DE10151376A1 - Dynamischer Halbleitergrößensensor zum Erfassen einer dynamischen Größe in zwei Achsen mit einem x-förmigen Massenabschnitt - Google Patents

Dynamischer Halbleitergrößensensor zum Erfassen einer dynamischen Größe in zwei Achsen mit einem x-förmigen Massenabschnitt

Info

Publication number
DE10151376A1
DE10151376A1 DE10151376A DE10151376A DE10151376A1 DE 10151376 A1 DE10151376 A1 DE 10151376A1 DE 10151376 A DE10151376 A DE 10151376A DE 10151376 A DE10151376 A DE 10151376A DE 10151376 A1 DE10151376 A1 DE 10151376A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electrode
substrate
movable
movable electrode
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE10151376A
Other languages
English (en)
Other versions
DE10151376B4 (de
Inventor
Minekazu Sakai
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
Publication of DE10151376A1 publication Critical patent/DE10151376A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10151376B4 publication Critical patent/DE10151376B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0062—Devices moving in two or more dimensions, i.e. having special features which allow movement in more than one dimension
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R21/00—Arrangements or fittings on vehicles for protecting or preventing injuries to occupants or pedestrians in case of accidents or other traffic risks
    • B60R21/01—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents
    • B60R21/013—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents including means for detecting collisions, impending collisions or roll-over
    • B60R21/0132—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents including means for detecting collisions, impending collisions or roll-over responsive to vehicle motion parameters, e.g. to vehicle longitudinal or transversal deceleration or speed value
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R21/00—Arrangements or fittings on vehicles for protecting or preventing injuries to occupants or pedestrians in case of accidents or other traffic risks
    • B60R21/01—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents
    • B60R2021/01006—Mounting of electrical components in vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0235—Accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0109—Bridges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0136—Comb structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/04—Electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/082—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for two degrees of freedom of movement of a single mass

Abstract

Ein dynamischer Größensensor enthält ein Halbleitersubstrat (12), eine bewegliche Elektrode (30), erste feste Elektroden (40, 50) und zweite feste Elektroden (60, 70). Die bewegliche Elektrode enthält einen Massenabschnitt (31) und Elektrodenabschnitte (32). Der Massenabschnitt enthält zwei Stababschnitte (31a, 31b), welche einander in einer X-förmigen Konfiguration kreuzen. Die ersten festen Elektroden bilden mit den Elektrodenabschnitten erste Kondensatoren (CS1, CS2) zum Erfassen einer Verschiebung der beweglichen Elektrode in eine erste Richtung (X). Die zweiten Elektroden bilden mit den Elektrodenabschnitten zweite Kondensatoren (CS3, CS4) zum Erfassen einer Verschiebung der beweglichen Elektrode in eine zweite Richtung (Y). Die bewegliche Elektrode ist derart konstruiert, dass ein Verhältnis ihrer Resonanzfrequenz entsprechend der zweiten Richtung zu ihrer Resonanzfrequenz entsprechend der ersten Richtung gleich oder größer als 1,41 ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen dyna­ mischen Halbleitergrößensensor, der zum Erfassen einer dyna­ mischen Größe in zwei Achsen geeignet ist.
In den vergangenen Jahren ist das Verlangen an zweiach­ sigen Halbleitersensoren angestiegen, die zum Erfassen ei­ ner dynamischen Größe in zwei Achsen geeignet sind. Bei­ spielsweise sollte in dem Airbagsteuersystem eines Fahr­ zeugs eine Beschleunigung in zwei Achsen entsprechend einem frontalen Zusammenstoß und einem seitlichen Zusammenstoß erfasst werden.
Wenn ein Sensor, welcher zum Erfassen einer Beschleuni­ gung in einer Achse geeignet ist, für das System verwendet wird, werden wenigstens zwei Beschleunigungssensoren benö­ tigt. In dem Fall wird ein größerer Raum zum Anordnen der zwei Sensoren benötigt, und es wird eine weitere Steuer­ schaltung benötigt, die für jeden der zwei Sensoren zu in­ stallieren ist. Als Ergebnis ergibt sich die Schwierigkeit, dass das gesamte System groß ist. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit wäre die Verwendung des oben beschriebenen zweiachsigen Sensors vorteilhaft.
Die JP-A-H9-318649 (USP 5,894,091) offenbart einen zweiachsigen Sensor. In diesem zweiachsigen Sensor ist eine bewegliche Elektrode, welche einen rechteckigen Massenab­ schnitt enthält, in einem Halbleitersubstrat gebildet. Der Massenabschnitt wird als sensitives Teil für eine dynami­ sche Größe gemeinsam für die zwei Achsen bereitgestellt. Die bewegliche Elektrode ist mit einem stationären Ab­ schnitt des Substrats durch elastisch deformierbare Balken- bzw. Auslegerabschnitte verbunden. Daher ist sie in zwei Achsen beweglich, welche wechselseitig senkrecht auf einer Ebene parallel zu dem Substrat ausgerichtet sind.
Des weiteren sind vier feste Elektroden auf dem Rand der beweglichen Elektroden gebildet. Somit sind Kondensato­ ren zwischen der beweglichen Elektrode und den festen Elek­ troden zum Erfassen einer Verschiebung der beweglichen Elektrode in den zwei Achsen gebildet. Jedoch ist es schwierig den Sensor zu miniaturisieren, da der Massenab­ schnitt rechtwinklig ist und die festen Elektroden auf dem Rand des rechtwinkligen Massenabschnitts angeordnet sind.
Darüber hinaus sollte idealerweise der Massenabschnitt sich lediglich entlang der X-Achse bewegen, wenn eine Be­ schleunigung entlang der X-Achse aufgebracht wird. Jedoch ruft tatsächlich die Vibration des Massenabschnitts entlang der X-Achse eine Vibration entlang der Y-Achse infolge von Herstellungsvariationen der Auslegerabschnitte hervor. Das heißt, der Massenabschnitt vibriert ebenfalls entlang der Y-Achse, wenn eine Beschleunigung entlang der X-Achse auf­ gebracht wird.
Die Vibration des Massenabschnitts entlang der Y-Achse wird als hohe Beschleunigung entlang der Y-Achse erfasst, insbesondere, wenn die Resonanzfrequenz des Massenab­ schnitts entsprechend der Y-Achse gleich derjenigen ent­ sprechend der X-Achse ist. In dem Fall, bei welchem ein Massenabschnitt als beschleunigungssensitives Teil gemein­ sam für beide Achsen vorgesehen ist, ist die Gleichheit zwischen den Resonanzfrequenzen entsprechend der zwei Ach­ sen äquivalent zu der Gleichheit zwischen den Federkonstan­ ten entsprechend den zwei Achsen.
Wenn Massenabschnitte getrennt für die X-Achse und die Y-Achse bereitgestellt werden, unterscheiden sich die Reso­ nanzfrequenzen entsprechend den jeweiligen Richtungen der X-Achse und der Y-Achse voneinander. Jedoch nehmen die zwei Massenabschnitte eine relativ große Fläche des Substrats in Anspruch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen zweiachsigen dynamischen Halbleitergrößensensor bereitzu­ stellen, welcher leicht miniaturisiert werden kann.
Des weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen zweiachsigen dynamischen Halbleitergrößensensor be­ reitzustellen, in welchem sich die Federkonstanten entspre­ chend den zwei Achsen voneinander unterscheiden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Ein dynamischer Halbleitergrößensensor der vorliegenden Erfindung enthält ein Halbleitersubstrat, eine bewegliche Elektrode, erste feste Elektroden und zweite feste Elektro­ den. Die bewegliche Elektrode enthält einen Massenabschnitt und Elektrodenabschnitte, welche von der Mitte des Massen­ abschnitts vorspringen. Der Massenabschnitt enthält zwei Stababschnitte, welche einander in einer X-förmigen Konfi­ guration kreuzen. Des weiteren ist die bewegliche Elektrode mit dem Substrat verbunden, um sich im Ansprechen auf eine darauf aufgebrachte dynamische Größe in eine erste Richtung und eine zweite Richtung zu bewegen, welche zueinander wechselseitig senkrecht auf einer Ebene parallel zu dem Substrat sind. Die bewegliche Elektrode ist derart konstru­ iert, dass ein Verhältnis ihrer Resonanzfrequenz entspre­ chend der zweiten Richtung zu ihrer Resonanzfrequenz ent­ sprechend der ersten Richtung gleich oder größer als 1,41 ist.
Die ersten festen Elektroden werden von dem Substrat getragen und sind derart angeordnet, dass erste Kondensato­ ren zum Erfassen einer Verschiebung der beweglichen Elek­ trode in der ersten Richtung zwischen den ersten Elektroden und den entsprechenden Elektrodenabschnitten gebildet sind. Die zweiten festen Elektroden werden ebenfalls von dem Substrat getragen und sind derart angeordnet, dass zweite Kondensatoren zum Erfassen einer Verschiebung der bewegli­ chen Elektrode in der zweiten Richtung zwischen der zweiten festen Elektrode und den entsprechenden Elektrodenabschnit­ ten gebildet sind.
Vorzugsweise bildet jede der Elektrodenabschnitte eine kammähnliche Form, welche von der Mitte des Massenab­ schnitts vorspringt. Des weiteren bildet jede der ersten und zweiten festen Elektroden ebenfalls eine kammähnliche Form und ist derart angeordnet, dass ihre Zähne mit den Zähnen des entsprechenden Elektrodenabschnitts ineinander­ greifen. Jede der Elektrodenabschnitte und der ersten und zweiten festen Elektroden enthält einen kürzesten Zahn an einer Position, die am weitesten von der Mitte des Massen­ abschnitts entfernt ist, und einen längsten Zahn an einer Position nahe der Mitte des Massenabschnitts.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Halbleiterbeschleunigungssensor einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht von Fig. 1 ent­ lang Linie II-II;
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des Verhält­ nisses der Verschiebung eines Massenabschnitts des Sensors in der Y-Richtung gegenüber einem Verhältnis der Resonanz­ frequenz bezüglich der Y-Richtung zu der Resonanzfrequenz bezüglich der X-Richtung;
Fig. 4 zeigt ein schematisches Diagramm einer in dem Sensor von Fig. 1 enthaltenen Erfassungsschaltung;
Fig. 5 zeigt ein Zeitablaufsdiagramm der Erfassungs­ schaltung von Fig. 4; und
Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung von Kapazi­ tätsänderungen gegenüber der Oszillationsfrequenz einer be­ weglichen Elektrode des Sensors in den Fällen einer gerad­ zahnigen Konstruktion bzw. einer ungeradzahnigen Konstruk­ tion.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Be­ zugnahme auf eine Ausführungsform und auf Modifizierungen beschrieben.
Entsprechend Fig. 1 und 2 ist ein Halbleiterbe­ schleunigungssensor 100 mit einem rechteckigen SOI-Substrat (silicon-on-insulator substrate) 10 gebildet, welches eine Oxidschicht 13 als isolierende Schicht zwischen einem er­ sten Siliziumsubstrat 11 und einem zweiten Siliziumsubstrat 12 enthält.
Das zweite Siliziumsubstrat 12 entspricht einem Halb­ leitersubstrat, bei welchem der Hauptteil des Sensors ge­ bildet ist, während das erste Siliziumsubstrat 11 und die Oxidschicht 13 einem tragenden Substrat 20 entsprechen, welches das zweite Siliziumsubstrat 12 trägt.
Eine Balken- bzw. Auslegerstruktur (beam structure) ist mit Abschnitten des zweiten Siliziumsubstrats 12 gebildet. Die Auslegerstruktur enthält eine bewegliche Elektrode 30 und feste Elektroden 40, 50, 60, 70, die elektrisch von der beweglichen Elektrode 30 getrennt sind. In dem tragenden Substrat 20 ist eine rechteckige Öffnung 21 gebildet, wel­ che durch eine Fläche des tragenden Substrats 20 entspre­ chend der Auslegerstruktur 30-70 in der senkrechten Rich­ tung hindurchtritt.
Die bewegliche Elektrode 30 enthält einen Massenab­ schnitt 31 und vier Elektrodenabschnitte 32, welche von der Mitte des Massenabschnitts 31 vorspringen. Der Massenab­ schnitt 31 ist mit zwei gekreuzten Stababschnitten 31a, 31b gebildet. Die zwei Stababschnitte 31a, 31b besitzen im we­ sentlichen dieselbe Breite und kreuzen einander im wesent­ lichen in rechten Winkeln, so dass die Form eines Buchsta­ bens X auf einer Ebene parallel zu dem zweiten Silizium­ substrat 12 gebildet wird. Entsprechend Fig. 1 erstreckt sich jeder der Stababschnitte 31a, 31b in eine Richtung, welche in etwa um 45° von den X-Y-Achsen verschoben ist.
Die X-Achse entspricht einer ersten Richtung, in wel­ cher eine Beschleunigung erfasst wird, während die Y-Achse einer zweiten Richtung entspricht, in welcher eine Be­ schleunigung erfasst wird. Die Elektrodenabschnitte 32 bil­ den jeweils eine kammähnliche Form und erstrecken sich von der Mitte des Massenabschnitts 31 in die jeweiligen vier Richtungen entlang der X-Achse und der Y-Achse.
Balken- bzw. Auslegerabschnitte (beam portions) 33 sind mit beiden Seiten der zwei Stababschnitte 31a, 31b durch Verbindungsabschnitte 31c verbunden. Die Verbindungsab­ schnitte 31c sind breiter als andere Abschnitte der Stabab­ schnitte 31a, 31b. Die Auslegerabschnitte 33 enthalten je­ weils zwei Abschnitte, welche sich in die erste Richtung X bzw. die zweite Richtung Y erstrecken. Das heißt, die Aus­ legerabschnitte 33 besitzen jeweils eine L-Form. Jeder der Auslegerabschnitte 33 ist infolge seiner Flexibilität ela­ stisch deformierbar. Die bewegliche Elektrode 30 und die Auslegerabschnitte 33 bedecken zusammen die Fläche bzw. den Bereich entsprechend der Öffnung 21.
Die bewegliche Elektrode 30 ist mit Ankerabschnitten 34 an den jeweiligen vier Ecken der Öffnung 21 durch die Aus­ legerabschnitte 33 verbunden. Jeder der Ankerabschnitte 34 ist mit einem Abschnitt des zweiten Siliziumsubstrats 12 gebildet und an dem tragenden Substrat 20 befestigt. Das heißt, die Ankerabschnitte 34 werden von dem ersten Silizi­ umsubstrat 11 durch die Oxidschicht 13 getragen. Somit wird die bewegliche Elektrode 30 von dem tragenden Substrat 20 an dem Rand der Öffnung 21 elastisch getragen.
Dementsprechend ist die bewegliche Elektrode 30 auf der Ebene parallel zu dem zweiten Siliziumsubstrat 12 im An­ sprechen auf eine darauf aufgebrachte Beschleunigung wie folgt beweglich. Die bewegliche Elektrode 30 bewegt sich in die erste Richtung X, wenn eine Beschleunigung einschließ­ lich einer Komponente der ersten Richtung X aufgebracht wird, und kehrt zu der ursprünglichen Position zurück, wenn die Beschleunigung entfernt ist. Die bewegliche Elektrode 30 bewegt sich in die zweite Richtung X, wenn eine Be­ schleunigung einschließlich einer Komponente in der zweiten Richtung X aufgebracht wird, und kehrt in die ursprüngliche Position zurück, wenn die Beschleunigung entfernt ist.
Die bewegliche Elektrode 30 bewegt sich im wesentlichen in die erste Richtung X oder in die zweite Richtung Y zu einer Zeit entsprechend der Größe der Komponenten der auf­ gebrachten Beschleunigung. Daher bewegt sich die bewegliche Elektrode 30 nicht in beide Richtungen X, Y gleichzeitig, das heißt sie bewegt sich nicht diagonal.
Die vier festen Elektroden 40-70 sind auf den jeweili­ gen Seiten der Öffnung 21 derart angeordnet, dass sie die bewegliche Elektrode 30 umgeben. Insbesondere sind zwei Elektroden 40, 50 der festen Elektroden als Paar erster fe­ ster Elektroden entlang der zweiten Richtung Y angeordnet, während die übrigen Elektroden 60, 70 der festen Elektroden als Paar zweiter fester Elektroden entlang der ersten Rich­ tung X angeordnet sind. Somit bedecken die festen Elektro­ den 40-70 den Bereich entsprechend der Öffnung 21. Wie in Fig. 2 dargestellt ist jede der festen Elektroden 40-70 an dem ersten Substrat 11 durch die Oxidschicht 13 befestigt und einseitig eingespannt bzw. freitragend.
Die festen Elektroden 40-70 bilden jeweils eine kammähnliche Form. Die festen Elektroden 40-70 sind gegen­ überliegend den Elektrodenabschnitten 32 der beweglichen Elektrode 30 derart angeordnet, dass die Zähne der festen Elektroden 40-70 und die Zähne der Elektrodenabschnitte 32 ineinandergreifen.
Somit sind erste Kondensatoren CS1, CS2 zwischen den jeweiligen ersten festen Elektroden, 40-70 und den entspre­ chenden Elektrodenabschnitten 32 der beweglichen Elektrode 30 zum Erfassen einer Verschiebung der beweglichen Elek­ trode 30 in der ersten Richtung X gebildet. Des weiteren sind zweite Kondensatoren CS3, CS4 zwischen den jeweiligen zweiten festen Elektroden 60-70 und den entsprechenden Elektrodenabschnitten 32 der beweglichen Elektrode 30 zum Erfassen einer Verschiebung der beweglichen Elektrode 30 in der zweiten Richtung Y gebildet.
Jeder der Zähne der festen Elektroden 40-70 liegt den Zähnen der Elektrodenabschnitte 32 der beweglichen Elek­ trode 30 auf beiden Seiten gegenüber. Jeder der Kondensato­ ren CS1-CS4 ist auf der Seite gebildet, wo eine zwischen der festen Elektrode 40-70 und dem Elektrodenabschnitt 32 gebildete Lücke schmaler ist.
In jedem der Elektrodenabschnitte 32 und der festen Elektroden 40-70 besitzen deren Zähne wie in Fig. 1 darge­ stellt unterschiedliche Längen. Das heißt, der am weitesten von der Mitte des Massenabschnitts 31 entfernte Zahn ist der kürzeste, während der Zahn nahe der Mitte des Massenab­ schnitts 31 der längste ist. Die Länge der dazwischenlie­ genden Zähne ändert sich allmählich zwischen dem kürzesten Zahn und dem längsten Zahn. Diese Konstruktion (eine unge­ radzahnige Konstruktion) ist möglich, da der Massenab­ schnitt 31 eine X-Form besitzt und daher der Abstand zwi­ schen den Stababschnitten 31a, 31b und den Rand der Öffnung 21 an der Mitte des Massenabschnitts 31 am längsten ist (dem Schnittpunkt der Stababschnitte 31a, 31b).
Idealerweise sollte die bewegliche Elektrode 30 sich nicht gleichzeitig in beide Richtungen X, Y wie oben be­ schrieben bewegen. Jedoch ändern sich, die Länge und die Querschnittsform der Auslegerabschnitte 33 innerhalb eines Bereichs von 20% infolge von Herstellungsvariationen. Daher vibriert tatsächlich der Massenabschnitt 31 ebenfalls in der zweiten Richtung Y, wenn eine Beschleunigung in der er­ sten Richtung X aufgebracht wird. Die Vibration des Massen­ abschnitts 31 in der zweiten Richtung Y würde als hohe Be­ schleunigung in der zweiten Richtung Y erfasst werden, ins­ besondere wenn die Resonanzfrequenz fy des Massenabschnitts 31 entsprechend der zweiten Richtung Y gleich der Resonanz­ frequenz fx entsprechend der ersten Richtung X ist.
Das Verhältnis DRY der Verschiebung des Massenab­ schnitts 31 in die zweite Richtung Y zu der Größe der Y- Komponente der aufgebrachten Beschleunigung ändert sich in Abhängigkeit des Q-Werts Qy entsprechend der zweiten Rich­ tung Y und des Verhältnisses der Resonanzfrequenz fy ent­ sprechend der zweiten Richtung Y zu der Resonanzfrequenz fx entsprechend der ersten Richtung X wie in Fig. 3 darge­ stellt. Fig. 3 stellt dar, dass die Verschiebung des Mas­ senabschnitts 31 in der zweiten Richtung Y ungeachtet des Y-Werts Qy nicht verstärkt wird, wenn das Verhältnis fy/fx gleich oder größer als 1,41 ist.
Unter der Annahme, dass die Masse des Massenabschnitts 31 "m" beträgt, wird die mathematische Beziehung zwischen den Resonanzfrequenzen fy, fx und die Federkonstanten kx, ky entsprechend den ersten und zweiten Richtungen X, Y durch die folgenden Gleichungen jeweils dargestellt.
fx = √kx/m fy = √ky/m
Wenn die Ungleichung "fy/fx ≧ 1,41" erfüllt wird, wird die folgende Ungleichung erfüllt.
Dementsprechend wird die Ungleichung "ky/kx ≧ 1,99" er­ füllt.
Dies bedeutet, dass die Verschiebung des Massenab­ schnitts 31 in der zweiten Richtung Y ungeachtet des Q- Werts Qy nicht verstärkt wird, wenn das Verhältnis ky/kx gleich oder größer als 1,99 ist. Das heißt, die Federkon­ stante Ky sollte gleich oder größer als die Federkonstante kx multipliziert mit 1,99 sein.
Unter der Annahme, dass die Längen des Auslegerab­ schnitts 33 in den ersten und zweiten Richtungen X, Y "Ly" bzw. "Lx" sind, sind die Federkonstanten kx, ky umgekehrt proportional zu der dritten Potenz der Längen Lx bzw. Ly. Wenn die Ungleichung "ky/kx ≧ 1,99" erfüllt wird, wird daher die Ungleichung "Ly/Lx ≦ 1,99-1/3 = 0,795" erfüllt. Dies bedeutet, dass die Verschiebung des Masseabschnitts 31 in die zweite Richtung Y ungeachtet des X-Werts Qy nicht ver­ stärkt wird, wenn die Länge Ly gleich oder kürzer als die Länge Lx multipliziert mit 0,795 ist. Der Sensor 100 ist derart konstruiert, dass die abgeleitete Ungleichung "Ly ≦ 0,795.Lx" erfüllt wird, und daher wird die Länge Ly derart dargestellt, dass sie kürzer als die Länge Lx in Fig. 1 ist. Daraufhin erfüllt die Konstruktion des Sensors 100 ebenfalls die Ungleichungen "fy/fx ≧ 1,41 und "ky/kx ≧ 1,99".
Die Elektroden 30-70 sind voneinander elektrisch iso­ liert, und abgehende Abschnitte (Verdrahtungsabschnitte) 35, 41, 51, 61, 71, welche den jeweiligen Elektroden 30-70 entsprechen und elektrisch damit verbunden sind, werden wie folgt gebildet.
Die abgehenden Abschnitte 41-71, welche den jeweiligen festen Elektroden 40-70 entsprechen, sind mit Abschnitten des zweiten Siliziumsubstrats 12 auf dem Rand der festen Elektroden 40-70 gebildet. Des weiteren sind Kontaktstellen 42, 52, 62, 72 elektrisch mit den jeweiligen abgehenden Ab­ schnitten 41-71 elektrisch verbunden und darauf gebildet. Das heißt, jede der festen Elektroden 40-70 ist elektrisch mit der entsprechenden Kontaktstelle 42-72 durch den ent­ sprechenden abgehenden Abschnitt 41-71 verbunden.
Der abgehende Abschnitt 35 entsprechend der beweglichen Elektrode 30 ist ebenfalls mit einem Abschnitt des zweiten Siliziumsubstrats 12 derart gebildet, dass er mit einem der Ankerabschnitte 34 (dem oberen linken Ankerabschnitt in Fig. 1) integriert ist. Eine Kontaktstelle 36 ist ebenfalls auf dem abgehenden Abschnitt 35 gebildet und damit elek­ trisch verbunden. Das heißt, die bewegliche Elektrode 30 ist mit der Kontaktstelle 36 durch den abgehenden Abschnitt 35 elektrisch verbunden.
Dementsprechend kann jede der Elektroden 30, 40-70 mit dem äußeren durch den entsprechenden abgehenden Abschnitt (Verdrahtungsabschnitt) 35, 41-71 und die Kontaktstelle 36, 42-72 nach außen angeschlossen werden.
Des weiteren ist eine von jeder der Elektroden 30-70 elektrisch isolierte Kontaktstelle 80 auf dem Randabschnitt des zweiten Siliziumsubstrats 12 gebildet. Diese Kontakt­ stelle 80 ist zum Festlegen des elektrischen Potentials der Randabschnitte des zweiten Siliziumsubstrats 12 vorgesehen, das heißt der Abschnitte außer den Elektroden 30-70 auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12.
Die abgehenden Abschnitte 35, 41-71 und die Kontakt­ stellen 36, 42-72 führen elektrisch zu den entsprechenden Elektroden 30-70. Die abgehenden Abschnitte 35, 41-71 sind voneinander elektrisch isoliert, und die Kontaktstellen 36, 42-72, 80 sind ebenfalls voneinander elektrisch isoliert. Die abgehenden Abschnitte 35, 41-71 sind in dem Bereich enthalten, der von dem tragenden Substrat 20 getragen wird.
Der Sensor 100 wird unter Verwendung einer Mikro-Mate­ rialbearbeitungstechnik wie folgt hergestellt. Zuerst wird ein SOI-Substrat 10 bereitgestellt bzw. vorbereitet. Ein Halbleitersubstrat mit einer Seitenausrichtung von (100) kann beispielsweise als das zweite Siliziumsubstrat 12 ver­ wendet werden. Als nächstes wird eine Aluminiumschicht auf der gesamten Oberfläche des zweiten Siliziumsubstrats 12 durch Auftragen von Aluminium gebildet. Danach wird die Aluminiumschicht durch Fotolithographie und Ätzen derart strukturiert, dass die Kontaktstelle 36, 42-72, 80 defi­ niert werden. Somit können beispielsweise die Kontaktstel­ len 36, 42-72, 80 aus Aluminium gebildet werden.
Danach wird eine Siliziumnitridschicht auf der Oberflä­ che des ersten Siliziumsubstrats 11 durch Plasma-CVD gebil­ det. Die Siliziumnitridschicht wird durch Fotolithographie und Ätzen derart strukturiert, dass eine Maske für einen späteren Prozess des Bildens der Öffnung 21 definiert wird.
Danach wird eine gegen Trockenätzen resistente Schicht auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 und den Kontaktstellen 36, 42-72, 80 gebildet und derart strukturiert, dass eine Maske für den nachfolgenden Prozess des Bildens der Ausle­ gerstruktur 30-70 definiert wird. Aussparungen, welche die Siliziumoxidschicht 13 erreichen, werden in dem zweiten Si­ liziumsubstrat 12 durch Trockenätzen unter Verwendung der Maske gebildet. Als Ergebnis wird die Struktur einschließ­ lich der Auslegerstruktur 30-70, der Kontaktstellen 36, 42-72, 80 und der in Fig. 1 dargestellten abgehenden Abschnit­ te mit dem zweiten Siliziumsubstrat 11 gebildet.
Als nächstes wird unter Verwendung der vorausgehend ge­ bildeten Maske der Bereich des ersten Siliziumsubstrats 11 entsprechend der Öffnung 21 durch Ätzen unter Verwendung einer KOH-Lösung oder durch Trockenätzen unter Verwendung einer Plasmaätzvorrichtung entfernt. In dem Fall des Trockenätzens wird die Maske gleichzeitig durch das Trockenätzen entfernt. Somit wird der Bereich der Silizium­ oxidschicht 13 entsprechend der Öffnung 21 freigelegt.
Als nächstes wird der bloßgelegte Bereich der Silizium­ oxidschicht 13 durch Ätzen unter Verwendung eines Ätzmit­ tels der HF-Familie entfernt. Somit wird die Öffnung 21 ge­ bildet, und daher werden die bewegliche Elektrode 30 und die festen Elektroden 40-70 freigesetzt. Danach ist der in Fig. 1 und 2 dargestellte Sensor 100 fertiggestellt.
Der Sensor 100 wird an der Rückseite des ersten Silizi­ umsubstrats 11 auf ein Gehäuse 90 über ein Haftmittel 91 wie in Fig. 2 dargestellt geklebt. Beispielsweise kann ein Polyimidharz als Haftmittel 91 verwendet werden. Das Ge­ häuse 90 ist aus Keramik wie Aluminiumoxid gebildet. Das Gehäuse 90 enthält eine später beschriebene Erfassungs­ schaltung 110. Die Erfassungsschaltung 110 ist mit den Kon­ taktstellen 36, 42-70, 80 durch Drähte elektrisch verbun­ den. Die Drähte können durch Drahtbonden unter Verwendung von Gold oder Aluminium gebildet werden.
Der Sensor 100 arbeitet wie folgt. Wenn sich die beweg­ lichen Elektrode 30 in der ersten Richtung X im Ansprechen auf eine dem Sensor 100 aufgebrachte Beschleunigung bewegt, wird die aufgebrachte Beschleunigung auf der Grundlage ei­ ner Veränderung der Kapazität der ersten Kondensatoren CS1, CS2 erfasst.
Die bewegliche Elektrode 30 bewegt sich entsprechend Fig. 1 nach links (in die negativen Richtung der X-Achse), wenn die Beschleunigung nach rechts (in die positive Rich­ tung der X-Achse) aufgebracht wird. Mit dieser Bewegung verbreitern sich die Lücken zwischen der auf der oberen Seite von Fig. 1 angeordneten ersten festen Elektrode 40 und dem entsprechenden Elektrodenabschnitt 32, und dadurch verringert sich die Kapazität des ersten Kondensators CS1. Des weiteren verschmälern sich die Lücken zwischen der auf der unteren Seite von Fig. 1 angeordneten anderen ersten festen Elektrode 50 und dem entsprechenden Elektrodenab­ schnitt 32, und dadurch erhöht sich die Kapazität des ande­ ren Kondensators CS2.
Danach wird die aufgebrachte Beschleunigung in der er­ sten Richtung X auf der Grundlage der Differenz zwischen der Kapazität der ersten Kondensatoren CS1, CS2 erfasst. Fig. 4 stellt die Erfassungsschaltung 110 zum Erfassen der Beschleunigung in der ersten Richtung X dar. Die Erfas­ sungsschaltung 110 enthält einen Schaltkreis mit geschalte­ tem Kondensator (SC-Schaltkreis) 111, welcher einen Konden­ sator 112 mit einer Kapazität Cf, einen Schalter 113 und eine Differenzverstärkerschaltung 114 enthält. Der SC- Schaltkreis 111 empfängt als Eingang die Differenz der Ka­ pazität der ersten Kondensatoren CS1, CS2 und wandelt sie in eine Spannung um.
Fig. 5 stellt ein Beispiel eines Zeitablaufdiagramms der Erfassungsschaltung 110 dar. Entsprechend dem Zeitab­ laufdiagramm wird eine erste Trägerwelle CW1, welche eine Frequenz von 100 kHz und eine Amplitude von 0-5 V besitzt, der Kontaktstelle 42 entsprechend der ersten festen Elek­ trode 40 eingegeben. Des weiteren wird eine zweite Träger­ welle CW2, welche eine Frequenz von 100 kHz und eine Ampli­ tude von 0-5 V besitzt und deren Phase um 180° von derjeni­ gen der ersten Trägerwelle CW1 verschoben ist, der Kontakt­ stelle 52 entsprechend der anderen ersten festen Elektrode 50 eingegeben. Der Schalter 113 wird zu den in Fig. 5 dar­ gestellten Zeiten geöffnet bzw. geschlossen. Danach wird eine Spannung V0 entsprechend der Größe der aufgebrachten Beschleunigung auf der Grundlage der Differenz zwischen der Kapazität der ersten Kondensatoren CS1, CS2 ausgegeben. Un­ ter der Annahme, dass die Spannung zwischen den Kontakt­ stellen 42, 52 "V" beträgt, wird die Spannung V0 durch die folgende Gleichung dargestellt.
V0 = (CS1-CS2).V/Cf
Somit wird die in der ersten Richtung X aufgebrachte Beschleunigung als die Spannung V0 erfasst. Während der Er­ fassung ist eine Änderung der Kapazität der zweiten Konden­ satoren CS3, CS4 unerheblich.
Wenn demgegenüber sich die bewegliche Elektrode 30 in die zweite Richtung Y im Ansprechen auf eine dem Sensor 100 aufgebrachte Beschleunigung bewegt, wird die aufgebrachte Beschleunigung auf der Grundlage einer Änderung der Kapazi­ tät der zweiten Kondensatoren CS3, CS4 erfasst. Die beweg­ liche Elektrode 30 bewegt sich entsprechend Fig. 1 nach un­ ten (in die negative Richtung der Y-Achse), wenn die Be­ schleunigung nach oben entsprechend Fig. 1 aufgebracht wird (in die positive Richtung der Y-Achse). Mit dieser Bewegung werden die Lücken zwischen der auf der linken Seite von Fig. 1 angeordneten zweiten festen Elektrode 60 und dem entsprechenden Elektrodenabschnitt 32 verbreitert, und da­ durch verringert sich die Kapazität des zweiten Kondensa­ tors CS3. Des weiteren werden die Lücken zwischen der auf der rechten Seite von Fig. 1 angeordneten anderen zweiten festen Elektrode 70 und dem entsprechenden Elektrodenab­ schnitt 32 schmal, wodurch sich die Kapazität des anderen zweiten Kondensators CS4 erhöht.
Danach wird die in der zweiten Richtung Y aufgebrachte Beschleunigung auf der Grundlage der Differenz zwischen der Kapazität der zweiten Kondensatoren CS3, CS4 erfasst. Eine durch Ersetzen der ersten Kondensatoren CS1, CS2 und der entsprechenden Kontaktstellen 42, 52 mit den zweiten Kon­ densatoren CS3, CS4 und den entsprechenden Kontaktstellen 62, 72 in der Erfassungsschaltung 110 von Fig. 4 erlangte Schaltung kann als Erfassungsschaltung zum Erfassen der Be­ schleunigung in der zweiten Richtung Y verwendet werden. Die Erfassungsschaltung kann mit dem in Fig. 5 dargestell­ ten Zeitablauf arbeiten.
Danach wird eine Spannung V0 entsprechend der Größe der aufgebrachten Beschleunigung auf der Grundlage der Diffe­ renz zwischen der Kapazität der zweiten Kondensatoren CS3, CS4 ausgegeben. Unter der Annahme, dass die Spannung zwi­ schen den Kontaktstellen 62, 72 "V" beträgt, wird die Span­ nung V0 durch die folgende Gleichung ähnlich der Erfassung in der ersten Richtung X dargestellt.
V0 = (CS3 - CS4).V/Cf
Somit wird die in der zweiten Richtung Y aufgebrachte Beschleunigung als die Spannung V0 erfasst. Während der Er­ fassung ist eine Änderung der Kapazität der ersten Konden­ satoren CS1, CS2 geringfügig.
Die Wirkungen des Halbleiterbeschleunigungssensors der vorliegenden Erfindung werden im folgenden dargestellt. Da der Massenabschnitt 31 im allgemeinen in der X-förmigen Konfiguration derart gebildet wird, dass Aussparungen zwi­ schen den Stababschnitten 31a, 31b in Richtung auf die Mitte des Massenabschnitts 31 gebildet werden, können die Elektrodenabschnitte 32 der beweglichen Elektrode 30 und die festen Elektroden 40-70 sowohl so nahe zu der Mitte der beweglichen Elektrode 30 wie möglich im Vergleich mit dem herkömmlichen Sensor angeordnet werden, der einen recht­ winkligen Massenabschnitt enthält. Daher kann der Sensor 100 leicht miniaturisiert werden.
Da die zwei Stababschnitte 31a, 31b des Massenab­ schnitts 31 im wesentlichen dieselbe Breite besitzen, wird des weiteren die Symmetrieeigenschaft des Massenabschnitts 31 bei diesem Sensor 100 stabil erlangt, obwohl das Gewicht der Elektrodenabschnitte 32 am meisten zu dem Gesamtgewicht der beweglichen Elektrode 30 beiträgt.
Da der Massenabschnitt 31 eine X-Form besitzt, ver­ schiebt sich der Schwerpunkt des Massenabschnitts 31 nicht leicht von dem Schnittpunkt der Stababschnitte 31a, 31b, sogar wenn die sich Größe des Massenabschnitts 31 infolge von Herstellungsvariationen ändert. Das heißt, die hohe Empfindlichkeit des Sensors 100 wird für jede der zwei Ach­ sen sichergestellt, ohne dass eine ungünstige Beeinflussung durch Herstellungsvariationen auftritt. Daher kann der Sen­ sor 100 eine entlang einer der Achsen aufgebrachte Be­ schleunigung genau erfassen, ohne dass die Komponente der Beschleunigung entlang der anderen Achse zu der Zeit er­ fasst wird.
Da des weiteren die Verbindungsabschnitte 31c der Stab­ abschnitte 31a, 31b breiter als die anderen Abschnitte der Stababschnitte 31a, 31b sind und daher eine größere Steif­ heit besitzen, deformieren sich die Verbindungsabschnitte 31c sogar dann nicht leicht, wenn sich die Auslegerab­ schnitte 33 deformieren. Dementsprechend wird die uner­ wünschte Vibration der beweglichen Elektrode 30 unter­ drückt, wenn die Beschleunigung auf den Sensor 100 aufge­ bracht wird, wodurch eine gute Verschiebungseigenschaft der beweglichen Elektrode 30 erreicht wird.
Die ungeradzahnige Konstruktion des Sensors 100 stellt eine in Fig. 6 dargestellte Wirkung einer Rauschverringe­ rung bereit. Wenn dem Sensor infolge einer Fahrzeugkolli­ sion eine Beschleunigung aufgebracht wird, gelangt die be­ wegliche Elektrode 30 mit einer vorbestimmten Frequenz frs (das heißt einer Resonanzfrequenz des Sensors 100) in der ersten Richtung X oder in der zweiten Richtung Y in Reso­ nanz. Jede der kammförmigen Elektroden 32, 40-70 gelangt ebenfalls unter ihrer Eigenfrequenz fre (das heißt einer Resonanzfrequenz der Elektrode 32, 40-70) im Ansprechen auf die aufgebrachte Beschleunigung in Resonanz.
Wenn der Sensor eine gradzahnige Konstruktion aufweist, bei welcher jeder Zahn der kammförmigen Elektroden dieselbe Länge besitzt, besitzt jeder Zahn der Elektroden im wesent­ lichen dieselbe Eigenfrequenz. Daher erscheinen Spitzen der Kapazitätsänderungen nicht nur bei der Resonanzfrequenz frs des Sensors, sondern ebenfalls bei der Resonanzfrequenz fre der Elektroden wie in Fig. 6 dargestellt. Die Spitze ent­ sprechend der Resonanzfrequenz fre der Elektroden, welche höher gesetzt ist als die Resonanzfrequenz frs des Sensors, ist unerwünschtes Rauschen. Zur Verbesserung der Genauig­ keit des Sensors sollte das Rauschen entfernt werden.
Entsprechend der ungeradzahnigen Konstruktion des vor­ liegenden Sensors 100 kann jeder Zahn der kammförmigen Elektroden 32, 40-70 eine unterschiedliche Eigenfrequenz besitzen. Daher sind die Eigenfrequenz der gesamten Elek­ trodenabschnitte 32 der beweglichen Elektrode 30 und die Eigenfrequenz der gesamten festen Elektroden 40-70 über ei­ nen Bereich verteilt. Dementsprechend ist wie in Fig. 6 dargestellt die Spitze entsprechend der Resonanzfrequenz fre der Elektroden über den Bereich verteilt und verrin­ gert.
Da darüber hinaus das Verhältnis ky/kx der Federkon­ stanten kx, ky entsprechend den ersten und zweiten Richtun­ gen X, Y auf einen Wert gleich oder größer als 1,99 festge­ legt ist, wird die Verschiebung des Massenabschnitts 31 in die zweite Richtung Y ungeachtet des Q-Werts Qy nicht ver­ stärkt, wenn eine Beschleunigung dem Sensor 100 in der er­ sten Richtung X aufgebracht wird.
Modifizierungen
Der Sensor 100 kann eine geradzahnige Konstruktion an­ stelle der ungeradzahnigen Konstruktion verwenden. Das heißt, jeder Zahn der Elektroden 32, 40-70 kann dieselbe Länge besitzen. Diese Konstruktion wird durch Bilden eines Abschnitts erzielt, welcher die festen Elektroden 40-70 mit dem tragenden Substrat 20 in einer konvexen Form verbindet, welche sich in Richtung auf die Mitte des Massenabschnitts 21 zu krümmt, das heißt parallel zu der X-Form des Massen­ abschnitts 31 gebildet ist.
Bei dem Sensor 100 kann jeder der Stababschnitte 31a, 31b des Massenabschnitts 31 unter der Bedingung eine unter­ schiedliche Breite besitzen, dass die Symmetrieeigenschaft und eine gute Verschiebungseigenschaft aufrechterhalten werden.
Darüber hinaus braucht man die Stababschnitte 31a, 31b nicht in im wesentlichen rechten Winkeln zueinander kreu­ zen. Beispielsweise können die Winkel zwischen Stabab­ schnitten 31a, 31b entsprechend den ersten Kondensatoren CS1, CS2 stumpfe Winkelzeiten sein, und die Winkel entspre­ chend den zweiten Kondensatoren CS3, CS4 können spitze Win­ kel sein. Somit kann die Anzahl der Zähne der kammförmigen Elektroden 32, 40, 50, welche die ersten Kondensatoren CS1, CS2 bilden, erhöht werden, das heißt es kann die Kapazität der ersten Kondensatoren CS1, CS2 erhöht werden.
Des weiteren müssen bei dem Sensor 100 entsprechend Fig. 3 die Resonanzfrequenzen fx, fy, welche den ersten und zweiten Richtungen X, Y entsprechen, nicht strikt die Un­ gleichung fy/fx ≧ 1,41 erfüllen, wenn der Q-Wert Qy, wel­ cher der zweiten Richtung Y entspricht, hinreichend niedrig ist. In diesem Fall sollte unter der Annahme, dass das Ver­ hältnis fy/fx "Z" beträgt, lediglich die folgende Gleichung erfüllt werden.
Wenn die obige Ungleichung erfüllt wird, wird die Ver­ schiebung des Massenabschnitts 31 in der zweiten Richtung Y nicht verstärkt.
Die auf dem tragenden Substrat 20 gebildete Öffnung 21 kann eine geometrische Form außer derjenigen eines Recht­ ecks sein. Darüber hinaus ist es nicht immer nötig, dass die Öffnung 21 durch das tragende Substrat 20 hindurch­ tritt, das heißt, es kann eine Aussparung, welche lediglich durch die Oxidschicht 13 hindurchtritt, auf dem tragenden Substrat 20 anstelle der Öffnung 21 gebildet werden. Eine derartige Aussparung wird durch Entfernen eines geeigneten Abschnitts der Oxidschicht 13 durch Ätzen einer Opfer­ schicht gebildet. Somit wird die Aussparung in der Oxid­ schicht 13 gebildet, wobei das erste Siliziumsubstrat 11 intakt zurückbleibt.
Darüber hinaus braucht der Sensor 100 nicht stets das tragende Substrat 20 zum Tragen des zweiten Silizium­ substrats 12 enthalten. Beispielsweise kann ein einschich­ tiges Siliziumsubstrat anstelle des SOI-Substrats 10 ver­ wendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann außer einem Beschleuni­ gungssensor ebenfalls als anderer Sensor verwendet werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung als Winkelge­ schwindigkeitssensor wie im folgenden dargestellt verwendet werden. Eine Spannung wird zwischen den Elektrodenabschnit­ ten 32 und den zweiten festen Elektroden 60, 70 des Sensors 100 derart angelegt, dass die bewegliche Elektrode 30 ange­ steuert wird, um in der zweiten Richtung Y zu vibrieren bzw. zu schwingen. Wenn während dieser Vibration bzw. Schwingung eine Winkelgeschwindigkeit über die Achse senk­ recht zu den ersten und zweiten Richtungen X, Y aufgebracht wird, wird eine Corioliskraft erzeugt, so dass die bewegli­ che Elektrode 30 in der ersten Richtung X vibriert. Diese Corioliskraft in der ersten Richtung X wird als Änderung der Kapazität der ersten Kondensatoren CS1, CS2 erfasst. Somit wird die aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit von dem Sensor 100 erfasst.
Vorstehend wurde ein dynamischer Halbleitergrößensensor zum Erfassen einer dynamischen Größe in zwei Achsen mit ei­ nem X-förmigen Massenabschnitt offenbart. Der dynamische Größensensor enthält ein Halbleitersubstrat (12), eine be­ wegliche Elektrode (30), erste feste Elektroden (40, 50) und zweite feste Elektroden (60, 70). Die bewegliche Elek­ trode enthält einen Massenabschnitt (31) und Elektrodenab­ schnitte (32). Der Massenabschnitt enthält zwei Stabab­ schnitte (31a, 31b), welche einander in einer X-förmigen Konfiguration kreuzen. Die ersten festen Elektroden bilden mit den Elektrodenabschnitten erste Kondensatoren (CS1, CS2) zum Erfassen einer Verschiebung der beweglichen Elek­ trode in eine erste Richtung (X). Die zweiten Elektroden bilden mit den Elektrodenabschnitten zweite Kondensatoren (CS3, CS4) zum Erfassen einer Verschiebung der beweglichen Elektrode in eine zweite Richtung (Y). Die bewegliche Elek­ trode ist derart konstruiert, dass ein Verhältnis ihrer Re­ sonanzfrequenz entsprechend der zweiten Richtung zu ihrer Resonanzfrequenz entsprechend der ersten Richtung gleich oder größer als 1,41 ist.

Claims (7)

1. Dynamischer Größensensor mit:
einem Substrat (12);
einer beweglichen Elektrode (30), welche mit dem Substrat (12) verbunden ist, um im Ansprechen auf eine dar­ auf aufgebrachte dynamische Größe in einer ersten Richtung (X) und einer zweiten Richtung (Y) beweglich zu sein, wel­ che auf einer Ebene parallel zu dem Substrat (12) zueinan­ der senkrecht sind;
einer ersten festen Elektrode (40, 50), welche von dem Substrat (12) getragen wird und derart angeordnet ist, dass ein erster variabler Kondensator (CS1, CS2), welcher eine Verschiebung der beweglichen Elektrode (30) in die erste Richtung (X) erfasst, zwischen der beweglichen Elektrode (30) und der ersten festen Elektrode (40, 50) gebildet ist; und
einer zweiten festen Elektrode (60, 70), welche von dem Substrat (12) getragen wird und derart angeordnet ist, dass ein zweiter variabler Kondensator (CS3, CS4), welcher eine Verschiebung der beweglichen Elektrode (30) in die zweite Richtung (Y) erfasst, zwischen der beweglichen Elektrode (30) und der zweiten festen Elektrode (60, 70) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die bewegliche Elektrode einen Massenabschnitt (31), welcher zwei Stababschnitte (31a, 31b), die einander in ei­ ner X-förmigen Konfiguration kreuzen, und einen Elektroden­ abschnitt 32 enthält, welcher von einer Mitte des Massenab­ schnitts (31) aus vorspringt;
die erste feste Elektrode (40, 50) dem Elektrodenab­ schnitt (32) gegenüberliegend derart angeordnet ist, dass der erste variable Kondensator (CS1, CS2) zwischen dem Elektrodenabschnitt (32) und der ersten festen Elektrode (40, 50) gebildet ist; und
die zweite feste Elektrode (60, 70) dem Elektrodenab­ schnitt (32) gegenüberliegend derart angeordnet ist, dass der zweite variable Kondensator (CS3, CS4) zwischen dem Elektrodenabschnitt (32) und der zweiten festen Elektrode (60, 70) gebildet ist.
2. Dynamischer Größensensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Stababschnitte (31a, 31b) im wesent­ lichen dieselbe Breite besitzen.
3. Dynamischer Größensensor nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch
einen elastisch deformierbaren Auslegerabschnitt (33), welcher ein Ende von jedem der Stababschnitte (31a, 31b) mit dem Substrat (12) derart verbindet, dass die bewegliche Elektrode (30) in der ersten Richtung (X) und in der zwei­ ten Richtung (Y) beweglich ist, wobei
jeder der Stababschnitte (31a, 31b) einen Verbindungs­ abschnitt (31c) aufweist, welcher mit dem Auslegerabschnitt (33) verbunden ist und breiter als die anderen Abschnitte der Stababschnitte (31a, 31b) ist.
4. Dynamischer Größensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektrodenabschnitt (32) eine kammähnliche Form bildet, welche von der Mitte des Massenabschnitts (31) aus vorspringt;
jede von der ersten festen Elektrode (40, 50) und der zweiten festen Elektrode (60, 70) eine kammähnliche Form bildet und derart angeordnet ist, dass Zähne der Elektrode (40, 50, 60, 70) in Zähne des Elektrodenabschnitts (32) eingreifen; und
jede von dem Elektrodenabschnitt (32) und den ersten und zweiten festen Elektroden (40, 50, 60, 70) einen kürze­ sten Zahn an einer Position am weitesten von der Mitte des Massenabschnitts (31) entfernt und einen längsten Zahn an einer Position nahe der Mitte des Massenabschnitts (31) aufweist.
5. Dynamischer Größensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Elek­ trode (30) derart konstruiert ist, dass ihre Resonanzfre­ quenzen (fx, fy) entsprechend den ersten und zweiten Rich­ tungen (X, Y) und ihr Q-Wert (Qy) entsprechend der zweiten Richtung (Y) der Ungleichung
genügen.
6. Dynamischer Größensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Elek­ trode (30) derart konstruiert ist, dass ein Verhältnis ih­ rer Resonanzfrequenz (fy) entsprechend der zweiten Richtung (Y) zu ihrer Resonanzfrequenz (fx) entsprechend der ersten Richtung (X) gleich oder größer als 1,41 ist.
7. Dynamischer Größensensor mit:
einem Substrat (12);
einer beweglichen Elektrode (30), welche einen Massen­ abschnitt (31) und einen Elektrodenabschnitt (32) enthält, der von dem Massenabschnitt (31) aus vorspringt und mit dem Substrat (12) verbunden ist, um im Ansprechen auf eine dar­ auf aufgebrachte dynamische Größe in einer ersten Richtung (X) und einer zweiten Richtung (Y) beweglich zu sein, wel­ che auf einer Ebene parallel zu dem Substrat (12) zueinan­ der senkrecht sind;
einer ersten festen Elektrode (40, 50), welche von dem Substrat (12) getragen wird und derart angeordnet ist, dass ein erster variabler Kondensator (CS1, CS2) zum Erfassen einer Verschiebung der beweglichen Elektrode (30) in die erste Richtung (X) zwischen dem ersten Elektrodenabschnitt (32) und der ersten festen Elektrode (40, 50) gebildet ist; und
einer zweiten festen Elektrode (60, 70), welche von dem Substrat getragen wird und derart angeordnet ist, dass ein zweiter variabler Kondensator (CS3, CS4) zum Erfassen einer Verschiebung der beweglichen Elektrode (30) in die zweite Richtung (Y) zwischen dem Elektrodenabschnitt (32) und der zweiten festen Elektrode (60, 70) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Elektrode (30) derart konstruiert ist, dass ein Verhältnis ihrer Resonanzfrequenz (fy) entspre­ chend der zweiten Richtung (Y) zu ihrer Resonanzfrequenz (fx) entsprechend der ersten Richtung (X) gleich oder grö­ ßer als 1,41 ist.
DE10151376A 2000-10-24 2001-10-18 Dynamischer Halbleitergrößensensor zum Erfassen einer dynamischen Größe in zwei Achsen mit einem x-förmigen Massenabschnitt Expired - Fee Related DE10151376B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000324178A JP2002131331A (ja) 2000-10-24 2000-10-24 半導体力学量センサ
JP2000-324178 2000-10-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10151376A1 true DE10151376A1 (de) 2002-04-25
DE10151376B4 DE10151376B4 (de) 2011-04-21

Family

ID=18801752

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10151376A Expired - Fee Related DE10151376B4 (de) 2000-10-24 2001-10-18 Dynamischer Halbleitergrößensensor zum Erfassen einer dynamischen Größe in zwei Achsen mit einem x-förmigen Massenabschnitt

Country Status (3)

Country Link
US (1) US6591678B2 (de)
JP (1) JP2002131331A (de)
DE (1) DE10151376B4 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008010931A2 (en) * 2006-07-20 2008-01-24 Evigia Systems, Inc. Integrated sensor and circuitry and process therefor
WO2014205308A1 (en) * 2013-06-21 2014-12-24 Continental Automotive Systems, Inc. Multi-axis vehicle sensor mounting

Families Citing this family (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2810976B1 (fr) * 2000-06-29 2003-08-29 Planhead Silmag P H S Microcomposant electronique, capteur et actionneur incorporant un tel microcomposant
JP2003166999A (ja) * 2001-12-03 2003-06-13 Denso Corp 半導体力学量センサ
JP2004069349A (ja) * 2002-08-02 2004-03-04 Denso Corp 容量式加速度センサ
JP4063057B2 (ja) * 2002-11-20 2008-03-19 株式会社デンソー 容量式加速度センサ
KR100565800B1 (ko) * 2003-12-22 2006-03-29 삼성전자주식회사 단일 전극을 이용한 ｍｅｍｓ 구조물의 구동 및 구동검지장치
JP2005233711A (ja) * 2004-02-18 2005-09-02 Star Micronics Co Ltd 電磁駆動型角速度センサ
US20050235751A1 (en) * 2004-04-27 2005-10-27 Zarabadi Seyed R Dual-axis accelerometer
EP1779121A1 (de) * 2004-08-17 2007-05-02 Analog Devices, Inc. Mehrfachachsenbeschleunigungssensor
DE602004023082D1 (de) * 2004-09-22 2009-10-22 St Microelectronics Srl Mikro-Elektromechanische Struktur mit Selbstkompensation von durch thermomechanische Spannungen hervorgerufenen thermischen Driften
EP1645847B1 (de) * 2004-10-08 2014-07-02 STMicroelectronics Srl Mikro-elektromechanische Vorrichtung mit Temperaturkompensation und Verfahren zur Temperaturkompensation in einer mikro-elektromechanischen Vorrichtung
US7368312B1 (en) * 2004-10-15 2008-05-06 Morgan Research Corporation MEMS sensor suite on a chip
US7258010B2 (en) * 2005-03-09 2007-08-21 Honeywell International Inc. MEMS device with thinned comb fingers
FI121539B (fi) * 2005-06-03 2010-12-31 Valtion Teknillinen Menetelmä mikromekaanisten komponenttien valmistamiseksi sekä tällaisella menetelmällä valmistettu piimikromekaaninen rakenne ja sen käyttö
US20070034007A1 (en) * 2005-08-12 2007-02-15 Cenk Acar Multi-axis micromachined accelerometer
US20070220973A1 (en) * 2005-08-12 2007-09-27 Cenk Acar Multi-axis micromachined accelerometer and rate sensor
TWI284203B (en) * 2005-12-23 2007-07-21 Delta Electronics Inc Accelerometer
CN101000360B (zh) * 2006-01-13 2012-05-16 台达电子工业股份有限公司 加速度计
EP1813916B1 (de) * 2006-01-30 2014-04-30 STMicroelectronics Srl Trägheitsvorrichtung mit Schrittmesser Funktion und tragbare elektronische Vorrichtung die diese Trägheitsvorrichtung beinhaltet
JP4595862B2 (ja) 2006-03-28 2010-12-08 パナソニック電工株式会社 静電容量式センサ
JP4373994B2 (ja) * 2006-05-31 2009-11-25 株式会社東芝 可変容量装置および携帯電話
JP2007333641A (ja) * 2006-06-16 2007-12-27 Sony Corp 慣性センサおよび慣性センサの製造方法
US7757555B2 (en) * 2006-08-30 2010-07-20 Robert Bosch Gmbh Tri-axis accelerometer having a single proof mass and fully differential output signals
JP5034043B2 (ja) * 2006-09-07 2012-09-26 国立大学法人京都大学 加速度センサ、および加速度検出装置
US7484411B2 (en) * 2007-01-30 2009-02-03 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Three phase capacitance-based sensing and actuation
JP4508230B2 (ja) * 2007-11-21 2010-07-21 ソニー株式会社 慣性センサ及びその検出装置
US8468887B2 (en) * 2008-04-14 2013-06-25 Freescale Semiconductor, Inc. Resonant accelerometer with low sensitivity to package stress
US8187902B2 (en) 2008-07-09 2012-05-29 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. High performance sensors and methods for forming the same
US8049579B2 (en) * 2008-10-30 2011-11-01 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Resonator having a stator coupled to three stator voltages
EP2409163A4 (de) 2009-03-19 2012-08-29 Hewlett Packard Development Co Auf kapazität basierende dreiphasenerfassung
US8272266B2 (en) * 2009-04-09 2012-09-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Gyroscopes using surface electrodes
US8429978B2 (en) * 2010-03-30 2013-04-30 Rosemount Inc. Resonant frequency based pressure sensor
US9021880B2 (en) 2010-04-30 2015-05-05 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Micromachined piezoelectric three-axis gyroscope and stacked lateral overlap transducer (slot) based three-axis accelerometer
CN101865934B (zh) * 2010-06-11 2012-01-18 瑞声声学科技(深圳)有限公司 加速度传感器
CN101871952B (zh) * 2010-06-11 2012-07-11 瑞声声学科技(深圳)有限公司 Mems加速度传感器
DE102012200740B4 (de) * 2011-10-27 2024-03-21 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements
US9027403B2 (en) 2012-04-04 2015-05-12 Analog Devices, Inc. Wide G range accelerometer
JP6020392B2 (ja) 2013-09-03 2016-11-02 株式会社デンソー 加速度センサ
KR20160140698A (ko) 2014-04-04 2016-12-07 멤스 스타트 엘엘씨 광전자 소자를 이동시키기 위한 액추에이터
CN106403922A (zh) * 2015-07-31 2017-02-15 立锜科技股份有限公司 具有电性补偿的微机电元件及其读取电路
US10554153B2 (en) * 2016-06-17 2020-02-04 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. MEMS device for harvesting sound energy and methods for fabricating same
JP6677269B2 (ja) * 2017-05-08 2020-04-08 株式会社村田製作所 容量性微小電気機械加速度計
US11929744B2 (en) 2019-02-11 2024-03-12 Texas Instruments Incorporated Differential capacitive sensing system
CN111308126A (zh) * 2019-12-10 2020-06-19 电子科技大学 一种增大质量块的电容式三轴加速度计及其制作方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0547742B1 (de) * 1991-12-19 1995-12-13 Motorola, Inc. Dreiachsiger Beschleunigungsmesser
US5734105A (en) 1992-10-13 1998-03-31 Nippondenso Co., Ltd. Dynamic quantity sensor
JP3090024B2 (ja) * 1996-01-22 2000-09-18 株式会社村田製作所 角速度センサ
JPH09318649A (ja) * 1996-05-30 1997-12-12 Texas Instr Japan Ltd 複合センサ

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008010931A2 (en) * 2006-07-20 2008-01-24 Evigia Systems, Inc. Integrated sensor and circuitry and process therefor
WO2008010931A3 (en) * 2006-07-20 2008-05-15 Evigia Systems Inc Integrated sensor and circuitry and process therefor
WO2014205308A1 (en) * 2013-06-21 2014-12-24 Continental Automotive Systems, Inc. Multi-axis vehicle sensor mounting
US9193321B2 (en) 2013-06-21 2015-11-24 Continental Automotive Systems, Inc. Multi-axis vehicle sensor mounting

Also Published As

Publication number Publication date
US20020059829A1 (en) 2002-05-23
US6591678B2 (en) 2003-07-15
DE10151376B4 (de) 2011-04-21
JP2002131331A (ja) 2002-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10151376B4 (de) Dynamischer Halbleitergrößensensor zum Erfassen einer dynamischen Größe in zwei Achsen mit einem x-förmigen Massenabschnitt
DE102005043906B4 (de) Sensor vom kapazitiven Typ für eine physikalische Größe, der einen Sensorchip und einen Schaltkreischip aufweist
DE69821005T2 (de) Aufhängungsanordnung für halbleiterbeschleunigungsmesser
DE10046958B4 (de) Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Grösse
DE19921863B4 (de) Halbleitersensor für eine dynamische Größe mit Elektroden in einer Rahmenstruktur
DE10247467B4 (de) Kapazitiver Sensor zur Erfassung einer physikalischen Grösse, welcher eine physikalische Grösse entlang einer Mehrzahl von Achsen erfasst
EP0732594B1 (de) Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente
DE19906067B4 (de) Halbleitersensor für physikalische Größen und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102005041059B4 (de) Winkelratensensor und Anbringungsstruktur eines Winkelratensensors
DE102008043524B4 (de) Beschleunigungssensor und Verfahren zu seiner Herstellung
DE10135437B4 (de) Sensor für dynamische Grössen, der bewegliche und feste Elektroden mit hoher Steifigkeit aufweist
DE102005043645A1 (de) Halbleitersensor für eine physikalische Grösse und Verfahren zur Herstellung eines solchen
DE19801981C2 (de) Winkelgeschwindigkeitssensor vom Vibrationstyp
DE10303751B4 (de) Kapazitiver Sensor für eine dynamische Größe
DE102004013583B4 (de) Sensor für eine physikalische Grösse mit einem Balken
DE10130237B4 (de) Kapazitiver Sensor für dynamische Größen mit Verschiebungsabschnitt, hergestellt durch Drahtbonden
DE102004042761A1 (de) Sensoranordnung eines Kapazitätstyps für eine dynamische Grösse
DE102005006156A1 (de) Sensor für eine physikalische Größe, welcher einen Sensorchip und einen Schaltungschip aufweist
DE19520004C2 (de) Beschleunigungssensor
DE10333559A1 (de) Kapazitiver Sensor für eine dynamische Größe, Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensors für eine dynamische Größe und Detektor mit einem kapazitiven Sensor für eine dynamische Größe
DE102004014708B4 (de) Halbleitersensor für eine dynamische Grösse
DE10141867B4 (de) Halbleitersensor für dynamische Grössen mit beweglichen Elektroden und Festelektroden auf einem Unterstützungssubstrat
DE102004023455A1 (de) Kapazitive Sensoranordnung für eine dynamische Größe
DE102006003562A1 (de) Beschleunigungssensor
DE102010038461B4 (de) Drehratensensor und Verfahren zur Herstellung eines Masseelements

Legal Events

Date Code Title Description
8110 Request for examination paragraph 44
R020 Patent grant now final

Effective date: 20110722

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee