DE10311076B4

DE10311076B4 - Kapazitive Vorrichtung

Info

Publication number: DE10311076B4
Application number: DE10311076.3A
Authority: DE
Inventors: Minekazu Sakai; Hirofumi Funabashi; Norio Fujitsuka; Yasuichi Mitsushima; Toshiyuki Tsuchiya
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: US6785117B2; JP2008294455A; US20030210511A1; JP4913778B2; DE10311076A1

Abstract

Kapazitive Vorrichtung (101, 201, 301, 401), welche aufweist: ein Substrat (120, 220, 320, 420); eine bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a), welche sich oberhalb einer Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) befindet und bezüglich des Substrats (120, 220, 320, 420) entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche (120a, 220a, 320a, 420a) sind, beweglich ist, wobei die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a) eine Substratgegenüberstellungsoberfläche (147a, 147b, 247a), bei welcher die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a) der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) gegenüberliegt, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (149a-1, 249a-1) beinhaltet; und eine feststehende Elektrode (132, 228a, 328, 428), welche bezüglich des Substrats (120, 220, 320, 420) ortsfest ist, wobei die feststehende Elektrode (132, 228a, 328, 428) eine Substratgegenüberstellungsoberfläche (131a, 131b, 227a), bei welcher die feststehende Elektrode (132, 228a, 328, 428) der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) gegenüberliegt, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (133a, 133b, 229a) beinhaltet, wobei die Substratgegenüberstellungsoberflächen (147a, 147b, 247a, 131a, 131b, 227a) im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats sind, wobei die Substratgegenüberstellungsoberflächen (147a, 147b, 247a, 131a, 131b, 227a) im wesentlichen eben sind und sich im wesentlichen auf dem gleichen Niveau entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) sind, befinden, bevor die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a) ausgelenkt wird, wobei die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (149a-1, 249-1, 133a, 133b, 229a) einander gegenüberstehen und im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) sind, ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine kapazitive Vorrichtung, welche eine feststehende Elektrode und eine bewegliche Elektrode, welche sich in Reaktion auf eine Trägheitskraft und eine elektrostatische Kraft, die auf die bewegliche Elektrode wirken, bewegt, beinhaltet.
Forschungs- und Entwicklungsarbeit bezüglich eines Sensors, der in der Lage ist, eine physikalische Größe wie etwa eine Beschleunigung oder eine Winkelgeschwindigkeit, die auf eine Trägheitskraft entlang zu einer Oberfläche des Substrats des Sensors im wesentlichen orthogonalen Richtungen bezogen sind, zu messen, werden laufend durchgeführt. Der Sensor beinhaltet eine bewegliche Elektrode und eine feststehende Elektrode. Die bewegliche Elektrode schwebt oberhalb der Substratoberfläche und kann sich bezüglich des Substrats entlang zu der Substratoberfläche im wesentlichen orthogonalen Richtungen bewegen. Die feststehende Elektrode ist an dem Substrat befestigt und bezüglich des Substrats ortsfest.
Solch ein Sensor befindet sich in Entwicklung, um ein Bedürfnis zu befriedigen, nicht nur eine zu der Substratoberfläche im wesentlichen parallele physikalische Größe, sondern auch eine zu der Substratoberfläche im wesentlichen orthogonale physikalische Größe zu messen, wie auch ein Bedürfnis, die Substratoberfläche aus Gründen der Stabilität im wesentlichen orthogonal zu den Richtungen, entlang denen die auf die physikalische Größe bezogene Trägheitskraft aufgebracht wird, anzuordnen. Bezüglich eines solchen Sensors gibt es ein Bedürfnis, nicht nur den Betrag der physikalischen Größe zu messen, sondern auch zu erfassen, in welcher der Richtungen, die im wesentlichen orthogonal zu der Substratoberfläche sind, die Trägheitskraft wirkt.
Ein erster vorgeschlagener Sensor für das Bedürfnis beinhaltet ein Substrat, ein plattenähnliches Gewicht, welches parallel zu einer Oberfläche des Substrats befindlich und orthogonal zu der Oberfläche des Substrats beweglich ist, eine bewegliche Elektrode, welche sich auf einer Oberfläche des Gewichts befindet, und eine feststehende Elektrode, welche oberhalb des Gewichts so angeordnet ist, daß sie der beweglichen Elektrode gegenüberliegt. Wenn die bewegliche Elektrode mit dem Gewicht zu der feststehenden Elektrode hin oder in einer ersten Richtung, welche im wesentlichen orthogonal zu der Substratoberfläche ist, ausgelenkt wird, verringert sich ein Abstand zwischen der beweglichen Elektrode und der feststehenden Elektrode, und demzufolge steigt die dazwischen ausgebildete Kapazität an.
Wenn das Gewicht in der Richtung von der feststehenden Elektrode weg oder in einer zweiten Richtung, welche der ersten Richtung im wesentlichen entgegengesetzt ist, ausgelenkt wird, wächst der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode und der feststehenden Elektrode, und als ein Ergebnis nimmt die dazwischen ausgebildete Kapazität ab. Daher ist es möglich, auf der Grundlage dessen, ob die Kapazität zunimmt oder abnimmt, zu erfassen, in welcher der ersten und zweiten Richtung die Trägheitskraft wirkt, auch wenn die Abweichung der Kapazität die gleiche ist.
Bei dem ersten vorgeschlagenen Sensor sind jedoch die bewegliche Elektrode und die feststehende Elektrode so gestapelt, daß sie einander entlang den Richtungen orthogonal zu der Substratoberfläche gegenüberliegen. Um eine solche Struktur zu verwirklichen, müssen eine der beweglichen Elektrode entsprechende Schicht, eine der feststehenden Elektrode entsprechende Schicht und eine Opferschicht zuerst derart gestapelt werden, daß die Opferschicht zwischen den anderen zwei Schichten zu liegen kommt, und dann muß die Opferschicht durch einen komplexen Ätzprozeß abgestreift werden.
Alternativ offenbart eine Veröffentlichung JP 2000-049 358 A einen Sensor (zweiten vorgeschlagenen Sensor), welcher in der Lage ist, die Richtung, entlang der die Trägheitskraft wirkt, zu erfassen, auch wenn die feststehende Elektrode und die bewegliche Elektrode des Sensors aus einer einzigen Schicht ausgebildet sind.
Wie in 1 gezeigt, beinhaltet der zweite vorgeschlagene Sensor 1 eine bewegliche Elektrode 5, welche oberhalb einer Oberfläche eines Substrats 2 schwebt und entlang den zu dem Substrat im wesentlichen orthogonalen Richtungen oder entlang der z-Achse in 1 beweglich ist, und eine feststehende Elektrode 6, welche auf dem Substrat 2 befestigt ist. Der zweite vorgeschlagene Sensor 1 mißt eine physikalische Größe, welche sich auf eine auf den Sensor 1 ausgeübte Trägheitskraft bezieht, auf der Grundlage der Abweichung der Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 5 und der feststehenden Elektrode 6, wenn sich die bewegliche Elektrode 5 im Ansprechen auf die Trägheitskraft entlang den zu der Substratoberfläche im wesentlichen orthogonalen Richtungen bewegt.
Wenn sich die bewegliche Elektrode 5 zum Beispiel in der positiven Richtung entlang der z-Achse bewegt, wie in 2 gezeigt, welche die erste Richtung ist, die zu der Substratoberfläche im wesentlichen orthogonal ist, steigt die Kapazität an, weil sich die Überlappung zwischen der beweglichen Elektrode 5 und der feststehenden Elektrode 6 im Vergleich mit der Überlappung in 1 zu S10 hin vergrößert. Wenn sich die bewegliche Elektrode 5 andererseits, wie in 3 gezeigt, in einer negativen Richtung entlang der z-Achse bewegt, welche eine zweite Richtung ist, die zu der Substratoberfläche im wesentlichen orthogonal ist, wird die Überlappung im Vergleich mit der Überlappung in 1 zu S20 hin kleiner, und demzufolge nimmt die Kapazität ab. Als ein Ergebnis ist es möglich, auf der Grundlage dessen, ob die Kapazität zunimmt oder abnimmt, zu erfassen, in welcher der ersten und zweiten Richtung die Trägheitskraft wirkt, auch wenn die Abweichung der Kapazität die gleiche ist. Der zweite vorgeschlagene Sensor 1 von 1 beinhaltet jedoch einen Zwischenraum 8, in welchem eine Stufen aufweisende Opferschicht in dem Herstellungsprozeß des zweiten vorgeschlagenen Sensors 1 angeordnet war. Daher ist ein komplizierHerstellungsverfahren erforderlich, um die tes Opferschicht zu bilden.
Alternativ wird ein Sensor (dritter vorgeschlagener Sensor) in J. H. Daniel, D. F. Moore; ”A microaccelerometer structure fabricated in silicon-on-insulator using a focused ion beam process”; Sensors and Actuators A73 (1999), Seiten 201–209 vorgeschlagen. Bei dem dritten vorgeschlagenen Sensor sind die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen der feststehenden und der beweglichen Elektroden des Sensors, bei welchen sich die feststehenden und beweglichen Elektroden gegenüberstehen, bezüglich den zu einer Substratoberfläche des dritten vorgeschlagenen Sensors im wesentlichen orthogonalen Richtungen mit einem Winkel derart geneigt, daß die Kapazität zwischen den Elektroden ansteigt, wenn sich die bewegliche Elektrode in einer ersten Richtung, welche im wesentlichen orthogonal zu der Substratoberfläche ist, bewegt, während die Kapazität abnimmt, wenn sich die bewegliche Elektrode in einer zweiten Richtung, welche der ersten Richtung im wesentlichen entgegengesetzt ist, bewegt. Bei dem dritten vorgeschlagenen Sensor ist jedoch zum Erzeugen der Struktur, in welcher die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen der feststehenden und der beweglichen Elektroden bezüglich den zu der Substratoberfläche im wesentlichen orthogonalen Richtungen geneigt sind, ein fortgeschrittener Herstellungsprozeß erforderlich.
Bei dem zweiten vorgeschlagenen Sensor 1 würde dann, wenn die Oberflächen der Elektroden, bei welchen die Elektroden der Substratoberfläche gegenüberliegen, im wesentlichen eben und parallel zu der Substratoberfläche sein könnten, und wenn die Oberflächen der Elektroden in näherungsweise dem gleichen Abstand von der Substratoberfläche vorliegen könnten, bevor die bewegliche Elektrode ausgelenkt wird, die Opferschicht zur Ausbildung des Teils 8 die Stufen nicht benötigen, und es wäre möglich, den Sensor 1 unter Verwendung eines vergleichsweise einfachen Herstellungsprozesses herzustellen. Ebenso wäre es bei dem dritten vorgeschlagenen Sensor, falls die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen der Elektroden nicht bezüglich den zu der Substratoberfläche im wesentlichen orthogonalen Richtungen geneigt sein müßten und die Elektrodengegeüberstellungsoberflächen orthogonal zu der Substratoberfläche sein könnten, möglich, den dritten vorgeschlagenen Sensor unter Verwendung eines vergleichsweise einfachen Herstellungsprozesses herzustellen.
Wenn die vorgenannten Strukturen in den vorgeschlagenen Sensoren aufzunehmen waren, wäre es jedoch schwierig, den Flächen-Abstands-Quotienten, welcher durch Teilen der überlappenden Fläche zwischen den Elektroden durch den Abstand zwischen den Elektroden erhalten wird, zu erhöhen. Die Kapazität zwischen den Elektroden variiert im wesentlichen proportional zu dem Flächen-Abstands-Quotienten, und es wäre grundsätzlich nur möglich, den Flächen-Abstands-Quotienten ungeachtet dessen, in welche Richtung sich die bewegliche Elektrode entlang den zu der Substratoberfläche im wesentlichen orthogonalen Richtungen bewegt, zu verringern oder beizubehalten, falls die vorgenannten Strukturen aufzunehmen wären. Daher wäre es schwierig, die Kapazität größer zu machen als die, wenn sich die bewegliche Elektrode in der Ursprungslage befindet, wenn die vorgenannten Strukturen aufzunehmen wären.
Aus diesem Grund ist es als schwierig betrachtet worden, unter Verwendung der vorgenannten Strukturen, welche den Herstellungsprozeß des Sensors vereinfachen können, einen Sensor für physikalische Größen zu verwirklichen, der in der Lage ist, die Richtung zu erfassen, entlang welcher die Trägheitskraft auf den Sensor wirkt.
Die Druckschriften DE 195 47 642 A1 , DE 196 20 009 A1 , US 2001/0034938 A1 , US 6 060 336 A und US 5 804 314 A sowie H. Xie et al., ”A CMOS z-axis capacitive accelerometer with comb-finger sensing”, The Thirteenth Annual International Conference an Micro Electro Mechanical Systems, 2000, MEMS 2000, S. 496–501, und H. Xie et al., ”Vertical comb-finger capacitive actuation and sensing for CMOS-MEMS”, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 95, No. 2–3, 2002, S. 212–221 bilden den der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegenden relevanten Stand der Technik.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der vorgenannten Gesichtspunkte gemacht worden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Struktur eines kapazitiven Sensors für physikalische Größen, der in der Lage ist, die Richtung, entlang welcher eine Trägheitskraft auf den Sensor wirkt, zu erfassen, zu vereinfachen, um den Herstellungsprozeß des Sensors zu vereinfachen. Darüber hinaus werden andere Arten kapazitiver Vorrichtungen bereitgestellt, welche die gleiche Elektrodenstruktur aufweisen wie die, die in dem kapazitiven Sensor für physikalische Größen verwendet wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und alternativ durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Die kapazitive Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Substrat, eine bewegliche Elektrode und eine feststehende Elektrode. Die bewegliche Elektrode befindet sich oberhalb einer Oberfläche des Substrats und ist bezüglich des Substrats entlang den Richtungen, welche im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche sind, beweglich. Die bewegliche Elektrode beinhaltet eine Substratgegenüberstellungsoberfläche, bei welcher die bewegliche Elektrode der Oberfläche des Substrats gegenüberliegt, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche.
Die feststehende Elektrode ist bezüglich des Substrats ortsfest. Die bewegliche Elektrode beinhaltet eine Substratgegenüberstellungsoberfläche, bei welcher die feststehende Elektrode der Oberfläche des Substrats gegenüberliegt, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche. Die Substratgegenüberstellungsoberflächen sind im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats. Die Substratgegenüberstellungsoberflächen sind im wesentlichen eben und befinden sich im wesentlichen auf dem gleichen Niveau entlang den Richtungen, die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats sind, bevor die bewegliche Elektrode ausgelenkt wird.
Die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen liegen einander gegenüber und sind im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats. Wenn die bewegliche Elektrode in einer ersten Richtung, die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats ist, ausgelenkt wird, verbleibt die Gesamtsumme von Flächen-Abstands-Quotienten in der Überlappung zwischen den Elektrodengegenüberstellungsoberflächen im wesentlichen unverändert oder nimmt ab, um eine erste Reduktionsrate bereitzustellen, die im wesentlichen Null oder größer ist. Wenn die bewegliche Elektrode andererseits in eine zweite Richtung ausgelenkt wird, die der ersten Richtung im wesentlichen entgegengesetzt ist, verbleibt die Gesamtsumme von Flächen-Abstands-Quotienten im wesentlichen unverändert oder nimmt ab, um eine zweite Reduktionsrate bereitzustellen, die im wesentlichen Null oder größer ist. Die Reduktionsraten sind voneinander verschieden.
Beider kapazitiven Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden Randkapazitäten zwischen den Rändern der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen der beweglichen Elektrode und der feststehenden Elektrode erzeugt. Aufgrund der Randkapazitäten steigt die Nettokapazität zwischen den Elektroden an, wenn die bewegliche Elektrode in einer der ersten und zweiten Richtung, in welcher die Reduktionsrate kleiner als die andere ist, ausgelenkt wird. Andererseits nimmt, obwohl die Randkapazitäten addiert werden, die Nettokapazität ab, wenn die bewegliche Elektrode in die andere der Richtungen ausgelenkt wird. Als ein Ergebnis ist es möglich, auf der Grundlage des Anstiegs oder der Abnahme in der Nettokapazität zu erfassen, in welche Richtung entlang den Richtungen, welche im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats sind, die bewegliche Elektrode ausgelenkt wird.
Bei der kapazitiven Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Substratgegenüberstellungsoberflächen im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats. Zusätzlich sind die Substratgegenüberstellungsoberflächen im wesentlichen eben und befinden sich im wesentlichen auf dem gleichen Niveau entlang den Richtungen, die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats sind, bevor die bewegliche Elektrode ausgelenkt wird. Als ein Ergebnis erfordert die zum Herstellen der kapazitiven Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Opferschicht keinen so komplexen Herstellungsprozeß, wie er zum Ausbilden der Opferschicht, welche die Stufen des zweiten vorgeschlagenen Sensors aufweist, verwendet wird.
Des weiteren stehen bei der kapazitiven Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen einander gegenüber und sind im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats. Daher ist der fortgeschrittene Herstellungsprozeß zum Ausbilden der geneigten Elektrodengegenüberstellungsoberflächen des dritten vorgeschlagenen Sensors nicht erforderlich. Somit ist der Herstellungsprozeß der kapazitiven Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vergleichsweise kurz und einfach.
Mit der Elektrodenstruktur der kapazitiven Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Elektroden elektrostatisch zueinander angezogen, wenn eine Potentialdifferenz zwischen der beweglichen Elektrode und der feststehenden Elektrode angelegt wird. Zusätzlich nötigt die auf die bewegliche Elektrode wirkende elektrostatische Anziehung die bewegliche Elektrode dazu, sich in einer der ersten und zweiten Richtungen zu bewegen. In anderen Worten ist es möglich, die bewegliche Elektrode unter Verwendung der Potentialdifferenz in beliebiger Weise entlang den Richtungen, die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats sind, zu steuern. Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von kapazitiven Vorrichtungen erzielt, die von der Steuerbarkeit Gebrauch machen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden genauen Beschreibung, die mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gemacht ist, ersichtlich. In den Zeichnungen:
ist 1 eine schematische Querschnittsansicht eines vorgeschlagenen Sensors;
ist 2 eine schematische Querschnittsansicht des Sensors von 1, welche einen Zustand zeigt, daß sich eine bewegliche Elektrode von 1 in der positiven Richtung entlang der z-Achse von 1 bewegt hat;
ist 3 eine schematische Querschnittsansicht des Sensors von 1, welche einen Zustand zeigt, daß sich die bewegliche Elektrode von 1 in der negativen Richtung entlang der z-Achse von 1 bewegt hat;
ist 4 eine schematische Draufsicht eines Halbleitersensors für physikalische Größen gemäß einer ersten Ausführungsform;
ist 5 eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts des Sensors von 4, genommen entlang einer Linie V-V in 4;
ist 6 eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts des Sensors von 4, genommen entlang einer Linie VI-VI in 4;
ist 7 eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts des Sensors von 4, genommen entlang einer Linie VII-VII in 4, welche zwei feststehende Elektroden und eine bewegliche Elektrode zeigt, die sich zwischen den zwei feststehenden Elektroden befindet;
ist 8 eine Querschnittsansicht des Sensors von 4, welche einen Zustand zeigt, daß sich die bewegliche Elektrode von 7 entlang der positiven Richtung entlang der z-Achse von 4 bewegt hat;
ist 9 eine Querschnittsansicht des Sensors von 4, welche einen Zustand zeigt, daß sich die bewegliche Elektrode von 7 entlang der negativen Richtung entlang der z-Achse von 4 bewegt hat;
ist 10 eine Teildraufsicht einer der beweglichen Elektroden in 7, wenn sie aus der negativen Richtung der y-Achse von 7 gesehen werden;
ist 11 ein Graph, welcher die Korrelationen zwischen einer Auslenkung entlang der z-Achse und den Gesamtsummen der Flächen-Abstands-Quotienten in der Überlappung zwischen einem der Balken der beweglichen Elektrode und den entsprechenden Balken der zweiten feststehenden Elektrode und die Korrelation zwischen einer Auslenkung entlang der z-Achse und der Differenz zwischen den Gesamtsummen zeigt;
ist 12 ein Graph, welcher die Korrelationen zwischen den Auslenkungen entlang der z-Achse und den Kapazitäten zwischen einem der Balken der feststehenden Elektrode und den entsprechenden Balken der beweglichen Elektrode und die Korrelation zwischen der Auslenkung entlang der z-Achse und der Differenz zwischen den Kapazitäten zeigt;
ist 13 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines der Balken der beweglichen Elektrode und des Balkens der entsprechenden ersten feststehenden Elektrode in 7, welche die Randkapazitäten zeigt, die zwischen den Elektroden aufgrund des Randeffekts ausgebildet werden;
ist 14 eine schematische Teilquerschnittsansicht des in 7 gezeigten Abschnitts in einem Schritt in einem Herstellungsprozeß des Sensors in 4;
ist 15 eine schematische Teilquerschnittsansicht des in 7 gezeigten Abschnitts in einem anderen Schritt in dem Herstellungsprozeß des Sensors in 4;
ist 16 eine schematische Teilquerschnittsansicht des in 7 gezeigten Abschnitts in einem anderen Schritts in dem Herstellungsprozeß des Sensors in 4;
ist 17 eine schematische Draufsicht eines Halbleitersensors für physikalische Größen gemäß einer zweiten Ausführungsform;
ist 18A eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts des Sensors von 17, genommen entlang einer Linie XVIIIA-XVIIIA in 17;
ist 18B eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts des Sensors von 17, genommen entlang einer Linie XVIIIB-XVIIIB in 17;
ist 19A eine schematische Querschnittsansicht des Sensors von 17, welche einen Zustand zeigt, daß sich die bewegliche Elektrode von 18A entlang der positiven Richtung entlang der z-Achse von 17 bewegt hat;
ist 19B eine schematische Querschnittsansicht des Sensors von 17, welche einen Zustand zeigt, daß sich die bewegliche Elektrode von 18B entlang der positiven Richtung entlang der z-Achse von 17 bewegt hat;
ist 20A eine schematische Querschnittsansicht des Sensors von 17, welche einen Zustand zeigt, daß sich die bewegliche Elektrode von 18A in der negativen Richtung entlang der z-Achse von 17 bewegt hat;
ist 20B eine schematische Querschnittsansicht des Sensors von 17, welche einen Zustand zeigt, daß sich die bewegliche Elektrode von 18B in der negativen Richtung entlang der z-Achse von 17 bewegt hat;
ist 21 eine schematische Teilquerschnittsansicht des in 18B gezeigten Abschnitts des Sensors von 17, welche eine Prozedur zeigt, um die Elektroden des Sensors in 17 auszubilden;
ist 22 eine schematische Teilquerschnittsansicht des in 18B gezeigten Abschnitts des Sensors von 17, welche eine andere Prozedur zeigt, um die Elektroden des Sensors in 17 auszubilden; und
ist 23 eine schematische Teilquerschnittsansicht des in 18B gezeigten Abschnitts des Sensors von 17, welche eine andere Prozedur zeigt, um die Elektroden des Sensors in 17 auszubilden;
ist 24 eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Halbleiterspiegels gemäß einer dritten Ausführungsform; und
ist 25 eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleitergyroskops vom Vibrationstyp gemäß einer vierten Ausführungsform.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen im Detail beschrieben werden.
Erste Ausführungsform
Wie in 4 und 5 gezeigt, weist ein Halbleitersensor für physikalische Größen 101 gemäß einer ersten Ausführungsform eine Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Struktur auf und ist aus einer aktiven Schicht, einer isolierenden Zwischenschicht 154 und einem Trägersubstrat 120 aufgebaut. Die aktive Schicht und das Trägersubstrat 120 sind aus Silizium hergestellt, und die isolierende Zwischenschicht 154 ist aus Siliziumoxid hergestellt.
Die aktive Schicht beinhaltet eine bewegliche Elektrodeneinheit 142, zwei erste feststehende Elektrodeneinheiten 122 und zwei zweite feststehende Elektrodeneinheiten 134. Die bewegliche Einheit 142 besteht aus einem Gewicht 146, zwei kammförmigen beweglichen Elektroden 148, zwei Rechteckfedern 147a, 147b, zwei Ankern 145a, 145b und einem Elektrodenanschluß 144. Das Gewicht 146, die Federn 147a, 147b und die beweglichen Elektroden 148 werden durch die Anker 145a, 145b gestützt und schweben oberhalb einer Oberfläche 120a des Substrats 120. Die Anker 145a, 145b und das Gewicht 146 sind rechteckig, und ihre Längsrichtungen sind im wesentlichen parallel zu der y-Achse. Die Anker 145a, 145b und das Gewicht 146 sind dünne Platten mit einer vorbestimmten Dicke entlang der z-Achse von 4.
Wie in 4 gezeigt, sind die Federn 147a, 147b rechteckige Rahmen, die sich dehnen können. Jede der Rechteckfedern 147a, 147b beinhaltet zwei Balken, welche im wesentlichen parallel zueinander sind und an ihren beiden Enden miteinander verbunden sind. Jede der Rechteckfedern 147a, 147b fungiert als eine Feder, um entlang der z-Achse von 1 verformt zu werden. Daher bewegen sich die beweglichen Elektroden 148 mit dem Gewicht 146 entlang der z-Achse von 1, wenn die bewegliche Einheit 142 entlang der z-Achse beschleunigt wird, und bewegt sich zurück in die ursprüngliche Lage, wenn die Beschleunigung Null wird. Die Länge, oder die Dicke, der Federn 147a, 147b entlang der z-Achse sollte vorzugsweise kleiner als die Länge, oder die Breite, entlang der y-Achse sein, um zu ermöglichen, daß sich das Gewicht 146 leicht entlang der z-Achse bewegt. Der Elektrodenanschluß 144, welcher zum Beispiel durch Aluminiumablagerung aus der Dampfphase ausgebildet ist, befindet sich auf einem der Anker 145a.
Die beweglichen Elektroden 148 sind mit dem Gewicht 146 verbunden. Zusätzlich sind die Federn 147a, 147b mit dem Gewicht 146 und den Ankern 145a, 145b verbunden. Jede der beweglichen Elektroden 148 beinhaltet ferner vier bewegliche Elektrodenbalken 148. Jeder der beweglichen Elektrodenbalken 148 beinhaltet ferner einen ersten beweglichen Elektrodenabschnitt 148a und einen zweiten beweglichen Elektrodenabschnitt 148b. Die Anker 145a, 145b sind auf dem Substrat 120 durch die Isolationsschicht 154, welche in 4 nicht gezeigt ist, befestigt. Die beweglichen Elektroden 148 können sich mit dem Gewicht 146 entlang den Richtungen bewegen, die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche 120a des Substrats 120 sind, oder entlang der z-Achse von 4. Die z-Achse ist orthogonal zu der x-Achse, welche parallel zu den horizontalen Richtungen von 4 ist, und orthogonal zu der y-Achse, welche parallel zu den vertikalen Richtungen von 4 ist.
In den Figuren, auf welche nachstehend Bezug genommen wird, ist die z-Achse diejenige, welche entlang den Richtungen verläuft, die orthogonal zu der Oberfläche 120a des Substrats 120, oberhalb deren die beweglichen Elektroden 148 ausgelenkt werden, sind. Die x-Achse ist diejenige, welche entlang den Richtungen verläuft, die im wesentlichen parallel zu den beweglichen Elektrodenbalken 148 sind. Die y-Achse ist diejenige, welche entlang den Richtungen verläuft, die im wesentlichen parallel zu der Oberfläche 120a des Substrats 120 und im wesentlichen orthogonal zu den beweglichen Elektrodenbalken 148 sind. Die x-, die y- und die z-Achse sind orthogonal zueinander. Bezüglich der x- und der y-Achse sollen die Richtungen von Pfeilen in 1 die positiven Richtungen sein, und die entgegengesetzten Richtungen sollen die negativen Richtungen sein. Bezüglich der z-Achse ist die positive Richtung diejenige, welche von der Rückseite zu der Vorderseite von 4 verläuft, und die entgegengesetzte Richtung soll die negative Richtung sein.
Die beweglichen Elektroden 148 sind jeweils auf linken und rechten Seiten des Gewichts 146 in 4 angeordnet. Die beweglichen Elektroden 148 sind mechanisch und elektrisch mit dem Gewicht 146 verbunden. Wie in 4 gezeigt, sind die beweglichen Elektrodenbalken 148 im wesentlichen gerade. Die vier Balken 148 jeder der beweglichen Elektroden 148 erstrecken sich in gleichen Abständen in der positiven und negativen Richtung der x-Achse aus zwei Seiten des Gewichts 146, welches sich entlang der y-Achse ausdehnt, heraus. In der vorgenannten Anordnung sind die beweglichen Elektroden 148 im wesentlichen symmetrisch bezüglich des Gewichts 146, so daß es möglich ist, das Gewicht 146 und die beweglichen Elektroden 148 in einer stabilen Art und Weise auszulenken.
Wie in 4 gezeigt, sind zwei Paare der ersten und zweiten feststehenden Elektrodeneinheiten 122, 134 jeweils auf der linken Seite und auf der rechten Seite des Sensors 101 in 4 angeordnet. Die linke erste feststehende Elektrodeneinheit 122 ist näher an der linken Seite des Sensors 101 als die linke zweite feststehende Elektrodeneinheit 134 angeordnet. Die rechte zweite feststehende Elektrodeneinheit 134 ist näher an der rechten Seite des Sensors 101 als die rechte erste feststehende Elektrodeneinheit 122 angeordnet. Jede der ersten feststehenden Elektrodeneinheiten 122 beinhaltet einen ersten feststehenden Abschnitt 126, einen Elektrodenanschluß 124 und eine erste kammförmige feststehende Elektrode 132. Jede der ersten feststehenden Elektroden 132 beinhaltet ferner vier erste feststehende Elektrodenbalken 132. Jeder der ersten feststehenden Elektrodenbalken 132 beinhaltet ferner einen ersten feststehenden Elektrodenabschnitt 132a und einen zweiten feststehenden Elektrodenabschnitt 132b. Jede der zweiten feststehenden Elektrodeneinheiten 134 beinhaltet einen zweiten feststehenden Abschnitt 138, einen Elektrodenanschluß 136 und eine zweite kammförmige feststehende Elektrode 140. Jede der zweiten feststehenden Elektroden 140 beinhaltet ferner vier zweite feststehende Elektrodenbalken 140.
Jede der ersten bzw. zweiten feststehenden Elektrodeneinheiten 122, 134 ist an einem Abschnitt hiervon auf dem Substrat 120 durch die Isolationsschicht 154, welche in 4 nicht gezeigt ist, befestigt. Die vier linken feststehenden Elektrodenbalken 132, 140 auf jeder der linken feststehenden Elektroden 132, 140 erstrecken sich in der positiven Richtung der x-Achse aus den linken feststehenden Abschnitten 126, 138, welche sich entlang der y-Achse ausdehnen, heraus. Die vier linken feststehenden Elektrodenbalken 132, 140 jeder der linken feststehenden Elektrodenbalken 132, 140 befinden sich bei konstanten Abständen entlang der y-Achse. Wie in 4 gezeigt, erstrecken sich jedoch die unteren drei Balken 132 aus den vier linken ersten feststehenden Elektrodenbalken 132 nicht kontinuierlich aus dem linken ersten feststehenden Abschnitt 126, welcher sich entlang der y-Achse erstreckt, heraus, weil die unteren drei Balken 132 durch den linken zweiten feststehenden Abschnitt 138, welcher ein Teil der linken zweiten feststehenden Elektrodeneinheit 134 ist, blockiert werden.
Statt dessen sind die unteren drei Balken 132 zuerst mit feststehenden Verbindungsabschnitten 126a verbunden. Die feststehenden Verbindungsabschnitte 126a sind mit dem linken ersten feststehenden Abschnitt 126 durch Verbindungsbrücken 128 verbunden. Wie in 5 gezeigt, spannen sich die Verbindungsbrücken 128 über den linken zweiten feststehenden Abschnitt 138 der linken zweiten feststehenden Elektrodeneinheit 134 hinweg. Die Verbindungsbrücken 128 sind aus polykristallinem Silizium hergestellt, um einen geringen spezifischen Widerstand zu erzielen. Jede der linken feststehenden Elektroden 132, 140 ist mit der linken beweglichen Elektrode 148 verzahnt, wie in 4 gezeigt. Die linken ersten feststehenden Elektrodenbalken 132, die linken beweglichen Elektrodenbalken 148 und die linken zweiten feststehenden Elektrodenbalken 140 wiederholen sich selbst in der von oben nach unten in 4 und von links nach rechts in 6 aufgeführten Reihenfolge.
Die rechten ersten und zweiten feststehenden Elektrodeneinheiten 122, 134 sind im wesentlichen symmetrisch zu den linken zweiten und ersten feststehenden Elektrodeneinheiten 134, 122 bezüglich des Gewichts 46 angeordnet. Zusätzlich wiederholen sich die rechten ersten feststehenden Elektrodenbalken 132, die rechten beweglichen Elektrodenbalken 148 und die rechten zweiten feststehenden Elektrodenbalken 140 selbst in der von unten nach oben in 4 aufgeführten Reihenfolge. Der Elektrodenanschluß 144 der beweglichen Elektrodeneinheit 142 und die Elektrodenanschlüsse 124, 136 der feststehenden Elektrodeneinheiten 122, 134 sind entlang der x-Achse in einem Bereich des Sensors 101 auf der unteren Seite von 4 ausgerichtet. Als ein Ergebnis werden die Anschlüsse leicht mit beispielsweise einer Schaltung zum Messen der Kapazität zwischen den Elektroden 132, 140, 148 verbunden, obwohl die Schaltung in der Figur nicht dargestellt ist.
Wie in 7 gezeigt, beinhaltet jeder der ersten feststehenden Elektrodenabschnitte 132a eine Substratgegenüberstellungsoberfläche 131a des ersten feststehenden Elektrodenabschnitts. Jeder der zweiten feststehenden Elektrodenabschnitte 132b beinhaltet eine Substratgegenüberstellungsoberfläche 131b des zweiten feststehenden Elektrodenabschnitts. Jeder der ersten beweglichen Elektrodenabschnitte 148a beinhaltet eine Substratgegenüberstellungsoberfläche 147a des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts. Jeder der zweiten beweglichen Elektrodenabschnitte 148b beinhaltet eine Substratgegenüberstellungsoberfläche 147b des zweiten beweglichen Elektrodenabschnitts. Jeder der zweiten feststehenden Elektrodenbalken 140 beinhaltet eine Substratgegenüberstellungsoberfläche 139 des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens. Die Substratgegenüberstellungsoberflächen 131a, 131b, 147a, 147b, 139 sind im wesentlichen eben, parallel zu der Substratoberfläche 120a und in näherungsweise dem gleichen Abstand von der Substratoberfläche 120a, bevor sich die beweglichen Elektroden 148 bewegt haben. Im übrigen ist, obwohl Maßstäbe zwischen den Elektroden in 6 und denen in 7 unterschiedlich sind, die Grundstruktur der Elektroden die gleiche.
Wie in 7 gezeigt, beinhaltet jeder der ersten feststehenden Elektrodenabschnitte 132a eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133a des ersten feststehenden Elektrodenabschnitts. Jeder der zweiten feststehenden Elektrodenabschnitte 132b beinhaltet eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133b des zweiten feststehenden Elektrodenabschnitts. Jeder der ersten beweglichen Elektrodenabschnitte 148a beinhaltet eine erste Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-1 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts und eine zweite Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-2 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts. Jeder der zweiten beweglichen Elektrodenabschnitte 148b beinhaltet eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149b des zweiten beweglichen Elektrodenabschnitts. Jeder der zweiten feststehenden Elektrodenbalken 140 beinhaltet eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 141 des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens.
Die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 133a, 133b jedes der ersten feststehenden Elektrodenbalken 132 stehen der ersten Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-1 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts gegenüber. Die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 133a, 133b, 149a-1 erstrecken sich entlang der z-Achse und sind rechteckig. Des weiteren erstrecken sich auch Seitenoberflächen der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 133a, 133b, 149a-1 entlang der z-Achse. Als ein Beispiel ist in 10 eine der ersten Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 149a-1 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts mit ihren Seitenflächen 170a, 170b gezeigt.
Es gibt eine Stufe zwischen der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133a des ersten feststehenden Elektrodenabschnitts und der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133b des zweiten feststehenden Elektrodenabschnitts. Die Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133a des ersten feststehenden Elektrodenabschnitts befindet sich von der Substratoberfläche 120a weiter weg als die Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133b des zweiten feststehenden Elektrodenabschnitts. Die Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133a des ersten feststehenden Elektrodenabschnitts ist von der ersten Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-1 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts um einen ersten Abstand W1, welcher 8,5 μm lang ist, getrennt. Die Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133b des zweiten feststehenden Elektrodenabschnitts ist von den ersten Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 149a-1 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts um einen zweiten Abstand W2, welcher 3 μm lang ist, getrennt. Wie in 7 und 10 gezeigt, ist die erste Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-1 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts im wesentlichen eben.
Die zweite Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-2 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts und die Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149b des zweiten beweglichen Elektrodenabschnitts stehen der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 141 des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens gegenüber. Die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 149a-2, 149b, 141 erstrecken sich entlang der z-Achse und sind rechteckig. Des weiteren erstrecken sich Seitenoberflächen der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 149a-2, 149b, 141 ebenfalls entlang der z-Achse.
Es gibt eine Stufe zwischen der zweiten Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-2 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts und der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149b des zweiten beweglichen Elektrodenabschnitts. Die zweite Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-2 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts ist von der Substratoberfläche 120a weiter entfernt angeordnet als die Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149b des zweiten beweglichen Elektrodenabschnitts. Die zweite Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-2 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts ist von der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 141 des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens um einen dritten Abstand W3, welcher 8,5 μm lang ist, getrennt. Die Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149b des zweiten beweglichen Elektrodenabschnitts ist von der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 141 des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens um einen vierten Abstand W4, welcher 3 μm lang ist, getrennt. Wie in 7 gezeigt, ist die Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 141 des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens im wesentlichen eben.
Bei dem Sensor 101 von 4 sind der zweite und vierte Abstand W2, W4 einander gleich, und der erste und dritte Abstand W1, W3 sind einander gleich. In jedem der beweglichen Elektrodenbalken 148 ist ein erster beweglicher Elektrodenabschnitt 148a und ein zweiter beweglicher Elektrodenabschnitt 148b integriert. Falls die zwei beweglichen Elektrodenabschnitte 148a, 148b getrennt und unabhängig auszulenken wären, gäbe es eine Befürchtung, daß die Beträge von Auslenkungen der zwei beweglichen Elektrodenabschnitte 148a, 148b unterschiedlich sein könnten, wenn eine Trägheitskraft, welche sich auf eine zu messende physikalische Größe bezieht, auf den Sensor 101 wirkt. In diesem Fall könnte die physikalische Größe auf der Grundlage der Beträge der Auslenkungen der zwei beweglichen Elektrodenabschnitte 148a, 148b nicht präzise erfaßt werden. Die zwei beweglichen Elektrodenabschnitte 148a, 148b sind als eine einzelne Einheit in dem Sensor 101 ausgebildet, so daß die zwei beweglichen Elektrodenabschnitte 148a, 148b nicht getrennt oder unabhängig ausgelenkt werden würden. Daher weisen die zwei beweglichen Elektrodenabschnitte 148a, 148b den gleichen Auslenkungsbetrag auf. Somit kann die physikalische Größe in einer stabilen Art und Weise auf der Grundlage des Betrags der Auslenkung genau gemessen werden.
Bei dem Sensor 101 sind die Länge der ersten Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-1 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts und die Länge der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 141 des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens einander gleich bei einer ersten Länge T1 (15 μm) entlang der z-Achse. Des weiteren sind die Länge der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133a des ersten feststehenden Elektrodenabschnitts (erste ebene Oberfläche) und die Länge der zweiten Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149a-2 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts (erste ebene Oberfläche) einander gleich bei einer zweiten Länge T2 (7,5 μm) entlang der z-Achse. Des weiteren sind die Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133b des zweiten feststehenden Elektrodenabschnitts (zweite ebene Oberfläche) und die Länge der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 149b des zweiten beweglichen Elektrodenabschnitts (zweite ebene Oberfläche) einander gleich bei einer dritten Länge T3 (7,5 μm) entlang der z-Achse. Das heißt, die zweite und dritte Länge T2, T3 sind einander gleich. Zusätzlich betragen die zweite und dritte Länge T2, T3 die Hälfte der ersten Länge T1. Die Dicke der Isolationsschicht 154, oder eine vierte Länge T4 der Isolationsschicht 154 entlang der z-Achse, beträgt 3 μm. Wenn das SOI-Substrat verwendet wird, beträgt die vierte Länge T4 vorzugsweise ungefähr 0,5 bis 3 μm.
Als nächstes wird die Betriebsweise des Halbleitersensors einer physikalischen Größe 101 von 4 im Detail beschrieben werden. 11 ist ein Graph, welcher die Korrelation zwischen der Auslenkung entlang der z-Achse und der ersten Gesamtsumme D1 oder der Gesamtsumme der Flächen-Abstands-Quotienten in der Überlappung zwischen jedem der ersten feststehenden Elektrodenbalken 132 und jedem der entsprechenden beweglichen Elektrodenbalken 148, die Korrelation zwischen der Auslenkung entlang der z-Achse und der zweiten Gesamtsumme D2 oder der Gesamtsumme der Flächen-Abstands-Quotienten in der Überlappung zwischem jedem der beweglichen Elektrodenbalken 148 und jedem der entsprechenden zweiten feststehenden Elektrodenbalken 140, und die Korrelation zwischen der Auslenkung entlang der z-Achse und der Differenz ΔD zwischen den Gesamtsummen D1, D2 qualitativ zeigt.
Ein Flächen-Abstands-Quotient wird durch Teilen einer überlappenden Fläche zwischen einem beweglichen Elektrodenbalken 148 und einem entsprechenden feststehenden Elektrodenbalken 132, 140 durch den Abstand zwischen den Balken 148, 132, 140 an der überlappenden Fläche erhalten. Daher wird beispielsweise in dem Zustand von 7 die erste Gesamtsumme D1 durch Addieren des durch Teilen der Fläche der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133a des ersten feststehenden Elektrodenabschnitts durch den ersten Abstand W1 erhaltenen Quotienten zu dem durch Teilen der Fläche der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133b des zweiten feststehenden Elektrodenabschnitts durch den zweiten Abstand W2 erhaltenen Quotienten berechnet. Im übrigen steigt die Kapazität zwischen einem beweglichen Elektrodenbalken 148 und einem entsprechenden feststehenden Elektrodenbalken 132, 140 mit einem Anstieg der entsprechenden Gesamtsumme der Flächen-Abstands-Quotienten grundsätzlich an, wie wohlbekannt ist.
12 ist der durch Simulation erhaltene Graph, welcher die Korrelation zwischen der Auslenkung entlang der z-Achse und der ersten Kapazität C1 oder der Kapazität zwischen jedem der ersten feststehenden Elektrodenbalken 132 und jedem der entsprechenden beweglichen Elektrodenbalken 148, die Korrelation zwischen der Auslenkung entlang der z-Achse und der zweiten Kapazität C2 oder der Kapazität zwischen jedem der beweglichen Elektrodenbalken 148 und jedem der entsprechenden zweiten feststehenden Elektrodenbalken 140 sowie die Korrelation zwischen der Auslenkung entlang der z-Achse und der Differenz ΔC zwischen den Kapazitäten C1, C2 zeigt.
Wenn eine Kraft, welche auf eine physikalische Größe wie etwa eine Beschleunigung bezogen ist, auf das Gewicht 146 des Sensors 101 in 4 in der positiven Richtung der z-Achse wirkt, wird das Gewicht 146 mit Ausdehnungen der Federn 147a, 147b, welche an zwei Seiten des Gewichts 146 befindlich sind, ausgelenkt. Unter der Voraussetzung, daß jeder der beweglichen Elektrodenbalken 148, welche sich aus dem Gewicht 146 heraus erstrecken, in der positiven Richtung der z-Achse um Z1 ausgelenkt wird, wie in 8 gezeigt, würde eine erste Fläche S1 oder die Fläche, bei welcher jede der ersten Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 149a-1 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts und jede der entsprechenden Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 133a des ersten feststehenden Elektrodenabschnitts überlappen, vor und nach der Auslenkung die gleiche bleiben. Das heißt, die erste Fläche S1 ist konstant. Eine zweite Fläche S2 jedoch oder die Fläche, bei welcher jede der ersten Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 149a-1 des ersten beweglichen Elektrodenabschnitts und jede der entsprechenden Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 133b des zweiten feststehenden Elektrodenabschnitts überlappen, würde nach der Auslenkung abnehmen.
Das heißt, wenn die beweglichen Elektroden 148 in der positiven Richtung der z-Achse ausgelenkt werden, nehmen die zweiten Flächen S2 ab, während die ersten Flächen S1 konstant sind. Daher nimmt, wie in 11 gezeigt, die erste Gesamtsumme D11 der ersten Richtung oder die erste Gesamtsumme D1, wenn die beweglichen Elektroden 148 zu der positiven Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden, mit einer ersten Reduktionsrate ab.
Wie in 13 gezeigt, beinhaltet die erste Kapazität C1 eine erste Randkapazität C1a und eine zweite Randkapazität C1b, welche aufgrund des Randeffekts zwischen jedem der ersten feststehenden Elektrodenbalken 132 und jedem der entsprechenden beweglichen Elektrodenbalken 148 ausgebildet werden.
Die erste Gesamtsumme D11 der ersten Richtung nimmt jedoch so steil ab, in anderen Worten, die erste Reduktionsrate ist so hoch, daß auch dann, wenn die ersten und zweiten Randkapazitäten C1a, C1b addiert werden, die Gesamtkapazität C1 abnimmt, wie in 12 gezeigt, wenn die beweglichen Elektroden 148 aus der Ursprungslage vor der Auslenkung, wo die Auslenkung entlang der z-Achse 0 μm beträgt, zu der positiven Richtung entlang der z-Achse hin ausgelenkt werden. Nichtsdestotrotz nimmt, wie in 12 gezeigt, die Gesamtkapazität C1 aufgrund des Beitrags von den Randkapazitäten C1a, C1b etwas allmählicher ab, wenn die Auslenkung klein ist oder wenn die Auslenkung entlang der z-Achse innerhalb des Bereichs von 0 bis 3 μm liegt.
Wenn andererseits die Kraft auf das Gewicht 146 des Sensors 101 in 4 in der negativen Richtung der z-Achse wirkt, wird das Gewicht 146 auch mit Ausdehnungen der Federn 147a, 147b ausgelenkt. Vorausgesetzt, daß jeder der beweglichen Elektrodenbalken 148 in der negativen Richtung entlang der z-Achse um Z2 ausgelenkt wird, wie in 9 gezeigt, nimmt die erste Fläche S1 durch die Auslenkung ab. Die zweite Fläche S2 bleibt jedoch vor und nach der Auslenkung die gleiche. Das heißt, die zweite Fläche S2 ist konstant.
Das heißt, wenn die beweglichen Elektroden 148 in der negativen Richtung der z-Achse ausgelenkt werden, nehmen die ersten Flächen S1 ab, während die zweiten Flächen S2 konstant sind. Daher nimmt, wie in 11 gezeigt, die erste Gesamtsumme D12 der zweiten Richtung oder die erste Gesamtsumme D1, wenn die beweglichen Elektroden 148 zu der negativen Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden, mit einer zweiten Reduktionsrate, welche niedriger als die erste Reduktionsrate ist, ab. Innerhalb eines bestimmten Auslenkungsbereichs würde die erste Kapazität C1 jedoch aufgrund des Beitrags von den Randkapazitäten C1a, C1b ansteigen, wenn die beweglichen Elektroden 148 aus der Ursprungslage vor der Auslenkung, wo die Auslenkung entlang der z-Achse 0 μm beträgt, zu der negativen Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden.
Wenn die Auslenkung zu der negativen Richtung der z-Achse hin einen bestimmten Betrag überschreitet, beginnt die erste Kapazität C1, abzunehmen, weil die Randkapazitäten C1a, C1b beginnen, allmählich abzunehmen. In 12 ist der Auslenkungsbereich in der negativen Richtung der z-Achse nur bis zu –2 μm gezeigt. Wenn jedoch der Betrag der Auslenkung –2 μm in der negativen Richtung zu überschreiten hätte, würde die erste Kapazität C1 einen Maximalwert um –3 μm herum erreichen, und die erste Kapazität C1 würde mit einer Auslenkung weiter zu der negativen Richtung der z-Achse hin beginnen, abzunehmen. In anderen Worten, die erste Kapazität C1 wird in einer Lage, die mit einem Drittel bis zu der Hälfte der dritten Länge T3 (7,5 μm), welche die Länge der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 133b des zweiten feststehenden Elektrodenabschnitts entlang der z-Achse ist, vergleichbar ist, maximiert.
Daher nimmt bei dem Sensor 101 von 4, solange die beweglichen Elektroden 148 zu einer Position ausgelenkt werden, deren Auslenkungswert größer als ungefähr –3 μm ist, die erste Kapazität C1 ab, wenn die beweglichen Elektroden 148 aus der Ursprungslage zu der positiven Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden, während die erste Kapazität C1 ansteigt, wenn die beweglichen Elektroden 148 zu der negativen Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden. Daher ist es möglich, zu erfassen, in welche Richtung entlang der z-Achse die beweglichen Elektroden 148 ausgelenkt werden. Des weiteren nimmt die erste Kapazität C1, wenn die beweglichen Elektroden 148 zu der positiven Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden, grob proportional ab. Wenn die beweglichen Elektroden 148 zu der negativen Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden, nimmt die erste Kapazität C1 grob proportional zu. Daher kann auch der Betrag der physikalischen Größe in gewissem Ausmaß aus dem Betrag der Auslenkung entlang der z-Achse exakt gemessen werden.
Andererseits verhält sich die zweite Gesamtsumme D2 und die zweite Kapazität C2 zwischen jedem der beweglichen Elektrodenbalken 148 und jedem der entsprechenden zweiten feststehenden Elektrodenbalken 140 in umgekehrter Weise wie die erste Gesamtsumme D1 und die erste Kapazität C1. Das heißt, wie in 11 gezeigt, nimmt die zweite Gesamtsumme D21 der ersten Richtung oder die zweite Gesamtsumme D2, wenn die beweglichen Elektroden 148 zu der positiven Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden, mit einer dritten Reduktionsrate ab, die kleiner als eine vierte Reduktionsrate ist, mit welcher die zweite Gesamtsumme D22 der zweiten Richtung oder die zweite Gesamtsumme D2, wenn die beweglichen Elektroden 148 zu der negativen Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden, abnimmt. Des weiteren ist, wie in 11 gezeigt, die erste Reduktionsrate der ersten Gesamtsumme D11 der ersten Richtung größer als die dritte Reduktionsrate der zweiten Gesamtsumme D21 der ersten Richtung. Die zweite Reduktionsrate der ersten Gesamtsumme D12 der zweiten Richtung ist kleiner als die vierte Reduktionsrate der zweiten Gesamtsumme D22 der zweiten Richtung.
Des weiteren nimmt, wie in 12 gezeigt, wenn die beweglichen Elektroden 148 aus der Ursprungslage zu der positiven Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden, die zweite Kapazität C2 zu, wenn die Auslenkung bis auf etwa 3 μm zunimmt. Wenn die Auslenkung in der positiven Richtung der z-Achse 3 μm überschreitet, beginnt die zweite Kapazität C2 abzunehmen. Wenn die beweglichen Elektroden 148 aus der Ursprungslage zu der negativen Richtung entlang der z-Achse ausgelenkt werden, nimmt die zweite Kapazität C2 ab.
Wie in 12 gezeigt, nimmt die Differenz ΔC oder (C1–C2) zwischen der ersten und zweiten Kapazität C1, C2 ab, wenn die beweglichen Elektroden 148 aus der Ursprungslage zu der positiven Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden. Andererseits nimmt die Kapazitätsdifferenz ΔC zu, wenn die beweglichen Elektroden 148 aus der Ursprungslage zu der negativen Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden. Daher ist es möglich, auf der Grundlage dessen, ob die Kapazitätsdifferenz ΔC zunimmt oder abnimmt, zu erfassen, in welcher Richtung entlang der z-Achse die beweglichen Elektroden 148 ausgelenkt werden. Wenn die beweglichen Elektroden 148 aufgrund der auf eine zu messende physikalische Größe bezogenen Kraft zu der positiven Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden, nimmt die Kapazitätsdifferenz ΔC im wesentlichen proportional ab. Andererseits nimmt, wenn die beweglichen Elektroden 148 zu der negativen Richtung der z-Achse hin ausgelenkt werden, die Kapazitätsdifferenz ΔC im wesentlichen proportional zu. Wie in 12 gezeigt, ist die Linearität der Kapazitätsdifferenz ΔC so ausgezeichnet, daß es möglich ist, auf der Grundlage des Betrags der Auslenkung entlang der z-Achse den Betrag der physikalischen Größe mit einer hohen Genauigkeit zu messen.
Im übrigen kann die Kapazitätsdifferenz ΔC unter Verwendung irgendeiner öffentlich bekannten Differentialeinrichtung wie etwa eines Operationsverstärkers oder einer anderen Differentialschaltungen erhalten werden.
Der Grund dafür, daß die Linearität der Kapazitätsdifferenz ΔC ausgezeichnet ist, ist der, daß die Rauschvorgänge in den Kapazitäten C1, C2 kompensiert werden. Zusätzlich werden auch die Randkapazitäten C1a, C1b, welche zum Erfassen der physikalischen Größe durch die erste Kapazität C1 alleine verwendet werden, kompensiert. In anderen Worten, die Kapazitätsdifferenz ΔC entspricht der Differenz ΔD zwischen den Gesamtsummen D1, D2 in 11, wobei weder die Rauschvorgänge noch der Randeffekt in Betracht gezogen werden. In 11 nehmen, wenn die beweglichen Elektroden 148 in irgendeiner der Richtungen entlang der z-Achse ausgelenkt werden, die Gesamtsummen D1, D2 linear oder proportional ab. Daher ändert sich die Differenz ΔD zwischen den Gesamtsummen D1, D2 ebenfalls linear.
Wie in 12 gezeigt, zeigt die Differenz ΔC zwischen den Kapazitäten C1, C2 gemäß der durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführten Simulation eine Nichtlinearität, die 0,07% klein ist, wenn der Auslenkungsbereich der beweglichen Elektroden 148 entlang der z-Achse von –1 μ bis +1 μm verläuft. Hierbei bezieht sich die Nichtlinearität auf das Verhältnis, um welches die Differenz ΔC von einer idealen proportionalen Beziehung oder einer idealen linearen Linie innerhalb des vorgenannten Auslenkungsbereichs abweicht. Zusätzlich kann bei dem Sensor 101 von 4 die physikalische Größe auf der Grundlage der Summe einer Mehrzahl der ersten Kapazitäten C1 oder einer Mehrzahl der zweiten Kapazitäten C2 oder einer Mehrzahl der Kapazitätsdifferenz ΔC erfaßt werden. Daher ist der Sensor 101 von 4 in der Lage, die physikalische Größe mit einer vergleichsweise hohen Empfindlichkeit zu messen.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen der feststehenden Elektrodenbalken 132, 140 und der beweglichen Elektrodenbalken 148, welche zwischen den feststehenden Elektrodenbalken 132, 140 angeordnet sind, beschrieben werden. Zuerst wird, wie in 14 gezeigt, ein SOI-Substrat (Rohsubstrat), welches ein Siliziumsubstrat 120 (Trägerschicht), eine Siliziumoxidschicht 154 (Opferschicht) und eine Siliziumschicht 156 (Elektrodenschicht) enthält, derart ausgebildet, daß die Siliziumoxidschicht 154 zwischen der Siliziumschicht 156 und dem Siliziumsubstrat 120 angeordnet ist.
Als nächstes werden, wie in 15 gezeigt, durch beispielsweise Trockenätzen wie etwa Reactive Ion Etching (RIE) unter Verwendung eines Resists 180 als einer Maske erste vorbestimmte Abschnitte der Siliziumschicht 156 entfernt, um erste Gräben 158, welche sich orthogonal von einer Oberfläche der Siliziumschicht 156 zu der Siliziumoxidschicht 154 hin erstrecken, mit einer Tiefe, die näherungsweise die Hälfte der Dicke der Siliziumschicht 156 beträgt, auszubilden. Als nächstes werden, wie in 16 gezeigt, durch beispielsweise Trockenätzen bis zu näherungsweise der Hälfte der Dicke der Siliziumschicht 156 hinab in einigen Bereichen und bis zu der Siliziumoxidschicht 154 hinab unterhalb der ersten Gräben 158 unter Verwendung eines Resists 190 als einer Maske zweite vorbestimmte Abschnitte der aktiven Siliziumschicht 156 entfernt, um zweite Gräben 160 und dritte Gräben 162, welche sich orthogonal zu der Siliziumoxidschicht 154 hin erstrecken, auszubilden. Mit einem Trockenätzen wie etwa RIE wird die Siliziumschicht 156 leicht in der Richtung orthogonal zu der Oberfläche der Siliziumschicht 156 zu der Siliziumoxidschicht 154 hin anisotropisch geätzt.
Als nächstes wird unter Verwendung beispielsweise einer wäßrigen HF-Lösung die Siliziumoxidschicht 154 bei dem Abschnitt, der zwischen der beweglichen Elektrodeneinheit 142 und dem Siliziumsubstrat 120 angeordnet ist, durch die zweiten Gräben 160 und die dritten Gräben 162 teilweise geätzt. Mit dem teilweisen Ätzen der Siliziumoxidschicht 154 wird der Halbleitersensor einer physikalischen Größe 101, der in 4 gezeigt ist, ausgebildet.
Zweite Ausführungsform
Wie in 17 gezeigt, weist ein Halbleitersensor einer physikalischen Größe 201 gemäß einer zweiten Ausführungsform eine SOI-Struktur auf und ist aus einer aktiven Schicht, einer isolierenden Zwischenschicht und einem Trägersubstrat 220 zusammengesetzt, obwohl die isolierende Zwischenschicht in der Figur nicht dargestellt ist. Die aktive Schicht und das Trägersubstrat 220 sind aus Silizium hergestellt, und die isolierende Zwischenschicht ist aus Siliziumoxid hergestellt.
Wie in 17 gezeigt, beinhaltet die aktive Schicht eine bewegliche Elektrodeneinheit 238, eine erste feststehende Elektrodeneinheit 222, eine zweite feststehende Elektrodeneinheit 230 und eine dritte feststehende Elektrodeneinheit 223. Die bewegliche Elektrodeneinheit 238 befindet sich oberhalb einer Oberfläche 220a des Trägersubstrats 220 und beinhaltet ein erstes Gewicht 244a, ein zweites Gewicht 244b, ein drittes Gewicht 244c, ein viertes Gewicht 244d, eine erste kammförmige bewegliche Elektrode 248a, eine zweite kammförmige bewegliche Elektrode 248b, eine dritte kammförmige bewegliche Elektrode 248c, eine vierte kammförmige bewegliche Elektrode 248d, eine erste Feder 245a, eine zweite Feder 245b, eine dritte Feder 245c, eine vierte Feder 245d, einen ersten Anker 246a, einen zweiten Anker 246b, einen dritten Anker 246c, einen vierten Anker 246d und einen Elektrodenanschluß 240. Die vier Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d sind in der Gestalt eines Kreuzes angeordnet. Jede der beweglichen Elektroden 248a, 248b, 248c, 248d beinhaltet fünf bewegliche Elektrodenbalken 248a, 248b, 248c, 248d. Jede Gruppe der beweglichen Elektrodenbalken 248a, 248b, 248c, 248d erstreckt sich parallel zu der Oberfläche 220a des Trägersubstrats 220 orthogonal aus jedem der entsprechenden Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d heraus.
Jede der Federn 245a, 245b, 245c, 245d besitzt eine gebogene Gestalt und erstreckt sich aus einer Seite jedes der entsprechenden Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d heraus. Obwohl in der Figur nicht gezeigt, sind die Anker 246a, 246b, 246c, 246d auf der isolierenden Zwischenschicht befestigt. Die Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d und die beweglichen Elektroden 248a, 248b, 248c, 248d können entlang den Richtungen, die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche 220a des Trägersubstrats 220 sind, oder entlang der z-Achse von 17 ausgelenkt werden. Obwohl in der Figur nicht gezeigt, sind die feststehenden Elektrodeneinheiten 222, 223, 230 durch die isolierende Zwischenschicht an dem Trägersubstrat 220 befestigt.
In den Figuren, auf welche nachstehend Bezug genommen wird, ist die z-Achse diejenige, welche entlang den Richtungen, die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche 220a des Substrats 220 sind, verläuft. Die x-Achse und die y-Achse sind im wesentlichen parallel zu der Oberfläche 220a des Substrats 220, und die x-Achse und die y-Achse sind im wesentlichen orthogonal zueinander. Die x-, die y- und die z-Achse sind im wesentlichen orthogonal zueinander. Bezüglich der x- und der y-Achse sollen die Richtungen von Pfeilen in 17 die positiven Richtungen sein, und die entgegengesetzten Richtungen sollen die negativen Richtungen sein. Bezüglich der z-Achse ist die positive Richtung diejenige, welche von der Rückseite zu der Vorderseite von 17 verläuft, und die entgegengesetzte Richtung soll die negative Richtung sein.
Die Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d, die beweglichen Elektroden 248a, 248b, 248c, 248d, die Federn 245a, 245b, 245c, 245d werden durch die Anker 246a, 246b, 246c, 246d unterstützt und schweben oberhalb des Trägersubstrats 220. Mit der vorgenannten Struktur können sich die Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d und die beweglichen Elektroden 248a, 248b, 248c, 248d leicht entlang der z-Achse bewegen. Daher ist es nicht notwendigerweise erforderlich, die Länge der Federn 245a, 245b, 245c, 245d entlang der z-Achse kleiner als die Längen entlang der x-Achse und der y-Achse zu machen.
Die erste feststehende Elektrodeneinheit 222 beinhaltet einen feststehenden Abschnitt 226, eine kammförmige feststehende Elektrode 228 und einen Elektrodenanschluß 224. Die zweite feststehende Elektrodeneinheit 230 beinhaltet zwei feststehende Abschnitte 234, 235, zwei kammförmige feststehende Elektroden 236, 237 und einen Elektrodenanschluß 232. Die dritte feststehende Elektrodeneinheit 223 beinhaltet einen feststehenden Abschnitt 227, eine kammförmige feststehende Elektrode 229 und einen Elektrodenanschluß 225. Nachstehend werden die feststehende Elektrode 228 der ersten feststehenden Elektrodeneinheit 222, eine der feststehenden Elektroden 236 der zweiten feststehenden Elektrodeneinheit 230, die feststehende Elektrode 229 der dritten feststehenden Elektrodeneinheit 223 und die andere der feststehenden Elektroden 237 der zweiten feststehenden Elektrodeneinheit 230 jeweils als die erste bis vierte feststehende Elektrode 228, 236, 229, 237 bezeichnet.
Die erste feststehende Elektrode 228 beinhaltet fünf erste feststehende Elektrodenbalken 228, 228a, 228b, welche sich zu der positiven Richtung entlang der y-Achse hin erstrecken. Die erste feststehende Elektrode 228 ist mit der ersten beweglichen Elektrode 248a, welche sich zu der negativen Richtung entlang der y-Achse hin erstreckt, verzahnt. Die zweite feststehende Elektrode 236 beinhaltet fünf zweite feststehende Elektrodenbalken 236, 236a, 236b, welche sich zu der positiven Richtung entlang der x-Achse hin erstrecken. Die zweite feststehende Elektrode 236 ist mit der zweiten beweglichen Elektrode 248b, welche sich zu der negativen Richtung entlang der x-Achse hin erstreckt, verzahnt.
Die dritte feststehende Elektrode 229 beinhaltet fünf dritte feststehende Elektrodenbalken 229, welche sich zu der negativen Richtung entlang der y-Achse hin erstrecken. Die dritte feststehende Elektrode 229 ist mit der dritten beweglichen Elektrode 248c, welche sich zu der positiven Richtung entlang der y-Achse hin erstreckt, verzahnt. Die vierte feststehende Elektrode 237 beinhaltet fünf vierte feststehende Elektrodenbalken 237, welche sich zu der negativen Richtung entlang der x-Achse hin erstrecken. Die vierte feststehende Elektrode 237 ist mit der vierten beweglichen Elektrode 248d, welche sich zu der positiven Richtung entlang der x-Achse hin erstreckt, verzahnt. Obwohl in der Figur nicht dargestellt, schweben die feststehenden Elektroden 228, 229, 236, 237 oberhalb des Trägersubstrats 220.
Mit der Struktur des Sensors 201 in 17 kann eine große Anzahl beweglicher Elektrodenbalken 248a, 248b, 248c, 248d und eine große Anzahl feststehender Elektrodenbalken 228, 228a, 228b, 229, 236, 236a, 236b, 237 in jedes von vier Gebieten, welches durch zwei nebeneinanderliegende Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d im wesentlichen in der Gestalt eines Quadrats definiert ist, gepackt werden. Als ein Ergebnis kann ein kompakter und doch hochempfindlicher Sensor für physikalische Größen verwirklicht werden. Des weiteren sind die Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d und die beweglichen Elektroden 248a, 248b, 248c, 248d im wesentlichen punktsymmetrisch, wie in 17 gezeigt. Daher ist die Auslenkung der Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d und der beweglichen Elektroden 248a, 248b, 248c, 248d vergleichsweise stabil, und eine stabile Empfindlichkeit wird erreicht.
Bei dem Sensor 201 von 17 weisen die erste bewegliche Elektrode 248a und die erste feststehende Elektrode 228 jeweils die gleichen Strukturen wie die dritte bewegliche Elektrode 248c und die dritte feststehende Elektrode 229 auf, und die zweite bewegliche Elektrode 248b und die zweite feststehende Elektrode 236 weisen jeweils die gleichen Strukturen auf wie die vierte bewegliche Elektrode 248d und die vierte feststehende Elektrode 237 auf. Daher werden die Strukturen der beweglichen Elektroden 248a, 248b, 248c, 248d und der feststehenden Elektroden 228, 229, 236, 237 unter Verwendung eines der ersten beweglichen Elektrodenbalken 248a, eines der zweiten beweglichen Elektrodenbalken 248b, zweier der ersten feststehenden Elektrodenbalken 228a, 228b und zweier der zweiten feststehenden Elektrodenbalken 236a, 236b beschrieben werden.
Wie in 18A gezeigt, weisen die zwei ersten feststehenden Elektrodenbalken 228a, 228b jeweils Substratgegenüberstellungsoberflächen 227a, 227b des ersten feststehenden Elektrodenbalkens auf, und der erste bewegliche Elektrodenbalken 248a weist eine Substratgegenüberstellungsoberfläche 247a des ersten beweglichen Elektrodenbalkens auf. Die Substratgegenüberstellungsoberflächen 227a, 227b des ersten feststehenden Elektrodenbalkens und die Substratgegenüberstellungsoberfläche 247a des ersten beweglichen Elektrodenbalkens sind eben und stehen der Substratoberfläche 220a parallel gegenüber. Des weiteren sind die Substratgegenüberstellungsoberflächen 227a, 227b, 247a im wesentlichen auf demselben Niveau entlang der z-Achse angeordnet, bevor die erste bewegliche Elektrode 248a ausgelenkt wird.
Wie in 18A gezeigt, weisen die zwei feststehenden Elektrodenbalken 228a, 228b jeweils Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 229a, 229b des ersten feststehenden Elektrodenbalkens auf, und der erste bewegliche Elektrodenbalken 248a weist eine erste Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249a-1 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens und eine zweite Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249a-2 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens auf. Die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 229a, 229b, 249a-1, 249a-2 sind im wesentlichen rechteckig, parallel zu der z-Achse und eben. Die Oberflächen auf beiden Seiten jeder der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 229a, 229b, 249a-1, 249a-2 sind ebenfalls im wesentlichen parallel zu der z-Achse.
Jede der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 229a, 229b des ersten feststehenden Elektrodenbalkens weist eine erste Länge T5, welche speziell 7,5 μm beträgt, entlang der z-Achse auf. Die erste Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249a-1 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens und die zweite Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249a-2 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens weisen eine zweite Länge T6, welche speziell 15 μm beträgt, entlang der z-Achse auf. Das heißt, die erste Länge T5 beträgt eine Hälfte der zweiten Länge T6. Ein erster Abstand W5 oder der Abstand zwischen der ersten Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249a-1 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens und der entsprechenden Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 229a des ersten feststehenden Elektrodenbalkens beträgt 3 μm. Der Abstand zwischen der zweiten Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249a-2 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens und der entsprechenden Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 229b des ersten feststehenden Elektrodenbalkens ist der gleiche wie der erste Abstand W5.
Wie in 18B gezeigt, weisen die zwei feststehenden Elektrodenbalken 236a, 236b jeweils Substratgegenüberstellungsoberflächen 235a, 235b des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens auf, und der zweite bewegliche Elektrodenbalken 248b weist eine Substratgegenüberstellungsoberfläche 247b des zweiten beweglichen Elektrodenbalkens auf. Die Substratgegenüberstellungsoberflächen 235a, 235b des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens und die Substratgegenüberstellungsoberfläche 247b des zweiten beweglichen Elektrodenbalkens sind eben und stehen der Substratoberfläche 220a parallel gegenüber. Des weiteren sind die Substratgegenüberstellungsoberflächen 235a, 235b, 247b im wesentlichen auf demselben Niveau entlang der z-Achse angeordnet, bevor die zweite bewegliche Elektrode 248b ausgelenkt wird.
Wie in 18B gezeigt, weisen die zweiten feststehenden Elektrodenbalken 236a, 236b jeweils Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 239a, 239b des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens auf, und der zweite bewegliche Elektrodenbalken 248b weist eine erste Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249b-1 des zweiten beweglichen Elektrodenbalkens und eine zweite Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249b-2 des zweiten beweglichen Elektrodenbalkens auf. Die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 239a, 239b, 249b-1, 249b-2 sind im wesentlichen rechteckig, parallel zu der z-Achse und eben. Die Oberflächen auf beiden Seiten jeder der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 239a, 239b, 249b-1, 249b-2 sind ebenfalls im wesentlichen parallel zu der z-Achse.
Jede der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 239a, 239b des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens weist eine dritte Länge T7, welche speziell 15 μm beträgt, entlang der z-Achse auf. Die erste Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249b-1 des zweiten beweglichen Elektrodenbalkens und die zweite Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249b-2 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens weisen eine vierte Länge T8, welche speziell 7,5 μm beträgt, entlang der z-Achse auf. Das heißt, die vierte Länge T8 beträgt die Hälfte der dritten Länge T7.
Ein sechster Abstand W6 oder der Abstand zwischen der ersten Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249b-1 des zweiten beweglichen Elektrodenbalkens und der entsprechenden Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 239a des ersten feststehenden Elektrodenbalkens beträgt 3 μm. Das heißt, der zweite Abstand W6 ist gleich dem ersten Abstand W5. Der Abstand zwischen der zweiten Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249b-2 des zweiten beweglichen Elektrodenbalkens und der entsprechenden Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 239b des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens ist der gleiche wie der sechste Abstand W6.
Obwohl in der Figur nicht dargestellt, weist einer der ersten feststehenden Elektrodenbalken 228a eine weitere Elektrodengegenüberstellungsoberfläche auf, welche einer der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 229a des ersten feststehenden Elektrodenbalkens gegenüberliegt, und einer der zweiten feststehenden Elektrodenbalken 236a weist eine weitere Elektrodengegenüberstellungsoberfläche auf, welche einer der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen 239a des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens gegenüberliegt.
Wie in 17 gezeigt, weisen drei bewegliche Elektrodenbalken jeder der beweglichen Elektroden 248a, 248b, 258c, 248d jeweils zwei Elektrodengegenüberstellungsoberflächen auf, und das gleiche gilt für drei feststehende Elektrodenbalken jeder der feststehenden Elektroden 228, 229, 236, 237. Daher ist der Sensor 201 von 17 vergleichsweise kompakt mit einer vergleichsweise hohen Gesamtkapazität und einer hohen Empfindlichkeit.
Als nächstes wird die Betriebsweise des Halbleitersensors für physikalische Größen 201 von 17 unter Verwendung eines der ersten feststehenden Elektrodenbalken 248a, eines der zweiten beweglichen Elektrodenbalken 248b, zweier der ersten beweglichen Elektrodenbalken 228a, 228b und zweier der zweiten Elektrodenbalken 236a, 236b im Detail beschrieben werden.
Wenn eine Kraft, welche auf eine physikalische Größe wie etwa eine Beschleunigung bezogen ist, auf jedes der Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d des Sensors 201 in 17 in der positiven Richtung entlang der z-Achse wirkt, wird jedes der Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d unter Ausdehnung der Federn 245a, 245b, 245c, 245d, von denen jede an dem Ende jedes der entsprechenden Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d befindlich ist, ausgelenkt. Vorausgesetzt, daß der erste bewegliche Elektrodenbalken 248a in der positiven Richtung entlang der z-Achse um Z3 ausgelenkt wird, wie in 19A gezeigt, nimmt eine dritte Fläche S3 oder die Fläche, bei welcher die erste Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249a-1 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens und die entsprechende Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 229a des ersten feststehenden Elektrodenbalkens überlappen, ab. Die Fläche, bei welcher die zweite Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249a-2 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens und die entsprechende Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 229b des ersten feststehenden Elektrodenbalkens überlappen, ist der dritten Fläche S3 gleich und ändert sich in gleicher Weise. Daher nimmt die Reduktionsrate des Flächen-Abstands-Quotienten (S3/W5) einen positiven Wert an.
Auf der anderen Seite wird, wenn die Kraft auf jedes der Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d des Sensors 201 in 17 in der negativen Richtung entlang der z-Achse wirkt, jedes der Gewichte 244a, 244b, 244c, 244d ebenfalls unter Ausdehnung der Federn 245a, 245b, 245c, 245d ausgelenkt. Unter der Voraussetzung, daß jeder der beweglichen Elektrodenbalken 248a der beweglichen Elektrode 248b in der negativen Richtung entlang der z-Achse um Z4 ausgelenkt wird, wie in 20A gezeigt, bleibt eine vierte Fläche S4 oder die Fläche, bei welcher die erste Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249a-1 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens und die entsprechende Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 229a des ersten feststehenden Elektrodenbalkens überlappen, vor und nach der Auslenkung die gleiche. Das heißt, die vierte Fläche S4 ist konstant. Die Fläche, bei welcher die zweite Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249a-1 des ersten beweglichen Elektrodenbalkens und die entsprechende Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 229b des ersten feststehenden Elektrodenbalkens überlappen, ist gleich der vierten Fläche S4 und ändert sich in gleicher Weise. Daher wird die Reduktionsrate des Flächen-Abstands-Quotienten (S4/W5) Null.
Wenn die erste bewegliche Elektrode 248a zu der positiven Richtung entlang der z-Achse hin ausgelenkt wird, nimmt eine dritte Kapazität C3 oder die Kapazität zwischen dem ersten beweglichen Elektrodenbalken 248a und dem entsprechenden ersten feststehenden Elektrodenbalken 228a ab, selbst wenn die Randkapazität aufgrund des Randeffekts hinzugefügt wird, und das gleiche gilt für eine andere dritte Kapazität C3 oder die Kapazität zwischen dem ersten beweglichen Elektrodenbalken 248a und dem entsprechenden ersten feststehenden Elektrodenbalken 228b. Wenn andererseits die erste bewegliche Elektrode 248a zu der negativen Richtung entlang der z-Achse hin ausgelenkt wird, nehmen die dritten Kapazitäten C3 aufgrund der Randkapazität zu, solange der Betrag der Auslenkung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Mit dem vorgenannten Mechanismus ist es möglich, auf der Grundlage der Zunahme und der Abnahme der dritten Kapazitäten C3 zu erfassen, in welcher Richtung entlang der z-Achse die erste bewegliche Elektrode 248a ausgelenkt wird. Des weiteren nehmen, wenn die erste bewegliche Elektrode 248a zu der positiven Richtung entlang der z-Achse hin unter der Kraft ausgelenkt wird, die dritten Kapazitäten C3 grob proportional ab. Zusätzlich nehmen, wenn die erste bewegliche Elektrode 248a zu der negativen Richtung entlang der z-Achse ausgelenkt wird, die dritten Kapazitäten C2 grob proportional zu, solange der Betrag der Auslenkung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Als ein Ergebnis kann der Betrag der physikalischen Größe aus dem Auslenkungsbetrag entlang der z-Achse in gewissem Ausmaß exakt gemessen werden.
Andererseits verhalten sich der Flächen-Abstands-Quotient zwischen der ersten Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 249b-1 des zweiten beweglichen Elektrodenbalkens und der entsprechenden Elektrodengegenüberstellungsoberfläche 239a des zweiten feststehenden Elektrodenbalkens und eine vierte Kapazität C4 oder die Kapazität zwischen dem zweiten beweglichen Elektrodenbalken 248b und dem entsprechenden zweiten feststehenden Elektrodenbalken 236a in entgegengesetzter Weise, wie der Flächen-Abstands-Quotient zwischen dem ersten beweglichen Elektrodenbalken 248a und dem entsprechenden ersten feststehenden Elektrodenbalkens 228a und die dritte Kapazität C3 dies jeweils tun.
Daher nimmt, wie bei dem Sensor 101 von 4, die Differenz ΔC oder (C3–C4) zwischen der dritten und vierten Kapazität C3, C4 ab, wenn die ersten und zweiten beweglichen Elektroden 248a, 248b aus der Ursprungslage zu der positiven Richtung entlang der z-Achse hin verschoben werden. Andererseits würde die Kapazitätsdifferenz ΔC ansteigen, wenn die ersten und zweiten beweglichen Elektroden 248a, 248b aus der Ursprungslage zu der negativen Richtung entlang der z-Achse hin verschoben werden. Aus diesem Grund ist es möglich, auf der Grundlage dessen, ob die Kapazitätsdifferenz ΔC zunimmt oder abnimmt, zu erfassen, in welcher Richtung entlang der z-Achse die beweglichen Elektroden 248a, 248b ausgelenkt werden.
Wenn die beweglichen Elektroden 248a, 248b aufgrund der auf die zu messende physikalische Größe bezogenen Kraft zu der positiven Richtung entlang der z-Achse hin ausgelenkt werden, nimmt die Kapazitätsdifferenz ΔC im wesentlichen proportional ab. Wenn andererseits die beweglichen Elektroden 248a, 248b zu der negativen Richtung entlang der z-Achse hin verschoben werden, nimmt die Kapazitätsdifferenz ΔC im wesentlichen proportional zu. Die Linearität der Kapazitätsdifferenz ΔC ist so ausgezeichnet, daß es möglich ist, den Betrag der physikalischen Größe mit einer hohen Genauigkeit auf der Grundlage des Betrags der Auslenkung entlang der z-Achse zu messen.
Gemäß der durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführten Simulation zeigt die dritte Kapazität C3 und die Differenz ΔC zwischen den Kapazitäten C3, C4 eine Nichtlinearität, die 8,3% klein ist, und eine Nichtlinearität, die 0,7% klein ist, wenn der Auslenkungsbereich der beweglichen Elektroden 248a, 248b entlang der z-Achse von –1 μm bis +1 μm verläuft.
Als nächstes wird eine Mehrzahl von Verfahren zum Herstellen der beweglichen Elektrodenbalken 248a, 248b, 248c, 248d und der feststehenden Elektrodenbalken 228, 228a, 228b, 229, 236, 236a, 236b, 237 unter Verwendung eines der zweiten beweglichen Elektrodenbalken 248b und zweier der zweiten Elektrodenbalken 236a, 236b, welche in 18B gezeigt sind, beschrieben. Wie in den 21 bis 23 gezeigt, werden die Elektrodenbalken 248b, 236a, 236b aus einer Siliziumschicht 250 ausgebildet. Obwohl in der Figur nicht dargestellt, befindet sich die Siliziumschicht 250 auf einer Seite eines SOI-Substrats.
In einem ersten Verfahren, wie in 21 gezeigt, werden erste entfernte Abschnitte 252a, 252b (erster vorbestimmter Abschnitt) durch beispielsweise Trockenätzen unter Verwendung eines Resists als einer Maske gleichzeitig wegentfernt. Dann werden unter Verwendung wieder eines Resists als einer Maske ein zweiter entfernter Abschnitt 254a und dritte entfernte Abschnitte 254b, 254c (zweiter vorbestimmter Abschnitt) durch beispielsweise Trockenätzen gleichzeitig wegentfernt.
In einem zweiten Verfahren, wie in 22 gezeigt, wird ein vierter entfernter Abschnitt 256a (erster vorbestimmter Abschnitt) durch beispielsweise Trockenätzen unter Verwendung eines Resists als einer Maske wegentfernt. Dann werden unter Verwendung wieder eines Resists als einer Maske fünfte entfernte Abschnitte 258a, 258b (zweiter vorbestimmter Abschnitt) durch beispielsweise Trockenätzen gleichzeitig wegentfernt.
In einem dritten Verfahren, wie in 23 gezeigt, werden sechste entfernte Abschnitte 262a, 262b (erster vorbestimmter Abschnitt) durch beispielsweise Trockenätzen unter Verwendung eines Resists als einer Maske gleichzeitig wegentfernt. Dann wird unter Verwendung wieder eines Resists als einer Maske ein siebenter entfernter Abschnitt 260 (zweiter vorbestimmter Abschnitt) durch beispielsweise Trockenätzen wegentfernt. Alternativ kann der siebente entfernte Abschnitt 260 vor dem Entfernen der sechsten entfernten Abschnitte 262a, 262b entfernt werden.
Dritte Ausführungsform
Wie in 24 gezeigt, weist ein optischer Halbleiterspiegel 301 gemäß einer dritten Ausführungsform eine SOI-Struktur auf und ist aus einer aktiven Schicht, einer isolierenden Zwischenschicht 354 und einem Trägersubstrat 320 aufgebaut. Die aktive Schicht und das Trägersubstrat 320 sind aus Silizium hergestellt, und die isolierende Zwischenschicht 354 ist aus Siliziumoxid hergestellt.
Wie in 24 gezeigt, beinhaltet die aktive Schicht eine bewegliche Elektrodeneinheit 338, eine erste feststehende Elektrodeneinheit 322 und eine zweite feststehende Elektrodeneinheit 330. Die bewegliche Elektrodeneinheit 338 befindet sich oberhalb einer Oberfläche 320a des Trägersubstrats 320 und beinhaltet ein Gewicht 344, eine erste kammförmige bewegliche Elektrode 348a, eine zweite kammförmige bewegliche Elektrode 348b, einen ersten Verbindungsbalken 345a, einen zweiten Verbindungsbalken 345b, einen ersten Anker 346a und einen zweiten Anker 346b. Das Gewicht 344 beinhaltet eine Oberfläche 344a, welche als ein optischer Spiegel fungiert. Obwohl in der Figur nicht dargestellt, beinhaltet die bewegliche Elektrodeneinheit 338 ebenfalls einen Elektrodenanschluß zur elektrischen Verbindung. Die erste bewegliche Elektrode 348a beinhaltet fünf erste bewegliche Elektrodenbalken 348a. Die zweite bewegliche Elektrode 348b beinhaltet fünf zweite bewegliche Elektrodenbalken 348b. Jede Gruppe der beweglichen Elektrodenbalken 348a, 348b erstreckt sich aus dem Gewicht 344 heraus parallel zu der Oberfläche 320a des Trägersubstrats 320. Die Verbindungsbalken 345a, 345b erstrecken sich aus dem Gewicht 344 heraus parallel zu der Oberfläche 320a des Trägersubstrats 320 und befinden sich auf der gleichen Achse.
Jeder der Verbindungsbalken 345a, 345b ist mit dem Gewicht 344 und dem entsprechenden Anker 346a, 346b verbunden. Jeder der Anker 346a, 346b ist auf der isolierenden Zwischenschicht 354 befestigt. Das Gewicht 344 und die beweglichen Elektroden 348a, 348b können um die Achse herum, auf welcher sich die Verbindungsbalken 345a, 345b befinden, drehend ausgelenkt werden. Die feststehenden Elektrodeneinheiten 322, 330 sind an dem Trägersubstrat 320 durch die isolierende Zwischenschicht 354 befestigt.
Die erste feststehende Elektrodeneinheit 322 beinhaltet eine kammförmige erste feststehende Elektrode 358, welche oberhalb des Trägersubstrats 320 schwebt. Die zweite feststehende Elektrodeneinheit 330 beinhaltet eine kammförmige zweite feststehende Elektrode 336, welche oberhalb des Trägersubstrats 320 schwebt. Obwohl in der Figur nicht dargestellt, beinhaltet jede der feststehenden Elektrodeneinheiten 322, 330 ebenfalls einen Elektrodenanschluß zur elektrischen Verbindung. Die erste feststehende Elektrode 358 beinhaltet fünf erste feststehende Elektrodenbalken 358, welche sich parallel zu der Oberfläche 320a des Trägersubstrats 320 erstrecken. Die erste feststehende Elektrode 358 ist mit der ersten beweglichen Elektrode 348a verzahnt. Die zweite feststehende Elektrode 336 beinhaltet fünf zweite feststehende Elektrodenbalken 336. Die zweite feststehende Elektrode 336 ist mit der zweiten beweglichen Elektrode 348b verzahnt.
Die strukturelle Beziehung zwischen den ersten beweglichen Elektrodenbalken 348a und den ersten feststehenden Elektrodenbalken 358 ist ähnlich der zwischen den ersten beweglichen Elektrodenbalken 248a und den ersten feststehenden Elektrodenbalken 228, 228a, 228b von 17, deren Struktur in 18A gezeigt ist. Andererseits ist die strukturelle Beziehung zwischen den zweiten beweglichen Elektrodenbalken 348b und den zweiten feststehenden Elektrodenbalken 336 ähnlich der zwischen den zweiten beweglichen Elektrodenbalken 248b und den zweiten feststehenden Elektrodenbalken 236, 236a, 236b von 17, deren Struktur in 18B gezeigt ist.
Mit der obigen Elektrodenbalkenstruktur werden die zwei Elektroden 348a, 358 elektrostatisch angezogen, wenn eine Potentialdifferenz zwischen der ersten beweglichen Elektrode 348a und der ersten feststehenden Elektrode 358 angelegt wird. Zusätzlich nötigt die auf die ersten beweglichen Elektrodenbalken 348a wirkende elektrostatische Anziehung die ersten beweglichen Elektrodenbalken 348a, sich aus der Ursprungslage zu der Oberfläche 320a hin zu bewegen. Wenn andererseits eine Potentialdifferenz zwischen der zweiten beweglichen Elektrode 348b und der zweiten feststehenden Elektrode 336 angelegt wird, werden die zwei Elektroden 348b, 336 elektrostatisch angezogen. Zusätzlich nötigt die auf die zweiten beweglichen Elektrodenbalken 348b wirkende elektrostatische Anziehung die zweiten beweglichen Elektrodenbalken 348b, sich aus der Ursprungslage von der Oberfläche 320a weg zu bewegen.
Daher ist es möglich, den Winkel der Oberfläche 344a, welche als ein optischer Spiegel fungiert, durch Steuern der Potentialdifferenz, welche zwischen der ersten beweglichen Elektrode 348a und der ersten feststehenden Elektrode 358 oder zwischen der zweiten beweglichen Elektrode 348b und der zweiten feststehenden Elektrode 336 angelegt wird, beliebig einzustellen.
Vierte Ausführungsform
Wie in 25 gezeigt, weist ein Halbleitergyroskop vom Vibrationstyp 401 gemäß einer vierten Ausführungsform eine SOI-Struktur auf und ist aus einer aktiven Schicht, einer isolierenden Zwischenschicht 454 und einem Trägersubstrat 420 aufgebaut. Die aktive Schicht und das Trägersubstrat 420 sind aus Silizium hergestellt, und die isolierende Zwischenschicht 454 ist aus Siliziumoxid hergestellt.
Wie in 25 gezeigt, beinhaltet die aktive Schicht eine bewegliche Elektrodeneinheit 438, eine erste feststehende Elektrodeneinheit 422 und eine zweite feststehende Elektrodeneinheit 430 sowie eine dritte Elektrodeneinheit 423. Die bewegliche Elektrodeneinheit 438 befindet sich oberhalb der Oberfläche 420a des Trägersubstrats 420 und beinhaltet ein Gewicht 444, eine erste kammförmige bewegliche Elektrode 448a, eine zweite kammförmige bewegliche Elektrode 448b, eine dritte kammförmige bewegliche Elektrode 448c, einen ersten Verbindungsbalken 445a, einen zweiten Verbindungsbalken 445b, einen dritten Verbindungsbalken 445c, einen vierten Verbindungsbalken 445d, einen ersten Anker 446a, einen zweiten Anker 446b, einen dritten Anker 446c und einen vierten Anker 446d. Obwohl in der Figur nicht dargestellt, beinhaltet die bewegliche Elektrodeneinheit 438 ebenfalls einen Elektrodenanschluß zur elektrischen Verbindung. Die erste bewegliche Elektrode 448a beinhaltet fünf erste Elektrodenbalken 448a. Die zweite bewegliche Elektrode 448b beinhaltet fünf zweite bewegliche Elektrodenbalken 448b. Die dritte bewegliche Elektrode 448c beinhaltet zehn dritte bewegliche Elektrodenbalken 448c. Jede Gruppe der beweglichen Elektrodenbalken 448b, 448b, 448c erstreckt sich aus dem Gewicht 444 heraus parallel zu der Oberfläche 420a des Trägersubstrats 420.
Der Verbindungsbalken 445a, 445b, 445c, 445d sind im wesentlichen parallel zueinander, und jeder der Verbindungsbalken 445a, 445b, 445c, 445d ist mit dem Gewicht 444 und dem entsprechenden Anker 446a, 446b, 446c, 446d verbunden. Jeder der Anker 446a, 446b, 446c, 446d ist auf der isolierenden Zwischenschicht 454 befestigt. Das Gewicht 444 und die beweglichen Elektroden 448a, 448b, 448c können sich orthogonal und parallel zu der Substratoberfläche 420a bewegen. Die feststehenden Elektrodeneinheiten 422, 430, 423 sind mit dem Trägersubstrat 420 durch die isolierende Zwischenschicht 454 befestigt.
Die erste feststehende Elektrodeneinheit 422 beinhaltet eine kammförmige erste feststehende Elektrode 428, welche oberhalb des Trägersubstrats 420 schwebt. Die zweite feststehende Elektrodeneinheit 430 beinhaltet eine kammförmige zweite feststehende Elektrode 436, welche oberhalb des Trägersubstrats 420 schwebt. Die dritte feststehende Elektrodeneinheit 423 beinhaltet eine kammförmige zweite feststehende Elektrode 438, welche oberhalb des Trägersubstrats 420 schwebt. Obwohl in der Figur nicht dargestellt, beinhaltet jede der feststehenden Elektrodeneinheiten 422, 430, 423 ebenfalls einen Elektrodenanschluß zur elektrischen Verbindung. Die erste feststehende Elektrode beinhaltet fünf erste feststehende Elektrodenbalken 428, welche sich parallel zu der Oberfläche 420a des Trägersubstrats 420 erstrecken. Die erste feststehende Elektrode 428 ist mit der ersten beweglichen Elektrode 448a verzahnt. Die zweite feststehende Elektrode 436 beinhaltet fünf zweite feststehende Elektrodenbalken 436. Die zweite feststehende Elektrode 436 ist mit der zweiten beweglichen Elektrode 448b verzahnt. Die dritte feststehende Elektrode 438 beinhaltet elf dritte feststehende Elektrodenbalken 438. Die dritte feststehende Elektrode 438 ist mit der dritten beweglichen Elektrode 448c verzahnt.
Die strukturelle Beziehung zwischen den ersten beweglichen Elektrodenbalken 448a und den ersten feststehenden Elektrodenbalken 428 ist der zwischen den ersten beweglichen Elektrodenbalken 248a und den ersten feststehenden Elektrodenbalken 228, 228a, 228b von 17, deren Struktur in 18A gezeigt ist, ähnlich. Andererseits ist die strukturelle Beziehung zwischen den zweiten beweglichen Elektrodenbalken 448b und den zweiten feststehenden Elektrodenbalken 436 ähnlich der zwischen den zweiten beweglichen Elektrodenbalken 248b und den zweiten feststehenden Elektrodenbalken 236, 236a, 236b von 17, deren Struktur in 18B gezeigt ist.
Mit der vorgenannten Elektrodenbalkenstruktur werden, wenn eine Potentialdifferenz zwischen der ersten beweglichen Elektrode 448a und der ersten feststehenden Elektrode 428 angelegt wird, die zwei Elektroden 448a, 428 elektrostatisch angezogen. Zusätzlich nötigt die auf die ersten beweglichen Elektrodenbalken 448a wirkende elektrostatische Anziehung die ersten beweglichen Elektrodenbalken 448a, sich aus der Ursprungslage zu der Oberfläche 420a hin zu bewegen. Andererseits werden, wenn eine Potentialdifferenz zwischen der zweiten beweglichen Elektrode 448b und der zweiten feststehenden Elektrode 436 angelegt wird, die zwei Elektroden 448b, 436 elektrostatisch angezogen. Zusätzlich nötigt die auf die zweiten beweglichen Elektrodenbalken 448b wirkende elektrostatische Anziehung die zweiten beweglichen Elektrodenbalken 448b, sich aus der Ursprungslage von der Oberfläche 420a weg zu bewegen.
Daher ist es möglich, das Gewicht 444 mit den ersten und zweiten Elektroden 448a, 448b entlang den zu der Substratoberfläche 420a im wesentlichen orthogonalen Richtungen zum Schwingen zu bringen, indem die Potentialdifferenzen, die zwischen der ersten beweglichen Elektrode 448a und der ersten feststehenden Elektrode 428 und zwischen der zweiten beweglichen Elektrode 448b und der zweiten feststehenden Elektrode 436 angelegt werden, gesteuert werden.
Falls das Gyroskop 401 um eine Achse, welche parallel zu der Oberfläche 420a des Trägersubstrats 420 und orthogonal zu den Längsrichtungen der Elektrodenbalken 448a, 448b, 428, 436 ist, gedreht wird, während das Gewicht 444 entlang den zu der Substratoberfläche 420a in 25 im wesentlichen orthogonalen Richtungen zum Schwingen gebracht wird, wird in dem Gewicht 444 aufgrund einer Coriolis-Kraft eine andere Schwingung im wesentlichen entlang den Längsrichtungen der Elektrodenbalken 448a, 448b, 428, 436 erzeugt. Die Schwingung aufgrund der Coriolis-Kraft oszilliert die Kapazität zwischen der dritten feststehenden Elektrode 438 und der dritten beweglichen Elektrode 448c. Die Kapazitätsoszillation kann durch ein beliebiges öffentlich bekanntes Verfahren erfaßt werden. Daher ist es möglich, die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Gyroskops 401 auf der Grundlage der Kapazitätsoszillation zu messen.
Die Sensoren 101, 201, der optische Spiegel 301 und das Gyroskop 401 sind lediglich Beispiele und schränken den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht ein. Die vorliegende Erfindung kann auf Variationen der Sensoren 101, 201, des optischen Spiegels 301 und des Gyroskops 401, die oben beschrieben sind, und daran angestellte Modifizierungen angewendet werden.
Zum Beispiel sind, obwohl die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen der beweglichen Elektroden und der feststehenden Elektroden bei den Sensoren 101, 201, dem optischen Spiegel 301 und dem Gyroskop 401 rechteckig sind, wie vertretungsweise in 10 gezeigt, die Formen der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen ganz selbstverständlich nicht auf ein Rechteck beschränkt. Zum Beispiel können die Formen der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen dreieckig sein, und eine Seite des Dreiecks kann parallel zu der Substratoberfläche sein. Alternativ können die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen der beweglichen Elektroden umgekehrt-T-förmig sein.
Obwohl die beweglichen Elektroden und die feststehenden Elektroden in den Sensoren 101, 201, dem optischen Spiegel 301 und dem Gyroskop 401 aus einkristallinem Silizium hergestellt sind, können die Elektroden aus anderen Materialien wie etwa polykristallinem Silizium hergestellt sein.
Die vorliegende Erfindung ist auf kapazitive Vorrichtungen, welche wenigstens ein Paar von Elektroden beinhalten, die dazwischen eine Kapazität ausbilden, breit anwendbar.

Claims

Kapazitive Vorrichtung (101, 201, 301, 401), welche aufweist: ein Substrat (120, 220, 320, 420); eine bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a), welche sich oberhalb einer Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) befindet und bezüglich des Substrats (120, 220, 320, 420) entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche (120a, 220a, 320a, 420a) sind, beweglich ist, wobei die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a) eine Substratgegenüberstellungsoberfläche (147a, 147b, 247a), bei welcher die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a) der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) gegenüberliegt, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (149a-1, 249a-1) beinhaltet; und eine feststehende Elektrode (132, 228a, 328, 428), welche bezüglich des Substrats (120, 220, 320, 420) ortsfest ist, wobei die feststehende Elektrode (132, 228a, 328, 428) eine Substratgegenüberstellungsoberfläche (131a, 131b, 227a), bei welcher die feststehende Elektrode (132, 228a, 328, 428) der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) gegenüberliegt, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (133a, 133b, 229a) beinhaltet, wobei die Substratgegenüberstellungsoberflächen (147a, 147b, 247a, 131a, 131b, 227a) im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats sind, wobei die Substratgegenüberstellungsoberflächen (147a, 147b, 247a, 131a, 131b, 227a) im wesentlichen eben sind und sich im wesentlichen auf dem gleichen Niveau entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) sind, befinden, bevor die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a) ausgelenkt wird, wobei die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (149a-1, 249-1, 133a, 133b, 229a) einander gegenüberstehen und im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) sind, wobei, wenn die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a) in einer ersten Richtung, die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) ist, ausgelenkt wird, die Gesamtsumme von Flächen-Abstands-Quatienten (D1) in einer Überlappung zwischen den Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (149a-1, 249a-1, 133a, 133b, 229a) im wesentlichen unverändert bleibt oder abnimmt, um eine erste Reduktionsrate, welche im wesentlichen Null oder größer ist, bereitzustellen, wobei, wenn die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a) in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung im wesentlichen entgegengesetzt ist, ausgelenkt wird, die Gesamtsumme von Flächen-Abstands-Quotienten (D2) im wesentlichen unverändert bleibt oder abnimmt, um eine zweite Reduktionsrate, welche im wesentlichen Null oder größer ist, bereitzustellen, und wobei die Reduktionsraten voneinander verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (149a-1) im wesentlichen eben ist, wobei die andere der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (133a, 133b) eine erste ebene Oberfläche (133a) und eine zweite ebene Oberfläche (133b) beinhaltet, wobei die ebenen Oberflächen (133a, 133b) im wesentlichen eben sind, wobei die erste ebene Oberfläche (133a) weiter von der Oberfläche des Substrats (120a) entfernt befindlich ist, als es die zweite ebene Oberfläche (133b) ist, und wobei die erste ebene Oberfläche (133a) weiter von der einen der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (149a-1) entfernt befindlich ist, als es die zweite ebene Oberfläche (133b) ist.
Kapazitive Vorrichtung (101, 201) gemäß Anspruch 1, wobei die bewegliche Elektrode (148, 248a) im Ansprechen auf eine auf die bewegliche Elektrode (148, 248a) ausgeübte Trägheitskraft ausgelenkt wird, um eine Kapazität (C1, C3), welche zwischen der beweglichen Elektrode (148, 248a) und der feststehenden Elektrode (132, 228a) ausgebildet ist, zu verändern, wobei die Trägheitskraft mit einer physikalischen Größe korreliert ist, die durch die kapazitive Vorrichtung (101, 201) zu erfassen ist, und wobei die physikalische Größe auf der Grundlage der Kapazität (C1, C3) erfaßt wird.
Kapazitive Vorrichtung (301) gemäß Anspruch 1, welche weiter aufweist: ein Gewicht (344), welches eine Oberfläche (344a) beinhaltet, die als ein optischer Spiegel fungiert, wobei sich die bewegliche Elektrode (348a) aus dem Gewicht (344) heraus erstreckt; und ein Paar von Verbindungsbalken (345a, 345b), welche sich aus dem Gewicht (344) heraus parallel zu der Oberfläche des Substrate (320a) erstrecken und auf der gleichen Achse befinden, wobei die bewegliche Elektrode (348a) um die Achse herum, auf welcher sich die Verbindungsbalken (345a, 345b) befinden, im Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft, welche durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der beweglichen Elektrode (348a) und der feststehenden Elektrode (328) erzeugt wird, drehend ausgelenkt wird, um einen Winkel der Oberfläche (320a), die als der optische Spiegel fungiert, einzustellen.
Kapazitive Vorrichtung (401) gemäß Anspruch 1, welche weiter eine Schwingungserfassungseinrichtung aufweist, wobei die bewegliche Elektrode (448a) entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (420a) sind, unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft, welche durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der beweglichen Elektrode (448a) und der feststehenden Elektrode (428) erzeugt wird, zum Schwingen gebracht wird, wobei, wenn die kapazitive Vorrichtung (401) um eine Achse parallel zu der Oberfläche des Substrats (420a) herum gedreht wird, aufgrund der Coriolis-Kraft eine andere Schwingung entlang den Richtungen, die im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats (420a) und orthogonal zu der Achse sind, erzeugt wird, und wobei eine Winkelgeschwindigkeit der Drehung durch Erfassen der aufgrund der Coriolis-Kraft erzeugten Schwingung unter Verwendung der Schwingungserfassungseinrichtung gemessen wird.
Kapazitive Vorrichtung (101) gemäß Anspruch 1, wobei die eine der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (149a-1), die erste ebene Oberfläche (133a) und die zweite ebene Oberfläche (133b) rechteckig sind.
Kapazitive Vorrichtung (101) gemäß Anspruch 1, wobei eine Länge (T3) der zweiten ebenen Oberfläche (133b) entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a) sind, von 20% bis 80% derjenigen Länge (T1) der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (149a-1) entlang den Richtungen (z) ist.
Kapazitive Vorrichtung (101, 201, 301, 401), welche aufweist: ein Substrat (120, 220, 320, 420); eine bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a; 248b), welche sich oberhalb einer Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) befindet und bezüglich des Substrats (120, 220, 320, 420) entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche (120a, 220a, 320a, 420a) sind, beweglich ist, wobei die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a; 248b) eine Substratgegenüberstellungsoberfläche (147a, 147b, 247a; 247b), bei welcher die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a; 248b) der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) gegenüberliegt, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (149a-1, 249a-1; 249b-1) beinhaltet; und eine feststehende Elektrode (132, 228a, 328, 428; 236a), welche bezüglich des Substrats (120, 220, 320, 420) ortsfest ist, wobei die feststehende Elektrode (132, 228a, 328, 428; 236a) eine Substratgegenüberstellungsoberfläche (131a, 131b, 227a; 235a), bei welcher die feststehende Elektrode (132, 228a, 328, 428; 236a) der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) gegenüberliegt, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (133a, 133b, 229a; 239a) beinhaltet, wobei die Substratgegenüberstellungsoberflächen (147a, 147b, 247a, 131a, 131b, 227a; 235a) im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats sind, wobei die Substratgegenüberstellungsoberflächen (147a, 147b, 247a, 131a, 131b, 227a; 235a) im wesentlichen eben sind und sich im wesentlichen auf dem gleichen Niveau entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) sind, befinden, bevor die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a; 248b) ausgelenkt wird, wobei die Elektrodengegenüberstellungsaberflächen (149a-1, 249a-1, 133a, 133b, 229a; 249b-1) einander gegenüberstehen und im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) sind, wobei, wenn die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a; 248b) in einer ersten Richtung, die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a, 220a, 320a, 420a) ist, ausgelenkt wird, die Gesamtsumme von Flächen-Abstands-Quotienten (D1) in einer Überlappung zwischen den Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (149a-1, 249a-1, 133a, 133b, 229a; 249b-1) im wesentlichen unverändert bleibt oder abnimmt, um eine erste Reduktionsrate, welche im wesentlichen Null oder größer ist, bereitzustellen, wobei, wenn die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a; 248b) in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung im wesentlichen entgegengesetzt ist, ausgelenkt wird, die Gesamtsumme von Flächen-Abstands-Quotienten (D2) im wesentlichen unverändert bleibt oder abnimmt, um eine zweite Reduktionsrate, welche im wesentlichen Null oder größer ist, bereitzustellen, und wobei die Reduktionsraten voneinander verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (249a-1, 229a) im wesentlichen eben sind und wobei eine der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (249a-1) entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (220a) sind, länger als die andere der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (229a) ist.
Kapazitive Vorrichtung (201) nach Anspruch 7, wobei die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (239a, 249b-1) im wesentlichen eben sind und wobei eine der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (249b-1) entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (220a) sind, kürzer als die andere der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (239a) ist.
Kapazitive Vorrichtung (201) gemäß Anspruch 7, wobei die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (249a-1, 229a) rechteckig sind.
Kapazitive Vorrichtung (201) gemäß Anspruch 7, wobei eine Länge (T5) der anderen der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (229a) entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a) sind, von 20% bis 80% derjenigen Länge (T6) der Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (249a-1) entlang den Richtungen (z) ist.
Kapazitive Vorrichtung (101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, welche weiter eine andere feststehende Elektrode (140) aufweist, welche bezüglich des Substrats (120) ortsfest ist, wobei die andere feststehende Elektrode (140) eine Substratgegenüberstellungsoberfläche (139), bei welcher die andere feststehende Elektrode (140) der Oberfläche des Substrats (120a) gegenübersteht, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (141) aufweist, wobei die bewegliche Elektrode (148) eine andere Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (149a-2, 149b) beinhaltet, wobei die Substratgegenüberstellungsoberfläche (139) der anderen feststehenden Elektrode (140) im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats (120a) ist, wobei die Substratgegenüberstellungsoberflächen (131a, 131b, 147a, 147b, 139) der beweglichen Elektrode (148) und der feststehenden Elektroden (132, 140) im wesentlichen eben sind und sich im wesentlichen auf demselben Niveau entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a) sind, befinden, bevor die bewegliche Elektrode ausgelenkt wird, wobei die Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (141) der anderen feststehenden Elektrode (140) und die andere Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (149a-2, 149b) der beweglichen Elektrode (148) einander gegenüberstehen und im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (120a) sind, wobei, wenn die bewegliche Elektrode (148) in der ersten Richtung ausgelenkt wird, die Gesamtsumme von Flächen-Abstands-Quotienten in einer Überlappung zwischen der Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (141) der anderen feststehenden Elektrode (140) und der anderen Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (149a-2, 149b) der beweglichen Elektrode (148) im wesentlichen unverändert bleibt oder abnimmt, um eine dritte Reduktionsrate, welche im wesentlichen Null oder größer ist, bereitzustellen, wobei, wenn die bewegliche Elektrode (148) in der zweiten Richtung ausgelenkt wird, die Gesamtsumme von Flächen-Abstands-Quotienten im wesentlichen unverändert bleibt oder abnimmt, um eine vierte Reduktionsrate, welche im wesentlichen Null oder größer ist, bereitzustellen, wobei die erste Reduktionsrate größer als die zweite Reduktionsrate ist, wobei die dritte Reduktionsrate kleiner als die vierte Reduktionsrate ist, wobei die erste Reduktionsrate größer als die dritte Reduktionsrate ist und wobei die zweite Reduktionsrate kleiner als die vierte Reduktionsrate ist.
Kapazitive Vorrichtung (201) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, welche weiter aufweist: eine andere bewegliche Elektrode (248b), welche oberhalb der Oberfläche des Substrats (220a) befindlich ist und welche bezüglich des Substrats (220) entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (220a) sind, beweglich ist, wobei die andere bewegliche Elektrode (248b) eine Substratgegenüberstellungsoberfläche (247b), bei welcher die andere bewegliche Elektrode (248b) der Oberfläche des Substrats (220a) gegenübersteht, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (249b-1) beinhaltet; und eine andere feststehende Elektrode (236a), welche bezüglich des Substrats (220) ortsfest ist, wobei die andere feststehende Elektrode (236a) eine Substratgegenüberstellungsoberfläche (235a), bei welcher die andere feststehende Elektrode (236a) der Oberfläche des Substrats (220) gegenübersteht, und eine Elektrodengegenüberstellungsoberfläche (239a) beinhaltet, wobei die Substratgegenüberstellungsoberflächen (247b, 235a) der anderen beweglichen Elektrode (248b) und der anderen feststehenden Elektrode (236a) im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrate (220a) sind, wobei die Substratgegenüberstellungsoberflächen (247b, 235a) der anderen beweglichen Elektrode (248b) und der anderen feststehenden Elektrode (236a) im wesentlichen eben sind und sich im wesentlichen auf dem gleichen Niveau entlang den Richtungen (z), die im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats sind, befinden, bevor die andere bewegliche Elektrode (248b) ausgelenkt wird, wobei die Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (249b-1, 239a) der anderen beweglichen Elektrode (248b) und der anderen feststehenden Elektrode (236a) einander gegenüberstehen und im wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats (220a) sind, wobei, wenn die andere bewegliche Elektrode (248b) in der ersten Richtung ausgelenkt wird, die Gesamtsumme von Flächen-Abstands-Quotienten in einer Überlappung zwischen den Elektrodengegenüberstellungsoberflächen (249b-1, 239a) der anderen Elektroden (248b, 236a) im wesentlichen unverändert bleibt oder abnimmt, um eine dritte Reduktionsrate, welche im wesentlichen Null oder größer ist, bereitzustellen, wobei, wenn die andere Elektrode (248b) in der zweiten Richtung ausgelenkt wird, die Gesamtsumme von Flächen-Abstands-Quotienten im wesentlichen unverändert bleibt oder abnimmt, um eine vierte Reduktionsrate bereitzustellen, wobei die erste Reduktionsrate größer als die zweite Reduktionsrate ist, wobei die dritte Reduktionsrate kleiner als die vierte Reduktionsrate ist, wobei die erste Reduktionsrate größer als die dritte Reduktionsrate ist und wobei die zweite Reduktionsrate kleiner als die vierte Reduktionsrate ist.
Kapazitive Vorrichtung (101, 201, 301, 401) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die kapazitive Vorrichtung (101, 201, 301, 401) eine Silizium-auf-Isolator-Struktur aufweist, wobei die kapazitive Vorrichtung (101, 201, 301, 401) ferner eine aktive Schicht, welche die beweglichen und feststehenden Elektroden (148, 248a, 348a, 448a, 132, 228a, 328, 428) beinhaltet, und eine Isolationszwischenschicht (154, 354, 454) aufweist, wobei die aktive Schicht und das Substrat (120, 220, 320, 420) aus Silizium hergestellt sind, wobei die Isolationszwischenschicht (154, 354, 454) aus Siliziumoxid hergestellt ist, wobei die bewegliche Elektrode (148, 248a, 348a, 448a) durch das Substrat (120, 220, 320, 420) durch die Isolationszwischenschicht (154, 354, 454) unterstützt wird und wobei die feststehende Elektrode (132, 228a, 328, 428) auf dem Substrat (120, 220, 320, 420) durch die Isolationsschicht (154, 354, 454) befestigt ist.
Kapazitive Vorrichtung (201) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, welche ferner vier Gewichte (244a, 244b, 244c, 244d), drei bewegliche Elektroden (248b, 248c, 248d) und drei feststehende Elektroden (236a, 229, 237) aufweist, wobei die vier Gewichte (244a, 244b, 244c, 244d) in der Gestalt eines Kreuzes angeordnet sind, wobei jede der beweglichen Elektroden (248a, 248b, 248c, 248d) sich von jedem der Gewichte (244a, 244b, 244c, 244d) aus in einer Richtung orthogonal zu den Längsrichtungen jedes der Gewichte (244a, 244b, 244c, 244d) derart erstreckt, daß die Gewichte (244a, 244b, 244c, 244d) und die beweglichen Elektroden (244a, 244b, 244c, 244d) im wesentlichen punktsymmetrisch sind, und wobei jede der beweglichen Elektroden (244a, 244b, 244c, 244d) jeder der feststehenden Elektroden (228a, 236a, 229, 237) gegenübersteht.