DE9320965U1 - Semiconductor accelerometer - Google Patents
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Description
5. Mai 1995 Hitachi, Ltd. N 17294 Gbm A/La/sz5 May 1995 Hitachi, Ltd. N 17294 Gbm A/La/sz
Unterlagen, die der Eintragung des Gebrauchsmusters
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Halbleiter-BeschleunigungsmesserSemiconductor accelerometer
is Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser und, im besonderen, auf einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser, der z.B. geeignet ist zum Betätigen eines Luftsackes bzw. Airbags in einem Motorfahrzeug und zum Steuern eines Motorfahrzeuges.is The present invention relates to a semiconductor accelerometer and, in particular, to a semiconductor accelerometer suitable, for example, for actuating an airbag in a motor vehicle and for controlling a motor vehicle.
Fig. 17 veranschaulicht ein Beispiel eines Halbleiter-Beschleunigungsmessers vom Kapazitanztyp, wie in der US-Patent-Nr. 5,095,752 veranschaulicht, worin ein Gewicht 5 zum Fühlen einer Beschleunigung in einer Siliziumplatte 1 gebildet ist durch Ätzen, während es von einem Auslegerabschnitt 10 getragen wird, der mit dem äußeren Rahmenabschnitt der Siliziurnplatte 1 verbunden ist, wobei die Siliziumplatte 1 zwischen Glasplatten 4 und 9 mit einem verbindenden Material angeordnet ist, wobei stationäre Elektroden 13 auf den jeweiligen den zwei hauptsächlichen Oberflächen des Gewichtes 5 gegenüberliegenden Oberflächen gebildet sind, was als bewegliche Elektrode in Antwort auf eine Beschleunigung, die darauf wirkt, dient und wobei eine Kapazitanzänderung, die dadurch verursacht wird, zu einer signalverarbeitenden Einheit (nicht gezeigt) über Bondierfiächen 8 übertragen wird.Fig. 17 illustrates an example of a capacitance type semiconductor accelerometer as illustrated in U.S. Patent No. 5,095,752, wherein a weight 5 for sensing acceleration is formed in a silicon plate 1 by etching while being supported by a cantilever portion 10 connected to the outer frame portion of the silicon plate 1, the silicon plate 1 is sandwiched between glass plates 4 and 9 with a bonding material, stationary electrodes 13 are formed on the respective surfaces opposite to the two main surfaces of the weight 5, which serves as a movable electrode in response to acceleration acting thereon, and a capacitance change caused thereby is transmitted to a signal processing unit (not shown) via bonding pads 8.
In dem obigen Halbleiter-Beschleunigungsmesser vom Kapazitanztyp ist der Schwerpunkt, angezeigt durch einen Stern, des Gewichtes 5 so entworfen, daß er auf einer parallelen Ebene angeordnet ist, die eine zentrale Linie in der Richtung der Dicke des Auslegerabschnittes 10 s enthält.In the above capacitance type semiconductor accelerometer, the center of gravity, indicated by a star, of the weight 5 is designed to be located on a parallel plane containing a central line in the direction of the thickness of the cantilever portion 10 s.
JP-3-214064(1991) offenbart ebenfalls einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser, der Piezo-Widerstände zum Erfassen einer Beschleunigung benutzt, und der eine ähnliche Gewichtskonfiguration hat wie die obige.JP-3-214064(1991) also discloses a semiconductor accelerometer that uses piezoresistors to detect acceleration and has a similar weight configuration as the above.
Bei dem obigen konventionellen Stand der Technik wurde der Massenabschnitt, der das Gewicht zum Erfühlen einer Beschleunigung darstellt, gebildet durch Verarbeiten der Siliziumplatte selbst, und ein mikroskopisches Verarbeiten, das einen mehrmaligen, zweifachen Seitenabgleich benutzt, war erforderlich. Daher war es schwierig, solche Halbleiter-Beschleunigungsmesser mit einer ausreichenden Verarbeitungsgenauigkeit herzustellen. Aus diesem Grunde war eine Massenproduktion solcher Halbleiter-Beschleunigungsmesser schwierig.In the above conventional art, the mass portion, which is the weight for sensing acceleration, was formed by processing the silicon plate itself, and microscopic processing using multiple times of two-side adjustment was required. Therefore, it was difficult to manufacture such semiconductor accelerometers with sufficient processing accuracy. For this reason, mass production of such semiconductor accelerometers was difficult.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser bereitzustellen, der eine Massenproduktion mit einer ausreichenden Verarbeitungsgenauigkeit erlaubt, und der entworfen ist, um Beschleunigungen zu erfassen, die sich von einer kleinen Beschleunigung, notwendig für eine Motorfahrzeugkarosseriesteuerung, bis zu einer Beschleunigung von ungefähr 100 G erstrecken.An object of the present invention is to provide a semiconductor accelerometer that allows mass production with sufficient processing accuracy and is designed to detect accelerations ranging from a small acceleration necessary for motor vehicle body control to an acceleration of about 100 G.
Das obige Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser erreicht, der einen Rahmenabschnitt hat, der auf einem Objekt zum Erfassen befestigt werden soll, einen Massenabschnitt, der eine Beschleunigung des Objektes zur Erfassung in eine Trägheits-The above object of the present invention is achieved by a semiconductor accelerometer having a frame portion to be mounted on an object for detection, a mass portion which converts an acceleration of the object for detection into an inertial
kraft umwandelt und einen Membranabschnitt, der zwischen dem Rahmenabschnitt und dem Massenabschnitt überbrückt, worin ein Metallfilm zum Bereitstellen einer zusätzlichen Masse gebildet ist auf zumindest einer Oberfläche des Massenabschnitts.force and a membrane portion bridging between the frame portion and the mass portion, wherein a metal film for providing additional mass is formed on at least one surface of the mass portion.
Weiterhin wird das obige Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht durch einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser, der einen Rahmenabschnitt hat, der auf einem Objekt zur Erfassung befestigt werden muß, einen Massenabschnitt, der eine Beschleunigung des Objektes zur Erfassung in eine &iacgr;&ogr; Trägheitskraft umwandelt und einen Membranabschnitt, der zwischen dem Rahmenabschnitt und dem Massenabschnitt überbrückt, worin ein Metallfilm zum Bereitstellen einer zusätzlichen Masse gebildet ist auf sowohl den oberen als auch den unteren Oberflächen des Massenabschnittes.Furthermore, the above object of the present invention is achieved by a semiconductor accelerometer having a frame portion to be mounted on an object for detection, a mass portion that converts an acceleration of the object for detection into an inertial force, and a diaphragm portion bridging between the frame portion and the mass portion, wherein a metal film for providing additional mass is formed on both the upper and lower surfaces of the mass portion.
is Noch weiter wird das obige Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht durch einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser, der einen Rahmenabschnitt hat, der auf einem Objekt zur Erfassung befestigt werden muß, einen Massenabschnitt, der eine Beschleunigung des Objektes zur Erfassung in eine Trägheitskraft umwandelt und einen Membranabschnitt, der zwischen dem Rahmenabschnitt und dem Massenabschnitt überbrückt, worin eine zusätzliche Masse, die eine höhere Dichte hat als die des Massenabschnittes, bereitgestellt ist auf zumindest einer Oberfläche des Massenabschnittes. is Still further, the above object of the present invention is achieved by a semiconductor accelerometer having a frame portion to be mounted on an object for detection, a mass portion that converts an acceleration of the object for detection into an inertial force, and a diaphragm portion bridging between the frame portion and the mass portion, wherein an additional mass having a higher density than that of the mass portion is provided on at least one surface of the mass portion.
Das obige Ziel der vorliegenden Erfindung wird erreicht durch einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser, der einen Rahmenabschnitt hat, der auf einem Objekt zur Erfassung befestigt werden muß, einen Massenabschnitt, der eine Beschleunigung des Objektes zur Erfassung in eine Trägheitskraft umwandelt und einen Membranabschnitt, der zwischen dem Rahmenabschnitt und dem Massenabschnitt überbrückt, worin eine zusätzlicheThe above object of the present invention is achieved by a semiconductor accelerometer having a frame portion to be mounted on an object for detection, a mass portion that converts an acceleration of the object for detection into an inertial force, and a diaphragm portion bridging between the frame portion and the mass portion, wherein an additional
Masse angeordnet ist auf zumindest einer Oberfläche des Massenabschnittes auf eine solche Weise, daß der Schwerpunkt des Gewichtes, das aus dem Massenabschnitt und der zusätzlichen Masse gebildet ist, sich auf einer parallelen Ebene befindet, die eine zentrale linie in der Richtung der Dicke des Membranabschnittes enthält.Mass is arranged on at least one surface of the mass portion in such a way that the center of gravity of the weight formed from the mass portion and the additional mass is located on a parallel plane containing a central line in the direction of the thickness of the membrane portion.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das Gewicht zum Erfühlen einer Beschleunigung aus einer Kombination des Massenabschnittes, gebildet durch tiefes Ätzen der Siliziumplatte, und einer zusätzlichen Masse,In the present invention, the weight for sensing acceleration is composed of a combination of the mass portion formed by deep etching of the silicon plate and an additional mass,
&iacgr;&ogr; gebildet auf dem Massenabschnitt, aufgebaut, wobei das konventionelle mikroskopische Verarbeiten, das einen mehrmaligen, zweifachen Seitenabgleich erfordert, beseitigt ist, wodurch ein Halbleiter-Beschleunigungsmesser erhalten wird, der eine hohe Verarbeitungsgenauigkeit hat. Weiter ist die Dichte und die Konfiguration der zusätzlichen Masse, die auf demγ formed on the mass portion, eliminating the conventional microscopic processing requiring multiple, two-sided alignment, thereby obtaining a semiconductor accelerometer having high processing accuracy. Further, the density and configuration of the additional mass formed on the
is Massenabschnitt gebildet ist, so ausgewählt, daß der Schwerpunkt des Gewichtes, das durch den Massenabschnitt und die zusätzliche Masse gebildet wird, sich auf einer parallelen Ebene befindet, die eine zentrale Linie in der Richtung der Dicke des Membranabschnittes enthält, wodurch der Nullpunktabgleich von Ausgabesignalen von dem resultierenden Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung erleichtert wird.is mass portion is selected so that the center of gravity of the weight formed by the mass portion and the additional mass is located on a parallel plane containing a central line in the direction of the thickness of the diaphragm portion, thereby facilitating zeroing of output signals from the resulting semiconductor accelerometer according to the present invention.
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:Further advantages, properties and possible applications of the present invention emerge from the following description of embodiments in conjunction with the drawing. In the drawing:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of piezo-resistive type semiconductor accelerometers according to the present invention;
Fig. 2 eine Draufsicht des Halbleiter-Beschleunigungsmessers, gezeigt in Fig. 1;Fig. 2 is a plan view of the semiconductor accelerometer shown in Fig. 1;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht, die ein zweites Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 3 is a cross-sectional view showing a second embodiment of piezo-resistive type semiconductor accelerometers according to the present invention;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht, die ein drittes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der &iacgr;&ogr; vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 4 is a cross-sectional view showing a third embodiment of piezo-resistive type semiconductor accelerometers according to the present invention;
Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm, angewandt auf die Halbleiter-Beschleunigungsmesser, die in Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 4 gezeigt sind, zum Verarbeiten von Signalen von einer Brückenschaltung aus Piezo-Widerstandselementen, die auf dem Halbleiter-Beschleunigungsmesser gebildet sind;Fig. 5 is a circuit diagram applied to the semiconductor accelerometers shown in Fig. 1, Fig. 3 and Fig. 4 for processing signals from a bridge circuit of piezo-resistive elements formed on the semiconductor accelerometer;
Fig. 6 (a) eine Draufsicht, die schematisch das Layout der Schaltungselemente, gezeigt in Fig. 5, auf einem Halbleitersubstrat veranschaulicht;Fig. 6 (a) is a plan view schematically illustrating the layout of the circuit elements shown in Fig. 5 on a semiconductor substrate;
Fig. 6 (b) eine Querschnittsansicht des Halbleitersubstrates, gezeigt in Fig. 6 (a).Fig. 6 (b) is a cross-sectional view of the semiconductor substrate shown in Fig. 6 (a).
Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsansicht des eingekreisten Abschnittes in Fig. 6 (b);Fig. 7 is an enlarged cross-sectional view of the circled portion in Fig. 6(b);
Fig. 8 ein Schaltungsdiagramm zum Verarbeiten von Signalen von drei Sätzen von Halbleiter-Beschleunigungsmesser, gezeigt in einer der Fig. 1, 3 und 4, zum Bestimmen dreidimensionaler Beschleunigung;Fig. 8 is a circuit diagram for processing signals from three sets of semiconductor accelerometers shown in any of Figs. 1, 3 and 4 to determine three-dimensional acceleration;
Fig. 9 eine Querschnittsansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Kapazitanztyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 9 is a cross-sectional view showing a first embodiment of capacitance type semiconductor accelerometers according to the present invention;
Fig. 10 eine Querschnittsansicht, die ein zweites Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Kapazitanztyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 10 is a cross-sectional view showing a second embodiment of capacitance type semiconductor accelerometers according to the present invention;
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht, die ein drittes Ausführungsbeispiel &iacgr;&ogr; von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Kapazitanztyp zum Erfassen einer dreidimensionalen Beschleunigung zeigt, und die einstückig gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist;Fig. 11 is a perspective view showing a third embodiment of capacitance type semiconductor accelerometers for detecting three-dimensional acceleration and which is integrally formed according to the present invention;
Fig. 12 ein Schaltungsdiagramm zum Verarbeiten von Signalen von dem is Halbleiter-Beschleunigungsmesser vom Kapazitanztyp, gezeigt in Fig. 11, zum Bestimmen dreidimensionaler Beschleunigung;Fig. 12 is a circuit diagram for processing signals from the is capacitance type semiconductor accelerometer shown in Fig. 11, for determining three-dimensional acceleration;
Fig. 13 eine Draufsicht, die ein viertes Ausführungsbeispiel eines Halbleiter-Beschleunigungsmessers vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 13 is a plan view showing a fourth embodiment of a piezo-resistive type semiconductor accelerometer according to the present invention;
Fig. 14 eine Draufsicht, die ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Halbleiter-Beschleunigungsmessers vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 14 is a plan view showing a fifth embodiment of a piezo-resistive type semiconductor accelerometer according to the present invention;
Fig. 15 einen Nichtlinearitäts-Fehler eines Halbleiter-Beschleunigungsmessers ohne eine das Massenzentrum einstellende Maßnahme bezüglich der Variation einer Beschleunigungskomponente längs der Erfassungsachse; Fig. 15 shows a nonlinearity error of a semiconductor accelerometer without a center of mass adjusting measure with respect to the variation of an acceleration component along the detection axis;
Fig. 16 einen Nichtlinearitäts-Fehler eines Halbleiter-Beschleunigungsmessers mit einer das Massenzentrum einstellenden Maßnahme gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich der Variation einer Beschleunigungskomponente längs der Erfassungsachse; undFig. 16 shows a non-linearity error of a semiconductor accelerometer with a center of mass adjusting measure according to the present invention with respect to the variation of an acceleration component along the detection axis; and
Fig. 17 eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Beschleunigungsmessers vom konventionellen Kapazitanztyp.Fig. 17 is a cross-sectional view of a conventional capacitance type semiconductor accelerometer.
Ein erstes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom &iacgr;&ogr; Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 1 und 2 erklärt.A first embodiment of piezo-resistive type semiconductor accelerometers according to the present invention will be explained with reference to Figs. 1 and 2.
Ein Massenabschnitt 5, ein Rahmenabschnitt 3 und ein Membranabschnitt 6, der zwischen dem Massenabschnitt 5 und dem Rahmenabschnitt 3A mass section 5, a frame section 3 and a membrane section 6, which is arranged between the mass section 5 and the frame section 3
is überbrückt, für einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser vom Piezo-Widerstandstyp ist gebildet von einer einzelnen kristallinen Siliziumplatte 1 durch tiefes Ätzen derselben. Die Bewegung des Massenabschnittes 5 in Antwort auf eine Beschleunigung ist in Kombination mit der Länge und Dicke des Membranabschnittes 6 ausbalanciert. Weiter ist das Ausbalaneieren gesteuert über eine Kombination des Massenabschnittes 5 und einen zusätzlichen Metallfilm 7, der auf dem Massenabschnitt 5 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gebildet ist. Piezo-Widerstandselemente 21, 22, 23 und 24 sind an vorbestimmten Positionen auf einer Hauptoberfläche des Membranabschnittes 6 gebildet.is bridged, for a piezo-resistive type semiconductor accelerometer is formed from a single crystalline silicon plate 1 by deep etching it. The movement of the mass portion 5 in response to acceleration is balanced in combination with the length and thickness of the diaphragm portion 6. Further, the balancing is controlled via a combination of the mass portion 5 and an additional metal film 7 formed on the mass portion 5 in the present embodiment. Piezo-resistive elements 21, 22, 23 and 24 are formed at predetermined positions on a main surface of the diaphragm portion 6.
Bei einem konventionellen Halbleiter-Beschleunigungsmesser vom Kapazitanztyp, wie in Fig. 17 veranschaulicht, ist der Massenabschnitt auf solch eine Weise geformt, daß der Schwerpunkt des Massenabschnittes, wie durch einen Stern gezeigt, auf einer parallelen Ebene positioniert ist, die das Zentrum in der Richtung der Dicke des Auslegers 10 enthält, inIn a conventional capacitance type semiconductor accelerometer, as illustrated in Fig. 17, the mass portion is shaped in such a manner that the center of gravity of the mass portion, as shown by a star, is positioned on a parallel plane containing the center in the direction of the thickness of the cantilever 10, in
anderen Worten, die Zentrumslinie des Massenabschnittes 5 in der Richtung der Dicke davon, ist mit der des Auslegers 10 in seiner Richtung der Dicke ausgerichtet, um eine Linearität oder Hysterese und eine Empfindlichkeit von Ausgaben des Halbleiter-Beschleunigungsmesser in vorbestimmten Pegeln zu halten.In other words, the center line of the mass portion 5 in the direction of thickness thereof is aligned with that of the cantilever 10 in its direction of thickness to keep a linearity or hysteresis and a sensitivity of outputs of the semiconductor accelerometer at predetermined levels.
Jedoch erforderte die Konfiguration des Massenabschnittes 5, wie in Fig. 17 gezeigt, einen vier- bis fünfmaligen, zweifachen Seitenabgleich zum Durchführen eines photolithografischen Prozesses auf einem Halbleiter-Wafer, was ein sehr komplexes mikroskopisches Verarbeiten ist, und machte es sehr schwierig, eine vorbestimmte Genauigkeit der Abmessungen an beiden Seiten des Wafers aufrecht zu halten.However, the configuration of the mass portion 5 as shown in Fig. 17 required four to five times of dual side alignment for performing a photolithographic process on a semiconductor wafer, which is a very complex microscopic processing, and made it very difficult to maintain a predetermined dimensional accuracy on both sides of the wafer.
Weiter, obwohl Abgleicher (Trimmer) für nur eine Seite, die mit Schrittschaltung arbeiten, im allgemeinen zum Herstellen von Halbleitern benutzt werden, wie z.B. Ultrahöchstintegration (ULSI), gibt es keine Zweiseitenabgleicher mit Schrittschaltung, weswegen ein Zweiseitenabgleicher vom Kontakttyp, der ungeeignet zur Massenproduktion, z.B. zum Bilden von hunderten von Chips auf einzelnen Wafern, ist, für die Produktion von Halbleiter-Beschleunigungsmessern benutzt werden mußte, die die obige Konfiguration hatten, die ein hochgenaues Musterabstimmen von einigen Malen sowohl auf den Vorder- als auch den Rückseiten des Wafers erfordert.Furthermore, although single-side stepping type trimmers are generally used for manufacturing semiconductors such as ultra-large scale integration (ULSI), there are no two-side stepping type trimmers, so a contact type two-side trimmer, which is unsuitable for mass production, e.g., forming hundreds of chips on single wafers, had to be used for the production of semiconductor accelerometers having the above configuration, which requires highly accurate pattern trimming several times on both the front and back sides of the wafer.
Im Gegensatz zu Leistungshalbleitern, wie z.B. Abschaltthyristoren (GTO-Thyristoren), die über eine Doppelseitenbelichtung auf einem Wafer, der einen einzelnen Chip darstellt, konfiguriert werden durch Verwendung eines Zweiseitenabgleichers vom Kontakttyp, müssen mehrere Hundert Halbleitersensoren, wie z.B. Halbleiter-Beschleunigungsmesser, die eine dreidimensionale Konfiguration haben, in einer Form von Chips aufIn contrast to power semiconductors such as gate-turn thyristors (GTO thyristors) which are configured via double-side exposure on a wafer representing a single chip by using a contact-type two-side adjuster, several hundred semiconductor sensors such as semiconductor accelerometers which have a three-dimensional configuration must be configured in a form of chips on
einem Einzelwafer gebildet werden, weswegen der Zweiseitenabgleicher und der Prozeß, der zum Produzieren der Leistungshalbleiter benutzt wird, kaum benutzt werden können zum Produzieren von Halbleitersensoren, außerdem variieren einfallende Winkel und Aberration eines Belichtungslichtes auf einem Chip an dem Zentrum des Wafers und auf einem Chip an dem Kantenabschnitt des Wafers signifikant, wodurch eine Genauigkeit des belichteten Musters auf jeweiligen Chips exponentiell verschlechtert ist durch häufige doppelseitige Abgleichsoperationen, was eine Massenproduktion von Halbleiter-Beschleunigungsmessern, die eine &iacgr;&ogr; Konfiguration haben, die eine Vielzahl von doppelseitigen Abgleichsoperationen erfordert, verhindert.a single wafer, therefore, the double-side adjuster and the process used for producing the power semiconductors can hardly be used for producing semiconductor sensors, furthermore, incident angles and aberration of an exposure light on a chip at the center of the wafer and on a chip at the edge portion of the wafer vary significantly, whereby accuracy of the exposed pattern on respective chips is exponentially deteriorated by frequent double-side adjustment operations, which prevents mass production of semiconductor accelerometers having a &iacgr;&ogr; configuration requiring a plurality of double-side adjustment operations.
Jedoch wird das Formen der Siliziumplatte 1, wie in Fig. 1 gezeigt, mit einem einmaligen zweiseitigen Abgleich, wie konventionelle Halbleiter-Drucksensoren, die heutzutage massenproduziert werden, ausgeführt, weiterhin wird ein Tiefätzprozeß von einer Seite des Wafers ebenfalls nur ein Mal erfordert, um die Konfiguration zu vervollständigen. Weiter, um die vorbestimmten Sensorcharakteristiken, wie z.B. Linearität der Ausgabe und Empfindlichkeit, aufrecht zu erhalten, ist der zusätzliche Metallfilm 7, der aus so etwas wie Au gemacht ist, und der ein entsprechendes Gewicht zu dem des Massenabschnittes 5 hat, der durch Tiefätzen gebildet ist, gebildet auf dem Massenabschnitt 5 auf solch eine Weise, daß der Schwerpunkt des Gewichtes, das in Kombination des Massenabschnittes 5 und des zusätzlichen Metallfilmes 7 gebildet ist, auf einer parallelen Ebene angeordnet ist, die eine zentrale Linie des Membranabschnittes 6 in der Richtung der Dicke enthält.However, the molding of the silicon plate 1 as shown in Fig. 1 is carried out with one-time two-side adjustment like conventional semiconductor pressure sensors mass-produced nowadays, further a deep etching process from one side of the wafer is also required only once to complete the configuration. Further, in order to maintain the predetermined sensor characteristics such as linearity of output and sensitivity, the additional metal film 7 made of such as Au and having a corresponding weight to that of the mass portion 5 formed by deep etching is formed on the mass portion 5 in such a manner that the center of gravity of the weight formed in combination of the mass portion 5 and the additional metal film 7 is located on a parallel plane containing a center line of the diaphragm portion 6 in the direction of thickness.
Die so konfigurierte Siliziumplatte 1 wird nach Augenmaß auf eine untere Glasplatte 4 gearbeitet, wie z.B. durch anodisches Verbinden, um Montieren auf den Halbleiter-Beschleunigungsmesser zu erleichtern.The silicon plate 1 thus configured is machined onto a lower glass plate 4 by eye, such as by anodic bonding, to facilitate mounting onto the semiconductor accelerometer.
Wenn eine Chipgröße des Halbleiter-Beschleunigungsmessers, wie z.B. in Fig. 2 gezeigt, reduziert ist auf ein Quadrat von einigen mm wie z.B. 3 mm2, um ein begrenztes Gewicht des Massenabschnittes zu haben, muß die Dicke, z.B., des Membranabschnittes 6 reduziert werden, so daß das begrenzte Gewicht auf Beschleunigung antworten kann, jedoch kann die Dicke des Membranabschnittes 6 nicht unter eine vorbestimmte Dicke zum Aufrechterhalten der mechanischen Festigkeit reduziert werden.When a chip size of the semiconductor accelerometer as shown in Fig. 2 is reduced to a square of several mm such as 3 mm 2 , in order to have a limited weight of the mass portion, the thickness of, e.g., the diaphragm portion 6 must be reduced so that the limited weight can respond to acceleration, but the thickness of the diaphragm portion 6 cannot be reduced below a predetermined thickness for maintaining the mechanical strength.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung, das die Notwendigkeit der Reduktion der Dicke des Membranabschnittes 6, wie oben erklärt, eliminiert, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 und Fig. 2 durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist ein zweiter zusätzlicher Metallfilm 11 auf der Rückseite des Massenabschnittes 5 ausgebildet und die Dicke des ersten zusätzlichen Metallfilmes 7 ist bestimmt, um das kombinierte Gewicht des Massenabschnittes 5 und des zweiten zusätzlichen Metallfilmes 11 zu kompensieren.Fig. 3 shows a second embodiment of piezo-resistive type semiconductor accelerometers according to the present invention which eliminates the need for reducing the thickness of the diaphragm portion 6 as explained above, wherein the same or equivalent elements as in the embodiment of Fig. 1 and Fig. 2 are designated by the same reference numerals. In the embodiment of Fig. 3, a second additional metal film 11 is formed on the back of the mass portion 5 and the thickness of the first additional metal film 7 is determined to compensate for the combined weight of the mass portion 5 and the second additional metal film 11.
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 und Fig. 2 durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist eine Aussparung 16 bereitgestellt auf der Rückfläche des Massenabschnittes 5 zum Einstellen des Gewichtes und des Gleichgewichtes, gebildet in Kombination von dem Massenabschnitt 5 und dem ersten zusätzlichen Metallfilm 7.Fig. 4 shows a third embodiment of piezo-resistive type semiconductor accelerometers according to the present invention, wherein the same or equivalent elements as in the embodiment of Fig. 1 and Fig. 2 are designated by the same reference numerals. In the embodiment of Fig. 4, a recess 16 is provided on the back surface of the mass portion 5 for adjusting the weight and balance formed in combination of the mass portion 5 and the first additional metal film 7.
Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm, daß eine Brückenschaltung 2 umfaßt, die durch Dehnungsmeßstreifen vom Piezo-Widerstands- oder Diffusionstyp 21, 22, 23 und 24 aufgebaut ist, die auf dem Membranabschnitt 6 des Halbleiter-Beschleunigungsmessers, wie z.B. in Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigt, gebildet ist und eine Signalverarbeitungsschaltung 40 für Signale von der Brückenschaltung.Fig. 5 is a circuit diagram comprising a bridge circuit 2 constructed by piezo-resistive or diffusion type strain gauges 21, 22, 23 and 24 formed on the diaphragm portion 6 of the semiconductor accelerometer such as shown in Fig. 1 to Fig. 4, and a signal processing circuit 40 for signals from the bridge circuit.
Fig. 6 (a) ist eine Draufsicht, die ein Layout von den Schaltungselementen, die in Fig. 5 gezeigt sind, veranschaulicht, und die auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 1 gebildet sind für den Halbleiter-Beschleunigungsmesser, wie in Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigt, und für die Signalverarbeitungsschaltung 40 zum Verarbeiten der Signale von der Brückenschaltung 2, gebildet auf dem Halbleiter-Beschleunigungsmesser-Abschnitt.Fig. 6 (a) is a plan view illustrating a layout of the circuit elements shown in Fig. 5 formed on a common semiconductor substrate 1 for the semiconductor accelerometer as shown in Figs. 1 to 4 and the signal processing circuit 40 for processing the signals from the bridge circuit 2 formed on the semiconductor accelerometer portion.
is Fig. 6 (b) ist eine Querschnittsansicht des integrierten Halbleiterkörpers, gezeigt in Fig. 6 (a).Fig. 6(b) is a cross-sectional view of the integrated semiconductor body shown in Fig. 6(a).
Fig. 7 ist eine vergrößerte und detaillierte Querschnittsansicht des eingekreisten Abschnittes aus Fig. 6 (b), worin zusätzlich zu den Piezo-Widerständen 21 bis 24 ein paralleler Widerstand für einen Verstärker und ein npn-Transistor für den Verstärker in der Signalverarbeitungsschaltung 40 veranschaulicht sind.Fig. 7 is an enlarged and detailed cross-sectional view of the circled portion of Fig. 6 (b), wherein in addition to the piezo resistors 21 to 24, a parallel resistor for an amplifier and an npn transistor for the amplifier in the signal processing circuit 40 are illustrated.
Fig. 8 ist ein Schaltungsdiagramm zum Bestimmen von dreidimensionalen Beschleunigen V1, V2 und V3 in x-, y- und z-Richtungen durch Verwenden von drei Sätzen von Brückenschaltungen 2, 2' und 2", die eine Erfassungseinheit 30 bilden. Die Signalverarbeitungsschaltung 40 ist eine gewöhnliche, die eine verstärkende Einheit 41, eine PWM-Einheit 42, eine Verarbeitungs- und Ausgabe-Einheit 43, einen Oszillator 44 und einen Takterzeuger 45, der Taktsignale ^1 bis §5 zum PhasenverschiebenFig. 8 is a circuit diagram for determining three-dimensional accelerations V 1 , V 2 and V 3 in x, y and z directions by using three sets of bridge circuits 2, 2' and 2", which constitute a detection unit 30. The signal processing circuit 40 is a conventional one which includes an amplifying unit 41, a PWM unit 42, a processing and output unit 43, an oscillator 44 and a clock generator 45 which generates clock signals ^ 1 to §5 for phase shifting
der Erfassungssignale von den jeweiligen Brückenschaltungen 2, 2' und 2" erzeugt, umfaßt.the detection signals generated by the respective bridge circuits 2, 2' and 2".
Fig. 9 ist ein erstes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Kapazitanztyp gemäß der vorliegenden Erfindung, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie die, gezeigt in Fig. 17, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 9 ist der Massenabschnitt 5 durch Tiefätzen der Siliziumplatte 1 von einer Seite gebildet und der zusätzliche MetaUfihn 7 ist auf der anderen &iacgr;&ogr; Seite des Massenabschnittes 5 auf die gleiche Weise wie in dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, gebildet, wodurch das mikroskopische Verarbeiten zum Konfigurieren der Siliziumplatte 1 erleichtert ist.Fig. 9 is a first embodiment of capacitance type semiconductor accelerometers according to the present invention, wherein the same or equivalent elements as those shown in Fig. 17 are designated by the same reference numerals. In the embodiment of Fig. 9, the mass portion 5 is formed by deep etching the silicon plate 1 from one side and the additional metal film 7 is formed on the other side of the mass portion 5 in the same manner as in the embodiment shown in Figs. 1 and 2, thereby facilitating the microscopic processing for configuring the silicon plate 1.
is Fig. 10 ist ein zweites Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Kapazitanztyp gemäß der vorliegenden Erfindung, worin ähnliche oder äquivalente Elemente wie die, die in Fig. 17 gezeigt sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 10 ist der zweite zusätzliche MetaUfihn 11 auf der Rückfläche des Massenabschnittes 5 zusätzlich zu dem ersten zusätzlichen Metallfilm 7 auf die gleiche Weise wie in dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 3 gezeigt ist, bereitgestellt.Fig. 10 is a second embodiment of capacitance type semiconductor accelerometers according to the present invention, wherein similar or equivalent elements to those shown in Fig. 17 are designated by the same reference numerals. In the embodiment of Fig. 10, the second additional metal film 11 is provided on the back surface of the mass portion 5 in addition to the first additional metal film 7 in the same manner as in the embodiment shown in Fig. 3.
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise aufgebrochen ist, von einem dritten Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Kapazitanztyp, das vier Halbleiter-Beschleunigungsmessereinheiten umfaßt, die einstückig zum Erfassen dreidimensionaler Beschleunigung gebildet sind, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie in Fig. 9 durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, undFig. 11 is a perspective view, partially broken away, of a third embodiment of capacitance type semiconductor accelerometers comprising four semiconductor accelerometer units integrally formed for detecting three-dimensional acceleration, wherein the same or equivalent elements as in Fig. 9 are designated by the same reference numerals, and
wobei die obere Glasplatte 9 entfernt ist zur klaren Veranschaulichung der Struktur.the upper glass plate 9 is removed for a clear illustration of the structure.
Fig. 12 ist eine Signalverarbeitungsschaltung 50 der Signale &phgr;1 bis &phgr;4 von dem Halbleiter-Beschleunigungsmesser vom Kapazitanztyp, der in Fig. 11 gezeigt ist, und der vier Halbleiter-Beschleunigungsmessereinheiten C1, C2, C3 und C4 hat zum Bestimmen dreidimensionaler Beschleunigungen V1, V2 und V3 in x-, y-, z-Richtungen. Die Signalverarbeitungsschaltung 50 ist eine gewöhnliche, die eine AC-Erfassungs-Einheit 51 umfaßt, eine verstärkende Einheit 52, eine PWM-Einheit 53, eine Verarbeitungs- und Ausgabe-Einheit 54, einen Oszillator 55 und einen Takterzeuger, der Taktsignale ^1 bis §5 zum Phasenverschieben der Erfassungssignale &phgr;&igr; bis &phgr;4 von den jeweiligen Halbleiter-Beschleunigungsmessern C1 bis C4 erzeugt. Fig. 12 is a signal processing circuit 50 of the signals φ 1 to φ 4 from the capacitance type semiconductor accelerometer shown in Fig. 11 and having four semiconductor accelerometer units C 1 , C 2 , C 3 and C 4 for determining three-dimensional accelerations V 1 , V 2 and V 3 in x, y, z directions. The signal processing circuit 50 is a usual one which includes an AC detection unit 51, an amplifying unit 52, a PWM unit 53, a processing and output unit 54, an oscillator 55 and a clock generator which generates clock signals φ 1 to φ 5 for phase shifting the detection signals φ 1 to φ 4 from the respective semiconductor accelerometers C 1 to C 4 .
Fig. 13 ist eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispieles von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie in Fig. 1 und Fig. 2 durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 13 ist ein Paar von kommunizierenden Löchern 14 auf dem Membranabschnitt 6 an beiden Seiten der Dehnungsmeßstreifen 21 und 23 vom Diffusionstyp bereitgestellt zum Erlauben einer Kommunikation zwischen den oberen und unteren Räumen, die durch die Membran 6 und den Massenabschnitt 5 getrennt sind, um eine Bewegung des Gewichtes, das in Kombination des Massenabschnittes 5 und des zusätzlichen Metallfilmes 7 in Antwort auf darauf wirkende Beschleunigungen gebildet ist, zu verbessern.Fig. 13 is a plan view of a fourth embodiment of piezo-resistive type semiconductor accelerometers according to the present invention, wherein the same or equivalent elements as in Fig. 1 and Fig. 2 are designated by the same reference numerals. In the embodiment of Fig. 13, a pair of communicating holes 14 are provided on the diaphragm portion 6 on both sides of the diffusion type strain gauges 21 and 23 for allowing communication between the upper and lower spaces separated by the diaphragm 6 and the mass portion 5 to enhance movement of the weight formed in combination of the mass portion 5 and the additional metal film 7 in response to accelerations acting thereon.
Der Ort und die Konfiguration der Kommunikationslöcher 14 sind nicht begrenzt auf die, die in Fig. 13 veranschaulicht sind, sondern alle OrteThe location and configuration of the communication holes 14 are not limited to those illustrated in Fig. 13, but any locations
und Konfigurationen können hergenommen werden, wenn dies nicht eine ausbalancierte Bewegung des Gewichtes in Reaktion auf darauf wirkende Beschleunigungen stört.and configurations can be used if this does not disturb a balanced movement of the weight in response to accelerations acting on it.
Fig. 14 zeigt eine Draufsicht eines fünften Ausführungsbeispieles von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie in Fig. 1 und 2 durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 14 sind verstärkende Abschnitte 15, die eine erhöhte Dicke haben, bereitgestellt über den Membranabschnitt 6 an Positionen, wo die Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 vom Diffusionstyp gebildet sind, wodurch die mechanische Festigkeit des Membranabschnittes 6 verstärkt wird im Falle, daß die Dicke des Membranabschnittes 6 reduziert ist.Fig. 14 is a plan view of a fifth embodiment of piezo-resistive type semiconductor accelerometers according to the present invention, wherein the same or equivalent elements as in Figs. 1 and 2 are designated by the same reference numerals. In the embodiment of Fig. 14, reinforcing portions 15 having an increased thickness are provided across the diaphragm portion 6 at positions where the diffusion type strain gauges 21 to 24 are formed, thereby reinforcing the mechanical strength of the diaphragm portion 6 in case the thickness of the diaphragm portion 6 is reduced.
Fig. 15 und Fig. 16 sind Graphen zum Erklären einer Verbesserung von Nicht-Linearitäts-Fehlern durch die vorliegende Erfindung.Fig. 15 and Fig. 16 are graphs for explaining an improvement of non-linearity errors by the present invention.
Fig. 15 zeigt einen Nicht-Linearitäts-Fehler eines Halbleiter-Beschleunigungsmessers ohne zusätzlichen Metallfilm, wie schematisch in dem Graph veranschaulicht, wenn der schematisch veranschaulichte Halbleiter-Beschleunigungsmesser in Uhrzeigersinnrichtung rotiert wird, dann in Gegenuhrzeigersinnrichtung zurückgedreht wird, wie durch Pfeile angezeigt, um die Beschleunigungskomponenten Fp(G) in der Erfassungsachse zu variieren. Wie von dem Graph zu sehen, wird ein vergleichsweise großer Nicht-Linearitäts-Fehler beobachtet.Fig. 15 shows a non-linearity error of a semiconductor accelerometer without additional metal film as schematically illustrated in the graph when the schematically illustrated semiconductor accelerometer is rotated in a clockwise direction, then rotated back in a counterclockwise direction as indicated by arrows, to vary the acceleration components Fp(G) in the sensing axis. As can be seen from the graph, a comparatively large non-linearity error is observed.
Fig. 16 zeigt einen Nicht-Linearitäts-Fehler eines Halbleiter-Beschleunigungsmessers mit einem zusätzlichen Metallfilm 7 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie schematisch in dem Graph veranschaulicht, wenn derFig. 16 shows a non-linearity error of a semiconductor accelerometer with an additional metal film 7 according to the present invention, as schematically illustrated in the graph when the
schematisch veranschaulichte Halbleiter-Beschleunigungsmesser in Uhrzeigersinnrichtung rotiert wird, dann in Gegenuhrzeigersinnrichtung zurückgedreht wird, wie durch Pfeile angezeigt, um die Beschleunigungskomponenten Fp(G) in der Erfassungsachse zu variieren. Wie von dem Graph zu sehen, ist der Nicht-Linearitäts-Fehler im wesentlichen eliminiert.schematically illustrated semiconductor accelerometer is rotated clockwise, then rotated back counterclockwise as indicated by arrows to vary the acceleration components Fp(G) in the sensing axis. As can be seen from the graph, the non-linearity error is essentially eliminated.
Bei den Ausführungsbeispielen, die in Fig. 9, Fig. 10 und Fig. 11 gezeigt sind, werden die oberen und unteren Glasplatten 4 und 9 benutzt, jedoch können die Glasplatten 4 und 9 durch Siliziumplatten ersetzt &iacgr;&ogr; werden.In the embodiments shown in Fig. 9, Fig. 10 and Fig. 11, the upper and lower glass plates 4 and 9 are used, but the glass plates 4 and 9 may be replaced by silicon plates.
Gemäß dem hier erklärten Halbleiter-Beschleunigungsmesser kann eine Nullpunkt-Einstellung der Erfassungssignale, die von diesem ausgegeben werden, einfach durchgeführt werden und die Beschleunigungserfassungsgenauigkeit ist verbessert, da der Schwerpunkt des Gewichtes, das durch Kombination des Massenabschnittes und des zusätzlichen Metallfilmes gebildet ist, so gestaltet sein kann, daß er sich in einem Bereich des Massenabschnittes befindet. Dieser ist durch eine Ausdehnung des Membranabschnittes oder des Auslegerabschnittes festgelegt und besitzt eine Tiefe, die der Dicke des Membranabschnittes oder des Auslegerabschnittes entspricht.According to the semiconductor accelerometer explained here, since the center of gravity of the weight formed by combining the mass portion and the additional metal film can be designed to be located in a region of the mass portion defined by an extension of the diaphragm portion or the cantilever portion and having a depth corresponding to the thickness of the diaphragm portion or the cantilever portion, zero-point adjustment of the detection signals outputted therefrom can be easily performed and acceleration detection accuracy is improved.
Da die Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung Beschleunigung erfassen können im Bereich von einer geringen Beschleunigung, die benutzt wird für eine Motorfahrzeug-Karosseriesteuerung, bis zu einer Beschleunigung von ungefähr lOOG können die Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert werden mit einem Luftsack-Steuerungssystem genauso wie mit einem Fahrzeugkarosserie-Steuerungssystem in einem Motorfahrzeug bei einer hohen Genauigkeit.Since the semiconductor accelerometers according to the present invention can detect acceleration in the range from a low acceleration used for a motor vehicle body control to an acceleration of about 100G, the semiconductor accelerometers according to the present invention can be combined with an air bag control system as well as with a vehicle body control system in a motor vehicle with high accuracy.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Halbleiter-Beschleunigungsmesser, die eine kleine Nicht-Iinearitätsausgabe und eine hohe Empfindlichkeit haben, was zur Massenproduktion geeignet ist, erhalten.According to the present invention, semiconductor accelerometers having a small nonlinearity output and high sensitivity, suitable for mass production, are obtained.
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