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QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2012-111826 , angemeldet am 15. Mai 2012, und der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-026974 , angemeldet am 14. Februar 2013; auf die dortigen Offenbarungsgehalte wird vollinhaltlich Bezug genommen.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, welche ein Halbleitersubstrat und einen Sensierungsabschnitt aufweist, welcher an einer Seite des Halbleitersubstrats ausgebildet ist und eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt.
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STAND DER TECHNIK
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Wie beispielsweise in Patentliteratur 1 beschrieben, enthält ein üblicherweise verwendeter kapazitiver Beschleunigungssensor ein Substrat, einen Trägerabschnitt, der auf dem Substrat ausgebildet ist, eine bewegliche Elektrode, die von dem Trägerabschnitt getragen wird und oberhalb des Substrats frei schwebend ist, und eine feste Elektrode, die auf dem Substrat ausgebildet ist. Der oben beschriebene Trägerabschnitt, die bewegliche Elektrode und die feste Elektrode (nachfolgend insgesamt als ein Sensierungsabschnitt bezeichnet) sind an einer Seite des Substrats ausgebildet. Die eine Seite ist parallel zu einer Referenzebene, die durch eine X-Richtung und eine Y-Richtung definiert ist.
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Der kapazitive Beschleunigungssensor gemäß Patentliteratur 1 ist sowohl zu einer ersten Richtung, welche durch eine Mitte des Sensors verläuft und sich entlang der X-Richtung erstreckt, als auch einer zweiten Richtung achsensymmetrisch, welche durch die Mitte des Sensors verläuft und sich entlang der Y-Richtung erstreckt. Wenn bei diesem Aufbau eine thermische Verformung in dem Substrat aufgrund einer Temperaturänderung hervorgerufen wird, kann erwartet werden, dass diese thermische Verformung symmetrisch bezüglich sowohl der ersten Richtung als auch der zweiten Richtung verteilt wird. Damit wird unterdrückt, dass eine thermische Belastung aufgrund der thermischen Verformung anisotrop auf den Sensierungsabschnitt wirkt. Folglich wird eine Verschlechterung der Erkennungsgenauigkeit bei Beschleunigung aufgrund der oben beschriebenen thermischen Belastung unterdrückt.
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Wenn jedoch in dem kapazitiven Beschleunigungssensor eine Mehrzahl von Sensierungsabschnitten auf einem Substrat ausgebildet ist, ist nicht jeder der Sensierungsabschnitte achsensymmetrisch sowohl zur ersten Richtung als auch zur zweiten Richtung. Beispielsweise kann der kapazitive Beschleunigungssensor so gestaltet sein, dass ein Sensierungsabschnitt achsensymmetrisch bezüglich der ersten Richtung und asymmetrisch bezüglich der zweiten Richtung und ein Sensierungsabschnitt asymmetrisch bezüglich der ersten Richtung und achsensymmetrisch bezüglich der zweiten Richtung auf einem Substrat ausgebildet sind. Wenn in diesem Fall eine thermische Verformung in dem Substrat aufgrund der Temperaturänderung hervorgerufen wird, ist diese Verformung sowohl zur ersten Richtung als auch zur zweiten Richtung asymmetrisch. Im Ergebnis wird eine thermische Belastung aufgrund der Verformung anisotrop auf jeden Sensierungsabschnitt aufgebracht und die Beschleunigungserkennungsgenauigkeit eines Sensierungsabschnitts kann sich verschlechtern. Weiterhin kann sich die Beschleunigungserkennungsgenauigkeit eines jeden Sensierungsabschnitts von derjenigen eines anderen unterscheiden.
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DRUCKSCHRIFTLICHER STAND DER TECHNIK
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PATENTLITERATUR
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- Patentliteratur 1: JP 2002-82127 A
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Mit Blick auf die obigen Schwierigkeiten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorvorrichtung zu schaffen, bei der eine Verschlechterung der Erkennungsgenauigkeit einer physikalischen Größe unterdrückt ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Sensorvorrichtung ein Halbleitersubstrat und eine Mehrzahl von Sensierungsabschnitten auf, welche auf einer Seite des Halbleitersubstrats angeordnet sind und eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandeln. Diese eine Seite ist parallel zu einer Referenzebene, welche durch eine X-Richtung und eine Y-Richtung definiert ist, welche senkrecht zueinander sind. Das Halbleitersubstrat hat einen Mittelpunkt, der sowohl eine geometrische Mitte als auch der Massenschwerpunkt ist. Das Halbleitersubstrat ist achsensymmetrisch bezüglich sowohl einer ersten Referenzlinie, welche durch den Mittelpunkt verläuft und parallel zur X-Richtung ist, als auch einer zweiten Referenzlinie, welche durch den Mittelpunkt verläuft und parallel zur Y-Richtung ist. Jeder der Sensierungsabschnitte ist achsensymmetrisch bezüglich sowohl der ersten Referenzlinie als auch der zweiten Referenzlinie.
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Bei der obigen Sensorvorrichtung ist eine Verschlechterung der Erkennungsgenauigkeit der physikalischen Größe unterdrückbar.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. In der Zeichnung ist:
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1 eine Draufsicht, welche schematisch die Konfiguration einer Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine Schnittansicht entlang Linie II-II in 1;
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3 eine Schnittansicht entlang Linie III-III in 1;
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4 eine Draufsicht auf eine Abwandlung einer Sensorvorrichtung;
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5 eine Draufsicht auf eine Abwandlung einer Sensorvorrichtung;
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6 eine Draufsicht auf eine Abwandlung einer Sensorvorrichtung;
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7 eine Draufsicht auf eine Abwandlung einer Sensorvorrichtung;
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8 eine Draufsicht auf eine Abwandlung einer Sensorvorrichtung;
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9 eine Schnittansicht entlang Linie IX-IX in 8;
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10 eine Schnittansicht, die einen Verschiebungszustand zeigt, wenn eine Beschleunigung aufgebracht wird;
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11 eine Schnittansicht, die einen Verschiebungszustand zeigt, wenn eine Beschleunigung aufgebracht wird;
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12 eine Draufsicht auf eine Abwandlung einer Sensorvorrichtung;
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13 eine Schnittansicht, welche eine thermische Verformung zeigt, die in einem Halbleitersubstrat mit einem am Halbleitersubstrat befestigten Deckelabschnitt erzeugt wird; und
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14 eine Schnittansicht, welche eine thermische Verformung zeigt, die in einem Halbleitersubstrat ohne einen am Halbleitersubstrat befestigten Deckelabschnitt erzeugt wird.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend wird eine Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die Sensorvorrichtung enthält ein Halbleitersubstrat und einen Sensierungsabschnitt, der nahe an einer Seite des Halbleitersubstrats angeordnet ist, wobei der Sensierungsabschnitt eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt. In der vorliegenden Erfindung enthält der Sensierungsabschnitt einen Beschleunigungssensor.
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(Erste Ausführungsform)
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Nachfolgend wird eine Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform anhand der 1 bis 3 beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung sind zwei senkrecht zueinander stehende Richtungen als X-Richtung bzw. Y-Richtung bezeichnet, und eine Richtung senkrecht zu sowohl der X-Richtung als auch der Y-Richtung wird als Z-Richtung bezeichnet.
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Wie in 1 gezeigt, ist die Sensorvorrichtung 100 geschaffen durch eine Mikrostruktur, welche durch ein Teil eines Halbleitersubstrats 10 gebildet ist. Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist das Halbleitersubstrat 10 gebildet durch ein SOI-Substrat (Silicon On Insulator), bei welchem eine isolierende Schicht 13 zwischen einer ersten Halbleiterschicht 11 und einer zweiten Halbleiterschicht 12 eingeschlossen ist. Sensierungsabschnitte 14, 15 werden durch einen Abschnitt der oben beschriebenen Mikrostruktur geliefert. Die Mikrostruktur wird durch einen Oberflächenabschnitt des Halbleitersubstrats 10 gebildet. Die Sensierungsabschnitte 14, 15 liegen nahe einer Seite 10a des Halbleitersubstrats 10. Das heißt, bei dem Halbleitersubstrat 10 sind die zweite Halbleiterschicht 12, die isolierende Schicht 13 und die erste Halbleiterschicht 11 in dieser Reihenfolge in einer Richtung ausgehend von der einen Seite 10a in Richtung zur anderen Seite hin angeordnet, welche entgegengesetzt zu der einen Seite 10a ist. Die Sensierungsabschnitte 14, 15 werden von der zweiten Halbleiterschicht 12 geliefert. Die eine Seite 10a ist parallel zu einer Referenzebene, die durch die X-Richtung und die Y-Richtung definiert ist.
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Die Sensierungsabschnitte 14, 15 werden durch Ätzen gebildet. Genauer gesagt, die zweite Halbleiterschicht 12 und die isolierende Schicht 13 werden durch eine bekannte Belichtungstechnologie in eine bestimmte Form geätzt. Jeder der Sensierungsabschnitte 14, 15 enthält einen schwimmenden Abschnitt 16 und einen festen Abschnitt 17. Der schwimmende Abschnitt 16 wird durch einen Teil der zweiten Halbleiterschicht 12 geliefert, der oberhalb der ersten Halbleiterschicht 11 ohne eine dazwischen liegende isolierende Schicht 13 schwimmt. Der feste Abschnitt 17 wird durch einen Teil der zweiten Halbleiterschicht 12 geliefert, der über die isolierende Schicht 13 an der ersten Halbleiterschicht 11 befestigt ist. Das heißt, die Sensierungsabschnitte 14, 15 werden durch die zweite Halbleiterschicht 12 des Halbleitersubstrats 10 gebildet.
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Der schwimmende Abschnitt 6 enthält einen Gewichtsabschnitt 18, der einen Massenschwerpunkt bildet, eine bewegliche Elektrode 19, die durch einen Teil des Gewichtsabschnitts 18 gebildet wird, eine feste Elektrode 20, welche entgegengesetzt zu der beweglichen Elektrode 19 liegt, einen Trägerabschnitt 21, der die feste Elektrode 20 trägt, und einen ersten Auslegerabschnitt 22, der in einer Richtung, in der die bewegliche Elektrode der festen Elektrode 20 gegenüberliegt, federnd ist.
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Der feste Abschnitt 17 enthält einen ersten Anker 23, der den Gewichtsabschnitt 18 trägt, und einen zweiten Anker 24, der über den Trägerabschnitt 21 die feste Elektrode 20 trägt. Der erste Anker 23 enthält ein erstes Kissen 25 zum Empfang einer Spannung und der zweite Anker 24 enthält ein zweites Kissen 26 zur Ausgabe einer Kapazitätsänderung eines Kondensators an ein (nicht gezeigtes) externes Element. Der Kondensator wird gebildet durch die bewegliche Elektrode 19 und die feste Elektrode 20. Wenn eine Beschleunigung auf die Sensorvorrichtung 100 einwirkt, wird der Gewichtsabschnitt 18 (die bewegliche Elektrode 19) entsprechend einer Größe der anliegenden Beschleunigung verschoben und die Verschiebung wird in die Kapazität des oben beschriebenen Kondensators umgewandelt. Nach der Umwandlung in die Kapazität wird die Kapazität als ein Erkennungssignal der physikalischen Größe (der Beschleunigung) über das zweite Kissen 26 an das externe Element ausgegeben.
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Wie in den 1 bis 3 gezeigt, sind der erste Sensierungsabschnitt 14 und der zweite Sensierungsabschnitt 15 hinsichtlich ihrer Form zueinander unterschiedlich. Nachfolgend wird zunächst die Konfiguration des ersten Sensierungsabschnitts 14 beschrieben und nachfolgend die Konfiguration des zweiten Sensierungsabschnitts 15.
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Der Gewichtsabschnitt 18 des ersten Sensierungsabschnitts 14 enthält einen Rahmenabschnitt 18a. Eine Längsrichtung des Rahmenabschnitts 18a ist entlang der X-Richtung und umgibt den ersten Anker 23. Der Anker 23 und der Rahmenabschnitt 18a sind miteinander über die ersten Auslegerabschnitte 22 verbunden. Der erste Auslegerabschnitt 22 verbindet ein entsprechendes Ende des Ankers 23 mit dem Rahmenabschnitt 18a und ist in X-Richtung federnd. Durch diese Formgebung ist der Rahmenabschnitt 18a in X-Richtung verschiebbar.
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Wie in 1 gezeigt, wird ein vom Rahmenabschnitt 18a eingefasster Bereich von dem ersten Anker 23 und dem ersten Auslegerabschnitt 22 gleichmäßig in zwei Bereiche unterteilt. Die beiden gleichmäßig unterteilten Bereiche liegen symmetrisch bezüglich einer ersten Referenzlinie L1, welche durch einen Mittelpunkt des Halbleitersubstrats 10 verläuft und parallel zur X-Richtung ist. Der von der ersten Referenzlinie L1 durchlaufene Mittelpunkt ist sowohl der geometrische Mittelpunkt als auch der Massenschwerpunkt des Halbleitersubstrats 10. Die bewegliche Elektrode 19, die feste Elektrode 20 und der Trägerabschnitt 21, der die feste Elektrode 20 trägt, sind in jedem der beiden gleichmäßig unterteilten Bereiche angeordnet. Jede bewegliche Elektrode 19 hat eine Kammform und ist so ausgebildet, dass eine Längsrichtung der beweglichen Elektrode 19 entlang der Y-Richtung verläuft. Jede bewegliche Elektrode 19 erstreckt sich von einer inneren Oberfläche des Rahmenabschnitts 18a entlang der X-Richtung. Jede feste Elektrode 20 hat eine Kammform und ist so gebildet, dass eine Längsrichtung der festen Elektrode 20 entlang der Y-Richtung verläuft. Jede feste Elektrode 20 erstreckt sich von einer Oberfläche des Trägerabschnitts 21, welche gegenüberliegend dem Rahmenabschnitt 18a angeordnet ist. Die kammförmigen Elektroden 19, 20 sind miteinander in Eingriff, so dass sie einander in X-Richtung gegenüberliegen. Die kammförmigen Elektroden 19, 20 bilden einen ersten Kondensator. Die Kapazität des ersten Kondensators ändert sich mit einem Verschiebungsbetrag des Rahmenabschnitts 18a (der beweglichen Elektrode 19) in X-Richtung.
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Wie oben beschrieben, ist der vom Rahmenabschnitt 18a eingefasste Bereich durch den ersten Anker 23 und den ersten Auslegerabschnitt 22 gleichförmig in zwei Bereiche unterteilt. Die bewegliche Elektrode 19, die in einem Bereich liegt (nachfolgend als oberer Bereich bezeichnet), der in der Zeichnung an der oberen Seite liegt, liegt an einer linken Seite der gegenüberliegenden festen Elektrode 20 in der Zeichnung. Die bewegliche Elektrode 19, die in dem anderen Bereich liegt (nachfolgend als unterer Bereich bezeichnet), der in der Zeichnung an einer unteren Seite liegt, liegt an einer rechten Seite der gegenüberliegenden festen Elektrode 20 in der Zeichnung. Wenn sich daher der Rahmenabschnitt 18a in der Zeichnung nach rechts bewegt, werden die bewegliche Elektrode 19 und die feste Elektrode 20 im oberen Bereich so verschoben, dass sie voneinander getrennt werden, und die bewegliche Elektrode 19 und die feste Elektrode 20 in dem unteren Bereich werden so verschoben, dass sie näher aneinander geraten. Wenn daher die Kapazität des ersten Kondensators, gebildet durch die Elektroden 19, 20 im oberen Bereich, zunimmt, nimmt die Kapazität des ersten Kondensators, gebildet durch die Elektroden 19, 20 im unteren Bereich, ab und wenn die Kapazität des ersten Kondensators, gebildet durch die Elektroden 19, 20 im unteren Bereich, zunimmt, nimmt die Kapazität des ersten Kondensators, gebildet durch die Elektroden 19, 20 im oberen Bereich, ab. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Beschleunigung in X-Richtung auf der Grundlage des Kapazitätsunterschieds zwischen den beiden ersten Kondensatoren erkannt. In dem ersten Sensierungsabschnitt 14 liegt der erste Anker 23 in der Mitte des Halbleitersubstrats 10 und liegt auf einer Linie mit dem zweiten Anker 24, der vom ersten Anker 23 in Y-Richtung um einen sehr kleinen Betrag beabstandet ist (Abstand zum Trennen der Anker 23 und 24 voneinander).
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Nachfolgend wird der zweite Sensierungsabschnitt 15 beschrieben. Der Gewichtsabschnitt 18 des zweiten Sensierungsabschnitts 15 hat einen Rahmenabschnitt 18b, der den ersten Sensierungsabschnitt 14 umgibt. Der erste Anker 23 liegt außerhalb des vom Rahmenabschnitt 18b eingefassten Bereichs. Der Bereich in dem Rahmenabschnitt 18b entlang der X-Richtung und der erste Anker 23 sind miteinander über den Auslegerabschnitt 22 verbunden, der in Y-Richtung federnd ist. Diese Konfiguration erlaubt, dass der Rahmenabschnitt 18b in X-Richtung verschiebbar ist.
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Zwei rechteckförmige Bereiche (mit gestrichelten Linien eingefasste Bereiche) sind zwischen einem Teil des Rahmenabschnitts 18b entlang der Y-Richtung und dem ersten Sensierungsabschnitt 14 gebildet. Diese beiden Bereiche sind symmetrisch bezüglich der zweiten Referenzlinie L2 angeordnet, die parallel zur Y-Richtung ist und durch den Mittelpunkt des Halbleitersubstrats verläuft. Der Mittelpunkt ist sowohl der geometrische Mittelpunkt als auch der Massenschwerpunkt des Halbleitersubstrats 10. Die bewegliche Elektrode 19, die feste Elektrode 20 und der Trägerabschnitt 21, der die feste Elektrode 20 trägt, sind in jedem der beiden Bereiche angeordnet. Jede der beweglichen Elektroden 19 erstreckt sich X-Richtung von einer Innenfläche eines Teils des Rahmenabschnitts 18b. Jede der beweglichen Elektroden 19 hat eine Kammform und ist so ausgebildet, dass eine Längsrichtung der beweglichen Elektrode 19 entlang der X-Richtung verläuft. Jede der festen Elektroden 20 erstreckt sich von einer Innenfläche des Trägerabschnitts 21 aus in X-Richtung. Die Innenfläche des Trägerabschnitts 21 ist eine Oberfläche, die dem Rahmenabschnitt 18b entgegengesetzt ist. Jede der festen Elektroden 20 hat eine Kammform und ist so gebildet, dass eine Längsrichtung der festen Elektrode entlang der X-Richtung verläuft. Die kammförmigen Elektroden 19, 20 sind miteinander in Eingriff, so dass sie einander in Y-Richtung gegenüberliegen. Die kammförmigen Elektroden 19, 20 bilden einen zweiten Kondensator. Die Kapazität des zweiten Kondensators ändert sich mit einem Verschiebungsbetrag des Rahmenabschnitts 18b (der beweglichen Elektrode 19) in Y-Richtung.
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Wie oben beschrieben, sind die beiden Bereiche zwischen einem Teil des Rahmenabschnitts 18b, der entlang der Y-Richtung verläuft, und dem ersten Sensierungsabschnitt 14 ausgebildet. Die bewegliche Elektrode 19, die in einem Bereich liegt (nachfolgend als linker Bereich bezeichnet), der sich in der Zeichnung auf der linken Seite befindet, liegt in der Zeichnung unterhalb der gegenüberliegenden festen Elektrode 20. Die bewegliche Elektrode 19, die im anderen Bereich liegt (nachfolgend als rechter Bereich bezeichnet), der sich in der Zeichnung auf der rechten Seite befindet, liegt in der Zeichnung oberhalb der gegenüberliegenden festen Elektrode 20. Wenn sich aus diesem Grund der Rahmenabschnitt 18b in der Zeichnung nach unten bewegt, werden die bewegliche Elektrode 19 und die feste Elektrode 20, die im linken Bereich liegen, so verschoben, dass sie voneinander getrennt werden, und die bewegliche Elektrode 19 und die feste Elektrode 20, die im rechten Bereich liegen, werden so verschoben, dass sie einander annähern. Wenn daher eine Kapazität des zweiten Kondensators, gebildet durch die Elektroden 19, 20, zunimmt, nimmt eine Kapazität des zweiten Kondensators, gebildet durch die Elektroden 19, 20 im rechten Bereich, ab und wenn die Kapazität des zweiten Kondensators, gebildet durch die Elektroden 19, 20, abnimmt, nimmt die Kapazität des zweiten Kondensators, gebildet durch die Elektroden 19, 20, im rechten Bereich zu. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Beschleunigung in Y-Richtung auf der Grundlage der Kapazitätsdifferenz zwischen den zwei zweiten Kondensatoren erkannt.
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Nachfolgend werden Merkmale der Sensorvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Wie in 1 gezeigt, ist das Halbleitersubstrat 10 achsensymmetrisch bezüglich der folgenden ersten Referenzlinie L1 und der zweiten Referenzlinie L2 geformt. Die erste Referenzlinie L1 ist parallel zur X-Richtung und verläuft durch den Mittelpunkt des Halbleitersubstrats. Hierbei ist der Mittelpunkt des Halbleitersubstrats sowohl der geometrische Mittelpunkt als auch der Massenschwerpunkt des Halbleitersubstrats 10. Die zweite Referenzlinie L2 ist parallel zur Y-Richtung und verläuft durch den Mittelpunkt des Halbleitersubstrats 10. Jeder der Sensierungsabschnitte 14, 15 ist ebenfalls achsensymmetrisch bezüglich der ersten Referenzlinie L1 und der zweiten Referenzlinie L2. Die beweglichen Elektroden 19 oder die festen Elektroden 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind nicht streng symmetrisch bezüglich jeder der Referenzlinien L1, L2. Jedoch sind Masse und auch Menge sowohl der beweglichen Elektroden 19 als auch der festen Elektroden 20 symmetrisch bezüglich jeder der Referenzlinien L1, L2 und eine Gesamtmasse der Elektroden 19, 20 ist wesentlich kleiner als diejenige des Gewichtsabschnitts 18. Aus diesem Grund haben die Elektroden 19, 20 kaum Einfluss auf eine thermische Verformung, welche im Halbleitersubstrat 10 erzeugt wird.
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Weiterhin ist in der vorliegenden Ausführungsform der erste Sensierungsabschnitt 14 in dem Bereich angeordnet, der vom Rahmenabschnitt 18b des zweiten Sensierungsabschnitts 15 umgeben ist. Das heißt, die Sensierungsabschnitte 14, 15 sind in einer Art Nestform angeordnet. Der erste Anker 23 und der zweite Anker 24 sind in der ersten Referenzlinie L1 angeordnet und sind ebenso in der zweiten Referenzlinie L2 angeordnet.
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Es erfolgt eine Beschreibung von Arbeitsweise und Auswirkung der Sensorvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie oben beschrieben, ist die Mehrzahl von Sensierungsabschnitten 14, 15 in dem einzelnen Halbleitersubstrat 10 ausgebildet, und jeder der Sensierungsabschnitte 14, 15 und das Halbleitersubstrat 10 sind achsensymmetrisch bezüglich sowohl der ersten Referenzlinie L1 als auch der zweiten Referenzlinie L2 geformt. In einem Vergleichsbeispiel sind ein Sensierungsabschnitt achsensymmetrisch bezüglich der ersten Referenzlinie L1 und asymmetrisch bezüglich der zweiten Referenzlinie L2 und Sensierungsabschnitt asymmetrisch bezüglich der ersten Referenzlinie L1 und achsensymmetrisch bezüglich der zweiten Referenzlinie L2 in dem einzelnen Halbleitersubstrat ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform wird im Gegensatz zum Vergleichsbeispiel erwartet, dass die Verformung bezüglich sowohl der ersten Referenzlinie L1 als auch der zweiten Referenzlinie L2 symmetrisch ist, auch wenn eine thermische Verformung aufgrund einer Temperaturänderung im Halbleitersubstrat 10 erzeugt wird. Daher kann eine thermische Belastung aufgrund dieser Verformung daran gehindert werden, anisotrop auf jeden Sensierungsabschnitt 14, 15 zu wirken, und eine Genauigkeitsverschlechterung bei der Erkennung der physikalischen Größe durch jeden Sensierungsabschnitt 14, 15 wird unterdrückt. Weiterhin wird eine Schwankung in den Erkennungsgenauigkeiten der physikalischen Größe der Sensierungsabschnitte 14, 15 unterdrückt.
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Die Sensierungsabschnitte 14, 15 sind in einer Nestform angeordnet. Mit dieser, Ausgestaltung kann die Baugröße der Sensorvorrichtung 100 im Vergleich zu einer Ausgestaltung verringert werden, bei der die Sensierungsabschnitte einfach hintereinander im Halbleitersubstrat gebildet sind. Da die Sensierungsabschnitte 14, 15 bezüglich ihrer Baugröße unterschiedlich zueinander sind, sind die Bestandteile der Sensierungsabschnitte 14, 15 ebenfalls untereinander von unterschiedlicher Größe. Somit können die Sensierungsabschnitte 14, 15 unterschiedliche Erkennungsbereiche haben.
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Die Anker 23, 24 liegen auf einer Linie entlang der ersten Referenzlinie L1 und der zweiten Referenzlinie L2. Somit ist der Aufbau eines jeden Sensierungsabschnitts 14, 15 im Vergleich zu einem Aufbau vereinfacht, bei dem eine Mehrzahl von Ankern nicht auf einer Linie entlang sowohl der ersten Referenzlinie L1 als auch der zweiten Referenzlinie L2 liegt.
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Wie oben beschrieben, kann, selbst wenn eine thermische Verformung in dem Halbleitersubstrat 10 aufgrund einer Temperaturänderung erzeugt wird, erwartet werden, dass diese Verformung symmetrisch bezüglich sowohl der ersten Referenzlinie L1 als auch der zweiten Referenzlinie L2 verteilt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die beiden ersten Kondensatoren, die symmetrisch bezüglich der ersten Referenzlinie L1 liegen, einander entgegengesetzt in ihrer Kapazität erhöht und verringert, und eine Beschleunigung in X-Richtung wird auf der Grundlage der Kapazitätsdifferenz zwischen den beiden ersten Kondensatoren erkannt. Weiterhin werden die beiden zweiten Kondensatoren, die symmetrisch bezüglich der zweiten Referenzlinie L2 liegen, einander entgegengesetzt in ihrer Kapazität erhöht und verringert, und eine Beschleunigung in X-Richtung wird auf der Grundlage der Kapazitätsdifferenz zwischen den beiden zweiten Kondensatoren erkannt. Mit dieser Ausgestaltung werden durch thermische Belastungen erzeugte Fehler aufgehoben.
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Im ersten Sensierungsabschnitt 14 liegt der erste Anker 23 auf einer Linie mit dem zweiten Anker 24 und ist vom zweiten Anker 24 durch einen extrem kleinen Abstand in Y-Richtung getrennt. Das heißt, in dem Sensierungsabschnitt mit der kleinsten Abmessung liegt der erste Anker 23 auf einer Linie mit dem zweiten Anker 24 und ist hiervon durch einen extrem kleinen Abstand getrennt. Der Sensierungsabschnitt mit der kleinsten Abmessung kann auch als innerer Sensierungsabschnitt bezeichnet werden. Mit dieser Ausgestaltung kann der Verformungsbetrag, der in den Ankern 23, 24 des Halbleitersubstrats 10 erzeugt wird, auf einen gleichen Wert im Vergleich zu einer Ausgestaltung gesteuert werden, bei der der erste Anker entfernt vom zweiten Anker angeordnet ist. Hierbei wird die Belastung in den Ankern 23, 24 durch die thermische Belastung erzeugt, welche wiederum durch die thermische Verformung bewirkt wird. Im Ergebnis kann auch der Verformungsbetrag der Elektroden 19, 20, welche von den Ankern 23, 24 aufgehängt sind, auf einen gleichen Wert gesteuert werden, und Schwankungen in einem Bereich des gegenüberliegenden Abschnitts und ein Abstand zwischen den beiden gegenüberliegenden Elektroden 19, 20 werden unterdrückt. Im Ergebnis wird eine Verschlechterung der Erkennungsgenauigkeit der Beschleunigung unterdrückt.
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Bis hierher erfolgte eine Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform insgesamt beschränkt und kann auf verschiedene Arten abgewandelt und ausgebildet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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In der voranstehenden Ausführungsform sind die beweglichen Elektroden 19 und die festen Elektroden 20 nicht streng symmetrisch bezüglich einer jeden Referenzlinie L1, L2. Als ein anderes Beispiel kann die Ausgestaltung verwendet werden, bei der die beweglichen Elektroden 19 und die festen Elektroden 20 streng symmetrisch einer jeden Referenzlinie L1, L2 sind.
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In der voranstehenden Ausführungsform ist, wie in 1 gezeigt, die zweite Halbleiterschicht 12 oder die isolierende Schicht 13 nicht in einem Bereich entfernt vom zweiten Sensierungsabschnitt 15 gebildet. Als ein anderes Beispiel kann, obgleich in der Zeichnung nicht gezeigt, ein Umgebungsabschnitt, der jeden der Sensierungsabschnitte 14, 15 umgibt, in einem Bereich entfernt vom zweiten Sensierungsabschnitt 15 ausgebildet sein. Insbesondere kann der Umgebungsabschnitt durch eine Ausgestaltung geschaffen werden, bei der die zweite Halbleiterschicht 12 durch die isolierende Schicht 13 mit der ersten Halbleiterschicht 11 verbunden ist.
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In der voranstehenden Ausführungsform liegt der erste Anker 23, der den Rahmenabschnitt 18b trägt, außerhalb eines Bereichs, der vom Rahmenabschnitt 18b des zweiten Sensierungsabschnitts 15 umgeben ist. In einem weiteren Beispiel kann gemäß 4 der erste Anker 23, der den Rahmenabschnitt 18b trägt, innerhalb eines Bereich angeordnet werden, der vom Rahmenabschnitt 18b des zweiten Sensierungsabschnitts 15 umgeben ist.
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In der Abwandlung gemäß 4 hat der Rahmenabschnitt 18b des zweiten Sensierungsabschnitts 15 die größte Formabmessung unter der Mehrzahl von Sensierungsabschnitten 14, 15 und liegt entlang eines Kantenabschnitts an einer Seite 10a des Halbleitersubstrats 10. Der zweite Sensierungsabschnitt 15, der die größte Abmessung hat, wird auch als äußerer Sensierungsabschnitt bezeichnet. Bei dieser Ausgestaltung ist der Bereich, wo die Sensierungsabschnitte 14, 15 nicht ausgebildet sind, daran gehindert, außerhalb des Bereichs zu liegen, der vom Rahmenabschnitt des Sensierungsabschnitts umgeben ist, der die größte Abmessung hat. Damit kann eine Baugröße der Sensorvorrichtung 100 im Vergleich zu einer Ausgestaltung verringert werden, bei der der Rahmenabschnitt des Sensierungsabschnitts, der die größte Abmessung hat, nicht entlang dem Kantenabschnitt von einer Seite des Halbleitersubstrats ausgebildet ist. In der in 4 dargestellten Abwandlung ist die Ebenenabmessung des Bereichs, der vom Rahmenabschnitt 18b umgeben wird, etwas kleiner als die Ebenenabmessung der Seite 10a des Halbleitersubstrats 10. Diese Ausgestaltung unterdrückt weiterhin die Ausbildung eines Bereichs, wo die Sensierungsabschnitte 14, 15 nicht gebildet sind, an einem äußeren Bereich des Rahmenabschnitts des Sensierungsabschnitts mit der größten Abmessung. Somit kann eine Zunahme der Baugröße der Sensorvorrichtung 100 weiter effektiv unterdrückt werden.
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In der voranstehenden Ausführungsform sind gemäß 1 die Trägerabschnitte 21, welche die festen Elektroden 20 bilden, direkt mit den zweiten Ankern 24 verbunden. In einem weiteren Beispiel können gemäß 5 die Trägerabschnitt 21 direkt mit dem zweiten Anker 24 über einen zweiten Auslegerabschnitt 27 verbunden sein, der in einer Richtung senkrecht zu der Richtung federnd ist, in der die beweglichen Elektroden 19 und die festen Elektroden 20 einander gegenüberliegen. Diese Ausgestaltung unterdrückt eine Verformung der festen Elektroden 20 aufgrund von thermischen Belastungen, verursacht durch thermische Verformungen im Halbleitersubstrat 10. Aus diesem Grund wird eine Verschlechterung der Erkennungsgenauigkeit der Beschleunigung unterdrückt.
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In der Abwandlung gemäß 5 ist der zweite Auslegerabschnitt 27 am zweiten Anker 24 des zweiten Sensierungsabschnitts 15 vorgesehen. In einem weiteren Beispiel gemäß 6 kann der zweite Auslegerabschnitt 27 am zweiten Anker 24 des ersten Sensierungsabschnitts 14 vorgesehen sein. In der Abwandlung gemäß 6 ist der zweite Auslegerabschnitt 27 mit einer Oberfläche des zweiten Ankers 24 des ersten Sensierungsabschnitts 14 verbunden. Hierbei ist die Oberfläche des zweiten Ankers 24 des ersten Sensierungsabschnitts 14, welcher mit dem zweiten Auslegerabschnitt 27 verbunden ist, an einer gegenüberliegenden Seite einer Oberfläche des zweiten Ankers 24 des ersten Sensierungsabschnitts 14 angeordnet, der dem ersten Anker 23 gegenüberliegt. Im Ergebnis ist im ersten Sensierungsabschnitt 14 der erste Anker 23 auf einer Linie mit dem zweiten Anker 24 und ist hiervon durch einen extrem kleinen Abstand in Y-Richtung beabstandet. Mit dieser Ausgestaltung ist, wie in der voranstehenden Ausführungsform beschrieben, eine Schwankung in der Fläche des Gegenüberliegungsabschnitts der beiden gegenüberliegenden Elektroden 19, 20 und dem Abstand zwischen den beiden gegenüberliegenden Elektroden 19, 20 im Vergleich zu einer Ausgestaltung unterdrückt, bei der der erste Anker 23 und der zweite Anker 24 voneinander beabstandet sind. Hierbei sind die gegenüberliegenden Elektroden 19, 20 von dem ersten Anker 23 und dem zweiten Anker 24 gelagert. Folglich wird eine Verschlechterung der Erkennungsgenauigkeit der Beschleunigung unterdrückt.
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In den Abwandlungen der 5 und 6 ist am zweiten Anker 24 ein zweiter Auslegerabschnitt 27 vorgesehen. Gemäß einem weiteren Beispiel ist die Anzahl der zweiten Auslegerabschnitte 27 nicht auf einen beschränkt, wie in der nachfolgend beschriebenen Abwandlung. Beispielsweise können gemäß 7 zwei zweite Auslegerabschnitte 27 am zweiten Anker 24 vorgesehen sein. Was den Aufbau betrifft, bei dem eine Mehrzahl zweiter Auslegerabschnitte 27 ausgebildet ist, kann jeder der zweiten Auslegerabschnitte 27 auch als zweiter Unterauslegerabschnitt bezeichnet werden. Mit dieser Ausgestaltung wird eine Verformung der festen Elektroden 20 im Halbleitersubstrat 10, erzeugt durch eine thermische Belastung aufgrund thermischer Verformungen, effektiver unterdrückt. Somit wird eine Verschlechterung der Erkennungsgenauigkeit der Beschleunigung weiter unterdrückt.
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In der voranstehenden Ausführungsform sind der erste Sensierungsabschnitt 14 zur Erkennung der Beschleunigung in X-Richtung und der zweite Sensierungsabschnitt 15 zur Erkennung der Beschleunigung in Y-Richtung im Halbleitersubstrat 10 ausgebildet. In einem anderen Beispiel kann gemäß den 8 und 9 zusätzlich zu den Sensierungsabschnitten 14, 15 ein dritter Sensierungsabschnitt 28 zur Erkennung einer Beschleunigung in Z-Richtung im Halbleitersubstrat 10 ausgebildet werden.
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Gemäß den 8 und 9 enthält der schwimmende Abschnitt 16 des dritten Sensierungsabschnitts 28 einen Rahmenabschnitt 18c, der den Massenschwerpunkt bildet, und einen dritten Auslegerabschnitt 29, der Z-Richtung federnd ist. Der feste Abschnitt 17 des dritten Sensierungsabschnitts 28 enthält einen dritten Anker 30, der den Rahmenabschnitt 18c über dem dritten Auslegerabschnitt 29 oberhalb der ersten Halbleiterschicht 11 trägt. Der Rahmenabschnitt 18c dient auch als bewegliche Elektrode 19 gemäß der voranstehenden Ausführungsform, und der Rahmenabschnitt 18c liegt in Z-Richtung den festen Elektroden 20 in der ersten Halbleiterschicht 11 gegenüber. Wenn bei dieser Ausgestaltung eine Beschleunigung in der Zeichnung nach oben aufgebracht wird, wird der Rahmenabschnitt 18c in der Zeichnung nach unten verschoben, wie durch die gestrichelten Linien in 10 gezeigt, und der Rahmenabschnitt 18c und die festen Elektroden 20 werden so verschoben, dass sie einander annähern. Wenn eine entgegengesetzte Beschleunigung aufgebracht wird, das heißt, in der Zeichnung nach oben aufgebracht wird, wird der Rahmenabschnitt 18c in der Zeichnung nach oben verschoben, wie durch die gestrichelte Linie in 11 gezeigt, und der Rahmenabschnitt 18c und die feste Elektroden 20 werden so verschoben, dass sie sich voneinander weg bewegen. Das Halbleitersubstrat 10 gemäß der vorliegenden Abwandlung wird gebildet durch Verbindung einer Mehrzahl von Wafern, und jede Schicht 11 bis 13 ist nicht eine einzelne Schicht.
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In der voranstehenden Ausführungsform erkennt jeder der Sensierungsabschnitte 14, 15 eine Beschleunigung. In einem anderen Beispiel gemäß 12 kann jeder der Sensierungsabschnitte 14, 15 eine Winkelgeschwindigkeit erkennen. In diesem Fall enthält der schwimmende Abschnitt 16 eine erste Treiberelektrode 31, die in dem Gewichtsabschnitt 18 ausgebildet ist, und eine zweite Treiberelektrode 32, die der ersten Treiberelektrode 31 in einer Richtung senkrecht zu der Richtung gegenüberliegt, in der die Elektroden 19, 20 einander gegenüberliegen. An den Gewichtsabschnitt 18 wird eine bestimmte Spannung angelegt, und eine Spannung, deren Polarität periodisch umgekehrt wird, wird an die zweite Treiberelektrode 32 angelegt. Im Ergebnis schwingt der Gewichtsabschnitt 18 in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Elektroden 19, 20 einander gegenüberliegen. Wenn daher eine Winkelgeschwindigkeit in Z-Richtung aufgebracht wird, wird eine Coriolis-Kraft entlang der Richtung, in der die Elektroden 19, 20 einander gegenüberliegen, im Gewichtsabschnitt 18 erzeugt. Im Ergebnis wird die Kapazität eines jeden Kondensators, gebildet durch die Elektroden 19, 20, geändert. Folglich kann eine Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage der sich ändernden Kapazität erkannt werden. Bei dieser Abwandlung erkennt jeder der ersten Sensierungsabschnitte 14 und zweiten Sensierungsabschnitte 15 die Winkelgeschwindigkeit in Z-Richtung, und ein Elastizitätsmodul des ersten Auslegerabschnitts 22 des ersten Sensierungsabschnitts 14 ist unterschiedlich zu einem Elastizitätsmodul des ersten Auslegerabschnitts 22 des zweiten Sensierungsabschnitts 15. Somit können die Sensierungsabschnitte 14, 15 unterschiedliche Erkennungsbereiche haben.
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Obgleich in der Zeichnung nicht gezeigt, können sowohl ein Beschleunigungssensor als auch ein Winkelgeschwindigkeitssensor im Halbleitersubstrat 10 ausgebildet werden.
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Wie in 13 gezeigt, kann am Halbleitersubstrat 10 ein Deckelabschnitt 33 vorgesehen werden. Genauer gesagt, der Deckelabschnitt 33 kann so gestaltet werden, dass, wenn der Deckelabschnitt 3 an der einen Seite 10a des Halbleitersubstrats 10 befestigt ist, der Deckelabschnitt 33 einen Aufnahmeraum zur Aufnahme der Sensierungsabschnitte 14, 15 zwischen dem Deckelabschnitt 33 und dem Halbleitersubstrat 10 definiert. Bei dieser Ausgestaltung ist das Halbleitersubstrat 10 durch den Deckelabschnitt 33 begrenzt. Somit wird, wie durch die gestrichelte Linie in den 13 und 14 gezeigt, die Erzeugung der thermischen Verformung im Halbleitersubstrat 10, an welchem der Deckelabschnitt 33 befestigt ist, im Vergleich zu einer Ausgestaltung unterdrückt, bei der ein Deckelabschnitt 33 nicht am Halbleitersubstrat 10 befestigt ist. Damit kann eine thermische Belastung aufgrund einer thermischen Verformung daran gehindert werden, auf jeden der Sensierungsabschnitte 14, 15 aufgebracht zu werden. Die durch die Pfeile in den 13 und 14 bezeichnete Abmessung zeigt Verformungsbeträge der Halbleitersubstrate 10 in Z-Richtung bei der obigen Abwandlung und dem Vergleichsbeispiel. Der Deckelabschnitt 33 und das Halbleitersubstrat 10 können mechanisch miteinander durch einen Oxidfilm 34 verbunden werden. In diesem Fall kann der Oxidfilm 34 in der zweiten Halbleiterschicht 12 gebildet werden, welche den festen Abschnitt 17 bildet. Obgleich in der Zeichnung nicht gezeigt, kann nicht nur der isolierende Oxidfilm 34, sondern auch ein leitfähiger Metallfilm oder ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt verwendet werden, um den Deckelabschnitt 33 am Halbleitersubstrat 10 zu befestigen.
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Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen hiervon beschrieben wurde, versteht, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen und Aufbauten beschränkt ist. Die Beschreibung soll verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abdecken. Zusätzlich sind, obgleich die verschiedenen Kombinationen und Ausgestaltungen, welche bevorzugt sind, im Rahmen und Umfang der Erfindung liegen, auch andere Kombinationen und Ausgestaltungen mit mehr, weniger oder nur einem einzelnen Element hierin enthalten.
