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  • 法律状态
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    • 专利摘要:
    Ein Halbleitersensor für mechanische Größen beinhaltet zwei Sensorchips (100a, 100b) mit jeweils gleichem Aufbau und gleichen Eigenschaften auf Halbleitersubstraten (10a, 10b), die auf einem Schaltkreischip (6) in gleiche Richtung weisend angeordnet sind. Es kann ein Sensorchip verwendet werden, der zwei Sensoren mit gleichem Aufbau hat, die auf einem Halbleitersubstrat in gleicher Richtung verlaufend ausgebildet sind. Die Anzahl der Sensoren kann auch drei oder mehr betragen. Eine Mehrzahl von Sensoren kann auf dem Halbleitersubstrat oder dem Schaltkreischip übereinander gestapelt werden oder kann auf beiden Oberflächen des Halbleitersubstrates (10a, 10b) oder des Schaltkreischips (6) angeordnet sein.
    公开号:DE102004011442A1
    申请号:DE200410011442
    申请日:2004-03-09
    公开日:2004-09-23
    发明作者:Minekazu Kariya Sakai
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:B81B7-04
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung betrifft einen Halbleitersensor für mechanischeGrößen zurErkennung einer mechanischen Größe, beispielsweiseeiner Beschleunigung, auf der Grundlage von Kapazitäten zwischen festenElektroden und beweglichen Elektroden.
    [0002] Ein Halbleitersensor für mechanischeGrößen istbeispielsweise in der JP-A-5-304303 beschrieben.Ein Beschleunigungssensor des mono-axialen Kondensatortyps (X-Richtung) wird unter Bezugauf die beigefügten 3A –3C beschrieben. Ausnehmungen 11 sindin einer Halbleiterschicht eines Halbleitersubstrates 10 ausbeispielsweise Silizium ausgebildet, wobei eine Mehrzahl von Paaren festerElektroden 1 und beweglicher Elektroden 2 einanderin der X-Richtung gegenüberliegen, um Kondensatoren zu bilden. Die beweglichen Elektroden 2 sindin einer Mehrzahl von Paaren ähnlichder Zähneeines Kamms in ± Y-Richtung bezüglich eines Gewichts 3 ausgebildet,das sich in X-Richtung erstreckt. Die beiden Enden des Gewichts 3 sindauf dem Halbleitersubstrat 10 so ausgebildet, daß sie zu einerVerschiebung in X-Richtung fähigsind, und Ausleger 4 mit einer zweistückigen Anordnung sind an beidenEnden des Gewichts 3 ausgebildet, so daß sie abhängig von der Beschleunigungeine Verschiebung erfahren. Die festen Elektroden sind in ± Y-Richtungso angeordnet, daß sieden beweglichen Elektroden gegenüberliegendsind und sind mit Kissen 5a und 5b verbunden,welche aus Aluminium oder dergleichen gefertigt sind und die beweglichen Elektroden 2 sindmit einem Kissen 5c verbunden. Die Kissen 5a, 5b und 5c sindmit einer externen Einheit überKissen 6a, 6b und 6c eines anderen Schaltkreischips 6 verbunden,beispielsweise eines sogenannten Motherboard unter Verwendung vonDrähtenW.
    [0003] Eine bewegliche Elektrode 2a liegtzwischen den benachbarten festen Elektroden 1a und 1b. Wennauf den Sensor mit diesem Aufbau eine Beschleunigung in X-Richtungwirkt, werden die Ausleger 4 in X-Richtung versetzt, wobeizwischen den festen Elektroden 1a, 1b und derbeweglichen Elektrode 2a der Abstand verändert wird,was eine Änderungin der KapazitätCS1 zwischen der festen Elektrode 1a und der beweglichenElektrode 2a und in der Kapazität CS2 zwischen der festen Elektrode 1b undder beweglichen Elektrode 2a bewirkt. Ein Äquivalenzschaltkreisdes Halbleitersensors fürmechanische Größen istauf der linken Seite von 4 dargestellt. EineImpulsspannung Vcc liegt überden festen Elektroden 1a und 1b an. Eine ÄnderungDC (= CS1 – CS2)in den KapazitätenCS1 und CS2, welche aufgetreten ist, und welche von der beweglichenElektrode 2 ausgeht, wird in eine Spannung = (CS1 – CS2) Vcc/Cf über beispielsweiseeinen geschaltenen Kondensatorschaltkreis 5 gewandelt,der auf der rechten Seite von 4 dargestelltist, um hierdurch die Beschleunigung zu erfassen.
    [0004] Um die Empfindlichkeit des Sensorszu verbessern wurde bislang versucht, die Federkonstante kw durch Ändern derGröße der Ausleger 4,der Elektroden 1 und 2 und des Gewichtes 3 derKammstruktur zu verringern, oder durch Erhöhung der Masse m oder durchErhöhender KapazitätC0. Die 5A–5C zeigen einen Aufbau, beidem die Ausleger 4 zweimal umgefaltet sind, um die Federkonstanteder Ausleger 4 zu halbieren, um hierdurch die Empfindlichkeitzu verdoppeln.
    [0005] Die elastische Rückstellkraft < elektrostatischeKraft zwischen den festen Elektroden 1 und den beweglichenElektroden 2 bringt jedoch ein Problem in Form eines leichtenAnhaftens. Weiterhin erfährt derSchaltkreischip ebenfalls die Verschiebung oder Versetzung in Vertikalrichtung(Z-Richtung). Wenn daher ein starker Schlag in Z-Richtung aufgebracht wird,laufen die beweglichen Elektroden 2 auf den festen Elektroden 1 aufund sind nicht mehr längerin der Lage, sich zu bewegen. Auch verschmälert sich der Dynamikbereich.
    [0006] Angesichts der genannten Problemeist es Aufgabe der Erfindung, einen Halbleitersensor für mechanischeGrößen zu schaffen,der eine hohe Empfindlichkeit ohne Elektrodenanhaftung hat.
    [0007] Zur Lösung der genannten Aufgabesind bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung in gleicher Richtunggesehen eine Mehrzahl von mono-axialen Sensoren zur Erkennung einermono-axialen mechanischen Größe auf derGrundlage von Kapazitätenzwischen festen Elektroden und beweglichen Elektroden angeordnet,welche in Auslegern zusammengefaßt sind, welche in der Lagesind, sich abhängigvon der Beschleunigung zu verschieben.
    [0008] Der obige Aufbau macht es möglich, die Empfindlichkeitmehrfach zu verbessern, ohne daß eineElektrodenanhaftung oder Anhaftung allgemein bewirkt wird.
    [0009] Wenn der Ausgang eines einzelnenSensors verdoppelt wird, wird auch die Rauschkomponente verdoppeltund das S/N-Verhältnis ändert sichnicht. Bei dieser Erfindung, welche zwei Sensoren verwendet, wirdnur der Ausgang der Signalkomponente verdoppelt, wohingegen dieRauschkomponente unverändertbleibt. Von daher wird das S/N-Verhältnis um das zweifache verbessert(das Rauschen tritt in Zufallsweise auf und überlagert nicht).
    [0010] Weitere Einzelheiten, Aspekte undVorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus dernachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
    [0011] Es zeigt:
    [0012] 1A eineDraufsicht auf einen Halbleitersensor für mechanische Größen gemäß einerbevorzugten Ausführungsform, 1B einen Schnitt entlangLinie IB-IB in 1A und 1C einen Schnitt entlangLinie IC-IC in 1A;
    [0013] 2A eineDraufsicht auf einen Halbleitersensor für mechanische Größen gemäß einerAbwandlung, 2B einenSchnitt entlang IIB-IIB in 2A und 2C einen Schnitt entlangLinie IIC-IIC in 2A;
    [0014] 3A eineDraufsicht auf einen Halbleitersensor für mechanische Größen nachdem Stand der Technik, 3B einenSchnitt entlang Linie IIIB-IIIB in 3A und 3C einen Schnitt entlangLinie IIIC-IIIC in 3A;
    [0015] 4 einSchaltkreisdiagramm eines Äquivalenzschaltkreiseseines Halbleitersensors fürmechanische Größen undeines geschalteten Kondensatorschaltkreises nach dem Stand der Technik;
    [0016] 5A eineDraufsicht auf einen Halbleitersensor für mechanische Größen nachdem Stand der Technik, 5B einenSchnitt entlang Linie VB-VB in 5A und 5C einen Schnitt entlangLinie VC-VC in 5A;
    [0017] 6 einenSchaltkreisaufbau eines Äquivalenzschaltkreisesdes Halbleitersensors fürmechanische Größen nach 1A und eines geschalteten Kondensatorschaltkreises;und
    [0018] 7 einenSchaltkreisaufbau eines Äquivalenzschaltkreisesdes Halbleitersensors fürmechanische Größen nach 2A und eines geschalteten Kondensatorschaltkreises.
    [0019] Eine Ausführungsform der Erfindung wird nununter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
    [0020] Die 1A bis 1C zeigen eine Ausführungsform,in der zwei Sensorchips 100a und 100b mit gleichemAufbau und gleichen Eigenschaften auf Halbleitersubstraten 10a und 10b ausgebildetsind und in gleiche Richtung auf einem Schaltkreischip 6 angeordnetsind. Die Elektroden 1 und 2, das Gewicht 3 unddie Ausleger 4, welche die Sensorchips 100a und 100b bilden,haben üblichenAufbau und werden nicht im Detail beschrieben.
    [0021] Wenn hier die Kapazität zwischenden Elektroden 1 und 2 mit CO bezeichnet wird,die Federkonstante der Ausleger 4 mit k bezeichnet wird,die Masse mit m bezeichnet wird und der Abstand zwischen den Elektroden 1 und 2 mitd bezeichnet wird, läßt sichdie Empfindlichkeit wie folgt definieren: Empfindlichkeit ∝ CO·k/m.weiterhinkann die elastische Rückstellkraftder Ausleger 4 durch ∝ kausgedrücktwerden, die elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden 1 und 2 durch ∝ 0,5 CO·V2/d,die Verschiebung in Z-Richtung der beweglichen Elektrode durch ∝ (k/m) 0,5und der dynamische Bereich durch ∝ k/m 0 , 5 .
    [0022] Hierbei sind die Parameter einesSensorchips geringerer Empfindlichkeit gemäß den 3A bis 3C mitk1, C01, m1 und d1 bezeichnet. Die 5A bis 5C werden nachfolgend ebenfallsbetrachtet, und zwar bei dem Versuch, die Empfindlichkeit des Sensorchipsmehr als zu verdoppeln. Der Äquilvalentschaltkreisfür denSensorchip der 1A bis 1C ist in 6 gezeigt. Wenn die Federkonstante k1abgesenkt wird, läßt sichdie Empfindlichkeit wie folgt definieren: Empfindlichkeit ∝ C01·(2·k1)/m1= 2{C01·k1/m1}
    [0023] Die Empfindlichkeit wird somit durchden Faktor 2 verbessert. Bei dem oben genannten Stand derTechnik ist jedoch die elastische Rückstellkraft der Ausleger 4 halbiert.Wenn somit die Balance relativ zu der elektrostatischen Kraft zwischenden Elektroden 1 und 2 mit berücksichtigt wird, kann eine Elektrodenanhaftungohne Weiteres auftreten und die Verschiebung der beweglichen Elektroden 1 in Z-Richtungwird verdoppelt. Somit neigen die beweglichen Elektroden 2 dazu,auf den festen Elektroden 1 aufzulaufen.
    [0024] Andererseits haben die Sensorchips 100a und 100b mitdem Aufbau gemäß 1 die gleichen Eigenschaftenwie diejenigen der 3A bis 3C, wobei ein Anhaften odergegenseitiges Auflaufen der Elektroden verhindert ist und die Empfindlichkeit ohneEinengung des Dynamikbereiches verdoppelt werden kann.
    [0025] Wenn der Ausgang eines einzelnenSenders verdoppelt wird, wird auch die Rauschkomponente verdoppeltund das S/N Verhältnis ändert sichnicht. Bei dieser Ausführungsform,welche zwei Sensoren verwendet, wird nur der Ausgang der Signalkomponenteverdoppelt, wohingegen die Rauschkomponente unverändert bleibt.Somit wird das S/N- Verhältnis umdas zweifache verbessert (Rauschen tritt in zufälliger Weise auf und wird nicht überlagert).
    [0026] In den 1A bis 1C sind zwei Sensorchips 100a und 100b mitgleichem Aufbau und gleichen Eigenschaften auf den Halbleitersubstraten 10a und 10b ausgebildet.Wie in der Draufsicht und den Schnittdarstellungen der 2A bis 2C gezeigt, ist es auch möglich, einenSensorchip 100 mit zwei Sensoren 100a und 100b desgleichen Aufbaus auf einem Halbleitersubstrat 10 in gleicherRichtung weisend auzubilden. Der Äquivalenzschaltkreis für einen derartigenSensorchip 100 ist in 7 gezeigt.Die Äquivalenzschaltkreiseder 6 und 7 können jedoch auch für jedender Sensorchips der 1A und 2A angewendet werden.
    [0027] Es sei festzuhalten, daß die Anzahlvon Sensoren nicht auf zwei beschränkt ist, sondern auch dreioder mehr betragen kann. Weiterhin kann eine Mehrzahl von Sensorenauf dem Halbleitersubstrat 10 oder auf dem Schaltkreischip 6 übereinandergestapeltwerden. In diesem Fall könnendie Sensoren an beiden Oberflächendes Halbleitersubstrates 10 oder des Schaltkreischips 6 angeordnetwerden.
    [0028] Ein Halbleitersensor für mechanischeGrößen beinhaltetdemnach erfindungsgemäß wenigstenszwei Sensorchips mit jeweils gleichem Aufbau und gleichen Eigenschaftenauf Halbleitersubstraten, die auf einem Schaltkreischip in gleicheRichtung weisend angeordnet sind. Es kann ein Sensorchip verwendetwerden, der zwei Sensoren mit gleichem Aufbau hat, die auf einemHalbleitersubstrat in gleicher Richtung verlaufend ausgebildet sind.Die Anzahl der Sensoren kann auch drei oder mehr betragen. EineMehrzahl von Sensoren kann auf dem Halbleitersubstrat oder dem Schaltkreischip übereinandergestapelt werden oder kann auf beiden Oberflächen des Halbleitersubstratesoder des Schaltkreischips angeordnet sein.
    [0029] Die Beschreibung der Erfindung istrein exemplarisch und in keiner Weise einschränkend zu verstehen; Modifikationenund Abwandlungen liegen innerhalb des Rahmens der Erfindung, wieer durch die beigefügtenAnsprücheund deren Äquivalenze definiertist.
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] Ein Halbleitersensor für mechanische Größen mit:einer Mehrzahl von mono-axialen Sensoren (100a, 100b),welche in gleicher Richtung weisend angeordnet sind, um eine mono-axialeGröße auf der Grundlagevon Kapazitätenzwischen festen Elektroden (1) und beweglichen Elektroden(2) zu erkennen, welche mit Auslegern (4) verbundensind, welche abhängigvon einer Beschleunigung in der Lage sind, sich zu verschieben.
    [2] Halbleitersensor für mechanische Größen nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von mono-axialenSensoren (100a, 100b) auf unterschiedlichen Halbleitersubstraten(10a, 10b) ausgebildet ist.
    [3] Halbleitersensor für mechanische Größen nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von mono-axialenSensoren (100a, 100b) auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat(10) ausgebildet ist.
    [4] Halbleitersensor für mechanische Größen nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von mono-axialenSensoren (100a, 100b) auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat(10) oder auf einem Muttersubstrat aufeinandergestapeltausgebildet ist.
    [5] Halbleitersensor für mechanische Größen nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von mono-axialenSensoren (100a, 100b) auf beiden Oberflächen einesgemeinsamen Halbleitersubstrates (10) oder eines Muttersubstratesausgebildet ist.
    [6] Ein Halbleiter-Beschleunigungssensor zur Erzeugungeines Ausgangssignales, wobei eine notwendige Empfindlichkeit beibehaltenwird, mit: einem Halbleitersubstrat (10a); und einerMehrzahl von Sensorelementen (100a, 100b) jeweilsmit festen Elektroden (1), die an dem Halbleitersubstrat(10a) festgelegt sind und beweglichen Elektroden (2),welche an Auslegern (4) befestigt sind, wobei die beweglichenElektroden (2) abhängig vonder Beschleunigung verschiebbar sind, um eine Beschleunigung aufder Grundlage von Kapazitäten zwischenden festen Elektroden (1) und den beweglichen Elektroden(2) zu erkennen; wobei die Sensorelemente (100a, 100b)in einer bestimmten Anzahl vorgesehen sind, wobei jedes der Sensorelemente 100a, 100b)eine Empfindlichkeit gleich der notwendigen Empfindlichkeit dividiertdurch die bestimmte Anzahl hat und wobei die Beschleunigungssignale,welche von den Sensorelementen (100a, 100b) ausgegebenwerden, aufsummiert werden, um ein Ausgangssignal unter Beibehaltder notwendigen Empfindlichkeit zu erhalten.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2008-06-12| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2011-03-17| 8131| Rejection|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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