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Die vorliegende Erfindung betrifft einen dynamischen Halbleitersensor, beispielsweise einen Beschleunigungssensor zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
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Die
JP 09-005354 A und die
JP 2001 091 263 A zeigen Beschleunigungssensoren, die in bekannter Weise das Prinzip von Kapazitätsänderungen zwischen festen und beweglichen Elektroden verwenden.
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Ein Beispiel eines Beschleunigungssensors, der auf einem Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat) aufgebaut ist, ist in der
JP 09-113534 A beschrieben. Ein wichtiger Abschnitt dieses Beschleunigungssensors ist in der hier beigefügten
22 gezeigt. Eine Auslegerstruktur mit einer beweglichen Elektrode
102, welche von vier Auslegern
101a,
101b,
101c und
101d gelagert ist, ist auf einem SOI-Substrat ausgebildet, welche ein Basissubstrat
100, eine Isolierschicht und eine obere Halbleiterschicht auf der Isolierschicht beinhaltet. Die vier Ausleger
101a bis
101d werden an jedem ihrer Enden von der Isolierschicht gelagert und ein Luftspalt ist zwischen der beweglichen Elektrode
102 und dem Basissubstrat
100 gebildet.
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Wenn eine Beschleunigungskraft auf die bewegliche Elektrode 102 einwirkt, bewegt sich die bewegliche Elektrode 102 in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des SOI-Substrats (Z-Richtung in 22). Eine Kapazität, welche zwischen der beweglichen Elektrode 102 und dem Basissubstrat 100 gebildet ist, ändert sich abhängig von dem Beschleunigungsbetrag, der auf die bewegliche Elektrode 102 einwirkt. Der Beschleunigungsbetrag wird auf der Grundlage eines Ausgangs erfasst, der die Kapazitätsänderungen wiedergibt. Der Ausgang wird von einem Anschlusskissen 100' abgegriffen, das an dem Basissubstrat 100 ausgebildet ist. Der Ausgang eines Beschleunigungssensors dieses Typs wird jedoch leicht von Störrauschen beeinflusst oder gestört.
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Zusätzlich muss das Anschlusskissen 100', das auf dem Basissubstrat 100 gebildet ist, elektrisch durch eine Drahtbondierung mit einem außerhalb liegenden Schaltkreis verbunden werden.
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Ein anderes Beispiel eines Beschleunigungssensors ist in der
JP 05-218300 A beschrieben, wobei ein wesentlicher Teil hiervon in der beigefügten
23 gezeigt ist. Der Beschleunigungssensor ist auf einem Siliziumsubstrat
110 ausgebildet. Auf dem Siliziumsubstrat
110 sind verschiedene Schichten und Luftspalte in folgender Reihenfolge aufgebaut: eine erste statische Leiterschicht
110 (eine Polysiliziumschicht), ein Luftspalt
112, eine dynamische Leiterschicht
113 (eine Polysiliziumschicht), ein anderer Luftspalt
114 und eine zweite statische Leiterschicht
115 (eine Polysiliziumschicht). Die ersten und zweiten statischen Leiterschichten
111 und
115 sind ortsfest, während die dynamische Leiterschicht
113 in einer Richtung senkrecht zur Ebenenfläche des Siliziumsubstrats
110 beweglich ist.
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Wenn eine Beschleunigungskraft auf die dynamische Leiterschicht 113 einwirkt, ändern sich Kapazitäten, die auf beiden Seiten der dynamischen Leiterschicht 113 gebildet sind, abhängig von der Beschleunigungskraft. Eine Beschleunigungsgröße wird auf der Grundlage eines Ausgangssignals erkannt, welches die Kapazitätsdifferenz zwischen den beiden Kondensatoren wiedergibt. Unter Verwendung der Kapazitätsdifferenz zwischen den beiden Kondensatoren hebt sich Störrauschen in den beiden Kondensatoren gegenseitig auf. Es ist jedoch nicht einfach, diese Art von Sensor herzustellen, da viele Schichten auf dem Siliziumsubstrat 110 ausgebildet werden müssen.
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben genannten Probleme gemacht und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten dynamischen Halbleitersensor zu schaffen, der einfach herzustellen ist und eine hohe Erkennungsgenauigkeit hat.
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Die vorliegende Erfindung ist vorteilhafterweise bei einem Beschleunigungssensor anwendbar, der in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, um eine Beschleunigungsgröße zu erkennen. Der Beschleunigungssensor ist auf einem Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat) aufgebaut, welches aus einer Basisplatte, einer Isolierschicht und einer (dünnen) Halbleiterschicht besteht, welche in dieser Reihenfolge aufeinander geschichtet sind. Alle Komponenten, welche den Beschleunigungssensor bilden, d. h. ein erster Kondensator, ein zweiter Kondensator und ein dritter Kondensator, sind auf der Halbleiterschicht ausgebildet, welche die oberste Schicht ist.
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Die ersten und zweiten Kondensatoren haben ähnlichen Aufbau. Jeder Kondensator ist aufgebaut aus einer Auslegerstruktur mit vier Auslegern, welche an der Isolierschicht verankert sind und einer beweglichen Elektrode, die von den vier Auslegern gelagert ist und dem Basissubstrat mit einem Luftspalt dazwischen gegenüberliegt. Die bewegliche Elektrode bewegt sich in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene des SOI-Substrats, wenn eine Beschleunigungskraft auf die bewegliche Elektrode einwirkt und damit wird eine Kapazität, welche zwischen der beweglichen Elektrode und dem Basissubstrat gebildet ist, abhängig von der Größe der Beschleunigungskraft geändert. Die Auslegerstrukturen des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators sind etwas unterschiedlich zueinander, so dass ihre Kapazitäten sich auf unterschiedliche Art und Weise ändern, wenn die gleiche Beschleunigungskraft einwirkt. Beispielsweise werden die Ausleger in ihrer Länge oder Breite unterschiedlich gemacht oder die beweglichen Elektroden werden mit unterschiedlichem Gewicht oder unterschiedlicher Oberflächengröße gemacht. Auf diese Weise tritt eine Kapazitätsdifferenz zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren auf, wenn eine Beschleunigung auf den Beschleunigungssensor wirkt.
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Der dritte Kondensator ist aus einer Ausgangselektrode aufgebaut, welche fest mit dem Basissubstrat über die Isolierschicht verbunden ist. Ein Ausgangssignal, das die Kapazitätsdifferenz wiedergibt, welche sich abhängig von der Beschleunigungsgröße ändert, erscheint an dem Basissubstrat. Das Ausgangssignal wird der Ausgangselektrode des dritten Kondensators von dem Basissubstrat über die dritte Kapazität übertragen.
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Da der Sensorausgang auf der Grundlage der Kapazitätsdifferenz zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren erhalten wird, hebt sich Störrauschen, welches den Sensorausgang stört, in dem Kondensatorpfad gegenseitig auf. Da der Ausgang von der Ausgangselektrode des dritten Kondensators entnommen wird, sind alle elektrischen Verbindungen auf der oberen Oberfläche, d. h. auf der Halbleiterschicht gemacht.
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Anstelle der Ausgangselektrode des dritten Kondensators kann ein Rahmenabschnitt, der die ersten und zweiten Kondensatoren umgibt, als Ausgangselektrode verwendet werden, von der der Ausgang entnommen wird. Bei dieser Anordnung kann der dritte Kondensator weggelassen werden. Alternativ kann der zweite Kondensator weggelassen werden und eine Konstantspannung wird an den Rahmenabschnitt angelegt, um den Rahmenabschnitt als Abstandsschicht zur Minderung oder Aufhebung von Störrauschen zu verwenden. Auf diese Weise kann der Aufbau des Beschleunigungssensors weiter vereinfacht werden.
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Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1 eine Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Schnittdarstellung durch den Beschleunigungssensor von 1 entlang Linie II-II in 1;
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3 eine Schnittdarstellung durch den Beschleunigungssensor von 1 entlang Linie III-III in 1;
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4 eine schematische Darstellung des elektrischen Aufbaus im Beschleunigungssensor;
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5A–5C jeweils Querschnittsdarstellungen eines Herstellungsvorganges für den Beschleunigungssensor von 1 entlang Linie III-III in 1;
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6 ein Schaltkreisdiagram des Beschleunigungssensors und eines geschalteten Kondensatorschaltkreises;
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7 eine graphische Darstellung der verschiedenen Wellenformen in einem Schaltkreis zur Beschleunigungserkennung;
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8A–8C jeweils Querschnittsdarstellungen von Abwandlungsformen des Beschleunigungssensors von 1;
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9 eine Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor (ähnlich zur ersten Ausführungsform von 1), bei dem Ausleger mit unterschiedlichen Breiten ausgebildet sind;
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10 eine Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor (ähnlich zur ersten Ausführungsform von 1), bei dem bewegliche Elektroden mit unterschiedlichen Formen/Größen gebildet sind;
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11 eine Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor (ähnlich zur ersten Ausführungsform von 1), bei dem bewegliche Elektroden mit unterschiedlich geformten/unterschiedlich großen Durchgangsöffnungen ausgebildet sind;
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12A eine Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor (ähnlich zur ersten Ausführungsform von 1), bei dem Kondensatoren mit unterschiedlicher absoluter Dielektrizitätskonstante ausgebildet sind;
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12B eine Querschnittsdarstellung durch den Beschleunigungssensor von 12A entlang Linie XIIB-XIIB in 12A;
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12C eine Querschnittsdarstellung durch den Beschleunigungssensor von 12A entlang Linie XIIC-XIIC in 12A;
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13 eine Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor als Abwandlung 1 der ersten Ausführungsform;
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14A eine Draufsicht auf eine Abwandlung 2 der ersten Ausführungsform;
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14B eine Querschnittsdarstellung durch den Beschleunigungssensor von 14A entlang der Linie XIVB-XIVB in 14A;
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14C ein Schaltkreisdiagram des Beschleunigungssensors (Abwandlung 2) und eines geschalteten Kondensators;
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15 eine Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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16 eine Querschnittsdarstellung durch den Beschleunigungssensor von 15 entlang Linie XVI-XVI in 15;
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17 eine Querschnittsdarstellung durch den Beschleunigungssensor von 15 entlang Linie XVII-XVII in 15;
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18 eine schematische Darstellung des elektrischen Aufbaus im Beschleunigungssensor von 15;
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19 ein Schaltkreisdiagram eines Beschleunigungssensors gemäß 15 und eines geschalteten Kondensatorschaltkreises;
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20 eine graphische Darstellung unterschiedlicher Wellenformen in einem Erkennungsschaltkreis, der die zweite Ausführungsform verwendet;
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21A eine Draufsicht auf eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform;
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21B eine Querschnittsdarstellung durch den Beschleunigungssensor von 21A entlang Linie XXIB-XXIB in 21A;
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21C eine Querschnittsdarstellung durch den Beschleunigungssensor von 21A entlang Linie XXIC-XXIC in 21A;
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22 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels eines bekannten Beschleunigungssensors; und
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23 eine Schnittdarstellung eines anderen Beispiels eines bekannten Beschleunigungssensors.
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Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1–7 beschrieben.
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Zunächst wird unter Bezug auf die 1–4 der Aufbau eines Beschleunigungssensors beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird. Der Beschleunigungssensor wird verwendet zur Erkennung einer Beschleunigungsgröße oder eines Beschleunigungsbetrags in einem Kraftfahrzeug. Der Beschleunigungssensor ist auf einem Silizium-auf-Isolator-Substrat 1 (als SOI-Substrat bezeichnet) aufgebaut, welches besteht aus einem Basissubstrat 2 aus monokristallinem Silizium, einer Isolierschicht 3 aus Siliziumoxyd (hauptsächlich SiO2) und einer (dünnen) Halbleiterschicht aus monokristallinem Silizium. Das Basissubstrat 2, die Isolierschicht 3 und die Halbleiterschicht 4 sind in dieser Reihenfolge aufeinander geschichtet.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, sind ein erster Kondensatorbereich E1, ein zweiter Kondensatorbereich E2 und ein dritter Kondensatorbereich E3, welche einen Beschleunigungssensor bilden, als ein Chip auf dem SOI-Substrat 1 ausgebildet. Ein durchgehender Graben 5 ist gemäß 1 auf der Halbleiterschicht 4 ausgebildet und drei Bereiche E1, E2 und E3 sind voneinander durch den durchgehenden Graben 5 getrennt. Eine erste Auslegerstruktur 10, die einen ersten Kondensator mit einer Kapazität C1 bildet, ist in dem ersten Bereich E1 ausgebildet; eine zweite Auslegerstruktur 20, welche einen zweiten Kondensator mit einer zweiten Kapazität C2 bildet, ist im zweiten Bereich E2 ausgebildet; und eine Ausgangselektrode 30, welche einen dritten Kondensator mit einer Kapazität C3 bildet, ist im dritten Bereich E3 ausgebildet. Diese drei Bereiche E1, E2 und E3 sind durch den durchgehenden Graben 5 auch von einem Rahmenabschnitt 40 getrennt.
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Die erste Auslegerstruktur 10 ist aufgebaut aus vier Ankern 11a, 11b, 11c und 11d, vier Auslegern 12a, 12b, 12c und 12d und einer beweglichen Elektrode 13 (einem Gewichtsabschnitt). Die Anker 11a–11d sind auf der Isolierschicht 3 befestigt und ein Ende eines jeden Auslegers 12a–12d ist mit jedem Anker 11a–11d verbunden und der andere Abschnitt eines jeden Auslegers liegt der Isolierschicht 3 mit einem dazwischenliegenden Luftspalt 14 gegenüber, wie in den 2 und 3 gezeigt. Die bewegliche Elektrode 13 wird von den vier Auslegern 12a–12d gelagert und liegt der Isolierschicht 3 mit dem dazwischenliegenden Luftspalt 14 gegenüber. Durchgangsöffnungen 15 sind in der beweglichen Elektrode 13 ausgebildet, um somit das Gewicht der beweglichen Elektrode zu verringern. Die bewegliche Elektrode 13 und die Basisplatte 2 bilden einen ersten Kondensator mit einer Kapazität C1, wie in 4 gezeigt.
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Auf ähnliche Weise ist die zweite Auslegerstruktur 20 aufgebaut aus vier Ankern 21a, 21b, 21c und 21d, vier Auslegern 22a, 22b, 22c und 22d und einer beweglichen Elektrode 23 (einem Gewichtsabschnitt). Die Anker 21a–21d sind auf der Isolierschicht 3 befestigt und ein Ende eines jeden Auslegers 22a–22d ist mit jedem Anker 21a–21d verbunden und der andere Abschnitt eines jeden Auslegers liegt der Isolierschicht 3 mit einem Luftspalt 24 dazwischen gegenüber, wie in den 2 und 3 gezeigt. Die bewegliche Elektrode 22 wird von den vier Auslegern 22a–22d gelagert und liegt der Isolierschicht 3 mit dem Luftspalt 24 dazwischen gegenüber. Durchgangsöffnungen 25 sind in der beweglichen Elektrode 23 ausgebildet, um das Gewicht der beweglichen Elektrode 23 zu verringern. Die bewegliche Elektrode 23 und die Basisplatte 2 bilden einen Kondensator mit einer Kapazität C2, wie in 4 gezeigt.
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Die beweglichen Elektroden 13 und 23 bewegen sich in einer Richtung senkrecht zur Ebenenoberfläche des SOI-Substrates 1 beweglich, wenn eine Beschleunigungskraft auf eine die beweglichen Elektroden 13 und 23 einwirkt. Die Ausleger 12a–12d und 22a–22d, welche die beweglichen Elektroden 13 und 23 lagern, dienen auch als Federn, um die beweglichen Elektroden 13 und 23 in ihre Ausgangslagen zurückzuführen, wenn die Beschleunigungskraft nicht mehr anliegt. Die Länge eines jeden Auslegers 12a–12d beträgt L1 und die Länge eines jeden Auslegers 22a–22d beträgt L2. Die Länge L2 wird größer als die Länge L1 gemacht, so dass sich die bewegliche Elektrode 23 stärker als die bewegliche Elektrode 13 bewegt, wenn eine Beschleunigungskraft anliegt. Von daher ist ein Betrag einer Kapazitätsänderung der Kapazität C2 größer als der Kapazität C1, wenn die gleiche Beschleunigung auf die beiden beweglichen Elektroden 13 und 23 einwirkt. Wie in 1 gezeigt ist ein Anschlusskissen 16 aus Aluminium auf dem Anker 11c ausgebildet, der aus einer Halbleiterschicht 4 besteht und ähnlich ist ein Anschlusskissen 26 auf dem Anker 21d ausgebildet.
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Die Ausgangselektrode 30, die in dem dritten Kondensatorbereich E3 ausgebildet ist, besteht aus einem quadratischen Abschnitt 31 und einem Abschnitt 32, der sich vom quadratischen Abschnitt 31 aus erstreckt. Wie in 2 gezeigt, ist die Ausgangselektrode 30 steif mit der Basisstruktur 2 über die Isolierschicht 3 verbunden. Ein dritter Kondensator mit einer Kapazität C3 ist zwischen der Ausgangselektrode 30 und dem Basissubstrat 2 gebildet. Ein Anschlusskissen 33 aus Aluminium ist auf dem Abschnitt 32 ausgebildet. Wie in 4 gezeigt, wird ein Signal entsprechend einer Kapazität zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator, d. h. C1 – C2, von dem Anschlusskissen 33 abgegriffen.
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An dem Rahmenabschnitt 40, der von den drei Bereichen E1, E2 und E3 durch den durchgehenden Graben 5 getrennt ist und der diese Bereiche umgibt, ist ein Anschlusskissen 41 aus Aluminium ausgebildet. Die Halbleiterschicht 4, welche den Rahmenabschnitt 40 bildet, wird auf einem konstanten Potential durch Anlegen einer konstanten Spannung an dieses Anschlusskissen 41 gehalten. Somit sind die ersten und zweiten Auslegerstrukturen 10 und 20 und die Ausgangselektrode 30 elektromagnetisch abgeschirmt.
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Unter Bezug auf die 5A–5C wird ein Ablauf zur Herstellung des Beschleunigungssensorchips kurz erläutert. Eine Mehrzahl von Sensorchips wird auf einem Wafer ausgebildet und der Wafer wird dann in die einzelnen Sensorchips unterteilt. Wie in 5A gezeigt, wird das SOI-Substrat 1 in Waferform vorbereitet. Das SOI-Substrat 1 ist aufgebaut aus dem Basissubstrat 2 (monokristallines Silizium), der Isolierschicht 3 (Siliziumoxyd) und der Halbleiterschicht 4 (monokristallines Silizium), wobei diese Schichten aufeinander in dieser Reihenfolge von der Bodenseite her auf- oder übereinander geschichtet sind. Das Anschlusskissen 41 wird auf der Halbleiterschicht 4 unter Verwendung von Photolithographie und Ätztechnologie ausgebildet.
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Dann werden gemäß 5B der durchgehende Graben 5 und die Durchgangsöffnungen 15 und 25, welche beide die Isolierschicht 3 von oben her erreichen, auf folgende Weise ausgebildet. Die Oberfläche der Halbleiterschicht 4 wird mit einem Photomaskenfilm 7 abgedeckt. Dann wird der Photomaskenfilm 7 gemustert und dann werden der durchgehende Graben 5 und die Durchgangsöffnungen 15 und 25 in der Halbleiterschicht 4 durch anisotropes Trockenätzen ausgebildet. Sodann werden gemäß 5C die Luftspalte 14 und 24 durch Entfernen eines Teils der Halbleiterschicht 4 durch Durchführen eines anisotropen Trockenätzens von der oberen Oberfläche her ausgebildet. Durch Ausbildung der Luftspalte 14 und 24 werden die beweglichen Elektroden 13 und 23 und die Ausleger 12a–12d, 22a–22d von der Isolierschicht 3 getrennt und werden relativ hierzu beweglich. Sodann wird der Wafer in die einzelnen Beschleunigungssensorchips geschnitten.
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Die beweglichen Elektroden 13 und 23 bewegen sich in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Sensorchips, wenn eine Beschleunigungskraft mit einer Komponente in dieser Richtung auf die beweglichen Elektroden 13 und 23 einwirkt. Der Bewegungsbetrag wird durch das Gewicht der beweglichen Elektroden und die Nachgiebigkeit der Ausleger 12a–12d und 22a–22d bestimmt. Abhängig von der Bewegung der beweglichen Elektroden 13 und 23 ändert sich die erste Kapazität C1, die zwischen der beweglichen Elektrode 13 und dem Basissubstrat 2 geändert wird und die zweite Kapazität C2, welche zwischen der beweglichen Elektrode 23 und dem Basissubstrat 2 gebildet ist, ändert sich ebenfalls. Da das Potential des Basissubstrates 2 schwebend ist, wie in 4 gezeigt, erscheint eine Kapazitätsdifferenz zwischen C1 und C2 an dem Basissubstrat 2. Die beiden Kondensatoren haben die gleiche Kapazität (C1 = C2), wenn keine Beschleunigung anliegt.
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Bezug nehmend auf die 6 und 7 wird nun erläutert, wie ein Signal, welches die Kapazitätsdifferenz (C1 – C2) angibt, herausgeführt wird. 6 zeigt einen Schaltkreis zur Erkennung der Kapazitätsänderung (C-V-Wandlerschaltkreis), in welchem der Beschleunigungssensor durch einen Äquivalenzschaltkreis dargestellt ist. 7 zeigt verschiedene Wellenformen in dem Erkennungsschaltkreis.
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Wie in 7 gezeigt, wird eine erste Trägerspannung (mit z. B. 100 kHz, Rechteckwelle) an das Anschlusskissen 16 des ersten Kondensators angelegt und eine zweite Trägerspannung (z. B. 100 kHz, Rechteckwelle mit einer um 180° versetzten Phase gegenüber der ersten Trägerspannung) an das Anschlusskissen 26 des zweiten Kondensators angelegt. Sowohl der Pegel der ersten Trägerspannung als auch der Pegel der zweiten Trägerspannung sind gleich, beispielsweise 5 Volt (Vcc = 5 Volt). Beide Trägerspannungen werden vom gleichen Oszillator (nicht gezeigt) synchron mit einem Taktsignal erzeugt. Die erste Kapazität C1 und die zweite Kapazität C2 ändern sich abhängig von der Beschleunigungskraft, während die jeweiligen Trägerspannungen an den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator angelegt werden. Da die beiden Kondensatoren so gemacht sind, dass sich ihre Kapazitäten unterschiedlich zueinander ändern, erscheint ein Signal, das die Kapazitätsdifferenz (C1 – C2) wiedergibt, am Basissubstrat 2.
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Wie in 6 gezeigt, ist ein geschalteter Kondensatorschaltkreis 50 am Anschlusskissen 33 des dritten Kondensators (bestehend aus der Ausgangselektrode 30 und dem Basissubstrat 2) verbunden. Der geschaltete Kondensatorschaltkreis 50 ist auf einem Chip separat zu dem Halbleiterbeschleunigungschip aufgebaut. Ein Signal, welches die Kapazitätsdifferenz wiedergibt (C1 – C2) wird von dem Anschlusskissen 33 abgegriffen und dem geschalteten Kondensatorschaltkreis 50 zugeführt. Der geschaltete Kondensatorschaltkreis 50 ist aufgebaut aus einem Operationsverstärker 51, einem Schalter 53 und einem Rückkopplungskondensator 52 mit einer Rückkopplungskapazität Cf, in einer Verschaltung gemäß 6. Das Signal, das die Kapazitätsdifferenz wiedergibt, wird dem invertierten Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 zugeführt und eine Spannung von Vcc/2 (z. B. 2,5 Volt) wird dem nicht invertierten Eingangsanschluss zugeführt. Der Schalter 53 wird durch ein Triggersignal ein- und ausgeschaltet, welches synchron mit dem Taktsignal erzeugt wird. Gemäß 7 wird der Schalter 53 zu einer Zeit T1 eingeschaltet, wenn die erste Trägerspannung ansteigt und zu einer Zeit T2 abgeschaltet. Die Zeitdauer, zu der der Schalter 53 eingeschaltet ist, wird auf eine Zeitdauer gesetzt, welche kürzer als ein halber Zyklus der ersten Trägerspannung ist.
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Der Erkennungsschaltkreis 50 arbeitet auf folgende Weise. Wenn die erste Kapazität C1 und die zweite Kapazität C2 gleich sind (wenn keine Beschleunigung anliegt), wird Vcc (z. B. 5 Volt) der beweglichen Elektrode 13 angelegt und Null Volt wird der beweglichen Elektrode 23 zum Zeitpunkt T1 angelegt (vergleiche 7). Da der Schalter 53 zur Zeit T1 eingeschaltet ist, beträgt eine Ausgangsspannung Vo vom geschalteten Kondensatorschaltkreis 50 Vcc/2. Wenn der Schalter 53 zur Zeit T2 ausgeschaltet wird, verbleibt die Ausgangsspannung Vo unverändert auf Vcc/2, da die Spannungen, die an den beweglichen Elektroden 13 und 23 anliegen, unverändert bleiben. Die an den beweglichen Elektroden 13 und 23 angelegten Spannungen ändern sich abhängig von den Polaritäten der Trägerspannungen. Wenn die Kapazitätsdifferenz (C1 – C2) abhängig von der Beschleunigungskraft auftritt, ändert sich die Ausgangsspannung Vo entsprechend. Der Betrag der Beschleunigung wird auf der Grundlage der Ausgangsspannung Vo erkannt.
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Genauer gesagt, die Ausgangsspannung Vo drückt sich durch die folgende Formel aus: Vo = {C3·(C1 – C2)·Vcc/(C1 + C2 + C3)}/Cf, wobei Cf die Rückkopplungskapazität im geschalteten Kondensatorschaltkreis ist. Wenn C1 und C2 ausreichend kleiner als C3 sind, beträgt die Ausgangsspannung Vo = (C1 – C2)·Vcc/Cf. Von daher ist die Ausgangsspannung Vo proportional zu der Kapazitätsdifferenz (C1 – C2). Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung Vo, welche die Kapazitätsdifferenz zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator darstellt, wird über den dritten Kondensator herausgeführt.
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Die folgenden Vorteile werden bei dem Beschleunigungssensor gemäß obiger Beschreibung erhalten. Die Kapazität C2 des zweiten Kondensators ändert sich stärker als die Kapazität C1 des ersten Kondensators abhängig von der gleichen Beschleunigung, welche an den beiden Kondensatoren anliegt, da die Auslegerlänge L2 größer als die Auslegerlänge L1 ist. Infolge dessen wird ein Betrag der Beschleunigung auf der Grundlage des Signals erkannt, welches die Kapazitätsänderung (C1 – C2) darstellt.
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Störrauschen, welches den Sensorausgang stört, hebt sich in den beiden Kondensatoren gegenseitig auf und von daher wird der Beschleunigungsbetrag genau erfasst.
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Der Beschleunigungssensor ist auf dem SOI-Substrat 1 durch Unterteilen der Halbleiterschicht 4 in drei Kondensatorbereiche E1, E2 und E3 gebildet. Von daher ist der Herstellungsprozess viel einfacher im Vergleich zu einem herkömmlichen Prozess, bei dem drei Schichten aus Polysilizium aufeinander gestapelt werden, wie in 23 gezeigt. Die Ausgangselektrode 30 ist auf der Halbleiterschicht 4 ausgebildet und das Ausgangssignal Vo wird vom Anschlusskissen 33 auf der Ausgangselektrode 30 abgegriffen. Alle elektrischen Verbindungen sind alleine auf der oberen Oberfläche (der Halbleiterschicht 4) ohne Verwendung eines Anschlusskissens am Basissubstrat 2 hergestellt. Von daher sind die elektrischen Verbindungen weitaus einfacher als im Vergleich zu dem herkömmlichen Sensor (22), bei dem das Anschlusskissen 100' zum Abgriff des Ausgangs am Basissubstrat 100 ausgebildet ist. In der ersten Ausführungsform gemäß obiger Beschreibung ist der Kondensator mit der beweglichen Elektrode 13 (oder 23) durch vier Schichten gebildet, wie in 3 gezeigt, nämlich durch das Basissubstrat 2, die Isolierschicht 3, den Luftspalt 14 und die Halbleiterschicht 4. Diese Schichtstruktur kann gemäß den 8A, 8B und 8C abgewandelt werden. In 8A ist eine Siliziumoxydschicht zusätzlich unterhalb der Halbleiterschicht 4 ausgebildet. In 8B ist die Isolierschicht 3 unter dem Luftspalt 14 weggelassen und anstelle hiervon ist eine Siliziumoxydschicht unterhalb der Halbleiterschicht 4 vorhanden. In 8C ist ein Siliziumnitridschicht zusätzlich auf der Isolierschicht 3 ausgebildet.
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In der ersten Ausführungsform gemäß obiger Beschreibung wird, um die Kapazitätsdifferenz (C1 – C2) zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator zu erhalten, die Länge L2 der Ausleger, welche den zweiten Kondensator bilden, größer als die Länge L1 der Ausleger gemacht, welche den ersten Kondensator bilden. Die Kapazitätsdifferenz kann auf verschiedene Verfahren anders als eine Änderung der Auslegerlänge erreicht werden. Beispiele hierzu sind in den 9, 10, 11 und 12A–12C gezeigt. In 9 ist die Breite W2 der Ausleger 22a–22d, welche den zweiten Kondensator bilden, größer als die Breite W1 der Ausleger 12a–12d gemacht, welche den ersten Kondensator bilden (W2 > W1). Auf diese Weise ändert sich die Nachgiebigkeit der Ausleger. In 10 ist die Größe W11 der beweglichen Elektrode 23 größer als die Größe W10 der beweglichen Elektrode 13 (W11 > W10). Auf diese Weise ist die Masse der beweglichen Elektroden unterschiedlich zueinander. In 11 sind Durchgangsöffnungen 60 mit einem größeren Öffnungsbereich in der beweglichen Elektrode 23 ausgebildet, die den zweiten Kondensator bildet. Auf diese Weise wird die Masse oder der Oberflächenbereich der beweglichen Elektrode 23 kleiner als bei der beweglichen Elektrode 13.
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In dem in den 12A–12C gezeigten Beispiel ist eine Siliziumnitridschicht 70 (vergleiche 12B) zusätzlich unterhalb der Isolierschicht 3 in dem zweiten Kondensatorbereich E2 ausgebildet. Die Siliziumnitridschicht 70 kann aus SiN oder SiON gemacht sein. Auf diese Weise ist eine Dielektrizitätskonstante (ε) des Isolators im zweiten Kondensator unterschiedlich zu derjenigen des ersten Kondensators. Allgemein gesagt kann die Dielektrizitätskonstante geändert werden, indem die Materialien oder die Dicke der Isolierschicht in einem Kondensator geändert wird. Beispielsweise beträgt die Dielektrizitätskonstante von Siliziumdioxyd 3,9 und diejenige von Siliziumnitrid 9,0.
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Die erste Ausführungsform gemäß obiger Beschreibung kann weiterhin modifiziert werden, wie in den 13 und 14A–14C gezeigt. 13 zeigt eine Abwandlung 1 der ersten Ausführungsform. In der Abwandlung 1 ist der dritte Kondensatorbereich E3 weggelassen und der Rahmenabschnitt 40 der ersten Ausführungsform wird als Ausgangselektrode 30' verwendet. Mit anderen Worten, in dieser Abwandlung 1 wird anstelle der Ausbildung der Ausgangselektrode 30 in dem dritten Kondensatorbereich E3 ein äußerer Bereich, der die Bereiche E1 und E2 umgibt, als Ausgangselektrode 30' verwendet. Ein Anschlusskissen 33' zur Herausführung des Signals, das die Kapazitätsdifferenz darstellt, ist in der Ausgangselektrode 30' ausgebildet.
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Die 14A–14C zeigen eine Abwandlung 2 der ersten Ausführungsform. Bei dieser Abwandlung 2 wird die Ausgangselektrode 30, die im dritten Kondensatorbereich E3 ausgebildet ist, weggelassen und eine Durchgangsöffnung 80, welche sich von der oberen Oberfläche zum Basissubstrat 2 erstreckt, ist ausgebildet, wie am besten in 14B zu sehen ist. Ein Anschlusskissen 81, welches das Basissubstrat 2 kontaktiert, ist ausgebildet und ein Signal, welches die Kapazitätsdifferenz (C1 – C2) wiedergibt, wird von dem Anschlusskissen 81 herausgeführt. Mit anderen Worten, bei dieser Abwandlung 2 wird das Signal, das die Kondensatordifferenz darstellt, vom Basissubstrat 2 und nicht von der Halbleiterschicht 4 abgegriffen. Das Anschlusskissen 81 ist elektrisch mit dem geschalteten Kondensator 50 verbunden, wie in 14C gezeigt. Der Sensorausgang Vo bei dieser Abwandlung 2 wird durch die folgende Formel ausgedrückt: Vo = (C1 – C2)·Vcc/Cf
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Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf die 15–20 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist der zweite Kondensatorbereich E2 im Vergleich zur ersten Ausführungsform weggelassen. Das heißt, der Beschleunigungssensor ist aufgebaut auf dem ersten Kondensator, der in dem ersten Kondensatorbereich ausgebildet ist und dem dritten Kondensator, der in dem dritten Kondensatorbereich E3 ausgebildet ist. Die beiden Bereiche E1 und E3 sind auf der Halbleiterschicht 4 des SOI-Substrates 1 auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform ausgebildet. Das Anschlusskissen 41, an dem eine Konstantspannung angelegt wird, um den Beschleunigungssensor elektromagnetisch abzuschirmen, ist an dem Rahmenabschnitt 40 ausgebildet, der die Kondensatorbereiche E1 und E3 wie in der ersten Ausführungsform umgibt. Eine Draufsicht auf den Beschleunigungssensor mit diesem Aufbau ist in 15 gezeigt und Schnittdarstellungen sind in den 16 und 17 gezeigt.
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Der elektrische Aufbau dieses Beschleunigungssensors ist in 18 gezeigt. Die erste Kapazität C1, welche sich abhängig von der angelegten Beschleunigungskraft an der beweglichen Elektrode 13 ändert, ist mit dem Anschlusskissen 33 an der Ausgangselektrode 30 über die dritte Kapazität C3 verbunden. Ein elektrischer Äquivalenzschaltkreis zur Erkennung des Signales, das den Betrag der Beschleunigungskraft wiedergibt, die auf die bewegliche Elektrode 23 einwirkt, ist in 19 gezeigt. Im Vergleich zu dem Äquivalenzschaltkreis der ersten Ausführungsform von 6 ist die zweite Kapazität C2 beseitigt und Vcc (z. B. 5 Volt) wird an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Ausgangsverstärkers 51 anstelle von Vcc/2 der ersten Ausführungsform angelegt. Die verbleibenden Bauteile sind gleich wie in der ersten Ausführungsform.
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Das Signal, welches den Beschleunigungsbetrag wiedergibt, wird von dem Anschlusskissen 33 auf ähnliche Weise wie in der ersten Ausführungsform abgegriffen (vergleiche die 6 und 19). Wie in 20 gezeigt, wird die erste Trägerspannung mit einer Rechteckwellenform an das Anschlusskissen 16 des ersten Kondensators angelegt. Der Schalter 53 wird zu einer Zeit T1 synchron mit einem Anstieg der ersten Trägerspannung eingeschaltet und zu einer Zeit T2 abgeschaltet, während die erste Trägerspannung auf hohem Pegel ist. Das Ausgangssignal Vo, welches den Beschleunigungsbetrag wiedergibt, wird durch die folgende Formel ausgedrückt: Vo = {C1·C3·Vcc/(C1 + C3)}/Cf, wobei Cf eine Rückkopplungskapazität des geschalteten Kondensatorschaltkreises 50 ist. Wenn C1 ausreichend kleiner als C3 ist (was in dieser Ausführungsform auch zutrifft), kann das Ausgangssignal Vo ausgedrückt werden als: Vo = C1·Vcc/Cf. Dies bedeutet, dass das Ausgangssignal Vo proportional zu C1 ist und von dem Beschleunigungssensor abgegriffen wird.
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Die Ausgangselektrode 30 mit dem Anschlusskissen 33 zum Herausführen des Ausgangs ist auf der Halbleiterschicht 4 des SOI-Substrates 1 ausgebildet. Infolge dessen kann die gesamte elektrische Verbindung auf der Halbleiterschicht 4 (der obersten Schicht) gemacht werden, wobei das Basissubstrat 2 auf schwebendem Potential gehalten ist. Somit ist die elektrische Verbindung viel einfacher. Da zusätzlich der Rahmenabschnitt 40, an welchem ein konstantes Potential anliegt, als Abschirmschicht dient, wird der Beschleunigungssensor vor Störrauschen geschützt.
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Eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform ist in den 21A–21C gezeigt. Bei dieser Abwandlung ist der dritte Kondensator im Bereich E3 beseitigt und der von dem ersten Kondensatorbereich E1 eingefasste Raum wird als Ausgangselektrode 30' verwendet, von der der Ausgang abgenommen wird. Auf der Ausgangselektrode 30' ist ein Anschlusskissen 33' ausgebildet, so dass der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 hiermit verbunden werden kann. Da das Anschlusskissen 33' auf der Halbleiterschicht 4 ausgebildet ist, können alle elektrischen Verbindungen des Beschleunigungssensors auf der Halbleiterschicht 4 (der oberen Oberfläche) gemacht werden.
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Insoweit zusammenfassend ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Beschleunigungssensor auf einer oberen Oberfläche eines laminierten Silizium-auf-Isolator-Substrats ausgebildet. Der Beschleunigungssensor ist aufgebaut aus ersten und zweiten Kondensatoren mit jeweils einer beweglichen Elektrode, welche sich abhängig von einer angelegten Beschleunigung bewegt. Die ersten und zweiten Kondensatoren sind so ausgelegt, dass sich ihre Kapazitäten unterschiedlich ändern, wenn die gleiche Beschleunigung anliegt, wobei die Kapazitätsdifferenz den Betrag der angelegten Beschleunigung wiedergibt. Ein dritter Kondensator mit einer Ausgangselektrode, die fest mit dem Basissubstrat über die Isolierschicht verbunden ist, ist ebenfalls auf dem gleichen Silizium-auf-Isolator-Substrat ausgebildet. Ein Ausgang, der den Beschleunigungsbetrag oder die Beschleunigungsgröße wiedergibt, wird von der Ausgangselektrode des dritten Kondensators abgegriffen.
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Die Anwendung dieser Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern die Erfindung kann auch bei anderen Sensoren als Beschleunigungssensoren verwendet werden, beispielsweise einem Gierratensensor zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die voranstehenden Ausführungsformen beschrieben und erläutert wurde, erschließt sich einem Fachmann auf diesem Gebiet, dass Änderungen und Modifikationen in der Ausgestaltung und im Detail gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist.
