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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleitersensor für eine dynamische Größe, welcher mit einem durch Balken bzw. Ausleger gehaltenen beweglichen Abschnitt ausgestattet ist und eine dynamische Größe wie eine Beschleunigung, eine Winkelgeschwindigkeit oder dergleichen erfaßt.
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Ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe ist in der
JP-A-11-326365 offenbart.
5A–
5B stellen schematisch die Struktur des in dem obigen Patentdokument offenbarten Halbleitersensors für eine dynamische Größe (Beschleunigung) dar. Insbesondere zeigt
5A eine Draufsicht auf dieses Sensorelement, und
5B zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie VB-VB von
5A.
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Wie in 5A und 5B dargestellt enthält der Sensor ein Halbleitersubstrat (Siliziumsubstrat) 1, eine Isolierschicht 3 und eine Halbleiterschicht (Siliziumschicht) 3, welche auf der Isolierschicht 2 gebildet ist.
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Die Halbleiterschicht 3 wird wie in 5A dargestellt durch eine bekannte Photolithographietechnik oder dergleichen in ein Muster strukturiert, und die Isolierschicht 2 wird in einem durch eine gestrichelte Linie in 5A angezeigten Bereich ZA selektiv geätzt und entfernt, um einen Grabenabschnitt zu bilden. Das heißt, die Halbleiterschicht 3 wird derart gebildet, daß sie in Bezug auf das Substrat 1 in dem Bereich Z2 entsprechend dem Grabenabschnitt floated und durch die Isolierschicht 2 von dem Substrat 1 in dem anderen Bereich gehalten wird.
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Insbesondere sind eine Masse (Gewichtsabschnitt) 320, welche sich von der Halbleiterschicht 3 ableitet, kammförmige bewegliche Elektroden ME11 und ME12, welche integriert mit der Masse 320 gebildet sind, feste Elektroden FE11 und FE12, welche jeweils an einem Ende davon gehalten werden und jeder beweglichen Elektrode gegenüberliegen, und Balken beziehungsweise Ausleger B11 bis B14 zum Halten der Masse 320 an einem Ende davon innerhalb des Bereichs Z2 gebildet. Des weiteren sind Ankerteile 321, 322, 331 und 332, welche von der Halbleiterschicht 3 abgeleitet sind, außerhalb des Bereichs Z2 gebildet.
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Die anderen Enden der jeweiligen Balken B11 bis B14 werden von den Ankerteilen 321 und 322 gehalten, und die festen Elektroden FE11 und FE12 werden von den Ankerabschnitten 331 bzw. 332 gehalten. Eine aus einem Metall wie Aluminium oder dergleichen gebildete Elektrodenkontaktstelle 410 ist auf dem Ankerabschnitt 321 zur Ausgabe des Potentials der beweglichen Elektroden ME11 und ME12 gebildet. Des weiteren sind aus einem Metall wie Aluminium oder dergleichen gebildete Elektrodenkontaktstellen 411 und 412 auf den Ankerabschnitten 331 und 332 gebildet, um den festen Elektroden FE11 bzw. FE12 Spannungen zuzuführen.
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Die Masse 320 ist derart konstruiert, daß die Balken B11 bis B14 eine Verschiebung der Masse 320 in der Richtung der Y-Achse gestatten, jedoch eine Verschiebung in der Richtung der X-Achse der Masse 320 wie in 5A dargestellt beschränken bzw. verhindern.
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Wenn dementsprechend eine Beschleunigung der Masse 320 in Richtung der Y-Achse aufgebracht wird, werden die beweglichen Elektroden ME11 und ME12, welche integriert mit der Masse 320 gebildet sind, zusammen mit der Verschiebung der Masse 320 in Richtung der Y-Achse gleichfalls in Richtung der Y-Achse verschoben. In diesem Fall wird der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode ME11 und der festen Elektrode FE11 erhöht oder verringert, während der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode ME12 und der festen Elektrode FE12 verringert oder erhöht wird. Das heißt, mit diesem Sensor wird eine Änderung des Abstands zwischen den Elektroden wie oben beschrieben als Änderung der elektrostatischen Kapazität CS1 oder CS2 erfaßt, und es werden die Änderungen der elektrostatischen Kapazität CS1, CS2 als Spannungswert durch beispielsweise einen in 6 dargestellten Schaltkreises mit geschaltetem Kondensator ausgegeben. Die Richtung und die Größe der aufgebrachten Beschleunigung werden auf der Grundlage des somit erzielten Spannungswerts erfaßt.
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Die Konstruktion und der Betrieb des Schaltkreises mit geschaltetem Kondensator werden unter Bezugnahme auf 6 und 7 kurz beschrieben.
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In 6 stellt Bezugszeichen 100 eine äquivalente Schaltung des Halbleitergrößensensors dar. Bezugszeichen 200 stellt einen Schaltkreis mit geschaltetem Kondensator dar. Dabei entspricht ein Anschluß P0 der Schaltung 100 der Elektrodenkontaktstelle 410 des Halbleitergrößensensors, und Anschlüsse P1 und P2 entsprechen den Elektrodenkontaktstellen 411 bzw. 412 des Halbleitergrößensensors. Das durch den Anschluß P0 (Elektrodenkontaktstelle 410) ausgegebene Potential (Ladung) wird dem Schaltkreis mit geschaltetem Kondensator 200 eingegeben.
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Der Schaltkreis mit geschaltetem Kondensator 200 enthält einen Operationsverstärker OP und einen Kondensator Cf sowie einen Schalter SW, welche miteinander parallel in einem Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers OP angeschlossen sind. Ein Signalausgang von dem Anschluß P0 wird dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP eingegeben, und eine Halbspannung einer zwischen den Anschlüssen P1 und P2 der Schaltung 100 (Sensor angelegten Spannung Vcc, d. h., eine Spannung ”Vcc/2”, wird dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP angelegt.
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Als nächstes wird der Betrieb der Schaltungen 100 und 200 in Verbindung mit dem Zeitablaufsdiagramm von 7 beschrieben.
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Wie in 7 dargestellt werden alternierende Signale (Spannungen, welche jeweils zwischen einer Spannung von ”0” V und einer Spannung Vcc alternieren, beispielsweise mit einer Frequenz von 50 kHz bis 150 kHz stationär den Anschlüssen D1 (der Elektrodenkontaktstelle 411) und P2 (der Elektrodenkontaktstelle 412) der Schaltung 100 (Sensor) jeweils aufgebracht, während die alternierenden Signale zueinander eine entgegengesetzte Phase besitzen. Des weiteren wird die EIN/AUS-Operation des Schalters SW des Schaltkreises mit geschaltetem Kondensator 200 synchron mit der alternierenden Frequenz jedes alternierenden Signals (Spannung) gesteuert.
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Dementsprechend ist beispielsweise während der Periode zwischen den Zeitabläufen T1 und T2 der Schalter SW eingeschaltet, so daß die Ausgangsspannung Vo des Schaltkreises mit geschaltetem Kondensator 200 auf der Spannung ”Vcc/2” gehalten wird. Während der Periode zwischen den Zeitabläufen T2 und T3 ist der Schalter S3 ausgeschaltet. Daher wird die Differenz zwischen den Änderungen der elektrostatischen Kapazität CS1 und CS2 in Verbindung mit der Aufbringung der oben beschriebenen Beschleunigung, genauer gesagt, die Differenz zwischen den Änderungen in Verbindung mit der Inversion der zwischen den Anschlüssen P1 und P2 angelegten Spannung in dem Kondensator des Schaltkreises mit geschaltetem Kondensator 200 durch den Anschluß P0 übertragen. Als Ergebnis wird die Ausgangsspannung Vo von dem Schaltkreis mit geschaltetem Kondensator 200 wie folgt dargestellt: Vo = (CS1 – CS2)·Vcc/Cf
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Dementsprechend besitzt die Ausgangsspannung Vo das Potential entsprechend der Kapazitätsdifferenz (CS1 – CS2) der elektrostatischen Kapazität CS1 und der elektrostatischen Kapazität CS2 wie angezeigt.
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Die Ausgangsspannung Vo wird geeignet abgetastet, während die Operation wie oben beschrieben wiederholt wird, und es werden lediglich Niederfrequenzkomponenten von beispielsweise 500 Hz oder weniger aus den abgetasteten Werten extrahiert, wodurch der Wert entsprechend der dem Sensor aufgebrachten Beschleunigung erzielt wird.
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Zusätzlich zu dem Sensor zur Erfassung der Aufbringung einer dynamischen Größe (Beschleunigung) in Richtung einer Achse (einachsige Richtung) wie oben beschrieben ist ein Sensor zum Erfassen einer Aufbringung einer dynamischen Größe (Beschleunigung) in Richtungen zweier orthogonaler Achsen (in zweiachsigen Richtungen) in dem
US-Patent 5,880,369 (siehe
4 dieses Patents) offenbart.
8A und
8B stellen schematisch die Struktur des in dem US-Patent 5,880,369 (
4) offenbarten Halbleitersensors für eine dynamische Größe (Beschleunigung) dar.
8A zeigt eine Draufsicht, welches dieses Sensorelement darstellt, und
8B zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VIIIB-VIIIB.
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Wie in 8A und 8B dargestellt enthält dieser Sensor ebenfalls ein Halbleitersubstrat (Siliziumsubstrat) 1, eine Isolierschicht 2 und eine auf der Isolierschicht 2 gebildete Halbleiterschicht (Siliziumschicht) 3.
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Die Halbleiterschicht 3 wird wie in 8A dargestellt durch eine bekannte Photolithographietechnik oder dergleichen in ein Muster strukturiert, und es wird die Isolierschicht 2 in einem durch eine gestrichelte Linie in 8A angezeigten Bereich Z3 selektiv geätzt und entfernt, um einen Grabenabschnitt zu bilden. Das heißt, die Halbleiterschicht 3 wird derart gebildet, daß sie in Bezug auf das Substrat 1 in dem Bereich Z3 entsprechend dem Grabenabschnitt floated und durch die Isolierschicht 2 von dem Substrat 1 in dem anderen Bereich getragen wird.
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Insbesondere sind eine Masse (Gewichtsabschnitt) 340, welche von der Halbleiterschicht 3 abgeleitet ist, kammförmige bewegliche Elektronen ME21 bis ME24, welche integriert mit der Masse 340 gebildet sind, feste Elektroden FE21 bis FE24, welche jeweils an einem Ende davon gehalten werden, um jeder beweglichen Elektrode gegenüberzuliegen, und Balken bzw. Ausleger B21 bis B28 zum Halten der Masse 340 an einem Ende davon innerhalb des Bereiches Z3 gebildet. Des weiteren sind Balkenbefestigungsabschnitte S21 bis S24 und Ankerabschnitte 351 bis 354, welche von der Halbleiterschicht 3 abgeleitet sind, außerhalb des Bereiches Z3 gebildet.
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Die anderen Enden der jeweiligen Balken B21 bis B28 werden von den Balkenbefestigungsabschnitten S21 bis S24 gehalten, und die festen Elektroden FE21 bis FE24 werden von den anderen Ankerteilen 351 bis 354 jeweils gehalten. Eine aus einem Metall wie Aluminium oder dergleichen gebildete Elektrodenkontaktstelle 420 ist auf dem Balkenbefestigungsabschnitt S22 gebildet, um das Potential der beweglichen Elektroden ME21 bis ME24 auszugeben. Des weiteren sind die aus einem Metall wie Aluminium oder dergleichen gebildeten Elektrodenkontaktstellen 421 bis 424 auf den Ankerteilen 351 bis 354 gebildet, um den festen Elektroden FE21 bis FE24 jeweils Spannungen zuzuführen.
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Dabei ist die Masse 340 derart konstruiert, daß die Balken B21 bis B24 eine Verschiebung der Masse 340 in Richtung der X-Achse ermöglichen und die Balken B25 bis B28 eine Verschiebung der Masse 340 wie in 8A dargestellt in Richtung der Y-Achse ermöglicht.
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Wenn dementsprechend beispielsweise eine Beschleunigung in Richtung der X-Achse der Masse 340 aufgebracht wird, werden gleichfalls die beweglichen Elektroden ME21 und ME22, welche mit der Masse 340 integriert gebildet sind, in Richtung der X-Achse in Verbindung mit der Verschiebung der Masse 340 in Richtung der X-Achse verschoben. In diesem Fall wird der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode ME21 und der festen Elektrode FE21 erhöht oder verringert, während der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode ME22 und der festen Elektrode FE22 verringert oder erhöht wird. Wenn des weiteren eine Beschleunigung in Richtung Y-Achse der Masse 340 aufgebracht wird, werden gleichfalls die beweglichen Elektroden ME23 und ME24, welche mit der Masse 340 integriert gebildet sind, in Richtung der Y-Achse in Verbindung mit der Verschiebung der Masse 340 in Richtung der Y-Achse verschoben. In diesem Fall wird der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode ME23 und der festen Elektrode FE23 erhöht oder verringert, während der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode ME24 und der festen Elektrode FE24 verringert oder erhöht wird.
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Mit diesem Sensor wird die Änderung des Abstands zwischen den jeweiligen Elektroden wie oben beschrieben als die Änderung der elektrostatischen Kapazität erfaßt, und es werden die Änderungen der elektrostatischen Kapazität in Richtung der X-Achse und in Richtung der Y-Achse in Spannungswerte durch den in 6 dargestellten Schaltkreis mit geschaltetem Kondensator umgewandelt.
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Wie oben beschrieben ist es bei dem in 8A und 8B dargestellten Halbleitersensor für eine dynamische Größe möglich, das Aufbringen der dynamischen Größen (Beschleunigung) in Richtung zweier orthogonaler Achsen zu erfassen. Jedoch nimmt der herkömmliche Sensor wie oben beschrieben eine Struktur mit einem geringen Freiheitsgrad an, wobei eine Masse gemeinsam durch zwei Arten von Balken getragen werden, um die Verschiebungen der Masse in Richtung der zwei Achsen zu ermöglichen.
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Wenn insbesondere wie in 8A dargestellt eine Verschiebung der Masse 340 in Richtung der X-Achse erwogen wird, sind die Balken B21 bis B24 derart angeordnet, daß die Verschiebung der Masse 340 in Richtung der X-Achse ermöglicht wird. Demgegenüber sind die anderen Balken B25 bis B28 derart angeordnet, daß die Verschiebung der Masse 340 in Richtung der X-Achse beschränkt bzw. unterdrückt wird. Wenn umgekehrt die Verschiebung der Masse 340 in Richtung der Y-Achse erwogen wird, ermöglichen die Balken B25 bis B28 die Verschiebung der Masse 340 in Richtung der Y-Achse, wohingegen die Balken B21 bis B24 die Verschiebung der Masse 340 in Richtung der Y-Achse beschränken bzw. unterdrücken.
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Wie oben beschrieben ist der herkömmliche Halbleitergrößensensor derart konstruiert, daß die Aufbringung der dynamischen Größe (Beschleunigung) in Richtungen zweier orthogonaler Achsen erfaßt werden kann. Jedoch greift die Verschiebung der Masse in Richtung der einen Achse in die Verschiebung der Masse in Richtung der anderen Achse ein. Dies wird als Eingriff in einer Achse und Verringerung der Empfindlichkeit in der anderen Achse bezeichnet. Daher ist bei einem herkömmlichen Halbleitersensor für eine dynamische Größe eine Verringerung der Empfindlichkeit in der anderen Achse unvermeidbar.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obige Situation implementiert und es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, einen Halbleitersensor für eine dynamische Größe zu schaffen, welcher derart konstruiert ist, daß er einen hohen Freiheitsgrad aufweist und eine dynamische Größe mit hoher Genauigkeit sogar dann erfassen kann, wenn die dynamische Größe in zwei orthogonalen Richtungen aufgebracht wird.
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Eine Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Entsprechend einer ersten Ausbildung der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe geschaffen, welcher eine Masse aufweist, die auf einem Halbleitersubstrat durch Balken bzw. Ausleger angebracht ist und entsprechend der Aufbringung einer dynamischen Größe verschoben wird, und die somit aufgebrachte dynamische Größe auf der Grundlage einer Änderung einer elektrischen Charakteristik zwischen beweglichen Elektroden, welche integriert mit der Masse gebildet sind, und festen Elektroden erfaßt, welche jeweils an einem Ende davon von einem Halbleitersubstrat getragen werden, wobei die Masse in eine Mehrzahl von Massen aufgeteilt ist, die in Serie angeordnet sind. Die jeweiligen Massen sind miteinander durch Verbindungsbalken verbunden, um es den Massen zu ermöglichen, daß sie verschoben werden, um sich einander anzunähern und voneinander wegzubewegen.
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Durch Annahme der oben für den Halbleitersensor für eine dynamische Größe beschriebenen Massenstruktur erfährt wenigstens eine Masse aus der unterteilten Masse, deren beide Enden durch die Verbindungsbalken verbunden sind, keine Beeinflussung bzw. Störung bei der Verschiebung in der Richtung der Verbindung davon. Darüber hinaus ist die Richtung der Verbindung jeder Masse willkürlich gewählt, und die somit verbundenen Massen können derart konstruiert werden, daß sie in der Richtung orthogonal zu der Richtung der Verschiebung verschiebbar sind. Daher kann bei dem Halbleitersensor für eine dynamische Größe, welcher die obige Struktur aufweist, der Freiheitsgrad für die Konstruktion stark verbessert werden, und es kann sogar das Aufbringen einer dynamischen Größe in Richtungen zweier orthogonaler Achsen mit einer höheren Genauigkeit erfaßt werden. Im wesentlichen können die Massen in einer unterteilten Konfiguration angeordnet sein. Jedoch wird im Hinblick auf die Eigenschaften des Sensors verlangt, daß die Masse auf eine solche Aufteilungsweise aufgeteilt ist, daß jede Masse eine höhere Festigkeit als die Verbindungsbalken besitzt.
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Entsprechend einer zweiten Ausbildung der vorliegenden Erfindung kann die Aufbringung der dynamischen Größe in Richtungen der zwei orthogonalen Achsen mit einer höheren Genauigkeit erfaßt werden, ohne daß die Empfindlichkeit in einer anderen Achse durch Annahme der folgenden Strukturen verringert wird.
- (a) Die Masse wird auf drei Massen (erste bis dritte Massen) in Reihe aufgeteilt.
- (b) Die an beiden Enden der Masse befindlichen ersten und dritten Massen sind auf einem Halbleitersubstrat durch Balken derart angebracht, daß eine Verschiebung in der Richtung orthogonal zu der Verbindungsrichtung der Massen ermöglicht wird, und besitzen mit den jeweiligen Massen integriert gebildete bewegliche Elektroden derart, daß die Aufbringung einer dynamischen Größe in der Richtung erfaßt wird, entlang der es den Massen ermöglicht wird, verschoben zu werden.
- (c) Die zweite Masse, welche mit den ersten und dritten Massen durch Verbindungsbalken verbunden ist, um an der mittleren Position zwischen den ersten und dritten Massen befindlich zu sein, besitzt eine bewegliche Elektrode, welche derart mit der zweiten Masse integriert gebildet ist, daß die Aufbringung der physikalischen Größe in der Verbindungsrichtung der Massen erfaßt wird, welche der Richtung entspricht, in welcher die Verschiebung ermöglicht ist.
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Entsprechend einer dritten Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist der oben beschriebene Halbleitersensor für eine dynamische Größe derart konstruiert, daß ein SOI-Substrat, welches einen Isolierfilm und einen Siliziumfilm, welcher auf einem Substrat wie einem Siliziumsubstrat oder dergleichen gebildet ist, als das Halbleitersubstrat verwendet wird, und jede Masse und die bewegliche Elektrode sowie die integriert mit der Masse gebildete feste Elektrode sind aus dem Siliziumfilm gebildet, wodurch ein dynamischer Größensensor, welcher eine Stabilität und eine hohe Erfassungsgenauigkeit besitzt, unter Verwendung eines bekannten Halbleiterherstellungsprozesses leicht hergestellt werden kann.
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In diesem Fall ist entsprechend einer vierten Ausbildung der vorliegenden Erfindung der Halbleitersensor für eine dynamische Größe derart konstruiert, daß der Siliziumfilm um jede Masse und die beweglichen und festen Elektroden herum auf dem Halbleitersubstrat verbleibt, um diese Elemente zu umgeben. Daher kann der Halbleitersensor für eine dynamische Größe während des Installierens des Sensors, usw. leicht gehandhabt werden.
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Des weiteren ist in diesem Fall entsprechend einer fünften Ausbildung der vorliegenden Erfindung eine Elektrode zum Festlegen des Potentials des Siliziumfilms, welcher um jede Masse und die beweglichen und festen Elektroden auf dem Halbleitersubstrat verblieben ist, um diese Elemente in einen konstanten Betrag zu umgeben, mit dem Siliziumfilm derart ausgestattet, daß jede Masse und die beweglichen und festen Elektroden davon durch den Siliziumfilm elektrisch abgeschirmt werden können. Das heißt, die Änderung der elektrischen Charakteristik zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode infolge der Verschiebung der Masse kann vor einer äußeren Störung wie einem Rauschen oder dergleichen geschützt werden.
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Entsprechend einer sechsten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist eine Kappe zum Bedecken jeder Masse und der beweglichen und festen Elektroden auf dem Halbleitersubstrat wenigstens mit dem Bildungsabschnitt davon ausgestattet, wo die Masse und die beweglichen und die festen Elektroden gebildet sind. Durch Vorsehen der Kappe können die Masse und die beweglichen und festen Elektroden, welche eine feine Struktur besitzen, mechanisch geschützt werden.
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In diesem Fall ist entsprechend einer siebenten Ausbildung der vorliegenden Erfindung die Kappe aus einem leitenden Material oder einem Halbleitermaterial gebildet, welches haftend an dem Halbleitersubstrat durch ein isolierendes Haftmittel an der Kontaktstelle davon mit dem Halbleitersubstrat befestigt ist. Daher können jede Masse und die beweglichen und festen Elektroden davon durch die Kappe elektrisch abgeschirmt sein. Das heißt, in diesem Fall kann ebenfalls die Änderung der elektrischen Charakteristik zwischen den beweglichen und festen Elektroden infolge einer Verschiebung der Masse vor äußeren Störungen wie einem Rauschen oder dergleichen geschützt werden.
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Entsprechend einer achten Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist die Kappe mit einer Elektrode zum Festlegen des Potentials der Kappe auf einen konstanten Wert ausgestattet, wodurch der Abschirmeffekt weiter verbessert werden kann.
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Wenn die obigen Strukturen mit der Struktur der fünften Ausbildung der vorliegenden Erfindung kombiniert werden, kann der Abschirmeffekt weiter verbessert werden.
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Wenn entsprechend einer neunten Ausbildung der vorliegenden Erfindung der Halbleitersensor für eine dynamische Größe als Beschleunigungssensor verwendet wird, kann eine Aufbringung einer Beschleunigung in Richtungen der zwei orthogonalen Achsen mit einer höheren Genauigkeit erfaßt werden, ohne daß die Empfindlichkeit in der anderen Achse verringert wird.
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Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
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1A–1C stellen eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Halbleitersensors für eine dynamische Größe dar, wobei 1A eine Draufsicht auf die Struktur des Sensors, 1B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IB-IB von 1A und 1C eine Querschnittsansicht entlang der Linie IC-IC von 1A darstellen;
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2 zeigt eine Tabelle, welche Ergebnisse einer Analyse eines Vergleichsmodells zwischen den Halbleitersensor für eine dynamische Größe der ersten bevorzugten Ausführungsform und einem herkömmlichen Halbleitersensor für eine dynamische Größe darstellt;
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3A–3C stellen eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Halbleitersensors für eine dynamische Größe dar, wobei 3A eine Draufsicht auf die Struktur des Sensors, 3B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIIB-IIIB von 3A und 3C eine Querschnittsansicht entlang der Linie IIIC-IIIC von 3A darstellen;
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4A–4C stellen eine bevorzugte Ausführungsform des Halbleitersensors für eine dynamische Größe dar, wobei 4A eine Draufsicht auf die Struktur des Sensors, 4B eine Querschnittsansicht entlang der Linie IVB-IVB von 4A und 4C eine Querschnittsansicht entlang der Linie IVC-IVC von 4A darstellen;
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5A und 5B stellen ein Beispiel eines herkömmlichen Halbleitersensors für eine dynamische Größe eines einachsigen Typs dar, wobei 5A eine Draufsicht auf die Struktur des Sensors und 5B eine Querschnittsansicht entlang der Linie VB-VB von 5B darstellen;
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6 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches die Konstruktion eines Schaltkreises mit geschaltetem Kondensator darstellt;
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7 zeigt ein Zeitablaufsdiagramm, welches ein Beispiel des Betriebs des Schaltkreises mit geschaltetem Kondensator darstellt; und
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8A und 8B stellen ein Beispiel eines herkömmlichen Halbleitersensors für eine dynamische Größe eines zweiachsigen Typs dar, wobei 8A eine Draufsicht auf die Struktur des Sensors und 8B eine Querschnittsansicht entlang der Linie VIIIB-VIIIB von 8B darstellen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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Entsprechend 1A–1C wird eine erste bevorzugte Ausführungsform des Halbleitersensors für eine dynamische Größe erörtert. Ähnlich wie bei dem in 8A dargestellten herkömmlichen Sensor erfaßt der Halbleitersensor für eine dynamische Größe (Beschleunigung) in Richtungen zweier orthogonaler Achsen. Jedoch kann bei diesem Sensor der ersten Ausführungsform eine Verringerung der Empfindlichkeit in der anderen Achse durch Annahme einer Massenstruktur und einer Balkenstruktur wie unten erörtert unterdrückt werden.
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Die Massenstruktur und die Balkenstruktur des Sensors dieser Ausführungsform werden unter Bezugnahme auf 1A–1C beschrieben. 1A zeigt eine Draufsicht auf das Sensorelement, 1B zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie IB-IB von 1A, und 1C zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie IC-IC von 1A, und 1C zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie IC-IC von 1A.
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Wie in 1A bis 1C dargestellt enthält dieser Sensor im wesentlichen ein Halbleitersubstrat (Siliziumsubstrat) 1, eine Isolierschicht 2 und eine auf der Isolierschicht 2 gebildete Halbleiterschicht (Siliziumschicht) 3. Das heißt, wie in dem Fall des oben beschriebenen herkömmlichen Sensors ist der Sensor dieser Ausführungsform derart konstruiert, daß er unter Verwendung eines normalen SOI-Substrats leicht bearbeitet werden kann. Bei dieser Ausführungsform wird die Halbleiterschicht 3 im wesentlichen einer Strukturierung in ein Muster wie in 1A dargestellt durch eine bekannte Photolithographietechnik oder dergleichen unterworfen, und es wird die Isolierschicht 2 in einem durch eine gestrichelte Linie in 1A angezeigten Bereich Z1 selektiv geätzt und entfernt, um einen Grabenabschnitt zu bilden. Das heißt, es wird die Halbleiterschicht 3 derart gebildet, daß sie in Bezug auf das Substrat 1 in dem Bereich Z1 entsprechend dem Grabenabschnitt floated und durch die Isolierschicht 2 von dem Substrat 1 in dem anderen Bereich gehalten wird.
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Insbesondere sind Massen (Gewichtsabschnitte) 301 bis 303, welche aus der Halbleiterschicht 3 abgeleitet sind, kammförmige bewegliche Elektroden ME1 bis ME4, welche jeweils integriert mit jeder entsprechenden Masse gebildet sind, feste Elektroden FE1 bis FE4, welche jeweils an einem Ende davon gehalten werden, um jeder beweglichen Elektrode gegenüberzuliegen, und Balken B1 bis B4 und Verbindungsbalken bzw. -ausleger CB1 bis CB4 innerhalb des Bereichs Z1 gebildet. Das heißt, bei dieser Ausführungsform sind die Massen 301 bis 303 derart aufgeteilt, daß sie in Reihen angeordnet und miteinander durch die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 verbunden sind. Die Massen 301 (erste Masse) und 303 (dritte Masse) werden von den Balken B1 bis B4 gehalten. Die Massen 301 und 303 sind derart unterteilt angeordnet, daß jede Masse wenigstens eine höher Festigkeit als die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 besitzt. Demgegenüber sind die Balkenbefestigungsabschnitte S1 bis S4 und die Ankerabschnitte 311 bis 314, welche von der Halbleiterschicht 3 abgeleitet sind, auf dem Bereich Z1 gebildet.
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Die anderen Enden der jeweiligen Balken B1 bis B4 werden von den Balkenbefestigungsabschnitten S1 bis S4 gehalten, und die festen Elektroden FE1 bis FE4 werden von den Ankerabschnitten 311 bis 314 jeweils gehalten. Eine aus einem Metall wie Aluminium oder dergleichen gebildete Elektrodenkontaktstelle 400 ist auf dem Balkenbefestigungsabschnitt S2 gebildet, um das Potential jeder beweglichen Elektrode ME1 bis ME4 auszugeben. Des weiteren sind die aus einem Metall wie Aluminium oder dergleichen gebildeten Elektrodenkontaktstellen 401 bis 404 auf den Ankerabschnitten 311 bis 314 gebildet, um den festen Elektroden FE1 bis FE4 Spannungen zuzuführen.
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Dabei ist es aus 1 ersichtlich, daß die Balken B1 bis B4 derart konstruiert sind, daß sie eine Verschiebung in Richtung der X-Achse jeder der Massen 301 bis 303, welche durch die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 entsprechend 1A miteinander verbunden sind, gestatten und eine Verschiebung in Richtung der Y-Achse der Massen 301 und 303 beschränken bzw. unterdrücken, welche mit den Verbindungsbalken CB1 bis CB4 verbunden sind. Des weiteren ist es im Hinblick auf die mittlere Masse bzw. Mittelmasse 302 (zweite Masse) entsprechend 1A ersichtlich, daß die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 derart konstruiert sind, daß sie die Verschiebung der Masse 302 in der Richtung der X-Achse andern und lediglich die Verschiebung der Masse 302 in Richtung der Y-Achse ermöglichen. Da jedoch die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 nicht von dem Halbleitersubstrat 1 gehalten werden, werden die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 und die Massen 301 bis 303 in Richtung der X-Achse integriert verschoben, wenn eine Beschleunigung dem Sensor in Richtung der X-Achse aufgebracht wird.
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Dementsprechend greifen die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 nicht in die Verschiebung jeder der Massen 301 bis 303 in Richtung der X-Achse ein. Darüber hinaus ist von den Massen 301 bis 303 die mittlere Masse 302, welcher insbesondere gestattet wird, sich entsprechend 1A in Richtung der Y-Achse zu verschieben, dynamisch unabhängig von den Balken B1 bis B4, welche von dem Halbleitersubstrat 1 gehalten werden, derart angeordnet, daß die Balken B1 bis B4 nicht in die Verschiebung der mittleren Masse 302 in Richtung der Y-Achse eingreifen.
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Wie oben beschrieben greifen bei dem Halbleitersensor für eine dynamische Größe dieser Ausführungsform sogar dann, wenn eine Beschleunigung in einer Richtung der Richtungen zweier orthogonaler Achsen (der Richtung der X-Achse und der Richtung der Y-Achse) aufgebracht wird, die Balken B1 bis B4 und die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 nicht in die Verschiebung der Massen 301 bis 303 auf die Seite der anderen Achse ein, und es kann die höhere Empfindlichkeit in der anderen Achse gehalten werden.
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Bei dem Sensor dieser Ausführungsform wird die Beschleunigung in Richtung der X-Achse oder in Richtung der Y-Achse entsprechend 1A auf die folgende Weise durch die Massenstruktur und die Balkenstruktur wie oben beschrieben aufgebracht.
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D. h., wenn die Beschleunigung in Richtung der X-Achse jeder der Massen 303 bis 301 aufgebracht wird, wird die gesamte Anordnung der Massen, welche die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 enthalten, in Richtung der X-Achse verschoben, und es werden die mit den Massen 301 und 303 integriert gebildeten beweglichen Elektroden ME1 und ME2 gleichfalls in Richtung der X-Achse in Verbindung mit der Verschiebung der gesamten Massenanordnung in Richtung der X-Achse verschoben. In diesem Fall wird der Abstand der beweglichen Elektrode ME1 und der festen Elektrode FE1 erhöht oder verringert, während der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode ME2 und der festen Elektrode FE2 verringert oder erhöht wird.
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Wenn des weiteren die Beschleunigung in Richtung der Y-Achse entsprechend 1A jeder der Massen 301 bis 303 in Verbindung mit der Verschiebung in Richtung der Y-Achse der mittleren Masse 302 aufgebracht wird, werden die integriert mit der mittleren Masse 302 gebildeten beweglichen Elektroden ME3 und ME4 gleichfalls in Richtung der Y-Achse verschoben. In diesem Fall wird der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode ME3 und der festen Elektrode FE3 erhöht oder verringert, während der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode ME4 und der festen Elektrode FE4 verringert oder erhöht wird.
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Bei dem Sensor dieser Ausführungsform wird die Änderung des Abstands zwischen den Elektroden wie oben beschrieben, welche durch die Aufbringung der Beschleunigung in Richtung der X-Achse oder in Richtung der Y-Achse entsprechend 1A hervorgerufen wird, als Änderung jeder elektrostatischen Kapazität erfaßt. Die Änderung der elektrostatischen Kapazität wie oben beschrieben wird durch den in 6 dargestellten Schaltkreis mit geschaltetem Kondensator oder dergleichen in einen Spannungswert umgewandelt.
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2 zeigt eine Tabelle, welche Ergebnisse einer Modellanalyse zwischen dem Halbleitersensor für eine dynamische Größe der oben beschriebenen ersten Ausführungsform und dem in 8 dargestellten herkömmlichen Halbleitersensor für eine dynamische Größe darstellt, wenn diese Sensoren äquivalent modelliert sind.
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In der Tabelle von 2 stellen ”Z-Richtung” in der ”Resonanzmodus”-Spalte einen Resonanzmodus in Richtung der Z-Achse dar, ”Massenrotation” stellt einen Resonanzmodus dar, welcher für die Rotation jeder Masse relevant ist, wenn die Z-Achse als die Rotationsachse festgelegt worden ist, und ”Balkenwoge” bzw. ”Balkenwelle” (”beam surge”) stellt einen Resonanzmodus dar, welcher für eine Schwingung (Welle) der Balken relevant ist, wenn die X-Achse oder Y-Achse als die Rotationsachse festgelegt worden ist. Die numerischen Werte in diesen Ausdrücken der ”Resonanzmodus”-Spalte sind relative Werte, wobei die Resonanzfrequenz der Erfassungsrichtung (Richtung der X-Achse und Richtung der Y-Achse) auf ”1” normiert ist. Die numerischen Werte in Klammern sind die eigentlichen Frequenzen für diese Ausdrücke. Wenn diese relativen Werte oder Resonanzfrequenzen größer als der Wert ”1” oder die Resonanzfrequenz in Richtung der Erfassung sind, greifen diese Resonanzmodi kaum in die Verschiebung in Richtung der Erfassung ein.
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Entsprechend den Ergebnissen der Modellanalyse von 2 besitzt der Sensor dieser Ausführungsform größere relative Werte oder Resonanzfrequenzen in irgendeinem Resonanzmodus als der herkömmliche Sensor. Insbesondere sind diese Werte in der ”Z-Richtung” und der ”Balkenwelle” sehr viel größer als bei dem herkömmlichen Sensor. D. h., bei dem Sensor, welcher die Massenstruktur und die Strahlstruktur dieser Ausführungsform aufweist, können nicht nur die Empfindlichkeit in der anderen Achse zwischen der Richtung der X-Achse und der Richtung der Y-Achse, sondern ebenfalls die Empfindlichkeit in der anderen Achse bezüglich der Richtung der Z-Achse hoch gehalten werden. Des weiteren tritt eine ”Balkenwelle” selten in der Erfassungsrichtung auf, und somit kann die Erfassung einer Beschleunigung in diesen Erfassungsrichtungen stabil und mit einer hohen Genauigkeit durchgeführt werden.
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Wie oben beschrieben besitzt der Halbleitersensor für eine dynamische Größe dieser Ausführungsform die folgenden hervorragenden Wirkungen.
- (1) Die Masse, welche als der Gewichtsabschnitt dient, ist in die Massen 301 bis 303 in Serie aufgeteilt, und die somit aufgeteilten jeweiligen Massen 301 bis 303 sind durch die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 miteinander verbunden. Bezüglich der an den Endabschnitten befindlichen Massen 301 und 303 werden diese Massen 301 und 303 durch die Balken B1 bis B4 von dem Halbleitersubstrat 1 derart gehalten, daß die Verschiebung dieser Massen in der Richtung orthogonal zu der Verbindungsrichtung der Massen 301 bis 303 ermöglicht wird. Des weiteren ist bezüglich der an der mittleren Position befindlichen Masse 302 von den Massen 301 bis 303 lediglich die Verschiebung der Masse 302 in der Verbindungsrichtung durch die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 ermöglicht. Unter Verwendung der Massenstruktur und der Balkenstruktur wie oben beschrieben kann die Aufbringung der dynamischen Größe (Beschleunigung) in Richtungen der zwei orthogonalen Achsen mit einer höheren Genauigkeit erfaßt werden, ohne daß die Empfindlichkeit in der anderen Achse zwischen diesen zwei Achsenrichtungen verringert ist.
- (2) Es kann ein normales SOI-Substrat, welches ein Halbleitersubstrat 1, eine Isolierschicht 2 und eine Siliziumschicht 3 enthält, bei dem Herstellungsprozeß verwendet werden, und es kann die Massenstruktur und die Balkenstruktur leicht unter Verwendung eines bekannten Halbleiterprozesses erzielt werden.
- (3) Wie aus den in 2 dargestellten Ergebnissen der Modellanalyse ersichtlich kann nicht nur die Empfindlichkeit in der anderen Achse zwischen der Richtung der X-Achse und der Richtung der Y-Achse wie der Erfassungsrichtung, sondern ebenfalls die Empfindlichkeit in der anderen Achse bezüglich der Richtung der Z-Achse hoch gehalten werden. Des weiteren tritt selten eine ”Balkenwelle” in den Erfassungsrichtungen auf, so daß die Beschleunigungserfassung in den Erfassungsrichtungen stabil und mit einer hohen Genauigkeit durchgeführt werden kann.
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Zweite Ausführungsform
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Anhand der 3A–3C wird eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Halbleitersensors für eine dynamische Größe erörtert. Wie bei dem Fall des Sensors der ersten Ausführungsform erfaßt der Halbleitersensor für eine dynamische Größe dieser Ausführungsform die dynamische Größe (Beschleunigung) in Richtungen der zwei orthogonalen Achsen und unterdrückt eine Verringerung der Empfindlichkeit in der anderen Achse durch Verwendung der oben beschriebenen Massenstruktur und Balkenstruktur. Darüber hinaus umgibt bei dem Sensor dieser Ausführungsform die Halbleiterschicht 3 die jeweiligen Massen, die beweglichen und festen Elektroden und die Ankerteile, und es ist eine Elektrode zum Festlegen des Potentials der Halbleiterschicht 3 auf einen konstanten Wert mit der Halbleiterschicht 3 ausgestattet, wodurch die mechanische Festigkeit des Substrats und die elektrische Charakteristik verbessert wird.
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Die Struktur des Sensors dieser Ausführungsform wird detailliert unter Bezugnahme auf 3A bis 3C beschrieben. 3A zeigt eine Draufsicht auf das Sensorelement, 3B zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie IIIB-IIIB von 3A, und 3C zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie IIIC-IIIC von 3A. In 3A bis 3C werden dieselben Elemente wie diejenigen in 1A bis 1A mit denselben Bezugszeichen dargestellt, und es werden gleiche bzw. redundante Beschreibungen davon weggelassen.
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Der Halbleitersensor für eine dynamische Größe dieser Ausführungsform besitzt im wesentlichen dieselbe Grundstruktur wie diejenige der ersten Ausführungsform. D. h., wie in 3A bis 3C dargestellt enthält der Sensor etwa ein Halbleitersubstrat (Siliziumsubstrat) 1, eine Isolierschicht 2 und eine Halbleiterschicht (Siliziumschicht) 3, welche auf der Isolierschicht 2 gebildet ist. Die Halbleiterschicht 3 wird im wesentlichen einer Strukturierung in ein Muster wie in 3A dargestellt durch eine bekannte Photolithographietechnik oder dergleichen unterworfen, und die Isolierschicht 2 wird in einem durch eine gestrichelte Linie in 3A angezeigten Bereich Z1 selektiv geätzt und entfernt, um einen Grabenabschnitt zu bilden. D. h., die Halbleiterschicht 3 wird derart gebildet, daß sie im Bezug auf das Substrat 1 in dem Bereich Z1 entsprechend dem Grabenabschnitt floated und durch die Isolierschicht 2 von dem Substrat 1 in dem anderen Bereich gehalten wird. Die Massenstruktur, die Balkenstruktur und die jeweiligen Elektrodenstrukturen, usw. innerhalb und außerhalb des Bereichs Z1 sind dieselben wie bei der in 1A bis 1C dargestellten ersten Ausführungsform.
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Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Halbleiterschicht 3 stehengelassen, um die jeweiligen Massen 301 bis 303, die beweglichen Elektroden ME1 bis ME4, die festen Elektroden FE1 bis FE4 und des weiteren die Ankerteile 311 bis 314 wie in 3A bis 3C dargestellt zu umgeben. Eine aus Aluminium oder dergleichen gebildete Elektrodenkontaktstelle 405 ist auf der Halbleiterschicht 3 gebildet, die somit verbleibt, um das Potential der Halbleiterschicht 3 auf einen konstanten Wert festzulegen.
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Durch Annahme der obigen Struktur für den Halbleitersensor für eine dynamische Größe können die jeweiligen Massen 301 bis 303, die beweglichen Elektroden ME1 bis ME4, die festen Elektroden FE1 bis FE4 und die Ankerabschnitte 311 bis 314 durch die verbleibende Halbleiterschicht 3 elektrisch abgeschirmt werden. D. h., die Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden ME1 bis ME4 und den festen Elektroden FE1 bis FE4, welche durch die Verschiebung von jeder der Massen 301 bis 303 hervorgerufen wird, kann vor äußeren Störungen wie einem Rauschen oder dergleichen geschützt werden. Des weiteren wird die Festigkeit des Sensors selbst durch die verbleibende Halbleiterschicht 3 verbessert, und es kann der Sensor beim Installieren einfach gehandhabt werden.
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Wie oben beschrieben können bei den Halbleitersensor für eine dynamische Größe der zweiten Ausführungsform dieselben Wirkungen (1) bis (3) wie bei der ersten Ausführungsform erzielt werden, und es können ebenfalls die folgenden neuen Wirkungen (4) und (5) erzielt werden.
- (4) Der Sensor selbst wird in seiner Festigkeit durch die verbleibende Halbleiterschicht 3 verbessert, und es kann der Sensor beim Installieren des Sensors einfach gehandhabt werden.
- (5) Die jeweiligen Massen, die beweglichen Elektroden, die festen Elektroden und die Ankerabschnitte können durch die verbleibende Halbleiterschicht 3 elektrisch abgeschirmt werden. Das heißt, die Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden und den festen Elektroden infolge der Verschiebung der Massen kann vor einem Rauschen oder dergleichen geschützt werden, und es kann die aufgebrachte dynamische Größe (Beschleunigung) stabil und mit einer hohen Genauigkeit erfaßt werden.
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Dritte Ausführungsform
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Anhand von 4A–4C wird eine dritte bevorzugte Ausführungsform des Halbleitersensors für eine dynamische Größe erörtert. Wie in dem Fall der Sensoren der ersten und zweiten Ausführungsformen erfaßt der Halbleitersensor für eine dynamische Größe dieser Ausführungsform die dynamische Größe (Beschleunigung) in Richtungen der zwei orthogonalen Achsen und unterdrückt eine Verringerung der Empfindlichkeit in der anderen Achse durch Annahme der oben beschriebenen Massenstruktur und Balkenstruktur. Des weiteren umgibt bei dieser Ausführungsform ähnlich wie bei dem Sensor der obigen zweiten Ausführungsform die Halbleiterschicht 3 die jeweiligen Massen, die beweglichen Elektroden, die festen Elektroden und die Ankerteile, und es ist eine Elektrode zum Festlegen des Potentials der Halbleiterschicht 3 auf einen konstanten Wert mit der Halbleiterschicht 3 ausgestattet. Dementsprechend kann die mechanische Festigkeit des Substrats und die elektrische Charakteristik wie oben beschrieben verbessert werden. Des weiteren können bei dem Sensor dieser Ausführungsform die jeweiligen Massen, die beweglichen Elektroden, die festen Elektroden, usw., welche Mikrostrukturen aufweisen, durch Vorsehen einer Kappe 5 an einem Bildungsabschnitt der jeweiligen Massen, der beweglichen Elektroden, der festen Elektroden und der Ankerabschnitte 5 durch Bedeckung der Oberseite dieser Elemente mechanisch geschützt werden.
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Die Struktur des Sensors dieser Ausführungsform wird detailliert unter Bezugnahme auf 4A bis 4C beschrieben. 4A zeigt eine Draufsicht auf das Sensorelement, 4B zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie IVB-IVB von 4A, und 4C zeigt eine Querschnittsansicht entlang Linie IVC-IVC von 4A. In Fi4A bis 4C werden dieselben Elemente wie in 1A bis 1C und den 3A bis 3C gezeigt oder die entsprechenden Elemente durch dieselben Bezugszeichen dargestellt, und es wird eine gleiche bzw. redundante Beschreibung davon weggelassen.
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Die grundlegende Konstruktion innerhalb der Kappe des Halbleitersensors für eine dynamische Größe dieser Ausführungsform ist im wesentlichen identisch zu derjenigen der zweiten Ausführungsform.
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Das heißt wie in 4A bis 4C dargestellt enthält der Sensor dieser Ausführungsform ein Halbleitersubstrat (Siliziumsubstrat) 1, eine Isolierschicht 2 und eine auf der Isolierschicht 2 gebildete Halbleiterschicht (Siliziumschicht) 3.
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Die Halbleiterschicht 3 wird grundsätzlich einer Strukturierung in ein Muster wie in 4A dargestellt durch eine bekannte Photolithographietechnik oder dergleichen unterworfen, und es wird die Isolierschicht 2 in einem durch eine gestrichelte Linie in 4A angezeigten Bereich Z1 selektiv geätzt und entfernt, um einen geraden Abschnitt zu bilden. Das heißt, die Halbleiterschicht 3 wird derart gebildet, daß sie in Bezug auf das Substrat in dem Bereich Z1 entsprechend dem geraden Abschnitt floated und durch die Isolierschicht 2 von dem Substrat 1 in dem anderen Bereich gehalten wird. Die Massenstruktur, die Balkenstruktur und die jeweiligen Elektrodenstrukturen, usw. innerhalb und außerhalb des Bereichs Z1 sind dieselben wie bei der in 1A bis 1C dargestellten ersten Ausführungsform oder der in 3A bis 3C dargestellten zweiten Ausführungsform. Jedoch sind bei dieser Ausführungsform die Elektrodenkontaktstellen 400 bis 404 in einer Richtung durch die Halbleiterschicht 3 wie in 4A dargestellt herausgezogen, da eine später beschriebene Kappe 5 vorgesehen ist. Eine Elektrodenkontaktstelle 405 zum Festlegen des Potentials der verbleibenden Halbleiterschicht 3 ist gleichfalls außerhalb der Kappe 5 angeordnet.
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Im folgenden wird die Kappe 5 beschrieben, welche derart angeordnet ist, daß sie die obere Seite des Gebiets bedeckt, wo die jeweiligen Massen 301 bis 303, die beweglichen Elektroden ME1 bis ME4, die festen Elektroden FE1 bis FE4 und die Ankerabschnitte 311 bis 314 gebildet sind.
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Bei dieser Ausführungsform wird ähnlich wie die Halbleiterschicht 3 die Kappe 5 aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder dergleichen gebildet. Die Kontaktstelle der Kappe 5 mit dem Halbleitersubstrat 1 (genauer dargestellt, die Halbleiterschicht 3 auf dem Halbleitersubstrat 1) wird an dem Halbleitersubstrat (Halbleiterschicht 3) mit einem isolierenden Haftmittel oder dergleichen haftend befestigt. Des weiteren wird ebenfalls eine Elektrodenkontaktstelle 500 auf der Kappe 5 gebildet, um das Potential der Kappe 5 auf einen konstanten Wert festzulegen.
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Die jeweiligen Massen 301 bis 303, die beweglichen Elektroden ME1 bis ME4, die festen Elektroden FE1 bis FE4 und die Ankerabschnitte 311 bis 314 können durch Annahme der oben beschriebenen Struktur für den Halbleitersensor für eine dynamische Größe elektrisch abgeschirmt werden. Das heißt, in Kombination mit dem Abschirmeffekt der verbleibenden Halbleiterschicht 3 kann die Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden ME1 bis ME4 und den festen Elektroden FE1 bis FE4, welche durch die Verschiebung von jeder der Massen 301 bis 303 hervorgerufen wird, sicherer vor äußeren Störungen wie einem Rauschen oder dergleichen geschützt werden. Des weiteren wird die obere Seite von wenigstens dem Bereich, wo die jeweiligen Massen 301 bis 303, die beweglichen Elektroden ME1 bis ME4 und die festen Elektroden FE1 bis FE4 gebildet sind, von der Kappe 5 derart bedeckt, daß diese Teile, welche jeweils eine Mikrostruktur besitzen, mechanisch geschützt werden können.
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Wie oben beschrieben können bei dem Halbleitersensor für eine dynamische Größe der dritten Ausführungsform dieselben Wirkungen (1) bis (5) wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform und ebenfalls die folgenden neuen Wirkungen (6) und (7) erzielt werden.
- (6) Die Kappe 5 zum Bedecken der jeweiligen Massen, der beweglichen Elektroden und der festen Elektroden, der Ankerteile, usw. wird aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder dergleichen gebildet, und es wird ebenfalls die Kappe 5 auf ein konstantes Potential durch die Elektrodenkontaktstelle 500 festgelegt. Dementsprechend kann der oben beschriebene elektrische Abschirmeffekt weiter verbessert werden.
- (7) Die obere Seite wenigstens des Bereiches, wo die jeweiligen Massen, die beweglichen Elektroden und die festen Elektroden gebildet sind, wird von der Kappe 5 derart bedeckt, daß die jeweiligen Teile, welche jeweils eine Mikrostruktur besitzen, mechanisch geschützt werden können.
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Weitere Ausführungsformen
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Bei der zweiten Ausführungsform ist die Elektrodenkontaktstelle 405 auf der Halbleiterschicht 3 gebildet, welche hinterlassen ist, um die jeweiligen Massen, die beweglichen Elektroden, die festen Elektroden und die Ankerteile zu umgeben. Jedoch kann keine Elektrodenkontaktstelle 405 auf der verbleibenden Halbleiterschicht 3 gebildet sein. Sogar in dem Falle dieser Struktur ist die Festigkeit des Sensors selbst durch die verbleibende Halbleiterschicht 3 verbessert, und es kann der Sensor beim Installieren leicht gehandhabt werden. In diesem Fall kann die elektrische Charakteristik verbessert werden, obwohl die Verbesserung geringer als in dem Fall ist, bei welchem die Elektrodenkontaktstelle 405 vorgesehen ist.
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Bei der dritten Ausführungsform ist die Kappe 5 aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder dergleichen gebildet. Jedoch kann die Kappe 5 aus einem leitenden Material wie Kupfer, Aluminium oder dergleichen gebildet sein. Die aus einem leitenden Material gebildete Kappe 5 kann die jeweiligen Massen, die beweglichen Elektroden, die festen Elektroden, die Ankerteile, usw. mechanisch schützen und sie ebenfalls vor äußeren Störungen wie einem Rauschen oder dergleichen wie in dem Fall der dritten Ausführungsform schützen.
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Bei der dritten Ausführungsform ist die Elektrodenkontaktstelle 500 zum Festlegen des Potentials der Kappe 5 auf ein konstantes Potential mit der Kappe 5 ausgestattet. Jedoch kann die obere Seite der jeweiligen Massen, der beweglichen Elektroden, der festen Elektrode, der Ankerabschnitte usw. durch die Kappe 5 bedeckt sein, ohne daß eine Elektrodenkontaktstelle 500 gebildet wird. In diesem Fall können die bedeckten Teile von den äußeren Störungen wie einem Rauschen oder dergleichen elektrisch abgeschirmt sein, obwohl die Wirkung geringer als in dem Fall ist, bei welchem die Elektrodenkontaktstelle 500 vorgesehen ist.
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Die Kappe 5 kann aus einem isolierenden Material wie einem Harz oder dergleichen gebildet sein. Die aus dem isolierenden Material gebildete Kappe 5 kann gleichfalls die jeweiligen Massen, die beweglichen Elektroden, die festen Elektroden, usw. mechanisch schützen. In diesem Fall kann ein Haftverfahren für eine Haftung bzw. eine Verbundwirkung zwischen der Kappe 5 und dem Halbleitersubstrat 1 (genauer dargestellt, der auf dem Halbleitersubstrat 1 gebildeten Halbleiterschicht 3) angenommen werden.
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Bei der dritten Ausführungsform ist die Kappe 5 vorgesehen, um im wesentlichen das gesamte Halbleitersubstrat 1 zu bedecken, und die Elektrodenkontaktstellen 400 bis 404 sind in einer Richtung durch die Halbleiterschicht 3 herausgezogen. Jedoch kann die Kappe 5 vorgesehen sein, um selektiv lediglich die obere Seite des Bereichs zu bedecken, wo die jeweiligen Massen, die beweglichen Elektroden, die festen Elektroden, die Ankerteile, usw. gebildet sind. Entsprechend dieser Struktur kann das Herausziehen der Elektrodenkontaktstellen 400 bis 404 leicht durchgeführt werden, und es kann die Verdrahtungsstruktur auf der Grundlage der Halbleiterschicht 3 vereinfacht werden.
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Bei der dritten Ausführungsform ist die Kappe 5 für die Sensorstruktur der zweiten Ausführungsform vorgesehen. Jedoch kann die Kappe 5 auf die Sensorstruktur der ersten Ausführungsform angewandt werden.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Richtung, entlang der die jeweiligen Massen 301 bis 303 miteinander durch die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 verbunden sind, auf die Richtung der Y-Achse festgelegt, und die Richtung orthogonal zu der Richtung der Y-Achse ist auf die Richtung der X-Achse festgelegt. Jedoch können die Achsenrichtungen, welche die Richtung der Z-Achse enthalten, willkürlich festgelegt sein.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird der in 6 dargestellte Schaltkreis mit geschaltetem Kondensator als die Erfassungsschaltung verwendet. Jedoch können irgendein Verfahren und irgendein Schaltkreis grundsätzlich als das Erfassungsverfahren und die Erfassungsschaltung verwendet werden. Die Beschleunigung kann unter Verwendung einer elektrischen Charakteristik außer derjenigen der Änderung der elektrostatischen Kapazität wie eine Änderung des elektrischen Feldes, des Widerstandswerts oder dergleichen erfaßt werden.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Masse, welche als Gewichtsabschnitt dient, auf drei Massen 301 bis 303 in Serie aufgeteilt, und die derart aufgeteilten Massen sind durch die Verbindungsbalken CB1 bis CB4 miteinander verbunden. Jedoch kann dieselbe Wirkung erzielt werden, falls die Masse in eine Mehrzahl von Massen in Serie auf eine Weise aufgeteilt ist, so daß eine höhere Festigkeit als bei den Verbindungbalken erzielt wird, und die in der Mehrzahl vorkommenden Massen sind miteinander durch die Verbindungsbalken derart verbunden, daß die Massen verschoben werden können, um sich einander anzunähern oder sich voneinander weg zu bewegen. Das heißt, die Struktur der Verbindungsbalken, die Massenaufteilungsart (beispielsweise die Anzahl von aufgeteilten Massen), usw. werden insoweit willkürlich bestimmt, wie die obige Bedingung erfüllt wird, und es kann der Freiheitsgrad der Konstruktion auf einem hohen Wert gehalten werden.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird das SOI-Substrat verwendet. Jedoch können die Massenstruktur und die Balkenstruktur wie oben beschrieben ohne Verwendung eines SOI-Substrats wie oben beschrieben implementiert werden. Bezüglich des Substrats 1 kann ein Substrat, welches ein isolierendes Substrat enthält, anstelle des Halbleitersubstrats verwendet werden.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf den zweiachsigen Halbleitersensor für eine dynamische. Größe zur Erfassung der Beschleunigung. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auf einen Sensor für eine dynamische Größe zur Erfassung von anderen dynamischen Größen wie der Winkelgeschwindigkeit, usw. verwendet werden.
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Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhaft, und somit liegen Änderungen, welche nicht vom Kern der Erfindung abweichen, im Rahmen der Erfindung. Derartige Änderungen werden nicht als Abweichung vom Rahmen der Erfindung angesehen.
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Vorstehend wurde ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe offenbart. In dem Halbleitersensor für eine dynamische Größe ist eine Masse, welche als Gewichtsabschnitt zum Erfassen der Aufbringung einer dynamischen Größe dient, in drei Massen (301, 302, 303) in Reihe aufgeteilt. Die derart aufgeteilten Massen (301, 302, 303) sind miteinander durch Verbindungsbalken (CB1, CB2, CB3, CB4) verbunden. Die an beiden Endabschnitten befindlichen Massen (301, 302, 303) werden durch Balken (B1, B2, B3, B4) von einem Halbleitersubstrat (1) gehalten, wobei eine Verschiebung in der Richtung orthogonal zu der Verbindungsrichtung der Massen ermöglicht wird. Der mittleren Masse (302), welche mit den Massen (301, 302, 303) durch die Verbindungsbalken (CB1, CB2, CB3, CB4) verbunden ist, wird eine Verschiebung lediglich in der Verbindungsrichtung der Massen durch die Verbindungsbalken (CB1, CB2, CB3, CB4) ermöglicht.
