahl der Durchgangslöcher 224 ist
zwei für
jedes Balkenverbindungsteil 223 in den Figuren. Der Grund
für das
Vorsehen von Durchgangslöchern 224 wird
nachstehend erläutert.
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Bei
der Biegeschwingung des Verschiebungsabschnitts 22 beeinflußt das Gewicht
des Balkenverbindungsteils 223, das als freies Ende fungiert,
kaum die Schwingung bei ei ner relativ hohen Frequenz (zum Beispiel
ungefähr
100 kHz); jedoch beeinflußt
das Gewicht die Schwingung in einem Fall, in welchem die Schwingung
eine relativ niedrige Frequenz aufweist (zum Beispiel ungefähr 50 kHz).
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Im
letzteren Fall gilt, je schwerer das Balkenverbindungsteil 223 ist,
desto größer ist
die Amplitude der Biegeschwingung. Daher besteht die Möglichkeit,
daß das
Balkenverbindungsteil 223 gegen den Außenabschnitt schlägt, der
dem Teil 223 über
die Nut 14 gegenübersteht,
wenn die Amplitude übermäßig groß wird.
Um dem entgegen zu wirken, kann das Balkenverbindungsteil 223 leichter
gemacht werden, wenn die Durchgangslöcher 224 im Balkenverbindungsteil 223 ausgebildet
sind, so daß das
obengenannte Problem vermieden werden kann.
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Zusätzlich sind
die ersten und zweiten Balken 221 und 222 durch
mindestens zwei (drei in der Figur) Stäbe (Balken) verbunden, wenn
das Balkenverbindungsteil 223 mindestens ein (zwei in der
Figur) Durchgangsloch 224 aufweist. Infolgedessen wird
die Starrheit des Balkenverbindungsteils 223 erhöht, im Vergleich
zu dem Fall, daß die
Balken 221 und 222 mit nur einem Balken verbunden
sind (wenn es kein Durchgangsloch 224 gibt).
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Bei
der eigentlichen Anwendung wirkt immer Belastung auf das Balkenverbindungsteil 223,
das als eingespanntes Ende fungiert. Wenn daher die Starrheit des
Balkenverbindungsteils 223 nicht ausreichend ist, kann
das Balkenverbindungsteil 223 in einer von der Richtung
Y abgeänderten
Richtung deformiert werden (Empfindlichkeitsachsenrichtung), und
die Empfindlichkeit kann einfach in der abgeänderten Richtung entstehen
(eine andere Achsenempfindlichkeit). Daher ist es vorzuziehen, daß die Starrheit
des Balkenverbindungsteils wie in der vorliegenden Ausführungsform
erhöht
wird.
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Die
vorliegende Ausführungsform
ist nicht auf den Halbleiterbeschleunigungssensor 100 wie oben
beschrieben begrenzt, sondern kann auf verschiedene Sensoren für dynamische
Größen angewendet
werden, wie zum Beispiel Drucksensoren und Giergeschwindigkeitssensoren,
vorausgesetzt, daß der
Sensor eine dynamische Größe, basierend auf
der Änderung
der Kapazität
zwischen einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode,
erfaßt
und der Sensor einen rechteckig geformten Verschiebungsabschnitt
aufweist, der zwei Balken beinhaltet, die durch ein Balkenverbindungsteil
verbunden sind, um die bewegliche Elektrode zu verschieben.
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Während die
vorliegende Erfindung mit Bezug auf die vorhergehende bevorzugte
Ausführungsform
gezeigt und beschrieben wurde, wird es für den Fachmann offenkundig
sein, daß Veränderungen
in Form und Detail gemacht werden können, ohne daß vom Bereich
der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abgewichen
wird.