DE19921863B4

DE19921863B4 - Halbleitersensor für eine dynamische Größe mit Elektroden in einer Rahmenstruktur

Info

Publication number: DE19921863B4
Application number: DE19921863A
Authority: DE
Inventors: Minekazu Kariya Sakai; Yukihiro Kariya Takeuchi; Kazuhiko Kariya Kano; Seiji Kariya Fujino; Tsuyoshi Kariya Fukada; Hiroshige Kariya Sugito; Minoru Kariya Murata; Hiroshi Kariya Muto; Hirofumi Kariya Higuchi; Kenichi Kariya Ao
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2019-05-12
Also published as: JP3307328B2; US6151966A; JPH11326365A; DE19921863A1; FR2778745A1; FR2778745B1

Abstract

Halbleitersensor mit:
einem Halbleitersubstrat (19, 20, 21);
einer beweglichen Einheit (12), welche auf dem Halbleitersubstrat getragen wird und ein Gewichtsteil (15), welches im Ansprechen auf eine darauf ausgeübte dynamische Kraft beweglich ist, und eine bewegliche Elektrode (16) aufweist, welche mit dem Gewichtsteil integriert ausgebildet ist und eine Erfassungsoberfläche aufweist, und beide Teile (15, 16) als Rahmenstruktur gebildet sind; sowie
einer festangebrachten Elektrode (17, 18), welche einseitig auf dem Halbleitersubstrat eingespannt ist und eine Erfassungsoberfläche aufweist, die der Erfassungsoberfläche der beweglichen Elektrode gegenüberliegt,
dadurch gekennzeichnet, dass neben der
beweglichen Elektrode (16) auch die festangebrachte Elektrode (17, 18) in einer Rahmenstruktur gebildet ist, und so die beiden Elektroden (16; 17, 18) eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten rechtwinkligen Rahmen an jeweiligen Fingerteilen enthalten, welche die Erfassungsoberfläche bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für eine dynamische Größe eines Halbleitertyps und insbesondere auf einen Halbleitersensor eines differentiellen Kondensatortyps, welcher als Beschleunigungsmessvorrichtung verwendet werden kann.
Bei einer herkömmlichen Halbleiter-Beschleunigungsmessvorrichtung 11 eines differentiellen Kondensatortyps wie in 22 und 23 dargestellt sind ein Gewichtsteil 15 und eine kammförmige bewegliche Elektrode 16 integriert auf einer Halbleiterschicht eines Halbleitersubstrats (Si) 19 zur Bereitstellung einer beweglichen Einheit 12 gebildet. Ein Paar von kammförmigen festangebrachten Elektroden 17 und 18 ist ebenfalls auf dem Halbleitersubstrat 19 über einer Isolierschicht (SiO₂) 21 gebildet, um der beweglichen Elektrode 16 gegenüberzuliegen. Die bewegliche Elektrode 16 und die festangebrachten Elektroden 17 und 18 sind durch einen auf dem Halbleitersubstrat 19 gebildeten Graben voneinander räumlich getrennt und elektrisch isoliert, wobei zwischen Erfassungsoberflächen davon, welche einander gegenüberliegen, Kondensatoren gebildet werden. Die bewegliche Einheit 12 wird an beiden Enden davon von dem Halbleitersubstrat 19 getragen und ist in einer axialen Richtung der beweglichen Einheit 12 (einer sich von oben nach unten erstreckenden Richtung entsprechend 22) im Ansprechen auf eine darauf ausgeübte Beschleunigung beweglich, wobei die Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 16 und den festangebrachten Elektroden 17 und 18 verändert wird.
Bei dieser Beschleunigungsmessvorrichtung 11 sind die Elektroden 16, 17 und 18 plattenförmig ausgebildet und besitzen jeweils Eigengewichte. Als Ergebnis ist es wahr scheinlich, dass die Elektroden 16, 17 und 18 durch die jeweiligen Eigengewichte gebrochen werden, wenn eine große Beschleunigung in eine Richtung (eine sich von oben nach unten erstreckende Richtung entsprechend 23) senkrecht zur Richtung der zu erfassenden Beschleunigung (einer sich von oben nach unten erstreckenden Richtung entsprechend 22) ausgeübt wird. Wenn die Elektrodenbreite zur Reduzierung der jeweiligen Eigengewichte schmal ist, wird die Stärke der Elektroden gegenüber der Torsions- oder Verdrehungskraft kleiner sein.
Des weiteren werden bei dieser Beschleunigungsmessvorrichtung 11 parasitäre Kondensatoren CP1, CP2 und CP3 zusätzlich zu den Kondensatoren CS1 und CS3 zwischen der beweglichen Elektrode 16 und den festangebrachten Elektroden 17 und 18 wie in 24 dargestellt gebildet. Insbesondere werden die Kondensatoren CP1, CP2 und CP3 zwischen einem Verbindungsteil 170 der festangebrachten Elektrode 17 und dem Substrat 19, zwischen einem Verbindungsteil 180 der festangebrachten Elektrode 18 und dem Substrat 19 bzw. zwischen der beweglichen Elektrode 16 und dem Substrat 19 gebildet. Die Kondensatoren CS1 und CS3 sind im Ansprechen auf die Bewegung der beweglichen Einheit 12 variabel.
Die Kapazitätsänderungen der Kondensatoren CS1 und CS2, welche durch die Beschleunigung hervorgerufen werden, können von einem geschalteten Kondensatorschaltkreis 10 erfasst werden, welcher mit Kontaktstellen 28, 29 und 30 der Beschleunigungsmessvorrichtung 11 wie in 25 dargestellt verbunden ist. Insbesondere enthält der geschaltete Kondensatorschaltkreis 10 einen Verstärker AMP, einen Kondensator Cf und einen Ein-Aus-Schalter SW. Der Schaltkreis ist derart entworfen, so dass er zur Erzeugung einer Ausgangsspannung Vo differentiell arbeitet, wenn Trägerwellenspannungen CWV1 und CWV2 wie in 26 dargestellt angelegt werden.
Solange die Kapazität der parasitären Kondensatoren CP1 und CP2 zueinander gleich sind, ändert sich die Ausgangsspannung Vo lediglich entsprechend Änderungen der Kapazität der Kondensatoren CS1 und CS2. Wenn jedoch die Position des Ätzens des Substrats 19 sich wie durch die gestrichelte Linie von 24 dargestellt ändert, wird der parasitäre Kondensator CP1 größer als der parasitäre Kondensator CP2. Diese Differenz bei den parasitären Kondensatoren CP1 und CP2 ruft eine Offsetspannung hervor, welche eine Abweichung der Ausgangsspannung Vo von null darstellt, sogar wenn keine Beschleunigung aufgebracht wird.
Aus der US 5 563 343 A ist ein Halbleitersensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt mit: einem Halbleitersubstrat; einer beweglichen Einheit, welche auf dem Halbleitersubstrat getragen wird und ein Gewichtsteil, welches im Ansprechen auf eine darauf ausgeübte dynamische Kraft beweglich ist, und eine bewegliche Elektrode aufweist, welche mit dem Gewichtsteil integriert ausgebildet ist und eine Erfassungsoberfläche aufweist und beide Teile als Rahmenstruktur gebildet sind; sowie einer festangebrachten Elektrode, welche einseitig auf dem Halbleitersubstrat eingespannt ist und eine Erfassungsoberfläche aufweist, die der Erfassungsoberfläche der beweglichen Elektrode gegenüberliegt.
Aus der DE 196 39 946 A1 ist ein Halbleitersensor bekannt mit: einem Halbleitersubstrat; einer festangebrachten Elektrode, welche die Form eines Fingers aufweist und auf dem Halbleitersubstrat an einem Ende davon fest getragen wird, wobei die festangebrachte Elektrode einen parasitären Kondensator mit dem Halbleitersubstrat bildet; und einer beweglichen Elektrode, welche die Form eines Fingers aufweist und beweglich auf dem Halbleitersubstrat und parallel zu der festen Elektrode getragen wird, wobei die bewegliche Elektrode mit der festangebrachten Elektrode einen variablen Kondensator bildet, wobei die festangebrachte Elektrode ein Durchgangsloch besitzt, welches sich von oberhalb des Halbleitersubstrats in Richtung auf ein freies Ende davon erstreckt.
Weitere Halbleitersensoren sind aus der DE 195 03 623 A1 , der DE 693 09 274 T2 und der DE 43 31 798 A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleitersensor für eine dynamische Größe zu schaffen, welcher leichtgewichtig und darüber hinaus haltbar gegenüber Beschleunigungen in sich ändernden Richtungen ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 20.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleiter-Beschleunigungsmessvorrichtung auf einem SOI-Substrat durch Mikro-Materialbearbeitung gebildet. Eine bewegliche Einheit besitzt ein Gewichtsteil und eine integriert gebildete kammförmige bewegliche Elektrode. Ein Paar von kammförmigen festangebrachten Elektroden ist mit der beweglichen Elektrode einseitig eingespannt und verzahnt, um der beweglichen Elektrode gegenüberzuliegen. Wenn eine Beschleunigung in die Beschleunigungserfassungsrichtung ausgeübt wird, in welcher die Elektroden sich gegenüberliegen, bewegt sich das Gewichtsteil, so dass sich die Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode und den festangebrachten Elektroden ändert. Eine Mehrzahl von Durchgangslöchern ist in den Elektroden derart vorgesehen, so dass die Elektroden eine Rahmenstruktur besitzen, welche eine Serien- bzw. Reihenverbindung von recheckigen Rahmen darstellt. Diese Struktur reduziert das Gewicht von jeder Elektrode, während die Stärke gegenüber einer Verdrehungskraft erhöht ist. Die Elektroden besitzen eine geringere Wahrscheinlichkeit für ein Brechen im Ansprechen auf eine Be schleunigung, welche in einer Richtung senkrecht zu der normalen Erfassungsrichtung ausgeübt wird, wegen des reduzierten Gewichts.
Die Elektroden sind mit einem geschalteten Kondensatorschaltkreis verbunden, welcher eine Ausgangsspannung entsprechend den von der Beschleunigung hervorgerufenen Kapazitätsänderungen erzeugt. Zur Reduzierung des Offsets der Ausgangsspannung sind Verbindungsteile der festangebrachten Elektroden zu dem Schaltkreis in einer Rahmenstruktur oder lediglich auf einem Isolator des SOI-Substrats gebildet.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe geschaffen, bei welchem parasitäre Kondensatoren zur Reduzierung einer Offsetspannung minimiert sind.
Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Halbleiter-Beschleunigungsmessvorrichtung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Querschnittsansicht der Beschleunigungsmessvorrichtung entlang Linie II-II von 1;
3 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eine festangebrachte Elektrode und eine bewegliche Elektrode der in 1 dargestellten Vorrichtung;
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Kontaktstelle, welche mit derjenigen der in 1 dargestellten Vorrichtung verglichen wird;
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Kontaktstelle der in 1 dargestellten Vorrichtung;
6A und 6B zeigen schematische Querschnittsansichten der festangebrachten Elektrode und der beweglichen Elektrode der in 1 dargestellten Vorrichtung;
7A und 7B zeigen schematische Querschnittsansichten einer festangebrachten Elektrode und einer beweglichen Elektrode, welche mit denjenigen verglichen werden, die in den 6A und 6B dargestellt sind;
8 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht jedes Fingerteils der Elektrode, welche in der in 1 dargestellten Vorrichtung verwendet wird;
9 zeigt einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen dem Gewicht des in 8 dargestellten Fingers und der Deformation desselben darstellt;
10 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eine festangebrachte Elektrode und eine bewegliche Elektrode einer Halbleiter-Beschleunigungsmessvorrichtung einer Modifizierung der ersten Ausführungsform;
11 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eine Feder einer Halbleiter-Beschleunigungsmessvorrichtung einer Modifizierung der ersten Ausführungsform;
12 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eine Kontaktstelle der Halbleiter-Beschleunigungsmessvorrichtung einer Modifizierung der ersten Ausführungsform;
13 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eine Kontaktstelle einer anderen Halbleiter-Beschleunigungsmessvorrichtung einer Modifizierung der ersten Ausführungsform;
14 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer festangebrachten Elektrode und einer beweglichen Elektrode einer Halbleiter-Beschleunigungsmessvorrichtung einer Modifizierung der ersten Ausführungsform;
15 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer festen Elektrode und einer beweglichen Elektrode, welche mit denjenigen verglichen werden, die in 14 dargestellt sind;
16 zeigt eine schematische Draufsicht, welche eine elektrostatische Kraft darstellt, die zwischen den Elektroden der Vorrichtung der ersten Ausführungsform auftritt;
17 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Halbleiter-Beschleunigungsvorrichtung einer Modifizierung der ersten Ausführungsform;
18 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Halbleiter-Beschleunigungsvorrichtung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 zeigt eine Querschnittsansicht der Beschleunigungsmessvorrichtung entlang Linie XIX-XIX von 18;
20 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Halbleiter-Beschleunigungsmessvorrichtung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
21 zeigt eine Querschnittsansicht der Beschleunigungsmessvorrichtung entlang Linie XXI-XXI von 20;
22 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche Halbeiter-Beschleunigungsmessvorrichtung;
23 zeigt eine Querschnittsansicht der herkömmlichen Beschleunigungsmessvorrichtung entlang Linie XXIII-XXIII von 22;
24 zeigt eine Querschnittsansicht der herkömmlichen Beschleunigungsmessvorrichtung mit darin dargestellten parasitären Kondensatoren und variablen Kondensatoren;
25 zeigt ein Diagramm eines elektrischen Schaltkreises der in 24 dargestellten herkömmlichen Vorrichtung; und
26 zeigt ein Zeitablaufsdiagramm, welches den Betrieb des elektrischen Schaltkreises der herkömmlichen Vorrichtung darstellt.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen und Modifizierungen beschrieben, bei welchen dieselben oder ähnliche Komponententeile mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind.
Erste Ausführungsform
Entsprechend 1 ist eine Halbleiter-Beschleunigungsmessvorrichtung 11 auf einem SOI-Substrat unter Verwendung des Halbleiterherstellungsverfahrens gebildet.
Eine bewegliche Einheit 12 besitzt Anker 13, rechtwinklig geformte Federn 14, die integral mit den jeweiligen Ankern 13 ausgebildet sind, ein Gewichtsteil 15, welches integriert mit den Federn 14 gebildet und dazwischen vorgesehen ist, und eine kammförmige bewegliche Elektrode 16, welche integriert mit dem Gewichtsteil 15 ausgebildet ist. Die bewegliche Elektrode 16 besitzt eine Mehrzahl paralleler Finger, welche sich lateral von dem Gewichtsteil 15 in entgegengesetzte Richtungen erstrecken. Ein Paar von kammförmigen festangebrachten Elektroden 17 und 18 ist an beiden lateralen Seiten des Gewichtsteils 15 vorgesehen. Jede der festangebrachten Elektroden 17 und 18 besitzt eine Mehrzahl von Fingern, welche sich lateral zwischen den Fingern der beweglichen Elektrode 16 erstrecken.
Wie in 2 dargestellt, ist die Beschleunigungsmessvorrichtung 11 aus dem SOI-Substrat hergestellt, welches eine erste Halbleiterschicht (Si) 19, eine zweite Halbleiterschicht (Si) 20 und eine Isolierschicht (SiO₂) 21 als Trägerschicht aufweist. Die erste Halbleiterschicht 19 und die Isolierschicht 21 sind entfernt worden, um die zweite Halbleiterschicht 20 über dem Bereich bloßzulegen, wo die bewegliche Einheit 12 und die festangebrachten Elektroden 17 und 18 gebildet sind.
Beim Herstellen der Beschleunigungsmessvorrichtung 11 wird Aluminium (Al) auf der oberen Oberfläche des SOI-Substrats an Kontaktstellenteilen 25 bis 27 aufgedampft, um die Elektrodenkontaktstellenteile 28 bis 30 zu bilden. Nach einem Abschleifen der unteren Oberfläche des SOI-Substrats wird eine SiN-Plasma-Schicht angehäuft. Danach wird die SiN-Plasma-Schicht zur Bildung einer vorbestimmten Struktur geätzt.
Danach wird PIQ (Polyimid) auf die obere Oberfläche des SOI-Substrats geklebt, und die PIQ-Schicht wird in eine vorbestimmte Struktur geätzt, welche der beweglichen Einheit 12 und den festangebrachten Elektroden 17 und 18 entspricht. Ein Resist wird als Schutzschicht auf die PIQ-Schicht geklebt. Das SOI-Substrat wird tief durch beispielsweise eine wässrige KOH-Lösung geätzt, während die SiN-Plasma-Schicht der Bodenseite als Maske verwendet wird. Bei diesem tiefen Ätzen arbeitet die Isolierschicht 21 als Ätzstopper, da die Ätzgeschwindigkeit der Isolierschicht 21 niedriger ist als diejenige der Si-Halbleiterschicht.
Als nächstes wird nach dem Entfernen der bloßgelegten Isolierschicht 21 und der SiN-Plasma-Schicht durch die wässrige HF-Lösung das Resist, welches die obere Oberfläche des SOI-Substrats bedeckt, entfernt. Die zweite Halbleiterschicht 20 wird zur Bildung von Löchern trockengeätzt, während die PIQ-Schicht als Maske verwendet wird. Somit werden die bewegliche Einheit 12 und die festangebrachten Elektroden 17 und 18 in der zweiten Halbleiterschicht 20 gebildet. Schließlich wird die PIQ-Schicht auf der oberen Oberfläche durch O₂-Ablösen entfernt.
Bei der Beschleunigungsmessvorrichtung 11, welche wie oben beschrieben hergestellt ist, werden die beiden axialen Enden der beweglichen Einheit 12 auf der Isolierschicht 21 getragen, und die festangebrachten Elektroden 17 und 18 sind auf der Isolierschicht 21 einseitig eingespannt.
Eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 31 ist in der beweglichen Einheit 12 und den festangebrachten Elektroden 17 und 18 gebildet, so dass sowohl die bewegliche Einheit 12 als auch die festangebrachten Elektroden 17 und 18 in der Rahmenstruktur (starren Rahmenstruktur) geformt sind. Diese Struktur ist eine Serien- bzw. Reihenverbindung einer Mehrzahl von rechtwinkligen Rahmen. Die Durchgangslöcher 31 sind gleichzeitig mit den Löchern (Gräben) gebildet, welche durch Trockenätzen der zweiten Halbleiterschicht 20 zur Bildung der beweglichen Einheit 12 und der festangebrachten Elektroden 17 und 18 gebildet werden. Jeder Finger der beweglichen Elektrode 16 ist an der Verbindung zwischen zwei benachbarten rechtwinkligen Rahmen positioniert, welche das Gewichtsteil 16 bilden.
Die bewegliche Einheit 12 und die festangebrachten Elektroden 17 und 18 sind zugeschnitten, um die folgenden Beziehungen (1 bis 4) zu erfüllen, so dass das Grabenätzen genau durchgeführt werden kann. Bei den folgenden Beziehungen sind die Breite (Dicke der Rahmenwand) W1 bis W4 und die Breite (Intervall bzw. Abstand zwischen Rahmenwänden) D1 bis D5 wie in 3 dargestellt definiert. Insbesondere sind W1 bis W4 und D1 bis D5 wie folgt definiert:

”W1”: axiale Breite jeder lateral sich erstreckenden Wand der Finger der Elektroden 16, 17 und 18;
”W2”: axiale Breite jeder sich lateral erstreckenden Wand des Gewichtsteils 15, welches an der Verbindung zu jedem Finger der beweglichen Elektrode 16 vorhanden ist;
”W3”: laterale Breite jeder sich axial erstreckenden Wand des Gewichtsteils 15;
”W4”: laterale Breite jeder sich axial erstreckenden Wand der Finger der Elektroden 16, 17 und 18;
”D1”: axiale Breite jedes Durchgangslochs 31 in den Fingern der Elektroden 16, 17 und 18;
”D2”: axiale Breite zwischen sich gegenüberliegenden Oberflächen der benachbarten Finger der Elektroden 16, 17 und 18, wobei die sich gegenüberliegenden Oberflächen dem Erfassen von Kapazitätsänderungen dazwischen dienen;
”D3”: laterale Breite jedes Durchgangslochs 31 des Gewichtsteils 15;
”D4”: laterale Breite zwischen dem Gewichtsteil 15 und jedem freien Ende der festangebrachten Elektroden 17 und 18; und
”D5”: axiale Breite zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der benachbarten Finger der Elektroden 16, 17 und 18, wobei die gegenüberliegenden Oberflächen nicht zum Erfassen von Kapazitätsänderungen dazwischen dienen.

W1 = W3 = W4 (1)

D1 = D2 = D3 (2)

D4 = D5 (3)

W2 = W1 × 2 + D1 (4)

Wie in 3 dargestellt, besitzen die festangebrachten Elektroden 17 und 18 eine Mehrzahl von Vorsprüngen 32 an den jeweiligen Erfassungsoberflächen, welche den Erfassungsoberflächen der beweglichen Elektrode 16 gegenüberliegen. Die Vorsprünge 32 sind lediglich an den Oberflächen vorhanden, welche zur Erfassung einer Kapazitätsänderung im Ansprechen auf die Bewegung der beweglichen Elektrode relativ zu den festangebrachten Elektroden 17 und 18 verwendet werden. Da das räumliche Intervall zwischen der beweglichen Elektrode 16 und den festangebrachten Elektroden 17 und 18 sich im Ansprechen auf die Bewegung des Gewichtsteils 15 auf die Beschleunigung ändert, ist es wahrscheinlich, dass die bewegliche Elektrode 16 an den festangebrachten Elektroden 17 und 18 wegen der äußeren elektrostatischen Kraft anhaftet bzw. darauf steckt. Dieses Anhaften bzw. Aufstecken deaktiviert die Erfassung von Kapazitätsänderungen, welche der aufgebrachten Beschleunigung entsprechen. Die Vorsprünge 32 beschränken jedoch das Anhaften bzw. Aufstecken der beweglichen Elektrode 15 an bzw. auf den festangebrachten Elektroden 17 und 18. Die Vorsprünge 32 sind vorzugsweise lediglich an den Teilen gebildet, wo keine Durchgangslöcher 31 gebildet sind, d. h. lediglich auf den Verbindungsteilen (Breite W4) der rechtwinkligen Rahmenstrukturen, welche die Finger der festangebrachten Elektroden 17 und 18 bilden.
Ähnlich wie in 1 dargestellt ist eine Mehrzahl von Vorsprüngen 33 auf der Oberfläche der Innenseite der Feder 14 gebildet, um das Anhaften bzw. Aufstecken zwischen einem Paar der sich lateral erstreckenden Teile wegen der äußeren elektrostatischen Kraft zu beschränken. Die Vorsprünge 33 sind an der Verbindungsposition (Breite W3) zwischen den rechtwinkligen Rahmen in dem Anker 13 gebildet.
Die Kontaktstellenteile 25 bis 27 sind durch ein Paar von Gräben 34 von den umgebenden Teilen physikalisch und elektrisch getrennt, welche durch die zweite Halbleiter schicht 20 gebildet werden, so dass die elektrischen Kontaktstellen 28 bis 30, welche mit den entsprechenden Elektroden 16, 17 und 18 durch Verbindungsteile 170, 180 und dergleichen verbunden sind, elektrisch mit einem externen Erfassungsschaltkreis wie dem in 25 dargestellten geschalteten Kondensatorschaltkreis 10 verbunden sind. Wenn lediglich ein Graben 34 wie in 4 dargestellt gebildet ist, ist es wahrscheinlich, dass die Kontaktstellenteile 25 bis 27 die Umgebungsteile in dem Fall kurzschließen, dass ein leitender Fremdkörper wie ein leitendes Staubteilchen den Graben 34 überbrückt. Dieses Kurzschlussproblem kann durch Verbreitern des Grabens 34 aufgehoben werden. Wenn jedoch diese Grabenbreite unterschiedlich zu der anderen Grabenbreite wird, führt das zu einer Komplikation des Herstellungsverfahrens und einer Reduzierung der Genauigkeit der endgültigen Produktgröße. Daher sind bei dieser Ausführungsform zwei Gräben 34 gebildet, um dazwischen wie in 5 dargestellt eine Stau- bzw. Dämmwand (bank wall) zur Reduzierung der Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen den Kontaktstellenteilen 25 bis 27 und den Umgebungsteilen bereitzustellen. Somit kann jeder Graben 34 auf dieselbe Breite wie die anderen Gräben (Graben oder Loch) zugeschnitten sein.
Jede der Elektroden 16, 17 und 18 verjüngt sich von dem mittleren Teil auf die Bodenseite zu wie an 36 von 6A angezeigt. D. h. eine vorbestimmte Kapazität ist zwischen den oberen Hälften der Erfassungsoberflächen der Elektroden 16, 17 und 18 vorgesehen, welche einander gegenüberliegen, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt. Sogar wenn Kerben 16a, 17a und 18a auf den sich verjüngenden Oberflächen wie in 6B dargestellt im Verlauf des Bildens der Elektroden erzeugt werden, wird die vorbestimmte Kapazität (gestrichelte Linien) beibehalten. Dies liegt daran, dass die Kerben 16a, 17a und 18a lediglich auf den sich verjüngenden Oberflächen auftreten. Wenn demgegenüber die Elektroden 16, 17 und 18 sich wie in 7A dargestellt nicht verjüngen, ist es wahrscheinlich, dass sich die Kapazität (gestrichelte Linie) wegen der Kerben 16a, 17a und 18a verringert, welche an den unteren Hälften der Elektroden 16, 17 und 18 wie in 7B dargestellt auftreten. Diese Kerben ändern sich von Wafer zu Wafer und von Chip zu Chip, wodurch Unregelmäßigkeiten der Kapazität bei den Endprodukten hervorgerufen werden.
Die oben beschriebene Halbleiterbeschleunigungsvorrichtung 11 ist vorzugsweise wie folgt zugeschnitten:

(1) die Breite des Ankers 13 und des Gewichtsteils 15 beträgt 10–200 μm;
(2) die Länge der Elektroden 15, 16 und 17 beträgt 100–500 μm;
(3) die Breite der Feder beträgt 2–10 μm;
(4) die Länge der Feder 14 beträgt 100–500 μm; und
(5) der Abstand zwischen der Elektrode 16 und den Elektroden 17 und 18 beträgt 2–4 μm.

Wenn im Betrieb die Beschleunigung auf die bewegliche Einheit 12 in Erfassungsrichtung der Beschleunigung (in 1 X), d. h. in die axiale Richtung ausgeübt wird, in welcher die bewegliche Elektrode gegenüber den festangebrachten Elektroden 17 und 18 liegt, erhöht sich ein Abstandsintervall zwischen den Erfassungsoberflächen der beweglichen Elektrode 16 und der festangebrachten Elektroden 17 und 18, und das andere Abstandsintervall zwischen den Erfassungsoberflächen der beweglichen Elektrode 16 und der festangebrachten Elektroden 17 und 18 verringert sich. Da jene Erfassungsoberflächen Kondensatoren bilden, ändert sich die jeweilige Kapazität im Ansprechen auf die Beschleunigung. Jene Änderungen werden beispielsweise von dem in 25 dargestellten geschalteten Kondensatorschaltkreis 10 erfasst.
In dem Fall, dass die Beschleunigung auf die Bewegungseinheit 12 in eine Richtung (eine entsprechend 2 sich von oben nach unten erstreckende Richtung) senkrecht zu der normalen Erfassungsrichtung (X) ausgeübt wird, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Bewegungseinheit 12 und die Finger der festangebrachten Elektroden 17 und 18 brechen, da sowohl die Bewegungseinheit 12 als auch die festangebrachten Elektroden 17 und 18 mit einem niedrigen Gewicht unter Verwendung der Rahmenstruktur konstruiert sind.
Insbesondere in dem Fall, bei welchem ein in 8 dargestellter Stab deformiert wird, wird die Deformation des Stabs und die maximale Spannung, welche auf den Stab ausgeübt wird, wie folgt ausgedrückt. Deformation = (Beschleunigung × Gewicht):(Federkonstante in Richtung der Deformation) Maximale Spannung = 2 × (Elastizitätsmodul (≈ Young's modulus)) × (T oder W) × (Stabdeformation):L2
Als Ergebnis erhöhen sich wie in 9 dargestellt die Deformation des Stabs und die maximale Spannung, wenn sich das Gewicht des Stabs erhöht. In dem Fall der beweglichen Einheit 12, welche festangebracht an beiden Enden getragen wird, und der festangebrachten Elektroden 17 und 18, welche festangebracht lediglich an einem Ende getragen werden, wird der Einfluss der in die Richtung senkrecht zu der normalen Erfassungsrichtung ausgeübten Beschleunigung stärker reduziert, wenn das Gewicht geringer ist. Daher ist die Rahmenstruktur wirksam, das Gewicht der beweglichen Einheit 12 und der festangebrachten Elektroden 17 und 18 für eine geringe Deformation und eine geringe Spannung ohne Verringern der Stärke gegenüber der Verdrehungskraft zu reduzieren.
Die Breiten der rechtwinkligen Rahmenwände und des Abstandsintervalls zwischen den Rahmenwänden der beweglichen Einheit 12 und den festangebrachten Elektroden 17 und 18 sind soweit wie möglich gleichförmig zugeschnitten. Daher können Änderungen der Größe der Komponententeile auf ein Minimum reduziert werden, und die Endprodukte besitzen eine gleichförmige Qualität.
Da der Anker 13 und das Gewichtsteil 15 derart konstruiert sind, dass sie dieselbe Rahmenstruktur wie die Elektroden 16, 17 und 18 besitzen, kann die endgültige Größe nach dem Ätzen gleichförmig beibehalten werden, um Endprodukte mit einer gleichförmigen Qualität bereitzustellen. Wenn darüber hinaus die Finger der beweglichen Elektrode 16 mit der Verbindungsposition der rechtwinkligen Rahmen in dem Gewichtsteil 15 verbunden sind, d. h. mit dem starresten Teil des Gewichtsteils 15 verbunden sind, kann die bewegliche Elektrode 16 widerstandfähig gegenüber der Beschleunigung gehalten werden, welche in die Richtung senkrecht zu der normalen Erfassungsrichtung ausgeübt wird.
Modifizierung
Die Elektroden 16, 17 und 18 können mit verstärkenden Teilen 16b, 17b und 18b in einer Bogenform an den jeweiligen Wurzeln der Finger wie in 10 dargestellt gebildet sein. Jene Verstärkungsteile 16a, 17a und 18a verstärken die Verbindung der Finger, um einen Bruch der Finger sogar dann einzuschränken, wenn sich die Spannung an den Wurzelteilen im Ansprechen auf eine Beschleunigung konzentriert, welche in der Richtung senkrecht zu der normalen Erfassungsrichtung ausgeübt wird.
Ähnlich kann die Feder 14 mit dem Anker 13 und dem Gewichtsteil 15 durch bogenförmige Verstärkungsteile 14a wie in 11 dargestellt verbunden sein. Diese Verstärkungsteile 14a beschränken die Feder 14 bezüglich eines Bruchs sogar dann, wenn sich die Spannung an dem Verbindungsteil konzentriert. Des weiteren können die Enden der Feder 14 bogenförmig gebildet sein, um die Feder 14 bezüglich eines Bruchs einzuschränken bzw. zu beschränken, wenn die Spannung sich an den Enden wegen der Elastizität der Feder 14 konzentriert.
Die Stau- bzw. Dämmwand 35, welche von den um die Kontaktstellenteile 25 bis 27 herum gebildeten Gräben 34 umgeben ist, kann dynamisch und elektrisch an einem Ort wie in 12 dargestellt oder an einer Mehrzahl von Orten wie in 13 dargestellt geschnitten sein. Derartige Schnitte können stark die Möglichkeit eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Kontaktstellenteilen 25 bis 27 und den Umgebungsteilen (zweite Halbleiterschicht 20) sogar dann reduzieren, wenn die Stau- bzw. Dämmwand 35 mit dem Umgebungsteil durch leitenden Staub und ebenfalls mit den Kontaktstellenteilen 25 bis 27 durch anderen leitenden Staub verbunden ist.
Des weiteren können sich die Elektroden 16, 17 und 18 sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite wie in 14 dargestellt verjüngen. Alternativ können die Ecken der Elektroden 16, 17 und 18 wie in 15 dargestellt abgerundet sein. Die abgerundeten Ecken verringern den durch die Kerben hervorgerufenen Einfluss und beschränken eine Konzentration der Spannung sogar dann, wenn eine Beschleunigung auf die Elektroden 16, 17 und 18 ausgeübt wird.
Bei der ersten Ausführungsform wird die elektrische Kraft zwischen der beweglichen Elektrode 16 und den festangebrachten Elektroden 17 und 18 in entgegengesetzten Richtungen wie durch Pfeile in 16 dargestellt ausgeübt. Diese elektrostatische Kraft ruft das Moment hervor, welches dazu neigt die bewegliche Einheit 12 in Uhrzeigerrichtung zu drehen. Es ist somit wahrscheinlich, dass das Abstandsintervall zwischen den Kapazitätserfassungsoberflä chen zwischen der beweglichen Elektrode 16 und den festangebrachten Elektroden 17 und 18 von dem ursprünglichen Abstandsintervall abweicht, was zu einer Verringerung der Genauigkeit der Beschleunigungserfassung führt. Es wird daher bevorzugt, vier festangebrachte Elektroden 171, 172, 173 und 174 wie in 17 dargestellt anzuordnen, so dass die elektrostatische Kraft, welche zwischen der beweglichen Elektrode 16 und den festangebrachten Elektroden 171 und 181 ausgeübt wird, mit der zwischen der beweglichen Elektrode 16 und den festangebrachten Elektroden 171 und 182 ausgeübten elektrostatischen Kraft ausbalanciert wird. Somit wird das Moment beschränkt, welches zur Drehung der beweglichen Einheit 12 ausgeübt wird.
Das Material, welches für den Strukturkörper der Beschleunigungsmessvorrichtung verwendet wird, kann einkristallines Silizium, polykristallines Silizium oder ein Metall sein. Des weiteren können nicht leitende Materialien wie Keramik, Glas, Kristall oder Harz für den Strukturkörper verwendet werden, solange ein leitendes Material darauf aufgedampft wird. Bei diesem Beispiel braucht die SOI-Struktur nicht vorgesehen werden, solange das Material für den Strukturkörper ein Isolierungsvermögen aufweist.
Zweite Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform werden, wie in den 18 und 19 dargestellt, nicht nur die Finger der beweglichen Elektrode 16 und der festangebrachten Elektroden 17 und 18 in einer Rahmenstruktur konstruiert, sondern es werden ebenfalls Verbindungsteile 170 und 180, welche die festangebrachten Elektroden 17 und 18 mit den Kontaktstellen 29 und 30 verbinden, ebenfalls in einer Rahmenstruktur durch eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 31 konstruiert.
Entsprechend dieser Ausführungsform kann die Kapazität der parasitären Kondensatoren CP1, CP2 und CP3, welche wie in 24 dargestellt auftreten, auf einen kleineren Wert als bei der herkömmlichen Vorrichtung reduziert werden (22). Wenn diese Beschleunigungsmessvorrichtung 11 mit dem geschalteten Kondensatorschaltkreis 10 wie in 25 dargestellt verbunden ist, wird daher ein Offset der Ausgangsspannung Vo, welche von dem geschalteten Kondensatorschaltkreis 10 erzeugt wird, sogar dann reduziert, wenn ein Ätzen der Bodenseite der Halbleiterschicht 21 bei dem Herstellungsverfahren variiert.
Dritte Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform besitzen, wie in 20 und 21 dargestellt, die erste Halbleiterschicht 19 und die Isolierschicht 21 jeweils innerste Enden 19a und 21a an einer Position unter den festangebrachten Elektroden 17 und 18. D. h. die Verbindungsteile 170 und 180 sind lediglich auf der Isolierschicht 21 gebildet. Als Ergebnis kann die Kapazität der parasitären Kondensatoren CP1, CP2 und CP3, welche wie in 24 dargestellt auftreten, weiter als bei der zweiten Ausführungsform reduziert werden.
Wenn die Beschleunigungsmessvorrichtung 11 wie in 25 dargestellt mit der geschalteten Kondensatoranordnung verbunden ist, wird die erfasste Beschleunigung durch die Ausgangsspannung Vo dargestellt.
Da die Kapazität der parasitären Kondensatoren reduziert ist, ist der sich ergebende Offset der Ausgangsspannung Vo, welche von dem geschalteten Kondensatorschaltkreis 10 erzeugt wird, sogar dann reduziert, wenn das Ätzen der Bodenseite der Halbleiterschicht 21 bei dem Herstellungsverfahren variiert.
Die obigen Modifizierungen der ersten Ausführungsform können ebenfalls auf die zweiten und dritten Ausführungsformen angewandt werden.
Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls auf einen anderen Sensor für eine dynamische Größe wie einen Gierratensensor und einen Winkelgeschwindigkeitssensor angewandt werden. Des weiteren kann die vorliegende Erfindung auf einen Halbleiter-Drucksensor eines Kapazitätstyps angewandt werden, welcher ein Diaphragma als abtastenden Strukturkörper besitzt und das Diaphragma als bewegliche Elektrode verwendet. Des weiteren kann die vorliegende Erfindung auf einen Sensor eines Kontakttyps angewandt werden, welcher Zustände ”Ein” und ”Aus” zwischen einer beweglichen Elektrode und einer festangebrachten Elektrode erfasst.

Claims

Halbleitersensor mit: einem Halbleitersubstrat (19, 20, 21); einer beweglichen Einheit (12), welche auf dem Halbleitersubstrat getragen wird und ein Gewichtsteil (15), welches im Ansprechen auf eine darauf ausgeübte dynamische Kraft beweglich ist, und eine bewegliche Elektrode (16) aufweist, welche mit dem Gewichtsteil integriert ausgebildet ist und eine Erfassungsoberfläche aufweist, und beide Teile (15, 16) als Rahmenstruktur gebildet sind; sowie einer festangebrachten Elektrode (17, 18), welche einseitig auf dem Halbleitersubstrat eingespannt ist und eine Erfassungsoberfläche aufweist, die der Erfassungsoberfläche der beweglichen Elektrode gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass neben der beweglichen Elektrode (16) auch die festangebrachte Elektrode (17, 18) in einer Rahmenstruktur gebildet ist, und so die beiden Elektroden (16; 17, 18) eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten rechtwinkligen Rahmen an jeweiligen Fingerteilen enthalten, welche die Erfassungsoberfläche bilden.
Halbleitersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Einheit (12) des Weiteren einen Anker (13) aufweist, welcher das Gewichtsteil (15) mit dem Halbleitersubstrat (19, 20, 21) verbindet und in der Rahmenstruktur gebildet ist.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Elektrode (16) mit dem Gewichtsteil (15) an einer Position verbunden ist, wo die rechtwinkligen Rahmen des Gewichtsteils verbunden sind.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Vorsprung (32), welcher wenigstens an der beweglichen Elektrode (16) oder der festangebrachten Elektrode (17, 18) gebildet ist, um ein Anhaften zwischen der beweglichen Elektrode und der festangebrachten Elektrode einzuschränken, wobei der Vorsprung an einer Position vorgesehen ist, wo die rechtwinkligen Rahmen verbunden sind.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Teil (12) des Weiteren eine Feder (14) besitzt, welche das Gewichtsteil (15) trägt; und die Feder (14) einen Vorsprung (32) an einer Position besitzt, wo rechtwinklige Rahmen des Gewichtsteils verbunden sind.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Elektrode (16) und die festangebrachte Elektrode (17, 18) sich verjüngende Teile (36) aufweisen.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Kontaktstellen (28, 29, 30), welche auf dem Halbleitersubstrat (19, 20, 21) gebildet sind und elektrisch mit der beweglichen Elektrode (16) und der festangebrachten Elektrode (17, 18) elektrisch verbunden sind, wobei die Kontaktstellen von einer Mehrzahl von Gräben (34) umgeben sind, um von den umgebenden Teilen elektrisch isoliert zu sein.
Halbleitersensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Dämmwand (35), welche zwischen den Gräben (34) gebildet ist und einen unterbrochenen Teil aufweist.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die rechtwinkligen Rahmen der Rahmenstruktur des Gewichtsteils (15) und der festangebrachten Elektrode (16, 17) eine gleichförmige Wanddicke (W1, W3, W4) oder einen gleichförmigen Abstand (D1, D2, D3) zwischen den Wänden aufweisen.
Halbleitersensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsteil (15) eine Wanddicke (W2) aufweist, welche sich von der gleichförmigen Wanddicke an einer Position unterscheidet, wo die bewegliche Elektrode (16) angeschlossen ist.
Halbleitersensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die festangebrachte Elektrode (17, 18) einen ersten Abstand (D2) von der Erfassungsoberfläche der beweglichen Elektrode (16) und einen zweiten Abstand (D5) von einer Nichterfassungsoberfläche der beweglichen Elektrode (16) besitzt, wobei der erste Abstand (D2) und der zweite Abstand (D5) sich voneinander unterscheiden.
Halbleitersensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die festangebrachte Elektrode (17, 18) einen ersten Abstand (D4) von dem Gewichtsteil (15) und einen zweiten Abstand (D5) von einer Nichterfassungsoberfläche der beweglichen Elektrode (16) besitzt, wobei der erste Abstand (D4) und der zweite Abstand (D5) zueinander gleich sind.
Halbleitersensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke (W2) des Gewichtsteils (15) gleich der Gesamtbreite jedes rechtwinkligen Rahmens der beweglichen Elektrode (16) und der festangebrachten Elektrode (17) ist.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtbreiten jedes rechtwinkligen Rahmens der beweglichen Elektrode (16) und der festangebrachten Elektrode (17) zueinander gleich sind.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die bewegliche Elektrode (16) oder die festangebrachte Elektrode (17, 18) ein Verstärkungsteil (16b, 17b, 18b) an jeweiligen Verbindungsteilen besitzt.
Halbleitersensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (14) ein Verstärkungsteil (14a) an einem Verbindungsteil mit benachbarten Teilen besitzt.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (19, 20, 21) ein SOI-Substrat ist, welches eine erste Halbleiterschicht (19), eine zweite Halbleiterschicht (20) und eine Isolierschicht (21) zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht aufweist; und die bewegliche Elektrode (16) und die festangebrachte Elektrode (17, 18) aus der zweiten Halbleiterschicht (20) gebildet sind, wobei die erste Halbleiterschicht (19) und die Isolierschicht (21) unter der beweglichen Elektrode (16) und der festangebrachten Elektrode (17, 18) entfernt sind.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch ein Verbindungsteil, welches mit der festangebrachten Elektrode verbunden und in der Rahmenstruktur gebildet ist.
Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch ein Verbindungsteil, welches mit der festangebrachten Elektrode verbunden ist und lediglich auf dem Halbleitersubstrat vorgesehen ist, um eine parasitäre Kapazität zu reduzieren.
Halbleitersensor mit: einem Halbleitersubstrat (19, 20, 21); einer beweglichen Einheit (12), welche auf dem Halbleitersubstrat getragen wird und ein Gewichtsteil (15), welches im Ansprechen auf eine darauf ausgeübte dynamische Kraft beweglich ist, und eine bewegliche Elektrode (16) aufweist, welche integriert mit dem Gewichtsteil gebildet ist und eine Erfassungsoberfläche besitzt; und einer festangebrachten Elektrode (17, 18), welche parallel zu der beweglichen Elektrode (16) angeordnet ist, auf dem Halbleitersubstrat (19, 20, 21) einseitig eingespannt ist und eine Erfassungsoberfläche gegenüber der Erfassungsoberfläche der beweglichen Elektrode besitzt; wobei sowohl die bewegliche Elektrode (16) als auch die festangebrachte Elektrode (17, 18) eine Vielzahl von Durchgangslöchern (31) besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangslöcher in einer lateralen Richtung angeordnet sind, in der sich die bewegliche Elektrode und die festangebrachte Elektrode parallel zueinander erstrecken.