DE102005024630A1

DE102005024630A1 - Dynamikgrössenhalbleitersensor

Info

Publication number: DE102005024630A1
Application number: DE102005024630A
Authority: DE
Inventors: Minekazu Kariya Sakai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: JP4444004B2; US20050263838A1; JP2005345206A; US7622781B2; DE102005024630B4

Abstract

Wenn bewegliche Elektroden (13, 23) von Balkenanordnungsstrukturen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche eines Trägersubstrats (2) in ersten und zweiten kapzitätsbildenden Abschnitten (E1, E2) durch Einwirkung einer Beschleunigung verschoben werden, während Trägerspannungen angelegt sind, wird die Differenz zwischen einer ersten Kapazität (C1) und einer zweiten Kapazität (C2) von dem Trägersubstrat (2) durch einen dritten kapazitätsbildenden Abschnitt (E3) ausgegeben. Bei einer Selbstdiagnose wird ein Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt (40) eines selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts (E4) auf ein erstes Potential eingestellt, und ein Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt (30) des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts (E3) wird auf ein zweites Potential eingestellt, das sich von dem ersten Potential unterscheidet, wobei das Potential des Trägersubstrats (2), das der festen Elektrode in den ersten und zweiten kapazitätsbildenden Abschnitten entspricht, erzwungenermaßen geändert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dynamikgrößenhalbleitersensor.

Ein Kapazitätsbeschleunigungssensor, der eine Selbstdiagnose durchführen kann, ist in der JP-A-2000-81449 beschrieben. Dieser Sensor wird im Folgenden mit Bezug auf die 9, 10 und 11 beschrieben.

In einer Draufsicht der 9 ist eine Balkenanordnungsstruktur 101 auf einem Substrat 100 ausgebildet. Die Balkenanordnungsstruktur 101 weist bewegliche Elektroden 101a auf, die in einer Beschleunigungserfassungsrichtung, die der Y-Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats 100 entspricht, verschiebbar sind. Feste Elektroden 102 und 103 sind auf dem Substrat 100 derart angeordnet, dass sie einander gegenüberliegen und eine jeweilige bewegliche Elektrode 101a der Balkenanordnungsstruktur 101 in der Y-Richtung dazwischen angeordnet ist. Wenn eine Beschleunigung ausgeübt wird und somit die beweglichen Elektroden 101a der Balkenanordnungsstruktur 101 verschoben werden, verändern sich die Kapazität zwischen einer jeweiligen beweglichen Elektrode 101a und einer jeweiligen festen Elektrode 102 und die Kapazität zwischen einer jeweiligen beweglichen Elektrode 101a und einer jeweiligen festen Elektrode 103 unterschiedlich.

Wie es in 11 gezeigt ist, weist dieser Sensor eine Periode bzw. Zeitdauer (Phase ϕ1, ϕ2) zur Erfassung einer Kapazitätsänderung bei einer Selbstdiagnose und eine Periode bzw. Zeitdauer (Phase ϕ3) zum Verschieben der beweglichen Elektroden 101a auf. In der Periode (Phase ϕ1, ϕ2), während der ein sich periodisch änderndes Signal zwischen einer jeweiligen beweglichen Elektrode 101a und einer jeweiligen festen Elektrode 102, 103 angelegt wird, um die Kapazitätsänderung dazwischen zu erfassen, wird die Spannung, die der Änderung der Differenzkapazität, die die bewegliche Elektrode 101a und die feste Elektrode 102, 103 aufweisen, durch eine C-V-Wandlungsschaltung (Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltung) 200 der 10 ausgegeben. In der Periode (die Phase ϕ3 der 11), während der die beweglichen Elektroden 101a verschoben werden, wird eine Spannung, die in den nicht invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 201 der C-V-Wandlungsschaltung 200 der 10 eingegeben wird von Vcc/2 zu einer Selbstdiagnosespannung V1 geschaltet, und es wird eine Pseudo-Beschleunigung auf die beweglichen Elektroden 101a ausgeübt.

Der Selbstdiagnosebetrieb wird genauer mit Bezug auf 10 beschrieben.

Bei der Selbstdiagnose wird ein Selbstdiagnosesignal TEST in eine Steuerschaltung 300 eingegeben. Die Steuerschaltung 300 gibt ein Signal, das in 11 gezeigt ist, aus, um in einer dritten Periode ϕ3 ein Schaltsignal 53 auf einen hohen Pegel einzustellen und ebenfalls ein Schaltsignal S3 (bar) auf einen niedrigen Pegel einzustellen. Als Ergebnis werden in der dritten Periode ϕ3 ein Schalter 400b geschlossen und ein Schalter 400a geöffnet, so dass die Selbstdiagnosespannung V1 in den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 201 eingegeben wird. Gleichzeitig dient, da ein Schalter 202 geschlossen wird, der Operationsverstärker 201 als ein Spannungsfolger, so dass eine Potentialdifferenz V1 zwischen der beweglichen Elektrode 101a und der festen Elektrode 102 und eine Potentialdifferenz (Vcc-V1) zwischen der beweglichen Elektrode 101a und der festen E lektrode 103 auftritt. Daher treten elektrostatische Kräfte zwischen der beweglichen Elektrode 101a und der festen Elektrode 102 und zwischen der beweglichen Elektrode 101a und der festen Elektrode 103 reziprok zueinander auf, und die beweglichen Elektroden 101a werden erzwungenermaßen durch die Differenzialkraft der elektrostatischen Kräfte verschoben.

Diese elektrostatische Kraft wird bei einer ausreichend höheren Frequenz als die Resonanzfrequenz in der Erfassungsrichtung der beweglichen Elektroden 101a auftreten, wenn die Frequenzen der Trägersignale P1, P2 der 11 auf ausreichend höhere Frequenzen als die Resonanzfrequenz (z.B. das zwei- oder mehrfache der Frequenz) eingestellt werden, und somit werden die beweglichen Elektroden 101a in einen derartigen Zustand versetzt, dass eine gleichstromähnliche Beschleunigung scheinbar in den beweglichen Elektroden 101a auftritt. Zu diesem Zeitpunkt kann die Selbstdiagnose durch Erfassen der gleichstromartigen Verschiebung der beweglichen Elektroden 101a als eine Kapazitätsänderung durchgeführt werden.

Der Ansatz zum Durchführen der Selbstdiagnose in dem Sensor der 9, bei dem die Y-Richtung, die horizontal zur Substratoberfläche ist, als die Erfassungsrichtung eingestellt ist, ist jedoch für einen Sensor unzureichend, bei dem die Erfassungsrichtung eine Z-Richtung vertikal zur Substratoberfläche ist, da das Trägersubstrat nicht auf ein gewünschtes Potential eingestellt werden kann, um die beweglichen Elektroden zu verschieben.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das vorhergehende Problem zu beseitigen und eine Selbstdiagnose in einem Kapazitäts-Dynamikgrößensensor zur Erfassung einer dynamischen Größe zu ermöglichen, die in einer vertikalen Richtung auf die Oberfläche eines Substrats einwirkt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Wie zuvor erwähnt kann der Ansatz zum Durchführen einer Selbstdiagnose in dem Sensor, in dem die Y-Richtung, die horizontal zur Substratoberfläche ist, auf die Erfassungsrichtung eingestellt ist, für einen Sensor unzureichend sein, bei dem die Erfassungsrichtung eine Z-Richtung vertikal zur Substratoberfläche ist, da das Trägersubstrat nicht auf ein gewünschtes Potential eingestellt werden kann, um die beweglichen Elektroden zu verschieben.

D.h. in einem Sensor, der eine Erfassungsrichtung in der Z-Richtung wie z.B. der Sensor der 12 aufweist, sind ein erster kapazitätsbildender Abschnitt E11, ein zweiter kapazitätsbildender Abschnitt E12 und ein dritter kapazitätsbildender Abschnitt E13 unter Verwendung eines SOI-Substrats 500 (ein Substrat mit einer Dünnfilmsiliziumschicht 503, die durch einen Siliziumoxidfilm 502 auf einem Siliziumsubstrat 501 angeordnet ist) mit dem Siliziumsubstrat 501 als gemeinsame Elektrode aufgebaut. Eine erste Balkenanordnungsstruktur 510, die aus der Dünnfilmsiliziumschicht 503 in dem ersten kapazitätsbildenden Abschnitt E11 ausgebildet ist, eine zweite Balkenanordnungsstruktur 511, die aus der Dünnfilmsiliziumschicht 503 in dem zweiten kapazitätsbildenden Abschnitt E12 ausgebildet ist, und ein Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 512, der auf der Dünnfilmsiliziumschicht 503 in dem dritten kapazitätsbildenden Abschnitt E13 ausgebildet ist, sind abschnittsweise ausgebildet. Eine bewegliche Elektrode 510a der ersten Balkenanordnungsstruktur 510 und eine bewegliche Elektrode 511a der zweiten Balkenanordnungsstruktur 511 sind in der Z-Achsen-Richtung verschiebbar, und die Balkenlänge L1 der ersten Balkenanordnungsstruktur 510 und die Balkenlänge L2 der zweiten Balkenanordnungsstruktur 511 unterscheiden sich voneinander. Das Trägersubstrat 501 wird in einem Fließzustand (floating state) verwendet, und die Differenz zwischen der Kapazität C1 zwischen der beweglichen Elektrode 510a in dem ersten kapazitätsbildenden Abschnitt E11 und dem Trägersubstrat 501 und der Kapazität C2 zwischen der beweglichen Elektrode 511 in dem zweiten kapazitätsbildenden Abschnitt E12 und dem Trägersubstrat 501 wird von dem Elektrodenabschnitt 512 durch den dritten kapazitätsbildenden Abschnitt E13, der als ein fester Kondensator dient, ausgegeben. Im Fall des Z-Achsen-Erfassungsbeschleunigungssensors, bei dem das Trägersubstrat 501 in einem Fließzustand verwendet wird, wie es oben beschrieben ist, können Spannungen an die Elektroden 510a, 511a angelegt werden. Das Trägersubstrat 501 kann jedoch nicht auf ein gewünschtes Potential eingestellt werden, um die beweglichen Elektroden 510a, 511a zu verschieben. D.h. es ist unmöglich, die Selbstdiagnosespannung direkt an das Trägersubstrat 501 anzulegen, wie es in 13 gezeigt ist, die 10 ersetzt.

Gemäß dem Dynamikgrößenhalbleitersensor der vorliegenden Erfindung wird in dem ersten kapazitätsbildenden Abschnitt ein beweglicher Elektrodenabschnitt in der Richtung senkrecht zur Oberfläche eines Trägersubstrats durch die Aktion einer dynamischen Größe verschoben, während eine Trägerspannung an den beweglichen Elektrodenabschnitt angelegt wird, und die Kapazität zwischen dem beweglichen Elektrodenabschnitt und dem Trägersubstrat wird geändert. Außerdem wird in dem zweiten kapazitätsbildenden Abschnitt der bewegliche Elektrodenabschnitt in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägersubstrats durch die Einwirkung der dynamischen Größe verschoben, während die Trägerspannung an den beweglichen Elektrodenabschnitt angelegt ist, und die Kapazität zwischen dem beweglichen Elektrodenabschnitt und dem Trägersubstrat wird in einem Zustand geändert, der sich von dem Änderungszustand der Kapazität auf der Grundlage der Verschiebung des beweglichen Elektrodenabschnitts der ersten Balkenanordnungsstruktur unterscheidet. Dementsprechend wird die Kapazitätsdifferenz zwischen der ersten Balkenanordnungsstruktur und der zweiten Balkenanordnungsstruktur von dem Trägersubstrat ausgegeben. Außerdem wird die Kapazitätsdifferenz von dem Trägersubstrat durch eine Signalausgangsgegenelektrode eines dritten kapazitätsbildenden Abschnitts ausgegeben und dann in ein Spannungssignal durch eine C-V-Wandlungsschaltung gewandelt.

Bei der Selbstdiagnose wird ein Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt eines festen kapazitätsbildenden Abschnitts zur Selbstdiagnose auf ein erstes Potential eingestellt, und der Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts wird auf ein zweites Potential eingestellt, das sich von dem ersten Potential unterscheidet, wodurch das Potential des Trägersubstrats, das als die feste Elektrode der ersten und zweiten kapazitätsbildenden Abschnitte dient, erzwungenermaßen geändert wird und die beweglichen Elektrodenabschnitte der ersten und zweiten kapazitätsbildenden Abschnitte durch eine elektrostatische Kraft verschoben werden, so dass die Selbstdiagnose in dem Kapazitäts-Dynamikgrößenhalbleitersensor zur Erfassung der dynamischen Größe, die in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats einwirkt, durchgeführt werden kann.

In dem oben beschriebenen Dynamikgrößenhalbleitersensor kann von dem Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt des festen kapazitätsbildenden Abschnitts zur Selbstdiagnose und dem Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts sich das Potential des Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitts des festen kapazitätsbildenden Abschnitts zur Selbstdiagnose in dem Selbstdiagnosebetrieb von demjenigen in dem Dynamikgrößenerfassungsbetrieb unterscheiden, oder das Potential des Signalausgangsgegenelektrodenabschnitts des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts kann sich von demjenigen in dem Dynamikgrößenerfassungsbetrieb unterscheiden.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden genaueren Beschreibung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen verdeutlicht. Es zeigen:
1 eine Draufsicht, die einen Halbleiterbeschleunigungssensor gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt,
2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II der 1,
3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III der 1,
4 ein konzeptionelles Diagramm, das eine elektrische Struktur zeigt,
5A bis 5C Querschnitte, die einen Herstellungsprozess eines Halbleiterbeschleunigungssensors zeigen,
6 ein Diagramm, das den Schaltungsaufbau des Größenhalbleitersensors zeigen,
7 ein Diagramm, das Signalwellenformen zeigt,
8 ein Diagramm, das den Schaltungsaufbau eines Größenhalbleitersensors gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt,
9 eine Draufsicht eines Beschleunigungssensors nach dem Stand der Technik,
10 ein Diagramm, das den Schaltungsaufbau eines Beschleunigungssensors nach dem Stand der Technik zeigt,
11 ein Diagramm, das die Signalwellenformen des Beschleunigungssensors der 9 zeigt,
12 ein Diagramm, das einen Beschleunigungssensor gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt, und
13 ein Diagramm, das den Schaltungsaufbau des Beschleunigungssensors der 12 zeigt.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
Im folgenden wird eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Diese Ausführungsform verwendet einen Differenzkapazitätshalbleiterbeschleunigungssensor. 1 ist eine Draufsicht, die einen Halbleiterbeschleunigungssensor zeigt. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II der 1 und 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie III-III der 1. Dieser Sensor ist ein Sensor zur Erfassung einer Beschleunigung, die in einer Richtung vertikal (orthogonal) zur Oberfläche des Substrats ausgeübt wird.
Wie es in 2 gezeigt ist, wird ein SOI-Substrat 1 als ein Sensorchip verwendet, und dieses weist eine derartige Struktur auf, dass eine Dünnfilmsiliziumschicht (Einkristallsiliziumschicht) 4 durch einen Isolierfilm 3, der aus einem Siliziumoxidfilm ausgebildet ist, auf einem Trägersubstrat 2 angeordnet ist, das aus einem Einkristallsiliziumsubstrat ausgebildet ist. Im weiten Sinne ist das SOI-Substrat 1 ein Mehrschichtsubstrat, und das Trägersubstrat 2 ist aus einem Halbleitermaterial ausgebildet. Die Dünnfilmsiliziumschicht 4 ist aus einer Dünnfilmhalbleiterschicht ausgebildet. Die Dünnfilmsiliziumschicht 4 wird durch Anordnen des Einkristallsiliziumsubstrats über den Isolierfilm 3 auf dem Trägersubstrat 2 und anschließendes Ausbilden des Einkristallsiliziumsubstratdünnfilmes darauf erlangt. Der geschichtete Körper, der das Trägersubstrat 2 und den Isolierfilm 3 enthält, ist in einer rechtwinkligen Plattengestalt ausgelegt.
Ein erster kapazitätsbildender Abschnitt E1, ein zweiter kapazitätsbildender Abschnitt E2, ein dritter kapazitätsbildender Abschnitt E3 und ein Selbstdiagnosefestkapazitätsbildender Abschnitt E4 sind durch das SOI-Substrat 1 aufgebaut, d.h. sie sind in einem Chip vereint. Die oben beschriebenen kapazitätsbildenden Abschnitte E1, E2, E3 und E4 werden im Folgenden beschrieben.
Durchgangslöcher 5 sind in der Dünnfilmsiliziumschicht 4 ausgebildet, und die Dünnfilmsiliziumschicht 4 ist durch die Durchgangslöcher 5 in einer vorbestimmten Gestalt in Abschnitte unterteilt. D.h., erste und zweite Balkenanordnungsstrukturen 10, 20, die an den rechten und linken Seiten angeordnet sind, ein Signalausgangsgegen elektrodenabschnitt 30, der zwischen den ersten und zweiten Balkenanordnungsstrukturen angeordnet ist, und ein Rahmenabschnitt 40, der um diese Elemente (10, 20, 30) angeordnet ist, sind durch die Durchgangslöcher 5 abschnittsweise ausgebildet bzw. in Abschnitte unterteilt. Das Trägersubstrat 2 wird als eine gemeinsame Elektrode verwendet, der erste kapazitätsbildende Abschnitt E1 ist unter Verwendung der ersten Balkenanordnungsstruktur 10 aufgebaut, der zweite kapazitätsbildende Abschnitt E2 ist unter Verwendung der zweiten Balkenanordnungsstruktur 20 aufgebaut, der dritte kapazitätsbildende Abschnitt E3 ist unter Verwendung des Signalausgangsgegenelektrodenabschnitts 30 aufgebaut, und ein Selbstdiagnosefestkapazitätsbildender Abschnitt E4 ist unter Verwendung des Rahmenabschnitts 40 aufgebaut.
Die erste Balkenanordnungsstruktur 10 weist Ankerabschnitte 11a, 11b, 11c und 11d, Balkenabschnitte 12a, 12b, 12c und 12d und einen beweglichen Elektrodenabschnitt (Gewichtsabschnitt) 13 auf. Die Ankerabschnitte 11a, 11b, 11c und 11d sind auf dem Isolierfilm 3 fixiert. Die Balkenabschnitte 12a, 12b, 12c und 12d und der bewegliche Elektrodenabschnitt 13 sind durch einen Hohlraum 14 auf dem Isolierfilm 3 angeordnet, wie es in den 2 und 3 gezeigt ist. D.h. die Balkenabschnitte 12a, 12b, 12c und 12d erstrecken sich von den Ankerabschnitten 11a, 11b, 11c und 11d, und der bewegliche Elektrodenabschnitt 13 schließt an die Spitzenabschnitte der Balkenabschnitte 12a, 12b, 12c und 12d an und wird an diesen unterstützt. Wie es oben beschrieben ist, sind vier Balken (12a, 12b, 12c, 12d) mit einem jeweiligen schlüsselartigen Muster vorgesehen, der bewegliche Elektrodenabschnitt 13 wird durch die Balkenabschnitte 12a, 12b, 12c, 12d unterstützt und ist so angeordnet, dass er durch den Hohlraum 14 dem Trägersubstrat 2 gegenüberliegt.
Außerdem sind, wie es in 1 gezeigt ist, offene Löcher 15 in dem beweglichen Elektrodenabschnitt 13 ausgebildet, um das Gewicht des Sensors zu verringern. Der bewegliche Elektrodenabschnitt 13 ist in einer Richtung orthogonal zur Oberfläche des Trägersubstrats 2 beweglich (in der Richtung aufwärts und abwärts). Wie es in 4 gezeigt ist, ist die Kapazität (die Kapazität eines Kondensators) zwischen dem beweglichen Elektrodenabschnitt 13 und dem Trägersubstrat 2 durch C1 dargestellt. D.h. der bewegliche Elektrodenabschnitt 13 und das Trägersubstrat 2 dienen als Gegenelektroden, und die Kapazität zwischen beiden Gegenelektroden wird durch C1 dargestellt.
Auf ähnliche Weise weist die zweite Balkenanordnungsstruktur 20 der 1 Ankerabschnitte 21a, 21b, 21c, 21d, Balkenabschnitte 22a, 22b, 22c, 22d und einen beweglichen Elektrodenabschnitt (Gewichtsabschnitt) 23 auf. Die Ankerabschnitte 21a, 21b, 21c, 21d sind auf dem Isolierfilm 3 fixiert. Die Balkenabschnitte 22a, 22b, 22c, 22d und der bewegliche Elektrodenabschnitt 23 sind durch einen Hohlraum 24 auf dem Isolierfilm 3 angeordnet, wie es in 2 gezeigt ist. D.h. die Balkenabschnitte 22a, 22b, 22c und 22d erstrecken sich von den Ankerabschnitten 21a, 21b, 21c, 21d, und der bewegliche Elektrodenabschnitt 23 schließt an die Spitzenabschnitte der Balkenabschnitte 22a, 22b, 22c und 22d an und wird an diesen unterstützt. Wie es oben beschrieben ist, sind vier Balken (22a, 22b, 22c, 22d) in einer jeweiligen schlüsselartigen Gestalt vorgesehen, der bewegliche Elektrodenabschnitt 23 wird durch die Balkenabschnitte 22a, 22b, 22c, 22d unterstützt und ist derart angeordnet, dass er durch den Hohlraum 24 dem Trägersubstrat 2 gegenüberliegt.
Außerdem sind, wie es in 1 gezeigt ist, offene Löcher 25 in dem Gewichtsabschnitt 23 ausgebildet, um das Gewicht des Sensors zu verringern. Der bewegliche Elektrodenabschnitt 23 ist in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägersubstrats 2 beweglich (in der Richtung aufwärts und abwärts). Wie es in 4 gezeigt ist, wird die Kapazität (die Kapazität eines Kondensators) zwischen dem beweglichen Elektrodenabschnitt 23 und dem Trägersubstrat 2 durch C2 dargestellt. D.h. der bewegliche Elektrodenabschnitt 23 und das Trägersubstrat 2 dienen als Gegenelektroden, und die Kapazität zwischen beiden Gegenelektroden wird durch C2 dargestellt.
Hier weisen die Balkenabschnitte 12a bis 12d sowie 22a bis 22d eine Art Federfunktion zum Verschieben der beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägersubstrats 2 auf, wenn eine Beschleunigung in der betreffenden Richtung auf diese Balkenabschnitte ausgeübt wird, und sie bringen die beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 entsprechend der Zerstreuung der Beschleunigung wieder in den ursprünglichen Zustand.
Im Vergleich zwischen der Länge L1 des Balkenabschnitts der Balkenanordnungsstruktur 10 und der Länge L2 des Balkenabschnitts der zweiten Balkenanordnungsstruktur 20 in 1 ist die Länge L2 größer als die Länge L1. Dementsprechend wird, wenn eine Beschleunigung ausgeübt wird, der Elektrodenabschnitt 23 der zweiten Balkenanordnungsstruktur 20 mehr als der Elektrodenabschnitt 13 der ersten Balkenanordnungsstruktur 10 verschoben. Wie es oben beschrieben ist, unterscheiden sich die erste Balkenanordnungsstruktur 10 und die zweite Balkenanordnungsstruktur 20 hinsichtlich der Kapazitätsänderung voneinander, wenn eine Beschleunigung (dynamische Größe) auf diese Balkenanordnungsstrukturen ausgeübt wird.
In 1 ist eine Elektrodenanschlussfläche (Aluminiumanschlussfläche) 16 zum Drahtbondieren auf der oberen Oberfläche des Ankerabschnitts 11c ausgebildet, der aus der Dünnfilmsiliziumschicht ausgebildet ist. Auf ähnliche Weise ist eine Elektrodenanschlussfläche (Aluminiumanschlussfläche) 26 zum Drahtbondieren auf der oberen Oberfläche des Ankerabschnitts 21d ausgebildet, der aus der Dünnfilmsiliziumschicht ausgebildet ist.
Der Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 der 1 weist einen quadratischen Abschnitt 31 und einen Gürtelabschnitt 32 auf, und der Anschlussflächenausbildende Gürtelabschnitt 32 erstreckt sich von dem quadratischen Abschnitt 31. Wie es in 2 gezeigt ist, ist der Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 abschnittsweise ausgebildet, wobei der Isolierfilm 3 in Kontakt mit der unteren Oberfläche davon gelangt (der Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 ist abschnittsweise ausgebildet, wobei der Isolierfilm 3 unterhalb des Signalausgangsgegenelektrodenabschnitts 30 vorhanden ist). Wie es in 4 gezeigt ist, wird die Kapazität (die Kapazität eines Kondensators) zwischen dem Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 und dem Trägersubstrat 2 durch C3 dargestellt. Eine Elektrodenanschlussfläche (Aluminiumanschlussfläche) 33 zum Drahtbondieren ist auf der oberen Oberfläche des Gürtelabschnitts 32 ausgebildet, der durch die Dünnfilmsiliziumschicht der 1 ausgebildet ist. Wie es in 4 gezeigt ist, wird die Differenz (C1-C2) zwischen der Kapazität C1 in dem ersten kapazitätsbildenden Abschnitt E1 und der Kapazität C2 in dem zweiten kapazitätsbildenden Abschnitt E2 von dem Trägersubstrat 2 zum Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 ausgegeben.
Außerdem ist in Bezug auf den Rahmenabschnitt 40 um die Balkenanordnungsstrukturen 10, 20 und den Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 der Selbstdiagnosefest kapazitätsbildende Abschnitt E4 mit dem Rahmenabschnitt 40 als Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt aufgebaut. D.h. in dem Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitt E4 ist der Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt 40 abschnittsweise ausgebildet, wobei der Isolierfilm 3 in Kontakt mit dessen unterer Oberfläche in der Dünnfilmsiliziumschicht 4 gelangt (der Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt 40 ist abschnittsweise ausgebildet, wobei der Isolierfilm 3 unterhalb des Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt 40 vorhanden ist). Eine Elektrodenanschlussfläche (Aluminiumanschlussfläche) 41 zur Drahtbondierung ist auf der oberen Oberfläche des Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitts 40 (Dünnfilmsiliziumschicht 4) ausgebildet. Der Selbstdiagnosefestkapazitätsbildende Abschnitt E4 wird verwendet, um das Potential des Trägersubstrats 2 erzwungenermaßen zu ändern. Wie es in 4 gezeigt ist, wird die Kapazität zwischen dem Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt 40 und dem Trägersubstrat 2 durch C4 dargestellt.
Der Halbleiterbeschleunigungssensor (Sensorchip) wird wie folgt hergestellt. Der Herstellungsprozess wird mit Bezug auf die 5A bis 5C beschrieben. Die 5A bis 5C sind Querschnitte entlang der Linie III-III der 1.
Zunächst wird, wie es in 5A gezeigt ist, ein Wafer-SOI-Substrat 1 vorbereitet. Danach werden Elektrodenanschlussflächen 16, 26, 33, 41 (siehe 1) auf einer Dünnfilmsiliziumschicht 4 unter Verwendung der Fotolithographietechnik und der Ätztechnik ausgebildet.
Anschließend wird, wie es in 5B gezeigt ist, ein Maskenelement 7 bemustert, und es wird ein anisotropes Trockenätzverfahren unter Verwendung einer Trockenätzvorrichtung durchgeführt, um die Durchgangslöcher 5 und die geöffneten Löcher 15, 25, die sich zum Isolierfilm (vergrabener Oxidfilm) 3 erstrecken, in der Dünnfilmsiliziumschicht 4 auszubilden (Mustern). Außerdem wird ein isotropes Trockenätzverfahren der Oberflächenseite des SOI-Substrats (Wafers) 1, von dem der Isolierfilm (vergrabener Oxidfilm) 3 freigelegt ist, durchgeführt, während das Maskenelement 7 verbleibt, wodurch ein Abschnitt der Dünnfilmsiliziumschicht 4, die in Kontakt mit dem Isolierfilm 3 gelangt, entfernt wird, wie es in 5C gezeigt ist. Dementsprechend werden der bewegliche Elektrodenabschnitt (Gewichtsabschnitt) 13 und die Balkenabschnitte 12a, 12b, 12c, 12d der Balkenanordnungsstruktur 10 und der Elektrodenabschnitt (Gewichtsabschnitt) 23 und die Balkenabschnitte 22a, 22b, 22c, 22d der Balkenanordnungsstruktur 20 beweglich gemacht. Danach wird das Maskenelement 7 entfernt, und es erfolgt außerdem eine Zerschneidung in Chips, um einen Sensorchip wie in 1 gezeigt zu erhalten.
Gemäß dem somit aufgebauten Halbleiterbeschleunigungssensor werden, wenn eine Beschleunigung, die eine Komponente in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats 2 enthält, ausgeübt wird, die beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 in der betreffenden Richtung verschoben. Der Betrag der Verschiebung, der der Beschleunigung entspricht, ist proportional zur Masse der beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 und der Wiederherstellungskraft der Balkenabschnitte 12a, 12b, 12c, 12d, 22a, 22b, 22c, 22d. In diesem Fall befindet sich in Bezug auf die erste Kapazität C1 zwischen dem beweglichen Elektrodenabschnitt 13 und dem Trägersubstrat 2 und der Kapazität C2 zwischen dem beweglichen Elektrodenabschnitt 23 und dem Trägersubstrat 2 das Potential des Trägersubstrats 2 in einem Fließzustand, wie es in 4 gezeigt ist, und es tritt eine Änderung der Kapazität (Kapazitätsdifferenz) in dem Substrat 2 auf.
In dieser Ausführungsform sind die erste Kapazität C1 und die zweite Kapazität C2 gleich, wenn keine Beschleunigung ausgeübt wird. D.h. die Gleichung C1 = C2 wird in den Balkenanordnungsstrukturen 10, 20, die an den rechten und linken Seiten der 1 angeordnet sind, erfüllt.
6 ist ein Diagramm, das den Schaltungsaufbau zeigt. In 6 ist eine C-V-Wandlungsschaltung (Kapazitätsänderungserfassungsschaltung) 50 mit einer Anschlussfläche 33 verbunden, und die Änderung der elektrostatischen Kapazität kann durch die C-V-Wandlungsschaltung 50 erfasst werden. Eine Signalverarbeitungsschaltung 60 ist mit dem Ausgangsanschluss der C-V-Wandlungsschaltung 50 verbunden, und es ist eine Steuerschaltung 70 vorgesehen. Außerdem ist eine Schaltschaltung 80 mit einer Anschlussfläche 41 verbunden.
In 6 werden Trägersignale P1, P2 an Anschlussflächen 16, 26 (beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23) angelegt. Die Trägersignale P1, P2 sind Pulswellen, und es werden 0 Volt und Vcc (z.B. 5 Volt) als Spannungspegel verwendet. In dem ersten kapazitätsbildenden Abschnitt E1 wird der bewegliche Elektrodenabschnitt 13 in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägersubstrats 2 durch Einwirkung der Beschleunigung verschoben, während die Trägerspannung (P1) an den beweglichen Elektrodenabschnitt 13 angelegt wird, so dass die Kapazität C1 zwischen dem beweglichen Elektrodenabschnitt 13 und dem Trägersubstrat 2 geändert wird. Außerdem wird in dem zweiten kapazitätsbildenden Abschnitt E2 der bewegliche Elektrodenabschnitt 23 in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägersubstrats 2 durch Einwirkung der Beschleunigung verschoben, während die Trägerspannung (P2) an den beweglichen Elektrodenabschnitt 23 angelegt wird, so dass die Kapazität C2 zwischen dem beweglichen Elektrodenabschnitt 23 und dem Trägersubstrat 2 in einem Änderungszustand geändert wird, der sich von dem Änderungszustand der Kapazität C1 auf der Grundlage der Verschiebung des beweglichen Elektrodenabschnitts 13 der ersten Balkenanordnungsstruktur 10 unterscheidet, und die Kapazitätsdifferenz zwischen der Kapazität C1 und der Kapazität C2 wird von dem Trägersubstrat 2 ausgegeben. Die Kapazitätsdifferenz wird außerdem von dem Trägersubstrat 2 zum Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts E3 ausgegeben und danach wird ein Sensorausgangssignal durch die C-V-Wandlungsschaltung 50 und die Signalverarbeitungsschaltung 60 erhalten. Zu diesem Zeitpunkt ergibt sich der Ausgang wie folgt, und somit kann ein Ausgang proportional zur Kapazität (C1-C2), die sich entsprechend der Beschleunigung ändert, erhalten werden. C3·(C1-C2)·Vcc/(C1+C2+C3+C4)/Cf
Hier stellt Cf eine in die C-V-Wandlungsschaltung 50 rückgeführte Kapazität (Rückführungskapazität) dar.
Im Folgenden wird ein spezieller Schaltungsaufbau mit Bezug auf 6 beschrieben. Die C-V-Wandlungsschaltung 50 wandelt den Kapazitätsdifferenzausgang (C1-C2) des Signalausgangsgegenelektrodenabschnitts 30 des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts E3 in ein Spannungssignal um und weist einen Operationsverstärker 51, einen Schalter 52 und eine Rückführungskapazität (Kondensator) 53 auf. Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 ist mit der Anschlussfläche 33 verbunden, und der Schalter 52 und die Rückführungskapazität 53 sind parallel zwischen den invertierenden Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 51 geschaltet. Eine Spannung von Vcc/2 wird in den nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 eingegeben. Hier kann Vcc/2 auf z.B. 2,5 Volt eingestellt sein.
Die Signalverarbeitungsschaltung 60 ist mit einer Abtast- und Halte-Schaltung 61 ausgerüstet, und die Abtast- und Halteschaltung 61 weist einen Operationsverstärker 62, der einen Spannungsfolger bildet, einen Schalter 63 und einen Kondensator 64 auf. Die Abtast- und Halteschaltung 61 tastet die Ausgangsspannung der C-V-Wandlungsschaltung 50 ab und hält diese für eine festgelegte Zeitdauer. Ein Tiefpassfilter (LPF) 66 ist mit der Abtast- und Halteschaltung 61 durch eine Verstärkungsschaltung (AMP) 65 verbunden. Die Verstärkungsschaltung 65 verstärkt die Ausgangsspannung der Abtast- und Halteschaltung 61 auf eine vorbestimmte Empfindlichkeit, und der Tiefpassfilter 66 gibt nur Komponenten eines vorbestimmten Frequenzbandes von der Ausgangsspannung der Verstärkungsschaltung 65 als ein Beschleunigungserfassungssignal aus.
Die Schaltschaltung 80 wird verwendet, um irgendeine von der Spannung Vcc/2 und der Spannung V1 von den jeweiligen Spannungsquellen (nicht gezeigt) an die Anschlussfläche 41 anzulegen, und weist einen Schalter 81 und einen Schalter 82 auf. Hier wird Vcc/2 auf z.B. 2,5 Volt eingestellt. V1 ist größer als Vcc/2 und kann z.B. auf 2,5 bis 10 Volt eingestellt werden. Der Schalter 81 und der Schalter 82 werden so eingestellt, dass, wenn einer der Schalter geschlossen ist, der andere Schalter geöffnet ist.
Auf der Grundlage eines Bezugstakts CLK und eines Selbstdiagnosesignals TEST erzeugt die Steuerschaltung 70 die Trägersignale P1, P2 mit einer Amplitude von Vcc, die an die Anschlussflächen 16, 26 anzulegen sind, und die Schaltsignale S1, S2, S3(bar), S3 zum Öffnen/Schließen der Schalter 52, 63, 81 und 82 und gibt diese aus. Jeder der Schalter ist durch Schalteinrichtungen wie z.B. einem Halbleiterschalter oder Ähnlichem aufgebaut und wird geschlossen, wenn das Schaltsignal von der Steuerschaltung 70 auf einem hohen Pegel liegt. Das Schaltsignal S3(bar) ist ein Signal, das durch Invertieren des Schaltsignals S3 erhalten wird.
Der Betrieb des obigen Aufbaus wird im Folgenden mit Bezug auf das Signalwellenformdiagramm der 7 beschrieben.
Jedes der Trägersignale P1, P2, das von der Steuerschaltung 70 ausgegeben wird, ist ein rechtwinkliges Wellensignal mit konstanter Amplitude, die sich zwischen einem hohen Pegel (Hi) und einem niedrigen Pegel (Lo) in drei Perioden ϕ1 bis ϕ3 ändert, und das Trägerwellensignal P2 ist ein Signal, das durch Invertieren des Spannungspegels des Trägerwellensignals P1 erhalten wird.
In dieser Ausführungsform entsprechen die ersten und zweiten Perioden ϕ1 und ϕ2 Perioden, während der eine Kapazitätsänderung vorliegt, und die Periode ϕ3 entspricht einer Periode, während der die bewegliche Elektrode verschoben wird.
Das TEST-Signal wird auf einem L-Pegel bis zum Zeitpunkt t1 der 7 gehalten, und es wird ein normaler Betrieb durchgeführt. Im folgenden wird der normale Betrieb beschrieben.
In der ersten Periode ϕ1 wird das Trägersignal P1 auf Hi eingestellt, und das Trägersignal P2 wird auf Lo eingestellt. Außerdem werden durch die Schaltsignale S1, S2, S3(bar), S3 von der Steuerschaltung 70 der Schalter 52 geschlossen, der Schalter 63 geöffnet, der Schalter 81 geschlossen und der Schalter 82 geöffnet. Dementsprechend wird Vcc/2 an die Anschlussfläche 41 angelegt, und die Spannung von Vcc/2 wird an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 angelegt, so dass die Spannung von Vcc/2 an die Anschlussfläche 33 angelegt wird und außerdem die Ladungen der Rückführungskapazität (Kondensator) 53 entladen werden.
In diesem Zustand wird die Ladung C1·(Vcc-Vx) in dem ersten kapazitätsbildenden Abschnitt E1 gespeichert, die Ladung von C2·Vx wird in dem zweiten kapazitätsbildenden Abschnitt E2 gespeichert und die Ladung von C3·Vx wird in dem dritten kapazitätsbildenden Abschnitt E3 gespeichert. Hier stellt Vx das Potential des Trägersubstrats 2 dar und erfüllt die folgende Gleichung: Vx = {Vcc·C1+(Vcc/2)·C3}/(C1+C2+C3+C4)
In der zweiten Periode ϕ2 wird der Spannungspegel des Trägersignals P1, P2 invertiert (P1 wird auf Lo eingestellt und P2 wird auf Hi eingestellt), und der Schalter 52 wird geöffnet, während der Schalter 63 geschlossen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Differenz der Ladung des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts E3 wie folgt dargestellt: ΔQ = C3·(C1-C2)·Vcc/(C1+C2+C3+C4)
Als Ergebnis wird die Ladung in der Rückführungskapazität (Kondensator) 53 abgefangen, eine Spannung von (ΔQ/Cf+Vcc/2) tritt an dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 51 auf, und die Spannung, die der Differenz der Kapazität (C1-C2) entspricht, wird ausgegeben. Diese Spannung wird von der Abtast- und Halteschaltung 61 abgetastet und gehalten und danach als ein Beschleunigungserfassungssignal durch die Verstärkungsschaltung 65 und den Tiefpassfilter 66 ausgegeben. D.h. die Abtast- und Halteschaltung 61 tastet die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 51 während der Periode ϕ2 ab und hält die somit abgetastete Spannung während der anderen Periode. Auf der Grundlage der Ausgangsspannung von der Abtast- und Halteschaltung 61 wird das Beschleunigungserfassungssignal durch die Verstärkungsschaltung 65 und den Tiefpassfilter 66 ausgegeben.
In der dritten Periode ϕ3, die der Periode entspricht, während der die Elektrode verschoben wird, ist der Schalter 81 geschlossen und die Spannung von Vcc/2 wird an die Anschlussfläche 41 im normalen Betrieb angelegt. Außerdem ist der Schalter 52 geschlossen und somit dient der Operationsverstärker 51 als Spannungsfolger, so dass die Spannung von Vcc/2 an die Anschlussflächen 33, 41 angelegt ist. In diesem Zustand tritt nur eine schwache elektrostatische Kraft aufgrund der Potentialdifferenz von Vcc/2 zwischen der Anschlussfläche 33, 41 und der Anschlussfläche 16, 26 auf, und somit tritt keine elektrostatische Kraft auf, die die beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 verschieben kann. D.h. es tritt keine elektrostatische Kraft auf, die eine Pseudobeschleunigung erzeugt, wie es später beschrieben ist. Dementsprechend wird in dem normalen Betrieb die Tätigkeit während der Perioden ϕ1 bis ϕ3 wiederholt, und wenn die beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 einer Beschleunigung ausgesetzt sind und somit verschoben werden, wird das Beschleunigungserfassungssignal von der Signalverarbeitungsschaltung 60 in Verbindung mit der Beschleunigung ausgegeben.
Zum Zeitpunkt t1 der 7 steigt das TEST-Signal an, und es wird eine Selbstdiagnose durchgeführt. Im folgenden wird der Betrieb der Selbstdiagnose beschrieben.
In dem Selbstdiagnosebetrieb gibt die Steuerschaltung 70 das folgende Befehlssignal auf das Selbstdiagnosesignal TEST hin aus. In der dritten Periode ϕ3 wird das Schaltsignal S3 auf einen hohen Pegel eingestellt, und das Schaltsignal S3(bar) wird auf einen niedrigen Pegel eingestellt. Als Ergebnis wird in der dritten Periode ϕ3 der Schalter 82 geschlossen, und der Schalter 81 wird geöffnet, so dass die Spannung V1 an die Anschlussfläche 41 (Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt 40) angelegt wird.
Zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter 52 geschlossen, und somit dient der Operationsverstärker 51 als ein Spannungsfolger, so dass die Spannung von Vcc/2 an die Anschlussfläche 33 (Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30) angelegt wird. Als Ergebnis wird das Potential Vk des Trägersubstrats durch die folgende Gleichung (1) dargestellt. Vk = {Vcc·C2+(Vcc/2)·C3+V1·C4}/(Cl+C2+C3+C4) (1)
Dementsprechend tritt die Potentialdifferenz von Vk in dem ersten kapazitätsbildenden Abschnitt E1 auf, und die Potentialdifferenz von Vk-Vcc tritt in dem zweiten kapazitätsbildenden Abschnitt E2 auf. Diese Potentialdifferenz erzeugt die Kraft zur Verschiebung der beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23. Wenn die Frequenzen der Trägersignale P1, P2 auf ausreichend höher (z.B. die zweifache oder mehrfache Frequenz) als die Resonanzfrequenz der beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 in der Beschleunigungserfassungsrichtung eingestellt werden, kann diese elektrostatische Kraft mit einer ausreichend höheren Frequenz als die Resonanzfrequenz der beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 erzeugt werden, und somit wird scheinbar ein Zustand derart errichtet, dass eine gleich spannungsmäßige Beschleunigung in den beweglichen Elektrodenabschnitten 13, 23, auftritt. Die Selbstdiagnose kann durch Erfassen der gleichstromähnlichen Verschiebung der beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 zu diesem Zeitpunkt als Kapazitätsänderung durchgeführt werden. Insbesondere können Nachteile wie z.B., dass sich die beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 in einem Zustand befinden, in dem sie aus irgendeinem Grund nicht frei verschoben werden können oder Ähnlichem, bestimmt werden.
Wie es oben beschrieben ist, kann die Selbstdiagnose durch Anlegen der Selbstdiagnosespannung an das Trägersubstrat 2 (unbewegliche Elektrode) durchgeführt werden. D.h. in dem Halbleiterbeschleunigungssensor zum Erfassen einer Beschleunigung, die in der Richtung vertikal zur Oberfläche des Substrats ausgeübt wird, wird die Kapazitätsänderung zwischen dem beweglichen Elektrodenabschnitt 13, 23 und dem Trägersubstrat 2 erfasst, während das Potential des Trägersubstrats 2 auf einen Fließzustand eingestellt ist, und eine periodische Spannung wird auf den Kondensator ausgeübt, der keine Kapazitätsänderung bei einer Beschleunigung aufweist (Selbstdiagnosefestkapazitätsbildender Abschnitt E4), wodurch die Selbstdiagnose durchgeführt wird.
Wie es oben beschrieben ist, weist diese Ausführungsform das folgende Merkmal auf.
Der Selbstdiagnosefestkapazitätsbildende Abschnitt E4 ist vorgesehen. Der Selbstdiagnosefestkapazitätsbildende Abschnitt E4 ist auf dem SOI-Substrat in der Form eines Ein-Chips mit ersten, zweiten und dritten kapazitätsbildenden Abschnitten E1, E2, E3 ausgebildet, und der Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt 40 ist abschnittsweise in der Dünnfilmsiliziumschicht 4 ausgebildet, wäh rend der Isolierfilm 3 unterhalb des Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitts 40 vorhanden ist.
Zum Selbstdiagnosezeitpunkt wird der Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt 40 des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts E4 auf das erste Potential V1 eingestellt, und der Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts E3 wird auf das zweite Potential (Vcc/2) eingestellt, das sich von dem ersten Potential V1 unterscheidet, wodurch das Potential des Trägersubstrats 2 entsprechend der festen Elektrode der ersten und zweiten kapazitätsbildenden Abschnitte E1, E2 erzwungenermaßen geändert wird, und die beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 der ersten und zweiten kapazitätsbildenden Abschnitte E1, E2 werden durch eine elektrostatische Kraft verschoben. Insbesondere wird in Bezug auf den Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt 40 des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts E4 und den Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts E3 das Potential des Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitts 40 des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts E4 zum Selbstdiagnosezeitpunkt gegenüber dem Beschleunigungserfassungszeitpunkt geändert. Dementsprechend kann die Selbstdiagnose in dem Kapazitätshalbleiterbeschleunigungssensor zum Erfassen der Beschleunigung, die in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats ausgeübt wird, durchgeführt werden.
(Zweite Ausführungsform)
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform beschrieben, wobei hauptsächlich die sich von der ersten Ausführungsform unterscheidenden Punkte angesprochen werden.
Diese Ausführungsform weist den Aufbau der 8 anstelle des Aufbaus der 6 auf.
In 8 ist eine Anschlussfläche 41 geerdet. Ein Schalter 80 ist mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 51 einer C-V-Wandlungsschaltung 50 verbunden. Der Schalter 80 wird verwendet, um irgendeine von einer Spannung Vcc/2 und einer Spannung V1 von jeweiligen Spannungsquellen (nicht gezeigt) in den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 anzulegen, und die Schaltung weist einen Schalter 81 und einen Schalter 82 auf. Der Schalter 81 und der Schalter 82 sind so ausgelegt, dass, wenn einer der Schalter geschlossen ist, der andere Schalter geöffnet ist.
In der dritten Periode ϕ3 des Selbstdiagnosebetriebs wird das Schaltsignal S3 auf einen hohen Pegel eingestellt, und das Schaltsignal S3(bar) wird auf einen niedrigen Pegel eingestellt, wodurch der Schalter 82 geschlossen und der Schalter 81 geöffnet wird. Daher wird die Spannung V1 in den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 eingegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter 52 geschlossen, und somit dient der Operationsverstärker 51 als ein Spannungsfolger, so dass die Spannung V1 zur Selbstdiagnose an die Anschlussfläche 33 (Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30) angelegt wird.
In diesem Fall wird das Potential Vk des Trägersubstrats in dem Selbstdiagnosebetrieb durch die folgende Gleichung (2) dargestellt: Vk = (V1·C3+Vcc·C2)/(C1+C2+C3+C4) (2)
Zu diesem Zeitpunkt ist im Vergleich zwischen dem Elektrodenbereich des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts E3 und dem Elektrodenbereich des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts E4 der Elektrodenbereich des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts E4 noch größer als der Elektrodenbereich des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts E3, wie es in
1 gezeigt ist. In diesem Fall ist die Kapazität C4 noch größer als die Kapazität C3, und das Potential des Trägersubstrats dieser Ausführungsform ist niedriger als das Potential des Trägersubstrats der ersten Ausführungsform, wie es sich aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt.
Wie es oben beschrieben ist, wird in Bezug auf den Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt 40 des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts E4 und den Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts E3 das Potential des Signalausgangsgegenelektrodenabschnitts 30 des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts E3 in dem Selbstdiagnosebetrieb von Vcc/2 in dem Beschleunigungserfassungsbetrieb zu V1 (>Vcc/2) geändert. Dementsprechend kann der Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt 40 des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts E4 in dem Selbstdiagnosebetrieb auf das erste Potential (Massepotential: 0 Volt) eingestellt werden, und außerdem kann der Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt 30 des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts E3 auf das zweite Potential V1 eingestellt werden, das sich von dem ersten Potential unterscheidet. Daher kann das Potential des Trägersubstrats 2, das der festen Elektrode der ersten und zweiten kapazitätsbildenden Abschnitte E1, E2 entspricht, erzwungenermaßen geändert werden, und die beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23 der ersten und zweiten kapazitätsbildenden Abschnitte E1, E2 können durch die elektrostatische Kraft verschoben werden.
Gemäß jeder der obigen Ausführungsformen ist die Kapazitätsänderung in der ersten Balkenanordnungsstruktur 10 und der zweiten Balkenanordnungsstruktur 20 bei Ausübung der Beschleunigung (dynamische Größe) durch Änderung der Längen L1, L2 der Balkenabschnitte unterschiedlich. Es kann jedoch auch Folgendes übernommen bzw. verwendet werden:
Die ersten Balkenanordnungsstruktur 10 und die zweite Balkenanordnungsstruktur 20 unterscheiden die Kapazitätsänderung bei einer Beschleunigung (dynamische Größe) durch Ändern der Breite der Balkenabschnitte 12a bis 12d und der Breite der Balkenabschnitte 22a bis 22d.
Die erste Balkenanordnungsstruktur 10 und die zweite Balkenanordnungsstruktur 20 unterscheiden die Kapazitätsänderung bei einer Beschleunigung (dynamische Größe) durch Ändern der Masse oder des Elektrodenbereichs der beweglichen Elektrodenabschnitte 13, 23.
Die erste Balkenanordnungsstruktur 10 und die zweite Balkenanordnungsstruktur 20 unterscheiden die Kapazitätsänderung bei einer Beschleunigung (dynamische Größe) durch Ändern des Materials oder der Dicke des Isolierfilms 3 zwischen dem Trägersubstrat 2 und der Dünnfilmsiliziumschicht 4.
Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls für Sensoren zur Erfassung anderer dynamischer Größen wie z.B. einem Halbleitergierratensensor etc. angewendet werden.
Im Folgenden wird die technische Idee, die der obigen Ausführungsform und den anderen Ausführungsformen zugrunde liegt, beschrieben.
In dem Dynamikgrößenhalbleitersensor gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden bzw. differenzieren (z.B. Differenzbildung) die erste Balkenanordnungsstruktur 10 und die zweite Balkenanordnungsstruktur 20 durch Ändern der Längen (L1, L2) der Balkenabschnitte (12a bis 12d, 22a bis 22d) die Kapazitätsänderung, wenn eine dynamische Größe einwirkt.
In dem Dynamikgrößenhalbleitersensor gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden die erste Balkenanordnungsstruktur 10 und die zweite Balkenanordnungsstruktur 20 durch Ändern der Breite der Balkenabschnitte (12a bis 12d, 22a bis 22d) die Kapazitätsänderung, wenn eine dynamische Größe einwirkt.
In dem Dynamikgrößenhalbleitersensor gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden die erste Balkenanordnungsstruktur 10 und die zweite Balkenanordnungsstruktur 20 durch Ändern der Masse oder des Elektrodenbereichs der beweglichen Elektrodenabschnitte (13, 23) die Kapazitätsänderung, wenn eine dynamische Größe einwirkt.
In dem Dynamikgrößenhalbleitersensor gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden die erste Balkenanordnungsstruktur 10 und die zweite Balkenanordnungsstruktur 20 durch Ändern des Materials oder der Dicke des Isolierfilms 3 zwischen dem Trägersubstrat 2 und der Dünnfilmhalbleiterschicht 4 die Kapazitätsänderung, wenn eine dynamische Größe einwirkt.

Claims

Dynamikgrößenhalbleitersensor, der aufweist: einen ersten kapazitätsbildenden Abschnitt (E1), der ein geschichtetes Substrat aufweist, das eine Dünnfilmhalbleiterschicht (4), die durch einen Isolierfilm (3) auf einem Trägersubstrat (2) angeordnet ist, das aus einem Halbleitermaterial ausgebildet ist, eine erste Balkenanordnungsstruktur (10), die abschnittsweise in der Dünnfilmhalbleiterschicht (4) ausgebildet ist, und einen ersten beweglichen Elektrodenabschnitt (13) der ersten Balkenanordnungsstruktur (10) enthält, der derart angeordnet ist, dass er dem Trägersubstrat (2) durch einen ersten Hohlraum (14) gegenüberliegt, wobei der erste bewegliche Elektrodenabschnitt (13) in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägersubstrats (2) unter Einwirkung einer dynamischen Größe verschoben wird, während eine erste Trägerspannung an den ersten beweglichen Elektrodenabschnitt (13) angelegt ist, um dadurch eine erste Kapazität (C1) zwischen dem beweglichen Elektrodenabschnitt (13) und dem Trägersubstrat (2) zu ändern, einen zweiten kapazitätsbildenden Abschnitt (E2), der auf dem geschichteten Substrat in Form eines Ein-Chips mit dem ersten kapazitätsbildenden Abschnitt (E1) ausgebildet ist und eine zweite Balkenanordnungsstruktur (20), die abschnittsweise in der Dünnfilmhalbleiterschicht (4) ausgebildet ist, und einen zweiten beweglichen Elektrodenabschnitt (23) der zweiten Balkenanordnungsstruktur (20) aufweist, der derart angeordnet ist, dass er dem Trägersubstrat (2) durch einen zweiten Hohlraum (24) gegenüberliegt, wobei der zweite bewegliche Elektrodenabschnitt (23) in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägersubstrats (2) unter Einwirkung der dynamischen Größe verschoben wird, während eine zweite Trägerspannung an den zweiten beweglichen Elektrodenab schnitt (23) angelegt ist, wodurch eine zweite Kapazität (C2) zwischen dem zweiten beweglichen Elektrodenabschnitt (23) und dem Trägersubstrat (2) in einem Änderungszustand geändert wird, der sich von dem Änderungszustand der ersten Kapazität (C1) auf der Grundlage der Verschiebung des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts (13) der ersten Balkenanordnungsstruktur (10) unterscheidet und eine Differenzkapazität zwischen der ersten Kapazität (C1) und der zweiten Kapazität (C2) zum Trägersubstrat (2) ausgegeben wird, einen dritten kapazitätsbildenden Abschnitt (E3), der auf dem geschichteten Substrat in Form eines Ein-Chips mit den ersten und zweiten kapazitätsbildenden Abschnitten (E1, E2) ausgebildet ist und einen Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt (30), der abschnittsweise in der Dünnfilmhalbleiterschicht (4) ausgebildet ist, während der Isolierfilm (3) unterhalb des Signalausgangsgegenelektrodenabschnitts (30) vorhanden ist, aufweist, wobei die Differenzkapazität durch den Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt (30) ausgegeben wird, eine Kapazitäts-Spannungs-Wandlungschaltung (50) zum Wandeln der Differenzkapazität, die von dem Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt (30) des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts (E3) ausgegeben wird, in ein Spannungssignal, und einen Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitt (E4), der auf dem geschichteten Substrat in Form eines Ein-Chips mit den ersten, zweiten und dritten kapazitätsbildenden Abschnitten (E1, E2, E3) ausgebildet ist, einen Spannungsanlegungsgegenelektrodenbereich (40) aufweist, der abschnittsweise in der Dünnfilmhalbleiterschicht (4) ausgebildet ist, während der Isolierfilm (3) unterhalb des Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitts (40) vorhanden ist, und erzwungenermaßen das Potential des Trägersubstrats (2) ändert, wobei der Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt (40) des Selbstdiagnose festkapazitätsbildenden Abschnitts (E4) bei der Selbstdiagnose auf ein erstes Potential und der Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt (30) des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts (E3) auf ein zweites Potential eingestellt wird, das sich von dem ersten Potential unterscheidet, um das Potential des Trägersubstrats (2), das als eine feste Elektrode der ersten und zweiten kapazitätsbildenden Abschnitte (E1, E2) dient, erzwungenermaßen zu ändern, wobei die ersten und zweiten beweglichen Elektrodenabschnitte (13, 23) der ersten und zweiten kapazitätsbildenden Abschnitte (E1, E2) durch eine elektrostatische Kraft verschoben werden.
Dynamikgrößenhalbleitersensor nach Anspruch 1, wobei in Bezug auf den Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt (40) des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts (E4) und den Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt (30) des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts (E3) das Potential des Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitts (40) des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts (E4) bei der Selbstdiagnose gegenüber demjenigen bei einer Dynamikgrößenerfassung geändert wird.
Dynamikgrößenhalbleitersensor nach Anspruch 1, wobei in Bezug auf den Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt (40) des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts (E4) und den Signalausgangsgegenelektrodenabschnitt (30) des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts (E3) das Potential des Signalausgangsgegenelektrodenabschnitts (30) des dritten kapazitätsbildenden Abschnitts (E3) bei der Selbstdiagnose gegenüber demjenigen bei einer Dynamikgrößenerfassung geändert ist.
Dynamikgrößenhalbleitersensor nach Anspruch 1, wobei die Spannung des Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitts (40) des Selbstdiagnosefestkapazitätsbildenden Abschnitts (E4) während eines Selbstdiagnosezustands durch Anlegen des vorbestimmten Potentials an die Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltung (50) auf ein vorbestimmtes Potential geändert wird.
Dynamikgrößenhalbleitersensor, der aufweist: mehrere bewegliche Elektroden (13, 23), die über einem Substrat (2) angeordnet sind, wobei die beweglichen Elektroden (13, 23) sich in einer Richtung orthogonal zu einer Oberfläche des Substrats (2) auf eine einwirkende dynamische Größe hin bewegen, mehrere feste Elektroden (3), die auf dem Substrat angeordnet sind, wobei eine Differenzkapazität (C1-C2) zwischen den beweglichen Elektroden (13, 23) und den festen Elektroden (3) entsprechend der Bewegung der beweglichen Elektroden (13, 23) auf die einwirkende dynamische Größe hin induziert wird, und eine Signalausgangselektrode (30), die auf dem Substrat (2) angeordnet ist, wobei die Signalausgangselektrode (30) die Differenzkapazität an eine Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltung (50) ausgibt, wobei ein Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitt (40) auf dem Substrat (2) angeordnet ist, wobei das Potential des Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitts (40) auf ein erstes Potential und die Signalausgangselektrode (30) auf ein zweites Potential eingestellt wird, das sich von dem ersten Potential unterscheidet, um das Potential des Substrats (2) erzwungenermaßen zu ändern, das als die festen Elektroden (3) dient, und um einen Selbstdiagnosebetrieb durchzuführen und eine Selbstdiagnose zu ermöglichen.
Dynamikgrößenhalbleitersensor nach Anspruch 1 oder 5, wobei das Potential des Substrats (2) durch Anlegen des ersten oder zweiten Potentials an die Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltung (50) und Festlegen eines Po tentials des Spannungsanlegungsgegenelektrodenabschnitts (40) auf Massepotential geändert wird.