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Kapazitiver Sensor für eine dynamische
Größe, Verfahren
zur Herstellung eines kapazitiven Sensors für eine dynamische Größe und Detektor
mit einem kapazitiven Sensor für
eine dynamische Größe
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen kapazitiven Sensor für eine dynamische Größe, ein Verfahren
zur Herstellung des kapazitiven Sensors für eine dynamische Größe und einen
Detektor, welcher den kapazitiven Sensor für eine dynamische Größe enthält.
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Ein derartiger kapazitiver Sensor
für eine
dynamische Größe ist beispielsweise
ein in 7A dargestellter
kapazitiver Halbleiterbeschleunigungssensor. Wie in 7A und 7B dargestellt
wird bei dem Beschleunigungssensor ein Gewicht 11 von Ankern 13,
welche an einem Halbleitersubstrat 1 befestigt sind, durch
Federn 12 getragen. Erste und zweite kammzahnförmige bewegliche
Elektroden 10a, l0b sind mit dem Gewicht 11 integriert.
Wie in 7A veranschaulicht
werden erste und zweite kammzahnförmige befestigte Elektroden 15a, 15b,
welche jeweils den ersten und zweiten beweglichen Elektroden 10a, 10b gegenüberliegen,
an einem Ende davon durch erste und zweite Elektrodenverdrahtungsleitungen 16a, 16b getragen.
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Wenn eine Beschleunigung erfaßt wird,
werden vorbestimmte Spannungen zwischen der beweglichen Elektrodenkontaktstelle 14 für die beweglichen
Elektroden 10a, lOb und den festen Elektrodenkontaktstellen 17a, 17b für die festen
Elektroden 15a, 15b angelegt. Mit den Spannungen
werden erste und zweite Kapazitäten
CS1 und CS2 jeweils zwischen den ersten beweglichen Elektroden 10a und
den ersten festen Elektroden 15a und zwischen den zweiten
beweglichen Elektroden l0b und den zweiten festen Elektroden 15b gebildet.
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Wenn keine Beschleunigung aufgebracht
wird, werden CS1 und CS2 durch die folgende Gleichung 1 ausgedrückt. CS1 = CS2 = ε × n × L × h1 × (1/dl
+ 1/d2) (1) wobei ε die
Dielektrizitätskonstante,
n die Anzahl jeder Gruppe der beweglichen Elektroden, L die effektive Elektrodenlänge, welche
die Länge
der Oberflächen
ist, an welchen sich die beweglichen und festen Elektroden gegenüberliegen,
h1 die Elektrodenhöhe,
welche die Höhe
der Oberflächen
ist, an welchen die beweglichen und festen Elektroden sich gegenüberliegen,
und d1 und d2 jeweils die Größe von schmalen
Lücken
zwischen den Elektroden und die Größe von breiten Lücken zwischen
den Elektroden darstel- len. Bei dem in 7A dargestellten Beschleunigungssensor
besitzt jede der Elektroden dieselbe effektive Elektrodenlänge L und
dieselbe Elektrodenhöhe
h1.
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Wenn der Sensor beschleunigt wird,
verformen sich die Federn 12, wobei sich die Größen d1 und
d2 oder die Abstände
d1 und d2 zwischen den beweglichen Elektroden 10a, l0b und
den festen Elektroden 15a, 15b ändern. Jedoch
ist die Größe d2 der
breiten Lücken
hinreichend größer als
die Größe d1 der
engen Lücken,
so daß die
ersten und zweiten Kapazitäten
CS1 und CS2 sich mit der Abstandsänderung ändern. Daher kann die Beschleunigung
durch Erfassen der Kapazitätsdifferenz ΔC oder (CS1–CS2) zwischen
den ersten und zweiten Kapazitäten
CS1 und CS2 gemessen werden.
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Insbesondere wenn beispielsweise
der Sensor beschleunigt wird und die ersten beweglichen Elektroden 10a um Δd, in die
durch die Pfeile in 7A und 7C dargestellte Richtung
verschoben werden, werden zwischen den ersten beweglichen Elektroden 10a und
den ersten festen Elektroden 15a die Größe d1 der engen Lücken um Δd verschmälert und
die breiten Lücken
d2 um Δd
wie in 7C dargestellt
ver breitert, um die erste Kapazität CS1 zu erhöhen. Demgegenüber wird
entsprechend dem Querschnitt entlang der Linie VIIC-VIIC von 7A zwischen den zweiten
beweglichen Elektroden 10b und den zweiten festen Elektroden 15b die
Größe d1 der
engen Lücken
um Δd verbreitert
und die Größe d2 der
breiten Lücken
um Δd verschmälert, um
die zweite Kapazität
CS2 zu verringern. Als Ergebnis erhöht sich die Kapazitätsdifferenz ΔC.
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Wenn insbesondere der Sensor beschleunigt
wird und die ersten beweglichen Elektroden 10a um Δd in die
durch die Pfeile in 7a und 7c dargestellte Richtung verschoben werden,
werden zwischen den ersten beweglichen Elektroden 10a und
den ersten festen Elektroden 15a die engen Lükken zu
(d1 – Δd) und die
breiten Lücken
zu (d2 + Δd).
Demgegenüber
werden zwischen den zweiten beweglichen Elektroden 10b und
den zweiten festen Elektroden 15b die engen Lücken zu
(d1 + Δd)
und die breiten Lücken
zu (d2 – Δd). Daher
kann aus der Gleichung 1 ΔC
oder (CS1–CS2)
durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
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Dabei ist Δd im Vergleich mit d1 und d2
hinreichend klein. Daher kann ΔC
durch die folgende Gleichung 2 ausgedrückt werden. ΔC ≈ ε×n×L×h1×2Δd×(1/d12–1/d22) (2) Die
Sensorempfindlichkeit kann durch Erhöhen der Änderung der Kapazität pro Einheitsbeschleunigung,
d.h. von ΔC
in Gleichung 2, verbessert werden. Wie aus Gleichung 2 ersichtlich
kann ΔC
durch hinreichendes Erhöhen
von d2 im Vergleich mit d1 erhöht
werden.
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Es ist jedoch schwierig, die Sensorempfindlichkeit
durch Einstellen der Abstände
zwischen den Elektroden hinreichend zu verbessern, da die Größe d2 der
breiten Lücken
durch die Größe des Sensors
begrenzt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen kapazitiven Sensor mit einer gegenüber dem obigen Sensor erhöhten Empfindlichkeit,
ein Verfahren zur Herstellung des kapazitiven Sensors für eine dynamische und
einen Detektor, welcher den kapazitiven Sensor für eine dynamische Größe enthält, zu schaffen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch
die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
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Ein kapazitiver Sensor für eine dynamische
Größe der vorliegenden
Erfindung enthält
ein Halbleitersubstrat, ein Gewicht, eine bewegliche Elektrode und
zwei feste Elektroden. Das Gewicht wird von dem Halbleitersubstrat
beweglich getragen. Die bewegliche Elektrode ist mit dem Gewicht
integriert. Die festen Elektroden werden von dem Halbleitersubstrat
stationär
getragen. Die festen Elektroden liegen der beweglichen Elektrode
gegenüber,
um eine enge Lücke
und eine breite Lücke
vorzusehen und ein Erfassungsteil mit einer Kapazität zu bilden.
Das Gewicht und die bewegliche Elektrode werden relativ zu den festen
Elektroden im Ansprechen auf eine zu erfassende dynamische Größe derart
verschoben, daß sich
eine der Lücken
vergrößert, während sich
die andere verkleinert. Die dynamische Größe wird auf der Grundlage der Änderung
der Kapazität
erfaßt.
Eine der Elektrodenoberflächen
der breiten Lücke,
welche die breite Lücke
definieren, ist kleiner als die Elektrodenoberflächen der engen Lücke, welche
die enge Lücke
definieren, um die Sensorempfindlichkeit zu verbessern.
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Der obige Sensor kann in einem Detektor
mit einer Erfassungsschaltung aufgenommen sein, welcher ein Erfassungssignal
ausgibt, wenn sich die Kapazität
infolge der zu erfassenden dynamischen Größe ändert.
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Der obige Sensor kann durch Bilden
der beweglichen Elektrode und der zwei festen Elektroden auf dem
Halbleitersubstrat derart hergestellt werden, daß eine der Elektrodenoberflächen der
breiten Lücke
kleiner wird als die Elektrodenoberflächen der engen Lücke.
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Die vorliegende Erfindung wird in
der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert.
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1A zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen kapazitiven Halbleiterbeschleunigungssensor
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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1B zeigt
eine schematische Querschnittsansicht des Sensors von 1A entlang der Linie IB-IB;
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2A bis 2C zeigen schematische Querschnittsansichten
an dem Querschnitt entsprechend 1B,
welche ein Verfahren zur Herstellung des Sensors von 1A darstellen;
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3 zeigt
ein äquivalentes
Schaltungsdiagramm für
eine Erfassungsschaltung für
den Sensor von 1A;
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4A zeigt
eine partielle schematische Querschnittsansicht des Sensors von 1A entlang der Linie IB-IB,
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welche den Zustand darstellt, bei
welchem der Sensor nicht beschleunigt wird;
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4B zeigt
eine partielle schematische Querschnittsansicht des Sensors von 1A entlang der Linie IB-IB, welche
den Zustand darstellt, bei welchem der Sensor beschleunigt wird;
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5A zeigt
eine partielle schematische Querschnittsansicht des Sensors von 1A entlang der Linie VA-VA,
welche den Zustand darstellt, bei welchem der Sensor nicht beschleunigt
wird;
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5B zeigt
eine partielle schematische Querschnittsansicht des Sensors von 1A entlang der Linie VA-VA,
welche den Zustand darstellt, bei welchem der Sensor beschleunigt
wird;
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6 zeigt
einen Graphen, welcher die Korrelation zwischen der Kapazitätsänderungsrate ΔC/ΔC0 und d22/dl2 darstellt;
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7A zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen vorgestellten Halbleiterbeschleunigungssensor;
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7B zeigt
eine schematische partielle Querschnittsansicht des Sensors von 7A entlang der Linie VIIB-VIIB, welche den
Zustand darstellt, bei welchem keine Beschleunigung aufgebracht
wird; und
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7C zeigt
eine schematische partielle Querschnittsansicht des Sensors von 7A entlang der Linie VIIB-VIIB, welche den
Zustand darstellt, bei welchem eine Beschleunigung aufgebracht wird.
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Die vorliegende Erfindung wird detailliert
unter Bezugnahme auf mehrere Ausführungsformen beschrieben.
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Erste Ausführungsform Wie in 1A und 1B dargestellt enthält ein Halbleiterbeschleunigungssensor einer
ersten Ausführungsform
ein Substrat 4, welches eine SOI- (Silicon-On-Insulator)
-Struktur besitzt. Das Substrat 4 setzt sich zusammen aus
einem Halbleitersubstrat 1 oder einer ersten Halbleiterschicht 1,
einer zweiten Halbleiterschicht 2 und einer Isolierschicht 3,
welche eine beispielsweise aus Siliziumoxid gebildete Opferschicht
ist. Die Halbleiterschichten 1, 2 bestehen aus
einkristallinem Silizium. Der Sensor von 1A und 1B enthält einen
Abtastabschnitt 5, welcher durch eine bekannte Mikromaterialbearbeitungstechnologie unter
Verwendung einer Halbleibterprozeßtechnologie gebildet worden
ist.
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Wie in 1A dargestellt
enthält
der Abtastabschnitt 5 eine bewegliche Einheit 6,
erste und zweite feste Einheiten 7, 8 und einen
peripheren Abschnitt bzw. einen Randabschnitt 9, welcher
die bewegliche Einheit 6 und die festen Einheiten 7, 8 umgibt.
Es gibt vorbestimmte Zwischenräume
zwischen der beweglichen Einheit 6, den festen Einheiten 7, 8 und
dem Randabschnitt 9, um sie voneinander zu isolieren.
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Die bewegliche Einheit 6 enthält vier
erste kammzahnförmige
bewegliche Elektroden 10a, vier zweite kammzahnförmige bewegliche
Elektroden 10b, ein Gewicht 11, zwei rechtwinklige
rahmenförmige
Federn 12, zwei Anker der bewegliche Elektroden 13 und
eine Kontaktstelle der bewegliche Elektrode 14. Die Federn 12 sind
verbunden mit dem Gewicht 11, welches ein Masseabschnitt
ist, auf den eine Beschleunigung einwirkt, und den Ankern der beweglichen
Elektrode 13, welche mit der Isolierschicht 3 verbunden
sind. Die beweglichen Elektroden 10a, l0b sind
mit den Gewichten 11 integriert ausgebildet, um sich von
zwei Seiten des Gewichts 11 orthogonal zu der Längsrichtung
des Gewichts 11 zu erstrecken. Die beweglichen Elektroden 10a, 10b,
das Gewicht 11 und die Federn 12 sind von der
Isolierschicht 3 getrennt.
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Die Struktur wird durch Ätzen der
zweiten Halbleiterschicht 2 von ihrer Oberfläche und
durch darauffolgendes selektives Ätzen der Seitenwände der
zweiten Halbleiterschicht 2 in der Nähe der Oberfläche der Isolierschicht 3 unter
Verwendung von selektivem Plasmaätzen
gebildet.
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Jede der Federn 12 arbeitet
als Feder, die sich entlang den Richtungen orthogonal zu der Längsrichtung
davon ausdehnt und zusammenzieht. Daher bewegen sich das Gewicht 11 und
die beweglichen Elektroden 10a, l0b in die durch den Pfeil
in 1A dargestellte Richtung,
wenn der Sensor in der Richtung beschleunigt wird, und bewegen sich
zurück
zu der ursprünglichen
Position, wenn die Beschleunigung zu Null wird. Die bewegliche Elektrodenkontaktstelle 14 ist
mit einem der Anker beweglichen Elektrode 13 an einer vorbestimmten
Position verbunden. Die Kontaktstelle der bewegliche Elektrode 14 wird
für eine
elektrische Verbindung der beweglichen Elektroden 10a, 10b mit
einer C/V-Wandlerschaltung verwendet, welche später beschrieben wird.
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Die ersten und zweiten festen Einheiten 7, 8 enthalten
jeweils: vier kammzahnförmige
erste feste Elektroden 15a und vier kammzahnförmige zweite
feste Elektroden 15b; erste und zweite Verdrahtungsleitungen der
festen Elektroden 16a, 16b; erste und zweite Anker
der feste Elektroden 18a, 18b; und erste und zweite Kontaktstellen
der festen Elektroden 17a, 17b. Die ersten und
zweiten Kontaktstellen der festen Elektroden 17a, 17b sind
jeweils auf den ersten und zweiten Ankern der festen Elektroden 18a, 18b zum
elektrischen Verbinden der festen Elektroden 15a, 15b mit
der C/V-Wandlerschaltung befindlich. Die Verdrahtungsleitungen der
festen Elektroden 16a, 16b sind parallel zu den
Längsrichtungen
des Gewichts 11 angeordnet. Die ersten und zweiten festen
Elektroden 15a, 15b erstrecken sich jeweils von
den ersten und zweiten Verdrahtungsleitungen der festen Elektroden 16a, 16b,
um jeweils parallel den ersten und zweiten beweg- 1ichen Elektroden 10a, l0b gegenüberzuliegen,
welche sich von der zweiten Seite des Gewichts 11 aus erstrecken,
so daß eine vorbestimmte
Erfassungslücke
zwischen den festen Elektroden 15a, 15b und den
beweglichen Elektroden 10a, l0b gebildet wird.
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Die Verdrahtungsleitungen der festen
Elektroden 16a, 16b und die Anker der festen Elektroden 18a, 18b sind
an dem Halbleitersubstrat 1 mit der Isolierschicht 3 dazwischen
befestigt. Die ersten und zweiten festen Elektroden 15a, 15b werden
an einem Ende davon durch die ersten und zweiten Verdrahtungsleitungen der
festen Elektroden 16a, 16b getragen. Die ersten
beweglichen Elektroden 10a und die ersten festen Elektroden 15a bilden
ein erstes Erfassungsteil 19, welches eine erste Kapazität CS1 aufweist,
und die zweiten beweglichen Elektroden l0b und die zweiten
festen Elektroden 15b bilden ein zweites Erfassungsteil 20,
welches eine zweite Kapazität
CS2 aufweist.
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Wie in 1A dargestellt
sind die ersten beweglichen Elektroden 10a und die ersten
festen Elektroden 15a miteinander derart verschachtelt
bzw. verzahnt, daß enge
Lücken
mit einer Größe von d1
und breite Lücken
mit einer Größe von d2
abwechselnd zwischen den ersten beweglichen Elektroden 10a und
den ersten festen Elektroden 15a angeordnet sind, wenn
keine Beschleunigung aufgebracht wird. Auf dieselbe Weise sind die
zweiten beweglichen Elektroden l0b und die zweiten festen
Elektroden 15b miteinander derart verschachtelt bzw. verzahnt,
daß enge
Lücken
mit einer Größe von d1
und breite Lücken
mit einer Größe von d2
abwechselnd zwischen den zweiten beweglichen Elektroden l0b und
den zweiten festen Elektroden 15b angeordnet sind.
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Wie in 1A dargestellt
unterscheidet sich die Positionsbeziehung zwischen den ersten beweglichen Elektroden 10a und
den ersten festen Elektroden 15a von derjenigen zwischen
den zweiten beweglichen Elektroden l0b und den zweiten
festen Elektroden 15b. Insbesondere befinden sich wie in 1A veranschaulicht die engen
Lücken
in dem ersten Erfassungsteil 19 und die engen Lücken des
zweiten Erfassungsteils 20 an den gegenüberliegenden Seiten der Achsen,
welche durch jede der ersten beweglichen Elektroden 10a und die
entsprechende zweite bewegliche Elektrode 10b definiert
sind. Wenn daher z.B. der Sensor beschleunigt wird, um die beweglichen
Elektroden 10a, l0b in die durch den Pfeil in 1A dargestellte Richtung
zu verschieben, verringert sich die Größe d1 der schmalen Lücken in
dem ersten Erfassungsteil 19 und erhöht sich die Größe d2 der
breiten Lücken
in dem ersten Erfassungsteil. Demgegenüber erhöht sich die Größe d1 der engen
Lücken
in dem zweiten Erfassungsteil 20 und verringert sich die
Größe d2 der
breiten Lücken
in dem zweiten Erfassungsteil.
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Als nächstes wird ein Verfahren zur
Herstellung des Halbleiterbeschleunigungssensors von 1A und 1B kurz erläutert. Zuerst wird wie in 2A dargestellt, ein SOI-Substrat 4 bereitgestellt.
Das Substrat 4 setzt sich zusammen aus einem Halbleitersubstrat 1 oder
einer ersten Halbleiterschicht 1, einer zweiten Halbleiterschicht 2 und
einer Isolierschicht 3, welche aus Siliziumoxid gebildet
und zwischen den ersten und zweiten Halbleiterschichten 1, 2 befindlich
ist. Die Halbleiterschichten 1, 2 werden aus einkristallinem
Silizium gebildet. Obwohl eine Mehrzahl von Sensoren aus einem SOI-Substrat 4 gebildet
werden kann, wird die Erklärung
auf lediglich einen Sensor gerichtet.
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Obwohl in der Figur nicht dargestellt
werden danach eine Kontaktstelle 14 der beweglichen Elektroden und
Kontaktstellen 17a, 17b der zweiten festen Elektroden
auf der zweiten Halbleiterschicht 2 gebildet. Die Kontaktstellen 14, 17a, 17b können beispielsweise
gebildet werden durch: Auftragen eines hochleitfähigen Metalls auf die gesamte Oberfläche der
zweiten Halbleiterschicht 2 in einer vorbestimmten Dicke;
und Strukturieren in vorbestimmte Formen unter Verwendung von Fotolithographie
und Ätzen.
Es können
Metalle wie Kupfer (Cu), Aluminium (A1), Gold (Au) und Silber (Ag)
für die
Kontaktstellen 14, 17a, 17b verwendet
werden.
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Danach wird wie in 28 dargestellt
eine Ätzmaske 21 zum
Bilden von beweglichen und festen Elektroden 10a, 10b, 15a, 15b gebildet.
Insbesondere wird eine Ätzmaske 21,
welche Öffnungen
an den Positionen besitzt, an denen die Lükken zwischen den Elektroden 10a, 10b, 15a, 15b zu
bilden sind, in einem vorbestimmten Bereich auf der zweiten Halbleiterschicht 2 durch
Fotolithographie und Ätzen
gebildet. Beispielsweise kann ein Siliziumnitridfilm, ein Siliziumoxidfilm,
ein Metallfilm und ein Fotoresistfilm als die Ätzmaske 21 verwendet werden.
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Nachdem die Ätzmaske 21 gebildet
worden ist, wird die zweite Halbleiterschicht 2 selektiv
durch beispielsweise Plasmaätzen
durch die Öffnungen
der Ätzmaske 21 wie
in 2C dargestellt selektiv
geätzt.
Mit dem Ätzen
wird die zweite Halbleiterschicht 2 partiell unter den Öffnungen
entfernt, um die Isolierschicht 3 bloßzulegen. Zur selben Zeit wird
ebenfalls die zweite Halbleiterschicht 2 an den Positionen
entfernt, welche unter den Elektroden 10a; 10b, 15a, 15b befindlich
sind. Mit dem Ätzen
wird eine bewegliche Einheit 6 gebildet, und die beweglichen
Elektroden 10a, 10b, das Gewicht 11 und
die Federn 12 der beweglichen Einheit 6 werden
beweglich. Bei dem obigen Ätzen
werden die Elektrodenoberflächen
der breiten Lücke
oder die Oberflächen
der Elektroden 10a, 10b, 15a, 15b,
welche breite Lükken
definieren, derart maschinell bearbeitet, daß die Elektrodenoberflächen kleiner
als die Elektrodenoberflächen
der kleinen Lücke
oder die Oberflächen
der Elektroden 10a, 10b, 15a, 15b werden,
welche die kleinen Lücken
definieren.
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Danach wird die Ätzmaske 21 entfernt,
und es wird das SOI-Substrat 4 in eine Mehrzahl von Sensorchips
geschnitten, um den Halbleiterbeschleunigungssensor von 1A und 1B fertigzustellen.
Obwohl bei der obigen Erklärung
lediglich der Querschnitt entlang der Linie IB-IB von 1A verwendet wurde, wird
der durch den Querschnittsabschnitt entlang der Linie VA-VA von 1A dargestellte Abschnitt
auf dieselbe Weise gebildet.
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3 zeigt
ein äquivalentes
Schaltungsdiagramm für
einen Erfassungsabschnitt für den Sensor von 1A, welcher in einem Detektor enthalten
ist, der einen Sensor entsprechend 1A aufweist.
Wie in 3 dargestellt
ent- hält
die Erfassungsschaltung eine C/V-Wandlerschaltung 22 oder eine geschaltete
Kondensatorschaltung 22. Die C/V-Wandlerschaltung 22 wandelt
die Kapazitätsdifferenz
(CS1-CS2) zwischen
den ersten und zweiten Kapazitäten
CS1 und CS2 in eine Spannungsdifferenz um und gibt die Spannungsdifferenz aus.
Die C/V-Wandlerschaltung 22 enthält
einen Operationsverstärker 23,
einen Kondensator 24 mit einer Kapazität Cf und einen Schalter 25.
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Der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 23 ist
elektrisch mit den beweglichen Elektroden 10a, 10b durch
die Kontaktstelle 14 der beweglichen Elektrode
verbunden. Der Kondensator 24 und der Schalter 25 sind
parallel zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß und dem
Ausgangsanschluß des
Operationsverstärkers 23 angeschlossen.
Eine Spannung Vcc/2 wird von einer Spannungsquelle, welche in der
Figur nicht dargestellt ist, dem nicht invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 23 angelegt.
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Die Erfassungsschaltung enthält ebenfalls
eine Steuerschaltung, welche in der Figur nicht dargestellt ist.
Die Steuerschaltung gibt eine erste Trägerwelle, welche eine konstante
Amplitude Vcc besitzt und sich periodisch abwechselt, von der Kontaktstelle 17a der
ersten festen Elektrode den ersten festen Elektroden 15a des
ersten Erfassungsteils 19 ein. Zur selben Zeit gibt die
Steuerschaltung eine zweite Trägerwelle,
welche eine konstante Amplitude Vcc aufweist, deren Phase um 180° von der
ersten Trägerwelle
verschoben ist, von der Kontaktstelle der zweiten festen Elektroden 17b den
zweiten festen Elektroden 15b des zweiten Erfassungsteils 20 ein.
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Wenn daher keine Beschleunigung aufgebracht
wird, wird jedes Potential der Erfassungsteile 19, 20 zu
Vcc/2, da die erste Kapazität
CS1 des ersten Erfassungsteils 19 im wesentlichen gleich
der zweiten Kapazität
CS2 des zweiten Erfassungsteils 20 ist. Der Schalter 24 in
der C/V-Wandlerschaltung 22 wird mit einem vorbestimmten Zeitablauf
einund ausgeschaltet, welcher mit den Trägerwellen synchronisiert ist.
Wenn der Schalter 25 ausgeschaltet ist, wird eine Beschleunigung
erfaßt.
Die C/V-Wandlerschaltung 22 gibt Vout im Ansprechen auf die Besceine
Spannung hleunigung aus. Vout wird durch die folgende Gleichung
3 ausgedrückt. Vout = (CS1 – CS2) × Vcc /
Cf (3)
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Wenn der Sensor beschleunigt wird, ändert sich
das Verhältnis
der ersten Kapazität
CS1 zu der zweiten Kapazität
CS2, und es wird die Spannung Vout, welche der Kapazitätsdifferenz
(CS1-CS2) wie aus Gleichung 3 ersichtlich proportional ist, ausgegeben.
Die ausgegebene Spannung wird von einer Verstärkerschaltung oder einem Tiefpaßfilter
verarbeitet, was in der Figur nicht dargestellt ist, und wird als
Beschleunigungserfassungssignal erfaßt.
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Obwohl eine Spannung Vcc/2 von einer
Spannungsquelle, welche in der Figur nicht dargestellt ist, dem
nicht inver tierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 23 angelegt
wird, kann eine Spannung V1, welche ungleich Vcc/2 ist, bereitgestellt
werden, um eine Selbstdiagnosefunktion zu schaffen, bei welcher die
bewegliche Elektrode 10a, 10b durch Umschalten
von Vcc/2 auf V1 unter Verwendung eines Schalters, welcher in der
Figur nicht dargestellt ist, mit einem vorbestimmten Zeitablauf,
der mit den Trägerwellen
synchronisiert ist, verschoben wird.
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Wie in 7A und 7B dargestellt enthält der vorgestellte
Beschleunigungssensor ein erstes Erfassungsteil 19, welches
aus den ersten beweglichen Elektroden 10a und den ersten
festen Elektroden 15a gebildet ist, und ein zweites Erfassungsteil 20,
welches aus den zweiten beweglichen Elektroden 10b und
den zweiten festen Elektroden 15b gebildet ist. Die ersten
beweglichen Elektroden 10a und die ersten festen Elektroden 15a sind
miteinander derart verschachtelt bzw. verzahnt, daß enge Lücken mit
einer Größe dl und
breite Lücken
mit einer Größe d2 abwechselnd
zwischen den ersten beweglichen Elektroden 10a und den
ersten festen Elektroden 15a angeordnet sind. Auf dieselbe
Weise sind die zweiten beweglichen Elektroden l0b und die zweiten
festen Elektroden 15b miteinander derart verschachtelt
bzw. verzahnt, daß enge
Lücken
mit einer Größe d1 und
breite Lücken
mit einer Größe d2 abwechselnd
zwischen den zweiten beweglichen Elektroden 10b und den
zweiten festen Elektroden 15b angeordnet sind. Wenn bei
dem vorgestellten Sensor von 7A und 7B jede der Elektroden dieselbe
effektive Elektrodenlänge
L, welche die Länge
der Oberflächen
ist, an welchen die beweglichen und festen Elektroden gegenüberliegen,
und dieselbe Elektrodenhöhe
h1 besitzt, welche die Höhe
der Oberflächen
ist, an welchen die beweglichen und festen Elektroden gegenüberliegen,
werden die ersten und zweiten Kapazitäten CS1 und CS2, welche jeweils
zwischen den ersten beweglichen Elektroden 10a und den
ersten festen Elektroden 15a und zwischen den zweiten beweglichen
Elektroden lOb und den zweiten festen Elektroden 15b gebildet
sind, durch die folgende Gleichung 4 ausgedrückt CS1=CS2= ε × n × L × h1 × (1/d1
+ 1/d2) (4) wobei ε die Dielektrizitätskonstante
und n die Anzahl von jeder Gruppe der beweglichen Elektroden darstellen. Wenn
keine Beschleunigung aufgebracht wird, ist die Kapazitätsdifferenz ΔC oder (CS1-C52)
zwischen den ersten und zweiten Kapazitäten CS1 und CS2 Null.
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Wenn der vorgestellte Sensor beschleunigt
wird, werden. die Federn 12 deformiert, wobei die Größen d1 und
d2 sich ändern.
Wenn der vorgestellte Sensor beschleunigt wird und sich die ersten
beweglichen Elektroden 10a um Δd in die durch Pfeile in 7A und 7C dargestellte Richtung verschoben werden,
werden in dem ersten Erfassungsteil 19 die engen Lücken zu
(d1–Δd) und die
breiten Lücken
zu (d2Δ d),
um die erste Kapazität
CS1 zu erhöhen.
Demgegenüber
werden in dem zweiten Erfassungsteil 20 die engen Lücken zu (d1+Δd) und die
breiten Lücken
zu (d2Δd),
um die zweite Kapazität
CS2 zu erhöhen.
Als Ergebnis erhöht
sich die Kapazitätsdifferenz ΔC0.
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Aus Gleichung 4 kann ΔC durch die
folgende Gleichung ausgedrückt
werden.
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Dabei ist Δd im Vergleich zu d1 und d2
hinreichend klein. Daher kann ΔCO
durch die folgende Gleichung 5 ausgedrückt werden. ΔC0 ≈ ε×n×L×h1×2Δd×(1/d121/d22) (5)
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Daher kann die Sensorempfindlichkeit,
d.h. ΔC
in Gleichung 5, durch Erhöhen
des Werts in den Klammern von Gleichung 5 angehoben werden. Der
Wert in den Klammern von Gleichung 5 kann durch hinreichendes Erhöhen von
d2 im Vergleich mit d1 vergrößert werden.
Es ist jedoch schwierig, die Größe d2 der
breiten Lücken
hinreichend zu erhöhen,
da die Größe d2 durch
die Dimensionen des Sensors begrenzt ist.
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Dabei ist die zwischen einem Paar
von Elektroden gebildete Kapazität
proportional zu der Fläche
der Elektrodenund umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen
den Elektroden. Daher ist es möglich,
die Änderungen
der Kapazitäten
CSl und CS2 ohne Erhöhen
der Größe d2 der
breiten Lücken
durch Verringern der Gesamtfläche
der Elektrodenoberflächen,
welche die breiten Lücken
definieren, im Vergleich mit denjenigen, welche die engen Lücken definieren,
zu vergrößern. Die
Gesamtfläche
ist gleich der Summe des Produkts der effektiven Elektrodenlänge L und
der Elektrodenhöhe
h1, d.h. (n×L×h1).
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Wenn daher die effektive Elektrodenlänge L konstant
ist, ist es möglich,
die Änderungen
der Kapazitäten
CS1 und CS2 durch Verringern der Elektrodenhöhe h1 der Elektrodenoberflächen, welche
die breiten Lücken
definieren, zu erhöhen.
Als Ergebnis kann die Sensorempfindlichkeit durch Erhöhen der Änderungen
der Kapazitäten
CS1 und CS2, was der Bewegung der beweglichen Einheit 6 entspricht,
in den Erfassungsteilen 19, 20 und durch Erlangen
des Signals, welches der Differenz zwischen den Kapazitäten CS1
und CS2 entspricht, welche sich in der entgegengesetzten Richtung ändern, unter
Verwendung der C/V-Wandlerschaltung 22 verbessert werden.
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Wie oben beschrieben kann bei dieser
Ausführungsform
die Sensorempfindlichkeit durch Differenzieren der Elektrodenhöhe h1 der
Elektrodenoberflächen,
welche die engen Lükken
definieren, und der Elektrodenhöhe
h2 der Elektrodenoberflächen,
welche die breiten Lücken
definieren, verbessert werden.
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Wenn wie in 4A und 5A dargestellt
die Elektrodenoberflächen,
welche die breiten Lücken
zwischen den Elektroden 10a, 15a des ersten Erfassungsteils 19 und
jene zwischen den Elektroden l0b, 15b des zweiten
Erfassungsteils 19 definieren, eine Elektrodenhöhe h2 besitzen,
werden die ersten und zweiten Kapazitäten CS1 und CS2 der ersten
und zweiten Erfassungsteile 19, 20 durch die folgende
Gleichung 6 ausgedrückt. CS1=C52= ε × n × L × h1 × (h1/d1 + h2/d2) (6)
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Bei dieser Ausführungsform besitzen die zwei
Elektrodenoberflächen,
welche jede der breiten Lücken definieren,
eine Elektrodenhöhe
von h2. Jedoch kann im wesentlichen dieselbe Wirkung sogar dann
erzielt werden, wenn eine der zwei Elektrodenoberflächen eine
Elektrodenhöhe
von h2 besitzt.
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Wenn beispielsweise der Sensor beschleunigt
wird und die ersten beweglichen Elektroden 10a um Δd in die
durch Pfeile in 4B und 5B dargestellte Richtung
verschoben werden, werden in dem ersten Erfassungsabschnitt 19 die
engen Lücken
zu (d1–Δd) und die
breiten Lücken
zu (d2–Δd), wodurch
die erste Kapazität
CS1 erhöht
wird. Demgegenüber
werden in dem zweiten Erfassungsteil 20 die engen Lücken zu
(d1+Δd) und
die breiten Lücken
zu (d2–Δd), wodurch
die zweite Kapazität
verringert wird. Als Ergebnis erhöht sich die Kapazitätsdifferenz ΔC.
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Aus Gleichung 6 kann die folgende
Gleichung abgeleitet werden.
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Dabei ist Δd im Vergleich mit d1 und d2
hinreichend klein. Daher kann ΔC
durch die folgende Gleichung 7 ausgedrückt werden. ΔC ≈ ε×n×L×h1×2Δd×(h1/d12h2/d22) (7)
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Wie aus einem Vergleich von Gleichung
5 mit Gleichung 7 ersichtlich, kann die Sensorempfindlichkeit durch
maschinelles Bearbeiten der Elektroden 10a, 10b, 15a, 15b erhöht werden,
um der folgenden Gleichung 8 zu genügen. h1 > h2 (8)
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Die Elektroden 10a, 10b, 15a, 15b können maschinell
beispielsweise durch Plasmaätzen
bearbeitet werden, um der Gleichung 8 zu genügen. Insbesondere wird die
Größe d1 der
engen Lücken
derart festgelegt, daß ein
vorbestimmter Mikro-Loading-Effekt (micro loading effect) erzeugt
wird, wenn das Plasmaätzen
implementiert wird. Infolge des Mikro-Loading-Effekts ist die Ätzrate der
zweiten Halbleiterschicht 2 an den engen Lücken kleiner
als an den breiten Lücken.
Wenn daher die engen Lücken
durch das Ätzen
fertiggestellt worden sind, wird die zweite Halbleiterschicht 2 an
den breiten Lücken überätzt, um
Kerben auf den Seitenwänden
zu bilden, welche wie in 2C dargestellt
die breiten Lücken
definieren. Als Ergebnis können
die Elektroden 10a, 10b, 15a, 15b maschinell
hergestellt werden, um die Gleichung 8 zu erfüllen.
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Mit Hilfe der Gleichungen 5 und 7 kann
die Kapazitätsänderungsrate ΔC/ΔCO durch
die folgende Gleichung 9 ausgedrückt
werden ΔC/ΔC0 = (X–h2/h1)/(X–1) (9) wobei X
= d22/d12 gilt.
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6 zeigt
einen Graphen, welcher die Korrelation zwischen der Kapazitätsänderungsrate ΔC/ΔC0 und d22/d12 darstellt.
In 6 stellen Symbole ❍, Δ und ☐ die
Korrelation, wenn h2/h1=0,25 gilt, die Korrelation, wenn h2/h1=0,5
gilt, bzw. die Korrelation dar, wenn h2/h1=0,75 gilt, dar. Die durchgezogene
Linie ohne irgendein Symbol stellt die Korrelation dar, wenn h2/h1=1,0
gilt, d.h. wenn h2=h1 gilt. Wie aus 6 ersichtlich kann
die Sensorempfindlichkeit im Vergleich mit dem vorgestellten Sensor
von 7A dadurch erhöht werden, daß die Elektrodenhöhe h2 der
Elektrodenoberflächen
der breiten Lücke
kleiner als die Elektrodenhöhe
h1 der Elektrodenoberflächen
der engen Lücke
gemacht wird, um die Kapazitätsänderungsrate ΔC/ΔC0 zu erhöhen.
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Wie oben beschrieben ist bei dem
Halbleiterbeschleunigungssensor dieser Ausführungsform die Elektrodenhöhe h2 der
Elektrodenoberflächen
der breiten Lücke
kleiner als die Elektrodenhöhe
h1 der Elektrodenoberflächen
der engen Lücke,
um die Kapazitätsänderungsrate ΔC/ΔC0 zu erhöhen. Mit
dieser Struktur wird die Kapazitätsdifferenz ΔC größer als
die Kapazitätsdifferenz ΔC0 des vorbestimmten
Sensors, so daß es
möglich
ist, die Sensorempfindlichkeit zu erhöhen.
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Weitere Ausführungsformen
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Bei der ersten Ausführungsform
wird die Sensorempfindlichkeit durch Verringern der Elektrodenhöhe h2 der
Elektrodenoberflächen
verbessert, welche die breiten Lücken
definieren. Jedoch kann die Sensorempfindlichkeit durch Verringern
der effektiven Elektrodenlänge
L der Elektrodenoberflächen
verbessert werden, welche die breiten Lücken definieren. Alternativ
kann die Elektrodenhöhe
h2 und die effektive Elektrodenlänge L
gleichzeitig verringert werden.
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Bei der ersten Ausführungsform
besitzen alle Elektrodenoberflächen,
welche die breiten Lücken
definieren, dieselbe Elektrodenhöhe
h2. Es ist jedoch nicht nötig,
daß alle
Elektrodenoberflächen,
welche die breiten Lücken
defi- nieren, dieselbe Elektrodenhöhe h2 haben sollten, so lange
wie wenigstens eine Elektrodenoberfläche, welche eine breite Lücke definiert,
die Elektrodenhöhe
h2 besitzt.
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Der Halbleiterbeschleunigungssensor
von 1A und 1B wird durch Ätzen der
zweiten Halbleiterschicht von der Oberfläche davon aus hergestellt.
Jedoch kann die vorliegende Erfindung auf einen Halbleitersensor
angewandt werden, dessen Diaphragma wie eine bewegliche Elektrode
durch Ätzen
der ersten Halbleiterschicht 1 des Sensors von ihrer Oberfläche aus
oder von ihrer nicht isolierenden Schichtseite aus gebildet wird.
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Vorstehend wurden ein kapazitiver
Sensor für
eine dynamische Größe, ein
Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensors für eine dynamische
Größe und ein
Detektor mit einem kapazitiven Sensor für eine dynamische Größe offenbart.
Ein kapazitiver Sensor für
eine dynamische Größe enthält ein Halbleitersubstrat (1),
ein Gewicht (11), eine bewegliche Elektrode (10a)
und zwei feste Elektroden (15a). Das Gewicht wird von dem
Halbleitersubstrat (1) beweglich getragen. Die bewegliche
Elektrode (10a) ist mit dem Ge wicht (11) integriert
ausgebildet. Die festen Elektroden (15a) werden von dem
Halbleitersubstrat (1) stationär getragen. Die festen Elektroden
(15a) liegen der beweglichen Elektrode (10a) gegenüber, um
eine enge Lücke
und eine breite Lücke
bereitzustellen und ein Erfassungsteil (19) zu bilden,
welches eine Kapazität
(CS1) aufweist. Das Gewicht (11) und die bewegliche Elektrode
(10a) werden relativ zu den festen Elektroden (15a)
im Ansprechen auf eine zu erfassende dynamische Größe derart
verschoben, daß eine
der Lücken
sich vergrößert, während sich
die andere verkleinert. Die dynamische Größe wird auf der Grundlage der Änderung
der Kapazität
(CS1) erfaßt.
Eine der Elektrodenoberflächen
der breiten Lücke,
welche die breite Lücke
definieren, ist kleiner als die Elektrodenoberflächen der engen Lücke, welche
die enge Lücke
definieren, um die Sensorempfindlichkeit zu verbessern.
