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Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor für dynamische Größen.
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Ein solcher kapazitiver Sensor für dynamische Größen ist zum Beispiel ein kapazitiver Halbleiterbeschleunigungssensor 27 oder ein Sensorchip 27, wie er in 4A gezeigt ist. Wie in 4A gezeigt, ist bei dem Sensorchip 27 ein Gewicht 11 von Verankerungen 14 der bewegliche Einheit durch Federn 12 gelagert, die dehnbar und verkleinerbar sind. Die ersten und zweiten kammzahnähnlichen beweglichen Elektroden 10a, 10b sind einstückig mit dem Gewicht 11 ausgebildet. Wie in 4A gezeigt, sind die ersten und zweiten kammzahnähnlichen festen Elektroden 17a, 17b, die jeweils den ersten und zweiten beweglichen Elektroden 10a, 10b gegenüberliegen, an ihren einen Enden durch feste Einheitsanker 19a, 19b befestigt.
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Der Sensorchip 27 ist zum Beispiel an einem Sensorgehäuse 29 mit einem Klebstoff 27 befestigt und das Sensorgehäuse 29 ist auf eine Leiterplatte 31 mit einem anderen Klebstoff 30, wie zum Beispiel Lötmetall gebondet, wie in 4B gezeigt. Die Leiterplatte 31, auf die der Sensorchip 27 und so weiter angebracht wurden, ist an einem Fahrzeug an einer vorbestimmten Position unter Verwendung einer Befestigung, wie zum Beispiel einer Schraube, befestigt.
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Da allerdings die Leiterplatte 31, das Sensorgehäuse 29, die Klebstoffe 28, 30 und der Sensorchip 27 unterschiedliche Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann eine Deformation, wie zum Beispiel eine Verformung, in dem Halbleitersubstrat des Sensorchips 27 erzeugt werden. Wenn eine solche Deformation in dem Halbleitersubstrat erzeugt wird, wird die durch die Deformation erzeugte Spannung auf die Federn 12 durch die Verankerungen 14 der beweglichen Einheit übertragen, die mit dem Halbleitersubstrat verbunden sind.
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Dem zu Folge deformieren sich die Federn 12 elastisch im Ansprechen auf die Spannung, so dass die beweglichen Elektroden 10a, 10b versetzt werden. Daher verändern sich die Elektrodenabstände zwischen den beweglichen Elektroden 10a, 10b und den festen Elektroden 17a, 17b, so dass die Kapazitäten zwischen den beweglichen Elektroden 10a, 10b und den festen Elektroden 17a, 17b verändert werden. Dem zu Folge verschlechtern sich die thermischen Eigenschaften der Offsetspannung.
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Die
DE 44 31 478 A1 offenbart einen kapazitiven Sensor für dynamische Größen, mit: einem Substrat; einem Gewicht, das durch eine dynamische Größe versetzt wird; einer beweglichen Elektrode, die einstückig mit dem Gewicht ausgebildet ist; einer Verankerung für eine bewegliche Einheit, die an dem Substrat befestigt ist, um das Gewicht und die bewegliche Elektrode oberhalb des Substrats aufzuhängen; einer festen Elektrode, die so angeordnet ist, dass sie der beweglichen Elektrode gegenüberliegt, wobei ein Versatz der beweglichen Elektrode, der im Ansprechen auf die dynamische Größe bewirkt wird, als eine Veränderung einer Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode erfasst wird; einer Feder, die zwischen der Verankerung für die bewegliche Einheit und dem Gewicht liegt, und sich im Ansprechen auf die dynamische Größe elastisch deformiert, so dass die bewegliche Elektrode um eine Strecke versetzt wird, die der dynamischen Größe entspricht; und einem Spannungspuffer, der zwischen der Verankerung der beweglichen Einheit und der Feder liegt, um den Einfluss einer Spannung, die in dem Substrat erzeugt wird, auf die Feder zu verringern.
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Die
DE 196 39 946 A1 offenbart ein mikromechanisches Bauelement, bei dem auf einem Substrat eine einstückige Oberflächenstruktur ausgebildet ist. Die einstückige Oberflächenstruktur ist durch mindestens zwei Verankerungsbereiche auf der Oberfläche des Substrats befestigt. Die beiden Verankerungsbereiche weisen dabei einen geringen Abstand zueinander auf, der vergleichsweise gering ist im Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Oberflächenstruktur. Die Oberflächenstruktur weist bewegliche Elektroden auf. Dem gegenüberliegend sind starre Elektroden vorgesehen, die durch weitere Verankerungsbereiche auf dem Substrat befestigt sind. Auch die weiteren Verankerungsbereiche weisen einen geringen Abstand untereinander und zu den beiden Verankerungsbereichen auf.
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Die
DE 197 19 779 A1 offenbart einen Beschleunigungssensor mit einer beweglich an einem Substrat aufgehängten, aufgrund einer Beschleunigungseinwirkung auslenkbaren Schwingstruktur und Auswertemitteln zum Erfassen einer beschleunigungsbedingten Auslenkung der Schwingstruktur. Es ist vorgesehen, dass die Schwingstruktur und/oder die Auswertemittel über mechanische Entkopplungseinrichtungen mit dem Substrat verbunden sind.
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Die
DE 198 19 458 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements, insbesondere eines kapazitiven Beschleunigungssensors, mit einer oder mehreren elektrischen oder mechanischen, von mindestens einem geometrischen Designparameter abhängigen Funktionsgrößen.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Aspekte mit der Aufgabe gemacht einen kapazitiven Sensor für dynamische Größen bereitzustellen, bei dem die Verschlechterung der thermischen Eigenschaften der Offsetspannung, die durch die Substratdeformation verursacht werden, unterdrückt wurde.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung deutlicher.
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1A ist eine schematische Draufsicht auf einen kapazitiven Halbleiterbeschleunigungssensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1B ist eine schematische Querschnittsansicht des Sensors in 1A entlang der Linie IB-IB;
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1C ist eine schematische Querschnittsansicht des Sensors in 1A entlang der Linie IC-IC;
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2 ist eine entsprechende Schaltung für eine Erfassungsschaltung des Sensors von 1A;
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3A ist eine vergrößerte Ansicht der Federn und des Spannungspuffers in 1A, gezeigt in einem Anfangszustand;
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3B ist eine vergrößerte Ansicht der Federn und des Spannungspuffers in 1A, die den Zustand zeigt, wenn sich die erste Halbleiterschicht deformiert;
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3C ist eine vergrößerte Ansicht der Federn und des Spannungspuffers in 1A, die den Zustand zeigt, wenn eine Beschleunigung ausgeübt wird;
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4A ist eine schematische Draufsicht eines kapazitiven Halbleiterbeschleunigungssensors des Standes der Technik; und
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4B ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Sensor von 4A in einem Zustand zeigt, in dem er auf einer Leiterplatte befestigt ist.
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Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen nun detailliert beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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Wie in den 1A bis 1C gezeigt, enthält ein Halbleiterbeschleunigungssensor 5 gemäß einer ersten Ausführungsform ein Substrat 4, das eine Silizium auf Isolator bzw. Silicon-On-Insulator (SOI) Struktur aufweist. Das Substrat 4 besteht aus einem Halbleitersubstrat 1 oder einer ersten Halbleiterschicht 1, einer zweiten Halbleiterschicht 2 und einer Isolatorschicht 3, welche eine Opferschicht ist, die zum Beispiel aus Siliziumoxid hergestellt ist. Die Halbleiterschichten 1, 2 sind aus einem Einkristallsilizium hergestellt. Der Sensor 5 von 1A enthält einen Messabschnitt, der mittels aus dem Stand der Technik bekannter Mikrobearbeitungstechnologien unter Verwendung von Halbleiterprozesstechnologien ausgebildet wurde.
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Wie in 1A gezeigt, enthält der Messabschnitt 5 eine bewegliche Einheit 6, erste und zweite feste Einheiten 7, 8 und einen Peripherieabschnitt 9, der die bewegliche Einheit 6 und die festen Einheiten 7, 8 umgibt. Es existieren vorbestimmte Abstände zwischen der beweglichen Einheit 6, den festen Einheiten 7, 8 und dem Peripherieabschnitt 9, um diese 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 Spannungspuffer 13 oder zwei Spannungspufferfedern 13, zwei Verankerungen 14 der beweglichen Einheit und eine Kontaktstelle 15 der beweglichen Elektroden. Die beweglichen Elektroden 10a, 10b sind einstückig mit dem Gewicht 11 so ausgebildet, dass sie auf die zwei Längsseiten des Gewichtes 11 senkrecht stehen. Die Federn 12 sind mit dem Gewicht 11 verbunden, welches ein Masseabschnitt ist, auf den die Beschleunigung einwirkt. Jede der Federn 12 weist ein Durchgangsloch auf, das senkrecht zu der Versatzrichtung der beweglichen Elektroden 10a, 10b verläuft, so dass die Feder die Form eines rechteckigen Rahmens aufweist.
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Die Federn 12 sind mit den Verankerungen der beweglichen Einheit 14 verbunden, die an die erste Halbleiterschicht 1 über die Isolatorschicht 3 und über die Spannungspufferfedern 13 angeschlossen, die wie die Federn 12 rechteckig und rahmenförmig geformt sind. In dieser Ausführungsform sind die Spannungspufferfedern 13 an beiden Enden des Gewichts 11 ausgebildet, wobei sich die Federn 12 dazwischen befinden, wie in 1A gezeigt. Allerdings kann im Wesentlichen die selbe Wirkung erreicht werden, wenn nur eine der Spannungspufferfedern 13 ausgebildet ist.
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Die beweglichen Elektroden 10a, 10b, das Gewicht 11, die Federn 12, und die Spannungspufferfedern 13 sind von der ersten Halbleiterschicht 1 mit einem Abstand angeordnet, wie in den 1B und 1C gezeigt. Der Aufbau wird durch Ätzen der zweiten Halbleiterschicht 2 von seiner Oberfläche her und darauffolgendes selektiven Ätzen der Isolatorschicht 3 ausgebildet, um einen Zwischenraum 16 unter der zweiten Halbleiterschicht 2 auszubilden. Der Umriss des Zwischenraumes 16 ist mit der gestrichelten Linie 22 in 1A gezeigt. Daher werden die Spannungspufferfedern 13 beweglich zwischen den Verankerungen 14 der beweglichen Einheit und den Federn 12 gelagert. Somit ist es selbst dann möglich die durch die Verankerungen 14 der beweglichen Einheit übertragene Spannung mit den Spannungspufferfedern 13 auszugleichen bevor die Spannung zu den Federn 12 übertragen wird, welche für eine genaue Beschleunigungserfassung wichtig sind, wenn sich die erste Halbleiterschicht 1 auf Grund von Temperatureinflüssen deformiert. Die Spannungspufferfedern 13 werden nachstehend detailliert beschrieben.
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Jede der Federn 12 dient als eine Feder, die sich entlang der Richtungen senkrecht auf die Längsrichtung davon ausdehnt und verkürzt. Daher bewegen sich das Gewicht 11 und die beweglichen Elektroden 10a, 10b in die durch den Pfeil in 1A gezeigte Richtung, wenn der Sensor 5 in diese Richtung beschleunigt wird, und bewegen sich in die ursprüngliche Position zurück, wenn die Beschleunigung wieder Null wird. Die Kontaktstelle 15 der beweglichen Elektroden ist mit einer der Verankerungen 14 der beweglichen Einheit an einer vorbestimmten Stelle verbunden. Die Kontaktstelle 15 der beweglichen Elektroden wird zum elektrischen Verbinden der beweglichen Elektroden 10a, 10b mit einer C-V Wandlerschaltung bzw. C-V Converter Circuit verbunden, die später beschrieben wird.
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Die erste und die zweite feste Einheit 7 und 8 enthält jeweils: vier kammzahnförmige erste feste Elektroden 17a und vier kammzahnförmige zweite feste Elektroden 17b; eine erste und eine zweite Verankerung 19a, 19b der festen Einheit; und eine erste und eine zweite Kontaktstelle für die festen Elektroden 18a, 18b. Die erste und die zweite Kontaktstelle für die festen Elektroden 18a und 18b liegt jeweils auf der ersten und der zweiten Verankerung 19a, 19b der festen Einheit zum elektrischen Verbinden der festen Elektroden 17a, 17b mit der C-V Wandlerschaltung. Die Verankerungen 19a, 19b der festen Einheit sind parallel zu den Längsseiten des Gewichtes 11 angeordnet. Die ersten und zweiten festen Elektroden 17a, 17b stehen jeweils von der ersten und der zweiten Verankerung 19a und 19b der festen Einheit hervor, um jeweils den ersten und den zweiten beweglichen Elektroden 10a, 10b parallel gegenüberzustehen, die von den zwei Seiten des Gewichtes 11 hervorstehen, so dass eine vorbestimmte Erfassungslücke zwischen den festen Elektroden 17a, 17b und den beweglichen Elektroden 10a, 10b ausgebildet ist.
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Die Verankerungen 19a, 19b der festen Einheit sind an dem Halbleitersubstrat 1 mit der dazwischenliegenden Isolatorschicht 3 befestigt. Die ersten und zweiten festen Elektroden 17a, 17b werden jeweils an einem Ende davon durch die ersten und die zweite Verankerung 19a, 19b der festen Einheit gelagert. Der Aufbau wird ebenso durch Ätzen der zweiten Halbleiterschicht 2 von seiner Oberfläche her und durch darauffolgendes selektives Ätzen der Isolatorschicht 3 ausgebildet, um den Zwischenraum 16 auszubilden. Die ersten beweglichen Elektroden 10a und die ersten festen Elektroden 17a bilden einen ersten Erfassungsteil 20 aus, der eine erste Kapazität CS1 bereitstellt, und die zweiten beweglichen Elektroden 10b und die zweiten festen Elektroden 17b bilden einen zweiten Erfassungsteil 21 aus, der eine zweite Kapazität CS2 vorsieht.
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Die Elektroden 10a, 17a, 10b, 17b sind so angeordnet, dass die Kapazitätsdifferenz ΔC oder (CS1 – CS2), zwischen der ersten und zweiten Kapazität CS1 und CS2 im Wesentlichen Null wird, wenn keine Beschleunigung anliegt. Wenn der Sensor 5 beschleunigt wird, deformieren sich die Federn 12, um die Abstände zwischen den beweglichen Elektroden 10a, 10b und den festen Elektroden 17a, 17b zu verändern. Daher verändern sich die ersten und zweiten Kapazitäten CS1 und CS2 mit der Abstandsveränderung. Und folglich kann die Beschleunigung unter Verwendung der C-V Wandlerschaltung durch Erfassen der Kapazitätsdifferenz ΔC oder (CS1 – CS2) zwischen den ersten und zweiten Kapazitäten CS1 und CS2 als eine Potentialdifferenz gemessen werden.
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2 ist eine Ersatzschaltung für eine Erfassungsschaltung des Sensors von 1A. Wie in 2 gezeigt, enthält die Erfassungsschaltung eine C-V Wandlerschaltung 23 oder eine Schalter-Kondensator-Schaltung 23. Die C-V Wandlerschaltung 23 wandelt die Kapazitätsdifferenz (CS1 – CS2) zwischen den ersten und zweiten Kapazitäten CS1 und CS2 in eine Spannungsdifferenz und gibt die Spannungsdifferenz aus. Die C-V Wandlerschaltung 23 enthält einen Operationsverstärker 24, einen Kondensator 25 mit einer Kapazität Cf und einen Schalter 26.
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Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 24 ist mit den beweglichen Elektroden 10a, 10b durch die Kontaktstelle 15 der beweglichen Elektroden elektrisch verbunden. Der Kondensator 25 und der Schalter 26 sind zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 22 parallel geschaltet. Eine Spannung Vcc/2 wird über eine Stromquelle, die in der Figur nicht dargestellt ist, an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 24 angelegt.
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Die Erfassungsschaltung enthält auch eine Steuerschaltung, die in der Figur nicht dargestellt ist. Die Steuerschaltung gibt eine erste Trägerwelle, die eine konstante Amplitude Vcc aufweist und sich periodisch ändert, von der ersten Kontaktstelle 18a der festen Elektroden zu den ersten festen Elektroden 17a des ersten Erfassungsteils 20 ein. Zum selben Zeitpunkt gibt die Steuerschaltung eine zweite Trägerwelle, welche eine konstante Amplitude Vcc aufweist, wobei diese um 180° von der ersten Trägerwelle phasenverschoben ist, von der zweiten Kontaktstelle 18b für die festen Elektroden zu den zweiten festen Elektroden 17b des zweiten Erfassungsteils 21 ein.
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Daher wird, wenn keine Beschleunigung anliegt, jedes Potential der Erfassungsteile 20, 21 Vcc/2, da die erste Kapazität CS1 des ersten Erfassungsteils 20 im Wesentlichen gleich der zweiten Kapazität CS2 des zweiten Erfassungsteils 21 ist. Der Schalter 26 in der C-V Wandlerschaltung 23 wird zu vorbestimmten Zeitpunkten geschlossen und geöffnet, die mit den Trägerwellen synchronisiert sind. Wenn der Schalter 26 geöffnet ist, wird eine Beschleunigung erfasst. Die C-V Wandlerschaltung 23 gibt eine Spannung von Vout im Ansprechen auf die Beschleunigung aus. Vout wird durch die folgende Gleichung Gl. 1 ausgedrückt. Vout = (CS1 – CS2) × Vcc/Cf Gleichung 1
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Wenn der Sensor beschleunigt wird, ändert sich das Verhältnis der ersten Kapazität CS1 zu der zweiten Kapazität CS2 und Vout, die, wie sich aus der Gleichung 1 ergibt, proportional zu der Kapazitätsdifferenz (CS1 – CS2) ist, wird ausgegeben. Die ausgegebene Spannung wird durch eine Verstärkerschaltung oder einen Tiefpassfilter verarbeitet, welche nicht in der Figur dargestellt sind, und als ein Beschleunigungserfassungssignal erfasst.
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Obwohl eine Spannung von Vcc/2 von einer Stromquelle, die in der Figur nicht dargestellt ist, an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 24 angelegt wird, kann darüber hinaus eine Spannung von V1 bereitgestellt sein, die ungleich Vcc/2 ist, um eine Selbstdiagnosefunktion zu verwirklichen. Bei der Selbstdiagnosefunktion werden die beweglichen Elektroden 10a, 10b durch Schalten von Vcc/2 auf V1 unter Verwendung eines Schalters versetzt, der nicht in der Figur dargestellt ist. Dabei wird eine vorbestimmte Taktung verwendet, die mit den Trägerwellen synchronisiert ist.
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Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungspuffer 13, oder die Spannungspufferfedern 13 zwischen den Federn 12 und den Verankerungen der beweglichen Einheit 14 in der beweglichen Einheit 6 vorgesehen sind, wie in 3A gezeigt. Die erste Halbleiterschicht 1 des Sensorchips deformiert sich auf Grund der Differenz des Längenausdehnungskoeffizienten zwischen der Leiterplatte 31 und dem Sensorgehäuse 29, den Klebstoffen 28, 30 und dem Sensorchip 5, wenn diese in der in 4B gezeigten Baugruppe erhitzt oder nur verwendet werden. Bei dem Sensor der 1A bis 1C wird die durch die Deformation der ersten Halbleiterschicht 1 verursachte Spannung zu den Verankerungen 14 der beweglichen Einheit übertragen, die mit der ersten Halbleiterschicht 1 über die Isolatorschicht 3 verbunden sind. Dabei werden, wie in 3B gezeigt, die Verankerungen 14 der beweglichen Einheit zu den Startpunkten der übertragenen Spannung, was durch eine Ellipse in 3B angedeutet wird.
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In dem Sensor 27 des Standes der Technik von 4A wirkt die durch die Deformation der ersten Halbleiterschicht 1 verursachte Spannung direkt auf die Federn 12, so dass diese elastisch deformiert werden. Dem zu Folge werden die beweglichen Elektroden 10a, 10b versetzt und von der ursprünglichen Position verschoben. Im Gegensatz dazu dient in dem Sensor von 1A bis 1C jede der Federn 12, die mit dem Gewicht 11 verbunden sind, und jede der Spannungspufferfedern 13, die zwischen den Federn 12 und den Verankerungen 14 der beweglichen Einheit vorgesehen sind, als eine Feder, die sich entlang der Richtungen senkrecht zu ihrer Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht.
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Wie in 3B gezeigt, werden die Spannungspufferfedern 13 auf Grund der Spannung elastisch deformiert, um die Spannung auszugleichen bevor die Spannung auf die Federn 12 einwirkt, da die Spannungspufferfedern 13 zwischen den Federn 12 und den Verankerungen 14 der beweglichen Einheit vorgesehen sind, um als Federn zu dienen. Daher ist es möglich den Einfluss der durch die Deformation verursachten Spannung der ersten Halbleiterschicht 1 auf die Federn 12 zu verringern.
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Wenn eine Beschleunigung entlang der Richtung, wie sie durch einen Pfeil in 3C gezeigt ist ausgeübt wird, die senkrecht zu der Längsrichtung der Federn 12 ist, wird das Gewicht 11, das ein Masseabschnitt ist, von der Beschleunigung beeinträchtigt. Da die Federn 12, die mit dem Gewicht 11 verbunden sind, als Federn dienen, wird der Startpunkt des Versatzes der Abschnitt, der durch eine Ellipse in 3C gekennzeichnet ist. Daher deformieren sich die rechteckigen, rahmenförmigen Federn 12 elastisch, um die Energie zu absorbieren.
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Allerdings dienen, wie oben beschrieben, die Spannungspufferfedern 13, die mit den Federn 12 verbunden sind, als Federn, die sich entlang der Richtungen parallel zu der Längsrichtung des Gewichts 11 ausdehnen und zusammenziehen. Daher verändert sich der Versatzbetrag der beweglichen Elektroden 10a, 10b im Ansprechen auf die Deformation, wenn die Spannungspufferfedern 13 sich auf Grund der einwirkenden Beschleunigung elastisch deformieren. Somit muss der Einfluss der Spannungspufferfedern 13 auf dem Versatz der beweglichen Elektroden 10a, 10b in dem Fehlerbereich des Einflusses der Spannungspufferfedern 13 auf den Versatz der beweglichen Elektroden 10a, 10b sein.
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Der Versatzbetrag der beweglichen Elektroden 10a, 10b auf Grund der elastischen Deformationen der Federn 12 und der Spannungspufferfedern 13, die durch die Beschleunigung verursacht wird, die auf das Gewicht 11 wirkt, ist proportional zu den Federkonstanten der Federn 12 und der Spannungspufferfedern 13. Daher muss die Federkonstante der Spannungspufferfedern 13 größer als die der Federn 12 sein, um die beweglichen Elektroden 10a, 10b von dem Einfluss der Spannungspufferfedern 13 zu befreien, wenn eine Beschleunigung erfasst wird.
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Wenn der Einfluss auf die Spannungspufferfedern 13 auf den Versatz der beweglichen Elektroden 10a, 10b 1% ist, was der Fehlerbereich des Einflusses der Spannungspufferfedern 13 auf den Versatz der beweglichen Elektroden 10a, 10b ist, um die beweglichen Elektroden 10a, 10b im Wesentlichen von dem Einfluss der Spannungspufferfedern 13 zu befreien, wenn die Beschleunigung erfasst wird, muss die Federkonstante K1 der Federn 12 und die Federkonstante K2 der Spannungspufferfedern 13 die folgende Gleichung 2 erfüllen. K2 ≥ K1 × 100 Gleichung 2
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Daher wird, wenn die Federn 12 und die Spannungspufferfedern 13 ausgebildet sind, um die Gleichung 2 zu erfüllen, der Einfluss der Spannungspufferfedern 13 auf den Versatz der beweglichen Elektroden 10a, 10b vernachlässigbar im Vergleich zu den Federn 12, wenn eine Beschleunigung wirkt.
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Die Federkonstante ist proportional zu der dritten Potenz ihrer Breite und ihrer Dicke, oder ihrer Höhe und umgekehrt proportional zu der dritten Potenz ihrer Länge. Daher werden, wenn zum Beispiel die Breite und die Dicke der Federn 12 im Wesentlichen gleich mit der der Spannungspufferfedern 13 sind, die Federn 12 und die Spannungspufferfedern 13 ausgebildet um die folgende Gleichung 3 zu erfüllen. L1/L2 > 4,7 Gleichung 3
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Wobei L1 und L2 jeweils die Länge des Rahmens der Federn 12 und die Länge des Rahmens der Spannungspufferfedern 13 in den Richtungen senkrecht auf die Versatzrichtung der beweglichen Elektroden 10a, 10b ist, wie in 3A gezeigt.
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Das heißt, wenn die Länge L1 der Federn 12 so eingestellt wird, dass sie mindestens 4,7 mal größer als die Länge L2 der Spannungspufferfedern 13 ist, um die Gleichung 3 zu erfüllen, wird der Einfluss der Spannungspufferfedern 13 auf den Versatz der beweglichen Elektroden 10a, 10b 1% oder weniger, selbst wenn die Spannungspufferfedern 13 sich auf Grund der einwirkenden Beschleunigung elastisch deformieren. Und der Einfluss der Spannungspufferfedern 13 auf den Versatz der beweglichen Elektroden 10a, 10b wird vernachlässigbar im Vergleich zu dem der Federn 12, wenn eine Beschleunigung wirkt.
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In dieser Ausführungsform sind die Spannungspufferfedern 13, die vorbestimmte Elastizitäten aufweisen, vorgesehen, um die Spannung, die durch die Deformation der ersten Halbleiterschicht 1 verursacht wird, durch Absorbieren der Spannung unter Verwendung der elastischen Deformation der Spannungspufferfedern 13 auszugleichen. Daher wird die durch die Deformation der ersten Halbleiterschicht 1 verursachte Spannung weniger auf die Federn 12 übertragen. Dem zu Folge werden die beweglichen Elektroden 10a, 10b durch die Spannung kaum versetzt, so dass es möglich ist die Veränderung der Offsetspannung, die durch die Spannung verursacht wird, zu verringern.
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Andere Ausführungsformen
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In der obigen Ausführungsform sind es die Länge L1 der Federn 12 und die Länge L2 der Spannungspufferfedern 13, die so eingestellt sind, dass die Spannungspufferfedern 13 die Beschleunigungsmessung nicht beeinflussen. Alternativ werden, wenn die Länge und die Dicke der Federn 12 im Wesentlichen gleich der Länge und Dicke der Spannungspufferfedern 13 sind, die Federn 12 und die Spannungspufferfedern 13 ausgebildet, um die folgende Gleichung 4 zu erfüllen. d2/d1 > 4,7 Gleichung 4
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Wobei d1 und d2 jeweils die Breite des Rahmens der Federn 12 und die Breite des Rahmens der Spannungspufferfedern 13 in den Richtungen parallel zu der Versatzrichtung der beweglichen Elektrode 10a, 10b ist, wie in 3A gezeigt.
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Das heißt, wenn die Breite d2 der Spannungspufferfedern 13 auf mindestens 4,7 mal größer als die Breite d1 der Federn 12 eingestellt ist, um die Gleichung 4 zu erfüllen, wird der Einfluss der Spannungspufferfedern 13 auf den Versatz der beweglichen Elektroden 10a, 10b 1% oder weniger, selbst wenn die Spannungspufferfedern 13 sich auf Grund der einwirkenden Beschleunigung elastisch verformen, und der Einfluss der Spannungspufferfedern 13 auf dem Versatz der beweglichen Elektroden 10a, 10b wird vernachlässigbar im Vergleich mit dem der Federn 12, wenn die Beschleunigung einwirkt.
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In den obigen Ausführungsformen werden die Längen L1 und L2 und die Breiten d1 und d2 einzeln verändert. Allerdings können die Längen L1 und L2 und die Breiten d1 und d2 natürlich auch gleichzeitig eingestellt werden, um die Gleichung 2 zu erfüllen.
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Der Halbleiterbeschleunigungssensor der 1A bis 1C wird durch Ätzen der zweiten Halbleiterschicht 2 und der Isolatorschicht 3 von der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 2 hergestellt. Allerdings kann die vorliegende Erfindung auf einen Halbleitersensor angewendet werden, der nur durch Ätzen der zweiten Halbleiterschicht 2 von der Oberfläche davon ausgebildet wird, und auf einen Halbleitersensor, dessen Membran, wie zum Beispiel eine bewegliche Elektrode, durch Ätzen der ersten Halbleiterschicht 1 des Sensors von ihrer Oberfläche oder von ihrer nicht isolierenden Schichtseite ausgebildet wird.
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In der ersten Ausführungsform sind die Spannungspufferfedern 13 rechteckig und rahmenförmig. Allerdings können die Spannungspufferfedern 13 andere Aufbauten aufweisen, so lange sie die von der ersten Halbleiterschicht 1 übertragene Spannung absorbieren können. Zum Beispiel kann ein mehrfach gefalteter Aufbau verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden. Ein kapazitiver Sensor für dynamische Größen enthält ein Substrat (1), ein Gewicht (11), eine bewegliche Elektrode (10a, 10b), eine Verankerung (14), eine feste Elektrode (17a, 17b), eine Feder (12), und einen Spannungspuffer (13). Das Gewicht (11) wird durch eine dynamische Größe versetzt. Die bewegliche Elektrode (10a, 10b) ist als ein Teil mit dem Gewicht (11) ausgebildet. Die Verankerung (14) ist an dem Substrat (1) so befestigt, dass das Gewicht (11) und die bewegliche Elektrode (10a, 10b) oberhalb des Substrats (1) aufgehängt sind. Die feste Elektrode (17a, 17b) ist so angeordnet, dass sie der beweglichen Elektrode (10a, 10b) gegenüberliegt. Der Versatz der beweglichen Elektrode (10a, 10b), der im Ansprechen auf die dynamische Größe bewirkt wird, wird als eine Veränderung der Kapazität zwischen den Elektroden (10a, 10b, 17a, 17b) erfasst. Die Feder (12) liegt zwischen der Verankerung (14) und dem Gewicht (11) und deformiert sich im Ansprechen auf die dynamische Größe elastisch, so dass die bewegliche Elektrode (10a, 10b) um eine Strecke versetzt wird, die der dynamischen Größe entspricht. Der Spannungspuffer (13) liegt zwischen der Verankerung (14) und der Feder (12), um den Einfluss einer Spannung, die in dem Substrat (1) erzeugt wird, auf die Feder (12) zu verringern.
