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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Halbleitersensor für eine dynamische Größe wie einen
Beschleunigungssensor, welcher eine bewegliche Elektrode,
die sich entlang von zwei Achsen bewegen kann, und eine
feste Elektrode enthält, die der beweglichen Elektrode
über eine Lücke zur Erfassung partiell gegenüberliegt. Es
wird die dynamische Größe, welche sich auf eine Kraft
bezieht, die dem Sensor entlang der zwei Achsen aufgebracht
wird, auf der Grundlage der Änderungen der Kapazität
zwischen den Elektroden erfaßt.
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Ein in der JP-A-5-249138 offenbarter
Beschleunigungssensor stellt ein Beispiel der Halbleitersensoren für
eine dynamische Größe oder zweiachsigen Sensoren dar,
welche zum Erfassen einer Beschleunigung entlang von zwei
zueinander orthogonalen Achsen geeignet sind. Es wird von
dem Erfinder ein Halbleitersensor entsprechend Fig. 8 als
Beschleunigungssensor dieser Art vorgeschlagen. Der
Sensor von Fig. 8 kann unter Verwendung eines bekannten
Halbleiterherstellungsprozesses hergestellt werden. Bei
dem Herstellungsprozeß werden Gräben in einem
Halbleitersubstrat 12 gebildet, um eine bewegliche Elektrode 30 und
feste Elektroden J40, J50, J60, J70 zu bilden.
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Bei dem Halbleitersensor von Fig. 8 kann die
bewegliche Elektrode 30 sich entlang einer ersten Richtung X und
einer zweiten Richtung Y, welche zueinander orthogonal
auf einer Oberfläche parallel zu dem Halbleitersubstrat
12 sind, im Ansprechen auf die Beschleunigung des Sensors
bewegen. Wie in Fig. 8 dargestellt wird die bewegliche
Elektrode 30 von Balken bzw. Auslegern 33, 44 beweglich
derart getragen, daß die bewegliche Elektrode 30 sich
entlang der ersten Richtung X durch die Federwirkung des
Auslegers 33, wenn eine Beschleunigung entlang der ersten
Richtung X auftritt, und entlang der zweiten Richtung Y
mit der Federwirkung des Auslegers 34 bewegt, wenn eine
Beschleunigung entlang der zweiten Richtung Y auftritt,
welche orthogonal zu der ersten Richtung X ist.
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Wie in Fig. 8 dargestellt sind bewegliche
Elektrodenabschnitte 36, welche ähnlich einem Kamm mit Zähnen
geformt sind und eine Mehrzahl von beweglichen
Elektrodenzähnen enthalten, an zwei Enden der beweglichen Elektrode
50 entlang der ersten Richtung X und an zwei Enden der
beweglichen Elektrode 30 entlang der zweiten Richtung Y
befindlich. Jede der festen Elektroden J40, J50, J60, J70
ist ähnlich einem Kamm mit Zähnen geformt und enthält
eine Mehrzahl von festen Elektrodenzähnen. Jede der festen
Elektroden J40, J50, J60, J70 wird in dem
Halbleitersubstrat 12 getragen und ist dort befestigt.
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Jede der festen Elektroden J40, J50, J60, J70 ist mit
jedem beweglichen Elektrodenabschnitt 36 derart
verschachtelt oder verzahnt bzw. überlappt, daß jeder feste
Elektrodenzahn der festen Elektroden J40, J50, J60, J70
jedem beweglichen Elektrodenzahn von jedem beweglichen
Elektrodenabschnitt 36 an den zwei Enden entlang der
ersten Richtung X bzw. an den zwei Enden entlang der
zweiten Richtung Y der beweglichen Elektrode 30
gegenüberliegt. Die festen Elektroden J40, J50, welche mit den
beweglichen Elektrodenabschnitten 36 an den zwei Enden der
beweglichen Elektrode 30 entlang der zweiten Richtung X
verschachtelt sind, sind in einem Paar vorkommende erste
feste Elektroden J40, J50.
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Zwei erste Erfassungskapazitäten bzw. -kondensatoren
CX1, CX2 sind mit den ersten festen Elektroden J40, J50
und den beweglichen Elektrodenabschnitten 36 gebildet.
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Wie in Fig. 8 dargestellt ist eine der ersten
Erfassungskapazitäten, nämlich CX1, zwischen der festen Elektrode
J40 und einem der beweglichen Elektrodenabschnitte 36
gebildet, und die andere der ersten Erfassungskapazitäten,
nämlich CX2, ist zwischen der festen Elektrode J50 und
einem anderen der beweglichen Elektrodenabschnitte 36
gebildet.
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Die festen Elektroden J60, J70, welche mit den
beweglichen Elektrodenabschnitten 36 an den zwei Enden der
beweglichen Elektrode 30 entlang der ersten Richtung X
verschachtelt sind, sind in einem Paar vorkommende zweite
feste Elektroden J60, J70. Die zweiten
Erfassungskapazitäten bzw. -kondensatoren CY1, CY2 sind mit den zweiten
festen Elektroden J60, J70 und den beweglichen
Elektrodenabschnitten 36 gebildet. Wie in Fig. 8 dargestellt ist
eine der zweiten Erfassungskapazitäten, nämlich CY1,
zwischen der festen Elektrode J60 und einem der beweglichen
Elektrodenabschnitte 36 gebildet, und die andere der
zweiten Erfassungskapazitäten, nämlich CY2, ist zwischen
der festen Elektrode J70 und einem anderen der
beweglichen Elektrodenabschnitte 36 gebildet. In Fig. 8 ist jede
Kapazität CX1, CX2, CY1 und CY2 durch ein
Kondensatorsymbol dargestellt.
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Wie in Fig. 8 dargestellt sind Kontaktstellen P30,
P40, P50, P60, P70, welche aus Aluminium usw. gebildet
sind und jeweils der beweglichen Elektrode 30 und den
festen Elektroden J40, J50, J60, J70 entsprechen, auf dem
Halbleitersubstrat 12 befindlich. Jede Elektrode 30, J40,
J50, J60, J70 ist mit jeder entsprechenden Kontaktstelle
P30, P40, P50, P60, P70 elektrisch verbunden. Obwohl
nicht veranschaulicht, ist jede Kontaktstelle P30, P40,
P50, P60, P70 elektrisch mit einer externen Schaltung
oder einer Verdrahtungsleitung beispielsweise durch
Drahtbonden verbunden.
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Wenn sich die bewegliche Elektrode 30 entlang der
ersten Richtung X unter einer Beschleunigung in den zwei
Sensorachsen von Fig. 8 bewegt, wird die Beschleunigung
auf der Grundlage von Änderungen der ersten
Erfassungskapazitäten CX1, CX2 erfaßt. Wenn sich die bewegliche
Elektrode 30 entlang der zweiten Richtung Y unter einer
Beschleunigung bewegt, wird die Beschleunigung auf der
Grundlage von Änderungen in den zweiten
Erfassungskapazitäten CY1, CY2 erfaßt.
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Insbesondere wird wie in Fig. 9 dargestellt die
Änderung der Erfassungskapazitäten CX1, CX2, CY1, CY2 unter
Verwendung einer geschalteten Kondensatorschaltung 200 in
einer externen Schaltung erfaßt, mit welcher der
Halbleitersensor von Fig. 8 elektrisch verbunden ist. Die
geschaltete Kondensatorschaltung 200 ist eine
C-V-Wandlerschaltung und enthält einen Kondensator 210, welcher eine
Kapazität Cf besitzt, einen Schalter 220 und einen
Differenzverstärker 230 zum Umwandeln einer eingegebenen
Kapazität in eine Spannung als Ausgang der geschalteten
Kondensatorschaltung 200.
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Wie in Fig. 9 dargestellt werden in einem Paar
vorkommende Trägerwellen Vcc den ersten festen Elektroden
J40, J50 derart gesendet, daß die Elektroden J40, J50
zueinander entgegengesetzte Phasen besitzen. Zur selben
Zeit wird ein anderes Paar von Trägerwellen Vcc den
zweiten festen Elektroden J60, J70 derart gesendet, daß die
Elektroden J60, J70 eine zueinander entgegegengesetzte
Phase besitzen. Die in Paaren vorkommenden Trägerwellen
Vcc werden von der externen Schaltung durch jede der
Kontaktstellen P30, P40, P50, P60, P70 gesendet. In der
Zwischenzeit wird der Schalter 220 in der geschalteten
Kondensatorschaltung 200 mit einem vorbestimmten Zeitablauf
ein- und ausgeschaltet.
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In diesem Fall wird die Beschleunigung als Ausgang 5'
wie in Gleichung 1 dargestellt erfaßt.
S' = [(CY2 - CY1) + (CX2 - CX1)] × Vcc/Cf (Gl. 1)
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D. h., bei dem vorgeschlagenen Sensor von Fig. 8 mit
zwei Achsen wird die Beschleunigung auf der Grundlage der
Summe des differentiellen Ausgangs (CX2 - CX1) von den
ersten Erfassungskapazitäten CX1, CX2 und des
differentiellen Ausgangs (CY2 - CY1) von der zweiten
Erfassungskapazität CY1, CY2 erfaßt, wenn sich die bewegliche
Elektrode 30 entlang der ersten Richtung X oder der zweiten
Richtung Y unter der Beschleunigung bewegt.
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Wenn insbesondere bei dem vorgeschlagenen Sensor von
Fig. 8 mit zwei Achsen die bewegliche Elektrode 30 sich
entlang der ersten Richtung X auf beispielsweise die
rechte Seite von Fig. 8 zu bewegt, wird der Abstand
zwischen jedem festen Elektrodenzahn von einer der ersten
festen Elektroden J40 und jedem beweglichen
Elektrodenzahn des entsprechenden beweglichen Elektrodenabschnitts
36 größer, während der Abstand zwischen jedem festen
Elektrodenzahn der anderen ersten festen Elektrode J50
und jedem beweglichen Elektrodenzahn des entsprechenden
beweglichen Elektrodenabschnitts 36 kleiner wird. Als
Ergebnis wird die Beschleunigung entlang der ersten
Richtung X auf der Grundlage des differentiellen Ausgangs
(CX2 - CX1) von den ersten Erfassungskapazitäten CX1, CX2
erfaßt.
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Wenn demgegenüber sich die bewegliche Elektrode 30
beispielsweise in Fig. 8 nach oben entlang der zweiten
Richtung Y bewegt, wird der Abstand zwischen jedem festen
Elektrodenzahn von einer der zweiten festen Elektroden
J60 und jedem beweglichen Elektrodenzahn des
entsprechenden beweglichen Elektrodenabschnitts 36 größer, während
der Abstand zwischen jedem festen Elektrodenzahn der
anderen zweiten festen Elektrode J70 und jedem beweglichen
Elektrodenzahn des entsprechenden beweglichen
Elektrodenabschnitts 36 kleiner wird. Als Ergebnis wird die
Beschleunigung entlang der zweiten Richtung Y auf der
Grundlage des differentiellen Ausgangs (CY2 - CY1) von
den zweiten Erfassungskapazitäten CY1, CY2 erfaßt.
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Wenn sich jedoch die bewegliche Elektrode 30 entlang
der ersten Richtung X bewegt, ändern sich nicht nur die
ersten Erfassungskapazitäten CX1, CX2, sondern ebenfalls
die zweiten Erfassungskapazitäten CY1, CY2 leicht, da die
Größen der sich überlappenden Bereiche sich ebenfalls
ändern, in welchen jeder feste Elektrodenzahn der zweiten
festen Elektrode J60, J70 und jeder bewegliche
Elektrodenzahn des entsprechenden beweglichen
Elektrodenabschnitts 36 einander gegenüberliegen.
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Wenn sich die bewegliche Elektrode 30 entlang der
ersten Richtung X beispielsweise auf die rechte Seite von
Fig. 8 zu bewegt, wird der sich überlappende Bereich
zwischen jedem festen Elektrodenzahn von einer der zweiten
festen Elektroden J60 und jedem beweglichen
Elektrodenzahn des entsprechenden beweglichen Elektrodenabschnitts
36 größer, während der überlappende Bereich zwischen
jedem festen Elektrodenzahn der anderen zweiten festen
Elektrode J70 und jedem beweglichen Elektrodenzahn des
entsprechenden beweglichen Elektrodenabschnitts 36
kleiner wird. Mit anderen Worten, zusätzlich zu dem
erwarteten Ausgang bei der Beschleunigungserfassung in der
ersten Richtung X, welcher der differentielle Ausgang
(CX2 - CX1) von der ersten Erfassungskapazität CX1, CX2
ist, wird eine Änderung des differentiellen Ausgangs
(CY2 - CY1) von den zweiten Erfassungskapazitäten CY1,
CY2, welche verwendet werden, um die Beschleunigung in
der zweiten Richtung Y zu erfassen, ebenfalls als
Rauschen aufgenommen.
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Wenn sich die bewegliche Elektrode 30 beispielsweise
in Fig. 8 nach oben entlang der zweiten Richtung Y
bewegt, wird der sich überlappende Bereich zwischen jedem
festen Elektrodenzahn einer der ersten festen Elektroden
J40 und jedem beweglichen Elektrodenzahn des
entsprechenden beweglichen Elektrodenabschnitts 36 kleiner, während
der überlappende Bereich zwischen jedem festen
Elektrodenzahn der anderen ersten festen Elektrode J50 und jedem
beweglichen Elektrodenzahn des entsprechenden beweglichen
Elektrodenabschnitts 36 kleiner wird. Mit anderen Worten,
zusätzlich zu dem erwarteten Ausgang bei der
Beschleunigungserfassung in der zweiten Richtung Y, welcher ein
differentieller Ausgang (CY2 - CY1) von der zweiten
Erfassungskapazität CY1, CY2 ist, wird ebenfalls eine
Änderung des differentiellen Ausgangs (CX2 - CX1) von den
ersten Erfassungskapazitäten CX1, CX2, welche verwendet
werden, um die Beschleunigung in der ersten Richtung X zu
erfassen, als Rauschen aufgenommen.
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Das obige Phänomen wird unter Verwendung
mathematischer Gleichungen beschrieben. Unter der Annahme, daß
jede der ersten und zweiten Erfassungskapazitäten CX1, CX2,
CY1, CY2 anfänglich C0 ist, betragen die Änderungen der
ersten Erfassungskapazitäten CX1, CX2 jeweils ΔCx und die
Änderungen der zweiten Erfassungskapazitäten CY1, CY2
jeweils ΔCy. Wenn der vorgeschlagene Sensor von Fig. 8
nicht einer Beschleunigung unterliegt, gilt
CX1 = CX2 = CY1 = CY2 = C0
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Wenn die bewegliche Elektrode 30 sich entlang der
ersten Richtung X auf die rechte Seite von Fig. 8 zu
bewegt, verringert sich eine der ersten
Erfassungskapazitäten CX1, da der Abstand zwischen jedem festen
Elektrodenzahn einer der ersten festen Elektroden J40 und jedem
beweglichen Elektrodenzahn des entsprechenden beweglichen
Elektrodenabschnitts 36 größer wird, während die andere
erste Erfassungskapazität CX2 ansteigt, da der Abstand
zwischen jedem festen Elektrodenzahn der anderen ersten
festen Elektrode J50 und jedem beweglichen Elektrodenzahn
des entsprechenden beweglichen Elektrodenabschnitts 36
kleiner wird.
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Zur selben Zeit erhöht sich eine der zweiten
Erfassungskapazitäten CY1, da der Überlappungsbereich zwischen
jedem festen Elektrodenzahn einer der zweiten festen
Elektroden J60 und jedem beweglichen Elektrodenzahn des
entsprechenden beweglichen Elektrodenabschnitts 36 größer
wird, während die andere zweite Erfassungskapazität CY2
sich verringert, da der Überlappungsbereich zwischen
jedem festen Elektrodenzahn der anderen zweiten festen
Elektrode J70 und jedem beweglichen Elektrodenzahn des
entsprechenden beweglichen Elektrodenabschnitts 36
kleiner wird. In diesem Fall wird der Ausgang S' durch
Gleichung 2 ausgedrückt:
S' = {(CY2 - CY1) + (CX2 - CX1)} × Vcc/Cf
= [{(C0 - ΔCy) - (C0 + ΔCy)} + {(C0 + ΔCx) - (C0 -
ΔCx)}] × Vcc/Cf
= {(C0 - ΔCy - C0 - ΔCy) + (C0 + ΔCx - C0 + ΔCx)}
× Vcc/Cf
= 2 × (ΔCx - ΔCy) × Vcc/Cf (Gl. 2)
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Zusätzlich zu dem erwarteten Ausgang 2ΔCx wird wie in
Gleichung 2 dargestellt bei der Erfassung der
Beschleunigung entlang der ersten Richtung X der differentielle
Ausgang -2ΔCy von den zweiten Erfassungskapazitäten CY1,
CY2, welche zur Erfassung der Beschleunigung in der
zweiten Richtung Y verwendet werden, ebenfalls als Rauschen
aufgenommen.
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Wenn sich die bewegliche Elektrode 30 entlang der
zweiten Richtung Y in Fig. 8 nach oben bewegt, verringert
sich eine der zweiten Erfassungskapazitäten CY1, da der
Abstand zwischen jedem festen Elektrodenzahn von einer
der zweiten festen Elektroden J60 und jedem beweglichen
Elektrodenzahn des entsprechenden beweglichen
Elektrodenabschnitts 36 größer wird, während sich die andere zweite
Erfassungskapazität CY2 erhöht, da der Abstand zwischen
jedem festen Elektrodenzahn der anderen zweiten festen
Elektrode J70 und jedem beweglichen Elektrodenzahn des
entsprechenden beweglichen Elektrodenabstands 36 kleiner
wird. Zur selben Zeit verringert sich eine der ersten
Erfassungskapazitäten CX1, da der überlappende Bereich
jedes festen Elektrodenzahns von einer der ersten festen
Elektroden J40 und jedem beweglichen Elektrodenzahn
entsprechend dem beweglichen Elektrodenabschnitt 36 kleiner
wird, während sich die andere erste Erfassungskapazität
CX2 erhöht, da der Überlappungsbereich zwischen jedem
festen Elektrodenzahn der anderen ersten festen Elektrode
J50 und jedem beweglichen Elektrodenzahn des
entsprechenden beweglichen Elektrodenabschnitts 36 größer wird. In
dem Fall wird der Ausgang S' durch Gleichung 3
ausgedrückt:
S' = {(CY2 - CY1) + (CX2 - CX1)} × Vcc/Cf
= ({(C0 + ΔCy) - (C0 - ΔCy)} + {(C0 + ΔCx) - (C0 -
= ΔCx)}] × Vcc/Cf
= {(C0 + ΔCy - C0 + ΔCy) + (C0 + ΔCx - C0 + ΔCx)}
× Vcc/Cf
= 2 × (ΔCx + ΔCy) × Vcc/Cf (G1. 3)
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Zusätzlich zu dem erwarteten Ausgang 2ΔCy wie in
Gleichung 3 dargestellt wird bei der Erfassung der
Beschleunigung entlang der zweiten Richtung Y der
differentielle Ausgang 2ΔCx von den ersten Erfassungskapazitäten
CX1, Cx2, welche zur Erfassung der Beschleunigung in der
ersten Richtung X verwendet werden, ebenfalls als
Rauschen aufgenommen.
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Daher sind bei dem vorgeschlagenen Sensor von Fig. 8,
ob sich der Sensor unter einer Beschleunigung entlang der
ersten Richtung X oder der zweiten Richtung Y befindet,
Kapazitätsänderungen, welche nicht für die Erfassung der
Beschleunigung verwendet werden, in dem Ausgang des
Sensors als Rauschen enthalten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben
beschriebenen Nachteile zu vermeiden und insbesondere
eine Kapazitätsänderung zu kompensieren, welche sich nicht
auf die Kapazitätsänderung zur Messung einer dynamischen
Größe bezieht und als Rauschen in dem Ausgang eines
Halbleitersensors für eine dynamische Größe enthalten ist,
der eine bewegliche Elektrode, welche sich entlang von
zwei Achsen bewegen kann, und eine feste Elektrode,
welche der beweglichen Elektrode mit einer Lücke partiell
gegenüberliegt, zur Messung der dynamischen Größe entlang
der zwei Achsen durch Erfassen von Änderungen der
Kapazität zwischen den Elektroden enthält.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des
Anspruchs 1.
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Zur Kompensierung der Kapazitätsänderung enthält der
Halbleitersensor für eine dynamische Größe der
vorliegenden Erfindung ein Halbleitersubstrat, welches eine
bewegliche Elektrode enthält, die sich in dem Sensor entlang
einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die
sich zueiander orthogonal sind, auf einer Ebene parallel
zu dem Halbleitersubstrat im Ansprechen auf die Kraft
bewegen kann, die dem Sensor aufgebracht wird.
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Das Halbleitersubstrat enthält ebenfalls ein Paar von
ersten festen Elektroden, welche partiell der beweglichen
Elektrode an zwei Enden der beweglichen Elektrode entlang
der zweiten Richtung gegenüberliegen, um erste und zweite
Paare von ersten Erfassungskapazitäten mit der
beweglichen Elektrode zu bilden. Das Halbleitersubstrat enthält
ebenfalls ein Paar von zweiten festen Elektroden, welche
partiell der beweglichen Elektrode an zwei Enden der
beweglichen Elektrode entlang der ersten Richtung
gegenüberliegen, um erste und zweite Paare von zweiten
Erfassungskapazitäten mit der beweglichen Elektrode zu bilden.
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Bei dem ersten Paar der an einem Ende der beweglichen
Elektrode entlang der zweiten Richtung gebildeten ersten
Erfassungskapazitäten erhöht sich eine Kapazität, während
sich die andere Kapazität verringert, wenn sich die
bewegliche Elektrode entlang der ersten Richtung bewegt.
Jedoch erhöhen oder verringern sich die ersten
Erfassungskapazitäten dss ersten Paars zusammen, wenn sich die
bewegliche Elektrode entlang der zweiten Richtung bewegt.
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Bei dem zweiten Paar der an dem anderen Ende der
beweglichen Elektrode entlang der zweiten Richtung
gebildeten ersten Erfassungskapazitäten erhöht sich eine
Kapazität, während sich die andere Kapazität verringert, wenn
sich die bewegliche Elektrode entlang der ersten Richtung
bewegt. Jedoch erhöhen oder verringern sich die ersten
Erfassungskapazitäten des zweiten Paars zusammen, wenn
sich die bewegliche Elektrode entlang der zweiten
Richtung bewegt.
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Bei dem ersten Paar der an dem einen Ende der
beweglichen Elektrode entlang der ersten Richtung gebildeten
zweiten Erfassungskapazitäten erhöht sich eine Kapazität,
während sich die andere Kapazität verringert, wenn sich
die bewegliche Elektrode entlang der zweiten Richtung
bewegt. Jedoch erhöhen oder verringern sich die zweiten
Erfassungskapazitäten des ersten Paars zusammen, wenn sich
die bewegliche Elektrode entlang der ersten Richtung
bewegt.
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Bei dem zweiten Paar der an dem anderen Ende der
beweglichen Elektrode entlang der ersten Richtung
gebildeten zweiten Erfassungskapazitäten erhöht sich eine
Kapazität, während sich die andere Kapazität verringert, wenn
sich die bewegliche Elektrode entlang der zweiten
Richtung bewegt. Jedoch erhöhen oder verringern sich die
zweiten Erfassungskapazitäten des zweiten Paars zusammen,
wenn sich die bewegliche Elektrode entlang der ersten
Richtung bewegt.
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Die auf eine dem Sensor aufgebrachte Kraft bezogene
dynamische Größe wird auf der Grundlage der Summe des
differentiellen Ausgangs zwischen den ersten
Erfassungskapazitäten des ersten Paars, des differentiellen
Ausgangs zwischen den ersten Erfassungskapazitäten des
zweiten Paars, dem differentiellen Ausgang zwischen den
zweiten Erfassungskapazitäten des ersten Paars und dem
differentiellen Ausgang zwischen den zweiten
Erfassungskapazitäten des zweiten Paars gemessen, wenn sich die
bewegliche Elektrode entlang der ersten Richtung oder der
zweiten Richtung unter der Kraft bewegt.
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Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen
Halbleiterbeschleunigungssensor der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht des
Halbleiterbeschleunigungssensors entlang der Linie II-II von
Fig. 1;
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Fig. 3 zeigt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm des
in Fig. 1 dargestellten Sensors;
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Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den in Fig. 1
dargestellten Sensor, welcher einen Zustand des Sensors
darstellt, wenn sich die bewegliche Elektrode entlang der
ersten Richtung X bewegt;
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Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen
Halbleiterbeschleunigungssensor der zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf einen
Halbleiterbeschleunigungssensor der dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht des
Halbleiterbeschleunigungssensors entlang der Linie VII-VII von
Fig. 6;
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Fig. 8 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen
Halbleiterbeschleunigungssensor, welcher zum Erfassen von
Beschleunigungen entlang von zwei Achsen geeignet ist;
und
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Fig. 9 zeigt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm des
in Fig. 8 dargestellten Sensors.
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Die vorliegende Erfindung wird detailliert unter
Bezugnahme auf verschiedene Ausführungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
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Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist ein
Beschleunigungssensor S1 der ersten Ausführungsform ein
differentieller kapazitiver Halbleiterbeschleunigungssensor,
welcher ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe ist,
der zum Messen einer dynamischen Größe entlang von zwei
Achsen geeignet ist.
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Der Halbleitersensor S1 wird durch Bearbeitung eines
Halbleitersubstrats unter Verwendung eines bekannten
Mikro-Materialbearbeitungsprozesses gebildet. Der Sensor S1
wird wie in Fig. 1 und 2 dargestellt unter Verwendung
eines rechtwinklig geformten SOI-Substrats (Silizium auf
isolierendem Substrat) 10 gebildet, welches ein erstes
Siliziumsubstrat 11 als erstes Halbleitersubstrat, ein
zweites Siliziumsubstrat 12 als zweites
Halbleitersubstrat und einen rechtwinkligen, rahmenähnlichen
Oxidfilm 13 als isolierende Schicht enthält. Der Oxidfilm 13
ist zwischen den ersten und zweiten Siliziumsubstraten
11, 12 befindlich.
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Das zweite Siliziumsubstrat 12 enthält Elektroden 30,
40, 50, 60, 70, welche Kondensatoren bilden, deren
Kapazität variabel ist. Das erste Siliziumsubstrat 11 und der
Oxidfilm 13 bilden ein Tragesubstrat 20, welches das
zweite Siliziumsubstrat 12 trägt. Der Oxidfilm 13 besitzt
eine rechtwinklige Öffnung 21 an seinem mittleren
Bereich. Die Öffnung 21 ist unter den Elektroden 30, 40,
50, 60, 70 befindlich. Das zweite Siliziumsubstrat 12 ist
zur Bedeckung der Öffnung 21 lokalisiert. Das zweite
Siliziumsubstrat 12 enthält eine bewegliche Elektrode 30
als bewegliches Teil und feste Elektroden 40, 50, 60, 70,
welche von der beweglichen Elektrode 30 durch in dem
zweiten Siliziumsubstrat 12 gebildete Gräben elektrisch
isoliert sind.
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Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist das zweite
Siliziumsubstrat 12 an dem Oxidfilm 13 befestigt und wird
davon im wesentlichen an dem rechtwinkligen,
rahmenähnlichen Rand des zweiten Siliziumsubstrats 12 getragen. Die
festen Elektroden 40, 50, 60, 70, welche an dem Rand
enthalten sind, sind an dem Oxidfilm 13 befestigt und werden
dadurch an einem Ende von jeder festen Elektrode 40, 50,
60, 70 getragen. Die festen Elektroden 40, 50, 60, 70
erstrecken sich von ihren festen Enden in dem zweiten
Siliziumsubstrat 12 nach innen.
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Die bewegliche Elektrode 30 ist geeignet, sich im
Ansprechen auf eine Beschleunigung entlang der ersten
Richtung X und der zweiten Richtung Y, welche zueinander
orthogonal und durch die Pfeile X und Y in Fig. 2
dargestellt sind, auf einer Oberfläche parallel zu dem zweiten
Siliziumsubstrat 12 zu bewegen. Wie in Fig. 1 dargestellt
ist die bewegliche Elektrode 30 im wesentlichen über dem
mittleren Teil der rechtwinklig geformten Öffnung 21
positioniert und enthält ein rechtwinkliges erstes
Gewichtsteil 31 und zweite Gewichtsteile 32, welche sich
nach außen von den vier Ecken des ersten Gewichtsteils 31
erstrecken.
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Die zweiten Gewichtsteile 32 sind an Ankersteilen
35a, 35b, 35c, 35d jeweils an den vier Ecken der
rechtwinkligen Öffnung 21 mit ersten Auslegerteilen 33, welche
sich in der ersten Richtung X ausdehnen und
zusammenziehen können, und mit zweiten Auslegerteilen 34 verankert,
welche sich entlang der zweiten Richtung Y ausdehnen und
zusammenziehen können. Die Ankerteile 35a, 35b, 35c, 35d
sind an dem ersten Siliziumsubstrat 11 befestigt und
werden davon getragen an den vier Ecken des Oxidfilms 13 mit
dem dazwischen befindlichen rechtwinkligen,
rahmenähnlichen Oxidfilm 13. Als Ergebnis wird die bewegliche
Elektrode 30 von dem ersten Siliziumsubstrat 11 beweglich
getragen.
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Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind die
Ankerteile 35a, 35b, 35c, 35d von den festen Elektroden 40,
50, 60, 70 mit Gräben isoliert, welche in dem zweiten
Siliziumsubstrat 12 befindlich sind und den Oxidfilm 13
erreichen. In Fig. 1 werden die Gräben in dem zweiten
Siliziumsubstrat 12 durch schraffierte Teile veranschaulicht.
Die bewegliche Elektrode 30 und die Auslegerteile 33, 34,
welche von den Ankerteilen 35a, 35b, 35c, 35d getragen
werden, sind über der Öffnung 21 befindlich.
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Wie in Fig. 1 dargestellt ist jedes Auslegerteil 33,
34 ein federähnlicher, vielfach gefalteter Ausleger, so
daß jedes Auslegerteil 33, 34 sich mit der verbiegenden
Deformierung jedes gestapelten Abschnitts des gefalteten
Auslegers ausdehnen und zusammenziehen kann. Mit der
federähnlichen Wirkung jedes Auslegerteils 33, 34 kann sich
die bewegliche Elektrode 30 in dem Beschleunigungssensor
S1 wie folgt in zwei Richtungen X, Y bewegen.
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Die bewegliche Elektrode 30 bewegt sich entlang der
ersten Richtung X unter einer Beschleunigung, welche eine
Komponente entlang der ersten Richtung X besitzt, und
kehrt zu der ursprünglichen Position zurück, wenn die
Beschleunigung aufhört. Demgegenüber bewegt sich die
bewegliche Elektrode 30 entlang der zweiten Richtung Y unter
einer Beschleunigung, welche eine Komponente entlang der
zweiten Richtung Y besitzt, und kehrt zu der
ursprünglichen Position zurück, wenn die Beschleunigung beendet
wird.
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Infolge der Struktur der Auslegerteile 33, 34 wird
verhindert, daß sich die bewegliche Elektrode 30
gleichzeitig entlang der beiden Richtungen X, Y bewegt, oder,
mit anderen Worten, sich diagonal bewegt. D. h., die
bewegliche Elektrode 30 bewegt sich im wesentlichen entlang
einer Richtung, nämlich entlang der ersten Richtung X
oder der zweiten Richtung Y, im Ansprechen auf die Größe
der Beschleunigungskomponente entlang der Richtung.
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Wie in Fig. 1 dargestellt sind die beweglichen
Elektrodenabschnitte 36, von denen jeder ähnlich wie ein Kamm
mit Zähnen geformt ist und vier bewegliche
Elektrodenzähne enthält, an zwei Enden der beweglichen Elektrode 30
entlang der ersten Richtung X und an zwei Enden der
beweglichen Elektrode 30 entlang der zweiten Richtung Y
befindlich. Der bewegliche Elektrodenzahn erstreckt sich
von den vier Seiten des ersten Gewichtsteils 31 nach
außen.
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Jede feste Elektrode 40, 50, 60, 70 ist wie ein Kamm
mit Zähnen geformt und enthält vier feste
Elektrodenzähne. Jede feste Elektrode 40, 50, 60, 70 ist mit jedem
beweglichen Elektrodenabschnitt 36 derart verschachtelt,
daß jeder feste Elektrodenzahn der festen Elektroden 40,
50, 60, 70 jedem beweglichen Elektrodenzahn der
beweglichen Elektrodenabschnitte 36 an den zwei Enden entlang
der ersten Richtung X bzw. an den zwei Enden entlang der
zweiten Richtung Y der beweglichen Elektrode 30
gegenüberliegt.
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Die festen Elektroden 40, 50, welche mit den
beweglichen Elektrodenabschnitten 36 an den zwei Enden der
beweglichen Elektrode 30 entlang der zweiten Richtung Y
verschachtelt sind, sind ein Paar von ersten festen
Elektroden. Erste und zweite Paare der ersten
Erfassungskapazitäten bzw. -kondensatoren CX11, CX21, CX12, CX22 sind
mit den ersten festen Elektroden 40, 50 und den
beweglichen Elektrodenabschnitten 36 gebildet. Wie in Fig. 1
dargestellt ist das erste Paar der ersten
Erfassungskapazität CX11, CX21 zwischen jedem festen Elektrodenzahn
einer der ersten festen Elektroden 40 und jedem beweglichen
Elektrodenzahn von einem der beweglichen
Elektrodenabschnitte 36 gebildet, und das zweite Paar der ersten
Erfassungskapazität CX12, CX22 ist zwischen jedem festen
Elektrodenzahn der anderen ersten festen Elektrode 50 und
jedem beweglichen Elektrodenzahn eines anderen der
beweglichen Elektrodenabschnitte 36 gebildet.
-
Die festen Elektroden 60, 70, welche mit den
beweglichen Elektrodenabschnitten 36 an den zwei Enden der
beweglichen Elektrode 30 entlang der ersten Richtung X
verschachtelt sind, sind ein Paar von zweiten festen
Elektroden. Erste und zweite Paare der zweiten
Erfassungskapazitäten bzw. -kondensatoren CY11, CY21, CY12, CY22 sind
mit den zweiten festen Elektroden 60, 70 und den
beweglichen Elektrodenabschnitten 36 gebildet. Wie in Fig. 1
dargestellt sind die zweiten Erfassungskapazitäten CY11,
CY21 des ersten Paars zwischen jedem festen
Elektrodenzahn einer der zweiten festen Elektrode 60 und jedem
beweglichen Elektrodenzahn von einem anderen der
beweglichen Elektrodenabschnitte 36 gebildet, und die zweiten
Erfassungskapazitäten CY12, CY22 des zweiten Paars sind
zwischen jedem festen Elektrodenzahn der anderen zweiten
festen Elektrode 70 und jedem beweglichen Elektrodenzahn
eines anderen der beweglichen Elektrodenabschnitte 36
gebildet. In Fig. 1 wird jede Kapazität CX11, CX21, CX12,
CX22, CY11, CY21, CY12, CY22 durch ein Kondensatorsymbol
dargestellt.
-
Die Beschleunigung in der ersten Richtung X wird auf
der Grundlage von Änderungen der ersten
Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12, CX22 erfaßt, welche sich im
Ansprechen auf den Abstand zwischen jedem festen
Elektrodenzahn der ersten festen Elektroden 40, 50 und jedem
beweglichen Elektrodenzahn des entsprechenden beweglichen
Elektrodenabschnitts 36 ändern. Der Abstand ändert sich
im Ansprechen auf die Bewegung der beweglichen Elektrode
30 entlang der ersten Richtung X.
-
Demgegenüber wird die Beschleunigung in der zweiten
Richtung Y auf der Grundlage von Änderungen der zweiten
Erfassungskapazitäten CY11, CY21, CY12, CY22 erfaßt,
welche sich im Ansprechen auf den Abstand zwischen jedem
festen Elektrodenzahn der zweiten festen Elektrode 60, 70
und jedem beweglichen Elektrodenzahn des entsprechenden
beweglichen Elektrodenabschnitts 36 ändern. Der Abstand
ändert sich im Ansprechen auf die Bewegung der
beweglichen Elektrode 30 entlang der zweiten Richtung Y.
-
Die ersten Erfassungskapazitäten CX11, CX21 des
ersten Paars von Fig. 1, welche zum Erfassen der
Beschleunigung in der ersten Richtung X verwendet werden, erhöhen
und verringert sich zusammen im Ansprechen auf die
Bewegung der beweglichen Elektrode 30 entlang der zweiten
Richtung Y. Jedoch erhöht sich im Ansprechen auf die
Bewegung der beweglichen Elektrode 30 entlang der ersten
Richtung X eine der ersten Erfassungskapazitäten CX11,
CX21 des ersten Paars, während sich die andere
verringert.
-
Ähnlich erhöhen sich die ersten Erfassungskapazitäten
CX12, CX22 des zweiten Paars von Fig. 1, welche ebenfalls
zum Erfassen der Beschleunigung in der ersten Richtung X
verwendet werden, und verringern sich zusammen im
Ansprechen auf die Bewegung der beweglichen Elektrode 30
entlang der zweiten Richtung Y. Jedoch erhöht sich im
Ansprechen auf die Bewegung der beweglichen Elektrode 30
entlang der ersten Richtung X eine der ersten
Erfassungskapazitäten CX12, CX22 des zweiten Paars, während sich
die andere verringert.
-
Die zweiten Erfassungskapazitäten CY11, CY21 des
ersten Paars von Fig. 1, welche zum Erfassen der
Beschleunigung in der zweiten Richtung Y verwendet werden,
erhöhen oder verringern sich zusammen im Ansprechen auf die
Bewegung der beweglichen Elektrode 30 entlang der ersten
Richtung X. Jedoch erhöht sich im Ansprechen auf die
Bewegung der beweglichen Elektrode 30 entlang der zweiten
Richtung Y eine der zweiten Erfassungskapazitäten CY11,
CY21 des ersten Paars, während sich die andere
verringert.
-
Ähnlich erhöhen oder verringern sich die zweiten
Erfassungskapazitäten CY12, CY22 des zweiten Paars von
Fig. 1, welche ebenfalls zum Erfassen der Beschleunigung
in der zweiten Richtung Y verwendet werden, zusammen im
Ansprechen auf die Bewegung der beweglichen Elektrode 30
entlang der ersten Richtung X. Jedoch erhöht sich im
Ansprechen auf die Bewegung der beweglichen Elektrode 30
entlang der zweiten Richtung Y eine der zweiten
Erfassungskapazitäten CY12, CY22 des zweiten Paars, während
sich die andere verringert.
-
D. h., es erhöht sich eine Kapazität, während sich die
andere Kapazität des ersten Paars der ersten
Erfassungskapazitäten CX11, CX21, des zweiten Paars der ersten
Erfassungskapazitäten CX12, CX22, des ersten Paars der
zweiten Erfassungskapazitäten CY11, CY21 und des zweiten
Paars der zweiten Erfassungskapazitäten CY12 und CY22
sich im Ansprechen auf die Bewegung der beweglichen
Elektrode 30 unter einer Beschleunigung in der Zielrichtung
verringert.
-
Die obige Beziehung zwischen jedem Paar von
Kapazitäten CX11 und CX21, CX12 und CX22, CY11 und CY21, CY12 und
CY22 wird durch Bildung jeder Kapazität CX11, CX21, CX12,
CX22, CY11, CY21, CY12, CY22 auf die in Fig. 1
dargestellte Weise erlangt. D. h., die Struktur von zwei Paaren
von einem beweglichen Elektrodenzahn und einem festen
Elektrodenzahn, welche ein Paar von Kapazitäten CX11 und
CX21, CX12 und CX22, CY11 und CY21, CY12 und CY22 bilden,
ist symmetrisch zwischen dem Paar von Kapazitäten CX11
und CX21, CX12 und CX22, CY11 und CY21, CY12 und CY22.
-
Wie in Fig. 1 dargestellt ist die bewegliche
Elektrode 30 elektrisch mit der Kontaktstelle P10 verbunden,
welche auf dem Ankerteil 35b befindlich ist. Eine der
ersten festen Elektroden 40, welche zur Bildung des ersten
Paars der ersten Erfassungskapaziäten CX11, CX21
verwendet wird, ist elektrisch mit dem Paar von Kontaktstellen
PX11, PX21 verbunden. Die andere erste feste Elektrode
50, welche zur Bildung des zweiten Paars von ersten
Erfassungskapazitäten CX12, CX22 verwendet wird, ist
elektrisch mit dem anderen Paar von Kontaktstellen PX12, PX22
verbunden.
-
Eine der zweiten festen Elektroden 60, welche zur
Bildung des ersten Paars von zweiten
Erfassungskapazitäten CY11, CY21 verwendet wird, ist elektrisch mit einem
anderen Paar von Kontaktstellen PY11, PY21 verbunden. Die
andere zweite feste Elektrode 70, welche zur Bildung des
zweiten Paars von zweiten Erfassungskapazitäten CY12,
CY22 verwendet wird, ist elektrisch mit einem anderen
Paar von Kontaktstellen PY12, PY22 verbunden. Die
Kontaktstellen P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21,
PY12, PY22 sind auf dem Rand des zweiten
Siliziumsubstrats 12 befindlich.
-
Wie in Fig. 1 dargestellt ist eine Kontaktstelle 80,
welche von den Kontaktstellen P10, PX11, PX21, PX12,
PX22, PY11, PY21, PX12, PY22 für die festen Elektroden
40, 50, 60, 70 und die bewegliche Elektrode 30 elektrisch
isoliert ist, auf dem Rand des zweiten Siliziumsubstrats
12 befindlich. Die Kontaktstelle 80 wird zum Festlegen
des Potentials des Rands mit Ausnahme für die festen
Elektroden 40, 50, 60, 70 in dem zweiten Siliziumsubstrat
12 verwendet.
-
Jede Kontaktstelle P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11,
PY21, PY12, PY22 befindet sich in einem elektrischen
Kontakt mit jeder entsprechenden Elektrode, während sie
durch eine Luftisolierung unter Verwendung der Gräben,
welche bis zu dem Oxidfilm 13 in dem zweiten
Silizumsubstrat 12 wie in Fig. 1 dargestellt herabreichen,
elektrisch isoliert sind. Jede Kontaktstelle P10, PX11, PX21,
PX12, PX22, PY11, PY21, PY12, PY22 ist beispielsweise aus
Aluminium gebildet. Obwohl nicht dargestellt ist jede
Kontaktstelle P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21,
PY12, PY22 mit einer externen Schaltung oder einem
Verdrahtungsteil beispielsweise durch Drahtbonden elektrisch
verbunden.
-
Der Halbleiterbeschleunigungssensor S1 kann
beispielsweise durch Bildung von Gräben, welche durch die
Elektroden 30, 40, 50, 60, 70 definiert werden und bis
auf den Oxidfilm 13 herabreichen, unter Verwendung eines
Grabenätzverfahrens in dem zweiten Siliziumsubstrat 17
des SOI-Substrats 10, danach durch Bildung jeder
Kontaktstelle P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11, PY21, PY12,
PY22, und danach durch partielles Entfernen des Oxidfilms
13 durch die Gräben unter Verwendung eines
Opferätzverfahrens zur Bildung der Öffnung 21 hergestellt werden.
-
Das zum Erfassen einer Beschleunigung verwendete
Verfahren in dem Halbleiterbeschleunigungssensor S1 wird im
folgenden beschrieben. Wie in Fig. 3 dargestellt werden
Änderungen der Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12,
CX22, CY11, CY21, CY12, CY22 durch eine geschaltete
Kondensatorschaltung (switched capacitor circuit) 200 in der
externen Schaltung erfaßt. Die geschaltete
Kondensatorschaltung 200 ist eine C-V-Wandlerschaltung und enthält
einen Kondensator 210 mit einer Kapazität Cf, einen
Schalter 220 und eine Differenzverstärkerschaltung 230
zur Umwandlung einer eingegebenen Kapazität in eine
Spannung als Ausgang der geschalteten Kondensatorschaltung
200.
-
Wie in Fig. 3 dargestellt werden Trägerwellen eines
Paars einer der ersten festen Elektroden 40 durch die
entsprechenden Kontaktstellen PX11, PX21 derart gesendet,
daß die entsprechenden Kapazitäten CX11, CX21 eine
zueinander entgegengesetzte Phase besitzen. Zur selben Zeit
werden Trägerwellen eines anderen Paars der anderen
ersten festen Elektrode 50 durch entsprechende
Kontaktstellen PX12, PX22 derart gesendet, daß entsprechende
Kapazitäten CX12, CX22 eine zueinander entgegengesetzte Phase
besitzen. Zur selben Zeit werden Trägerwellen eines
anderen Paars einer der zweiten festen Elektroden 60 durch
entsprechende Kontaktstellen PY11, PY21 derart gesendet,
daß entsprechende Kapazitäten CY11, CY21 eine zueinander
entgegengesetzte Phase besitzen. Zur selben Zeit werden
Trägerwellen eines anderen Paars der anderen zweiten
festen Elektrode 70 durch entsprechende Kontaktstellen
PY12, PY22 derart gesendet, daß entsprechende Kapazitäten
CY12, CY22 eine zueinander entgegengesetzte Phase
besitzen. In der Zwischenzeit ist der Schalter 220 in der
geschalteten Kondensatorschaltung 200 mit einem
vorbestimmten Zeitablauf ein- und ausgeschaltet worden.
-
In dem Fall wird die Beschleunigung als in Gleichung
4 dargestellter Ausgang S erfaßt.
S = {(CX21 - CX11) + (CX12 - CX22) + (CY21 - CY11) +
(CY12 - CY22)} × Vcc/Cf (Gl. 4)
-
D. h., bei dem Beschleunigungssensor von Fig. 1 wird
die Beschleunigung auf der Grundlage der Summe des
differentiellen Ausgangs (CX21 - CX11) von dem ersten Paar der
ersten Erfassungskapazitäten CX21, CX11, des
differentiellen Ausgangs (CX12 - CX22) von dem zweiten Paar der
ersten Erfassungskapazitäten CX12, CX22, des
differentiellen Ausgangs (CY21 - CY11) von dem ersten Paar der
zweiten Erfassungskapazitäten CY21, CY11 und des
differentiellen Ausgangs (CY12 - CY22) von dem zweiten Paar der
zweiten Erfassungskapazitäten CY12, CY22 erfaßt, wenn
sich die bewegliche Elektrode 30 entlang der ersten
Richtung X oder der zweiten Richtung Y im Ansprechen auf eine
Beschleunigung bewegt.
-
Wenn wie in Fig. 4 dargestellt sich die bewegliche
Elektrode 30 entlang der ersten Richtung X auf die rechte
Seite von Fig. 1 zu unter einer Beschleunigung entlang
der ersten Richtung X bewegt, verringern sich zwei der
ersten Erfassungskapazitäten CX11, CX22, da der Abstand
zwischen jedem beweglichen Elektrodenzahn und jedem
festen Elektrodenzahn der entsprechenden Elektroden 36, 40,
50 größer wird, während sich die anderen zwei der ersten
Erfassungskapazitäten CX21, CX12 erhöhen, da der Abstand
zwischen jedem beweglichen Elektrodenzahn und jedem
festen Elektrodenzahn der entsprechenden Elektroden 36, 40,
50 kleiner wird.
-
Demgegenüber erhöhen sich die zweiten
Erfassungskapazitäten CY11, CY21 des ersten Paars, da der überlappende
Bereich zwischen jedem festen Elektrodenzahn einer der
zweiten festen Elektroden 60 und jedem beweglichen
Elektrodenzahn des entsprechenden beweglichen
Elektrodenabschnitts 36 größer wird, während sich die zweiten
Erfassungskapazitäten CY12, CY22 des zweiten Paars verringern,
da der überlappende Bereich zwischen jedem festen
Elektrodenzahn der anderen zweiten festen Elektrode 70 und
jedem beweglichen Elektrodenzahn des entsprechenden
beweglichen Elektrodenabschnitts 36 kleiner wird.
-
Unter der Annahme, daß jede Erfassungskapazität CX11,
CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22 anfänglich den
Wert C0 besitzt, betragen die Änderungen der ersten
Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12, CX22 jeweils ΔCx
und die Änderungen der zweiten Erfassungskapazitäten
CY11, CY21, CY12, CY22 jeweils ΔCy. In dem Fall werden
die Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12, CX22, CY11,
CY21, CY12, CY22 durch die folgenden Gleichungen gegeben:
CX11 = C0 - ΔCx, CX21 = C0 + ΔCx, CX12 = C0 + ΔCx,
CX22 = C0 - ΔCx, CY11 = C0 + ΔCy, CY21 = C0 + ΔCy,
CY12 = C0 - ΔCy, CY22 = C0 - ΔCy.
-
Setzt man die obigen Gleichungen für die
Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12,
CY22 in Gleichung 4 ein, wird die folgende Gleichung 5
erlangt.
S = {(CX21 - CX11) + (CX12 - CX22) + (CY21 - CY11) +
(CY12 - CY22)} × Vcc/Cf
= {(C0 + ΔCx - C0 + ΔCx) + (C0 + ΔCx - C0 + ΔCx) +
(C0 + ΔCy - C0 - ΔCy) + (C0 - ΔCy - C0 + ΔCy)} ×
Vcc/Cf
= 4 × ΔCx × Vcc/Cf (Gl. 5)
-
Daher enthält der Ausgang S lediglich die Änderungen
ΔCx der ersten Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12,
CX22, von denen angenommen wird, daß sie an der
Beschleunigungserfassung entlang der ersten Richtung X beitragen,
da die Änderungen ΔCy der zweiten Erfassungskapazitäten
CY11, CY21, CY12, CY22 aufgehoben sind, welche in dem
Ausgang S ein Rauschen liefern.
-
Die Bewegung der beweglichen Elektrode 30 entlang der
ersten Richtung X wird auf der Grundlage der Summe des
differentiellen Ausgangs (CX21 - CX11) des ersten Paars
der ersten Erfassungskapazitäten CX21, CX11 und des
differentiellen Ausgangs (CX12 - CX22) des zweiten Paars der
ersten Erfassungskapazitäten CX12, CX22 erfaßt, während
die Änderungen der zweiten Erfassungskapazitäten CY11,
CY21, CY12, CY22 durch die Summe des differentiellen
Ausgangs (CY21 - CY22) der zweiten Erfassungskapazitäten
CY21, CY11 des ersten Paars und des differentiellen
Ausgangs (CY12 - CY22) der zweiten Erfassungskapazitäten
CY12, CY22 des zweiten Paars aufgehoben sind.
-
Wenn - obwohl nicht veranschaulicht - sich die
bewegliche Elektrode 30 in dem zweiten Sensor S1 entlang der
zweiten Richtung Y nach oben in Fig. 1 unter einer
Beschleunigung entlang der zweiten Richtung Y bewegt,
verringern sich zwei der zweiten Erfassungskapazitäten CY11,
CY22, da der Abstand zwischen jedem beweglichen
Elektrodenzahn und jedem festen Elektrodenzahn von
entsprechenden Elektroden 36, 60, 70 größer wird, während sich die
anderen zwei der ersten Erfassungskapazitäten CY21, CY12
erhöhen, da der Abstand zwischen jedem beweglichen
Elektrodenzahn und jedem festen Elektrodenzahn der
entsprechenden Elektroden 36, 60, 70 kleiner wird.
-
Demgegenüber verringern sich die ersten
Erfassungskapazitäten CX11, CX21 des ersten Paars, da der
überlappende Bereich zwischen jedem festen Elektrodenzahn einer
der zweiten festen Elektroden 40 und jedem beweglichen
Elektrodenzahn des entsprechenden beweglichen
Elektrodenabschnitts 36 kleiner wird, während sich die ersten
Erfassungskapazitäten CX12, CX22 des zweiten Paars erhöhen,
da der überlappende Bereich zwischen jedem festen
Elektrodenzahn der anderen ersten festen Elektrode 50 und
jedem beweglichen Elektrodenzahn des entsprechenden
beweglichen Elektrodenabschnitts 36 größer wird.
-
Unter der Annahme, daß jede Erfassungskapazität Cx11,
CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22 anfänglich den
Wert C0 besitzt, betragen die Änderungen der ersten
Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12, CX22 jeweils ΔCx,
und die Änderungen der zweiten Erfassungskapazitäten
CY11, CY21, CY12, CY22 betragen jeweils ΔCy. In dem Fall
werden die Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12, CY22,
CY11, CY21, CY12, CY22 durch die folgenden Gleichungen
gegeben:
CX11 = C0 - ΔCx, CX21 = C0 - ΔCx, CX12 = C0 + ΔCx,
CX22 = C0 + ΔCx, CY11 = C0 - ΔCy, CY21 = C0 + ΔCy,
CY12 = C0 + ΔCy, CY22 = C0 - ΔCy.
-
Setzt man die obigen Gleichungen für die
Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12,
CY22 in die Gleichung 4 ein, wird die folgende Gleichung
6 erlangt.
S = {(CX21 - CX11) + (CX12 - CX22) + (CY21 - CY11) +
(CY12 - CY22)} × Vcc/Cf
= {(C0 - ΔCx - C0 + ΔCx) + (C0 + ΔCx - C0 - ΔCx) +
(C0 + ΔCy - C0 + ΔCy) + (C0 + ΔCy - C0 + ΔCy)} ×
Vcc/Cf
= 4 × ΔCy × Vcc/Cf (Gl. 6)
-
Daher enthält der Ausgang 5 lediglich die Änderungen
ΔCy der zweiten Erfassungskapazitäten CY11, CY21, CY12,
CY22, von denen angenommen wird, daß sie zu der
Beschleunigungserfassung entlang der zweiten Richtung Y
beitragen, da die Änderungen ΔCx der ersten
Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12, CX22 aufgehoben werden, welche in
dem Ausgang S ein Rauschen liefern.
-
Die Bewegung der beweglichen Elektrode 30 entlang der
zweiten Richtung Y wird auf der Grundlage der Summe des
differentiellen Ausgangs (CY21 - CY11) des ersten Paars
der zweiten Erfassungskondensatoren CY21, CY11 und des
differentiellen Ausgangs (CY12 - CY22) des zweiten Paars
der zweiten Erfassungskondensatoren CY12, CY22 erfaßt,
während die Änderungen in den ersten
Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12, CX22 durch die Summe des
differentiellen Ausgangs (CX21 - CX11) des ersten Paars der
ersten Erfassungskondensatoren CX21, CX11 und des
differentiellen Ausgangs (CX12 - CX22) des zweiten Paars der
ersten Erfassungskondensatoren CX12, CX22 aufgehoben
werden.
-
Als Ergebnis enthält bei dem Beschleunigungssensor S1
von Fig. 1 und 2 der Ausgang S im wesentlichen die
Änderungen der Kapazitäten, von denen angenommen wird, daß
sie zur Beschleunigungserfassung entlang der ersten
Richtung X oder der zweiten Richtung Y beitragen, da die
Änderungen der anderen Kapazitäten aufgehoben werden, da
sie ansonsten in dem Ausgang S zu einem Rauschen führen.
-
Wenn, nebenbei bemerkt, die bewegliche Elektrode 30
sich entgegen dem Uhrzeiger um die Achse dreht, welche
orthogonal zu den ersten und zweiten Richtungen X, Y ist,
ist der Ausgang S im wesentlichen wie durch Gleichung 7
dargestellt Null.
S = {(CX21 - CX11) + (CX12 - CX22) + (CY21 - CY11) +
(CY12 - CY22)} × Vcc/Cf
= {(C0 + ΔCx - C0 + ΔCx) + (C0 - ΔCx - C0 - ΔCx) +
(C0 + ΔCy - C0 + ΔCy) + (C0 - ΔCy - C0 - ΔCy)} ×
Vcc/Cf
= 0 (Gl. 6)
-
Das Erfassungsverfahren für den Ausgang 5 ist nicht
auf die geschaltete Kondensatorschaltung 200 von Fig. 3
beschränkt. Solange wie der Ausgang S auf der Grundlage
der Summe der vier differentiellen Ausgänge (CX12 - CX11),
(CX12 - CX22), (CX21 - CY11), (CY12 - CY22) im
Ansprechen auf die Bewegung der beweglichen Elektrode 30
entlang der ersten Richtung X oder der zweiten Richtung Y
unter Verwendung der Struktur der Erfassungskapazitäten
CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22 bei dem
Halbleiterbeschleunigungssensor S1 von Fig. 1 erfaßt
wird, können andere Verfahren verwendet werden.
Zweite Ausführungsform
-
Bei dem Halbleiterbeschleunigungssensor S1 von Fig. 1
ist jede der festen Elektroden 40, 50, 60, 70 mit jedem
beweglichen Elektrodenabschnitt 36 derart verschachtelt,
daß jeder feste Elektrodenzahn der festen Elektroden 40,
50, 60, 70 jedem beweglichen Elektrodenzahn der
beweglichen Elektrodenabschnitte 36 an den zwei Enden entlang
der ersten Richtung X bzw. an den zwei Enden entlang der
zweiten Richtung Y der beweglichen Elektrode 30
gegenüberliegt. Jede Erfassungskapazität CX11, CX21, CX12,
CX22, CY11, CY21, CY12, CY22 wird hauptsächlich durch den
Abstand und den gegenüberliegenden Bereich zwischen jedem
festen Elektrodenzahn und jedem beweglichen
Elektrodenzahn und durch die Anzahl der festen und beweglichen
Elektrodenzähne bestimmt. Daher kann jede
Erfassungskapazität CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21, CY12, CY22 mit
dem Abstand, dem gegenüberliegenden Bereich bzw. Fläche
und der Anzahl optimiert werden.
-
Wie in Fig. 5 dargestellt unterscheidet sich ein
Halbleiterbeschleunigungssensor S2 der zweiten
Ausführungsform von dem Sensor S1 von Fig. 1 in der Anzahl der
festen und beweglichen Elektrodenzähne. Bei dem Sensor S2
besitzt jede feste Elektrode 40, 50, 60, 70 zwei feste
Elektrodenzähne, und jeder bewegliche Elektrodenabschnitt
36 der beweglichen Elektrode 30 besitzt wie in Fig. 5
dargestellt einen beweglichen Elektrodenzahn.
Entsprechend anderer Gesichtspunkte ist der Sensor S2 von Fig. 5
ähnlich dem Sensor S1 von Fig. 1.
-
Wie in Fig. 5 dargestellt, werden erste
Erfassungskapazitäten CX11, CX21 eines ersten Paars mit zwei festen
Elektrodenzähnen von einer der ersten festen Elektroden
40 und einem beweglichen Elektrodenzahn von einem der
beweglichen Elektrodenabschnitten 36 gebildet. Erste
Erfassungskapazitäten CX12, CX22 eines zweiten Paars werden
mit zwei festen Elektrodenzähnen der anderen ersten
festen Elektrode 50 und einem beweglichen Elektrodenzahn
eines anderen von beweglichen Elektrodenabschnitten 36
gebildet. Zweite Erfassungskapazitäten CY11, CY21 eines
ersten Paars werden mit zwei festen Elektrodenzähnen
einer der zweiten festen Elektroden 60 und einem
beweglichen Elektrodenzahn eines anderen der beweglichen
Elektrodenabschnitte 36 gebildet. Zweite
Erfassungskapazitäten CY12, CY22 eines zweiten Paars werden mit zwei festen
Elektrodenzähnen der anderen festen Elektrode 70 und
einem beweglichen Elektrodenzahn des Rests der beweglichen
Elektrodenabschnitte 36 gebildet.
-
Wenn daher sich die bewegliche Elektrode 30 in dem
Sensor S2 von Fig. 5 entlang einer der zwei Richtungen X,
Y unter einer Beschleunigung bewegt, erhöht sich die
Erfassungskapazität, welche auf einer Seite von jedem der
beweglichen Zähne gebildet ist, welche sich entlang der
Richtung orthogonal zu der Bewegungsrichtung der
beweglichen Elektrode 30 erstrecken, während die auf der anderen
Seite gebildete Erfassungskapazität sich verringert.
Somit liefert der Halbleiterbeschleunigungssensor S2 von
Fig. 5 im wesentlichen dieselbe Wirkung bei der Erfassung
der Beschleunigung wie der
Halbleiterbeschleunigungssensor S1 von Fig. 1.
Dritte Ausführungsform
-
Wie in Fig. 6 und 7 dargestellt unterscheidet sich
ein Halbleiterbeschleunigungssensor S3 von dem
Halbleiterbeschleunigungssensor S1 von Fig. 1 bezüglich der
Struktur der festen und beweglichen Elektroden. D. h., bei
dem Sensor S1 sind die ersten festen Elektroden 40, 50
und die zweiten festen Elektroden 60, 70 an dem Rand des
zweiten Siliziumsubstrats 12 befindlich, um die
bewegliche Elektrode 30 zu umgeben. Demgegenüber ist bei dem
Sensor S3 eine bewegliche Elektrode 30 an dem Rand des
zweiten Silizumsubtrats 12 befindlich, um die ersten
festen Elektroden 40, 50 und die zweiten festen Elektroden
60, 70 zu umgeben.
-
Insbesondere ist wie in Fig. 6 und 7 dargestellt
der mittlere Teil des zweiten Halbleitersubstrats 12 an
einem Tragesubstrat 20 befestigt und wird davon getragen,
welches ein erstes Siliziumsubstrat 11 und einen Oxidfilm
13 enthält. Der Oxidfilm 13 ist unter dem mittleren Teil
des zweiten Siliziumsubstrats 12 derart befindlich, daß
der Rand des zweiten Siliziumsubstrats 12 sich in dem
Sensor S3 als die bewegliche Elektrode 30 bewegen kann.
-
Wie in Fig. 6 dargestellt sind bei dem Sensor S3
Ankerteile 35a, 35b, 35c, 35d komparabel zu den zweiten
Gewichtsteilen 32 von Fig. 1, und der rechtwinklige,
rahmenförmige Rand des zweiten Siliziumsubstrats 12 bildet
erste Gewichtsteile 31 der beweglichen Elektrode 30.
Zweite Gewichtsteile 32 ragen nach innen in Richtung auf
die Ankerteile 35a, 35b, 35c, 35d von den vier Ecken des
ersten Gewichtsteils 31 aus.
-
Wie in Fig. 6 dargestellt ist jede feste Elektrode
40, 50, 60, 70 ähnlich einem Kamm mit Zähnen geformt und
enthält vier feste Elektrodenzähne. Die festen
Elektrodenzähne ragen aus dem mittleren Teil nach außen heraus,
welcher an dem Tragesubstrat 20 befestigt ist. Ein
beweglicher Elektrodenabschnitt 36, welcher wie ein Kamm mit
Zähnen geformt ist und vier bewegliche Elektrodenzähne
enthält, ist an jedem inneren Ende des rechtwinkligen,
rahmenförmigen Gewichtsteils 31 der beweglichen Elektrode
30 befindlich. Die beweglichen Elektrodenzähne ragen von
jedem inneren Ende heraus.
-
Bei dem Sensor S3 von Fig. 6 liegt jeder feste
Elektrodenzahn der ersten festen Elektroden 40, 50 jedem
beweglichen Elektrodenzahn von zwei der beweglichen
Elektrodenabschnitte 36 gegenüber, welcher von den inneren
Enden entlang der zweiten Richtung Y herausragt. Jeder
feste Elektrodenzahn der zweiten festen Elektroden 60, 70
liegt jedem beweglichen Elektrodenzahn der anderen zwei
beweglichen Elektrodenabschnitte 36 gegenüber, welcher
von den inneren Enden entlang der ersten Richtung X
herausragt.
-
Bei dem Sensor S3 von Fig. 6 erhöht sich eine
Kapazität, während sich die andere Kapazität in dem ersten Paar
der ersten Erfassungskapazitäten CX11, CX21, dem zweiten
Paar der ersten Erfassungskapazitäten CX12, CX22, dem
ersten Paar der zweiten Erfassungskapazitäten CY11, CY21
und dem zweiten Paar der zweiten Erfassungskapazitäten
CY12 und CY22 im Ansprechen auf die Bewegung der
beweglichen Elektrode 30 unter einer Beschleunigung in der
Zielrichtung verringert. D. h., die Beziehungen zwischen den
Erfassungskapazitäten CX11, CX21, CX12, CX22, CY11, CY21,
CY12, CY22 bei dem Sensor S3 von Fig. 6 sind ähnlich wie
jene in dem Sensor S1 von Fig. 1.
-
Wie in Fig. 6 dargestellt sind die bewegliche
Elektrode 30 und die festen Elektroden 40, 50, 60, 70 mit
entsprechenden Kontaktstellen P10, PX11, PX21, PX12,
PX22, PY11, PY21, PY12 bzw. PY22 elektrisch verbunden.
Die Kontaktstellen P10, PX11, PX21, PX12, PX22, PY11,
PY21, PY12, PY22 sind auf dem mittleren Teil befindlich,
welcher auf dem tragenden Substrat 20 befestigt ist, und
sind elektrisch voneinander isoliert.
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Der Halbleiterbeschleunigungssensor S3 von Fig. 6
und 7 liefert im wesentlichen dieselbe Wirkung wie bei
der Erfassung der Beschleunigung wie der
Halbleiterbeschleunigungssensor S1 von Fig. 1. D. h., der Ausgang des
Sensors S3 enthält im wesentlichen lediglich die
Änderungen der Kapazitäten, von welchen angenommen wird, daß sie
an der Beschleunigungserfassung entlang der ersten
Richtung X oder der zweiten Richtung Y beitragen, da die
Änderungen der anderen Kapazitäten aufgehoben werden,
welche ansonsten in dem Ausgang ein Rauschen liefern.
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Bei dem Sensor S3 ist die bewegliche Elektrode 30 an
dem Rand des zweiten Siliziumsubstrats 12 befindlich, um
die festen Elektroden 40, 50, 60, 70 zu umgeben, so daß
die Größe und das Gewicht der beweglichen Elektrode 30
größer als bei dem Sensor S1 von Fig. 1 gemacht werden
können. Daher kann der Sensor S3 leicht eine höhere
Empfindlichkeit als der Sensor S1 von Fig. 1 erzielen, da
sich die Empfindlichkeit des Sensors S3 proportional zu
dem Gewicht der beweglichen Elektrode 30 erhöht.
Weitere Ausführungsformen
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Die bewegliche Elektrode 30 und die festen Elektroden
40, 50, 60, 70 sind miteinander verschachtelt bzw.
verzahnt oder überlappen sich und liegen einander in dem
Sensor S1 von Fig. 1, dem Sensor S2 von Fig. 5 und dem
Sensor S3 von Fig. 6 partiell gegenüber. Jedoch müssen
die bewegliche Elektrode und die festen Elektroden nicht
verschachtelt bzw. verzahnt sein oder sich nicht
überlappen.
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Vorstehend wurde ein Halbleitersensor für eine
dynamische Größe offenbart. Der Halbleitersensor für eine
dynamische Größe (S1, S2, S3) enthält ein
Halbleitersubstrat (12), welches eine bewegliche Elektrode (30),
ein Paar von ersten festen Elektroden (40, 50) und ein
Paar von zweiten festen Elektroden (60, 70) enthält. Die
ersten und zweiten Paare von ersten Erfassungskapazitäten
(CX11, CX21, CX12, CX22) und die ersten und zweiten Paare
von zweiten Erfassungskapazitäten (CY11, CY21, CY12,
CY22) sind durch die Elektroden (40, 50, 60, 70)
gebildet. Die dynamische Größe, welche sich auf die dem Sensor
(S1, S2, S3) aufgebrachte Kraft bezieht, wird auf der
Grundlage der Summe des differentiellen Ausgangs (CX21 - CX11)
zwischen den ersten Erfassungskapazitäten (CX21,
CX11) des ersten Paars, des differentiellen Ausgangs
(CX12 - CX22) zwischen den ersten Erfassungskapazitäten
(CX12, CX22) des zweiten Paars, des differentiellen
Ausgangs (CY21 - CY11) zwischen den zweiten
Erfassungskapazitäten (CY21, CY11) des ersten Paars und des
differentiellen Ausgangs (CY12 - CY22) zwischen den zweiten
Erfassungskapazitäten (CY12, CY22) des zweiten Paars gemessen,
wenn die bewegliche Elektrode (30) sich entlang der
ersten Richtung (X) oder der zweiten Richtung (Y) unter der
Kraft bewegt. Die Summe enthält einen relativ kleinen
Betrag eines Rauschens.