DE4426590C2 - Capacitive semiconductor acceleration sensor - Google Patents
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Description
Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen mikro miniaturisierten, kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssen sor, der zum Beispiel einen Beschleunigungszustand oder einen Rüttelzustand eines Automobils feststellt und das de tektierte Signal verarbeitet, so daß es in verschiedenen Steuerungen verwendet werden kann.The present invention relates to a micro miniaturized, capacitive semiconductor accelerometers sensor, for example an acceleration state or detects a vibrating condition of an automobile and the de tectiert signal processed so that it in different Controls can be used.
Es gibt eine Technik, bei der eine Siliziumschicht, die zum Beispiel aus Polysilizium besteht, und eine Opfer schicht, die zum Beispiel aus PSG (Phosphorsilikatglas) be steht, so geformt sind, daß sie eine Vielfachschichtstruktur bilden, wobei die Vielfachschichtstruktur durch eine Mikro bearbeitungstechnik bearbeitet wird und dann die Opfer schicht durch Flußsäure oder dergleichen entfernt wird. Hiernach wird diese Technik als "Mehrfachschicht-Mikrobear beitungstechnik" bezeichnet. Ein mikrominiaturisierter, kapazitiver Halbleiter-Beschleunigungssensor wurde unter Verwendung einer solchen Technik entwickelt.There is a technique where a silicon layer that for example made of polysilicon, and a victim layer, for example made of PSG (phosphorus silicate glass) stands, are shaped so that they have a multilayer structure form, the multilayer structure by a micro processing technology is processed and then the victims layer is removed by hydrofluoric acid or the like. Hereafter this technique is called "multilayer microbear beitungstechnik ". A microminiaturized, capacitive semiconductor acceleration sensor was under Developed using such a technique.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Bei spiel eines herkömmlichen kapazitiven Halbleiter-Beschleuni gungssensors zeigt, der nach firmeninternem Stand der Technik unter Verwendung der Vielfach schicht-Mikrobearbeitungstechnik hergestellt wurde. Der Sen sor umfaßt: ein Halbleitersubstrat 1; einen Träger 21, der aus Polysilizium besteht und über einer isolierenden Schicht 1A aus Siliziumoxyd oder dergleichen auf der oberen Oberflä che des Halbleitersubstrats angeordnet ist; Balken 22A und 22B, von denen jeder ein Ende senkrecht mit dem Träger 21 verbunden hat und die sich parallel zueinander erstrecken und die dieselbe Länge besitzen; eine bewegliche Elektrode 23, die mit den anderen Enden der Balken 22A und 22B verbun den ist und die sich horizontal erstreckt; eine stationäre Elektrode 31, die über der isolierenden Schicht 1A auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 angeordnet ist, so daß sie von der unteren Oberfläche der beweglichen Elektrode 23 durch einen vorgegebenen Abstand getrennt ist; Träger 42A und 42B, die über der isolierenden Schicht 1A auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 angeordnet sind; und eine stationäre Elektrode 41, die an der Peripherie mit den Trä gern 42A und 42B verbunden ist und die derart angeordnet ist, daß sie von der oberen Oberfläche der beweglichen Elek trode 23 durch einen vorgegebenen Abstand getrennt ist. Ein Anschluß M wird von der beweglichen Elektrode 23 über die Balken 22A und 22B und den Träger 21 herausgezogen, ein An schluß S1 wird von der stationären Elektrode 31 und ein An schluß S2 wird von der stationären Elektrode 41 über den Träger 42B herausgezogen. Fig. 5 is a perspective view showing an example of a conventional capacitive semiconductor acceleration sensor which has been manufactured according to the in-house prior art using the multi-layer micromachining technique. The sensor comprises: a semiconductor substrate 1 ; a carrier 21 , which consists of polysilicon and is arranged over an insulating layer 1 A of silicon oxide or the like on the upper surface of the semiconductor substrate; Beams 22 A and 22 B, each of which has one end connected perpendicularly to the support 21 and which extend parallel to one another and which have the same length; a movable electrode 23 which is connected to the other ends of the beams 22 A and 22 B and which extends horizontally; a stationary electrode 31 which is disposed over the insulating layer 1 A on the upper surface of the silicon substrate 1, so that it is separated from the lower surface of the movable electrode 23 by a predetermined distance; Carriers 42 A and 42 B, which are arranged over the insulating layer 1 A on the upper surface of the silicon substrate 1 ; and a stationary electrode 41 which is connected at the periphery to the supports 42 A and 42 B and which is arranged so as to be separated from the upper surface of the movable electrode 23 by a predetermined distance. A terminal M is pulled out of the movable electrode 23 via the beams 22 A and 22 B and the support 21 , a connection S 1 is made from the stationary electrode 31 and a connection S 2 is connected from the stationary electrode 41 via the support 42 B pulled out.
Das Polysilizium ist mit einer Verunreinigung dotiert, so daß der spezifische Widerstand auf zum Beispiel 1 Ωcm re duziert wird, oder das Polysilizium ist leitfähig. Es ist klar, daß einkristallines Silizium, das mit einer Verunrei nigung dotiert ist, so daß es leitfähig ist, anstelle des Polysiliziums verwendet werden kann. Jedoch kann ein Sensor, der Polysilizium verwendet, mit geringeren Kosten produziert werden als ein Sensor, der einkristallines Silizium verwen det (das gilt auch für die hiernach beschriebenen Sensoren).The polysilicon is doped with an impurity so that the specific resistance is, for example, 1 Ωcm re is induced, or the polysilicon is conductive. It is clear that single-crystal silicon that has an impurity is doped so that it is conductive instead of Polysilicon can be used. However, a sensor The polysilicon used is produced at a lower cost are used as a sensor that uses single crystal silicon det (this also applies to the sensors described below).
Der kapazitive Halbleiter-Beschleunigungssensor arbeitet auf die folgende Weise: Wenn eine Beschleunigung in der ver tikalen Richtung auf die bewegliche Elektrode 23 wirkt, er fährt die bewegliche Elektrode 23 eine Kraft in der vertika len Richtung, so daß die Balken 22A und 22B gebogen werden, während ihre mit dem Träger 21 verbundenen Enden als Hebel punkte dienen, wodurch die bewegliche Elektrode in eine der Richtungen des Pfeils P gedreht wird. Zum Beispiel bewirkt die Rotation der beweglichen Elektrode 23, daß der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode 31 verringert wird, wodurch die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden erhöht wird, während im Gegensatz dazu der Abstand zwischen der beweglichen Elek trode 23 und der stationären Elektrode 41 erhöht wird, wo durch die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden verringert wird. Die Werte dieser elektrostatischen Kapazi täten werden jeweils durch die Anschlüsse M und S1 bezie hungsweise M und S2 erhalten und dann einer Signalverarbei tung durch einen Differenzverstärker oder dergleichen unter worfen, wodurch die angelegte Beschleunigung gemessen wird. The capacitive semiconductor acceleration sensor works in the following manner: When acceleration in the vertical direction acts on the movable electrode 23 , it travels the movable electrode 23 in the vertical direction so that the beams 22 A and 22 B are bent are, while their ends connected to the carrier 21 serve as lever points, whereby the movable electrode is rotated in one of the directions of the arrow P. For example, the rotation of the movable electrode 23 causes the distance between the movable electrode 23 and the stationary electrode 31 to be reduced, thereby increasing the electrostatic capacity between the electrodes, while, in contrast, the distance between the movable electrode 23 and the stationary electrode 41 is increased, where it is reduced by the electrostatic capacity between the electrodes. The values of these electrostatic capacitances are obtained through the terminals M and S 1 and M and S 2 , respectively, and then subjected to signal processing by a differential amplifier or the like, whereby the applied acceleration is measured.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein wei teres Beispiel eines herkömmlichen, kapazitiven Halbleiter- Beschleunigungssensors zeigt, der auf ähnliche Weise unter Verwendung der Vielfachschicht-Mikrobearbeitungstechnik her gestellt wurde. Ein solcher Sensor ist aus "A new sense element technology for accelerometer subsystems", Seite 93-96, 1991, IEEE bekannt. Der Sensor umfaßt: ein Halbleitersubstrat 1; einen Träger 21, der aus Polysilizium besteht und über einer isolierenden Schicht 1A aus Siliziumoxyd oder dergleichen auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist; einen Balken 24A, von dem ein Ende mit dem Träger 21 verbunden ist und der sich horizontal erstreckt; einen Bal ken 24B, von dem ein Ende mit dem Träger 21 verbunden ist, der dieselbe Länge wie der Balken 24A besitzt und der sich in die entgegengesetzte Richtung erstreckt; und eine beweg liche Elektrode 23, die sich horizontal erstreckt. Die be wegliche Elektrode 23 besitzt ein rechteckiges Fenster, das in eine seitliche Richtung, zum Beispiel nach rechts, aus dem Schwerpunkt der Elektrode verschoben ist. Die anderen Enden der Balken 24A und 24B sind jeweils mit den Seiten des Fensters verbunden, die sich in der longitudinalen Richtung des Fensters befinden. Der Sensor umfaßt weiterhin: eine stationäre Elektrode 31, die über der isolierenden Schicht 1A auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 ange ordnet ist, so daß sie von einem Seitenbereich der unteren Oberfläche der beweglichen Elektrode 23 bezüglich der Balken 24A und 24B (in Fig. 6 der linke Bereich der unteren Ober fläche) durch einen vorgegebenen Abstand getrennt ist; und eine stationäre Elektrode 41, die über der isolierenden Schicht 1A auf der oberen Oberfläche des Substrats derart angeordnet ist, daß sie von dem anderen Bereich der unteren Oberfläche der beweglichen Elektrode 23 (also dem rechten Bereich der unteren Oberfläche) durch einen vorgegebenen Ab stand getrennt ist. Ein Anschluß M wird von der beweglichen Elektrode 23 über den Balken 24A (24B) und den Träger 21 herausgezogen, ein Anschluß S1 wird von der stationären Elektrode 31 und ein Anschluß S2 wird von der stationären Elektrode 41 herausgezogen. Fig. 6 is a perspective view showing another example of a conventional capacitance type semiconductor acceleration sensor similarly manufactured using the multi-layer micromachining technique. Such a sensor is known from "A new sense element technology for accelerometer subsystems", page 93-96, 1991, IEEE. The sensor comprises: a semiconductor substrate 1 ; a support 21 made of polysilicon and an insulating layer of silicon oxide or the like A 1 on the upper surface of the semiconductor substrate is arranged; a beam 24 A, one end of which is connected to the beam 21 and which extends horizontally; a Bal ken 24 B, one end of which is connected to the carrier 21, which has the same length as the beam 24 A and which extends in the opposite direction; and a movable electrode 23 which extends horizontally. The movable electrode 23 has a rectangular window which is displaced in a lateral direction, for example to the right, from the center of gravity of the electrode. The other ends of the beams 24 A and 24 B are connected to the sides of the window, respectively, which are in the longitudinal direction of the window. The sensor further comprises: a stationary electrode 31 which is over the insulating layer 1 A on the upper surface of the silicon substrate 1 arranged so that it with respect of a side portion of the lower surface of the movable electrode 23 of the bars 24 A and 24 B ( the lower top surface) is separated by a predetermined distance in the left portion of Figure 6. and a stationary electrode 41 which is disposed over the insulating layer 1 A on the upper surface of the substrate such that they 23 stand from the other region of the lower surface of the movable electrode (that is, the right area of the lower surface) by a predetermined Ab is separated. A connector M is pulled out from the movable electrode 23 via the beam 24 A ( 24 B) and the carrier 21 , a connector S 1 is pulled out from the stationary electrode 31 and a connector S 2 is pulled out from the stationary electrode 41 .
Der kapazitive Halbleiter-Beschleunigungssensor arbeitet auf die folgende Weise: Wenn eine Beschleunigung in der ver tikalen Richtung auf die bewegliche Elektrode 23 wirkt, er fahren die rechten und linken Bereiche der beweglichen Elek trode 23 jeweils Kräfte in der vertikalen Richtung. Da der linke Bereich schwerer ist als der rechte Bereich, werden die Balken 24A und 24B gedreht, während ihre mit dem Träger 21 verbundenen Enden als Hebelpunkte dienen, wodurch die be wegliche Elektrode 23 in eine der Richtungen der Pfeile Q gedreht wird. Zum Beispiel bewirkt die Rotation der bewegli chen Elektrode 23, daß der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode 31 verringert wird, wodurch die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden erhöht wird, während im Gegensatz dazu der Ab stand zwischen der beweglichen Elektrode 23 und der statio nären Elektrode 41 erhöht wird, wodurch die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden verringert wird. Die Werte dieser elektrostatischen Kapazitäten werden jeweils durch die Anschlüsse M und S1 beziehungsweise M und S2 erhalten und dann einer Signalverarbeitung durch einen Differenzver stärker oder dergleichen unterworfen, wodurch die angelegte Beschleunigung gemessen wird.The capacitive semiconductor acceleration sensor operates in the following manner: When an acceleration acts in the ver tical direction to the movable electrode 23, he drive the right and left portions of the movable Elec trode 23 are forces in the vertical direction. Since the left area is heavier than the right area, the beams 24 A and 24 B are rotated while their ends connected to the bracket 21 serve as fulcrums, whereby the movable electrode 23 is rotated in one of the directions of the arrows Q. For example, causes the rotation of the bewegli chen electrode 23 that the distance between the movable electrode 23 and the stationary electrode 31 is decreased, so that the electrostatic capacitance is increased between the electrodes, while in contrast, the Ab was between the movable electrode 23 and of the stationary electrode 41 is increased, thereby reducing the electrostatic capacity between the electrodes. The values of these electrostatic capacitances are obtained through the connections M and S 1 or M and S 2 , respectively, and then subjected to signal processing by a differential amplifier or the like, whereby the applied acceleration is measured.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein wei teres Beispiel eines herkömmlichen, kapazitiven Halbleiter- Beschleunigungssensors zeigt, der auf ähnliche Weise unter Verwendung der Vielfachschicht-Mikrobearbeitungstechnik her gestellt wurde. Ein solcher Sensor ist aus "Air bag impact sensing", Seite 11-13, Automotive Engineering, April 1993 bekannt. Der Sensor umfaßt: ein Halbleitersubstrat 1; Träger 21A und 21, die jeweils aus Polysilizium bestehen und über einer isolierenden Schicht 1A aus Siliziumoxyd oder dergleichen auf der oberen Oberfläche des Halbleitersub strats angeordnet sind; Balken 24A und 24, von denen jeweils ein Ende mit den Trägern 21A und 21B verbunden ist und die sich horizontal erstrecken; eine bewegliche Elektrode 23, die zwischen den anderen Enden der Balken 24A und 24B ange ordnet ist und die sich horizontal erstreckt; eine statio näre Elektrode 31, die über der isolierenden Schicht 1A auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 angeordnet ist, so daß sie von einem Seitenbereich der unteren Oberflä che der beweglichen Elektrode 23 bezüglich der Balken 24A und 24B (in Fig. 7 der hintere Bereich der unteren Oberflä che) durch einen vorgegebenen Abstand getrennt ist; und eine stationäre Elektrode 41, die über der isolierenden Schicht 1A auf der oberen Oberfläche des Substrats derart angeordnet ist, daß sie von dem anderen Bereich der unteren Oberfläche der beweglichen Elektrode 23 (also dem vorderen Bereich der unteren Oberfläche) durch einen vorgegebenen Abstand ge trennt ist. Ein Anschluß M wird von der beweglichen Elek trode 23 über den Balken 24A und den Träger 21A herausgezo gen, ein Anschluß S1 wird von der stationären Elektrode 31 und ein Anschluß S2 wird von der stationären Elektrode 41 herausgezogen. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet ein mit dem hinteren Bereich der beweglichen Elektrode 23 verbundenes Gewicht. FIG. 7 is a perspective view showing another example of a conventional semiconductor capacitive acceleration sensor similarly manufactured using the multi-layer micromachining technique. Such a sensor is known from "Air bag impact sensing", page 11-13, Automotive Engineering, April 1993. The sensor comprises: a semiconductor substrate 1 ; Carrier 21 A and 21 , each made of polysilicon and arranged over an insulating layer 1 A of silicon oxide or the like on the upper surface of the semiconductor substrate; Beams 24 A and 24 , one end of which is connected to the beams 21 A and 21 B and which extend horizontally; a movable electrode 23 which is arranged between the other ends of the beams 24 A and 24 B and which extends horizontally; a statio nary electrode 31 , which is arranged over the insulating layer 1 A on the upper surface of the silicon substrate 1 , so that it from a side region of the lower surface of the movable electrode 23 with respect to the beams 24 A and 24 B (in Fig. 7 the rear area of the lower surface is separated by a predetermined distance; and a stationary electrode 41 which is disposed over the insulating layer 1 A on the upper surface of the substrate such that they open from the other region of the lower surface of the movable electrode 23 (ie the front portion of the lower surface) by a predetermined distance separates. A terminal M is pulled out from the movable electrode 23 via the beam 24 A and the carrier 21 A, a terminal S 1 is pulled out from the stationary electrode 31 and a terminal S 2 is pulled out from the stationary electrode 41 . Reference numeral 25 denotes a weight connected to the rear portion of the movable electrode 23 .
Der kapazitive Halbleiter-Beschleunigungssensor arbeitet auf die folgende Weise: Wenn eine Beschleunigung in der ver tikalen Richtung auf die bewegliche Elektrode 23 wirkt, er fahren die hinteren und vorderen Bereiche der beweglichen Elektrode 23 jeweils Kräfte in der vertikalen Richtung. Da der hintere Bereich schwerer ist als der vordere Bereich, werden die Balken 24A und 24B gedreht, während ihre mit den Trägern 21A und 21B verbundenen Enden als Hebelpunkte die nen, wodurch die bewegliche Elektrode 23 in eine der Rich tungen der Pfeile R gedreht wird. Zum Beispiel bewirkt die Rotation der beweglichen Elektrode 23, daß der Abstand zwi schen der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elek trode 31 verringert wird, wodurch die elektrostatische Kapa zität zwischen den Elektroden erhöht wird, während im Gegen satz dazu der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode 41 erhöht wird, wodurch die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden verrin gert wird. Die Werte dieser elektrostatischen Kapazitäten werden jeweils durch die Anschlüsse M und S1 beziehungsweise M und S2 erhalten und dann einer Signalverarbeitung durch einen Differenzverstärker oder dergleichen unterworfen, wo durch die angelegte Beschleunigung gemessen wird. The capacitive semiconductor acceleration sensor operates in the following manner: When an acceleration acts in the ver tical direction to the movable electrode 23, he drive the rear and front portions of the movable electrode 23 are forces in the vertical direction. Since the rear area is heavier than the front area, the beams 24 A and 24 B are rotated, while their ends connected to the supports 21 A and 21 B serve as lever points, thereby moving the movable electrode 23 in one of the directions of the arrows R is rotated. For example, the rotation of the movable electrode 23 causes the distance between the movable electrode 23 and the stationary electrode 31 to be reduced, thereby increasing the electrostatic capacity between the electrodes while, in contrast, the distance between the movable electrode 23 and the stationary electrode 41 is increased, whereby the electrostatic capacity between the electrodes is reduced. The values of these electrostatic capacitances are obtained in each case through the connections M and S 1 or M and S 2 and then subjected to signal processing by a differential amplifier or the like, where measurement is carried out by the applied acceleration.
Die Fig. 8A und 88 zeigen ein weiteres Beispiel eines herkömmlichen, kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssen sors, der auf ähnliche Weise unter Verwendung der Vielfach schicht-Mikrobearbeitungstechnik hergestellt wurde. Ein solcher Sensor ist aus "Micromachined Sensors for Automative Applications", Seite 54-63, SENSORS, September 1991 bekannt. Fig. 8A ist eine perspektivische Ansicht, und Fig. 8B ist ein Quer schnitt entlang der Linie C-C der Fig. 8A. Der Sensor um faßt: ein Halbleitersubstrat 1; Träger 21A bis 21D, die aus Polysilizium bestehen und über einer isolierenden Schicht 1A aus Siliziumoxyd oder dergleichen auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sind, so daß sie sich an Positionen befinden, die den Ecken eines Vierecks entspre chen; Balken 22A bis 22B, von denen jeweils ein Ende mit den Trägern 21A bis 21D verbunden ist und die miteinander über einstimmen, wenn die Balken um 90° gedreht werden, und die sich in die diagonalen Richtungen des Vierecks erstrecken; eine bewegliche Elektrode 23, die mit den anderen Enden der Balken 22A bis 22D verbunden ist; eine stationäre Elektrode 31, die über der isolierenden Schicht 1A auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 angeordnet ist, so daß sie von der unteren Oberfläche der beweglichen Elektrode 23 getrennt ist; Träger 42A und 42B, die über der isolierenden Schicht 1A auf der oberen Oberfläche des Substrats 1 ange ordnet sind; und eine stationäre Elektrode 41, die an der Peripherie mit den Trägern 42A und 42B verbunden ist, so daß sie von einem Bereich der oberen Oberfläche der beweglichen Elektrode 23 (in den Fig. 8A und 8B der linke Bereich der oberen Oberfläche) durch einen vorgegebenen Abstand getrennt ist. Ein Anschluß M wird von der beweglichen Elektrode 23 über den Balken 22 über den Träger 21B herausgezogen, ein Anschluß S1 wird von der stationären Elektrode 31 und ein Anschluß S2 wird von der stationären Elektrode 41 über den Träger 42A herausgezogen. FIGS. 8A and 88 show another example of a conventional capacitive semiconductor Beschleunigungssen sors, which in a similar manner using the multi-layer micro-machining technology was prepared. Such a sensor is known from "Micromachined Sensors for Automative Applications", page 54-63, SENSORS, September 1991. Fig. 8A is a perspective view, and Fig. 8B is a cross section along the line CC of Fig. 8A. The sensor comprises: a semiconductor substrate 1 ; Carriers 21 A to 21 D, which are made of polysilicon and are arranged over an insulating layer 1 A of silicon oxide or the like on the upper surface of the semiconductor substrate, so that they are in positions that correspond to the corners of a square; Beams 22 A to 22 B, one end of which is connected to the beams 21 A to 21 D and which coincide with each other when the beams are rotated 90 ° and which extend in the diagonal directions of the square; a movable electrode 23 connected to the other ends of the beams 22A to 22D ; a stationary electrode 31 which is disposed over the insulating layer 1 A on the upper surface of the silicon substrate 1 so that it is separated from the lower surface of the movable electrode 23; Carrier 42 A and 42 B, which are arranged above the insulating layer 1 A on the upper surface of the substrate 1 ; and a stationary electrode 41 which is peripherally connected to the brackets 42A and 42B so as to pass from a portion of the upper surface of the movable electrode 23 (the left portion of the upper surface in Figs. 8A and 8B) is separated by a predetermined distance. A terminal M is pulled out from the movable electrode 23 via the beam 22 via the carrier 21 B, a terminal S 1 is pulled out from the stationary electrode 31 and a terminal S 2 is pulled out from the stationary electrode 41 via the carrier 42 A.
Der kapazitive Halbleiter-Beschleunigungssensor arbeitet auf die folgende Weise: Wenn eine Beschleunigung in der ver tikalen Richtung auf die bewegliche Elektrode 23 wirkt, er fährt die bewegliche Elektrode 23 eine Kraft in der vertika len Richtung, so daß sie vertikal bewegt wird. Zum Beispiel bewirkt die vertikale Bewegung der beweglichen Elektrode 23, daß der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode 31 verringert wird, wodurch die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden erhöht wird, während im Gegensatz dazu der Abstand zwischen der be weglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode 41 er höht wird, wodurch die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden verringert wird. Die Werte dieser elektrosta tischen Kapazitäten werden jeweils durch die Anschlüsse M und S1 beziehungsweise M und S2 erhalten und dann einer Si gnalverarbeitung durch einen Differenzverstärker oder der gleichen unterworfen, wodurch die angelegte Beschleunigung gemessen wird.The capacitive semiconductor acceleration sensor operates in the following manner: When acceleration in the vertical direction acts on the movable electrode 23 , it moves the movable electrode 23 in the vertical direction so that it is moved vertically. For example, the vertical movement of the movable electrode 23 causes the distance between the movable electrode 23 and the stationary electrode 31 to be reduced, thereby increasing the electrostatic capacity between the electrodes, while, in contrast, the distance between the movable electrode 23 and of the stationary electrode 41 is increased, whereby the electrostatic capacity between the electrodes is reduced. The values of these electrostatic capacitances are obtained through the connections M and S 1 or M and S 2 , respectively, and then subjected to signal processing by a differential amplifier or the like, whereby the applied acceleration is measured.
In den in den Fig. 5 bis 7 gezeigten, kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensoren wird, wenn eine Beschleu nigung wirkt, die bewegliche Elektrode bezüglich den statio nären Elektroden gedreht, und die Änderungen der Elektroden abstände, die durch die Rotation der beweglichen Elektrode verursacht werden, werden als Änderungen elektrostatischer Kapazitäten festgestellt. Der Betrag der Rotation der beweg lichen Elektrode ist nicht proportional der Änderung des Elektrodenabstands, wodurch insofern ein Problem entsteht, als daß die Ausgangscharakteristik des Detektors nicht li near ist. In dem in den Fig. 8A und 8B gezeigten, kapazi tiven Halbleiter-Beschleunigungssensor wird, wenn eine Be schleunigung wirkt, die bewegliche Elektrode vertikal bezüg lich der stationären Elektrode bewegt, und die durch die vertikale Bewegung der beweglichen Elektrode verursachten Änderungen der Elektrodenabstände werden als Änderungen der elektrostatischen Kapazitäten festgestellt. Der Betrag der vertikalen Bewegung der beweglichen Elektrode ist proportio nal zu jeder Änderung des Elektrodenabstands, so daß der De tektorausgang eine lineare Charakteristik zeigt. Da die be wegliche Elektrode jedoch von vier kurzen Balken getragen wird, besteht insofern ein Problem, als der Betrag der ver tikalen Bewegung der beweglichen Elektrode so klein ist, daß die Detektionsempfindlichkeit gering ist (wenn die Balken verlängert werden, was sie müßten, um dieses Problem zu lö sen, wird die Größe der Vorrichtung erhöht). Darüberhinaus besitzen in dem in den Fig. 8A und 8B gezeigten Halblei ter-Beschleunigungssensor die eine stationäre Elektrode (in den Fig. 8A und 8B mit 31 bezeichnet) und die andere sta tionäre Elektrode (in den Fig. 8A und 8B mit 41 bezeich net), die jeweils elektrostatische Kapazitäten erzeugen, die sich in entgegengesetzter Weise ändern, unterschiedliche Flächen, und somit sind die Werte (die Absolutwerte) der elektrostatischen Kapazitäten voneinander verschieden. Dies bewirkt, daß der Schaltkreis zur Signalverarbeitung, zum Beispiel der Differenzverstärker, kompliziert ist, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden.In the capacitive semiconductor acceleration sensors shown in FIGS . 5 to 7, when an acceleration acts, the movable electrode is rotated with respect to the stationary electrodes, and the changes in the electrodes are caused by the rotation of the movable electrode, are detected as changes in electrostatic capacities. The amount of rotation of the movable electrode is not proportional to the change in the electrode spacing, causing a problem in that the output characteristic of the detector is not linear. In the capacitive semiconductor acceleration sensor shown in FIGS . 8A and 8B, when acceleration is applied, the movable electrode is moved vertically with respect to the stationary electrode, and the changes in the electrode spacing caused by the vertical movement of the movable electrode are considered as Changes in electrostatic capacities detected. The amount of vertical movement of the movable electrode is proportional to any change in the electrode spacing, so that the detector output shows a linear characteristic. However, since the movable electrode is carried by four short bars, there is a problem in that the amount of vertical movement of the movable electrode is so small that the detection sensitivity is low (if the bars are extended by what they would need to be) To solve the problem, the size of the device is increased). In addition, in the semiconductor acceleration sensor shown in Figs. 8A and 8B, which have a stationary electrode (designated 31 in Figs. 8A and 8B) and the other stationary electrode (designated 41 in Figs. 8A and 8B) ), each producing electrostatic capacities that change in opposite ways, different areas, and thus the values (the absolute values) of the electrostatic capacities are different from each other. This causes the signal processing circuit, for example, the differential amplifier, to be complicated, thereby increasing the manufacturing cost.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensor zur Verfügung zu stellen, der mit einer geringen Größe hergestellt werden kann und der eine hohe Detektionsempfindlichkeit besitzt und in dem die Detektorausgangscharakteristik linear ist. In ei nem Sensor, in dem sich die jeweiligen elektrostatischen Ka pazitäten in einer einander entgegengesetzten Weise ändern, sind darüberhinaus die eine stationäre Elektrode und die an dere stationäre Elektrode, die jeweils die elektrostatischen Kapazitäten erzeugen, die sich in einander entgegengesetzter Weise ändern, so geformt, daß sie im wesentlichen dieselbe Fläche besitzen.It is an object of the present invention to provide a capacitive semiconductor acceleration sensor available to be made that are made with a small size can and which has a high detection sensitivity and in which the detector output characteristic is linear. In egg nem sensor in which the respective electrostatic Ka change capacities in opposite ways, are also a stationary electrode and the on stationary electrode, each electrostatic Generate capacities that are opposed to each other Change way, shaped to be essentially the same Own area.
Diese und weitere Aufgaben werden durch den in den bei gefügten Patentansprüchen definierten kapazitiven Halblei ter-Beschleunigungssensor gelöst.These and other tasks are performed by the in the Patent claims defined capacitive half lead ter acceleration sensor solved.
Insbesondere umfaßt zum Lösen der obigen Aufgabe der ka pazitive Halbleiter-Beschleunigungssensor nach der vorlie genden Erfindung: ein Halbleitersubstrat; eine Mehrzahl von Trägern, die aus einem leitfähigen Halbleiter bestehen und über einer isolierenden Schicht auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sind, wobei die Träger an Positionen angeordnet sind, die den Ecken eines regelmäßigen Vielecks entsprechen; Balken, die jeweils an einem Ende mit den Trägern verbunden sind und die sich entlang von Seiten des regelmäßigen Vielecks erstrecken, wobei die Balken mit einander übereinstimmen, wenn sie durch eine Drehbewegung bewegt werden; eine bewegliche Elektrode, die durch einen vorgegebenen Abstand von den Balken getrennt angeordnet ist, wobei die Elektrode die Form des regelmäßigen Vielecks be sitzt; Verbinder, die die bewegliche Elektrode jeweils mit den anderen Enden der Balken verbinden; und eine stationäre Elektrode, die über der isolierenden Schicht auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, wobei die stationäre Elektrode durch einen vorgegebenen Abstand von der unteren Oberfläche der beweglichen Elektrode getrennt ist.In particular, to achieve the above object, ka capacitive semiconductor acceleration sensor according to the present Invention: a semiconductor substrate; a plurality of Carriers consisting of a conductive semiconductor and over an insulating layer on an upper surface of the semiconductor substrate are arranged, wherein the carrier on Positions are arranged that meet the corners of a regular Polygons match; Bars, each at one end with the straps are connected and extending along sides of the regular polygon, the bars with match each other when they rotate be moved; a movable electrode, which is replaced by a predetermined distance from the bars is arranged separately the electrode being the shape of the regular polygon sits; Connector that each with the movable electrode connect the other ends of the beams; and a stationary Electrode over the insulating layer on the top Surface of the semiconductor substrate is arranged, wherein the stationary electrode by a predetermined distance of the lower surface of the movable electrode is.
Alternativ umfaßt der kapazitive Halbleiter-Beschleuni gungssensor: ein Halbleitersubstrat; eine Mehrzahl von Trä gern, die aus einem leitfähigen Halbleiter bestehen und über einer isolierenden Schicht auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sind, wobei die Träger an Po sitionen angeordnet sind, die den Ecken eines regelmäßigen Vielecks entsprechen; Balken, die jeweils an einem Ende mit den Trägern verbunden sind und die sich entlang von Seiten des regelmäßigen Vielecks erstrecken, wobei die Balken mit einander übereinstimmen, wenn sie durch eine Drehbewegung bewegt werden; eine bewegliche Elektrode, die durch einen vorgegebenen Abstand von den Balken getrennt angeordnet ist, wobei die Elektrode die Form des regelmäßigen Vielecks be sitzt; Verbinder, die die bewegliche Elektrode jeweils mit den anderen Enden der Balken verbinden; eine erste statio näre Elektrode, die über der isolierenden Schicht auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, wobei die stationäre Elektrode durch einen vorgegebenen Ab stand von der unteren Oberfläche der beweglichen Elektrode getrennt ist; eine Mehrzahl von Trägern, die über die iso lierende Schicht auf der oberen Oberfläche des Halbleiter substrats angeordnet sind; und eine zweite stationäre Elek trode, die an der Peripherie mit den Trägern verbunden ist und die durch einen vorgegebenen Abstand von der oberen Oberfläche der beweglichen Elektrode getrennt ist.Alternatively, the capacitive semiconductor accelerator comprises supply sensor: a semiconductor substrate; a plurality of tears like that consist of a conductive semiconductor and over an insulating layer on an upper surface of the Semiconductor substrates are arranged, the carrier at Po sitions are arranged, the corners of a regular Polygons match; Bars, each at one end with the straps are connected and extending along sides of the regular polygon, the bars with match each other when they rotate be moved; a movable electrode, which is replaced by a predetermined distance from the bars is arranged separately the electrode being the shape of the regular polygon sits; Connector that each with the movable electrode connect the other ends of the beams; a first station nary electrode, which over the insulating layer on the top surface of the semiconductor substrate is arranged, wherein the stationary electrode by a predetermined Ab stood from the bottom surface of the movable electrode is separated; a plurality of carriers that are above the iso layer on the upper surface of the semiconductor arranged substrate; and a second stationary elec trode, which is connected to the carriers at the periphery and by a predetermined distance from the top Surface of the movable electrode is separated.
Es weiterhin vorzuziehen, daß in den kapazitiven Halb leiter-Beschleunigungssensoren ein Metallfilm an der beweg lichen Elektrode angebracht ist.It is further preferred that in the capacitive half conductor acceleration sensors a metal film on the mov Lichen electrode is attached.
In dem kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensor nach der vorliegenden Erfindung besitzt die bewegliche Elektrode eine regelmäßige Vieleckform und wird an ihrer Peripherie von den vielfachen Balken, die jeweils parallel zu den Sei ten des regelmäßigen Vielecks angeordnet sind und von diesem durch einen vorgegeben Abstand getrennt sind, gleichmäßig gehalten. Wenn eine Beschleunigung in der vertikalen Rich tung wirkt, wird die bewegliche Elektrode vertikal bezüglich der stationären Elektrode bewegt. Die anderen Enden der Bal ken sind über Verbinder mit Endbereichen des regelmäßigen Vielecks der beweglichen Elektrode, die von den Trägern, mit denen die Enden der Balken verbunden sind, entfernt sind, verbunden, wodurch die Längen der Balken entsprechend der Länge der Seiten des regelmäßigen Vielecks verlängert werden können. Daher kann der erfindungsgemäße Sensor als ein kapa zitiver Halbleiter-Beschleunigungssensor konstruiert werden, der miniaturisiert ist, der eine hohe Detektionsempfindlich keit besitzt und bei dem die Ausgangscharakteristik linear ist.In the capacitive semiconductor acceleration sensor after of the present invention has the movable electrode a regular polygonal shape and is on its periphery from the multiple bars, each parallel to the be ten of the regular polygon are arranged and by this are separated by a predetermined distance, evenly held. If an acceleration in the vertical Rich tion, the movable electrode becomes vertical with respect the stationary electrode moves. The other ends of the bal ken are about connectors with end areas of the regular Polygons of the movable electrode, made by the carriers, with where the ends of the beams are connected are removed, connected, making the lengths of the bars corresponding to the Length of the sides of the regular polygon can be extended can. Therefore, the sensor according to the invention can be a kapa citative semiconductor acceleration sensor can be constructed, which is miniaturized, which is highly sensitive to detection speed and in which the output characteristic is linear is.
In einem Sensor, bei dem sich die elektrostatischen Ka pazitäten in einer einander entgegengesetzten Weise ändern, ist eine stationäre Elektrode so angeordnet, daß sie von der unteren Oberfläche der beweglichen Elektrode um einen vorge gebenen Abstand getrennt ist, und eine weitere stationäre Elektrode ist auf ähnliche Weise so angeordnet, daß sie von der Gesamtheit der oberen Oberfläche der beweglichen Elek trode um einen vorgegebenen Abstand getrennt ist. Folglich kann die Fläche der einen stationären Elektrode im wesentli chen gleich der der anderen stationären Elektrode gemacht werden.In a sensor in which the electrostatic Ka change capacities in opposite ways, is a stationary electrode arranged so that it from the lower surface of the movable electrode by a pre given distance is separated, and another stationary The electrode is similarly arranged to be from the entirety of the upper surface of the movable elec trode is separated by a predetermined distance. Hence can the area of a stationary electrode in essence Chen made the same as the other stationary electrode become.
Darüberhinaus ist in dem erfindungsgemäßen, kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensor die bewegliche Elektrode mit einem Gewicht versehen. Folglich wird der Bewegungsbe trag der beweglichen Elektrode aufgrund einer Beschleunigung erhöht, so daß die Detektionsempfindlichkeit weiter verbes sert wird.In addition, in the capacitive according to the invention Semiconductor acceleration sensor the movable electrode weighted. Consequently, the movement be wear of the movable electrode due to acceleration increased so that the detection sensitivity continues to improve sert.
Die Fig. 1A bis 1C zeigen ein erstes Ausführungsbei spiel des kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensors nach der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 1A eine Draufsicht, Fig. 1B ein Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1A, und Fig. 1C ein Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 1A ist. Figs. 1A to 1C show a first Ausführungsbei play of the capacitive semiconductor acceleration sensor according to the present invention, wherein Fig. 1A is a plan view, Fig. 1B is a cross section along the line AA of Fig. 1A and Fig. 1C is a cross section along the Line BB of Figure 1A.
Die Fig. 2A bis 2C zeigen ein weiteres Ausführungs beispiel des kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensors nach der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 2A eine Drauf sicht, Fig. 2B ein Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 2A, und Fig. 2C ein Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 2A ist. Figs. 2A to 2C show another execution example of the capacitive semiconductor acceleration sensor according to the present invention, wherein Fig. 2A view a plan, Fig. 2B is a cross section along the line AA of Fig. 2A, and Fig. 2C is a cross section taken along line BB of FIG. 2A.
Die Fig. 3A bis 3C zeigen ein drittes Ausführungsbei spiel des kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensors nach der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 3A eine Draufsicht, Fig. 3B ein Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 3A, und Fig. 3C ein Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 3A ist. Figs. 3A to 3C show a third Ausführungsbei play of the capacitive semiconductor acceleration sensor according to the present invention, wherein Fig. 3A is a plan view, Fig. 3B is a cross section along the line AA of Fig. 3A and Fig. 3C is a cross section along the Line BB of Figure 3A is.
Die Fig. 4A bis 4C zeigen ein viertes Ausführungsbei spiel des kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensors nach der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 4A eine Draufsicht, Fig. 4B ein Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 4A, und Fig. 4C ein Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 4A ist. FIGS. 4A to 4C show a fourth Ausführungsbei play of the capacitive semiconductor acceleration sensor according to the present invention, wherein Fig. 4A is a plan view, FIG. 4B is a cross section along the line AA of Fig. 4A, and Fig. 4C is a cross section along the Line BB of Figure 4A.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Bei spiel eines herkömmlichen, kapazitiven Halbleiter-Beschleu nigungssensors zeigt. Fig. 5 is a perspective view showing an example of a conventional capacitive semiconductor acceleration sensor.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein wei teres Beispiel eines herkömmlichen, kapazitiven Halbleiter- Beschleunigungssensors zeigt. Fig. 6 is a perspective view showing a further example of a conventional capacitance type semiconductor acceleration sensor.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein wei teres Beispiel eines herkömmlichen, kapazitiven Halbleiter- Beschleunigungssensors zeigt. Fig. 7 is a perspective view showing a white teres example of a conventional semiconductor capacitive acceleration sensor.
Fig. 8A ist eine perspektivische Ansicht, die ein wei teres Beispiel eines herkömmlichen, kapazitiven Halbleiter- Beschleunigungssensors zeigt, und Fig. 8B ist ein Quer schnitt entlang der Linie C-C der Fig. 8A. Fig. 8A is a perspective view showing a white teres example of a conventional semiconductor capacitive acceleration sensor, and Fig. 8B is a cross section along the line CC of Fig. 8A.
Die Fig. 1A bis 1C zeigen ein Ausführungsbeispiel des kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensors nach der vor liegenden Erfindung, wobei Fig. 1A eine Draufsicht, Fig. 1B ein Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1A, und Fig. 1C ein Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 1A ist. Der Sensor umfaßt: ein Halbleitersubstrat 1; Träger 21A bis 21D, die jeweils aus Polysilizium bestehen und über einer isolierenden Schicht 1A auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 angeordnet sind, wobei die Träger an Positionen angeordnet sind, die den Ecken eines Vierecks entsprechen; Balken 26A bis 26D, die jeweils an einem Ende mit den Trägern 21A bis 21D verbunden sind, die miteinander übereinstimmen, wenn sie um 90° gedreht werden, und die sich entlang der Seitenrichtungen des Vierecks erstrecken; eine bewegliche Elektrode 23, die durch einen vorgegebenen Ab stand 1 von den Balken 16A bis 26B getrennt angeordnet ist; Verbinder 27A bis 27D, die die bewegliche Elektrode 23 je weils mit den anderen Enden der Balken 26A bis 26D verbin den; und eine stationäre Elektrode 31, die über der isolie renden Schicht 1A auf der oberen Oberfläche des Halbleiter substrats 1 angeordnet ist, so daß sie durch einen vorgege benen Abstand von der unteren Oberfläche der beweglichen Elektrode 23 getrennt ist. Ein Anschluß M ist von der beweg lichen Elektrode 23 über den Verbinder 27A, den Balken 26A und den Träger 21A herausgezogen, und ein Anschluß S1 ist von der stationären Elektrode 31 herausgezogen. Figs. 1A to 1C show an embodiment of the capacitive semiconductor acceleration sensor according to the prior lying invention, wherein Fig. 1A is a plan view, Fig. 1B is a cross section along the line AA of Fig. 1A, and Fig. 1C is a cross section taken along the line BB of Figure 1A. The sensor comprises: a semiconductor substrate 1 ; Carrier 21 A to 21 D, each of which consists of polysilicon and 1 A are arranged on an upper surface of the semiconductor substrate 1 via an insulating layer, wherein the carriers are arranged at positions corresponding to the corners of a quadrangle; Beams 26 A to 26 D, each connected at one end to the beams 21 A to 21 D, which coincide with each other when rotated through 90 ° and which extend along the lateral directions of the square; a movable electrode 23 , which was arranged by a predetermined From 1 from the bars 16 A to 26 B separately; Connector 27 A to 27 D, each of which connects the movable electrode 23 to the other ends of the beams 26 A to 26 D; and a stationary electrode 31 1 A is disposed on the upper surface of the semiconductor substrate 1 via the isolie Governing layer so that it is separated by a PRE-surrounded distance from the lower surface of the movable electrode 23rd A terminal M is pulled out from the movable electrode 23 through the connector 27 A, the beam 26 A and the carrier 21 A, and a terminal S 1 is pulled out from the stationary electrode 31 .
Der kapazitive Halbleiter-Beschleunigungssensor arbeitet auf die folgende Weise: Wenn eine Beschleunigung in vertika ler Richtung auf die bewegliche Elektrode 23 wirkt, erfährt die bewegliche Elektrode 23 eine Kraft in der vertikalen Richtung, so daß sie vertikal bewegt wird. Zum Beispiel be wirkt die vertikale Bewegung der beweglichen Elektrode 23, daß der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode 31 verringert wird, wodurch die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden verrin gert wird. Der Wert der elektrostatischen Kapazität wird über die Anschlüsse M und S1 erhalten und dann einer Signal verarbeitung durch einen Differenzverstärker usw. unterwor fen, wodurch die angelegte Beschleunigung festgestellt wird.The capacitive semiconductor acceleration sensor works in the following manner: When acceleration in the vertical direction acts on the movable electrode 23 , the movable electrode 23 experiences a force in the vertical direction so that it is moved vertically. For example, the vertical movement of the movable electrode 23 works to reduce the distance between the movable electrode 23 and the stationary electrode 31 , thereby reducing the electrostatic capacity between the electrodes. The value of the electrostatic capacity is obtained through the terminals M and S 1 and then subjected to signal processing by a differential amplifier, etc., whereby the applied acceleration is determined.
In dem kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensor be sitzt die bewegliche Elektrode 23 eine viereckige Form und wird an ihrer Peripherie gleichmäßig von den Balken 26A bis 26D gehalten, die jeweils parallel zu den Seiten des Vierecks angeordnet sind und davon durch den vorgegebenen Abstand getrennt sind. Wenn eine Beschleunigung in der ver tikalen Richtung wirkt, wird die bewegliche Elektrode 23 vertikal bezüglich der stationären Elektrode 31 bewegt. Da die anderen Enden der Balken jeweils über die Verbinder mit den Endbereichen des regelmäßigen Vielecks der beweglichen Elektrode 23, die von den Enden der Balken, mit denen die Träger verbunden sind (der in Fig. 1 gezeigte Zustand), ent fernt sind, verbunden sind, können die Längen entsprechend der Länge der Seiten des regelmäßigen Vielecks verlängert. Daher kann der Sensor als ein kapazitiver Halbleiter-Be schleunigungssensor konstruiert werden, der miniaturisiert ist, der eine hohe Detektorempfindlichkeit besitzt, und in dem die Detektorausgangscharakteristik linear ist.In the capacitive semiconductor acceleration sensor, the movable electrode 23 has a square shape and is evenly held on its periphery by the bars 26 A to 26 D, which are each arranged parallel to the sides of the square and separated from it by the predetermined distance. When an acceleration acts in the vertical direction, the movable electrode 23 is moved vertically with respect to the stationary electrode 31 . Since the other ends of the beams are respectively connected via the connectors to the end portions of the regular polygon of the movable electrode 23 , which are distant from the ends of the beams to which the carriers are connected (the state shown in FIG. 1) , the lengths can be extended according to the length of the sides of the regular polygon. Therefore, the sensor can be constructed as a capacitive semiconductor acceleration sensor that is miniaturized, has high detector sensitivity, and in which the detector output characteristic is linear.
Die Fig. 2A bis 2C zeigen ein zweites Ausführungsbei spiel des kapazitiven Halbleiter-Beschleunigungssensors nach der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 2A eine Draufsicht, Fig. 2B ein Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 2A, und Fig. 2C ein Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 2A ist. Zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Komponenten umfaßt der Sensor der Fig. 2 außerdem Träger 42A bis 42D, die über der isolierenden Schicht 1A auf der oberen Oberflä che des Substrats angeordnet sind, und eine stationäre Elek trode 41, die an der Peripherie mit den Trägern 42A bis 42D verbunden ist, und die so angeordnet ist, daß sie von der oberen Oberfläche der beweglichen Elektrode durch einen vor gegebenen Abstand getrennt ist. Ein Anschluß S2 ist von der stationären Elektrode 41 über den Träger 42C herausgezogen. Figs. 2A to 2C show a second Ausführungsbei play of the capacitive semiconductor acceleration sensor according to the present invention, where Fig. 2A is a plan view, Fig. 2B is a cross section along the line AA of Fig. 2A, and Fig. 2C is a cross section along the Line BB of Figure 2A is. In addition to the components shown in FIG. 1, the sensor of FIG. 2 also includes carriers 42 A to 42 D, which are arranged above the insulating layer 1 A on the upper surface of the substrate, and a stationary electrode 41 , which on the periphery is connected to the carriers 42 A to 42 D, and which is arranged so that it is separated from the upper surface of the movable electrode by a predetermined distance. A terminal S 2 is pulled out of the stationary electrode 41 via the carrier 42 C.
Der kapazitive Halbleiter-Beschleunigungssensor arbeitet auf die folgende Weise: Wenn eine Beschleunigung in vertika ler Richtung auf die bewegliche Elektrode 23 wirkt, wird zum Beispiel der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode 31 verringert, wodurch die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden erhöht wird, und im Gegensatz dazu wird der Abstand der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode 41 erhöht, wo durch die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden verringert wird. Die Werte dieser elektrostatischen Kapazi täten werden über die Anschlüsse M und S1 beziehungsweise M und S2 erhalten und dann einer Signalverarbeitung durch einen Differenzverstärker usw. unterworfen, wodurch die an gelegte Beschleunigung festgestellt wird.The capacitive semiconductor acceleration sensor works in the following manner: When acceleration in the vertical direction acts on the movable electrode 23 , for example, the distance between the movable electrode 23 and the stationary electrode 31 is reduced, which increases the electrostatic capacitance between the electrodes and, on the contrary, the distance between the movable electrode 23 and the stationary electrode 41 is increased, where the electrostatic capacitance between the electrodes decreases. The values of these electrostatic capacities are obtained via the connections M and S 1 or M and S 2 and then subjected to signal processing by a differential amplifier etc., as a result of which the applied acceleration is determined.
Der kapazitive Halbleiter-Beschleunigungssensor stellt die elektrostatischen Kapazitäten fest, die jeweils zwischen der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode 31 und der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode 41 erzeugt werden und die sich jeweils in einander entgegengesetzter Weise ändern. Daher wird die Detektoremp findlichkeit weiter verbessert. Da die stationäre Elektrode 41 so angeordnet ist, daß sie der gesamten oberen Oberfläche der beweglichen Elektrode gegenüberliegt, können die Flächen der stationären Elektroden 31 und 41 im wesentlichen gleich groß gemacht werden. Folglich sind die Werte (die Absolut werte) der elektrostatischen Kapazitäten zwischen den sta tionären Elektroden 31 und 41 und der beweglichen Elektrode 23 im wesentlichen gleich, so daß zum Beispiel der Schalt kreis des Differenzverstärkers vereinfacht werden kann, um die Herstellungskosten zu verringern. The capacitive semiconductor acceleration sensor detects the electrostatic capacitances that are respectively generated between the movable electrode 23 and the stationary electrode 31 and the movable electrode 23 and the stationary electrode 41 and that each change in opposite ways. Therefore, the detector sensitivity is further improved. Since the stationary electrode 41 is arranged to face the entire upper surface of the movable electrode, the areas of the stationary electrodes 31 and 41 can be made substantially the same. Accordingly, the values (the absolute values) of the electrostatic capacitances between the stationary electrodes 31 and 41 and the movable electrode 23 are substantially the same, so that, for example, the circuit of the differential amplifier can be simplified to reduce the manufacturing cost.
Die Fig. 3A bis 3C und 4A bis 4C zeigen weitere Aus führungsbeispiele des kapazitiven Halbleiter-Beschleuni gungssensors nach der vorliegenden Erfindung. In den Figuren sind die Fig. 3A und 4A eine Draufsicht, die Fig. 3B und 4B ein Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 3A und 4A, und die Fig. 3C und 4C ein Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 3A und 4A. Diese Ausführungsbei spiele sind jeweils durch Modifikation der Sensoren der Fig. 1 und 2 auf solche Weise erhalten, daß ein Metallfilm 29 an der beweglichen Elektrode 23 angebracht ist. Das An bringen des Metallfilms 29 erhöht das Gewicht der bewegli chen Elektrode 23, und somit wird die Empfindlichkeit des Sensors weiter verbessert. Da ein Metall ein hohes spezifi sches Gewicht hat, bewirkt das Anbringen des Metallfilms 29 kaum eine Vergrößerung des beweglichen Elektrodenbereichs. Jedoch ist es selbstverständlich, daß der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 23 und der stationären Elektrode unter Berücksichtigung der Dicke des Metallfilms 29 korri giert wird. Figs. 3A to 3C and 4A to 4C show further implementation examples of the capacitive semiconductor Accelerati supply sensor according to the present invention. In the figures, FIGS. 3A and 4A is a plan view, FIG. 3B and 4B a cross section along the line AA of Fig. 3A and 4A, and Fig. 3C and 4C, a cross section along the line BB of Fig. 3A and 4A. These Ausführungsbei games are each obtained by modifying the sensors of FIGS. 1 and 2 in such a way that a metal film 29 is attached to the movable electrode 23 . To bring the metal film 29 increases the weight of the movable electrode 23 , and thus the sensitivity of the sensor is further improved. Since a metal has a high specific gravity, the attachment of the metal film 29 hardly causes an enlargement of the movable electrode area. However, it goes without saying that the distance between the movable electrode 23 and the stationary electrode is corrected considering the thickness of the metal film 29 .
Der kapazitive Halbleiter-Beschleunigungssensor nach der vorliegenden Erfindung hat eine geringe Größe, eine hohe De tektorempfindlichkeit und eine lineare Detektorausgangscha rakteristik. Daher wird der Sensor vorzugsweise in verschie denen Anwendungen einschließlich des Automobils verwendet. In einem Sensor, in dem sich die elektrostatischen Kapazitä ten zum Messen der Beschleunigung auf einander entgegenge setzte Weise ändern, sind die Werte (Absolutwerte) der sich auf einander entgegengesetzte Weise ändernden elektrostati schen Kapazitäten im wesentlichen einander gleich. Daher kann der Schaltkreis zur Signalverarbeitung, zum Beispiel ein Differenzverstärker, vereinfacht werden, so daß die Her stellungskosten verringert werden.The capacitive semiconductor acceleration sensor after the present invention has a small size, a high de tector sensitivity and a linear detector output characteristics. Therefore, the sensor is preferably different which uses applications including the automobile. In a sensor in which the electrostatic capacitance counter to each other to measure the acceleration set way to change, are the values (absolute values) of yourself electrostati changing in opposite ways capacities are essentially the same. Therefore can the signal processing circuit, for example a differential amplifier, be simplified so that the Her service costs can be reduced.
Claims (9)
ein Halbleitersubstrat (1);
eine Mehrzahl von Trägervorrichtungen (21A bis 21D), die jeweils aus einem leitfähigen Halbleiter bestehen und über einer isolierenden Schicht (1A) auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sind, wobei die Träger vorrichtungen an Positionen angeordnet sind, die den Ecken eines regelmäßigen Vielecks entsprechen;
Balken (26A bis 26D), die jeweils an einem Ende mit den Trägervorrichtungen verbunden sind und die sich entlang von Seiten des regelmäßigen Vielecks erstrecken, wobei die Bal ken rotationssymmetrisch um den Mittelpunkt des regelmäßigen Vielecks angeordnet sind;
eine bewegliche Elektrode (23), die durch einen vorgege benen Abstand von den Balken getrennt angeordnet ist;
Verbindungsvorrichtungen (27A bis 27D), die die bewegli che Elektrode (23) jeweils mit den anderen Enden der Balken (26A bis 26D) verbinden; und
eine stationäre Elektrode (31), die über der isolieren den Schicht (1A) auf der oberen Oberfläche des Halbleiter substrats (1) angeordnet ist, wobei die stationäre Elektrode (31) durch einen vorgegebenen Abstand von der unteren Ober fläche der beweglichen Elektrode (23) getrennt ist.1. Capacitive semiconductor acceleration sensor, characterized in that it comprises:
a semiconductor substrate ( 1 );
a plurality of carrier devices ( 21 A to 21 D), each consisting of a conductive semiconductor and arranged over an insulating layer ( 1 A) on an upper surface of the semiconductor substrate, the carrier devices being arranged at positions which meet the corners of a correspond to regular polygons;
Beams ( 26 A to 26 D), which are each connected at one end to the carrier devices and which extend along the sides of the regular polygon, the beams being arranged rotationally symmetrically around the center of the regular polygon;
a movable electrode ( 23 ) which is arranged separated by a predetermined distance from the bars;
Connecting devices ( 27 A to 27 D) which connect the movable electrode ( 23 ) to the other ends of the beams ( 26 A to 26 D); and
a stationary electrode ( 31 ) which is arranged above the isolating layer ( 1 A) on the upper surface of the semiconductor substrate ( 1 ), the stationary electrode ( 31 ) by a predetermined distance from the lower surface of the movable electrode ( 23 ) is separated.
einen ersten Anschluß (M), der von der beweglichen Elek trode (23) über die Verbindungsvorrichtung (27A), den Balken (26A) und die Trägervorrichtung (21A) herausgezogen ist, und
einen zweiten Anschluß (S1), der von der stationären Elektrode (31) herausgezogen ist.3. Capacitive semiconductor acceleration sensor according to claim 1 or claim 2, characterized in that it also comprises:
a first terminal (M) which is pulled out of the movable electrode ( 23 ) via the connecting device ( 27 A), the bar ( 26 A) and the carrier device ( 21 A), and
a second terminal (S 1 ) which is pulled out of the stationary electrode ( 31 ).
eine Mehrzahl von zweiten Trägervorrichtungen (42A bis 42D), die über der isolierenden Schicht (1A) auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) angeordnet sind; und
eine zweite stationäre Elektrode (41), die an der Peri pherie mit den zweiten Trägervorrichtungen (42A bis 42D) verbunden ist und die durch einen vorgegebenen Abstand von der oberen Oberfläche der beweglichen Elektrode (23) ge trennt ist.4. Capacitive semiconductor acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises:
a plurality of second carrier devices ( 42 A to 42 D), which are arranged over the insulating layer ( 1 A) on the upper surface of the semiconductor substrate ( 1 ); and
a second stationary electrode ( 41 ) which is connected at the periphery to the second carrier devices ( 42 A to 42 D) and which is separated by a predetermined distance from the upper surface of the movable electrode ( 23 ).
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