DE4345551B4

DE4345551B4 - Halbleiterbeschleunigungssensor

Info

Publication number: DE4345551B4
Application number: DE4345551A
Authority: DE
Inventors: Katsumichi Kawasaki Ueyanagi
Original assignee: Denso Ten Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2013-03-26
Also published as: DE4345552B4

Abstract

Halbleiterbeschleunigungssensor, der aus einem Halbleiter geformt ist, wobei er umfasst:
ein quadratisches, dickwandiges Gewicht (901),
einen dickwandigen Träger (906), der in einem vorgegebenen Abstand von dem Gewicht angeordnet ist und mit einer inneren quadratischen Öffnung versehen ist, die so geformt ist, dass sie das Gewicht umgibt,
vier dünnwandige Balken (902, 903, 904, 905) zum Verbinden des Gewichts mit dem Träger (906) und
jeweils in den Balken geformte Dehnungsmessstreifen (902A, 902B, 903A, 903B, 904A, 904B, 905A, 905B), wobei
die in den vier Balken geformten Dehnungsstreifen des Halbleiterbeschleunigungssensors vier Dehnungsmessstreifen auf einer ersten Seite umfassen, wobei diese vier Dehnungsmessstreifen in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Träger geformt sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die vier dünnwandigen Balken (902, 903, 904, 905) zum Verbinden von vier Endseiten auf beiden gegenüberliegenden, äußeren Seiten des Gewichts mit den jeweils gegenüberliegenden, inneren Seiten des Trägers vorgesehen sind,...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mikro-Beschleunigungssensor aus einem Halbleiter.

Ein herkömmlicher Halbleiterbeschleunigungssensor ist in den 12A und 12B gezeigt. 12A ist eine perspektivische Ansicht und 12B ist ein Schaltkreisdiagramm. In 12A umfaßt der Halbleiterbeschleunigungssensor ein viereckiges, prismaförmiges, dickes Gewicht 10 aus einem Halbleiter mit einer Dicke von zum Beispiel 400 μm, ein dickes Trägerelement 12, das durch eine vorgegebene Lücke von dem Gewicht 10 getrennt ist und so geformt ist, das es dieses umgibt, und einen dünnen Balken 11, der eine Seitenfläche des Gewichts 10 mit derjenigen des Trägerelements 12 verbindet, die der einen Seitenfläche gegenüberliegt, und der eine Dicke von zum Beispiel 10 bis 40 μm besitzt. Dehnungmeßstreifen 31, 32, 33 und 34 sind auf der oberen Seitenfläche des Balkens 11 geformt. Die Dehnungsmeßstreifen 31 und 33 sind in der Verbindungsseite mit dem Gewicht 10 in der longitudinalen Richtung des Balkens 11 geformt, und die Dehnungsmeßstreifen 32 und 34 sind in der Querrichtung des Balkens 11 geformt. Diese Dehnungsmeßstreifen 31 bis 34 sind elektrisch wie in 12B verbunden und bilden eine Wheatstone-Brücke, in der die Dehnungsmeßstreifen 31 und 33 sowie 32 und 34 jeweils einander gegenüberliegen. In 12B 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 Gewicht 10 eine Kraft in der vertikalen Richtung, und der Balken 11 biegt sich in die durch den Pfeil P gekennzeichnete Richtung. Zu diesem Zeitpunkt wirkt eine Zugspannung auf die obere Seite des Balkens 11, so daß der Widerstand jeder der Dehnungsmeßstreifen 31 und 33, die in der longitudinalen Richtung des Balkens 11 geformt sind, zunimmt und sich demgegenüber der Widerstand jeder der Dehnungsmeßstreifen 32 und 34, die in der Querrichtung des Balkens 11 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 in 13 gezeigt, ist daher ein solcher Halbleiterbeschleunigungssensor überlicherweise in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter 850 untergebracht, welcher eine Dämpfungsflüssigkeit 830 enthält. In 13 bezeichnet 800 den Halbleiterbe schleunigungssensor und 820 bezeichnet einen Verstärker zur Signaldetektion.

In dem oben beschriebenen Halbleiterbeschleunigungssensor, wie er in 14 gezeigt ist, ist die Biegungsmittelpunktslinie 13 des Balkens 11 um einen Abstand L von dem Schwerpunkt des Gewichts 10 entfernt. Wenn eine Beschleunigung in der transversalen Richtung (die nicht die Richtung der Beschleunigungsmessung ist) auf das Gewicht 10 wirkt, wird ein durch den Pfeil M angezeigtes Drehmoment durch diese Beschleunigung und den Abstand L erzeugt, das auf das Gewicht 10 wirkt, so daß auf das Gewicht 10 eine Kraft in der vertikalen Richtung auf die gleiche Weise wirkt, wie in dem Fall, in dem eine vertikale Beschleunigung wirkt, wodurch der Balken 11 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 Kon figuration vorgeschlagen werden, in der, wie in 15 gezeigt, ein zusätzliches Gewicht 14 aus Glas oder dergleichen mit der oberen Fläche des Gewichts 10 verbunden ist, so daß der Schwerpunkt G des Gewichts aus dem Gewicht 10 und dem zusätzlichen Gewicht 14 auf der Biegemittelpunktslinie 13 des Balkens 11 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 Halbleiterbeschleunigungssen sors, wie in 12 oder 15 gezeigt, werden das Gewicht 10, das Trägerelement 12 und der Balken 11 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 in 16 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 an dern, ändert sich die Empfindlichkeit, was ein weiteres Problem mit sich bringt, daß nämlich die Produktionsausbeute ungleichmäßig ist.

Die 22 und 23 zeigen einen weiteren herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor als Beispiel: 22 ist eine Draufsicht, und 23 ist eine Seitenansicht. Wie in den 22 und 23 gezeigt, umfaßt der Halbleiterbeschleunigungssensor ein dickwandiges, quadratisches Gewicht 901, das zum Beispiel 400 μm dick ist, einen dickwandigen Träger 906, der in einem vorgegebenen Abstand von einer Seite des Gewichts angeordnet ist, und einen dünnwandigen Balken 907, der zum Beispiel 20–40 μm dick ist, wobei der Balken eine Seite des Gewichts 901 mit einer gegenüberliegenden Seite des Trägers 906 verbindet. In dem Balken 907 sind Dehnungsmeßstreifen 907A, 907B, 907C, 907D geformt. Die Dehnungsmeßstreifen 907A, 907C sind in der oberen Fläche der Verbindung zwischen dem Balken 907 und dem Träger 906 in der Längsrichtung des Balkens 907 geformt, während die Dehnungsmeßstreifen 907B, 907D in der oberen Fläche der Verbindung zwischen dem Balken 907 und dem Gewicht 901 in der Querrichtung des Balkens 907 geformt sind. Diese Dehnungsmeßstreifen 907A, 907B, 907C, 907D werden zum Bilden einer Wheatstone-Brücke verwendet, indem die Dehnungsmeßstreifen 907A, 907C sowie 907B, 907D einander gegenüberliegend angeordnet sind, wie in 26 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 in 23 wirkt, als in einer Richtung senkrecht zum Gewicht 901 (die Richtung, in der die Beschleunigung festgestellt wird), erfährt das Gewicht 901 eine vertikale Kraft Fv, was ein Herunterbiegen des Balkens in Richtung des Pfeiles M bewirkt, wie in 27 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt wirkt eine Zugspannung auf die obere Oberfläche der Verbindung zwischen dem Balken 907 und dem Träger 906 und auf die der Verbindung zwischen dem Balken 907 und dem Gewicht 901. Als Ergebnis nimmt der Widerstand der Dehnungsmeßstreifen 907A, 907C, die in der Längsrichtung des Balkens geformt sind, zu, wohingegen derjenige der Dehnungsmeßstreifen 907B, 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 Gewichts 901, des Balkens 907 und des Trägers 906 mit einem Passivierungsfilm 910 aus SiO₂, SiN oder dergleichen bedeckt, um diese zu schützen.

Da es einen Abstand L von der Spannungsmittellinie 909 des Balkens 907 bis zum Schwerpunkt W des Gewichts 901 im Beschleunigungssensor der 23 gibt, erzeugen der Abstand L von der Spannungsmittellinie 909 zum Schwerpunkt W des Gewichts 901 und die Querkraft Fh, die in dem Gewicht 901 aufgrund der Beschleunigung erzeugt wird, ein Drehmoment, wenn die Beschleunigung quer auf das Gewicht 901 wirkt (die Rich tung, in der die Beschleunigung nicht festgestellt wird), wie durch den Pfeil H gezeigt. Demzufolge wird ein Herunterbiegen des Balkens 907 in Richtung des Pfeiles M bewirkt, wie in dem Falle, in dem die Beschleunigung vertikal auf den Balken 907 wirkt. In Abhängigkeit von der Spannung gibt die Wheatstone-Brücke ein Signal aus, das eine Störausgabe bildet und die Meßgenauigkeit verringert.

Aus dem oben angegebenen Grund kann es als hilfreich er achtet werden, den Abstand L auf Null zu verringern, indem ein zusätzliches Gewicht 908, wie etwa Glas, auf der oberen Oberfläche des Gewichts 901 hinzugefügt wird, um den Schwerpunkt W der Kombination von Gewicht 901 und dem zusätzlichen Gewicht 908 mit der Spannungsmittellinie 909 des Balkens 907 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 in 29 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 Widerstandselements 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 eine 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.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch den in den beigefügten Patentansprüchen definierten Halbleiterbeschleunigungssensor gelöst.

Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist der Halbleiterbeschleunigungssensor aus einem Halbleiter geformt und umfasst ein quadratisches, dickwandiges Gewicht, einen dickwandigen Träger, der in einem vorgegebenen Abstand von dem Gewicht angeordnet ist und mit einer inneren quadratischen Öffnung versehen ist, die so geformt ist, dass sie das Gewicht umgibt, vier dünnwandige Balken zum Verbinden von vier Endseiten auf beiden gegenüberliegenden, äußeren Seiten des Gewichts mit den jeweils gegenüberliegenden, inneren Seiten des Trägers, und jeweils in den Balken geformten Dehnungsmessstreifen.

Die in den vier Balken geformten Dehnungsmessstreifen des Halbleiterbeschleunigungssensors umfassen vier Dehnungsmessstreifen auf einer ersten Seite, wobei diese vier Dehnungsmessstreifen in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Träger jeweils in der Längsrichtung der Balken geformt sind, und vier Dehnungsmessstreifen auf einer zweiten Seite, wobei diese vier Dehnungsmessstreifen in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Gewicht jeweils in der Längsrichtung der Balken geformt sind. Eine Wheatstone-Brücke wird gebildet, indem zwei Dehnungsmessstreifen von den vier Dehnungsmessstreifen, die die Dehnungsmessstreifen der ersten Seite bilden den verbleibenden zwei symmetrisch zum Mittelpunkt des Gewichts gegenüberliegenden und indem zwei Dehnungsmessstreifen von den vier Dehnungsmessstreifen, die die Dehnungsmessstreifen der zweiten Seite bilden den verbleibenden zwei symmetrisch zum Mittelpunkt des Gewichts gegenüberliegen. Passivierungsfilme können auf den Oberflächen der Balken mit den darin geformten Dehnungsmessstreifen in dem Halbleiterbeschleunigungssensor geformt sein, in dem die in den vier Balken zu formenden Dehnungsmessstreifen jeweils in der oberen Oberfläche der Verbindung zwischen Verbindungen der Balken mit dem Träger in der Längsrichtung der Balken geformt sind.

Alternativ ist der Sensor in einem Behälter angeordnet, der ein inertes Gas enthält.

Der Halbleiterbeschleunigungssensor ist entsprechend der vorliegenden Erfindung aus einem Halbleiter geformt und umfasst ein quadratisches, dickwandiges Gewicht, einen dickwandigen Träger, der in einem vorgegebenen Abstand von dem Gewicht angeordnet ist und mit einer inneren quadratischen Öffnung versehen ist, die so geformt ist, dass sie das Gewicht umgibt, vier dünnwandige Balken zum Verbinden von vier Endseiten auf beiden gegenüberliegenden, äußeren Seiten des Gewichts mit den jeweils gegenüberliegenden, äußeren Seiten des Gewichts mit den jeweils gegenüberliegenden, inneren Seiten des Trägers, und jeweils in den Balken geformten Dehnungsmessstreifen. Demzufolge wird das Gewicht von den Balken auf der linken und rechten Seite gehalten, wenn eine Beschleunigung in der Querrichtung (die nicht die Messrichtung ist) wirkt, und die Biegung der Balken ist in diesem Fall viel geringer als die der Balken im herkömmlichen Fall, bei dem das Gewicht nur von den Balken auf einer Seite gehalten wird. Weiterhin wird die Störausgabe deutlich verringert.

Die in den vier Balken geformten Dehnungsmessstreifen des Halbleiterbeschleunigungssensors umfassen vier Dehnungsmessstreifen auf einer ersten Seite, wobei diese vier Dehnungsmessstreifen in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Träger jeweils in der Längsrichtung der Balken geformt ist, und vier Dehnungsmessstreifen auf einer zweiten Seite, wobei diese vier Dehnungsmessstreifen in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Gewicht jeweils in der Längsrichtung der Balken geformt sind. Eine Wheatstone-Brücke wird gebildet, indem zwei Dehnungsmessstreifen von den vier Dehnungsmessstreifen, die die Dehnungsmessstreifen der ersten Seite bilden den verbleibenden zwei symmetrisch zum Mittelpunkt des Gewichts gegenüberliegenden und indem zwei Dehnungsmessstreifen von den vier Dehnungsmessstreifen, die die Dehnungsmessstreifen der zweiten Seite bilden den verbleibenden zwei symmetrisch zum Mittelpunkt des Gewichts gegenüberliegen. Wenn eine Querbeschleunigung (welches nicht die Messrichtung ist) wirkt, ergeben zum Beispiel zwei Paar von Dehnungsmessstreifen auf den ersten und zweiten Seiten, die symmetrisch bezüglich des Mittelpunkts des Gewichts sind, die folgenden Ergebnisse: wenn eine Druckspannung auf einen der Dehnungsmessstreifen wirkt, wirkt eine Zugspannung auf den anderen, und keine Signale werden von der Wheatstone-Brücke ausgegeben, da sich die Widerstandsänderungen gegenseitig aufheben. Wenn eine vertikale (welches die Messrichtung ist) Beschleunigung wirkt, ergeben alle Dehnungsmessstreifen auf den ersten und zweiten Seiten des das folgende Ergebnis: wenn eine Druckspannung auf einen der Dehnungsmessstreifen wirkt, wirkt eine Zugspannung auf den anderen, und von der Wheatstone-Brücke werden Detektionssignale ausgegeben, da sich die Widerstände aller Dehnungsmessstreifen ändern. Daher nimmt die Störausgabe ab, während sich die Empfindlichkeit erhöht.

Außerdem können Passivierungsfilme auf den Oberflächen der Balken mit den darin geformten Dehnungsmessstreifen in dem Halbleiterbeschleunigungssensor geformt sein, in dem die in den vier Balken zu formenden Dehnungsmessstreifen jeweils in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken mit dem Träger geformt sind und in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Gewicht in der Längsrichtung der Balken geformt sind. Auch wenn aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Passivierungsfilms und des Halbleiters Silizium Spannungen in der Oberfläche des Halbleiters Silizium erzeugt werden, erzeugen die Dehnungsmeßstreifen in den oberen Oberflächen der Balken in der Längsrichtung dieselben Widerstandsänderung, und wenn sie mit der Wheatstone-Brücke verbunden sind, heben sich die Widerstandsänderungen gegenseitig auf, so daß keine Offsetspannung erzeugt wird.

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 bis 1C zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbeschleunigungssensors.
Die 2A bis 2B zeigen ein Verfahren zum Bearbeiten eines Halbleitersubstrats in einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbeschleunigungssensors.
Die 3A bis 3B zeigen ein Verfahren zum Bearbeiten eines Halbleitersubstrats in einem dritten Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbeschleunigungssensors.
4 ist ein Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbeschleunigungssensors.
Die 5A und 5B zeigen den Sensor der 4 in größerem Detail.
Die 6A und 6B zeigen fünfte und sechste Ausführungsbeispiele eines Halbleiterbeschleunigungssensors.
7 ist ein Querschnitt eines siebten Ausführungsbei spiels eines Halbleiterbeschleunigungssen sors.
Die 8A und 8B zeigen den Sensor der 7 in größerem Detail.
9 ist ein Querschnitt eines achten Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbeschleunigungssensors.
Die 10A bis 10C zeigen den Sensor der 9 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 und 12B zeigen einen herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor.
13 ist ein Querschnitt, der den herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor der 12 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 der 12 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 der 12 oder 14 verwendet wird.
17A ist eine Draufsicht eines Halbleiterbeschleunigungssensors entsprechend dem (neunten) Ausführungsbeispiel der Erfindung.
17B ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A der 17A.
18A ist eine Draufsicht eines Halbleiterbeschleunigungssensors entsprechend einem zehnten Ausführungsbeispiel 18B ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A der 18A.
19 ist ein Verbindungsdiagramm des Halbleiterbeschleunigungssensors der 17A.
20 ist ein Querschnitt, der den Betrieb des Halbleitersensors der 17A zeigt.
21 ist ein Querschnitt, der noch weiter den Betrieb des Halbleiterbeschleunigungssensors der 17A zeigt.
22 ist eine Draufsicht eines Beispieles für einen herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor.
23 ist eine Seitenansicht der 22.
24 ist eine Draufsicht eines weiteren herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensor.
25 ist eine Seitenansicht der 24.
26 ist ein Verbindungsdiagramm des herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensors der 22.
27 ist eine Seitenansicht, die den Betrieb des herkömmlichen Halbleitersensors der 22 zeigt.
28 ist eine Seitenansicht, die noch weiter den Betrieb des herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensors der 22 zeigt.
29 ist eine Seitenansicht, die noch weiter den Betrieb des herkömmlichen Halbleiterbeschleunigungssensors der 22 zeigt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbeschleunigungssensors. 1A ist eine Draufsicht, 1B ist ein Querschnitt und 1C ist ein Schaltkreisdiagramm. In den 1A und 1B umfaßt der Halbleiterbeschleunigungssensor ein viereckiges, prismaförmiges, dickes Gewicht 100 aus einem Halbleiter mit einer Dicke von zum Beispiel 400 μm, ein dickes Trägerelement 120, das durch einen vorgegebenen Abstand von dem Gewicht 100 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 Gewichts 100 mit der inneren Periphe rie des Trägerelements 120 verbinden und die eine Dicke von zum Beispiel 10 bis 40 μm besitzen. Die ersten und zweiten Sätze bestehen jeweils aus einem Balkenpaar 111 und 113 und einem Balkenpaar 112 und 114. In jedem der Balkensätze sind die Balken so angeordnet, daß, wenn einer von ihnen um 180 Grad um den Mittelpunkt O des Gewichts 100 gedreht wird, dieser Balken mit dem anderen Balken zusammenfällt. Dehnungsmeßstreifen 131 bis 138 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 bis 114 geformten Dehnungsmeßstreifen 131 bis 138 sind klassifiziert in Dehnungsmeßstreifen 131, 133, 135 und 137 eines ersten Typs, die jeweils auf den oberen Flächen dieser Balken in der Verbindungsseite der Balken mit dem Trägerelement 120 in der longitudinalen Richtung des jeweiligen Balkens geformt sind, und in Dehnungsmeßstreifen 132, 134, 136 und 138 eines zweiten Typs, die jeweils auf den oberen Flächen dieser Balken in der Verbindungsseite der Balken mit dem Trägerelement 120 in der Querrichtung des jeweiligen Balkens geformt sind. Diese Dehnungsmeßstreifen 131 bis 138 sind, wie in 1C gezeigt, elektrisch miteinander verbunden und bilden eine Wheatstone-Brücke, in der die Dehungsmeßstreifen 131 und 135 des ersten Typs, die jeweils auf dem ersten Satz von Balken 111 und 113 geformt sind, den Dehnungsmeßstreifen 133 und 137 des ersten Typs, die jeweils auf dem zweiten Satz von dünnen Balken 112 und 114 geformt sind, gegenüberliegen, und die Dehungsmeßstreifen 132 und 136 des zweiten Typs, die jeweils auf dem ersten Satz von Balken 111 und 113 geformt sind, den Dehnungsmeßstreifen 134 und 138 des zweiten Typs, die jeweils auf dem zweiten Satz von dünnen Balken 112 und 114 geformt sind, gegenüberliegen. In 1C 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 Gewicht 100 eine Kraft in der vertikalen Richtung und die Balken 111, 112, 113 und 114 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 Trägerelement 120, so daß der Widerstand jedes Dehnungsmeßstreifens 131, 133, 135 und 137 des ersten Typs, die in der longitudinalen Richtung des jeweiligen Balken geformt sind, zunimmt. Im Gegensatz dazu ändert sich der Widerstand der Dehungsmeßstreifen 132, 134, 136 und 138 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 Gewichts 100 getrennt. Wenn eine Beschleunigung in der transversalen Richtung (die nicht die Beschleunigungsmeßrichtung ist) auf das Gewicht 100 wirkt, wirkt ein durch den Abstand L erzeugtes Drehmoment auf das Gewicht 100 und erzeugt so eine Druckspannung, die auf die obere Fläche des einen der paarigen Balken 112 und 114 wirkt (zum Beispiel auf den Balken 112). Zu diesem Zeitpunkt wirkt eine Zugspannung auf die obere Fläche des anderen Balken 114. In der Wheatstone-Brücke ändert sich daher der Widerstand jeder der Dehnungsmeßstreifen 133 und 137 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 Gewicht 100 in der Draufsicht viereckig. Das Gewicht 100 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 eines Halbleiterbeschleunigungssensors wird unter Bezugnahme auf die 2A und 2B beschrieben, die ein Verfahren zum Herstellen eines Gewichts, eines Trägerelements und von Balken aus einem Halbleitersubstrat zeigen. 2A ist eine Draufsicht des Halbleitersubstrats und 2B ist eine Druntersicht des Halbleitersubstrats.
Bei dem in 2 gezeigten Verfahren werden ein Gewicht 100, ein Trägerelement 120 und Balken 111, 112, 113 und 114 wie folgt hergestellt. Zunächst werden, wie in 2A gezeigt, Bereiche, die schraffiert und mit 210 bezeichnet sind, zum Beispiel durch einen Plasmaätzprozeß von der oberen Fläche des Halbleitersubstrats bis zu einer Tiefe gleich oder größer als die Dicke des Gewichts 100 geätzt. Danach werden Bereiche, die in 2B schraffiert und mit 211 bezeichnet sind, so geätzt, daß sie die Balken 111, 112, 113 und 114 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 und 211, 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 eines Halbleiterbeschleunigungssensors. Das Ausführungsbeispiel der 3A und 3B ist auf die gleiche Weise ausgeführt wie das der 2, außer daß dünne Balken 111, 112, 113 und 114 mit einer I-förmigen Form oder einer rechtwinkligen Form anstelle der in 2 verwendeten L-förmigen Form vorgesehen sind und daß diese Balken so angeordnet sind, daß, wenn die Balken 111 und 112 um 180 Grad um den Mittelpunkt O des Gewichts 100 gedreht werden, diese Balken jeweils mit den Balken 113 und 114 zusammenfallen und daß die Balken 111 und 112 mit den Balken 114 und 113 jeweils symmetrisch bezüglich der longitudinalen Achse V des Gewichts 100 sind.
Viertes Ausführungsbeispiel
Die 4 und 5 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbeschleunigungssensors. 4 ist ein Querschnitt, und 5 zeigt den Sensor der 4 in größerem Detail. 5A ist ein Draufsicht eines Sensorbereichs, der ein Gewicht 100, ein Trägerelement 120 und Balken 111 bis 114 umfaßt, und 5B ist eine Druntersicht eines Trägersubstrats 450. In dem Ausführungsbeispiel der 4 und 5 ist eine Mehrzahl von Signalanschlüssen 430 auf einer Seite, die mit auf den oberen Flächen der Balken geformten Dehnungsmeßstreifen verbunden sind, und eine Mehrzahl von Blind-Signalanschlüssen 431 auf der einen Seite, die dieselbe Form wie die Signalanschlüsse 430 besitzen, in der Peripherie der oberen Fläche des Trägerelements 120 in im wesentlichen gleichen Abständen angeordnet. Das Trägersubstrat 450 ist mit einer Mehrzahl von Signalanschlüssen 432 und Blind-Signalanschlüssen 433 der anderen Seite versehen, die jeweils der Mehrzahl von Signalanschlüssen 430 und Blindsignalanschlüssen 431 der einen Seite gegenüberliegen und mit diesen verbunden sind. Die auf den Balken geformten Dehnungsmeßstreifen sind über die Signalanschlüsse 432 der anderen Seite und mit den Signalanschlüssen verbundenen Verbindungsanschlüssen 460 mit einer externen Einheit verbunden. Die Summe der Höhe der Signalanschlüsse 430 auf der einen Seite und der Signalanschlüsse 432 auf der anderen Seite sowie die Summe der Hohe der Blind-Signalanschlüsse 431 auf der einen Seite und der Blind-Signalanschlüsse 433 auf der anderen Seite sind auf einen Wert H₁ eingestellt, der geringfügig größer ist (zum Beispiel 10 bis 30 μm) als der Verschiebebetrag des Gewichts 100 während des Betriebs. Wenn also ein Stoß auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird das Gas zwischen der oberen Fläche des Gewichts 100 und der unteren Fläche des Trägersubstrats 450 komprimiert, so daß ein Dämpfungsvorgang im Hochfrequenzbereich von zum Beispiel 500 Hz oder höher für das Gewicht 100 durchgeführt wird, wodurch die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird.
Es ist günstig, die Signalanschlüsse 430 und 432 und die Blind-Signalanschlüsse 431 und 433 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 und 6B zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbeschleunigungssensors. 6A ist ein Querschnitt, der den Fall zeigt, wo ein Stoß auf den Sensor der 6A wirkt. In 5A ist ein zusätzliches Gewichts- und Stoppelement 520 mit einer umgekehrten konvexen Form auf der oberen Fläche des Gewichts 100 angeordnet. Die äußere Peripherie des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements 520 ist größer als die innere Peripherie des Trägerelements 120. Der Abstand H₂ zwischen der unteren Fläche des äußeren peripheren Bereichs des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements 520 und die obere Fläche des Trägerelements 120 ist auf einen Wert eingestellt, der kleiner ist als der erlaubte Verschiebungsbetrag des Gewichts 100. 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 100 innerhalb der erlaubten Verschiebung durch das zusätzliche Gewicht- und Stoppelement 520 eingeschränkt, wie in 6B gezeigt. Das Vorhandensein des zusätzlichen Gewicht- und Stoppelements 520 erhöht das Gewicht des Ge wichts. Dies trägt zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Sensors bei.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Die 6A und 6B zeigen auch ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbeschleunigungssensors. In 6A ist ein Trägersubstrat 510 mit einer sich nach oben öffnenden Vertiefung 511 auf der unteren Fläche des Trägerelements 120 angeordnet. Die Vertiefung 511 ist größer als die äußere Peripherie des Gewichts 100. Der Abstand H₁ zwischen der Fläche der Vertiefung 511 und der unteren Fläche des Gewichts 100 ist auf einen Wert eingestellt, der geringfügig größer ist (zum Beispiel um 10 bis 30 μm) als der bewegliche Verschiebebetrag des Gewichts 100 während des Betriebs. Wenn also ein Stoß auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird das Gas zwischen der unteren Fläche des Gewichts 100 und der Fläche der Vertiefung 511 des Trägersubstrats 510 komprimiert, so daß ein Dämpfungsvorgang auf dieselbe Weise wie in dem Ausführungsbeispiel der 4 auf das Gewicht wirkt, wodurch die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird.
Siebtes Ausführungsbeispiel
Die 7 und 8A bis 8C zeigen ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbeschleunigungssensors. 7 ist ein Querschnitt, und die 8A bis 8C zeigen den Sensor der 7 in größerem Detail. 8A ist eine Druntersicht eines oberen Trägersubstrats 610, 8B ist eine Draufsicht eines Sensorbereichs mit einem Gewicht 100, einem Trägerelement 120 und Balken 111 bis 114, und 8C ist eine Draufsicht eines unteren Trägersubstrats 620. In den 7 und 8 sind das obere Trägersubstrat 610 und das untere Trägersubstrat 620 jeweils auf der oberen und der unteren Fläche des Trägerelements 120 angeordnet. Das obere Trägersubstrat 610 besitzt eine sich nach unten öffnende Vertiefung 611. Die Vertiefung 611 ist größer als die äußere Peripherie des Gewichts 100. In der Vertiefung 611 ist eine Mehrzahl (z.B. 4) von nach unten gehen Ausstülpungen 612 an der äußeren Peripherie des Gewichts 100 gegenüberliegenden Stellen geformt. Das untere Trägersubstrat 620 besitzt eine sich nach oben öffnende Vertiefung 621. Die Vertiefung 621 ist größer als die äußere Peripherie des Gewichts 100. In der Vertiefung 621 ist eine Mehrzahl (z.B. 4) von nach oben gehenden Ausstülpungen 622 an der äußeren Peripherie des Gewichts 100 gegenüberliegenden Stellen geformt. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts 100 und den Flächen der Vertiefungen 611 und 621 der oberen und unteren Trägersubstrate 610 und 620 sind auf einen Wert H₁ eingestellt, der geringfügig größer ist (zum Beispiel um 10 bis 40 μm) als der bewegliche Verschiebebetrag des Gewichts 100 während des Betriebs. Die Abstände zwischen den oberen und unteren Flächen des Gewichts 100 und den in den Vertiefungen 611 und 621 geformten Ausstülpungen 612 und 622 der oberen und unteren Trägersub strate 610 und 620 sind auf einen Wert H₂ eingestellt, der kleiner ist als der erlaubte Verschiebebetrag des Gewichts 100.
Wenn also ein Stoß auf den Halbleiterbeschleunigungssensor wirkt, wird das Gas zwischen der oberen und unteren Fläche des Gewichts 100 und der Fläche der Vertiefung 611 des oberen Trägersubstrats 610 oder die Fläche der Vertiefung 621 des unteren Trägersubstrats 620 komprimiert, so daß ein Dämpfungsvorgang auf dieselbe Weise wie in dem vierten Ausführungsbeispiel der 4 und 5 auf das Gewicht wirkt, wodurch die Stoßfestigkeit des Sensors verbessert wird. Darüberhinaus wird die Biegung des Gewichts 100 durch die in den Vertiefungen 611 oder 621 der oberen oder unteren Trägersubstrate 610 oder 620 geformten Ausstülpungen 612 oder 622 auf dieselbe Weise wie bei dem fünften, in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel innerhalb des erlaubten Verschiebebetrags eingeschränkt.
Achtes Ausführungsbeispiel
Die 9 und 10A bis 10C zeigen ein achtes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbeschleunigungssensors. 9 ist ein Querschnitt, und die 10A bis 10C zeigen den Sensor der 9 in größerem Detail. 10A ist eine Druntersicht eines oberen Trägersubstrats 710, 10B ist eine Draufsicht eines Sensorbereichs mit einem Gewicht 100, einem Trägerelement 120 und Balken 111 bis 114, und 10C ist eine Draufsicht eines unteren Trägersubstrats 720.
Die Konfiguration und die Arbeitsweise des in den 9 und 10 gezeigten achten Ausführungsbeispiels sind die gleichen wie bei dem in den 7 und 8 gezeigten siebten Ausführungsbeispiel, außer daß Ausstülpungen 712 und 722 an der äußeren Peripherie des Gewichtes 100 gegenüberliegenden Stellen anstelle der in den 7 und 8 gezeigten Mehrzahl (z.B. 4) von Ausstülpungen 612 und 622, die an der äußeren Peripherie des Gewichtes 100 gegenüberliegenden Stellen geformt sind, angeordnet sind. Die Ausstülpungen 712 und 722 erstrecken sich entlang der äußeren Peripherie des Gewichtes 100.
Wie in 11 gezeigt, ist, falls erforderlich, jeder der oben beschriebenen Halbleiterbeschleunigungssensoren in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter 850 untergebracht, der ein inertes Gas enthält. Diese Anordnung ermöglicht, die Sensoren hinreichend sicher auch unter harten Umweltbedingungen für Kraftfahrzeugsensoren zu verwenden. In 11 bezeichnet 810 einen der Halbleiterbeschleunigungssensoren, und 820 bezeichnet einen Verstärker für ein Detektionssignal.
Die 17A und 17B zeigen einen Halbleiterbeschleunigungssensor entsprechend der vorliegenden Erfindung 17A ist eine Draufsicht und 17B ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A der 17A. Wie in den 17A und 17B gezeigt, ist der Halbleiterbeschleunigungssensor aus einem Halbleiter geformt und umfaßt ein quadratisches, dickwandiges Gewicht 901, das zum Beispiel 400 μm dick ist, einen dickwandigen Träger 906, der mit einer inneren quadratischen Öffnung versehen ist, die in einem vorgegebenen Abstand von dem Gewicht 901 angeordnet ist und die so geformt ist, daß sie das Gewicht 901 umgibt, vier dünnwandige Balken 902, 903, 904, 905, die zum Beispiel 20–40 μm dick sind zum Verbinden von vier Endseiten auf beiden gegenüberliegenden, äußeren Seiten des Gewichts 901 mit den jeweils gegenüberliegenden, inneren Seiten des Trägers 906, und jeweils in den Balken 902, 903, 904, 905 geformte Dehnungsmeßstreifen 902A, 902B, 903A, 903B, 904A, 904B, 905A, 905B. Die Dehnungsmeßstreifen 902A, 903A, 904A, 905A von all diesen Dehnungsmeßstreifen sind in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen dem Träger 906 und den Balken 902, 903, 904, 905 jeweils in der Längsrichtung der Balken geformt. Auf der anderen Seite sind die Dehnungsmeßstreifen 902B, 903B, 904B, 905B in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen dem Gewicht 901 und den Balken 902, 903, 904, 905 jeweils in der Längsrichtung der Balken geformt. Unter der Annahme, daß die in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Träger geformten Dehnungsmeßstreifen 902A, 903A, 904A, 905A Dehnungsmeßstreifen der ersten Seite genannt werden und daß die in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Gewicht geformten Dehnungsmeßstreifen 902B, 903B, 904B, 905B Dehnungsmeßstreifen der zweiten Seite genannt werden, kann eine Wheatstone-Brücke, wie in 19 gezeigt gebildet werden, indem zwei Dehnungs meßstreifen 902A, 905A der vier Dehnungsmeßstreifen den Dehnungsmeßstreifen 903A, 904A symmetrisch bezüglich dem Mittelpunkt C des Gewichts 901 gegenüberliegen und indem zwei Dehnungsmeßstreifen 902B, 905B der vier Dehnungsmeßstreifen den Dehnungsmeßstreifen 903B, 904B symmetrisch bezüglich dem Mittelpunkt C des Gewichts 901 gegenüberliegen. In diesem Fall bezeichnet V einen Spannungsversorgungsanschluß, G einen Masseanschluß und S1, S2 Signalausgabeanschlüsse.
Wenn eine Beschleunigung in Richtung des Pfeiles V in 17B auf das Gewicht 901 wirkt, also in einer Richtung senkrecht zum Gewicht 901 (die Richtung, in der die Beschleunigung gemessen wird), erfährt das Gewicht 901 eine vertikale Kraft Fv, bewegt sich nach unten, wie in 20 gezeigt, und wird von den Balken 902, 903 und 904, 905 auf beiden Seiten gehalten. Zu diesem Zeitpunkt wirkt eine Zugspannung auf die oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Träger 906, während Druckspannungen auf die oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Gewicht 901 wirken. Dann nehmen die Widerstände der Dehnungsmeßstreifen 902A, 903A, 904A, 905A auf der ersten Seite zu und die Widerstände der Dehnungsmeßstreifen 902B, 903B, 904B, 905B auf der zweiten Seite nehmen ab. Meßsignale, deren Höhe proportional der Beschleunigung ist, werden folglich von den Ausgabeanschlüssen S1, S2 der Wheatstone-Brücke ausgegeben.
Wenn eine Beschleunigung in der Richtung des Pfeiles H in 17B auf das Gewichts 901 wirkt, also in der Querrichtung (die Richtung, in der die Beschleunigung nicht ge messen wird), erzeugt ein Drehmoment, das durch den Abstand L von der Spannungsmittelpunktslinie 909 des Balkens zum Schwerpunkt W des Gewichts 901 und die in dem Gewichts 901 aufgrund der Beschleunigung erzeugte Querkraft Fh erzeugt wird, eine Verbiegung wie in 21 gezeigt. Hinsichtlich der Balken 902, 903 auf der Seite, die von dem Gewicht 901 gedrückt wird, wirkt eine Druckspannung auf die obere Oberfläche der Verbindung jedes Balkens mit dem Träger und eine Zugspannung wirkt auf die obere Oberfläche der Verbindung jedes Balkens mit dem Gewicht. Hinsichtlich der Balken 904, 905 auf der Seite, die von dem Gewicht 901 gezogen wird, wirkt eine Zugspannung auf die obere Oberfläche der Verbindung jedes Balkens mit dem Träger und eine Druckspannung wirkt auf die obere Oberfläche der Verbindung jedes Balkens mit dem Gewicht.
Daher ergeben die beiden Paare von Dehnungsmeßstreifen 902A, 905A und 903A, 904A, die symmetrisch bezüglich des Mittelpunktes C des Gewichtes 901 unter den vier Dehnungsmeßstreifen 902A, 903A, 904A, 905A auf der ersten Seite sind, die folgenden Ergebnisse: der Widerstand von 902A nimmt ab und der von 905A nimmt zu, so daß sich die Widerstandsänderungen aufheben; und der Widerstand von 903A nimmt ab und der von 904A nimmt zu, so daß sich die Widerstandsänderungen ebenfalls aufheben. Dies ist ebenfalls der Fall bei den Dehnungsmeßstreifen 902B, 903B, 904B, 905B der zweiten Seite, deren Widerstandsänderungen sich aufheben. Mit anderen Worten, es wird kein Signal von der Wheatstone-Brücke ausgegeben.
Da das Gewicht 901 dieses Halbleiterbeschleunigungssensors von den Balken 902, 903 und 904, 905 auf beiden Seiten gehalten wird, wird das Gewicht von den Balken auf der linken und der rechten Seite gehalten, wenn eine Beschleunigung in der Querrichtung (die nicht die Meßrichtung ist) wirkt. Daher ist die Biegung der Balken ist in diesem Fall viel geringer als die der Balken im herkömmlichen Fall, bei dem das Gewicht nur von den Balken auf einer Seite gehalten wird. Weiterhin wird die Störausgabe deutlich verringert, da sich die Widerstandsänderungen der Dehnungsmeßstreifen gegenseitig aufheben, wie zuvor erklärt.
Die 18A und 18B zeigen einen weiteren Halbleiterbeschleunigungssensor:
18A ist eine Draufsicht, und 18B ist ein Querschnitt entlang der Linie B-B der 18A. Wie in den 18A und 18B gezeigt, ist der Halbleiterbeschleunigungssensor aus einem Halbleiter geformt und umfaßt ein Gewicht 901 mit einem quadratischen, dickwandigen, zentralen Bereich 901A, der zum Beispiel 400 μm dick ist, und vier quadratische, dickwandige Ausstülpungen 901A, 901B, 901C, 901D, die auf den jeweiligen Seiten des zentralen Bereichs 901A geformt sind, wobei die Seiten davon untereinander einen rechten Winkel um den Mittelpunkt des zentralen Bereichs 901A bilden, einen dickwandigen Träger 906 mit einer quadratischen, inneren Öffnung, die in einem vorgegebenen Abstand von den äußeren Seiten der Ausstülpungen 901A, 901B, 901C, 901D des Gewichts 901 entfernt derart angeordnet ist, daß sie das Gewicht 901 umgibt, vier dünnwandige Balken 902, 903, 904, 905, die zum Beispiel 20–40 μm dick sind, zum Verbinden der einen Seiten der Ausstülpungen 901A, 901B, 901C, 901D des Gewichts 901, wobei die Seiten davon untereinander einen rechten Winkel um den Mittelpunkt des zentralen Bereichs 901A des Gewichts 901 bilden, mit den jeweils gegenüberliegenden Seiten des Trägers 906 und in den jeweiligen Balken 902, 903, 904, 905 geformte Dehnungsmeßstreifen 902A, 902B, 903A, 903B, 904A, 904B, 905A, 905B. Die Dehnungsmeßstreifen 902A, 903A, 904A, 905A von all diesen Dehnungsmeßstreifen sind in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen dem Träger 906 und den Balken 902, 903, 904, 905 jeweils in der Längsrichtung der Balken geformt. Auf der anderen Seite sind die Dehnungsmeßstreifen 902B, 903B, 904B, 905B von all diesen Dehnungsmeßstreifen in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen dem Gewicht 901 und den Balken 902, 903, 904, 905 jeweils in der Längsrichtung der Balken geformt. Die Dehnungsmeßstreifen sind genauso angeordnet, wie in den 17A und 17B gezeigt.
Da die Balken 902, 903, 904, 905 entlang der jeweiligen Seiten des zentralen Bereichs 901A des Gewichts 901 in dem Halbleiterbeschleunigungssensor geformt sind, können ihre Längsseiten länger gemacht werden, wodurch die Balken leichter gebogen werden, was die Meßempfindlichkeit weiter verbessert.
In diesem Fall können die auf den jeweiligen Seiten des Gewichts 901 angeordneten Ausstülpungen 901A, 901B, 901C, 901D an den einen Enden der jeweiligen Seiten angeordnet sein, um jeden der Balken 902, 903, 904, 905 auf einer der beiden Seiten der Ausstülpung zu formen, wobei die eine Seite weiter als die andere Seite von der gegenüberliegenden Innenseite des Trägers 906 entfernt ist. Aus diese Weise kann die Länge der Balken vergrößert werden.
Außerdem sind Passivierungsfilme 910 aus SiO₂, SiN oder dergleichen auf den Oberflächen der Balken geformt, um die Dehnungsmeßstreifen in der oberen Oberfläche des Halbleiterbeschleunigungssensors zu schützen, wie den 17A und 17B oder 18A und 18B gezeigt. Der Passivierungsfilm wird normalerweise bei Temperaturen von mehreren hundert Grad geformt, bevor die Temperatur auf die normale Temperatur zurückgefahren wird. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Passivierungsfilms und des Halbleiters Silizium verursachen bleibende Spannungen in der Oberfläche des Halbleiters Silizium. Auch wenn sich die Widerstände der Dehnungsmeßstreifen 902A, 902B, 903A, 903B, 904A, 904B, 905A, 905B entsprechend ändern, wird dieselbe Widerstandsänderung erzeugt, da alle Dehnungsmeßstreifen in den oberen Oberflächen der Balken in der Längsrichtung der Balken angeordnet sind. Da diese Dehnungsmeßstreifen dieselben Widerstandsänderungen erzeugen, heben sich, wenn sie mit der Wheatstone-Brücke der 5 verbunden sind, die Widerstandsänderungen gegenseitig auf, so daß keine Offsetspannung erzeugt wird.
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

Halbleiterbeschleunigungssensor, der aus einem Halbleiter geformt ist, wobei er umfasst: ein quadratisches, dickwandiges Gewicht (901), einen dickwandigen Träger (906), der in einem vorgegebenen Abstand von dem Gewicht angeordnet ist und mit einer inneren quadratischen Öffnung versehen ist, die so geformt ist, dass sie das Gewicht umgibt, vier dünnwandige Balken (902, 903, 904, 905) zum Verbinden des Gewichts mit dem Träger (906) und jeweils in den Balken geformte Dehnungsmessstreifen (902A, 902B, 903A, 903B, 904A, 904B, 905A, 905B), wobei die in den vier Balken geformten Dehnungsstreifen des Halbleiterbeschleunigungssensors vier Dehnungsmessstreifen auf einer ersten Seite umfassen, wobei diese vier Dehnungsmessstreifen in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Träger geformt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die vier dünnwandigen Balken (902, 903, 904, 905) zum Verbinden von vier Endseiten auf beiden gegenüberliegenden, äußeren Seiten des Gewichts mit den jeweils gegenüberliegenden, inneren Seiten des Trägers vorgesehen sind, dass die vier Dehnungsmessstreifen auf der ersten Seite jeweils in der Längsrichtung der Balken geformt sind und dass die in den vier Balken geformten Dehnungsmessstreifen des Halbleiterbeschleunigungssensors vier Dehnungsmessstreifen auf einer zweiten Seite umfassen, wobei diese vier Dehnungsmessstreifen in den oberen Oberflächen der Verbindungen zwischen den Balken und dem Gewicht jeweils in der Längsrichtung der Balken geformt sind, wodurch eine Wheatstone-Brücke gebildet wird, indem zwei Dehnungsmessstreifen von den vier Dehnungsmessstreifen, die die Dehnungsmessstreifen der ersten Seite bilden den verbleibenden zwei symmetrisch zum Mittelpunkt des Gewichts gegenüberliegen und indem zwei Dehnungsmessstreifen von den vier Dehnungsmessstreifen, die die Dehnungsmessstreifen der zweiten Seite bilden den verbleibenden zwei symmetrisch zum Mittelpunkt des Gewichts gegenüberliegen.
Halbleiterbeschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Passivierungsfilme (910) auf den Oberflächen der Balken mit den darin geformten Dehnungsmessstreifen in dem Halbleiterbeschleunigungssensor geformt sind.
Halbleiterbeschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in einem Behälter angeordnet ist, der ein inertes Gas enthält.