DE10200873B4

DE10200873B4 - Dynamischer Sensor mit einer sich in Übereinstimmung mit einer darauf ausgeübten dynamischen Kraft ändernden Kapazität

Info

Publication number: DE10200873B4
Application number: DE10200873A
Authority: DE
Inventors: Seiichiro Kariya Ishio
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2022-01-12
Also published as: US6694814B2; US20020104377A1; JP2002228680A; DE10200873A1

Abstract

Dynamischer Sensor, der aufweist:
ein Halbleitersubstrat (5);
ein feststehendes Teil (9a, 9b), das auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei das feststehende Teil längliche feststehende Elektroden (16a, 16b) aufweist;
ein bewegliches Teil (8), das auf dem Halbleitersubstrat (5) verankert ist, wobei das bewegliche Teil (8) längliche bewegliche Elektroden (11a, 11b) aufweist, die den feststehenden Elektroden (16a, 16b) gegenüberliegen und eine Kapazität (CS1, CS2) zwischen diesen ausbilden, welche sich in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft ändert, die auf die beweglichen Elektroden (11a, 11b) ausgeübt wird, wobei:
eine Mehrzahl von Vorsprüngen (40a, 40b) auf entweder den feststehenden Elektroden (16a, 16b) oder den beweglichen Elektroden (11a, 11b) oder auf beiden Elektroden ausgebildet ist, wobei die Vorsprünge derart unterschiedliche Höhen aufweisen, daß die höchsten Vorsprünge (40a) zuerst die Elektroden treffen, die den Vorsprüngen gegenüberliegen, wenn eine übermäßige dynamische Kraft auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven dynamischen Sensor und genauer gesagt seine Elektroden und flexible Trägerstruktur.
Ein kapazitiver dynamischer Sensor besteht aus feststehenden und beweglichen Elektroden, die den feststehenden Elektroden gegenüberliegen, was einen schmalen Luftspalt zwischen diesen ausbildet. Eine auf den Sensor ausgeübte dynamische Kraft, wie zum Beispiel eine Beschleunigung, wird durch Änderungen einer Kapazität erfaßt, die zwischen beiden Elektroden ausgebildet ist. Wenn ein übermäßiger Stoß auf einen derartigen Sensor im Stand der Technik ausgeübt wird, berühren die beweglichen Elektroden die feststehenden Elektroden und dadurch können beide Elektroden aneinander haften. Um ein derartiges Haftphänomen zu unterdrücken, schlägt die DE 199 21 863 A1 vor, eine Mehrzahl von Vorsprüngen auf den feststehenden Elektroden auszubilden. Da die beweglichen Elektroden die feststehenden Elektroden über derartige Vorsprünge berühren, wenn ein übermäßiger Stoß auf den Sensor ausgeübt wird, wird eine Berührungsfläche von beiden Elektroden verringert und wird die Haftkraft zwischen diesen ebenso verringert.
Da bei dem vorgeschlagenen dynamischen Sensor jedoch die Vorsprünge gleichmäßig auf den feststehenden Elektroden angeordnet sind, können alle Vorsprünge gleichzeitig zerstört werden, wenn ein übermäßiger Stoß ausgeübt wird. Wenn alle Vorsprünge zerstört sind, kann das Haften von beiden Elektroden nicht vermieden werden.
Aus der US 6 105 428 A , die den nächst kommenden Stand der Technik bezüglich des Anspruchs 7 ausbildet, ist ein dynamischer Sensor bekannt, der ein feststehendes Teil, das auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei das feststehende Teil längliche feststehende Elektroden aufweist, ein bewegliches Teil aufweist, das auf dem Halbleitersubstrat verankert ist, wobei das bewegliche Teil längliche bewegliche Elektroden aufweist, die den feststehenden Elektroden gegenüberliegen und eine Kapazität zwischen diesen ausbilden, welche sich in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft ändert, die auf die beweglichen Elektroden ausgeübt wird, wobei die länglichen feststehenden Elektroden an einem Ende von ihnen auf dem Halbleitersubstrat gehalten werden, was Ausleger ausbildet, das bewegliche Teil eine längliche Mittenrippe und einen flexiblen Träger aufweist, der in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft federnd schwingt, die auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird, wobei die längliche Mittenrippe an beiden Enden von ihr auf dem Halbleitersubstrat verankert ist, wobei die länglichen beweglichen Elektroden mit der Mittenrippe verbunden sind, was Ausleger ausbildet, und eine Mehrzahl von Vorsprüngen zum Einschränken einer übermäßigen Schwingbewegung des flexiblen Trägers auf dem flexiblen Träger ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf das zuvor erwähnte Problem geschaffen worden, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten dynamischen Sensor zu schaffen, bei welchem das Haften zwischen den beweglichen und feststehenden Elektroden vermieden wird.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 und 7 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Feststehende Elektroden und bewegliche Elektroden sind derart auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet, daß die beweglichen Elektroden den feststehenden Elektroden mit einem kleinen Luftspalt zwischen diesen gegenüberliegen. Eine Kapazität, welche in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft, wie zum Beispiel. einer Beschleunigung, veränderbar ist, die auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird, ist zwischen den feststehenden Elektroden und den beweglichen Elektroden ausgebildet. Die Änderungen der Kapazität werden als elektrische Signale aus dem Sensor ausgegeben und die dynamische Kraft, die auf den Sensor ausgeübt wird, wird der auf der Grundlage der elektrischen Signale erfaßt.
Die beweglichen Elektroden neigen dazu, an den feststehenden Elektroden zu haften, wenn beide Elektroden aufgrund eines auf den Sensor ausgeübten übermäßigen Stoßes einander berühren. Um das Elektrodenhaften zu vermeiden oder zu unterdrücken, sind mehrere Vorsprünge auf entweder den beweglichen Elektroden oder den feststehenden Elektroden oder beiden Elektroden ausgebildet. Diese Vorsprünge verringern eine Berührungsfläche zwischen beiden Elektroden, wenn beide Elektroden durch einen übermäßigen Stoß einander berühren. Die Vorsprünge sind derart ausgebildet, daß sie unterschiedliche Höhen aufweisen, so daß die höheren Vorsprünge zuerst die andere Elektrode treffen, um dadurch niedrigere Vorsprünge zu schützen. Die derart geschützten niedrigeren Vorsprünge dienen dazu, das Elektrodenhaften zu verhindern, welches ansonsten durch den nächsten übermäßigen Stoß bewirkt werden würde.
Die feststehenden Elektroden werden an einem Ende von ihnen auf dem Halbleitersubstrat gehalten, was eine Auslegerstruktur ausbildet. Die beweglichen Elektroden sind an einem Ende von ihnen mit einer Mittenrippe verbunden, welche an ihren beiden Enden auf dem Halbleitersubstrat verankert ist, wobei die beweglichen Elektroden ebenso eine Auslegerstruktur ausbilden. Aufgrund der Auslegerstruktur von beiden Elektroden ist es am wahrscheinlichsten, daß das Elektrodenhaften an dem Spitzenabschnitt und Sockelabschnitt der Auslegerstruktur auftritt. Deshalb sind die Vorsprünge entweder an dem Spitzenabschnitt oder an dem Sockelabschnitt der als Ausleger strukturierten Elektroden oder an beiden der Spitzen- und Sockelabschnitte dichter als an einem Mittenabschnitt von diesen angeordnet. Weiterhin sind an den Spitzen- oder Sockelabschnitten oder an beiden Abschnitten höhere Vorsprünge ausgebildet.
Es ist bevorzugt, die Vorsprünge auf den feststehenden Elektroden auszubilden, um eine dynamische Unausgeglichenheit der beweglichen Elektroden zu vermeiden, welche auftreten würde, wenn einige der Vorsprünge, die auf den beweglichen Elektroden ausgebildet sind, von einem übermäßigen Stoß zerstört werden würden. Die Vorsprünge können auf beiden Seiten der feststehenden Elektroden ausgebildet sein, die den beweglichen Elektroden gegenüberliegen, um weiterhin sicher das Elektrodenhaften zu vermeiden.
Die Vorsprünge können auf einem flexiblen Träger ausgebildet sein, der in Übereinstimmung mit einer darauf ausgeübten dynamischen Kraft zurück und vor schwingt. Derartige Vorsprünge sind derart ausgebildet, daß die Vorsprünge eine übermäßige Schwingbewegung des flexiblen Trägers einschränken, bevor die beweglichen Elektroden die feststehenden Elektroden berühren.
Das Haften zwischen den beweglichen Elektroden und den feststehenden Elektroden wird durch die Vorsprünge vermieden oder unterdrückt, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, und der dynamische Sensor kann für eine lange Zeit betrieben werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1A eine Draufsicht eines kapazitiven Beschleunigungssensors;
1B eine entlang einer Linie IB-IB in 1A genommene Querschnittsansicht des kapazitiven Beschleunigungssensors;
2A eine Draufsicht einer Elektrodenstruktur als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem vergrößerten Maßstab;
2B eine Draufsicht einer anderen beispielhaften Elektrodenstruktur in einem vergrößerten Maßstab;
3A bis 3F schematische Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Herstellen des Beschleunigungssensors;
4A eine Draufsicht eines Ausbildens von Kondensatoren in dem Beschleunigungssensor;
4B eine entlang einer Linie IVB-IVB in 4A genommene Querschnittsansicht eines Ausbildens von Kondensatoren in dem Beschleunigungssensor;
5A eine Darstellung einer Schaltung zum Erfassen einer Kapazität in dem Beschleunigungssensor;
5B eine Darstellung von verschiedenen Wellenformen der in 5A gezeigten Schaltung;
6A eine Draufsicht eines Beispiels einer Elektrodenstruktur, bei welcher Vorsprünge auf flexiblen Trägern eines beweglichen Teils ausgebildet sind; und
7 eine Draufsicht eines weiteren Beispiels einer Elektrodenstruktur, bei welcher Vorsprünge auf flexiblen Trägern eines beweglichen Teils und auf feststehenden Elektroden eines feststehenden Teils ausgebildet sind.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1A bis 5B beschrieben. Zuerst wird unter Bezugnahme auf die 1A und 1B eine Gesamtstruktur eines kapazitiven Beschleuniaungssensors beschrieben. Ein Beschleunigungssensor 1 ist auf einem Silizium-auf-Isolator- bzw. SOI-Substrat 5 ausgebildet, das eine erste Halbleiterschicht 3a, die aus einkristallinem Silizium besteht, eine oxidierte Schicht 4 (SiO₂) und eine zweite Halbleiterschicht 3b aufweist, die aus einkristallinem Silizium besteht, wobei diese Schichten in dieser Reihenfolge geschichtet sind, wie es in 1B gezeigt ist. Nachdem mehrere Sensorchips auf dem SOI-Substrat 5 ausgebildet worden sind, wird das SOI-Substrat 5 mit einem Klebstoff 7 auf eine Trägerplatte 6 geklebt. Dann werden die mehreren Sensorchips durch Stückeln in einzelne Chips getrennt. Details des Herstellungsverfahrens werden später beschrieben.
Wie es in 1B gezeigt ist, sind eine Öffnung 2a durch die erste Halbleiterschicht 3a und eine Öffnung 2b durch die oxidierte Schicht 4 ausgebildet. Beschleunigungssensorelemente, die ein erstes feststehendes Teil 9a, ein zweites feststehendes Teil 9b und ein bewegliches Teil 8 beinhalten, sind derart auf der zweiten Halbleiterschicht 3b ausgebildet, daß Abschnitte der Elemente über den Öffnungen 2a und 2b angeordnet sind, wie es in den 1A und 1B gezeigt ist. Die ersten und zweiten feststehenden Teile 9a, 9b und das bewegliche Teil 8 sind durch Ausbilden von Gräben, die die oxidierte Schicht 4 erreichen, auf der zweiten Halbleiterschicht 3b ausgebildet.
Das bewegliche Teil 8 besteht aus einer Mittenrippe 10, einem Paar von flexiblen Trägern 12a, 12b und beweglichen Elektroden 11a, 11b, die sich auf beiden Seiten der Mittenrippe 10 ausdehnen. Die Mittenrippe 10 dient als ein Gewicht des beweglichen Teils 8 und ist an Ankerabschnitten 13a, 13b, die an beiden Seiten der Mittenrippe 10 ausgebildet sind, auf der zweiten Halbleiterschicht 3b verankert. Die beweglichen Elektroden 11a, 11b sind länglich stabförmig und dehnen sich senkrecht von der Mittenrippe 10 aus. Die stabförmigen beweglichen Elektroden 11a, 11b weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Jeder flexible Träger 12a, 12b dient als eine Feder, die in Übereinstimmung mit einer externen Beschleunigungskraft, die auf das bewegliche Teil 8 in eine Richtung X (in 1A gezeigt) ausgeübt wird, in dieser Richtung zurück und vor schwingt.
Eine Anschlußfläche 14a zum elektrischen Verbinden des beweglichen Teils 8 mit einer äußeren Schaltung ist an einer Position außerhalb der Öffnung 2b auf der zweiten Halbleiterschicht 3b ausgebildet. Die Anschlußfläche 14a besteht aus Aluminium.
Das erste feststehende Teil 9a besteht aus einem ersten Verbindungsabschnitt 15a und ersten feststehenden Elektroden 16a, die sich senkrecht von dem ersten Verbindungsabschnitt 15a ausdehnen. Der Verbindungsabschnitt 15a ist auf der zweiten Halbleiterschicht 3b ausgebildet, die über die oxidierte Schicht 4 an der ersten Halbleiterschicht 3a befestigt ist. Die ersten feststehenden Elektroden 16a sind in der Art eines Auslegers über der Öffnung 2a angeordnet, was eine kammähnliche Form ausbildet. Jede der ersten feststehenden Elektroden 16a weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Die ersten feststehenden Elektroden 16a sind derart angeordnet, daß jede feststehende Elektrode 16a jeder beweglichen Elektrode 11a mit einem kleinen Luftspalt zwischen diesen gegenüberliegt, wie es in 1A gezeigt ist. Anders ausgedrückt bilden die einander gegenüberliegenden feststehen den Elektroden 16a und beweglichen Elektroden 11a einen Kondensator, der eine Beschleunigung erfaßt, die auf den Beschleunigungssensor 1 ausgeübt wird. Der Luftspalt zwischen beiden Elektroden 16a und 11a ändert sich in Übereinstimmung mit der ausgeübten Beschleunigung und dadurch ändert sich eine Kapazität, die zwischen beiden Elektroden ausgebildet ist.
Auf ähnliche Weise besteht das zweite feststehende Teil 9b aus einem zweiten Verbindungsabschnitt 15b und zweiten feststehenden Elektroden 16b, die sich senkrecht von dem zweiten Verbindungsabschnitt 15b ausdehnen. Der Verbindungsabschnitt 15b ist auf der zweiten Halbleiterschicht 3b ausgebildet, die über die oxidierte Schicht 4 an der ersten Halbleiterschicht 3a befestigt ist. Die zweiten feststehenden Elektroden 16b sind in der Art eines Auslegers über der Öffnung 2b angeordnet, was eine kammähnliche Form ausbildet. Jede der zweiten feststehenden Elektroden 16b weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Die zweiten feststehenden Elektroden 16b sind derart angeordnet, daß jede feststehende Elektrode 16b jeder beweglichen Elektrode 11b mit einem kleinen Luftspalt zwischen diesen gegenüberliegt, wie es in 1A gezeigt ist. Anders ausgedrückt bilden die einander gegenüberliegenden feststehenden Elektroden 16b und beweglichen Elektroden 11b einen Kondensator aus, der eine Beschleunigung erfaßt, die auf den Beschleunigungssensor 1 ausgeübt wird. Der Luftspalt zwischen beiden Elektroden 16b und 11b ändert sich in Übereinstimmung mit der ausgeübten Beschleunigung und dadurch ändert sich eine Kapazität, die zwischen diesen Elektroden ausgebildet ist.
Eine Anschlußfläche 14b zum elektrischen Verbinden des ersten feststehenden Teils 9a mit einer äußeren Schaltung ist auf der zweiten Halbleiterschicht 3b ausgebildet, welche über die oxidierte Schicht 4 an der ersten Halbleiterschicht 3a befestigt ist. Auf ähnliche Weise ist eine Anschlußfläche 14c zum elektrischen Verbinden des zweiten feststehenden Teils 9b mit der äußeren Schaltung auf der zweiten Halbleiterschicht 2b ausgebildet. Beide Anschlußflächen 14b und 14c bestehen aus Aluminium.
Bei dem Beschleunigungssensor 1, der aufgebaut ist, wie es zuvor beschrieben worden ist, ist eine erste Kapazität CS1 (in 5A gezeigt) zwischen ersten feststehenden Elektroden 16a und einer beweglichen Elektrode 11a ausgebildet und ist eine zweite Kapazität CS2 (in 5A gezeigt) zwischen zweiten feststehenden Elektroden 16b und einer beweglichen Elektrode 11b ausgebildet. Wenn eine Beschleunigungskraft auf die Mittenrippe 10 ausgeübt wird, die als ein Gewicht wirkt, ändert sich der Luftspalt zwischen den beweglichen Elektroden 11a, 11b und den feststehenden Elektroden 16a, 16b und es ändern sich dadurch demgemäß die erste Kapazität CS1 und die zweite Kapazität CS2. Die Höhe der Beschleunigung, die auf den Sensor 1 ausgeübt wird, wird aus einer Differenz zwischen CS1 und CS2 auf die Weise erfaßt, die später im Detail beschrieben wird.
Mehrere Durchgangslöcher 17 sind auf der Mittenrippe 10 ausgebildet, um eine mechanische Festigkeit zu erhöhen und das Gewicht der Mittenrippe zu verringern. Üblicherweise sind die Durchgangslöcher 17 ebenso auf beiden der beweglichen Elektroden 11a, 11b und der feststehenden Elektroden 16a, 16b ausgebildet.
Nun wird eine Elektrodenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 2A beschrieben. Da die rechtsseitigen Elektroden und die linksseitigen Elektroden symmetrisch aufgebaut sind, wie es in 1A gezeigt ist, ist lediglich die rechtsseitige Struktur in 2A gezeigt. In 2A liegt die zweite feststehende Elektrode 16b der beweglichen Elektrode 11b mit einem kleinen Luftspalt zwischen diesen gegenüber. Auf beiden Seiten der zweiten feststehenden Elektrode 16b sind mehrere Vorsprünge 40a, 40b einstückig mit der zweiten feststehenden Elektrode 16b ausgebildet. In diesem besonderen Beispiel, das in 2A gezeigt ist, sind ein hoher Vorsprung 40a und niedrige Vorsprünge 40b an dem Spitzenabschnitt A und dem Sockelabschnitt B der zweiten feststehenden Elektrode 16b ausgebildet, während die niedrigen Vorsprünge 40b an dem Mittenabschnitt C ausgebildet sind. Die Vorsprünge 40a, 40b können derart ausgebildet sein, daß sie zu dem Spitzenabschnitt und dem Sockelabschnitt hin allmählich höher werden. Weiterhin ist eine große Anzahl von Vorsprüngen an dem Spitzenabschnitt A und dem Sockelabschnitt B ausgebildet, während eine kleine Anzahl von Vorsprüngen an dem Mittenabschnitt C ausgebildet ist. Anders ausgedrückt sind die Vorsprünge an sowohl dem Spitzenabschnitt A als auch dem Sockelabschnitt B dicht angeordnet, während sie an dem Mittenabschnitt C spärlich angeordnet sind. Auf der ersten feststehenden Elektrode 16a sind die Vorsprünge 40a, 40b auf die gleiche Weise wie diejenigen der zweiten feststehenden Elektrode 16b ausgebildet.
Wenn die beweglichen Elektroden 11a, 11b und die feststehenden Elektroden 16a, 16b durch einen darauf ausgeübten hohen Stoß übermäßig verschoben werden, treffen die hohen Vorsprünge 14a zuerst die beweglichen Elektroden 11a, 11b und werden dann zuerst durch den treffenden Stoß zerstört. Die niedrigen Vorsprünge 40b sind durch die hohen Vorsprünge 40b geschützt und bleiben auch, nachdem die hohen Vorsprünge 40a zerstört worden sind, unbeschädigt. Deshalb wird die Haftkraft zwischen den beweglichen Elektroden 11a, 11b und den feststehenden Elektroden 16a, 16b durch die verbleibenden niedrigen Vorsprünge 40b abgeschwächt, wodurch das Elektrodenhaften vermieden oder unterdrückt werden kann.
Die übermäßige Verschiebung der Elektroden kann bei Herstellungsverfahren oder einem Transport des Sensors 1 auftreten. Jedoch tritt das Haftproblem meist auf, wenn während seines tatsächlichen Gebrauchs ein übermäßiger Stoß auf den Sensor 1 ausgeübt wird. Da die beweglichen Elektroden 11a, 11b eine Auslegerstruktur aufweisen, die von der Mittenrippe 10 gehalten wird, ist die Verschiebung an dem Spitzenabschnitt A groß, welcher dem Sockelabschnitt B der feststehenden Elektroden 16a, 16b gegenüberliegt. Ebenso weisen die feststehenden Elektroden 16a, 16b eine Auslegerstruktur auf, die von den Verbindungsabschnitten 15a, 15b gehalten wird. Deshalb ist die Verschiebung an dem Spitzenabschnitt A groß. Um mit der großen Verschiebung fertig zu werden, die an beiden Spitzenabschnitten der beweglichen Elektroden und der feststehenden Elektroden auftritt, sind die Vorsprünge 40a, 40b an dem Spitzenabschnitt A und dem Sockelabschnitt B der stationären Elektroden 16a, 16b verglichen mit denjenigen an dem Mittenabschnitt C dicht angeordnet. Wenn einige der dicht angeordneten Vorsprünge 40a, 40b durch den übermäßigen Stoß zerstört werden, wird das Elektrodenhaften durch die verbleibenden Vorsprünge unterdrückt.
Weiterhin wird, da die Vorsprünge 40a, 40b auf beiden Seiten der feststehenden Elektroden 16a, 16b ausgebildet sind, das Elektrodenhaften nicht nur an der einen Kondensator ausbildenden Seite, sondern ebenso an der anderen Seite der feststehenden Elektroden 16a, 16b unterdrückt.
Ein Verfahren zum Herstellen des Beschleunigungssensors 1 wird nun unter Bezugnahme auf die 3A bis 3F beschrieben. Zuerst wird das SOI-Substrat, das die erste Halbleiterschicht 3a, die oxidierte Schicht 4 und die zweite Halbleiterschicht 3b aufweist, vorbereitet, wie es in 3A gezeigt ist. Dann wird, wie es in 3B gezeigt ist, ein Anschlußflächenausbildungsverfahren durchgeführt. Eine dünne Aluminiumschicht, die eine Gesamtoberfläche der zweiten Halbleiterschicht 3b bedeckt, wird durch Dampfabscheidung ausgebildet. Dann wird die dünne Aluminiumschicht durch ein Photolithographieverfahren und ein Ätzverfahren in eine Form von Anschlußflächen 14 (14a bis 14c) gemustert. Ein Sintern wird durchgeführt, um einen ohmschen Kontakt der Anschlußflächen 14 zu erzielen, wenn es erforderlich ist. Dann wird eine hintere Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 3a durch spanende Verformung oder Schleifen abgeflacht, um eine zweckmäßige Dicke der ersten Halbleiterschicht 3a zu erzielen. Wenn die zweite Halbleiterschicht 3a zu dick ist, erfordert ein Verfahren zum Herstellen der Öffnung 2a eine längere Zeit.
Dann wird, wie es in 3C gezeigt ist, ein Maskenausbildungsverfahren durchgeführt. Eine Siliziumnitridschicht, die die gesamte hintere Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 3a bedeckt, wird durch ein Plasma-CVD-Verfahren oder dergleichen ausgebildet. Dann wird die Siliziumnitridschicht durch ein Photolithographieverfahren und ein Ätzverfahren in eine Maske 18 gemustert, die zum Ausbilden der Öffnung 2a verwendet wird. Die Maske 18 kann aus einer Siliziumnitridschicht, einer Siliziumoxidschicht oder einer Resistschicht bestehen.
Dann wird, wie es in 3D gezeigt ist, ein Grabenausbildungsverfahren durchgeführt. Eine Schicht, welche gegenüber einem Trockenätzen beständig ist und die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 3b und der Anschlußflächen 14 bedeckt, wird ausgebildet. Die Schicht kann eine Resistschicht, eine Siliziumoxidschicht oder eine Siliziumnitridschicht sein. Die beständige Schicht wird in ein vorbestimmtes Muster gemustert, das den Sensorelementen, wie zum Beispiel dem beweglichen Teil 8 und dem feststehenden Teil 9a, 9b, entspricht. Dann wird die zweite Halbleiterschicht 3b unter einem anisotropen Trockenätzen unter Verwendung der beständigen Schicht als eine Maske verarbeitet, um verschiedene Gräben auszubilden, die den Sensorelementen entsprechen. Die Gräben werden derart durch die zweite Halbleiterschicht 3b ausgebildet, daß sie die oxidierte Schicht 4 erreichen. Die Gräben beinhalten ebenso die rechteckigen Durchgangslöcher 17 auf der Mittenrippe 10, die beweglichen Elektroden 11a, 11b und die feststehenden Elektroden 16a, 16b. Bei diesem Grabenausbildungsverfahren werden die Vorsprünge 40a, 40b einstückig mit den feststehenden Elektroden 16a, 16b ausgebildet.
Dann wird, wie es in 3E gezeigt ist, ein erstes Ätzverfahren durchgeführt. Die Öffnung 2a wird unter einem anisotropen Ätzen unter Verwendung einer wäßrigen Lösung, wie zum Beispiel einer KOH-Lösung, durch die erste Halbleiterschicht 3a ausgebildet. Die Maske 18, die in dem Verfahren ausgebildet wird, das in 3C gezeigt ist, wird als eine Maske zum Ausbilden der Öffnung 2a verwendet. Die Ätzzeit wird derart gesteuert, daß die erste Halbleiterschicht 3a bis zu der Oberfläche der oxididierten Schicht 4 geätzt wird und die oxidierte Schicht 4 durch das Ätzen nicht beschädigt wird. Anders ausgedrückt wird die Ätzzeit durch Berechnen auf der Grundlage einer Ätzgeschwindigkeit der Ätzlösung und der Dicke der ersten Halbleiterschicht 3a bestimmt. Die Maske 18 wird entfernt, nachdem das erste Ätzverfahren beendet ist.
Dann wird, wie es in 3F gezeigt ist, ein zweites Ätzverfahren durchgeführt. Die oxidierte Schicht 4 wird unter einem Trockenätzen geätzt, um Abschnitte der oxidierten Schicht 4 zu entfernen und um die Öffnung 2b durch die oxidierte Schicht 4 auszubilden. Durch Ausbilden der Öffnung 2b werden die flexiblen Träger 12a, 12b, die beweglichen Elektroden 11a, 11b und die Mittenrippe 10 des beweglichen Teils 8 bezüglich der zweiten Halbleiterschicht 3b beweglich gemacht, während die Mittenrippe 10 an ihren beiden Enden auf der zweiten Halbleiterschicht 3b gehalten wird. Ebenso werden die feststehenden Elektroden 16a, 16b der feststehenden Teile 9a, 9b beweglich gemacht, was Auslegerstrukturen ausbildet, die von den Verbindungsabschnitten 15a, 15b gehalten werden, welche an der zweiten Halbleiterschicht 3b befestigt sind.
Nachdem das zweite Ätzverfahren beendet ist, wird das SOI-Substrat 5, das mehrere darauf ausgebildete Sensorchips aufweist, mit einem Klebstoff 7 auf die Trägerplatte 6 geklebt. Dann wird das Substrat in einzelne Sensorchips zerstückelt, was den Beschleunigungssensor 1 ausbildet.
Nun wird die Funktionsweise des kapazitiven Beschleunigungssensors 1 unter Bezugnahme auf die 4A bis 5B beschrieben. Wenn eine Beschleunigung, die eine Komponente in einer Richtung X beinhaltet, die in 1A gezeigt ist, auf den Sensor 1 ausgeübt wird, wird die Mittenrippe 10 (die als ein Gewicht dient), die von beiden flexiblen Trägern 12a, 12b gehalten wird, verschoben. Die Höhe der Verschiebung wird durch das Gewicht der Mittenrippe 10, eine Federkraft der flexiblen Träger 12a, 12b und eine elektrostatische Kraft zwischen den beweglichen Elektroden 11a, 11b und den feststehenden Elektroden 16a, 16b bestimmt. Die elektrostatische Kraft wird erzeugt, wenn eine Spannung an diese Elektroden angelegt wird.
Wie es in den 4A und 4B gezeigt ist, ist ein erster Kondensator CS1 zwischen beweglichen Elektroden 11a und ersten feststehenden Elektroden 16a ausgebildet und ist ein zweiter Kondensator CS2 zwischen beweglichen Elektroden 11b und zweiten feststehenden Elektroden 16b ausgebildet. Die Kapazität von beiden Kondensatoren CS1 und CS2 ändert sich differentiell in Übereinstimmung mit der Höhe einer Verschiebung der beweglichen Elektroden 11a, 11b. Das heißt, daß sich dann, wenn sich die Kapazität des ersten Kondensators CS1 erhöht, die Kapazität des zweiten Kondensators CS2 verringert. Derartige Kapazitätsänderungen werden durch die Anschlußflächen 14a bis 14c als elektrische Signale ausgegeben. Die Höhe einer Beschleunigung, die auf den Sensor 1 ausgeübt wird, wird auf der Grundlage der Kapazitätsänderungen erfaßt. Da die linksseitigen Elektroden und die rechtsseitigen Elektroden symmetrisch angeordnet sind, ist die Kapazität des ersten Kondensators CS1 die gleiche wie die des zweiten Kondensators CS2, wenn keine Beschleunigung auf den Sensor 1 ausgeübt wird.
Zusätzlich zu den ersten und zweiten Kondensatoren CS1, CS2 sind Streukondensatoren CP1 bis CP3 ausgebildet, wie es in den 4A und 4B gezeigt ist. Das heißt, der Streukondensator CP1 ist zwischen dem ersten Verbindungsabschnitt 15a und der ersten Halbleiterschicht 3a ausgebildet. Der Streukondensator CP2 ist zwischen dem zweiten Verbindungsabschnitt 15b und der ersten Halbleiterschicht 3a ausgebildet. Der Streukondensator CP3 ist zwischen dem Ankerabschnitt 13b und der ersten Halbleiterschicht 3a ausgebildet.
Unter Bezugnahme auf die 5A und 5B wird eine Schaltung zum Erfassen von Kapazitätsänderungen und ihre Funktionsweise erläutert. Der Sensor 1 ist in 5A als ein Ersatzschaltbild gezeigt. Ein erstes Trägersignal P1, das eine Rechteckswellenform aufweist, die in 5B gezeigt ist (zum Beispiel 100 kHz, 5 V), wird an die An schlußfläche 14b angelegt, die mit den ersten feststehenden Elektroden 16a verbunden ist. Ein zweites Trägersignal P2, das eine Phase aufweist, die um 180 Grad verschieden von der des ersten Trägersignals P1 ist (zum Beispiel 100 kHz, 5 V), wird an die Anschlußfläche 14c angelegt, die mit den zweiten stationären Elektroden 16b verbunden ist. Beide Trägersignale P1, P2 werden synchronisiert zu einem Taktsignal aus einem Oszillator (nicht gezeigt) erzeugt. Der Spannungspegel der Anschlußfläche 14a, die mit den beweglichen Elektroden 11a, 11b verbunden ist, ändert sich in Übereinstimmung mit einer Kapazität von beiden Kondensatoren CS1 und CS2.
Der Spannungspegel der Anschlußfläche 14a wird durch eine geschaltete Kondensatorschaltung 30 erfaßt, die in 5A gezeigt ist. Die geschaltete Kondensatorschaltung 30 beinhaltet einen Operationsverstärker 31, einen Rückkopplungskondensator 32 und ein Schaltelement 33, die verbunden sind, wie es in 5A gezeigt ist. Ein Signal aus der Anschlußfläche 14a (ein Signal, das einen Spannungspegel der beweglichen Elektroden 11a, 11b zeigt) wird einem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsvestärkers 31 zugeführt, während eine Spannung an einem Pegel von 2,5 V (welcher einem Spannungspegel entspricht, der an der Anschlußfläche 14a auftritt, wenn die Kapazität CS1 gleich der Kapazität CS2 ist), wird einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 31 zugeführt.
Das Schaltelement 32 wird durch ein Triggersignal, das synchronisiert zu einem Taktsignal aus einem Oszillator (nicht gezeigt) erzeugt wird, ein- und ausgeschaltet. Wie es in 5B gezeigt ist, wird das Schaltelement 33 zu einem Zeitpunkt T1 synchronisiert zu einer abfallenden Flanke des ersten Trägersignals P1 lediglich für eine vorbestimmte Periode (T1 bis T2), welche kürzer als eine Hälfte einer Periode des ersten Trägersignals P1 ist, eingeschaltet.
Die Erfassungsschaltung arbeitet auf die folgende Weise. Wenn die Kapazität CS1 gleich der Kapazität CS2 ist (wenn keine Beschleunigung ausgeübt wird), werden 0 Volt an die ersten feststehenden Elektroden 16a, 5 Volt an die zweiten feststehenden Elektroden 16b bzw. 2,5 Volt an die beweglichen Elektroden 11a, 11b zu einem Zeitpunkt T1 angelegt, der in 5B gezeigt ist. Da das Schaltelement 33 zu einem Zeitpunkt T1 eingeschaltet wird, wird eine Ausgangsspannung Vo aus der geschalteten Kondensatorschaltung 30 2,5 Volt. Wenn das Schaltelement 33 zu einem Zeitpunt T2 ausgeschaltet wird, bleibt die Ausgangsspannung Vo unverändert, da die Spannungspegel an den feststehenden Elektroden 16a, 16b ebenso unverändert bleiben, wenn keine Beschleunigung ausgeübt wird.
Andererseits ändert sich, wenn eine Beschleunigung auf den Sensor 1 ausgeübt wird, die Ausgangsspannung Vo in Übereinstimmung mit einer Kapazitätsdifferenz zwischen CS1 und CS2, das heißt einer Höhe einer ausgeübten Beschleunigung. Deshalb wird die Höhe einer Beschleunigung auf der Grundlage der Ausgangsspannung Vo erfaßt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann verschieden abgeändert werden. Zum Beispiel ist die Form der Vorsprünge 40 (40a und 40b), die auf den feststehenden Elektroden 16a, 16b ausgebildet sind, nicht auf eine trapezförmige Form beschränkt. Sie können in anderen Formen, wie zum Beispiel einer konischen Form, ausgebildet sein. Die Anzahl der Vorsprünge 40 kann verschieden ausgewählt werden, wobei ihre Festigkeit berücksichtigt wird. Obgleich die Höhe der Vorsprünge in dem Beispiel, das in 2A gezeigt ist, in Übereinstimmung mit ihren Positionen geändert wird, können die Vorsprünge derart ausgebildet sein, daß sie eine gleichmäßige Höhe aufweisen (Vorsprünge 40c), wie es in 2B gezeigt ist. Jedoch ist es bevorzugt, die Vorsprünge 40 auszubilden, wie es in 2A gezeigt ist, um eine Situation zu vermeiden, in der alle Vorsprünge 40 durch einen übermäßigen Stoß zerstört werden.
Es ist ebenso möglich, die Vorsprünge 40 anstelle eines Ausbildens von diesen auf den feststehenden Elektroden 16a, 16b auf den beweglichen Elektroden 11a, 11b auszubilden. Es ist jedoch bevorzugt, sie auf den feststehenden Elektroden 16a, 16b auszubilden, um eine Unausgeglichenheit der beweglichen Elektroden 11a, 11b zu vermeiden, welche auftreten würde, wenn einige Vorsprünge durch einen übermäßigen Stoß zerstört werden würden.
Weiterhin können, wie es in 6 gezeigt ist, die Vorsprünge 40d, 40e anstelle eines Ausbildens von ihnen auf den feststehenden Elektroden 16a, 16b auf den flexiblen Trägern 12a, 12b ausgebildet werden. In diesem Fall muß die Höhe der Vorsprünge 40d, 40e derart eingestellt werden, daß die Vorsprünge die Mittenrippe 10 berühren, bevor die beweglichen Elektroden 11a, 11b die feststehenden Elektroden 16a, 16b berühren, wenn ein übermäßiger Stoß auf den Sensor 11 ausgeübt wird. Das Elektrodenhaften kann durch die Vorsprünge 40d, 40e vermieden werden, die auf den flexiblen Trägern 12a, 12b ausgebildet sind. Es ist bevorzugt, die hohen Vorsprünge 40d und die niedrigen Vorsprünge 40e auszubilden, um die niedrigen Vorsprünge 40e durch die hohen Vorsprünge 40d zu schützen.
Es ist ebenso möglich, die Vorsprünge auf sowohl den flexiblen Trägern 12a, 12b als auch den feststehenden Elektroden 16a, 16b auszubilden, wie es in 7 gezeigt ist. Die Vorsprünge 40d, 40e auf den flexiblen Trägern 12a, 12b müssen derart ausgebildet werden, daß sie zuerst die Mittenrippe 10 berühren, bevor die Vorsprünge 40a, 40b auf den feststehenden Elektroden 16a, 16b die beweglichen Elektroden 11a, 11b berühren. Es ist bevorzugt, die hohen Vorsprünge 40a, 40b und die niedrigen Vorsprünge 40b, 40e in diesem Fall ebenso auszubilden, um weiterhin sicher das Elektrodenhaften zu verhindern.
Wie es zuvor beschrieben worden ist, beinhaltet ein erfindungsgemäßer dynamischer Sensor feststehende Elektroden und bewegliche Elektroden, die einander gegenüberliegen und eine Kapazität zwischen diesen ausbilden. Die Kapazität ändert sich in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft, wie zum Beispiel einer Beschleunigung, die auf den Sensor ausgeübt wird. Mehrere Vorsprünge sind auf den feststehenden Elektroden ausgebildet, um ein Elektrodenhaften zwischen den beweglichen Elektroden und den feststehenden Elektroden aufgrund eines übermäßigen Stoßes, der auf den Sensor ausgeübt wird, zu vermeiden oder zu unterdrücken. Die Vorsprünge sind derart ausgebildet, daß sie unterschiedliche Höhen aufweisen, so daß höhere Vorsprünge zuerst die beweglichen Elektroden treffen und dadurch die niedrigeren Vorsprünge schützen. Auch nachdem die höheren Vorsprünge durch den übermäßigen Stoß zerstört worden sind, bleiben die niedrigeren Vorsprünge wirksam und dienen dazu, das Elektrodenhaften durch einen übermäßigen Stoß zu verhindern, welcher später auftreten kann.

Claims

Dynamischer Sensor, der aufweist: ein Halbleitersubstrat (5); ein feststehendes Teil (9a, 9b), das auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei das feststehende Teil längliche feststehende Elektroden (16a, 16b) aufweist; ein bewegliches Teil (8), das auf dem Halbleitersubstrat (5) verankert ist, wobei das bewegliche Teil (8) längliche bewegliche Elektroden (11a, 11b) aufweist, die den feststehenden Elektroden (16a, 16b) gegenüberliegen und eine Kapazität (CS1, CS2) zwischen diesen ausbilden, welche sich in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft ändert, die auf die beweglichen Elektroden (11a, 11b) ausgeübt wird, wobei: eine Mehrzahl von Vorsprüngen (40a, 40b) auf entweder den feststehenden Elektroden (16a, 16b) oder den beweglichen Elektroden (11a, 11b) oder auf beiden Elektroden ausgebildet ist, wobei die Vorsprünge derart unterschiedliche Höhen aufweisen, daß die höchsten Vorsprünge (40a) zuerst die Elektroden treffen, die den Vorsprüngen gegenüberliegen, wenn eine übermäßige dynamische Kraft auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird.
Dynamischer Sensor nach Anspruch 1, wobei: die länglichen feststehenden Elektroden (16a, 16b) an einem Ende von ihnen auf dem Halbleitersubstrat (5) gehalten werden, was Ausleger ausbildet; das bewegliche Teil (8) eine längliche Mittenrippe (10) beinhaltet, die an beiden Enden von ihr auf dem Halbleitersubstrat (5) verankert ist; und die länglichen beweglichen Elektroden (11a, 11b) an einem Ende von ihnen mit der Mittenrippe (10) verbunden sind, was Ausleger ausbildet.
Dynamischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorsprünge (40a, 40b) auf den feststehenden Elektroden (16a, 16b) ausgebildet sind.
Dynamischer Sensor nach Anspruch 3, wobei die Vorsprünge (40a, 40b) entweder an einem Spitzenabschnitt (A) oder einem Sockelabschnitt (B) von jeder der feststehenden Elektroden (16a, 16b) oder an beiden Abschnitten dichter als an einem Mittenabschnitt (C) von diesen angeordnet sind.
Dynamischer Sensor nach Anspruch 3, wobei die Vorsprünge (40a, 40b) an entweder einem Spitzenabschnitt (A) oder an einem Sockelabschnitt (B) von jeder der feststehenden Elektroden (16a, 16b) oder an beiden Abschnitten höher als an einem Mittenabschnitt (C) von diesen sind.
Dynamischer Sensor nach Anspruch 3, wobei die Vorsprünge (40a, 40b) auf beiden Seiten der feststehenden Elektroden (16a, 16b) ausgebildet sind.
Dynamischer Sensor, der aufweist: ein Halbleitersubstrat (5); ein feststehendes Teil (9a, 9b), das auf dem Halbleitersubstrat (5) ausgebildet ist, wobei das feststehende Teil (9a, 9b) längliche feststehende Elektroden (16a, 16b) aufweist; ein bewegliches Teil (8), das auf dem Halbleitersubstrat (5) verankert ist, wobei das bewegliche Teil (8) längliche bewegliche Elektroden (118, 11b) aufweist, die den feststehenden Elektroden (16a, 16b) gegenüberliegen und eine Kapazität (CS1, CS2) zwischen diesen ausbilden, welche sich in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft ändert, die auf die beweglichen Elektroden (11a, 11b) ausgeübt wird, wobei: die länglichen feststehenden Elektroden (16a, 16b) an einem Ende von ihnen auf dem Halbleitersubstrat (5) gehalten werden, was Ausleger ausbildet; das bewegliche Teil (8) eine längliche Mittenrippe (10) und einen flexiblen Träger (12a, 12b) aufweist, der in Übereinstimmung mit einer dynamischen Kraft federnd schwingt, die auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird, wobei die längliche Mittenrippe (10) an beiden Enden von ihr auf dem Halbleitersubstrat (5) verankert ist, wobei die länglichen beweglichen Elektroden (11a, 11b) mit der Mittenrippe (10) verbunden sind, was Ausleger ausbildet; eine Mehrzahl von Vorsprüngen (40d, 40e) zum Einschränken einer übermäßigen Schwingbewegung des flexiblen Trägers (12a, 12b) auf dem flexiblen Träger (12a, 12b) ausgebildet ist; und die Vorsprünge (40d, 40e), die auf dem flexiblen Träger (12a, 12b) ausgebildet sind, derart unterschiedliche Höhen aufweisen, daß die höchsten Vorsprünge (40d) zuerst die übermäßige Schwingbewegung des flexiblen Trägers (12a, 12b) einschränken.
Dynamischer Sensor nach Anspruch 7, wobei eine Mehrzahl von Vorsprüngen (40a, 40b) derart auf den feststehenden Elektroden (16a, 16b) ausgebildet ist, daß die Vorsprünge (40a, 40b) die beweglichen Elektroden (11a, 11b) treffen, wenn ein übermäßiger Stoß auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird.
Dynamischer Sensor nach Anspruch 8, wobei die Vorsprünge (40a, 40b), die auf den feststehenden Elektroden (16a, 16b) ausgebildet sind, derart unterschiedliche Höhen aufweisen, daß die höchsten Vorsprünge (40a) zuerst die beweglichen Elektroden (11a, 11b) treffen, wenn der übermäßige Stoß auf den dynamischen Sensor ausgeübt wird.
Dynamischer Sensor nach Anspruch 8, wobei die Vorsprünge (40a, 40b), die auf den feststehenden Elektroden (16a, 16b) ausgebildet sind, an entweder einem Spitzenabschnitt (A) oder einem Sockelabschnitt (B) der feststehenden Elektroden (16a, 16b), die Ausleger ausbilden, oder an beiden Abschnitten von diesen dichter als an einem Mittenabschnitt (C) von diesen angeordnet sind.