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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Trägheitssensor zur allgemeinen
Verwendung in einer Vorrichtung, die die Position und Lage eines sich
bewegenden Körpers
durch Erfassen der Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit
steuert, und auf ein Verfahren für
seine Herstellung und insbesondere auf einen Trägheitssensor, der durch einen
Halbleiterherstellungsprozess hergestellt wird, und ein Verfahren
für seine
Herstellung.
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Der
Trägheitssensor
und insbesondere ein Beschleunigungssensor und/oder ein Drehwinkelgeschwindigkeitssensor
(Gyroskop oder Gierratensensor) finden ein großes Anwendungsgebiet als Sensoren,
die für
eine Fahrzeug-Stabilitätssteuerung,
Airbag- und Navigationssysteme von Fahrzeugen sowie für die Verhinderung
von unbeabsichtigten Bewegungen bei Kameras und kompakten Videokameras
erforderlich sind. Der Stand der Technik wird im Folgenden beschrieben,
wobei hauptsächlich
ein Winkelgeschwindigkeitssensor als Beispiel verwendet wird.
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Bisher
wurden eine Vielzahl von Winkelgeschwindigkeitssensoren wie z. B.
ein Gyroskop des Drehtyps unter Verwendung einer sich drehenden Kugel
oder eines Kreisels und ein Lichtleitfaser-Gyroskop unter Verwendung
von Lichtleitfasern entwickelt. Das Gyroskop des Drehtyps und das
Lichtleitfaser-Gyroskop sind einerseits sehr genau, besitzen jedoch
andererseits größere Abmessungen.
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Unter
diesem Umständen
wurde mit dem Ziel der Verringerung der Vorrichtungsgröße ein Schwingungsgyroskop,
das keinen Drehkörper
besitzt und funktionsfähig
ist, einen Massenkörper
in Schwingungen zu versetzen oder zu schwenken, entwickelt und viele
Arten von Schwingungsgyroskopen des piezoelektrischen Typs, die
eine verringerte Größe besitzen,
indem eine piezoelektrische Vorrichtung auf einem dreieckigen Pol
oder Zylinder angebracht wurden, sind hergestellt worden. Bei dem
Schwingungsgyroskop müssen
jedoch kleine Teile genau montiert werden, wodurch Schwierigkeiten
bei der Fertigung entstehen. Des Weiteren enthält jeder der oben erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensoren,
der das Schwingungsgyroskop unter Verwendung des dreieckigen Pols
oder Zylinders enthält,
eine große
Anzahl von Einzelteilen, wodurch es erschwert wird, den Sensorabschnitt
(Erfassungsteil) mit dem zugehörigen
Schaltungsabschnitt einteilig herzustellen.
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Um
diese Probleme zu lösen,
wurden in letzter Zeit Untersuchungen und Forschungen in Bezug auf
ein kompaktes Schwingungsgyroskop unter Verwendung einer Mikrobearbeitungstechnik
intensiv betrieben, bei der die Technik des Silicium-Halbleiter-Fertigungsprozesses
angewendet wird. Durch diese Technik können Sensoren bei geringen
Kosten hergestellt werden und sind für eine Massenfertigung geeignet.
Des Weiteren wird erwartet, dass der Sensorabschnitt und der Umfangsschaltungsabschnitt
in einem Chip enthalten sein können.
Der oben erwähnte
technische Trend gilt auch für
andere Sensoren wie z. B. Beschleunigungssensoren.
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Insbesondere
für Schwingungsgyroskope wurden
verschiedene Typen von Sensoren vorgeschlagen und erläutert, bis
zum heutigen Tag sind jedoch wenige Untersuchungen in Bezug auf
einem Sensor mit einfachem Aufbau (bei hoher Empfindlichkeit) gemacht
worden, wobei besonderer Wert auf die Anpassungsfähigkeit
an eine Massenfertigung gelegt wird.
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Das
grundlegende Funktionsprinzip des Winkelgeschwindigkeitssensors,
der unter Verwendung der Mikrobearbeitungstechnik hergestellt wird, wird
beispielhaft anhand des Sensors beschrieben, der im
US-Patent Nr. 5.349.855 offenbart
ist.
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Das
Grundprinzip des Winkelgeschwindigkeitssensors besteht darin, dass
dann, wenn sich ein Massenkörper,
der ständig
schwingt oder sich ständig
dreht, in eine Richtung längs
einer ersten Achse bewegt, wobei die Winkelgeschwindigkeit eine
Drehachse parallel zu einer zweiten Achse besitzt, die zur Richtung
der ersten Achse senkrecht ist, die Winkelgeschwindigkeit ermittelt
werden kann, indem eine Coriolis-Kraft erfasst wird, die in Richtung
einer dritten Achse erzeugt wird, die sowohl zur ersten als auch
zweiten Achse senkrecht ist. Die Coriolis-Kraft kann durch die Messung
eines Betrags der Verlagerung des Massenkörpers bestimmt werden. Im Folgenden
wird der schwingende oder sich drehende Massenkörper als ein Schwingungskörper bezeichnet.
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Der
oben beispielhaft angegebene Winkelgeschwindigkeitssensor ist aus
einem Schwingungskörper,
einer Tragstruktur zum Unterstützen
des Schwingungskörpers,
einer Antriebseinrichtung zum Ausüben einer Antriebskraft, die
erforderlich ist, um den Schwingungskörper in Schwingungen zu versetzen,
und einem Detektor zum Detektieren der Verlagerung infolge der Coriolis-Kraft
aufgebaut. Der Schwingungskörper
ist von einem Substrat mittels eines Halteträgers mit geeigneter Form beabstandet und
wird unter Verwendung von kammzahnförmigen Elektroden elektrostatisch
angetrieben. Die Richtung der Schwingung ist parallel zum Substrat.
Wenn in diesem Zustand die Drehung an dem Schwingungskörper ausgeübt wird,
wobei die Drehachse parallel zum Substrat verläuft, jedoch senkrecht zur Schwingungsrichtung
ist, wird der Schwingungskörper
durch die Coriolis-Kraft in einer Richtung senkrecht zum Substrat
verlagert. Diese Verlagerung wird als eine Änderung der elektrostatischen
Kapazität
detektiert, wobei eine Elektrode verwendet wird, die an der Unterseite
des Schwingungskörpers
und an dem Substrat angeordnet ist, wodurch die Coriolis-Kraft gemessen
wird.
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Beispiele
weiterer Winkelgeschwindigkeitssensoren, die unter Verwendung der
Mikrobearbeitungstechnik hergestellt werden, bei denen eine Antriebselektrode
und eine Verlagerungserfassungselektrode an einer Ebene parallel
zu einem Substrat vorgesehen sind und zugelassen wird, dass sich
ein Schwingungskörper
lediglich auf der Ebene bewegt, sind z. B. in den Dokumenten
JP-A-09-189557 und
JP-A-09-119942 offenbart.
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Die
folgenden Punkte müssen
sorgfältig
beachtet werden.
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Das
Schaffen eines der oben erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensoren,
die unter Verwendung des Halbleiterfertigungsprozesses hergestellt werden,
setzt eine so genannte Oberflächen-Mikrobearbeitungstechnik
voraus, bei der die Schritte zum Bilden einer Lage (oder Schicht),
wie etwa eine Isolierlage und eine Polysiliconlage, auf einer Siliciumscheibe
und zum Strukturieren der Lage durch Ätzen wiederholt werden. Um
in diesem Fall verschiedene Strukturen vom Substrat zu trennen,
benötigt
die Oberflächen-Mikrobearbeitungstechnik
ferner einen Prozess, bei dem eine Schicht (Opferschicht), die in einem
späteren
Schritt entfernt werden soll, im Voraus gebildet wird. Schichten,
die die Strukturen enthalten, werden dann der Opferschicht überlagert
und die Opferschicht wird in einem abschließen den Schritt durch Ätzen entfernt.
Als Ergebnis wird der Schwingungskörper, der die Form einer dünnen Lage besitzt,
in der Weise gebildet, dass er von der Siliciumscheibe geringfügig beabstandet
ist, wodurch es schwierig gemacht wird, zu bewirken, dass der Schwingungskörper ausreichend
in Schwingungen versetzt wird.
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Andererseits
sind viele Beispiele eines Winkelgeschwindigkeitssensors bekannt,
die unter Verwendung einer Volumenkörper-Mikrobearbeitungstechnik
hergestellt werden, bei der im Unterschied zur Oberflächen-Mikrobearbeitungstechnik
eine Siliciumscheibe an sich mittels einer Vorrichtung geätzt wird,
die die Scheibe bei einem großen
Seitenverhältnis
bearbeiten kann, wodurch eine Struktur hergestellt wird. Die Dokumente
JP-A-7-120266 ,
JP-A-5-240874 und
The Institute of Electrical Engineers of Japan, E-department (T.
IEE Japan); Bd. 118-E, Nr. 12, '98
zeigen beispielsweise die oben genannten Beispiele. In jedem dieser
Beispiele wird eine elektromagnetische Kraft als Antriebsmittel
verwendet und der Sensor umfasst eine bearbeitete Siliciumscheibe,
ein Glassubstrat und einen Permanentmagnet. In diesem Fall ist der
Schwingungskörper
in der Weise bearbeitet, dass er ein ausreichend großes Volumen
(Masse) besitzt, und deshalb kann eine Schwingung, die zum Erfassen
erforderlich ist, in einfacher Weise bewirkt werden.
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Bei
dem Sensor, der durch die Oberflächen-Mikrobearbeitungstechnik
hergestellt ist, ist es einfach, den Sensorabschnitt mit den Detektions- und
Signalverarbeitungsschaltkreisen des Sensors gleichzeitig in einen
Chip aufzunehmen.
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Die
Oberflächen-Mikrobearbeitungstechnik enthält jedoch
den Schritt des Ätzens
der Opferschicht im Verlauf des Prozesses und deshalb wird, nachdem
der Schwingungskörper
und die Unterstützungsmittel
in diesem Schritt von dem Substrat getrennt wurden, eine Reinigung
ausgeführt,
während der
der Schwingungskörper
dazu neigt, am Substrat anzuhaften, und die feinen Doppelkammmuster
dazu neigen, aneinander anzuhaften. Deswegen müssen zum Steigern der Ausbeute
spezielle Hilfsmittel wie z. B. ein Gefriertrockenverfahren verwendet
werden. Des Weiteren muss unter Berücksichtigung der Integration
mit dem Schaltungsabschnitt eine hochwertige Schutzlage, die frei
von Defekten wie z. B. Nadellöcher
ist, vor dem Ätzschritt
hergestellt werden, um ein Ätzen
des Schaltungsabschnitts zu verhindern. Aus dem oben Stehenden kann
erkannt werden, dass der Ätzschritt
sehr arbeits- und zeitaufwändig
ist und nicht an eine Massenfertigung angepasst werden kann, falls
er nicht durch neue Hilfsmittel unterstützt wird.
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Des
Weiteren entspricht in dem Sensor, der durch die Oberflächen-Mikrobearbeitungstechnik hergestellt
wird, der Abstand zwischen dem Substrat und dem Schwingungskörper der
Dicke der Opferschicht und ist gering, wobei er etwa bis zu mehrere Mikrometer
beträgt.
Demzufolge wirkt dann, wenn der Sensor in der Atmosphäre betrieben
wird, ein großer
viskoser Widerstand infolge der Luft auf den Schwingungskörper, wodurch
ein technisches Probleme entsteht, wenn versucht wird, den Q-Wert
der Schwingung zu vergrößern.
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Bei
dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der in dem oben erwähnten
US-Patent Nr. 5.349.855 beschrieben
ist, wird der Schwingungskörper
durch eine Coriolis-Kraft in einer Richtung vertikal zum Substrat
verlagert und während
der Verlagerung in der Richtung senkrecht zum Substrat bewegt sich
der Schwingungskörper,
um Luft zu verdrängen,
die sich zwischen den Substrat und dem Schwingungskör per befindet,
und unterliegt folglich einer starken Dämpfung (Dämpfung durch Pressen einer
Lage).
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Bei
den Beispielen, die in den Dokumenten
JP-A-09-189557 und
JP-A-09-119942 beschrieben sind,
wird dagegen der Schwingungskörper
angetrieben und seine Verlagerung wird in einer Richtung parallel
zum Substrat detektiert und der Einfluss einer Dämpfung kann im Vergleich zu
dem Sensor des oben erwähnten
US-Patents Nr. 5.349.855 verringert werden.
Der Spalt unter dem Schwingungskörper
ist jedoch trotzdem bei diesen Beispielen schmäler als bei dem Sensor, der
durch die Volumenkörper-Mikrobearbeitungstechnik
hergestellt ist, mit dem Ergebnis, dass der Schwingungskörper einem
viskosen Widerstand unterliegt, der um eine einstellige bis zweistellige
Zahl oder noch größer ist,
wobei es für den
Sensor schwierig ist, eine hohe Empfindlichkeit zu haben, wenn der
Sensor in der Atmosphäre
verwendet wird.
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Bei
dem Sensor des Volumenkörper-Mikrobearbeitungstyps
wird die Schwingungsstruktur hergestellt, indem eine Siliciumscheibe
mit einer Dicke von 400 bis 600 μm
geätzt
wird, wobei anschließend die
Dicke der Scheibe der Dicke der Struktur entspricht und die Schwingungsmasse
bei diesem Sensortyp etwa um eine zweistellige Zahl größer sein kann
als bei dem Sensor des Oberflächen-Mikrobearbeitungstyps.
Da die Coriolis-Kraft proportional zur Masse zunimmt, wie in Gleichung
(1) gezeigt ist, kann die Empfindlichkeit des Sensors ebenfalls
vergrößert werden: Fc = 2mVΩ (1)wobei Fc
die Coriolis-Kraft, m die Schwingungsmasse, V die Schwingungsgeschwindigkeit
der Schwingung und Ω die
zu messende Winkelgeschwindigkeit ist.
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Der
Abstand zwischen dem Schwingungskörper und dem Substrat kann
ferner verhältnismäßig groß sein und
bis zu etwa 50 bis 100 μm
betragen, wobei ein großer
Q-Wert sogar in Luft erreicht werden kann. Das trägt ebenfalls
zu einem Ansteigen der Sensorempfindlichkeit bei. Da außerdem der Ätzschritt
der Opferschicht aus dem Fertigungsprozess entfernt werden kann,
kann dieser Typ des Sensors einfacher als der Sensor des Oberflächen-Mikrobearbeitungstyps
hergestellt werden.
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Der
Sensor des Volumenkörper-Mikrobearbeitungstyps
hat, wie oben beschrieben, mehr Vorteile als der Sensor des Oberflächen-Mikrobearbeitungstyps,
in Abhängigkeit
von der Sensorstruktur können
jedoch der Sensorabschnitt und der Schaltungsabschnitt nachteilig
nicht gleichzeitig auf dem Chip gebildet werden.
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Bei
dem Winkelgeschwindigkeitssensoren, der im Dokument
JP-A-7-120266 beschrieben
ist, wird der Schwingungskörper
dem Aufbau gemäß durch
die Coriolis-Kraft in einer Richtung vertikal zum Substrat verlagert
und durch Messen einer Änderung der
elektrostatischen Kapazität
zwischen einer Elektrode, die an dem Schwingungskörper vorgesehen ist,
und der anderen Elektrode, die an dem Glassubstrat vorgesehen ist,
das als Unterstützungselement dient
und eine Aussparung aufweist, kann ein Betrag der Verlagerung des
Schwingungskörpers
detektiert werden. Wegen des Vorsehens der Elektrode auf dem Glassubstrat
ist es bei dieser Konstruktion nicht möglich, dass die Verdrahtung
nur auf der Siliciumscheibe liegt, wodurch es schwierig wird, die
integrierte Konstruktion aus Sensor und Schaltung zu realisieren.
Um die Elektrode, die auf dem Glassubstrat vorgesehen ist, zu verdrahten,
müssen
des Weiteren Durchgangs löcher
in dem Glassubstrat ausgebildet werden, was den Prozess komplizierter
macht. Da ferner die Richtung der Verlagerungsdetektion für den Schwingungskörper senkrecht
zum Substrat ist, ist der viskose Widerstand, der auf den Schwingungskörper wirkt,
bei diesem Sensortyp größer als bei
dem Sensor, bei dem der Schwingungskörper in einer Richtung parallel
zum Substrat verlagert wird. Außerdem
muss dann, wenn wie bei der Detektion der Gierrate in Fahrzeugen
eine Drehwinkelgeschwindigkeit um eine Achse, die vertikal zum Boden verläuft, gemessen
wird, der gesamte Sensor während
der Kapselung vertikal zum Boden stehen, wodurch das Kapseln arbeits-
und zeitaufwändig
wird und wahrscheinlich Unregelmäßigkeiten
bei der Empfindlichkeit nach dem Kapseln auftreten. Insbesondere
dann, wenn ein Sensor für
eine Kraftfahrzeuganwendung betrachtet wird, ist der Grad der Freiheit
bei der Installation eingeschränkt
und deshalb ist die Realisierung einer einfachen und dauerhaften
Kapselung ein wichtiges Problem.
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Bei
dem Sensor, der im Dokument
JP-A-5-240874 beschrieben
ist, sind alle Komponenten, die zum Erfassen erforderlich sind,
einschließlich Elektroden
und Verdrahtungsleitungen, auf dem Siliciumsubstrat ausgebildet,
der Schwingungskörper wird
jedoch durch eine elektromagnetische Kraft in einer Richtung vertikal
zum Substrat in Schwingungen versetzt, so dass ein Spulenabschnitt
auf dem Schwingungskörper
gebildet werden muss, der den beweglichen Abschnitt repräsentiert,
wodurch der Prozess kompliziert gemacht wird. Schwingungen des Schwingungskörpers vertikal
zum Substrat verringert die Sensorempfindlichkeit, wodurch die Kapselung
nachteilig beeinflusst wird, wie in Verbindung mit dem oben erwähnten Dokument
JP-A-7-120266 beschrieben
wurde.
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Bei
vielen Typen von Beschleunigungssensoren, die unter Verwendung der
Volumenkörper-Mikrobearbeitungstechnik
hergestellt werden, wird eine Verlagerung des Schwingungskörpers in
einer Richtung vertikal zum Substrat detektiert, indem eine Änderung
der elektrostatischen Kapazität
zwischen einer Elektrode, die an dem Schwingungskörper vorgesehen
ist, und der anderen Elektrode, die an dem Glassubstrat vorgesehen
ist, gemessen wird, und während
der Herstellung wird dem oben erwähnten Problem durch die Bildung
der Elektrode auf dem Glassubstrat entgegengewirkt, wie zuvor beschrieben
wurde.
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Bei
dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der in "The Institute of Electrical Engineers
of Japan, E-department" (T.
IEE Japan); Bd. 118-E, Nr. 12, '98 beschrieben
ist, werden dagegen die Probleme der oben erwähnten beiden bekannten Literaturangaben beseitigt
und der Schwingungskörper
wird dem Aufbau gemäß angetrieben
und seine Verlagerung wird in einer Richtung parallel zum Substrat
detektiert und der Magnet, der unter dem Glassubstrat vorgesehen ist,
wird wirkungsvoll verwendet. Wie jedoch in 17 gezeigt
ist, wird die Siliciumscheibe, die eine Erfassungsschicht A bildet,
nicht nur von ihrer Oberfläche,
sondern auch von ihrer Unterseite geätzt, so dass demzufolge eine
Tätigkeit
zum Wenden der Scheibe im Verlauf des Prozesses erforderlich ist
und eine Vorrichtung, wie etwa eine Vorderseiten-Rückseiten-Ausrichteinrichtung,
die die Unterseitenmaske und die Oberflächenmaske aufeinander ausrichtet, wird
benötigt.
Des Weiteren wird dann, wenn die Scheibenunterseite vor der Scheibenoberfläche, die mit
einer Strukturierung zum Bilden eines Schwingungskörpers 11 und
Unterstützungsträgern 12 und einer
Strukturierung der Verdrahtung 21 versehen ist, bearbeitet
wird, wird die Oberfläche
verunreinigt und beschädigt,
was zu einer Möglichkeit
führt,
dass die Scheibenoberfläche
keiner Feinbearbeitung unterzogen werden kann, so dass ein mögliches
Problem dahingehend entsteht, dass die Ausbeute vom Standpunkt der
Massenproduktion verschlechtert ist. Es wird ferner ein Raum D für die Tätigkeit
des anisotropen Ätzens
benötigt,
wie in der Figur gezeigt ist. Damit außerdem Tätigkeiten von der Unterseite
erfolgen können,
müssen
beide Oberflächen
der Siliciumscheibe poliert sein, wodurch ein Problem erhöhter Kosten
im Vergleich zu der normalen Scheibe, die lediglich auf einer Seite
poliert ist und während
einer typischen Halbleiterherstellung verwendet wird, entsteht.
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Das
Dokument
WO-A-96/37784 offenbart
einen Trägheitssensor
mit einer Silicium-Erfassungsschicht, die mit einer Hilfsglasschicht über eine
Verbindungsoberfläche,
die eine Aussparung aufweist, verbunden ist. Die Erfassungsschicht
umfasst ein Verlagerungselement, das parallel zu der Verbindungsoberfläche verlagerbar
ist.
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Das
Dokument
US 5.415.726
A offenbart einen Trägheitssensor,
der eine Vorrichtungsscheibe enthält, die an einer unteren Scheibe
befestigt ist. Die untere Scheibe umfasst Kanäle zum Belüften eines zentralen Sensorhohlraums.
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Das
Dokument
JP 10 107295
A offenbart die Herstellung eines Trägheitssensors, bei der der Schritt
der Bildung von Elektroden an einer Silicium-Erfassungsschicht vor
dem Schritt des Verklebens der Silicium-Erfassungsschicht an der
Hilfsglasschicht erfolgt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Trägheitssensor,
der eine hohe Sensorempfindlichkeit und eine Konstruktion besitzt,
die für eine
gute Anpassungsfähigkeit
an eine Massenproduktion geeignet ist, sowie ein Verfahren für seine Herstellung
zu schaffen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kostengünstigen
Trägheitssensor
mit einer guten Anpassungsfähigkeit
an eine Massenproduktion zu schaffen, der unter Verwendung der Volumenkörper-Mikrobearbeitungstechnik
hergestellt wird, um die Dicke des Schwingungskörpers zu vergrößern und
die Empfindlichkeit zu vergrößern.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung umfasst der Trägheitssensor zum Lösen der
oben genannten Aufgaben eine Erfassungsschicht und eine Hilfsschicht,
die an der Erfassungsschicht befestigt ist, wobei die Erfassungsschicht
ein bewegliches Element und Detektionsleiter zum Detektieren einer
Verlagerung des beweglichen Elements aufweist, wobei das bewegliche
Element so konstruiert ist, dass es in einer Richtung parallel zu
einer Verbindungsfläche zwischen
der Erfassungsschicht und der Hilfsschicht verlagert werden kann
und die Hilfsschicht eine Öffnung
aufweist, die auf das bewegliche Element ausgerichtet ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Sensor eine Erfassungsschicht und eine
Hilfsschicht, die durch eine Verbindungsfläche an der Erfassungsschicht
befestigt ist, wobei die Erfassungsschicht ein bewegliches Element,
das in einer Richtung parallel zu der Verbindungsfläche verlagerbar
ist, und Detektionsleiter zum Detektieren einer Verlagerung besitzt
und die Hilfsschicht eine Öffnung aufweist,
die an der Seite der Verbindungsfläche gebildet ist und einen
Flächeninhalt
aufweist, der größer als
ein Flächeninhalt
ist, den das bewegliche Element auf einer Ebene an der Verbindungsfläche besitzt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Trägheitssensor eine Erfassungsschicht,
die aus Silicium hergestellt ist und an einem Glassubstrat befestigt
ist, wobei die Erfassungsschicht ein bewegliches Element und Detektionsleiter zum
Detektieren einer Verlagerung des beweglichen Elements besitzt,
wobei das bewegliche Element so konstruiert ist, dass es in einer
Richtung parallel zu einer Verbindungsfläche zwischen der Erfassungsschicht
und dem Glassubstrat verlagerbar ist, und wobei eine Öffnung,
die auf das bewegliche Element ausgerichtet ist, in dem Glassubstrat
gebildet ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen
eines Trägheitssensors
geschaffen, der eine Erfassungsschicht und eine Hilfsschicht, die
durch eine Verbindungsfläche
an der Erfassungsschicht befestigt ist, aufweist, wobei das Verfahren
die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines Verlagerungselements,
das in einer Richtung parallel zur Verbindungsfläche verlagerbar ist, und von
Detektionsleitern zum Detektieren einer Verlagerung des verlagerbaren
Elements, um die Erfassungsschicht zu bilden, Vorsehen eines plattenähnlichen
Elements und Bilden einer Öffnung,
die einen größeren Flächeninhalt
als das verlagerbare Element in dem plattenähnlichen Element hat, um die Hilfsschicht
zu bilden, und Befestigen der Erfassungsschicht und der Hilfsschicht
aneinander in der Weise, dass sich die Öffnung der Hilfsschicht gegenüber dem
Verlagerungselement befindet.
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Gemäß der Erfindung
ist in dem Verlagerungssensor, der die Erfassungsschicht und die
Hilfsschicht, die durch eine Verbindungsfläche daran befestigt ist, umfasst,
das bewegliche Element, das in einer Richtung parallel zur Verbindungsfläche verlagerbar
ist, an der Erfassungsschicht vorgesehen und die Öffnung,
die auf das bewegliche Element ausgerichtet ist, ist in der Hilfsschicht
ausgebildet, so dass die Sensorempfindlichkeit verbessert werden
kann, wenn die Masse des beweglichen Elements, das die Erfassungsschicht
darstellt, größer wird.
Im Vergleich zu dem Sensor, bei dem die Öffnung in der Erfassungsschicht
ausgebildet ist, kann ferner die mögliche Gefahr der nachteiligen
Beeinflussung der Oberfläche
der Erfassungsschicht durch Verunreinigungen und ihrer Beschädigung vermindert
werden und es kann ein sehr zuverlässiger und kostengünstiger Trägheitssensor
mit einer guten Anpassungsfähigkeit an
eine Massenproduktion geschaffen werden.
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Durch
Konstruieren des Sensors in der Weise, dass das bewegliche Element
in einer Richtung parallel zur Verbindungsfläche zwischen der Erfassungsschicht
und der Hilfsschicht verlagerbar ist, ist es nicht erforderlich,
die Struktur aus Verdrahtungsleitungen und Elektroden auf der Hilfsschicht
auszubilden, und alle Komponenten, die zum Erfassen erforderlich
sind, einschließlich
der Elektroden und Verdrahtungsleitungen, können auf der Erfassungsschicht
vorgesehen werden. Dadurch kann der Erfassungsabschnitt einteilig
mit seiner Detektionsschaltung und der Signalverarbeitungsschaltung
gebildet werden, wodurch eine sehr zuverlässige Sensorvorrichtung mit
vereinfachter Konstruktion und einer guten Anpassungsfähigkeit
an eine Massenproduktion realisiert werden kann.
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Kurz
gesagt, gemäß der Erfindung
kann trotz der Tatsache, dass der Sensor durch einen Volumenkörper-Mikrobearbeitungsprozess
aufgebaut ist, die Hauptfunktion des Sensors so verdichtet werden, dass
er auf der Siliciumoberfläche
konzentriert wird, und deswegen kann selbst dann, wenn eine Integration
des Erfassungsabschnitts und des zugehörigen Schaltungsabschnitts
berücksichtigt
wird, die Kompatibilität
von einfacher Handhabung des Sensor des Oberflächentyps mit der Empfindlichkeit
des Sensors des Volumenkörpertyps
eingehalten werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung, die den Gesamtaufbau einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Trägheitssensors
und ein Verfahren seiner Herstellung zeigt;
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2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht, die Einzelheiten des Aufbaus
des Trägheitssensors
gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform,
wobei der Sensor als ein Beschleunigungssensor betreibbar ist;
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3 ist
eine Draufsicht, die eine Ausführungsform
des genauen Aufbaus einer Erfassungsschicht in der in 2 gezeigten
Ausführungsform;
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4 ist
eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des genauen Aufbaus
der Erfassungsschicht;
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5 ist
eine Draufsicht des genauen Aufbaus einer Erfassungsschicht, die
keine Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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6 ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer weiteren genauen Struktur
des Trägheitssensors,
der in 5 gezeigt ist, wobei der Sensor als ein Drehwinkelgeschwindigkeitssensor
betreibbar ist;
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7 ist
eine Draufsicht, die strukturelle Einzelheiten des Winkelgeschwindigkeitssensors
zeigt;
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8 ist
eine Draufsicht, die einen modifizierten Winkelgeschwindigkeitssensor
zeigt, wobei die Modifikation eine Masseverdrahtungsleitung betrifft,
die zwischen Signalleitungen verlegt ist;
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9 ist
eine Draufsicht, die einen weiteren Winkelgeschwindigkeitssensor
zeigt, bei dem Verdrahtungsleitungen getrennt sind;
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10 bis 16 sind
Schnittansichten zum Erläutern
eines Beispiels von Schritten in einem Prozess zum Herstellen des
Winkelgeschwindigkeitssensors von 7;
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17 ist
eine Darstellung, die einen herkömmlichen
Sensor und seinen Herstellungsprozess zeigt; und
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18 ist
eine Darstellung zum Erläutern
eines Beispiels eines Oberflächenarbeitsmusters,
bei dem Nuten und Aussparungen in einer Glasscheibe gemäß den Erkenntnissen
der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, wobei die Nuten und
Aussparungen eine Öffnung
enthalten, die am äußeren Umfang
der Glasscheibe mit der Umgebung verbindet.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen
eines Trägheitssensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung genauer beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird ein Beispiel des grundlegenden
Aufbaus einer Ausführungsform
eines Trägheitssensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung und ein Verfahren zum Herstellen des Trägheitssensors
beschrieben. Der Halbleitersensor, der allgemein durch das Bezugszeichen 1 angegeben
ist, ist aufgebaut, indem zwei Schichten in laminarer Form aneinander
befestigt oder miteinander verklebt werden, wobei eine der beiden
Schichten eine Erfassungsschicht A ist, die eine einzelne Struktur
enthält,
die Elektroden und Verdrahtungsleitungen beinhaltet, wie durch das
Bezugszeichen 21 symbolisch angegeben ist, und die eigentliche
Erfassungsfunktion besitzt, und die andere Schicht eines Hilfsschicht
B ist, die die Erfassungsschicht A strukturell unterstützt. Der
hier verwendete Ausdruck "Schicht" bedeutet ein Element,
das unabhängig
aufgebaut ist. In 1 sind z. B. eine Siliciumscheibe und
ein Glassubstrat jeweils unabhängig
arbeitsfähig und
können
deswegen der Erfassungs schicht A bzw. der Hilfsschicht B entsprechen.
Wenn jedoch der Typ gefertigt wird, bei dem eine Isolierlage und
eine Polysiliconlage auf einer Siliciumscheibe unter Verwendung
der Oberflächen-Mikrobearbeitungsschicht
gebildet sind, wobei eine auf der Scheibe geschaffene Struktur berücksichtigt
wird, kann die Struktur auf der Siliciumscheibe nicht gebildet werden,
ohne auf die Siliciumscheibe zurückzugreifen.
Die einzige Struktur, die auf diese Weise gebildet wird, kann keine
ausreichende Masse für
einen Schwingungskörper
gewährleisten
und wird deswegen nicht durch die vorliegende Erfindung behandelt.
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Bei
der Bildung der Erfassungsschicht A werden Elektrodenflächen, Verdrahtungsleitungen
und ein Schaltungsabschnitt, der durch das Bezugszeichen 21 angegeben
ist, auf einer Siliciumscheibe gebildet und anschließend wird
die auf diese Weise gebildete Scheibe mit einem geeigneten Resist
beaufschlagt. Das Resist wird dann unter Verwendung einer (nicht
gezeigten) Vorrichtung, die die Scheibe mit einem großen Seitenverhältnis bearbeiten
kann, strukturiert, damit die Scheibe geätzt werden kann, wodurch ein
Schwingungskörper 11,
eine Gruppe von Trägern 12 (der
Schwingungskörper 11 und
die Gruppe von Trägern 12 werden
für Erläuterungszwecke
getrennt dargestellt) zum Unterstützen des Schwingungskörpers, ein
Abschnitt, der zum Verkleben mit einem Glassubstrat (Hilfsschicht
B) und einem dahinter befindlichen Schaltungsabschnitt erforderlich
ist, entstehen.
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Bei
dem Glassubstrat, das als Hilfsschicht B verwendet wird, wird eine Öffnung (Aussparung
oder Durchgangsloch) 10 z. B. durch einen einfachen und kostengünstigen
Sandstrahlprozess in dem Glassubstrat gebildet. Die Siliciumscheibe
und das Glassubstrat sind z. B. durch Schmelzverkleben aneinander befestigt.
Alternativ kann ein Isoliermaterial wie z. B. Keramiken für die Hilfsschicht
B verwendet werden.
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Wie
zum Vergleich mit dem Stand der Technik, der in 17 gezeigt
ist, zu sehen ist, kann die Siliciumscheibe durch Sandstrahlen tiefer
ausgehöhlt werden
als durch anisotropes Ätzen
des Siliciums und der Flächeninhalt
der Scheibe, der durch einen Abschnitt belegt ist, der zum Erreichen
einer Öffnung mit
demselben Flächeninhalt
erforderlich ist, kann in der vorliegenden Ausführungsform kleiner sein als
im Stand der Technik. Demzufolge kann eine größere Anzahl von Sensorchips
aus einer einzigen Scheibe erhalten werden.
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Es
ist ausreichend, dass die Erfassungsschicht A (Scheibe) lediglich
von ihrer Oberfläche
bearbeitet wird, wie in 1 gezeigt ist, und demzufolge
ist die Operation zum Wenden der Scheibe nicht erforderlich im Gegensatz
zu dem Trägheitssensor gemäß dem Stand
der Technik, der in 17 gezeigt ist, der auch von
der Unterseite bearbeitet wird, wodurch die mögliche Gefahr gemindert wird,
dass die Scheibe durch Verunreinigungen nachteilig beeinflusst und
die Scheibenoberfläche,
die fein strukturiert werden soll, beschädigt wird. Des Weiteren kann bei
der vorliegenden Erfindung, bei der keine Bearbeitung von der Unterseite
ausgeführt
wird, eine Normscheibe, die an ihrer Oberfläche poliert ist, verwendet
werden, um eine kostengünstige
Produktion von Sensoren zu ermöglichen.
Die Siliciumscheibe mit ihrer nicht polierten Unterseite und das
Glassubstrat können
durch Schmelzverkleben unter Verwendung eines Glases mit niedrigem
Schmelzpunkt aneinander befestigt werden.
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Außerdem wird
die Scheibenunterseite nicht geätzt,
um zu ermöglichen,
dass die unveränderte
ursprüngliche
Dicke der Scheibe die Dicke des Schwingungskörpers ist, ohne eine Verdünnung der
Scheibe zu bewirken, wodurch ein Vorteil der Erfindung ermöglicht wird,
dass die Masse des Schwingungskörpers
größer sein
kann als bei dem herkömmlichen Trägheitssensor,
der einem Ätzen
der Unterseite unterzogen wird, und demzufolge kann die Empfindlichkeit
vergrößert werden,
wie oben beschrieben wurde.
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Durch
Grobschleifen oder Polieren der Scheibe kann natürlich die Siliciumscheibe,
die bei einer 5 Zoll-Scheibe eine ursprüngliche Dicke von etwa 500 μm hat, auf
eine Dicke von etwa 200 μm verringert
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 2 werden Einzelheiten des Aufbaus
der Ausführungsform
des Trägheitssensors
von 1 beschrieben. Der Sensor 1 ist aus der
Erfassungsschicht A, die die einzelne Struktur enthält, einschließlich Elektroden
und Verdrahtungsleitungen, und die Funktion der eigentlichen Erfassung
besitzt, und der Hilfsschicht B, die die Erfassungsschicht strukturell
unterstützt,
aufgebaut, wobei die beiden Schichten in laminarer Form aneinander
befestigt sind. Eine Siliciumscheibe wird für die Erfassungsschicht A verwendet
und ein Glassubstrat (Glasscheibe) wird für die Hilfsschicht B verwendet.
Bei der Bildung der Erfassungsschicht A werden Elektrodenkontaktflächen, Verdrahtungsleitungen
und ein Schaltungsabschnitt an der Siliciumscheibe bearbeitet und
anschließend
wird die auf diese Weise bearbeitete Scheibe mit einem geeigneten Resist
beaufschlagt. Das Resist wird anschließend strukturiert, so dass
die Scheibe geätzt
werden kann, wodurch ein Massenkörper 13,
eine Gruppe von Trägern 12 zum
Unterstützen
des Massekörpers
und ein Abschnitt, der zum Verkleben mit Glas und dem dahinter befindlichen
Schaltungsabschnitt erforderlich ist, unter Verwendung der (nicht
gezeigten) Vorrichtung, die die Scheibe mit einem großen Seitenverhältnis bearbeiten
kann, entstehen. Sowohl der Massekörper 13 als auch die
Trägergruppe 12 für seine Unterstützung haben
die gleiche Dicke wie jene der Siliciumscheibe, und wenn eine Scheibe
mit einem Durchmesser von 5 oder 6 Zoll für eine Massenproduktion verwendet
wird, beträgt
die Dicke etwa 400 bis 600 μm.
Schließlich
wird die Öffnung
(Aussparung oder Durchgangsloch) 10 in dem Glassubstrat
z. B. durch einen einfachen und kostengünstigen Sandstrahlprozess gebildet
und die Siliciumscheibe und das Glassubstrat werden z. B. durch
Schmelzverkleben miteinander verklebt (in 2 ist die Öffnung eine
Aussparung).
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Die
Ausführungsform
von 2 zeigt ein Beispiel der Struktur eines Sensors,
der eine Beschleunigung in der Figur in der Richtung der x-Achse detektieren
kann. Der Massekörper 13 ist
durch die Gruppe von geradlinigen Trägern 12 elastisch
unterstützt,
um so lediglich in der Richtung der x-Achse verlagert zu werden.
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Jeder
der Träger
besitzt eine im Wesentlichen rechtwinklige Querschnittsform und
indem die Aushubtiefe in der Erfassungsschicht A größer als die
Breite von jedem der Träger
gemacht wird, ist der Träger
ungeeignet für
eine Bewegung in einer Richtung vertikal zur Oberfläche (in
der Figur entlang der Z-Achse) und die Verlagerung kann auf eine
Verlagerung innerhalb der Ebene (xy-Richtung), die in der Oberflächenrichtung
liegt, beschränkt
werden.
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Der
Beschleunigungssensor unterscheidet sich von dem Winkelgeschwindigkeitssensor
dahingehend, dass die Geschwindigkeit v nicht an
den Massekörper
angelegt werden muss, d. h. der Massekörper muss nicht in Schwingung
versetzt gehalten werden. Wenn eine Beschleunigung in Richtung der x-Achse
auf den Sensor ausgeübt
wird, wird eine Kraft, die dem Produkt aus der Masse des Massekörpers 13 und
der ausgeübten
Beschleunigung entspricht, auf den Massekörper 13 ausgeübt, wodurch eine
Verlagerung des Massekörpers
längs der
x-Achse bewirkt wird.
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Dabei
ist es für
den Betrieb des Beschleunigungssensors wichtig, dass der Massekörper 13 ein bedeutendes
Volumen (Masse) besitzt, das für
eine Messung erforderlich ist. Durch das Vorsehen eines Musters
dünner
elektrischer Leiter auf der Oberfläche der Trägergruppe 12 und dem
Massekörper 13 kann
eine Beschleunigung aus einer Änderung
des Widerstands des elektrischen Leiters infolge der Verformung
der Trägergruppe
gemessen werden. Es ist außerdem
von Bedeutung, dass sämtliche
Arbeitsoperationen für
den oben genannten Zweck lediglich von der Oberflächenseite
der Siliciumscheibe ausgeführt
werden können.
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Der
Aufbau der Unterstützungsträgergruppe 12,
des Massekörpers 13 und
einer Rahmenstruktur 200 der Erfassungsschicht ist in 2 schematisch dargestellt.
Eine Ausführungsform
des genauen Aufbaus der Erfassungsschicht wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
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Eine
Erfassungsschicht A wird von oben betrachtet, wie in 3 dargestellt
ist, die einen Leiterabschnitt 21 zur Signaldetektion und
vordere Kontaktflächen 30 vom
Elektrodenabschnitt zeigt. In 3 ist der
Leiterabschnitt 21 für
seine bessere Ansicht vergrößert dargestellt.
In der Figur ist eine Masseleitung 25, die mit den Elektroden kontaktflächen 35 verbunden
ist, verlegt. Wenn eine Beschleunigung, die gemessen werden soll,
in 3 in x-Richtung
ausgeübt
wird, wird der Massekörper 13,
der durch die Unterstützungsträgergruppe 12 unterstützt wird,
in einer Richtung entgegengesetzt zur Beschleunigungsrichtung verlagert.
Zu diesem Zeitpunkt wird der Elektrodenabschnitt 21, der
mit der Unterstützungsträgergruppe 12 verbunden
ist, verformt, um eine Änderung
seines elektrischen Widerstands zu bewirken. Indem außerdem die
elektrischen Verdrahtungsleitungen für eine Signaldetektion durch
die Masseleitung 25 umgeben sind, kann der Einfluss externer
elektrischer Störungen
vermindert werden.
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Ein
Hilfsmittel, das im Folgenden angegeben wird, kann verwendet werden,
um einen größeren Sensorausgang
wirkungsvoll zu erreichen. Im Einzelnen ist ein Permanentmagnet,
der jedoch in 3 nicht dargestellt ist, außerdem an
der Unterseite des Glassubstrats befestigt, so dass ein Magnetfeld,
das durch den Permanentmagnet erzeugt wird, vertikal durch den Massekörper 13 verläuft. Wenn
zu diesem Zeitpunkt ein elektrischer Leiter auf dem Massekörper 13 parallel
zur y-Achse verläuft, wird
anhand der elektromagnetischen Induktion eine induzierte Spannung
erzeugt, wobei sich beide Enden des elektrischen Leiters als Massekörper 13 bewegen
und eine Verlagerungsgeschwindigkeit des Massekörpers 13 aus der induzierten
Spannung ermittelt werden kann. Durch das Ausführen eines Signalprozesses
für eine zeitliche
Integration der induzierten Spannung kann ein Betrag des Massekörpers 13 in
Richtung der x-Achse ermittelt werden. Da eine Kraft, die zum Verlagern
der Träger
erforderlich ist, und die Masse des Massekörpers im Voraus bekannt sind,
kann die ausgeübte
Beschleunigung aus dem auf diese Weise erhaltenen Verlagerungsbetrag
ermittelt werden. Natürlich
kann dann, wenn die Geschwindigkeit der Signalverarbeitung ausreichend
groß ist,
eine Beschleunigung direkt aus einer Änderung der gemessenen Geschwindigkeit
bestimmt werden. Der genaue Aufbau der Erfassungsschicht ist in 4 offenbart.
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Die
in 4 gezeigte Ausführungsform setzt voraus, dass
ein Magnetfeld B in einer Richtung vertikal zum Zeichnungsblatt
angelegt wird.
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Die
Ausführungsform
von 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform
von 3 dahingehend, dass ein Leiterabschnitt 21 zur
Signaldetektion auf einem Massekörper 13 vorgesehen
ist. Dabei wird der Leiterabschnitt 13 nicht verformt,
wenn sich ein Massekörper 13 bewegt.
Wenn eine zu messende Beschleunigung in der Figur in Richtung der x-Achse
ausgeübt
wird, wird der Massekörper 13,
der durch eine Gruppe von Unterstützungsträgern 12 unterstützt wird,
gemeinsam mit dem Leiterabschnitt 21 in einer Richtung,
die zur Beschleunigungsrichtung entgegengesetzt ist, verlagert.
Da der Leiterabschnitt 21, der elektrische Leiter umfasst,
sich in dem Magnetfeld B bewegt, wird über dem Leiterabschnitt 21 eine
elektromotorische Kraft induziert. Die elektromotorische Kraft kann
elektrisch abgenommen und über vordere
Kontaktflächen 30 detektiert
werden.
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Durch
das Vorsehen eines Paars Elektroden für eine Verlagerungsdetektion
auf der seitlichen Oberfläche
des Massekörpers 13 und
an der inneren Oberfläche
der Erfassungsschicht anstelle des Permanentmagneten kann eine Verlagerung
des Massekörpers 13 in
Richtung der x-Achse als eine Änderung
der elektrostatischen Kapazität
zwischen den paarweise angeordneten Elektroden detektiert werden.
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Unter
Bezugnahme auf 5 wird diese Erfassungsschicht,
die keine Ausführungsform
der Erfindung darstellt, beschrieben.
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In
dem vorliegenden Beispiel sind die Elektrodenabschnitte 14 und 15 für eine Signaldetektion (die
auch in 2 gezeigt sind) an den seitlichen Oberflächen des
Massekörpers 13 bzw.
an der Rahmenstruktur 200 befestigt. Wenn eine Beschleunigung,
die gemessen werden soll, in der Figur in Richtung der x-Achse ausgeübt wird,
wird der Massekörper 13,
der durch eine Gruppe von Unterstützungsträgern 12 unterstützt wird,
in einer Richtung entgegengesetzt zur Beschleunigungsrichtung verlagert. Zu
diesem Zeitpunkt ändert
sich der Abstand zwischen den Elektroden der Elektrodenabschnitte 14 und 15,
wodurch sich die elektrostatische Kapazität zwischen den beiden Elektroden ändert. Die
ausgeübte
Beschleunigung kann aus einer Änderung
der elektrostatischen Kapazität
detektiert werden. Für eine
wirksame Erfassung der Änderung
der elektrostatischen Kapazität
ist es erwünscht,
dass der Abstand zwischen den Elektroden der Elektrodenabschnitte 14 und 15 gering
ist. In der Figur kann der Elektrodenabstand eingestellt werden,
indem die transversale Länge
des Massekörpers 13 eingestellt wird.
Eine Vergrößerung der
elektrostatischen Kapazität,
die mit einer langen Verdrahtungsleitung verbunden ist, verhindert
eine genaue Detektion der Kapazität und deswegen ist es erwünscht, dass
die Verdrahtungsleitung möglichst
kurz ist.
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Wie
in den obigen Ausführungsformen
der 3, 4 und 5 beschrieben
wurde, wird der Massekörper 13,
der die Erfassungsschicht bildet, in einer Richtung parallel zu
einer Verbindungs- oder Klebefläche
zwischen der Erfassungsschicht und der Hilfsschicht verlagert und
es ist nicht erforderlich, dass die Struktur der Verdrahtungslei tungen
und Elektroden auf der Hilfsschicht vorgesehen ist. Deswegen können sämtliche
Komponenten, die zum Erfassen erforderlich sind, einschließlich der
Elektroden und der Verdrahtungsleitungen in den 3 und 4 auf
der Erfassungsschicht, insbesondere auf ihrer Oberfläche vorgesehen
werden. Dadurch kann in einfacher Weise eine Sensorvorrichtung,
bei der der Erfassungsabschnitt mit der zugehörigen Detektionsschaltung und
Signalverarbeitungsschaltung einteilig ist, realisiert werden.
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In
dem Beispiel von 4, bei dem der Permanentmagnet
an der Unterseite der Hilfsschicht vorgesehen ist, muss die Siliciumschicht
lediglich an ihrer Oberfläche
bearbeitet werden, und die magnetische Wirkung erfolgt kontaktlos
durch die Hilfsschicht, wodurch es möglich wird, das Ausgangssignal
zu vergrößern, ohne
die Einfachheit der Sensorstruktur zu beeinträchtigen. Wenn ein Magnet aus
einem Seltene-Erden-Element-Cobalt als Permanentmagnet verwendet
wird, kann ein ausreichendes Magnetfeld erzeugt werden, selbst wenn
der Magnet eine Größe von mehreren
Kubikmillimetern besitzt oder kleiner ist. Anstelle des Permanentmagneten kann
eine Spule mit geringen Abmessungen, die ein gleichwertiges Magnetfeld
erzeugen kann, vorgesehen werden. Vom Standpunkt der Integration
der peripheren Schaltung ist das Vorsehen der Sensorfunktion in
dem Rahmen 200, dessen Oberfläche ohne Spalt mit der Oberfläche des
Sensors bündig
ist, wichtig. Da der Rahmen 200 und der Erfassungsabschnitt
aus dem gleichen Material sind, das z. B. Silicium ist, kann die
Integration des Schaltungsabschnitts an der Oberfläche des
Rahmens durch den Halbleiterherstellungsprozess ausgeführt werden. Insbesondere
dadurch, dass die beiden Oberflächen miteinander
bündig
sind, kann auf eine Verdrahtung durch die Luft und eine dreidimensionale
Verdrahtung wie etwa Drahtbonden verzichtet werden, was zu einer
wirkungsvollen Integration beiträgt.
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In
diesem Fall kann die Elektrodenkontaktfläche 30, die in den 3, 4 und 5 offenbart ist,
weggelassen werden und das Verdrahtungsmuster kann direkt zu dem
Signalprozessor ausgedehnt werden, der auf dem Rahmen 200 gefertigt
ist. Deswegen sollten Elektrodenkontaktflächen am Eingangs-/Ausgangsabschnitt
des Signalprozessors vorgesehen werden.
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Unter
Bezugnahme auf 6 wird eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Trägheitssensors
beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel
des Aufbaus eines Halbleitersensors beschrieben, der eine Drehwinkelgeschwindigkeit Ω um eine
Richtung vertikal zu der Verbindungsfläche zwischen einer Erfassungsschicht
A und einer Hilfsschicht B, d. h. in der Figur um die z-Achse detektieren
kann. Eine Siliciumscheibe wird z. B. als Erfassungsschicht A verwendet
und ein Glassubstrat (Glasscheibe) wird als Hilfsschicht B verwendet.
Ein Überblick über ein
Herstellungsverfahren ist jenem ähnlich,
der in Verbindung mit der Ausführungsform
von 2 beschrieben wurde. Ein Schwingungskörper 11 wird
durch eine Gruppe von L-förmigen
Trägern 12 elastisch
unterstützt,
so dass er lediglich in den Richtungen der x-Achse und der y-Achse verlagert wird.
Eine Schwingungsbewegung in Richtung der x-Achse kann mit Trägerabschnitten parallel zur y-Achse realisiert werden
und eine Schwingungsbewegung in Richtung der y-Achse kann mit Trägerabschnitten
parallel zur x-Achse realisiert
werden.
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Um
die Schwingungsbewegung auf Bewegungen innerhalb der Ebene zu begrenzen,
kann eine Struktur, bei der alle Träger eine rechtwink lige Querschnittsform
besitzen, verwendet werden, wie zuvor beschrieben wurde.
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Ein
Leiterabschnitt 21 wird auf dem Schwingungskörper 11 durch
den Herstellungsprozess der Halbleiterverdrahtung gebildet. Elektrodenabschnitte 31 oder 32 und
Verdrahtungsleitungen werden auf der Erfassungsschicht A gebildet,
wie unter Bezugnahme auf 7 genau beschrieben wird. Ein
Permanentmagnet 2 ist an der Unterseite des Glassubstrats
befestigt, um zuzulassen, dass ein Magnetfeld in Richtung der z-Achse
erzeugt wird. Eine Aussparung oder ein Durchgangsloch 10 ist
in dem Glassubstrat gebildet (in 6 ist eine
Aussparung gezeigt). Im Fall der Bildung eines Durchgangslochs können z. B.
die Abmessungen des Permanentmagneten 2 größer sein
als jene des Durchgangslochs, um eine Kapselung zu vereinfachen.
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Ein
Beispiel eines Verfahrens des Antriebs und der Detektion, das tatsächlich mit
dem Trägheitssensor
von 6 bewirkt wird, wird unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
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Eine
Wechselspannung wird an wenigstens eine von zwei Gruppen der Elektrodenkontaktflächen 31 und 32 angelegt,
die an der rechten oder linken Seite vorgesehen sind, um einen Wechselstrom durch
eine Verdrahtungsleitung 23, die an der Trägergruppe 12 gebildet
ist, und einen Abschnitt des Leiterabschnitts 21, der am
Schwingungskörper 11 parallel
zur y-Achse gebildet ist, die
Verdrahtungsleitung 23 und den Leiterabschnitt 21 zu
leiten, die unter Verwendung des Prozesses zur Herstellung einer Halbleiterverdrahtung
gebildet sind, so dass eine Lorentz-Kraft erzeugt wird, die den
Schwingungskörper 11 in
Richtung der x-Achse antreibt. Wenn in diesem Fall z. B. kein Strom
durch die rechten Elektroden der Elektrodenabschnitte 31 und 32 geleitet
wird, wird an dem rechten Abschnitt des Leiterabschnitts 21 auf
Grund einer elektromagnetischen Induktion eine Spannung induziert,
da dieser Leiterabschnitt in Richtung der x-Achse schwingt. Die induzierte Spannung
kann zur Überwachung
abgenommen werden. Da die Schwingungsamplitude des Schwingungskörpers 11 aus
der induzierten Spannung ermittelt werden kann, kann die Schwingungsamplitude
des Schwingungskörpers 11 in
Richtung der x-Achse durch eine Rückführungssteuerung der Wechselspannung
an den linken Elektroden der Elektrodenabschnitte 31 und 32 konstant
gemacht werden, so dass die Schwingungsamplitude konstant wird.
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Der
Schwingungskörper 11 wird
durch die Gruppe 12 L-förmiger
Träger
unterstützt,
wie in Verbindung mit 6 beschrieben wurde. Jeder L-förmige Träger enthält praktisch
einen geradlinigen Trägerabschnitt,
der durch das Bezugszeichen 12 angegeben ist, und einen
weiteren Trägerabschnitt 101.
Diese Trägerabschnitte 12 und 101 sind
durch ein Zwischenstück 100 miteinander
verbunden. Das Zwischenstück 100 wird
verwendet, um sicherzustellen, dass sich Schwingungen in den Richtungen
der x-Achse und y-Achse in der Figur kaum mischen können. Dieses
Hilfsmittel ist wichtig, um zu bewirken, dass der Sensor als Winkelgeschwindigkeitssensor dient,
der später
beschrieben werden soll. Das oben genannte Unterstützungsverfahren
benötigt
eine verhältnismäßig große Fläche. Bei
dem erfindungsgemäßen Trägheitssensor
wird jedoch die Bildung der Aussparung, die für eine freie Bewegung des Schwingungskörpers Raum
schafft, nicht durch anisotropes Ätzen der Siliciumscheibe ausgeführt, sondern
erfolgt durch Sandstrahlen der Hilfsschicht, d. h. eines Glassubstrats,
und deshalb kann die größere Fläche einfach
gebildet werden. Außerdem
kann die unerwünschte
Fläche
verringert werden, wie zuvor beschrieben wurde, wobei die Kosten
geringer werden.
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Da
vom Standpunkt der Herstellbarkeit der Ätzprozess der Rückseite
des Siliciums, der eine lange Zeitdauer benötigt, weggelassen wird, ist
die Produktivität
verbessert.
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Wenn
die Winkelgeschwindigkeit Ω um
die z-Achse an den Schwingungskörper 11 angelegt wird,
während
der Schwingungskörper 11 in
Richtung der x-Achse angetrieben wird, wirkt eine Coriolis-Kraft
Fc, die durch die Gleichung (1) angegeben ist, auf den Schwingungskörper 11 in
Richtung der y-Achse, wodurch bewirkt wird, dass der Schwingungskörper 11 in
Richtung der y-Achse geringfügig in
Schwingungen versetzt wird. In Gleichung (1) ist m die Masse des Schwingungskörpers und v ist die Geschwindigkeit
des Schwingungskörpers 11,
der in Richtung der x-Achse angetrieben wird. Es wird angenommen,
dass das Volumen der Trägergruppe ausreichend
kleiner als jenes des Schwingungskörpers ist.
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Eine
Schwingung des Schwingungskörpers 11 infolge
der Coriolis-Kraft
kann detektiert werden, indem eine Anschlussspannung an einem Leiterabschnitt 22,
der an dem Schwingungskörper 11 parallel
zur x-Achse gebildet ist, d.
h. eine Spannung, die an Elektroden der Elektrodenabschnitte 33 und 34 auf
Grund einer elektromagnetischen Induktion induziert wird, gemessen
wird, und deshalb kann der Betrag Ω der angelegten Winkelgeschwindigkeit
aus der Schwingungsamplitude ermittelt werden. Im Beispiel von 7 sind
die oben erwähnten
Elektrodenabschnitte 31 bis 34, die Leiterabschnitte 21 und 22 am Schwingungskörper 11 und
die Verdrahtungsleitungen 23 und 24 an der Trägergruppe 12 von
der Siliciumscheibe durch eine Siliciumoxidlage isoliert, jedoch
in Bezug auf den verbleibenden Elektrodenabschnitt 35 wird
die Siliciumoxidlage geätzt,
um zu ermöglichen,
dass er mit der Siliciumscheibe in Kontakt gelangt, so dass dieser
Elektrodenabschnitt 35 und die Verdrahtungsleitung 25 als
Masseelektrodenabschnitt und Masseverdrahtungsleitung wirken können, die
an sich zum Erden der Siliciumscheibe vorgesehen sind.
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In 6 werden
die Strukturen der Trägergruppe 12,
des Schwingungskörpers 11 und
der Rahmenstruktur der Erfassungsschicht 200 allgemein
erläutert.
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Die
Einzelheiten der Erfassungsschicht werden im Folgenden beschrieben.
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In
dem Beispiel von 7 wird vorausgesetzt, dass das
Magnetfeld B in der Richtung vertikal zum Zeichnungsblatt angelegt
wird, wie in einem Beispiel des Antriebsdetektionsverfahrens beschrieben wurde.
Die Erfassungsschicht wird von oben betrachtet, um den Leiterabschnitt 21 zum
Antreiben des Schwingungskörpers,
den Leiterabschnitt 22 für eine Signaldetektion, die
Verdrahtungsleitungen 23, die als die Zufuhrleitungen der
Antriebsleiterabschnitte 21 dienen, die Verdrahtungsleitungen 24,
die als die Zufuhrleitungen der Detektionsleiterabschnitte 22 dienen,
die Elektrodenkontaktflächen 31 und 32,
die mit jeder Zufuhrleitung 24 verbunden sind, und die Elektrodenkontaktflächen 33 und 34,
die mit jeder Zufuhrleitung 24 verbunden sind, zu zeigen.
Die Rahmenstruktur der Erfassungsschicht A ist mit dem Bezugszeichen 200 angegeben.
Jeder L-förmige
Träger der
Trägergruppe 12 zum
Unterstützen
des Schwingungskörpers 11 besitzt
Trägerabschnitte 12 und 101,
die durch das Zwi schenstück 100 miteinander verbunden
sind. Durch das Vorsehen der Gruppe 12 aus L-förmigen Trägern, die
in 6 gezeigt sind, und mit dem Einschieben des Zwischenstücks 100, das
in 7 gezeigt ist, kann eine Schwingung in Richtung
der x-Achse unterscheidbar von einer Schwingung in Richtung der
y-Achse getrennt werden. Da die beiden Schwingungen, die auf der
Ebene zueinander senkrecht verlaufen, unterscheidbar voneinander
getrennt werden können,
kann eine Detektion der Winkelgeschwindigkeit wirkungsvoll mit der Sensorstruktur,
die lediglich in der Ebene schwingt, realisiert werden. Außerdem sind
die Masseverdrahtungsleitung 25 und der damit verbundene
Elektrodenabschnitt 35 so verlegt, dass sie die elektrische Verdrahtung
zur Signaldetektion umgeben, wodurch der Einfluss externer elektrischer
Störungen
wie bei der Ausführungsform
des Beschleunigungssensors vermindert wird.
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Unter
Bezugnahme auf 8 wird eine modifizierte Ausführungsform
der in den 6 und 7 gezeigten
Ausführungsform
beschrieben. Bei dieser Modifikation ist eine Masseleitung 26 oder 27 zwischen
den Signalleitungen vorgesehen. Wenn Masseleitungen vorgesehen sind,
wie in 8 gezeigt ist, kann ein Sensor durch eine Änderung
des elektrischen Potentials, das den Sensor umgibt, kaum beeinflusst
werden und eine Signaldetektion mit einem hohen Rauschabstand kann
ermöglicht werden.
Die Antriebsverdrahtungsleitung und die Detektionsverdrahtungsleitung
verlaufen auf einem dünnen
Träger.
Eine Störung
von Signalen der beiden Leitungen kann jedoch in einigen Fällen von
Bedeutung sein.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist in der vorliegenden Modifikation zusätzlich zu
den Elementen der Ausführungsform
von 7 jede der Masseleitungen 26 und 27 zwischen
den Signalverdrahtungsleitun gen verlegt, wodurch die elektrische
Trennung zwischen den Verdrahtungsleitungen der Elektrodenabschnitte,
die auf dem Träger
nahe zueinander verlegt sind, gleichförmig gemacht wird.
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Die
Verdrahtungsleitungen können
z. B. durch den Halbleiterherstellungsprozess einer Feinbearbeitung
unterzogen werden, so dass sie eine Breite von etwa 2 μm haben,
und können
um einen Abstand von etwa 2 μm
voneinander beabstandet sein.
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In 9 ist
eine weitere Ausführungsform des
Halbleitersensors dargestellt, bei der anstelle des Vorsehens der
Masseverdrahtungsleitung zwischen den Signalverdrahtungsleitungen,
wie bei der Ausführungsform
von 8, verschiedene Signalverdrahtungsleitungen auf
getrennten Trägerteilen verlegt
sind.
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Durch
diese Struktur ist ein Übersprechen zwischen
Signalleitungen verringert.
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In 9 besitzt
jeder Trägerteil
einen L-förmigen
Träger,
von dem zwei Abschnitte durch ein Zwischenstück 100 miteinander
verbunden sind, um Schwingungen in der Richtungen der x-Achse und der
y-Achse unterscheidbar voneinander zu trennen. Das Zwischenstück 100 kann
natürlich
weggelassen werden, damit ermöglicht
wird, dass lediglich ein einteiliger L-förmiger Trägerteil den Schwingungskörper unterstützt.
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Wenn
in den Ausführungsformen 2, 5 anstelle
der Verwendung des Permanentmagneten ein Paar Elektroden (nicht
gezeigt) für
den Antrieb des Schwingungskörpers
und ein Paar Elektroden (nicht gezeigt) für eine Verlagerungsdetektion vorgesehen
werden, derart, dass eine Elektrode auf der seitlichen Oberfläche des
Schwingungskörpers 11 liegt
und die andere Elektrode auf der inneren seitlichen Oberfläche der
Siliciumscheibe A liegt, wie in Verbindung mit der Ausführungsform
von 5 erläutert
wurde, kann der Schwingungskörper 11 in Richtung
der x-Achse durch die Verwendung des Elektrodenpaars in der Richtung
der x-Achse durch elektrostatische Kräfte angetrieben werden und
eine Verlagerung des Schwingungskörpers 11 infolge der Coriolis-Kraft
kann durch das Paar von Elektroden, die in der Richtung der y-Achse
vorgesehen sind, detektiert werden.
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Elektroden
könnten
so strukturiert sein, dass sie wie Zähne eines Kamms miteinander
verzahnt sind.
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Bei
dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der den Permanentmagnet verwendet,
wird eine geringe Verlagerung des Schwingungskörpers 11 infolge der Coriolis-Kraft
detektiert, indem eine erzeugte Spannung gemessen wird, wobei die
Signaldetektionsschaltung deswegen vorteilhaft stärker vereinfacht sein
kann als in dem Sensor, der auf der Messung der elektrostatischen
Kapazität
beruht.
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Bei
dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der in der oben beschriebenen
Weise aufgebaut ist, können
sowohl die Richtungen der Schwingung als auch die Verlagerungsdetektion
des Schwingungskörpers 11 innerhalb
einer Ebene (oder in der Ebene) parallel zu der Verbindungsebene
zwischen der Erfassungsschicht und der Hilfsschicht begrenzt sein
und es nicht erforderlich, die Struktur aus Verdrahtungsleitungen
und Elektroden auf der Hilfsschicht zu bilden, wodurch sichergestellt
werden kann, dass sämtliche Komponenten,
die zum Erfassen notwendig sind, einschließlich der Elektroden und Verdrahtungsleitungen,
auf der Erfassungsschicht vorgesehen wer den können. Das ist der gleiche Vorteil
wie jener, der in Verbindung mit der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben
wurde. Des Weiteren können die
Wirkungen, die ebenfalls zuvor beschrieben wurden und bewirkt wurden,
indem die Bearbeitung der Unterseite der Siliciumscheibe weggelassen
wird und die Aussparung oder das Durchgangsloch in dem Glassubstrat
ausgebildet wird, auch erreicht werden.
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Ferner
kann durch Vorsehen des Sensorabschnitts in dem Rahmen 200,
dessen Oberfläche
mit der Oberfläche
des Sensorabschnitts bündig
ist, eine Integration mit der peripheren Schaltung ebenfalls vereinfacht
werden, wie zuvor beschrieben wurde. Im Unterschied zu den vorhergehenden
Ausführungsformen,
die die Elektrodenkontaktflächen
aufweisen, kann die Integration mit der peripheren Schaltung erreicht
werden, ohne die Elektrodenkontaktflächen zu berücksichtigen, indem das Verdrahtungsmuster
unverändert
bis zur peripheren Schaltung verlängert wird. Da die Oberfläche des
Sensorabschnitts mit der Oberfläche
des Rahmens bündig
ist, können
Verdrahtungsleitungen durch den Halbleiterherstellungsprozess verlegt
werden.
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Unter
Bezugnahme auf die 10 bis 16 wird
ein Beispiel des Herstellungsprozesses des Winkelgeschwindigkeitssensors
gemäß der Ausführungsform
von 6 mit Hilfe eines Querschnitts längs einer
Linie C-D von 7 beschrieben.
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Zunächst wird
in einem Schritt, der in 10 gezeigt
ist, eine isolierende dünne
Lage z. B. aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid als eine Isolierlage 51 auf
der Oberfläche
einer Siliciumscheibe 50 aus einkristallinem Silicium durch
einen Prozess zum Bilden einer Isolierlage gebildet.
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Nach
dem Bilden eines (nicht gezeigten) Kontaktlochs für einen
Kontakt mit der Siliciumscheibe 50 mit der erforderlichen
Leitfähigkeit,
wie etwa durch Diffusion von Bor, durch Ätzen der Isolierlage 51 wird
eine Lage 51 z. B. aus Aluminium durch einen Prozess der
Ablagerung aus der Dampfphase oder einen Sputterprozess gebildet
und die auf diese Weise gebildete Lage 52 wird durch Trockenätzen strukturiert,
um Verdrahtungsleitungen und Elektroden in einem Schritt von 11 zu
schaffen.
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In
einem Schritt, der in 12 gezeigt ist, wird für den Zweck
des Verhinderns eines Leckstroms zwischen feinen Verdrahtungsmustern
auf dem Träger 12 eine
Passivierungslage 53 z. B. aus Siliciumnitrid gebildet.
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Anschließend werden
in einem Schritt, der in 13 gezeigt
ist und der ermöglicht,
dass die Siliciumscheibe auf einer Fläche, die von dem Teil verschieden
ist, der für
die Bildung des Schwingungskörpers 11 benötigt wird,
durchgeätzt
wird, eine Trägergruppe 12 zum
Unterstützen
des Schwingungskörpers,
der mit Glas verklebt ist, und des Schaltungsabschnitts (Rahmen 200)
die Siliciumnitridlage 53 und die Siliciumoxidlage 51,
die auf der Fläche
abgelagert sind, die durchgeätzt
werden soll, entfernt.
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In
einem nachfolgenden Schritt wird die Scheibe an der Fläche, von
der die Siliciumnitridlage entfernt wurde, vertikal ausgehöhlt.
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Das
heißt,
die Siliciumnitrid- und Siliciumoxidlage wirken als eine Maske zum
Tiefätzen.
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In
einem Schritt, der in 14 gezeigt ist, wird ein Glassubstrat 54,
das mit einer Aussparung oder einem Durchgangsloch 10 gebildet
ist, indem z. B. Sandstrahlen verwendet wird, an der resultierenden
Siliciumscheibe befestigt oder mit dieser verklebt, die durch die
Schritte erhalten, die in 13 enden,
indem z. B. ein Prozess zum Schmelzverkleben verwendet wird. Zum
Schmelzverkleben kann vorzugsweise ein Glas mit niedrigem Schmelzpunkt für das Glassubstrat 54 verwendet
werden. Wenn Pyrex-Glas für
das Glassubstrat 54 verwendet wird, kann das Glassubstrat
durch Anodenverkleben mit der Siliciumscheibe verklebt werden.
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Die
Siliciumscheibe und das Glassubstrat können durch Verwendung eines
der Klebeverfahren dauerhaft aneinander befestigt werden. Die Aussparung 10 wird
nun durch Silicium und Glas hermetisch abgeschlossen. Gas wie z.
B. Luft, das in dem dazwischen liegenden Raum eingeschlossen ist, ändert sein
Volumen in Abhängigkeit
von den Temperaturen und um den nachteiligen Einfluss infolge der
Volumenänderung
zu vermeiden, ist eine Nut, die die Aussparung 10 mit der äußeren Atmosphäre verbindet,
in der oberen Oberfläche
des Glassubstrats ausgebildet. Auf diese Weise kann Gas, das sich
in der Aussparung befindet, in die Atmosphäre entweichen.
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In
einem Schritt, der in 15 gezeigt ist, wird ein Teil
der Siliciumscheibe 50, wo die Siliciumnitridlage 53 und
die Siliciumoxidlage 51 in dem in 13 gezeigten
Schritt entfernt wurde, unter Verwendung einer Technik wie z. B.
ICPRIE (reaktives Plasma-Ionenätzen
mit induktiver Kopplung) durchgeätzt,
um einen Schwingungskörper 11 und
eine Trägergruppe 12 zum
Unterstützen
des Schwingungskörpers
einteilig zu bilden.
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Die
Scheibe wird typischerweise an ihrer Oberfläche mittels Durchätzen bearbeitet,
während sie
von ihrer Unterseite gekühlt
wird, und das Glassubstrat ist wirksam, um zu verhindern, dass reaktive Ionen
in die gekühlte
Seite wandern, nachdem die Scheibe durchgeätzt wurde, oder es wird verhindert, dass
zum Kühlen
verwendetes Gas aus der Oberfläche
der Siliciumseite austritt. Beim Vorhandensein der Nut, die die
Aussparung 10 mit der Atmosphäre verbindet, und der Öffnungen
nach außen,
die an der Außenseite
des Glassubstrats vorgesehen sind, kann die Scheibe unverändert einem
Ionenätzen
unterzogen werden.
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In 18 ist
ein Beispiel eines Oberflächenbearbeitungsmusters
dargestellt, wenn eine Glasscheibe als Glassubstrat verwendet wird.
Praktischerweise sind Aussparungen, die durch einen Sandstrahlprozess
gebildet sind, wie Rauchglas zu erkennen. Mehrere Nuten, die durch
die Aussparungen verlaufen, sind in der Glasoberfläche ausgebildet,
so dass die mehreren Aussparungen durch die Nuten gleichzeitig mit
der Atmosphäre
in Verbindung stehen können.
Da die Nut an der Oberfläche
des Glassubstrats ausgebildet ist, ist die Öffnung nach außen natürlich an
der Außenseite
des Glassubstrats vorgesehen. In dem Fall von 18 sind
Sensoren, die durch Bearbeiten des Siliciums gebildet sind, jeweils
so angeordnet, dass sie auf die einzelnen Zellen der Sensormuster,
die jeweils durch einen quadratischen Block angegeben sind, ausgerichtet
sind. Wenn eine Glasscheibe, die die gleiche Größe wie die Siliciumscheibe
besitzt, verwendet wird, erfolgt nahezu keine Fehlzuordnung, wenn
beide Scheiben einander überlappen.
Wenn das Muster auf der Glasscheibe so hergestellt wird, dass es
mit der Ausrichtungsebene der Siliciumscheibe übereinstimmt, kann der Winkelunterschied
verringert werden.
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Die
ICPRIE-Vorrichtung kann Arbeiten bei einem Seitenverhältnis von
etwa 15 bis 20 ausführen und
deswegen kann die Breite jedes Trägers 12 ausreichend
verringert werden und eine Unterstützungsträgergruppe mit einer verhältnismäßig kleinen
Federkonstante kann gebildet werden, selbst wenn eine Scheibe mit
einer Dicke von etwa 500 μm
verwendet wird. Der Abschnitt, der keinem Durchätzen unterzogen wird, ist durch
die Siliciumnitridlage 53, die in dem vorhergehenden Schritt
aufgebracht wurde, geschützt,
in Abhängigkeit
von dem Verhältnis
zwischen den Dicken der Siliciumscheibe 50 und der Siliciumnitridlage 53 besteht
jedoch eine Möglichkeit, dass
die Siliciumnitridlage 53, die die Rolle der Schutzlage
spielt, im Verlauf des Ätzens
beseitigt wird. In Erwartung eines derartigen Ereignisses kann z.
B. eine geeignete Resistlage zusätzlich
auf der Siliciumnitridlage aufgetragen werden.
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Schließlich wird
in einem Schritt, der in 16 gezeigt
ist, ein Permanentmagnet 2 z. B. unter Verwendung eines
Siliciumklebemittels oder eines Epoxyklebemittels an der Unterseite
des Glassubstrats 54 befestigt, um Magnetfelderzeugungsmittel
(Antriebsquelle) zu bilden.
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Auf
diese Weise kann ein Trägheitssensor, der
in der in 6 gezeigten Weise aufgebaut
ist, erhalten werden.
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Das
Herstellungsverfahren für
die Ausführungsformen
des Trägheitssensors
der Erfindung ist nicht auf die Verwendung des zuvor erwähnten Halbleiterherstellungsprozesses
beschränkt
und der Sensor kann offensichtlich unter Verwendung einer anderen
Feinbearbeitungstechnik hergestellt werden.
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Bei
einem Fahrzeugsteuersystem, das die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trägheitssensors
verwendet, kann die Drehwinkelgeschwindigkeit um eine Achse vertikal
zum Boden mit dem Sensor, der in horizontaler Richtung verkapselt
ist, detektiert werden. Des Weiteren kann eine Beschleunigung in
einer Ebene parallel zum Boden detektiert werden. Insbesondere in
Kraftfahrzeugen gibt es starke Einschränkungen in Bezug auf den Raum,
in dem der Sensor verkapselt werden kann, und das Verkapselungsverfahren,
durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Trägheitssensors kann jedoch eine
vereinfachte und dauerhafte Kapselung leicht bewirkt werden, wobei
eine hohe Empfindlichkeit sichergestellt werden kann. Demzufolge
kann durch die Verwendung des Sensors ein Fahrzeugsteuersystem,
das eine Fahrzeugkarosseriesteuerung und Drehkorrektursteuerung
in einem Radarsystem, das Laser- und Millimeterwellen verwendet,
wirkungsvoll ausführen
kann, aufgebaut werden.
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Gemäß den Ausführungsformen
der Erfindung ist in dem Trägheitssensor,
der die Erfassungsschicht und die Hilfsschicht, die durch eine Oberflächenverbindung
daran befestigt ist, aufweist, ein bewegliches Element, das in einer
Richtung parallel zur Verbindungsfläche verlagerbar ist, an der
Erfassungsschicht vorgesehen und die Öffnung, die auf das bewegliche
Element ausgerichtet ist, ist in der Hilfsschicht ausgebildet, wodurch
sichergestellt ist, dass die Empfindlichkeit des Sensors verbessert werden
kann, wenn die Masse des beweglichen Elements, das ein Bestandteil
der Erfassungsschicht repräsentiert,
größer wird.
Im Vergleich mit dem Sensor, bei dem die Öffnung in der Erfassungsschicht ausgebildet
ist, kann ferner die Gefahr der nachteiligen Beeinflussung der Oberfläche der
Erfassungsschicht durch Verunreinigung und ihrer Beschädigung verringert
werden und es kann ein sehr zuverlässiger und kostengünstiger Trägheitssensor
mit einer guten Anpassungsfähigkeit
an eine Massenproduktion geschaffen werden.
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Da
in dem Sensor das bewegliche Element in einer Richtung parallel
zu der Verbindungsfläche zwischen
der Erfassungsschicht und der Hilfsschicht verlagert wird, ist es
nicht erforderlich, die Struktur aus Verdrahtungsleitungen und Elektroden
auf der Hilfsschicht zu bilden, und sämtliche Komponenten, die zum
Erfassen notwendig sind, einschließlich der Elektroden und der
Verdrahtungsleitungen, können an
der Erfassungsschicht, insbesondere auf ihrer Oberfläche vorgesehen
werden. Dadurch kann der Erfassungsabschnitt einteilig mit seiner
Detektionsschaltung und der Signalverarbeitungsschaltung gebildet
werden, um eine sehr zuverlässige
Sensorvorrichtung mit vereinfachtem Aufbau und einer guten Anpassungsfähigkeit
an eine Massenproduktion zu realisieren.
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Wie
oben beschrieben wurde, kann gemäß den Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Sensors
ein sehr genauer Sensor mit geringen Abmessungen, der für eine Massenproduktion
geeignet ist, geschaffen werden, der eine Kompatibilität mit einem
Sensor des Volumenkörper-Mikrobearbeitungstyps
und einem Sensor des Oberflächen-Mikrobearbeitungstyps,
der die Hauptfunktion des Sensors auf die Sensoroberfläche konzentriert,
aufweisen kann. Insbesondere vom Standpunkt einer Anwendung bei
einem Sensor, der an einem Fahrzeug getragen wird, das einen begrenzten
Raum für
die Sensorverkapselung aufweist, kann der erfindungsgemäße Sensor,
der horizontal verkapselt werden kann, seine Anwendungsmöglichkeit
bei einem Beschleunigungssensor oder einem Winkelgeschwindigkeitssensor
finden, bei denen geringere Unregelmäßigkeiten in Bezug auf Empfindlichkeit
und Möglichkeit der
dauerhaften Verkapselung auftreten.