DE4309786B4 - Halbleiterbeschleunigungssensor - Google Patents
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Abstract
ein dickes Gewicht (100) aus einem Halbleiter;
ein dickes Trägerelement (120), das durch einen vorgegebenen Abstand von dem Gewicht getrennt ist und das Gewicht umgibt;
erste (111, 113) und zweite (112, 114) Paare dünner Balken, die die äußere Peripherie des Gewichts mit der inneren Peripherie des Trägerelements verbinden, wobei ein Balken jedes der Paare mit dem anderen Balken des Paares übereinstimmt, wenn der eine Balken um 180 Grad um den Mittelpunkt des Gewichts gedreht wird; und
Dehnungsmessstreifenvorrichtungen (131, 138), die jeweils auf den oberen Flächen der Balken geformt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen Dehnungsmessstreifen eines ersten Typs und Dehnungsmessstreifen eines zweiten Typs umfassen, wobei die Dehnungsmessstreifen des ersten Typs und die Dehnungsmessstreifen des zweiten Typs voneinander unterschiedliche Ausgabecharakteristiken in Abhängigkeit einer auf das dicke Gewicht wirkenden Kraft besitzen.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mikro-Beschleunigungssensor aus einem Halbleiter.
- Ein herkömmlicher Halbleiterbeschleunigungssensor ist in den
12A und12B gezeigt.12A ist eine perspektivische Ansicht und12B ist ein Schaltkreisdiagramm. In12A umfaßt der Halbleiterbeschleunigungssensor ein viereckiges, prismaförmiges, dickes Gewicht10 aus einem Halbleiter mit einer Dicke von zum Beispiel 400 μm, ein dickes Trägerelement12 , das durch eine vorgegebene Lücke von dem Gewicht10 getrennt ist und so geformt ist, das es dieses umgibt, und einen dünnen Balken11 , der eine Seitenfläche des Gewichts10 mit derjenigen des Trägerelements12 verbindet, die der einen Seitenfläche gegenüberliegt, und der eine Dicke von zum Beispiel 10 bis 40 μm besitzt. Dehnungmeßstreifen31 ,32 ,33 und34 sind auf der oberen Seitenfläche des Balkens11 geformt. Die Dehnungsmeßstreifen31 und33 sind in der Verbindungsseite mit dem Gewicht10 in der longitudinalen Richtung des Balkens11 geformt, und die Dehnungsmeßstreifen32 und34 sind in der Querrichtung des Balkens11 geformt. Diese Dehnungsmeßstreifen31 bis34 sind elektrisch wie in12B verbunden und bilden eine Wheatstone-Brücke, in der die Dehnungsmeßstreifen31 und33 sowie32 und34 jeweils einander gegenüberliegen. In12B bezeichnet V eine Spannungsversorgung, und S1 und S2 bezeichnen Signalausgabeanschlüsse. - Wenn eine Beschleunigung in der vertikalen Richtung (welches die Richtung der Beschleunigungsmessung ist) auf das Gewicht
10 wirkt, wirkt auf das Gewicht10 eine Kraft in der vertikalen Richtung, und der Balken11 biegt sich in die durch den Pfeil P gekennzeichnete Richtung. Zu diesem Zeitpunkt wirkt eine Zugspannung auf die obere Seite des Balkens11 , so daß der Widerstand jeder der Dehnungsmeßstreifen31 und33 , die in der longitudinalen Richtung des Balkens11 geformt sind, zunimmt und sich demgegenüber der Widerstand jeder der Dehnungsmeßstreifen32 und34 , die in der Querrichtung des Balkens11 geformt sind, nicht ändert. Dies bewirkt, daß ein Detektionssignal, dessen Pegel proportional dem Betrag der Beschleunigung ist, von den Signalausgabeanschlüssen S1 und S2 der Wheatstone-Brücke ausgegeben wird. - Wegen der Konfiguration, bei der das Gewicht
10 nur an einem Ende gehalten wird, besitzt der Halbleiterbeschleunigungssensor eine ungleiche Stoßfestigkeit. Wie in13 gezeigt, ist daher ein solcher Halbleiterbeschleunigungssensor überlicherweise in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter850 untergebracht, welcher eine Dämpfungsflüssigkeit830 enthält. In13 bezeichnet800 den Halbleiterbe schleunigungssensor und820 bezeichnet einen Verstärker zur Signaldetektion. - In dem oben beschriebenen Halbleiterbeschleunigungssensor, wie er in
14 gezeigt ist, ist die Biegungsmittelpunktslinie13 des Balkens11 um einen Abstand L von dem Schwerpunkt des Gewichts10 entfernt. Wenn eine Beschleunigung in der transversalen Richtung (die nicht die Richtung der Beschleunigungsmessung ist) auf das Gewicht10 wirkt, wird ein durch den Pfeil M angezeigtes Drehmoment durch diese Beschleunigung und den Abstand L erzeugt, das auf das Gewicht10 wirkt, so daß auf das Gewicht10 eine Kraft in der vertikalen Richtung auf die gleiche Weise wirkt, wie in dem Fall, in dem eine vertikale Beschleunigung wirkt, wodurch der Balken11 in die durch den Pfeil P gezeigte Richtung gebogen wird. Diese Biegung bewirkt, daß die Wheatstone-Brücke ein Signal ausgibt, und diese Signalausgabe ist eine Störausgabe, die die Detektionsgenauigkeit beeinträchtigt. - Als eine Gegenmaßnahme zu diesem Problem kann eine Konfiguration vorgeschlagen werden, in der, wie in
15 gezeigt, ein zusätzliches Gewicht14 aus Glas oder dergleichen mit der oberen Fläche des Gewichts10 verbunden ist, so daß der Schwerpunkt G des Gewichts aus dem Gewicht10 und dem zusätzlichen Gewicht14 auf der Biegemittelpunktslinie13 des Balkens11 liegt, wodurch der Abstand L auf Null reduziert wird. Jedoch besitzt diese verbesserte Konstruktion insofern einen Nachteil, als ein zusätzlicher Prozeßschritt zum Befestigen des zusätzlichen Gewichts erforderlich ist und somit die Produktionskosten zunehmen. - Bei der Herstellung eines Halbleiterbeschleunigungssensors, wie in
12 oder15 gezeigt, werden das Gewicht10 , das Trägerelement12 und der Balken11 durch Ätzen sowohl der oberen als auch der unteren Flächen eines Halbleitersubstrats unter Verwendung eines Geräts, wie etwa einer Plasmaätzvorrichtung, erzeugt. Bei einem solchen Plasmaätzvorgang geht das Ätzen, wegen der entsprechenden Arbeitsmerkmale, mit einer hohen Geschwindigkeit vonstatten, wenn die Arbeitsbreite groß ist, und es geht mit einer niedrigen Geschwindigkeit vonstatten, wenn die Arbeitsbreite klein ist. In dem Fall, daß unterschiedliche Arbeitsbreiten in einem zu bearbeitenden Halbleitersubstrat existieren, wie in16 durch W3 und W4 angezeigt, resultieren daraus unterschiedliche Ätztiefen, wie durch D3 und D4 angezeigt. Dies erzeugt insofern ein Problem, als die Genauigkeit des Ätzvorgangs verringert wird, wobei die Prozeßausbeute verringert wird. - Um die Stoßfestigkeit zu verbessern, sind die oben beschriebenen Halbleiterbeschleunigungssensoren üblicherweise in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebracht, welches eine Dämpfungsflüssigkeit enthält. Das Vorhandensein einer Dämpfungsflüssigkeit bewirkt eine Verringerung der Detektionsempfindlichkeit, und daher ist es erforderlich, die Reduktionsrate abzuschätzen und die Empfindlichkeit vor Einführen der Dämpfungsflüssigkeit in den Behälter einzustellen. Da die Viskosität und die Kompressibilität der Dämpfungsflüssigkeit sich abhängig von Druck und Temperatur än dern, ändert sich die Empfindlichkeit, was ein weiteres Problem mit sich bringt, daß nämlich die Produktionsausbeute ungleichmäßig ist.
- Die
17 und18 zeigen einen weiteren herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor als Beispiel:17 ist eine Draufsicht, und18 ist eine Seitenansicht. Wie in den17 und18 gezeigt, umfaßt der Halbleiterbeschleunigungssensor ein dickwandiges, quadratisches Gewicht901 , das zum Beispiel 400 ^m dick ist, einen dickwandigen Träger906 , der in einem vorgegebenen Abstand von einer Seite des Gewichts angeordnet ist, und einen dünnwandigen Balken907 , der zum Beispiel 20 – 40 ^m dick ist, wobei der Balken eine Seite des Gewichts901 mit einer gegenüberliegenden Seite des Trägers906 verbindet. In dem Balken907 sind Dehnungsmeßstreifen907A ,907B ,907C ,907D geformt. Die Dehnungsmeßstreifen907A ,907C sind in der oberen Fläche der Verbindung zwischen dem Balken907 und dem Träger906 in der Längsrichtung des Balkens907 geformt, während die Dehnungsmeßstreifen907B ,907D in der oberen Fläche der Verbindung zwischen dem Balken907 und dem Gewicht901 in der Querrichtung des Balkens907 geformt sind. Diese Dehnungsmeßstreifen907A ,907B ,907C ,907D werden zum Bilden einer Wheatstone-Brücke verwendet, indem die Dehnungsmeßstreifen907A ,907C sowie907B ,907D einander gegenüberliegend angeordnet sind, wie in21 gezeigt. In diesem Fall bezeichnet E einen Spannungsversorgungsanschluß, G einen Masseanschluß und S1, S2 Signalausgabeanschlüsse. - Wenn eine Beschleunigung auf das Gewicht
901 in der Richtung des Pfeiles V in18 wirkt, als in einer Richtung senkrecht zum Gewicht901 (die Richtung, in der die Beschleunigung festgestellt wird), erfährt das Gewicht901 eine vertikale Kraft Fv, was ein Herunterbiegen des Balkens in Richtung des Pfeiles M bewirkt, wie in22 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt wirkt eine Zugspannung auf die obere Oberfläche der Verbindung zwischen dem Balken907 und dem Träger906 und auf die der Verbindung zwischen dem Balken907 und dem Gewicht901 . Als Ergebnis nimmt der Widerstand der Dehnungsmeßstreifen907A ,907C , die in der Längsrichtung des Balkens geformt sind, zu, wohingegen derjenige der Dehnungsmeßstreifen907B ,907D , die in der Querrichtung geformt sind, unverändert bleibt. Es werden also Detektionssignale, deren Wert proportional der Beschleunigung ist, von den Ausgabeanschlüssen S1, S2 der Wheatstone-Brücke ausgegeben. - Da eine normale Diffusionstechnik zum Herstellen der Dehnungsmeßstreifen
907A ,907B ,907C ,907D verwendet wird, sind die Oberflächen des Gewichts901 , des Balkens907 und des Trägers906 mit einem Passivierungsfilm910 aus SiO-i, SiN oder dergleichen bedeckt, um diese zu schützen. - Da es einen Abstand L von der Spannungsmittellinie
909 des Balkens907 bis zum Schwerpunkt W des Gewichts901 im Beschleunigungssensor der18 gibt, erzeugen der Abstand L von der Spannungsmittellinie909 zum Schwerpunkt W des Gewichts901 und die Querkraft Fh, die in dem Gewicht901 aufgrund der Beschleunigung erzeugt wird, ein Drehmoment, wenn die Beschleunigung quer auf das Gewicht901 wirkt (die Rich tung, in der die Beschleunigung nicht festgestellt wird), wie durch den Pfeil H gezeigt. Demzufolge wird ein Herunterbiegen des Balkens907 in Richtung des Pfeiles M bewirkt, wie in dem Falle, in dem die Beschleunigung vertikal auf den Balken907 wirkt. In Abhängigkeit von der Spannung gibt die Wheatstone-Brücke ein Signal aus, das eine Störausgabe bildet und die Mcßgenauigkeit verringert. - Aus dem oben angegebenen Grund kann es als hilfreich erachtet werden, den Abstand L auf Null zu verringern, indem ein zusätzliches Gewicht
908 , wie etwa Glas, auf der oberen Oberfläche des Gewichts901 hinzugefügt wird, um den Schwerpunkt W der Kombination von Gewicht901 und dem zusätzlichen Gewicht908 mit der Spannungsmittellinie909 des Balkens907 zusammenfallen zu lassen; jedoch wird der zusätzliche Verfahrensschritt zum Verbinden der beiden Gewichte die Kosten weiter erhöhen. - Ein weiteres Problem, das mit dem oben erwähnten Beschleunigungssensor verbunden ist, ist eine geringe Meßempfindlichkeit, da die in der oberen Oberfläche der Verbindung zwischen dem Balken und dem Gewicht in der Querrichtung des Balkens geformten Dehnungsmeßstreifen keine Widerstandsänderungen erzeugen, wenn eine Beschleunigung wirkt.
- Darüberhinaus wird der Passivierungsfilm aus SiO2, SiN oder dergleichen für den Schutz der Dehnungsmeßstreifen normalerweise bei hohen Temperaturen verarbeitet bevor wieder die normale Temperatur eingestellt wird. Der Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Passivierungsfilms und des Halbleiters Silizium kann aufgrund der auf der Oberfläche des Halbleiters Silizium erzeugten Spannung, wenn wieder die normale Temperatur eingestellt wird, ein Biegen des Balkens
7 bewirken, wie in29 gezeigt. Die Situation, in der eine Beschleunigung angelegt wurde, wird erreicht, wenn der Balken gebogen wird und eine Spannung von der Wheatstone-Brücke ausgegeben wird. Diese Spannung wird Offset-Spannung genannt und verringert nicht nur das Signal/Rauschverhältnis der Sensorausgabe sondern auch die Meßgenauigkeit. - Aus der
US 4,553,436 ist ein Beschleunigungsmesser aus Silizium bekannt, der dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht. - Hier ist eine zentrale Masse an ihren Ecken durch vier flexible jeweils senkrecht zueinander angeordnete Träger gehalten. An dem jeweils festen Ende eines Trägers ist ein Wiederstandselement angeordnet. Jedes Widerstandselement kann zwei parallele Teile aufweisen um so ein kompaktes Widerstandselement zur Verfügung zu stellen.
- Aus der
DE 30 09 091 ist eine Messfederplatte mit einem zentralen Teil bekannt, der über Messfedern mit dem Randgebiet der Platte zusammenhängt. Auf den Messfedern sind Dehnungsmeßstreifen angeordnet. - Die Messfederplatte kann in ihrem zentralen Teil eine Last aufnehmen.
- Aus der
US 4,641,539 ist ein Kraftsensor bekannt. Ein Kraftaufnahmeelement ist mit einem Grundkörper über vier Tragelemente verbunden. Die Tragelemente weisen Messglieder auf, die auf eine Deformation der selben reagieren. Ein nicht unterbrochener Leiterpfad führt über jede der Tragelemente. - Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiterbeschleunigungssensor zur Verfügung zu stellen, der die oben erwähnten Probleme lösen kann, den Betrag einer Störausgabe reduziert und die Arbeitsgenauigkeit für den Ätzprozeß bei der Herstellung verbessert. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiterbeschleunigungssensor zur Verfügung zu stellen, der eine verbesserte Stoßfestigkeit besitzt und der nicht in einem hermetisch abgeschlossenen, eine Dämpfungsflüssigkeit enthaltenden Behälter angeordnet sein muß. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor zur Verfügung zu stellen, der so ausgeführt ist, daß er die Meßempfindlichkeit verbessert und die Störausgabe verringert, ohne spezielle Verarbeitungsschritte für die Lösung der obigen Probleme zu erfordern. Es ist weiterhin die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor zur Verfügung zu stellen, der so ausgeführt ist, dass er die Offset-Spannung durch einen Passivierungsfilm verringert.
- Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch den in den beigefügten Patentansprüchen definierten Halbleiterbeschleunigungssensor gelöst.
- Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung werden die obigen Aufgeben durch einen Halbleiterbeschleunigungssensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Entsprechend einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bilden die Dehnungsmessstreifen eine Wheatstone-Brücke, in der die Dehnungsmessstreifen des ersten Typs, die jeweils auf dem ersten Satz von dünnen Balken geformt sind, den Dehnungsmeßstreifen des ersten Typs, die auf dem zweiten Satz von dünnen Balken geformt sind, gegenüberliegen und die Dehnungsmeßstreifen des zweiten Typs, die jeweils auf dem ersten Satz von dünnen Balken geformt sind, den Dehnungsmeßstreifen des zweiten Typs, die auf dem zweiten Satz von dünnen Balken geformt sind, gegenüberliegen.
- Alternativ sind, entsprechend einem dritten Gesichtspunkt der Erfindung, das Gewicht, das Trägerelement und die Balken aus einen Halbleitersubstrat geformt, und die Arbeitsbreiten von geätzten Bereichen zum Bilden des Gewichts, des Trägerelements und der Balken, die aus den oberen und unteren Flächen des Halbleitersubstrats geätzt werden, sind identisch.
- Alternativ umfaßt das Trägerelement entsprechend einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung eine Mehrzahl von Signalanschlüssen auf einer Seite, die mit den auf den oberen Flächen der Balken geformten Dehnungsmeßstreifen verbunden sind, und eine Mehrzahl von Blind-Signalanschlüssen auf einer Seite mit derselben Form wie die Signalanschlüssen auf einer Seite. Die Signalanschlüsse und die Blind-Signalanschlüsse auf einer Seite sind in der Peripherie der oberen Fläche des Trägerelements mit im wesentlichen gleichen Abständen angeordnet. Der Sensor umfaßt weiterhin ein Trägersubstrat mit einer Mehrzahl von Signalanschlüssen und Blind-Signalanschlüssen auf der anderen Seite, die jeweils den Signalanschlüssen und den Blind-Signalanschlüssen der einen Seite gegenüberliegen und mit diesen verbunden sind. Das Trägersubstrat dient zum Verbinden der auf den Balken geformten Dehnungsmeßstreifen mit dem Außenbereich über die Signalanschlüsse der anderen Seite. Die Summe der Höhe der Signalanschlüsse der einen Seite und der Signalanschlüsse der anderen Seite und die Summe der Höhe der Blind-Signalanschlüsse der einen Seite und der Blindsignalanschlüsse der anderen Seite sind so eingestellt, daß sie einen Wert besitzt, der etwas größer ist als der Betrag der Verschiebung des Gewichts während des Betriebs.
- Alternativ umfaßt der Sensor entsprechend einem fünften Gesichtspunkt der Erfindung ein zusätzliches Gewicht- und Stoppelement, das auf der oberen Fläche des Gewichts angeordnet ist und eine inverse konvexe Form besitzt. Die äußere Peripherie des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements ist größer als die innere Peripherie des Trägerelements. Der Abstand zwischen der unteren Fläche des äußeren peripheren Bereichs des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements und der oberen Fläche des Trägerelements ist auf eine solche Größe eingestellt, die kleiner ist als der erlaubte Verschiebungsbetrag des Gewichts.
- Alternativ umfaßt der Sensor entsprechend einem sechsten Gesichtspunkt der Erfindung ein Trägersubstrat, das auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet ist und eine sich nach oben öffnende Vertiefung aufweist. Die Vertiefung ist größer als das Gewicht. Der Abstand zwischen der Fläche der Vertiefung und der unteren Fläche des Gewichts ist auf eine solche Größe eingestellt, die geringfügig größer als der Verschiebungsbetrag des Gewichts während des Betriebs ist.
- Alternativ umfaßt entsprechend einem siebten Gesichtspunkt der Erfindung der Sensor weiterhin obere und untere Trägersubstrate. Das obere Trägersubstrat ist auf der oberen Fläche des Trägerelements angeordnet und besitzt eine sich nach unten öffnende Vertiefung. Die Vertiefung ist größer als das Gewicht, und eine Mehrzahl von nach unten gehenden Ausstülpungen ist in der Vertiefung an Stellen geformt, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegen. Das untere Trägersubstrat ist auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet und besitzt eine sich nach oben öffnende Vertiefung. Die Vertiefung ist größer als das Gewicht, und eine Mehrzahl von nach oben gehenden Ausstülpungen ist in der Vertiefung an Stellen geformt, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegen. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den Flächen der Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstrate sind auf eine solche Größe eingestellt, die geringfügig größer als der Verschiebebetrag des Gewichts während des Betriebs ist. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den in den Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstraten geformten Ausstülpungen sind auf eine solche Größe eingestellt, die kleiner als der erlaubte Verschiebebetrag des Gewichts ist.
- Alternativ umfaßt der Sensor entsprechend einem achten Gesichtspunkt der Erfindung ein Trägersubstrat, das auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet ist. Das obere Trägersubstrat ist auf der oberen Fläche des Trägerelements angeordnet und besitzt eine sich nach unten öffnende Vertiefung. Die Vertiefung ist größer als das Gewicht, und eine nach unten gehende Ausstülpung ist in der Vertiefung an einer Stelle geformt, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegt. Das untere Trägersubstrat ist auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet und besitzt eine sich nach oben öffnende Vertiefung. Die Vertiefung ist größer als das Gewicht, und eine nach oben gehende Ausstülpung ist in der Vertiefung an einer Stelle geformt, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegt. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den Flächen der Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstrate sind auf eine solche Größe eingestellt, die geringfügig größer als der Verschiebebetrag des Gewichts während des Betriebs ist. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den in den Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstraten geformten Ausstülpungen sind auf eine solche Größe eingestellt, die kleiner als der erlaubte Verschiebebetrag des Gewichts ist.
- Alternativ ist der Sensor in einem Behälter angeordnet, der ein inertes Gas enthält.
- In dem Halbleiterbeschleunigungssensor nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung bestehen die Balken aus ersten und zweiten Sätzen von paarigen Balken. In jedem der Sätze sind die paarigen Balken so angeordnet, daß, wenn ein Balken um 180 Grad um den Mittelpunkt des Gewichts gedreht wird, dieser eine Balken mit dem anderen Balken zusammenfällt. Daher wird das Gewicht an zwei gegenüberliegenden Enden von einem Paar von Balken getragen. Wenn eine Beschleunigung in der transversalen Richtung (die nicht die Richtung der Beschleunigungsmessung ist) auf das Gewicht wirkt, ist daher die Biegung der Balken viel kleiner als die in einem herkömmlichen Sensor, bei dem das Gewicht nur an einem Ende ge tragen wird, so daß der Betrag einer Störausgabe verringert wird und die Stoßfestigkeit verbessert wird.
- In dem Halbleiterbeschleunigungssensor nach dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung bestehen die Dehnungsmeßstreifen aus Dehnungsmeßstreifen des ersten Typs und aus Dehnungsmeßstreifen des zweiten Typs. Die Dehnungsmeßstreifen des ersten Typs sind jeweils auf den oberen Flächen der Balken auf der Verbindungsseite der Balken mit dem Trägerelement in der longitudinalen Richtung der jeweiligen Balken angeordnet. Die Dehnungsmeßstreifen des zweiten Typs sind jeweils auf den oberen Flächen der Balken auf der Verbindungsseite der Balken mit dem Trägerelement in der Querrichtung der jeweiligen Balken angeordnet. Diese Dehnungsmeßstreifen bilden eine Wheatstone-Brücke, in der die Dehnungsmeßstreifen des ersten Typs, die jeweils auf dem ersten Satz von dünnen Balken geformt sind, den Dehnungsmeßstreifen des ersten Typs, die auf dem zweiten Satz von dünnen Balken geformt sind, gegenüberliegen und die Dehnungsmeßstreifen des zweiten Typs, die jeweils auf dem ersten Satz von dünnen Balken geformt sind, den Dehnungsmeßstreifen des zweiten Typs, die auf dem zweiten Satz von dünnen Balken geformt sind, gegenüberliegen. Wenn eine Beschleunigung in der transversalen Richtung (die nicht die Richtung der Beschleunigungsmessung ist) auf das Gewicht wirkt, wirkt eine Druckspannung auf die obere Fläche eines der paarigen Balken, die durch eine Drehung um 180 Grad zusammenfallen können, und eine Zugspannung wirkt auf die obere Fläche des anderen Balkens. In der Wheatstone-Brücke ändert sich daher der Widerstand jedes der Dehnungs meßstreifen des ersten Typs, die jeweils auf der oberen Fläche dieser Balken geformt sind, derart, daß die Widerstandsänderungen einander aufheben. Demzufolge gibt die Wheatstone-Brücke kein Signal aus mit dem Ergebnis, daß der Betrag einer Störausgabe reduziert wird.
- In dem Halbleiterbeschleunigungssensor entsprechend dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung sind das Gewicht, das Trägerelement und die Balken aus einen Halbleitersubstrat geformt, und die Arbeitsbreiten von geätzten Bereichen zum Bilden des Gewichts, des Trägerelements und der Balken, die aus den oberen und unteren Flächen des Halbleitersubstrats geätzt werden, sind identisch. Wenn das Substrat einem Ätzprozeß, wie etwa dem Plasmaätzprozeß, unterworfen wird, findet der Ätzvorgang mit einer konstanten Rate statt, was zu einer Verbesserung der Arbeitsgenauigkeit führt.
- In dem Halbleiterbeschleunigungssensor entsprechend einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt das Trägerelement eine Mehrzahl von Signalanschlüssen auf einer Seite, die mit den auf den oberen Flächen der Balken geformten Dehnungsmeßstreifen verbunden sind, und eine Mehrzahl von Blind-Signalanschlüssen auf einer Seite mit derselben Form wie die Signalanschlüssen auf einer Seite. Die Signalanschlüsse und die Blind-Signalanschlüsse auf einer Seite sind in der Peripherie der oberen Fläche des Trägerelements mit im wesentlichen gleichen Abständen angeordnet. Der Sensor umfaßt weiterhin ein Trägersubstrat mit einer Mehrzahl von Signalanschlüssen und Blind-Signalanschlüssen auf der anderen Seite, die jeweils den Signalanschlüssen und den Blind- Signalanschlüssen der einen Seite gegenüberliegen und mit diesen verbunden sind. Das Trägersubstrat dient zum Verbinden der auf den Balken geformten Dehnungsmeßstreifen mit dem Außenbereich über die Signalanschlüsse der anderen Seite. Die Summe der Höhe der Signalanschlüsse der einen Seite und der Signalanschlüsse der anderen Seite und die Summe der Höhe der Blind-Signalanschlüsse der einen Seite und der Blindsignalanschlüsse der anderen Seite sind so eingestellt, daß sie einen Wert besitzen, der etwas größer ist als der Betrag der Verschiebung des Gewichts während des Betriebs. Wenn also ein Stoß auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird das Gas zwischen der oberen Fläche des Gewichts und der unteren Fläche des Trägersubstrats komprimiert, so daß ein Dämpfungsvorgang im Hochfrequenzbereich von zum Beispiel 500 Hz oder höher für das Gewicht durchgeführt wird, wodurch die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird.
- In dem Halbleiterbeschleunigungssensor entsprechend einem fünften Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt der Sensor ein zusätzliches Gewicht- und Stoppelement, das auf der oberen Fläche des Gewichts angeordnet ist und eine inverse konvexe Form besitzt. Die äußere Peripherie des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements ist größer als die innere Peripherie des Trägerelements. Der Abstand zwischen der unteren Fläche des äußeren peripheren Bereichs des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements und der oberen Fläche des Trägerelements ist auf eine solche Größe eingestellt, die kleiner ist als der erlaubte Verschiebungsbetrag des Gewichts. Wenn daher ein Stoß, zum Beispiel ein Stoß mit einer geringen Frequenz von einigen zehn Hz oder weniger, auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird die Biegung des Gewichtes innerhalb der erlaubten Verschiebung durch das zusätzliche Gewicht- und Stoppelement eingeschränkt.
- In dem Halbleiterbeschleunigungssensor entsprechend einem sechsten Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt der Sensor ein Trägersubstrat, das auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet ist und eine sich nach oben öffnende Vertiefung aufweist. Die Vertiefung ist größer als das Gewicht. Der Abstand zwischen der Fläche der Vertiefung und der unteren Fläche des Gewichts ist auf eine solche Größe eingestellt, die geringfügig größer als der Verschiebungsbetrag des Gewichts während des Betriebs ist. Wenn also ein Stoß auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird das Gas zwischen der unteren Fläche des Gewichts und der Fläche der Vertiefung des Trägersubstrats komprimiert, so daß ein Dämpfungsvorgang auf dieselbe Weise wie in dem Ausführungsbeispiel des Anspruchs 4 auf das Gewicht wirkt, wodurch die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird.
- In dem Halbleiterbeschleunigungssensor entsprechend einem siebten Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt der Sensor weiterhin obere und untere Trägersubstrate. Das obere Trägersubstrat ist auf der oberen Fläche des Trägerelements angeordnet und besitzt eine sich nach unten öffnende Vertiefung. Die Vertiefung ist größer als das Gewicht, und eine Mehrzahl von nach unten gehenden Ausstülpungen ist in der Vertiefung an Stellen geformt, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegen. Das untere Trägersubstrat ist auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet und besitzt eine sich nach oben öffnende Vertiefung. Die Vertiefung ist größer als das Gewicht, und eine Mehrzahl von nach oben gehenden Ausstülpungen ist in der Vertiefung an Stellen geformt, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegen. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den Flächen der Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstrate sind auf eine solche Größe eingestellt, die geringfügig größer als der Verschiebebetrag des Gewichts während des Betriebs ist. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den in den Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstraten geformten Ausstülpungen sind auf eine solche Größe eingestellt, die kleiner als der erlaubte Verschiebebetrag des Gewichts ist. Wenn also ein Stoß auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird das Gas zwischen der oberen oder unteren Fläche des Gewichts und der Fläche der Vertiefung des oberen Trägersubstrats oder der Fläche der Vertiefung des unteren Trägersubstrats komprimiert, so daß ein Dämpfungsvorgang auf dieselbe Weise wie in dem Ausführungsbeispiel des Anspruchs 4 auf das Gewicht wirkt, wodurch die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird. Darüberhinaus wird die Biegung des Gewichts durch die in den Vertiefungen der oberen oder unteren Trägersubstrate geformten Ausstülpungen auf dieselbe Weise wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel innerhalb des erlaubten Verschiebungsbetrags eingeschränkt.
- In dem Halbleiterbeschleunigungssensor entsprechend einem achten Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt der Sensor ein Trägersubstrat, das auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet ist. Das obere Trägersubstrat ist auf der oberen Fläche des Trägerelements angeordnet und besitzt eine sich nach unten öffnende Vertiefung. Die Vertiefung ist größer als das Gewicht, und eine von nach unten gehende Ausstülpung ist in der Vertiefung an einer Stelle geformt, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegt. Das untere Trägersubstrat ist auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet und besitzt eine sich nach oben öffnende Vertiefung. Die Vertiefung ist größer als das Gewicht, und eine nach oben gehende Ausstülpung ist in der Vertiefung an einer Stelle geformt, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegt. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den Flächen der Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstrate sind auf eine solche Größe eingestellt, die geringfügig größer als der Verschiebebetrag des Gewichts während des Betriebs ist. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den in den Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstraten geformten Ausstülpungen sind auf eine solche Größe eingestellt, die kleiner als der erlaubte Verschiebebetrag des Gewichts ist. Wenn also ein Stoß auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird das Gas zwischen der oberen oder unteren Fläche des Gewichts und der Fläche der Vertiefung des oberen Trägersubstrats oder der Fläche der Vertiefung des unteren Trägersubstrats komprimiert, so daß ein Dämpfungsvorgang auf dieselbe Weise wie in dem vierten Ausführungsbeispiel des Anspruchs 4 auf das Gewicht wirkt, wodurch die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird. Darüberhinaus wird die Biegung des Gewichts durch die in den Vertiefungen der oberen oder unteren Trägersubstrate geformten Ausstülpungen auf dieselbe Weise wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel innerhalb des erlaubten Verschiebungsbetrags eingeschränkt.
- Jeder der oben beschriebenen Halbleiterbeschleunigungssensoren besitzt eine Konfiguration, durch die die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird, und kann in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter untergebracht werden, der ein inertes Gas anstelle einer Dämpfungsflüssigkeit enthält.
- Die
1A bis1C zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors. - Die
2A bis2B zeigen ein Verfahren zum Bearbeiten eines Halbleitersubstrats in einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors. - Die
3A bis3B zeigen ein Verfahren zum Bearbeiten eines Halbleitersubstrats in einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors. -
4 ist ein Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors. - Die
5A und5B zeigen den Sensor der4 in größerem Detail. - Die
6A und6B zeigen fünfte und sechste Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors. -
7 ist ein Querschnitt eines siebten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors. - Die
8A und8B zeigen den Sensor der7 in größerem Detail. -
9 ist ein Querschnitt eines achten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors. - Die
10A bis10C zeigen den Sensor der9 in größerem Detail. -
11 ist ein Querschnitt, der den Fall zeigt, daß einer der Halbleiterbeschleunigungssensoren nach dem ersten bis achten Ausführungsbeispiel in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter angeordnet ist, der ein inertes Gas enthält. - Die
12A und12B zeigen einen herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor. -
13 ist ein Querschnitt, der den herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor der12 zeigt, der in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter angeordnet ist, der mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist. -
14 ist ein Querschnitt, der den Mechanismus zeigt, durch den eine Störausgabe in dem herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor der12 erzeugt wird. -
15 ist ein Querschnitt eines weiteren herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensors. -
16 ist ein Querschnitt, der ein Verfahren zum Bearbeiten eines Halbleitersubstrats zeigt, das bei den herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensoren der12 oder14 verwendet wird. -
17 ist eine Draufsicht eines Beispieles für einen herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor. -
18 ist eine Seitenansicht der17 . -
19 ist eine Draufsicht eines weiteren herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor. -
20 ist eine Seitenansicht der19 . -
21 ist ein Verbindungsdiagramm des herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensors der17 . -
22 ist eine Seitenansicht, die den Betrieb des herkömmlichen Halbleitersensors der17 zeigt. -
23 ist eine Seitenansicht, die noch weiter den Betrieb des herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensors der17 zeigt. -
24 ist eine Seitenansicht, die noch weiter den Betrieb des herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensors der17 zeigt. -
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors.1A ist eine Draufsicht,1B ist ein Querschnitt und1C ist ein Schaltkreisdiagramm. In den1A und1B umfaßt der Halbleiterbeschleunigungssensor ein viereckiges, prismaförmiges, dickes Gewicht100 aus einem Halbleiter mit einer Dicke von zum Beispiel 400 JUKI, ein dickes Trägerelement120 , das durch einen vorgegebenen Abstand von dem Gewicht100 getrennt ist und so geformt ist, daß es dieses umgibt, und erste und zweite Sätze von dünnen, L-förmigen Balken, die die äußere Peripherie des Gewichts100 mit der inneren Periphe rie des Trägerelements120 verbinden und die eine Dicke von zum Beispiel 10 bis 40 μm besitzen. Die ersten und zweiten Sätze bestehen jeweils aus einem Balkenpaar111 und113 und einem Balkenpaar112 und114 . In jedem der Balkensätze sind die Balken so angeordnet, daß, wenn einer von ihnen um 180 Grad um den Mittelpunkt O des Gewichts100 gedreht wird, dieser Balken mit dem anderen Balken zusammenfällt. Dehnungsmeßstreifen131 bis138 sind auf den oberen Flächen der Balken geformt. - In dem Halbleiterbeschleunigungssensor wird das Gewicht an zwei gegenüberliegenden Enden von einem Balkenpaar gehalten. Wenn eine Beschleunigung in der transversalen Richtung (die nicht die Beschleunigungsmeßrichtung ist) auf das Gewicht wirkt, ist die Biegung der Balken sehr viel geringer als bei einem Sensor, bei dem das Gewicht nur an einem Ende gehalten wird, so daß der Betrag einer Störausgabe verringert und die Stabilität verbessert wird.
- Die auf den oberen Flächen der Balken
111 bis114 geformten Dehnungsmeßstreifen131 bis138 sind klassifiziert in Dehnungsmeßstreifen131 ,133 ,135 und137 eines ersten Typs, die jeweils auf den oberen Flächen dieser Balken in der Verbindungsseite der Balken mit dem Trägerelement120 in der longitudinalen Richtung des jeweiligen Balkens geformt sind, und in Dehnungsmeßstreifen132 ,134 ,136 und138 eines zweiten Typs, die jeweils auf den oberen Flächen dieser Balken in der Verbindungsseite der Balken mit dem Trägerelement120 in der Querrichtung des jeweiligen Balkens geformt sind. Diese Dehnungsmeßstreifen131 bis138 sind, wie in -
1C gezeigt, elektrisch miteinander verbunden und bilden eine Wheatstone-Brücke, in der die Dehungsmeßstreifen131 und135 des ersten Typs, die jeweils auf dem ersten Satz von Balken111 und113 geformt sind, den Dehnungsmeßstreifen133 und137 des ersten Typs, die jeweils auf dem zweiten Satz von dünnen Balken112 und114 geformt sind, gegenüberliegen, und die Dehungsmeßstreifen132 und136 des zweiten Typs, die jeweils auf dem ersten Satz von Balken111 und113 geformt sind, den Dehnungsmeßstreifen134 und138 des zweiten Typs, die jeweils auf dem zweiten Satz von dünnen Balken112 und114 geformt sind, gegenüberliegen. In1C bezeichnet V einen Spannungsversorgungsanschluß und S1 und S2 bezeichnen Signalausgabeanschlüsse. - Wenn eine Beschleunigung in der vertikalen Richtung (welche die Beschleunigungsmeßrichtung ist) auf das Gewicht
100 wirkt, wirkt auf das Gewicht100 eine Kraft in der vertikalen Richtung und die Balken111 ,112 ,113 und114 biegen sich in der durch einen Pfeil P gezeigten Richtung. Zu diesem Zeitpunkt wirkt eine Zugspannung auf die oberen Flächen der Balken in der Verbindungsseite derselben mit dem Trägerelement120 , so daß der Widerstand jedes Dehnungsmeßstreifens131 ,133 ,135 und137 des ersten Typs, die in der longitudinalen Richtung des jeweiligen Balken geformt sind, zunimmt. Im Gegensatz dazu ändert sich der Widerstand der Dehungsmeßstreifen132 ,134 ,136 und138 des zweiten Typs, die in der Querrichtung des jeweiligen Balken geformt sind, nicht. Dies verursacht, daß ein Detektionssignal, dessen Wert proportional dem Betrag der Beschleunigung ist, von den Signalausgabeanschlüssen S1 und S2 der Wheatstone-Brücke ausgegeben wird. - In diesem Ausführungsbeispiel ist die Biegungsmittelpunktslinie
13 jedes Balkens um einen Abstand L von dem Schwerpunkt G des Gewichts100 getrennt. Wenn eine Beschleunigung in der transversalen Richtung (die nicht die Beschleunigungsmeßrichtung ist) auf das Gewicht100 wirkt, wirkt ein durch den Abstand L erzeugtes Drehmoment auf das Gewicht100 und erzeugt so eine Druckspannung, die auf die obere Fläche des einen der paarigen Balken112 und114 wirkt (zum Beispiel auf den Balken112 ). Zu diesem Zeitpunkt wirkt eine Zugspannung auf die obere Fläche des anderen Balken114 . In der Wheatstone-Brücke ändert sich daher der Widerstand jeder der Dehnungsmeßstreifen133 und137 des ersten Typs, die jeweils auf diesen Balken geformt sind, derart, daß sich die Widerstandsänderungen einander aufheben. Demzufolge gibt die Wheatstone-Brücke kein Ausgabesignal aus, mit der Ergebnis, daß der Betrag einer Störausgabe verringert wird. - In dem Ausführungsbeispiel der
1 ist das dicke Gewicht100 in der Draufsicht viereckig. Das Gewicht100 ist nicht auf eine viereckige Form beschränkt und kann eine andere Form besitzen, zum Beispiel eine kreisförmige Form. Auch wenn oben ein Sensor mit dünnen Balken in einer L-Form beschrieben wurde, sind die Balken nicht auf eine L-Form beschränkt und können eine andere Form besitzen, zum Beispiel eine I-Form oder eine rechtwinklige Form. - Zweites Ausführungsbeispiel
- Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors wird unter Bezugnahme auf die
2A und2B beschrieben, die ein Verfahren zum Herstellen eines Gewichts, eines Trägerelements und von Balken aus einem Halbleitersubstrat zeigen.2A ist eine Draufsicht des Halbleitersubstrats und2B ist eine Druntersicht des Halbleitersubstrats. - Bei dem in
2 gezeigten Verfahren werden ein Gewicht100 , ein Trägerelement120 und Balken111 ,112 ,113 und114 wie folgt hergestellt. Zunächst werden, wie in2A gezeigt, Bereiche, die schraffiert und mit210 bezeichnet sind, zum Beispiel durch einen Plasmaätzprozeß von der oberen Fläche des Halbleitersubstrats bis zu einer Tiefe gleich oder größer als die Dicke des Gewichts100 geätzt. Danach werden Bereiche, die in2B schraffiert und mit211 bezeichnet sind, so geätzt, daß sie die Balken111 ,112 ,113 und114 mit einer Dicke von zum Beispiel 10 bis 40 μm bilden. - In der Erfindung ist jede der Arbeitsbreiten W1 und W2 der geätzten Bereiche
210 und211 , die jeweils von den oberen und unteren Flächen des Halbleitersubstrats geätzt werden, entlang der gesamten Länge konstant. Daher findet der Ätzprozeß mit einer konstanten Rate statt, was zu einer verbesserten Arbeitsgenauigkeit führt. - Drittes Ausführungsbeispiel
- Die
3A und B zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors. Das Ausführungsbeispiel der3A und3B ist auf die gleiche Weise ausgeführt wie das der2 , außer daß dünne Balken111 ,112 ,113 und114 mit einer I-förmigen Form oder einer rechtwinkligen Form anstelle der in2 verwendeten L-förmigen Form vorgesehen sind und daß diese Balken so angeordnet sind, daß, wenn die Balken111 und112 um 180 Grad um den Mittelpunkt O des Gewichts100 gedreht werden, diese Balken jeweils mit den Balken113 und114 zusammenfallen und daß die Balken111 und112 mit den Balken114 und113 jeweils symmetrisch bezüglich der longitudinalen Achse V des Gewichts100 sind. - Viertes Ausführungsbeispiel
- Die
4 und5 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors.4 ist ein Querschnitt, und5 zeigt den Sensor der4 in größerem Detail.5A ist ein Draufsicht eines Sensorbereichs, der ein Gewicht100 , ein Trägerelement120 und Balken111 bis114 umfaßt, und5B ist eine Druntersicht eines Trägersubstrats450 . In dem Ausführungsbeispiel der4 und5 ist eine Mehrzahl von Signalanschlüssen430 auf einer Seite, die mit auf den oberen Flächen der Balken geformten Dehnungsmeßstreifen verbunden sind, und eine Mehrzahl von Blind-Signalanschlüssen431 auf der einen Seite, die dieselbe Form wie die Signalanschlüsse430 besitzen, in der Peripherie der oberen Fläche des Trägerelements120 in im wesentlichen gleichen Abständen angeordnet. Das Trägersubstrat450 ist mit einer Mehrzahl von Signalanschlüssen432 und Blind-Signalanschlüssen433 der anderen Seite versehen, die jeweils der Mehrzahl von Signalanschlüssen430 und Blindsignalanschlüssen431 der einen Seite gegenüberliegen und mit diesen verbunden sind. Die auf den Balken geformten Dehnungsmeßstreifen sind über die Signalanschlüsse432 der anderen Seite und mit den Signalanschlüssen verbundenen Verbindungsanschlüssen460 mit einer externen Einheit verbunden. Die Summe der Höhe der Signalanschlüsse430 auf der einen Seite und der Signalanschlüsse432 auf der anderen Seite sowie die Summe der Höhe der Blind-Signalanschlüsse431 auf der einen Seite und der Blind-Signalanschlüsse433 auf der anderen Seite sind auf einen Wert H1 eingestellt, der geringfügig größer ist (zum Beispiel 10 bis 30 μm) als der Verschiebebetrag des Gewichts100 während des Betriebs. Wenn also ein Stoß auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird das Gas zwischen der oberen Fläche des Gewichts100 und der unteren Fläche des Trägersubstrats450 komprimiert, so daß ein Dämpfungsvorgang im Hochfrequenzbereich von zum Beispiel 500 Hz oder höher für das Gewicht100 durchgeführt wird, wodurch die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird. - Es ist günstig, die Signalanschlüsse
430 und432 und die Blind-Signalanschlüsse431 und433 der einen und der anderen Seite aus einem Dickfilm aus einem Metall oder einer Legierung wie etwa aus Au, Ag oder Pb/Sn herzustellen. - Fünftes Ausführungsbeispiel
- Die
6A und6B zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors.6A ist ein Querschnitt, der den Fall zeigt, wo ein Stoß auf den Sensor der6A wirkt. In6A ist ein zusätzliches Gewichts- und Stoppelement520 mit einer umgekehrten konvexen Form auf der oberen Fläche des Gewichts100 angeordnet. Die äußere Peripherie des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements520 ist größer als die innere Peripherie des Trägerelements120 . Der Abstand H2 zwischen der unteren Fläche des äußeren peripheren Bereichs des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements520 und die obere Fläche des Trägerelements120 ist auf einen Wert eingestellt, der kleiner ist als der erlaubte Verschiebungsbetrag des Gewichts100 . Wenn daher ein Stoß, zum Beispiel ein Stoß mit einer geringen Frequenz von einigen zehn Hz oder weniger, auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird die Biegung des Gewichtes100 innerhalb der erlaubten Verschiebung durch das zusätzliche Gewicht- und Stoppelement520 eingeschränkt, wie in6B gezeigt. Das Vorhandensein des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements520 erhöht das Gewicht des Ge wichts. Dies trägt zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Sensors bei. - Sechstes Ausführungsbeispiel
- Die
6A und6B zeigen auch ein sechstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors. In6A ist ein Trägersubstrat510 mit einer sich nach oben öffnenden Vertiefung511 auf der unteren Fläche des Trägerelements120 angeordnet. Die Vertiefung511 ist größer als die äußere Peripherie des Gewichts100 . Der Abstand H1 zwischen der Fläche der Vertiefung511 und der unteren Fläche des Gewichts100 ist auf einen Wert eingestellt, der geringfügig größer ist (zum Beispiel um 10 bis 30 μm) als der bewegliche Verschiebebetrag des Gewichts100 während des Betriebs. Wenn also ein Stoß auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird das Gas zwischen der unteren Fläche des Gewichts100 und der Fläche der Vertiefung511 des Trägersubstrats510 komprimiert, so daß ein Dämpfungsvorgang auf dieselbe Weise wie in dem Ausführungsbeispiel der4 auf das Gewicht wirkt, wodurch die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird. - Siebtes Ausführungsbeispiel
- Die
7 und8A bis8C zeigen ein siebtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors.7 ist ein Querschnitt, und die8A bis8C zeigen den Sensor der7 in größerem Detail.8A ist eine Druntersicht eines oberen Trägersubstrats610 ,8B ist eine Draufsicht eines Sensorbereichs mit einem Gewicht100 , einem Trägerelement120 und Balken111 bis114 , und8C ist eine Draufsicht eines unteren Trägersubstrats620 . In den7 und8 sind das obere Trägersubstrat610 und das untere Trägersubstrat620 jeweils auf der oberen und der unteren Fläche des Trägerelements120 angeordnet. Das obere Trägersubstrat610 besitzt eine sich nach unten öffnende Vertiefung611 . Die Vertiefung611 ist größer als die äußere Peripherie des Gewichts100 . In der Vertiefung611 ist eine Mehrzahl (z.B. 4) von nach unten gehen Ausstülpungen612 an der äußeren Peripherie des Gewichts100 gegenüberliegenden Stellen geformt. Das untere Trägersubstrat620 besitzt eine sich nach oben öffnende Vertiefung621 . Die Vertiefung621 ist größer als die äußere Peripherie des Gewichts100 . In der Vertiefung621 ist eine Mehrzahl (z.B. 4) von nach oben gehenden Ausstülpungen622 an der äußeren Peripherie des Gewichts100 gegenüberliegenden Stellen geformt. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts100 und den Flächen der Vertiefungen611 und621 der oberen und unteren Trägersubstrate610 und620 sind auf einen Wert H1 eingestellt, der geringfügig größer ist (zum Beispiel um 10 bis 40 μm) als der bewegliche Verschiebebetrag des Gewichts100 während des Betriebs. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts100 und den in den Vertiefungen611 und621 geformten Ausstülpungen612 und622 der oberen und unteren Trägersub strate610 und620 sind auf einen Wert H2 eingestellt, der kleiner ist als der erlaubte Verschiebebetrag des Gewichts100 . - Wenn also ein Stoß auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird das Gas zwischen der oberen und unteren Fläche des Gewichts
100 und der Fläche der Vertiefung611 des oberen Trägersubstrats610 oder die Fläche der Vertiefung621 des unteren Trägersubstrats620 komprimiert, so daß ein Dämpfungsvorgang auf dieselbe Weise wie in dem vierten Ausführungsbeispiel der4 und5 auf das Gewicht wirkt, wodurch die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird. Darüberhinaus wird die Biegung des Gewichts100 durch die in den Vertiefungen611 oder621 der oberen oder unteren Trägersubstrate610 oder620 geformten Ausstülpungen612 oder622 auf dieselbe Weise wie bei dem fünften, in6 gezeigten Ausführungsbeispiel innerhalb des erlaubten Verschiebebetrags eingeschränkt. - Achtes Ausführungsbeispiel
- Die
9 und10A bis10C zeigen ein achtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbeschleunigungssensors.9 ist ein Querschnitt, und die10A bis10C zeigen den Sensor der9 in größerem Detail.10A ist eine Druntersicht eines oberen Trägersubstrats710 ,10B ist eine Draufsicht eines Sensorbereichs mit einem Gewicht100 , einem Trägerelement120 und Balken111 bis114 , und10C ist eine Draufsicht eines unteren Trägersubstrats720 . - Die Konfiguration und die Arbeitsweise des in den
9 und10 gezeigten achten Ausführungsbeispiels sind die gleichen wie bei dem in den7 und8 gezeigten siebten Ausführungsbeispiel, außer daß Ausstülpungen712 und722 an der äußeren Peripherie des Gewichtes100 gegenüberliegenden Stellen anstelle der in den7 und8 gezeigten Mehrzahl (z.B. 4) von Ausstülpungen612 und622 , die an der äußeren Peripherie des Gewichtes100 gegenüberliegenden Stellen geformt sind, angeordnet sind. Die Ausstülpungen712 und722 erstrecken sich entlang der äußeren Peripherie des Gewichtes100 . - Wie in
11 gezeigt, ist, falls erforderlich, jeder der oben beschriebenen Halbleiterbeschleunigungssensoren in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter850 untergebracht, der ein inertes Gas enthält. Diese Anordnung ermöglicht, die Sensoren hinreichend sicher auch unter harten Umweltbedingungen für Kraftfahrzeugsensoren zu verwenden. In11 bezeichnet810 einen der Halbleiterbeschleunigungssensoren, und820 bezeichnet einen Verstärker für ein Detektionssignal. - Jeder der oben beschriebenen Halbleiterbeschleunigungssensoren besitzt eine Konfiguration, durch die die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird, und kann in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter, der ein inertes Gas ent hält, statt in einem herkömmlichen hermetisch abgeschlossenen Behälter angeordnet werden, der eine Dämpfungsflüssigkeit enthält, wodurch die Produktionsausbeute verbessert wird.
- Wie oben beschrieben wird bei den Halbleiterbeschleunigungssensoren nach der vorliegenden Erfindung der Betrag einer Störausgabe reduziert, die Arbeitsgenauigkeit des Ätzprozesses bei der Produktion wird verbessert, und die Stoßfestigkeit wird verbessert, so daß es nicht erforderlich ist, daß der Sensor in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse angeordnet wird, das eine Dämpfungsflüssigkeit enthält. Erfindungsgemäß wird daher ein sehr leistungsfähiger und preiswerter Halbleiterbeschleunigungssensor mit einer hervorragenden Meßgenauigkeit und einer verbesserten Produktionsausbeute zur Verfügung gestellt.
- Da die vorliegende Erfindung darauf abzielt, die Meßempfindlichkeit zu verbessern und die Stör- und Offsetausgaben ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen Arbeitsschritten zu verringern, indem sie die Konfiguration des aus einem Halbleiter geformten Halbleiterbeschleunigungssensors, die Anzahl und Positionen der darin zu formenden Dehnungsmeßstreifen und die Art ihrer Verbindung angibt, ist es möglich einen sehr leistungsfähigen Halbleiterbeschleunigungssensor mit geringen Kosten zu erzeugen. Ein Halbleiterbeschleunigungssensor dieser Art ist für verschiedene Verwendungen geeignet, um nicht nur die Verwendung in der Automobilindustrie zu erwähnen.
Claims (11)
- Halbleiterbeschleunigungssensor, der umfasst: ein dickes Gewicht (
100 ) aus einem Halbleiter; ein dickes Trägerelement (120 ), das durch einen vorgegebenen Abstand von dem Gewicht getrennt ist und das Gewicht umgibt; erste (111 ,113 ) und zweite (112 ,114 ) Paare dünner Balken, die die äußere Peripherie des Gewichts mit der inneren Peripherie des Trägerelements verbinden, wobei ein Balken jedes der Paare mit dem anderen Balken des Paares übereinstimmt, wenn der eine Balken um 180 Grad um den Mittelpunkt des Gewichts gedreht wird; und Dehnungsmessstreifenvorrichtungen (131 ,138 ), die jeweils auf den oberen Flächen der Balken geformt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen Dehnungsmessstreifen eines ersten Typs und Dehnungsmessstreifen eines zweiten Typs umfassen, wobei die Dehnungsmessstreifen des ersten Typs und die Dehnungsmessstreifen des zweiten Typs voneinander unterschiedliche Ausgabecharakteristiken in Abhängigkeit einer auf das dicke Gewicht wirkenden Kraft besitzen. - Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen des ersten Typs jeweils auf den oberen Flächen der Balken in der Verbindungsseite der Balken mit dem Trägerelement in der longi tudinalen Richtung des jeweiligen Balkens geformt sind und dass die Dehnungsmessstreifen des zweiten Typs jeweils auf den oberen Flächen der Balken in der Verbindungsseite der Balken mit dem Trägerelement in der Querrichtung des jeweiligen Balkens geformt sind.
- Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen des ersten Typs jeweils auf den oberen Flächen der Balken in der Verbindungsseite der Balken mit dem Trägerelement in der longitudinalen Richtung des jeweiligen Balkens geformt sind und dass die Dehnungsmessstreifen des zweiten Typs jeweils auf den oberen Flächen der Balken in der Verbindungsseite der Balken mit dem dicken Gewicht in der Längsrichtung des jeweiligen Balkens geformt sind.
- Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifenvorrichtungen eine Wheatstone-Brücke bilden, in der die Dehnungsmessstreifen des ersten Typs, die jeweils auf dem ersten Satz von dünnen Balken geformt sind, den Dehnungsmessstreifen des ersten Typs, die auf dem zweiten Satz von dünnen Balken geformt sind, gegenüberliegen und die Dehnungsmessstreifen des zweiten Typs, die jeweils auf dem ersten Satz von dünnen Balken geformt sind, den Dehnungsstreifen des zweiten Typs, die auf dem zweiten Satz von dünnen Balken geformt sind, gegenüberliegen.
- Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht, das Trägerelement und die Balken aus einem Halbleitersubstrat geformt sind, und die Arbeitsbreiten von geätzten Bereichen zum Bilden des Gewichts, des Trägerelements und der Balken identisch sind, wobei diese geätzten Bereiche aus den oberen und unteren Flächen des Halbleitersubstrats geätzt werden.
- Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement eine Mehrzahl von Signalanschlüssen (
430 ) auf einer Seite, die mit den auf den oberen Flächen der Balken geformten Dehnungsmessstreifen verbunden sind, und eine Mehrzahl von Blind-Signalanschlüssen (431 ) auf einer Seite mit derselben Form wie die Signalanschlüsse auf einer Seite umfasst, wobei die Signalanschlüsse und die Blind-Signalanschlüsse auf einer Seite in der Peripherie der oberen Fläche des Trägerelements mit im wesentlichen gleichen Abständen angeordnet sind, dass der Halbleiterbeschleunigungssensor weiterhin ein Trägersubstrat mit einer Mehrzahl von Signalanschlüssen (432 ) und Blind-Signalanschlüssen (433 ) auf der anderen Seite, die jeweils den Signalanschlüssen und den Blind-Signalanschlüssen der einen Seite gegenüberliegen und mit diesen verbunden sind, umfasst, wobei das Trägersubstrat zum Verbinden der auf den Balken geformten Dehnungsmessstreifen mit dem Außenbereich über die Signalanschlüsse der anderen Seite dient, und dass die Summe der Höhe der Signalanschlüsse der einen Seite und der Signalanschlüsse der anderen Seite und die Summe der Höhe der Blind-Signalanschlüsse der einen Seite und der Blindsignalanschlüsse der anderen Seite so eingestellt ist, dass sie einen Wert besitzt, der etwas größer ist als der Betrag der Verschiebung des Gewichts während des Betriebs. - Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ein zusätzliches Gewicht- und Stoppelement (
520 ) umfasst, das auf der oberen Fläche des Gewichts angeordnet ist und eine inverse konvexe Form besitzt, wobei die äußere Peripherie des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements größer als die innere Peripherie des Trägerelements ist, wobei der Abstand zwischen der unteren Fläche des äußeren peripheren Bereichs des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements und der oberen Fläche des Trägerelements auf eine solche Größe eingestellt ist, die kleiner ist als der erlaubte Verschiebungsbetrag des Gewichts. - Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Trägersubstrat (
510 ) umfasst, das auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet ist und eine sich nach oben öffnende Vertiefung (511 ) aufweist, wobei die Vertiefung größer als das Gewicht ist, wobei der Abstand zwischen der Fläche der Vertiefung und der unteren Fläche des Gewichts auf eine solche Größe eingestellt ist, die geringfügig größer als der Verschiebungsbetrag des Gewichts während des Betriebs ist. - Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin ein oberes (
610 ) Trägersubstrat umfasst, das auf der oberen Fläche des Trägerelements angeordnet ist und eine sich nach unten öffnende Vertiefung (611 ) besitzt, wobei die Vertiefung größer als das Gewicht ist und eine Mehrzahl von nach unten gehenden Ausstülpungen (612 ) in der Vertiefung an Stellen geformt ist, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegen; und ein unteres Trägersubstrat (620 ) umfasst, das auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet ist und eine sich nach oben öffnende Vertiefung (621 ) besitzt, wobei die Vertiefung größer als das Gewicht ist, und eine Mehrzahl von nach oben gehenden Ausstülpungen8622 ) in der Vertiefung an Stellen geformt ist, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegen, wobei die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den Flächen der Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstrate auf eine solche Größe eingestellt sind, die geringfügig größer als der Verschiebebetrag des Gewichts während des Betriebs ist, und wobei die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den in den Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstraten geformten Aus stülpungen auf eine solche Größe eingestellt sind, die kleiner als der erlaubte Verschiebebetrag des Gewichts ist. - Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin ein oberes Trägersubstrat (
710 ) umfasst, das auf der oberen Fläche des Trägerelements angeordnet ist und eine sich nach unten öffnende Vertiefung (711 ) besitzt, wobei die Vertiefung größer als das Gewicht ist und eine nach unten gehende Ausstülpung (712 ) in der Vertiefung an einer Stelle geformt ist, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegt; und ein unteres Trägersubstrat (720 ) umfasst, das auf der unteren Fläche des Trägerelements angeordnet ist und eine sich nach oben öffnende Vertiefung (721 ) besitzt, wobei die Vertiefung größer als das Gewicht ist, und eine nach oben gehende Ausstülpung (722 ) in der Vertiefung an einer Stelle geformt ist, die der äußeren Peripherie des Gewichts gegenüberliegt, wobei die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den Flächen der Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstrate auf eine solche Größe eingestellt sind, die geringfügig größer als der Verschiebebetrag des Gewichts während des Betriebs ist, und wobei die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts und den in den Vertiefungen der oberen und unteren Trägersubstraten geformten Ausstülpungen auf eine solche Größe eingestellt sind, die kleiner als der erlaubte Verschiebebetrag des Gewichts ist. - Halbleiterbeschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in einem Behälter angeordnet ist, der ein inertes Gas enthält.
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