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DE10035605A1 - Halbleitersensor für eine Physikalische Grösse - Google Patents

Halbleitersensor für eine Physikalische Grösse

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DE10035605A1
DE10035605A1 DE10035605A DE10035605A DE10035605A1 DE 10035605 A1 DE10035605 A1 DE 10035605A1 DE 10035605 A DE10035605 A DE 10035605A DE 10035605 A DE10035605 A DE 10035605A DE 10035605 A1 DE10035605 A1 DE 10035605A1
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DE
Germany
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physical quantity
area
support beam
gap
semiconductor sensor
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DE10035605A
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English (en)
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Takeshi Ito
Muneo Yorinaga
Hirofumi Higuchi
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Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
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Publication date
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Abstract

Ein Halbleiterwinkelgeschwindigkeitssensor besitzt einen rahmenförmigen Basisbereich (10), einen Meßoszillator (30), der mit dem Basisbereich (10) über einen Meßtragbalkenbereich (31) verbunden ist, und einen Antriebsoszillator (20), der mit dem Meßoszillator (30) über einen Antriebstragbalkenbereich (21) verbunden ist. Jeder der Tragbalkenbereiche (21, 31) besitzt ein Paar von Tragbalken (22, 23, 32, 33), von denen jeder eine allgemeine U-Form besitzt und die miteinander über einen Brückenbereich (24, 34) verbunden sind. Demgemäß können die Tragbalkenbereiche (21, 31) eine große Rotationssteifheit bzw. Steifheit gegenüber Rotationen besitzen, derart, daß sie Oszillationen bzw. Schwingungen der Oszillatoren (20, 30) nicht verhindern bzw. hemmen.

Description

Diese Erfindung betrifft einen Halbleitersensor für eine physikalische Größe mit einem Halbleiteroszillator wie beispielsweise einen Beschleunigungssensor oder einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der dafür ausgelegt ist, einen Bewegungszustand eines sich bewegenden Körpers wie beispielsweise eines Fahrzeugs, eines Flugzeugs oder ei­ nes Roboters zu erfassen bzw. zu messen.
Allgemein wird diese Art von Halbleitersensor für eine physikalische Größe mittels einer Mikrobearbeitungs­ technik wie z. B. Ätzen, das auf einem Halbleitersubstrat ausgeführt wird, ausgebildet. Der Halbleitersensor für eine physikalische Größe besitzt typischerweise eine Ba­ sis, einen Oszillator, der in einer spezifischen Richtung oszilliert bzw. schwingt, und mehrere Tragbalkenbereiche, die den Oszillator und die Basis verbinden. Eine physika­ lische Größe (Winkelgeschwindigkeit, Beschleunigung oder dergleichen) wird auf der Grundlage der Oszillation bzw. Schwingung des Oszillators erfaßt bzw. detektiert.
Beispielsweise wird der Oszillator, wenn der Halblei­ tersensor für eine physikalische Größe ein Winkelge­ schwindigkeitssensor ist, in einer spezifischen bzw. be­ stimmten Richtung zur Oszillation angetrieben. Eine Win­ kelgeschwindigkeit, mit der der Sensor beaufschlagt ist, wird auf der Grundlage einer Oszillation (Meßoszillation) erfaßt bzw. gemessen, die von einer Corioliskraft in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Antriebsos­ zillation und einer Rotationsachse der Winkelgeschwindig­ keit erzeugt wird.
Wenn der Halbleitersensor für eine physikalische Größe ein Beschleunigungssensor ist, dann wird die Be­ schleunigung, mit der der Oszillator beaufschlagt ist, auf der Grundlage einer Oszillation (Meßoszillation) er­ faßt bzw. gemessen, die in einer spezifischen bzw. be­ stimmten Richtung erzeugt wird.
Es ist jedoch unvermeidlich für den konventionellen Sensor für eine physikalische Größe, Verarbeitungsfehler zu besitzen (beispielsweise durch das Ätzen). Die Verar­ beitungsfehler können unnötige Oszillationen zusätzlich zu der Antriebsoszillation und der Meßoszillation, die oben beschrieben wurden, verursachen bzw. induzieren, was zu Meßfehlern führt. Die Erfinder haben sich überlegt, daß die unnötigen Oszillationen aufgrund bzw. wegen der Tragbalkenbereiche, die den Oszillator und die Basis ver­ binden, erzeugt bzw. hervorgerufen werden. Das heißt, in dem konventionellen Sensor für eine physikalische Größe, wie er in JP-A-6-123631 offenbart ist, besteht jeder der Tragbalkenbereiche aus einem holmartigen Tragbalken mit kleiner Rotationssteifheit. Folglich kann sich jeder Tragbalken während der Oszillation des Oszillators leicht verziehen bzw. verformen, derart, daß unnötige Oszilla­ tionen induziert bzw. hervorgerufen werden.
Die vorliegende Erfindung ist angesichts der obigen Probleme gemacht worden. Es ist eine Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung, einen Halbleitersensor für eine physi­ kalische Größe bereitzustellen, der einen Tragbalkenbe­ reich besitzt, der mit einer hohen Rotationssteifheit ausgestattet ist, derart, daß er eine Oszillation bzw. Schwingung eines Oszillators nicht verhindert oder hemmt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1, 6, 10 bzw. 19.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht ein Tragbal­ kenbereich aus ersten und zweiten Tragbalken, die paral­ lel zueinander und getrennt voneinander angeordnet sind, und einem Brückenbereich, der den ersten und zweiten Tragbalken verbindet. Dieser Tragbalkenbereich kann eine erhöhte Rotationssteifheit bzw. Steifheit gegenüber Rota­ tionen besitzen ohne die Oszillation eines Oszillators zu hemmen oder zu verhindern.
Vorteilhafterweise besitzt jeder der ersten und zwei­ ten Tragbalken einen ersten Teil, der sich in einer Rich­ tung erstreckt, die ungefähr senkrecht zu einer Oszilla­ tionsrichtung ist, in der der Oszillator oszilliert, um eine physikalische Größe zu erfassen bzw. zu messen, und einen zweiten Teil, der sich in der Oszillationsrichtung erstreckt und mit dem Brückenbereich verbunden ist. Wei­ ter ist vorteilhafterweise eine Breite, die zwischen dem zweiten Teil des ersten Tragbalkens und dem zweiten Teil des zweiten Tragbalkens definiert wird, größer als jene, die zwischen dem ersten Teil des ersten Tragbalkens und dem ersten Teil des zweiten Tragbalkens definiert wird. Dementsprechend kann ein Unterschied in einer Verlagerung zwischen den ersten und zweiten Tragbalken, der von einem Unterschied in der Länge zwischen den ersten Teilen der ersten und zweiten Tragbalken verursacht bzw. hervorgeru­ fen wird, leicht absorbiert bzw. aufgefangen werden, der­ art, daß die Oszillation des Oszillators nicht gehemmt oder verhindert wird.
Vorteilhafterweise definieren die ersten und zweiten Tragbalken eine Lücke zwischen sich, und der Brückenbe­ reich teilt die Lücke in erste und zweite Lücken auf, von denen jede eine allgemeine L-Form besitzt, derart, daß die ersten und zweiten Lücken in Bezug auf den Brückenbe­ reich symmetrisch zueinander sind. Weiterhin besitzt der Brückenbereich vorteilhafterweise eine Breite, die unge­ fähr gleich zu jener der ersten und zweiten Tragbalken ist. Dieses Merkmal unterstützt bzw. fördert die Oszilla­ tion des Oszillators noch weiter.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung gerichtet.
Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorlie­ genden Erfindung werden leicht und sofort offensichtlich werden, mit einem besseren Verständnis der bevorzugten Ausführungsform, die unten unter Bezugnahme auf die fol­ genden Zeichnungen beschrieben ist, die zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Winkelgeschwindig­ keitssensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische Querschnittsteilansicht, die einen Querschnitt umfaßt, der entlang der Linie II-II in Fig. 1 genommen wurde;
Fig. 3 eine Ansicht zum Erläutern bzw. Veranschauli­ chen der Abmessungen eines Tragbalkenbereichs;
Fig. 4 eine Ansicht zum Erläutern einer Funktion des in Fig. 1 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors im Ver­ gleich mit dem Stand der Technik;
die Fig. 5A bis 5D schematische Ansichten von Pro­ ben bzw. Beispielen A bis D von Tragbalkenbereichen, die verwendet werden, um unnötige Oszillationen zu bewerten bzw. abzuschätzen;
Fig. 6 eine graphische Darstellung, die unnötige Os­ zillationen der Proben A bis D zeigt;
Fig. 7 eine graphische Darstellung, die unnötige Os­ zillationen der Proben B bis D zeigt;
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Tragbalkenbe­ reiches zum Erläutern bzw. Veranschaulichen der Abmessun­ gen;
Fig. 9 eine graphische Darstellung, die unnötige Os­ zillationen in Bezug auf bzw. in Abhängigkeit von einem Längenverhältnis WA/WB des in Fig. 8 gezeigten Tragbal­ kenbereiches zeigt;
die Fig. 10A und 10B schematische Ansichten von Proben E und F;
Fig. 11 eine graphische Darstellung, die unnötige Os­ zillationen der in den Fig. 10A und 10B gezeigten Pro­ ben E und F zeigt; und
Fig. 12 eine graphische Darstellung, die unnötige Os­ zillationen in Bezug auf bzw. in Abhängigkeit von Verar­ beitungsfehlern zeigt.
Wie in den Fig. 1 und 2 zu sehen ist, besitzt ein Winkelgeschwindigkeitssensor 100 in einer bevorzugten Ausführungsform einen rechteckigen rahmenartigen Basisbe­ reich 10 und einen beweglichen Bereich, der in dem rah­ menartigen Basisbereich 10 beweglich angeordnet ist. Der Basisbereich 10 und der bewegliche Bereich werden durch Rillen bzw. Nute abgeteilt, die auf einem Halbleiter­ substrat, das beispielsweise aus Silizium besteht, mit­ tels Ätzen ausgebildet werden.
Der bewegliche Bereich besteht aus einem allgemein rechteckigen Antriebsoszillator 20, einem rechteckigen rahmenartigen Meßoszillator 30, mehreren (vier in der Fig. 4) Antriebstragbalkenbereichen 21 und mehreren (vier in der Fig. 4) Meßtragbalkenbereichen 31. Die An­ triebstragbalkenbereiche 21 verbinden den Antriebsos­ zillator 20 und den Meßoszillator 30, und die Meßtragbal­ kenbereiche 31 verbinden den Meßoszillator 30 und den Ba­ sisbereich 10. Das heißt, der Antriebsoszillator 20 wird mit dem Meßoszillator 30 durch die Antriebstragbalkenbe­ reiche 21 integriert. Der Antriebsoszillator 20 ist mit dem Basisbereich 10 über die Antriebstragbalkenbereiche 21, den Meßoszillator 30 und die Meßtragbalkenbereiche 31 verbunden.
Wie in Fig. 3 zu sehen ist, besteht jeder der An­ triebstragbalkenbereiche 21 aus einem Paar von Tragbalken 22 und 23, die eine ähnliche U-Form besitzen. Der allge­ mein U-förmige zweite Tragbalken 23 ist an einer äußeren Umfangsseite des allgemein U-förmigen ersten Tragbalkens 22 angeordnet. Die Tragbalken 22 und 23 verlaufen paral­ lel zueinander und sind voneinander getrennt. Das Paar von Tragbalken 22 und 23 besitzt eine Endseite, die mit dem Antriebsoszillator 20 verbunden ist, und die andere Endseite ist mit einer inneren Rahmenumfangsoberseite des Meßoszillators 30 verbunden.
Jeder der ersten und zweiten Tragbalken 22 und 23 be­ sitzt ein Paar von parallelen Holmbereichen 22a oder 23a, die in einer Richtung deformierbar sind, die senkrecht zu einer Längsrichtung davon ist. Dementsprechend kann der Antriebsoszillator 20 in einer Richtung X oszillieren bzw. schwingen, die in Fig. 1 mittels eines Pfeiles gekennzeichnet ist. Die Verbindungsholmbereiche 22b und 23b verbinden jeweils die Paare von parallelen Holmbereichen 22a bzw. 23a an den Enden der Holmbereiche 22a bzw. 23a, und ein tragbalkenförmiger Brückenbereich (Verbindungsholm) 24 verbindet die Verbindungsholmbe­ reiche 22b und 23b.
Andererseits besteht jeder der Meßtragbalkenbereiche 31 aus einem Paar von Tragbalken 32 und 33, die eine ähn­ liche U-Form besitzen. Der allgemein U-förmige zweite Tragbalken 33 ist an einer äußeren Umfangsseite des all­ gemein U-förmigen ersten Tragbalkens 32 bereitgestellt. Die Tragbalken 32 und 33 sind parallel zueinander bereit­ gestellt und definieren eine Lücke dazwischen. Das Paar der Tragbalken 32 und 33 ist mit dem Meßoszillator 30 an einer Endseite davon verbunden, und ist mit einem vorste­ henden Bereich des Basisbereichs 10 an der anderen End­ seite davon verbunden. Der vorstehende Bereich steht von einer inneren Rahmenumfangsoberseite des Basisbereichs 10 hervor.
In den ersten und zweiten Tragbalken 32 und 33 eines jeden Meßtragbalkenbereiches 31 werden die Paare von pa­ rallelen Holmbereichen 32a und 33a in einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung davon deformiert. Dement­ sprechend kann der Meßoszillator 30 ungefähr parallel zu der Substratoberfläche in einer Richtung (der Richtung Y, die in Fig. 1 mittels eines Pfeiles gekennzeichnet ist) oszillieren bzw. schwingen, die allgemein senkrecht zu der Oszillationsrichtung des Antriebsoszillators 20 ist. Die Verbindungsholmbereiche 32b und 33b verbinden jeweils die Paare von parallelen Holmbereichen 32a bzw. 33a an den Enden der Holmbereiche 32a bzw. 33a, und ein tragbal­ kenförmiger Brückenbereich (Verbindungsholm) 34 verbindet die Verbindungsholmbereiche 32b und 33b.
In jedem Tragbalkenbereich 21 und 31, in einer Lücke, die zwischen dem ersten Tragbalken 22, 32 und dem zweiten Tragbalken 23, 33 definiert wird, ist ein Abstand (erste Lücke) W1 zwischen den Verbindungsholmbereichen 22b, 32b und 23b, 33b größer als ein Abstand (zweite Lücke) W2 zwischen den parallelen Holmbereichen 22a, 32a und 23a, 33a. Der Brückenbereich 24 und 34 besitzt vorteilhafter­ weise eine Breite W3, die ungefähr die gleiche ist wie jene des Paars von Tragbalken. Beispielsweise beträgt der Abstand W1 50 µm, und der Abstand W2 10 µm. Weiterhin be­ trägt jede Breite W3 der Tragbalken 22, 23, 32, 33 und der Brückenbereiche 24 und 34 10 µm.
Wie wieder in Fig. 1 zu sehen ist, besitzt der Meßos­ zillator 30 kammförmige Vorsprünge 35, die von dem äuße­ ren Umfangsbereich davon in Richtung des inneren Umfangs­ bereichs des Basisbereichs 10, der dem Meßoszillator 30 zugewandt ist, hervorstehen. Der Basisbereich 10 besitzt kammförmige Vorsprünge 11, die von dem inneren Umfangsbe­ reich davon hervorstehen, derart, daß sie mit den Vor­ sprüngen 35 in Eingriff stehen. Die Vorsprünge 35 und 11 bilden kooperativ einen Elektrodenbereich für die Erfas­ sung bzw. Messung in dem Sensor 100.
Eine Arbeitsweise des Winkelgeschwindigkeitssensors 100 mit der obigen Struktur wird im folgenden erläutert. Als erstes wird der Antriebsoszillator 20 in der in Fig. 1 gezeigten Richtung X mittels eines elektromagnetischen Antriebs, Kapazitätsantriebs oder dergleichen, dessen Konstitution bzw. Struktur nicht gezeigt ist, oszilliert bzw. zum Schwingen gebracht (zur Oszillation angetrieben bzw. Antriebs-oszilliert). Wenn der Sensor 100 mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω um eine Achse herum, die senk­ recht zu dem Papierraum von Fig. 1 steht, während der An­ triebsoszillation beaufschlagt wird, wird in dem Antriebsoszillator 20 eine Corioliskraft in der Richtung Y erzeugt, die senkrecht zu der Richtung der Antriebsos­ zillation ist.
Die Corioliskraft wird von dem Antriebsoszillator 20 zu dem Meßoszillator 30 übertragen, und dementsprechend oszillieren (Messungs-oszillieren) der Antriebsoszillator 20 und der Meßoszillator 30 zusammen in der Richtung Y in Fig. 1. Diese Meßoszillation verändert jeden Abstand zwi­ schen den Vorsprüngen 11 und 35, die einander zugewandt sind. Die Änderung im Abstand wird als eine Änderung in der Kapazität zwischen den Vorsprüngen 11 und 35 über ein Beschaltungselement und dergleichen (nicht gezeigt), die auf dem Basisbereich 10 ausgebildet sind, erfaßt bzw. ge­ messen. Die Winkelgeschwindigkeit Ω kann auf der Grund­ lage der Änderung in der Kapazität erfaßt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht jeder der Tragbalkenbereiche 21 und 31 aus einem Paar von Tragbal­ ken, die parallel zueinander angeordnet sind, während sie von einander getrennt sind, d. h., während sie eine Lücke dazwischen definieren. Deswegen kann jeder Tragbalkenbe­ reich eine hohe Rotationssteifheit besitzen ohne eine Os­ zillation des Oszillators zu verhindern bzw. zu hemmen. Nebenbei bemerkt kann nur ein Verdicken der Tragbalkenbe­ reiche die Rotationssteifheit erhöhen, aber es ist schwierig, die für den Sensor erforderliche Verlagerung bereitzustellen, und es kann die Oszillation der Oszilla­ toren 20 und 30 stören. Die U-förmigen ersten und zweiten Tragbalken 22, 23, 32 und 33 sind nicht an den parallelen Holmbereichen 22a, 23a, 32a und 33a, die in der Oszilla­ tionsrichtung von jedem Oszillator 20, 30 deformiert wer­ den, verbunden, sondern an den Verbindungsholmbereichen 22b, 23b, 32b und 33b, die zu den Oszillationen kaum bei­ tragen. Folglich hemmt bzw. verhindert jeder Tragbalken­ bereich 21 und 31 die Oszillation der Oszillatoren 20 und 30 nicht.
Die Merkmale der Tragbalkenbereiche in der vorliegen­ den Ausführungsform werden unter Bezugnahme auf Fig. 4 ausführlicher erläutert werden. Eine Zielrichtung der Os­ zillation bzw. Oszillationszielrichtung des Oszillators 20 ist in Fig. 4 eine laterale bzw. seitliche Richtung. In einem konventionellen Sensor besteht ein Tragbalkenbe­ reich J1, der den Antriebsoszillator 20 und den Meßoszil­ lator 30 verbindet, aus einem U-förmigen Element, dessen Rotationssteifheit bzw. Steifheit gegenüber Rotationen klein ist. Folglich oszilliert der Antriebsoszillator 20 im Vergleich zu der Oszillationszielrichtung in einer leicht aufwärts geneigten bzw. schrägen Richtung.
Andererseits, gemäß der Tragbalkenstruktur der vor­ liegenden Ausführungsform mit der erhöhten Rotations­ steifheit, kann der Antriebsoszillator 20 in der Oszilla­ tionszielrichtung oszillieren bzw. schwingen. Als eine Folge werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform unnö­ tige Schwingungen verringert und ein Offset bzw. eine Ab­ weichung tritt kaum auf. Das heißt, ein Ausgang bzw. ein Ausgangssignal wird kaum erzeugt wenn die Winkelge­ schwindigkeit Null ist. Der Winkelgeschwindigkeitssensor, der die oben beschriebene Tragbalkenstruktur annimmt bzw. besitzt, kann mit einer hohen Meßgenauigkeit ausgestattet werden.
Weitere Effekte und Merkmale der vorliegenden Erfin­ dung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 5A bis 5D, 6 und 7 erläutert werden. Die Fig. 5A bis 5D zeigen jeweils Proben bzw. Beispiele A bis D, die ver­ wendet werden, um unnötige Oszillationen und Winkelge­ schwindigkeiten zu berechnen. Probe A ist ein konventio­ neller Tragbalkenbereich und Probe B ist ein Tragbalken, der in "A Precision Yaw Rate Sensor in Silicon Micro­ machining", TRANSDUCERS'97, Seiten 847-850, 1997 IEEE, offenbart ist. Die Proben C und D sind Tragbalkenbereiche gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Tragbalkenbereich von Probe D besitzt einen Brückenbereich mit einer Länge, die länger als jene von Probe C ist. Fig. 6 zeigt die un­ nötigen Oszillationen der Proben A bis D. Fig. 6 ent­ hüllt, daß die unnötige Oszillation bei den Proben B, C und D im Vergleich zu jener von Probe A in einem großen Ausmaß verringert werden kann.
Fig. 7 zeigt die unnötigen Oszillationen der Proben B, C und D, nur um die Probe B, C und D genau zu verglei­ chen. Die Fig. 6 und 7 enthüllen, daß die Proben C und D effektiver darin sind, eine unnötige Oszillation zu verhindern bzw. zu hemmen als Probe B, und Probe D mit einer längeren Brückenbereichslänge als Probe C ist ef­ fektiver darin, eine unnötige Oszillation bzw. Schwingung zu verhindern als Probe C.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist in jedem Tragbalkenbereich 21 und 31 der Abstand W1 zwischen den Verbindungsholmbereichen größer als der Abstand W2 zwi­ schen den parallelen Holmbereichen. Dementsprechend kann der Brückenbereich 24 und 34 hinreichend verlängert bzw. lang gemacht werden. Als eine Folge kann ein Unterschied in der Verlagerung zwischen den parallelen Holmbereichen des ersten Tragbalkens und den parallelen Holmbereichen des zweiten Tragbalkens leicht absorbiert bzw. aufgefan­ gen werden, derart, daß die Oszillation des Oszillators nicht verhindert bzw. gehemmt wird.
Der Effekt infolge bzw. aufgrund der Länge des Brückenbereiches wurde weiter untersucht. Insbesondere (siehe Fig. 8) wurde eine unnötige Oszillation bzw. Schwingung in Bezug auf bzw. in Abhängigkeit von einem Verhältnis WA/WB aus der Länge WA des Brückenbereiches relativ zu dem Abstand WB zwischen den parallelen Holmbe­ reichen bewertet bzw. abgeschätzt. Die Ergebnisse sind in Fig. 9 gezeigt. Gemäß der Figur ist der Effekt zum Ver­ hindern einer unnötigen Oszillation, wenn WA/WB ungefähr 5 oder mehr ist, bemerkenswert groß, im Vergleich zu dem Fall, wenn WA/WB 1 ist. Der Effekt geht fast in die Sät­ tigung, wenn WA/WB 5 übersteigt. Folglich ist es hinrei­ chend, wenn das Längenverhältnis WA/WB ungefähr 5 oder mehr ist.
Andererseits, falls der Brückenbereich zu dick ist, wird die Fixierung bzw. Verbindung zwischen dem Paar von Tragbalken zu stark. Der dicke Brückenbereich kann die Oszillation stören. Falls der Brückenbereich zu dünn ist, ist es schwierig, ihn herzustellen. Folglich besitzt je­ der der Brückenbereiche 24 und 34 vorteilhafterweise eine Breite, die ungefähr gleich zu jener von jedem der Trag­ balken 22, 23, 32 und 33 ist.
Als nächstes wird der Effekt aufgrund von bzw. in­ folge der Form der Verbindungsholmbereiche unter Bezug­ nahme auf die Fig. 10A, 10B und 11 erläutert werden. Die Fig. 10A bzw. 10B zeigt die Probe E bzw. F, die beide die Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung annehmen bzw. besitzen. Bei der Probe E besitzen die Verbindungs­ holmbereiche, die durch den Brückenbereich verbunden sind, im wesentlichen dieselbe Breite wie jene des Brückenbereiches. Bei der Probe F besitzt der äußere der Verbindungsholmbereiche eine Breite, die größer ist als jene des inneren Verbindungsholmbereiches. Die unnötigen Oszillationen der Proben E und F sind in Fig. 11 gezeigt.
Gemäß der Figur sollten der äußere Verbindungsholmbe­ reich und der innere Verbindungsholmbereich vorteilhaf­ terweise ungefähr die gleiche Breite besitzen. Das heißt, es ist vorteilhaft, daß der Brückenbereich mit den äuße­ ren und inneren Verbindungsholmbereichen verbunden ist, die ungefähr dieselbe Breite besitzen. Weiterhin, falls einer der Verbindungsholmbereiche einen dicken Bereich besitzt, wird eine Masse des Tragbalkenbereiches erhöht. Die Zunahme an Masse kann eine unnötige Oszillation nach­ teilig beeinflussen.
Übrigens teilt in jeden Tragbalkenbereich der vorlie­ genden Erfindung der Brückenbereich eine Lücke (einen Raum), der zwischen dem Paar von Tragbalken definiert wird, in zwei Lücken auf, die jede eine allgemeine L-Form besitzen. Da der Brückenbereich die zwei Verbindungsholm­ bereiche allgemein bei bzw. an jedem Zentrum der Verbin­ dungsholmbereiche verbindet, sind die zwei L-förmigen Lücken symmetrisch in Bezug auf den Brückenbereich ange­ ordnet. Dementsprechend kann der Unterschied in der Ver­ lagerung zwischen den ersten und zweiten Tragbalken ef­ fektiver absorbiert bzw. aufgefangen werden. Der Brücken­ bereich besitzt vorteilhafterweise eine Breite, die von dem ersten Tragbalken bis hin zu dem zweiten Tragbalken konstant bleibt.
Der Effekt der vorliegenden Ausführungsform wird im folgenden unter Bezugnahme auf die in Fig. 12 gezeigten weiteren experimentellen Ergebnisse weiter erläutert wer­ den. In Fig. 12 sind Breiten bzw. Ausschläge der unnöti­ gen Oszillation der Tragbalkenbereiche des vorliegenden Winkelgeschwindigkeitssensors 100 und eines konventio­ nellen Winkelgeschwindigkeitssensors in Bezug auf Verar­ beitungsfehler gekennzeichnet. Der vorliegende Winkelge­ schwindigkeitssensor 100 besitzt die Tragbalkenbereiche, von denen jeder die Abmessungen W1 bis W3 besitzt, die oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert wurden. Der konventionelle Winkelgeschwindigkeitssensor besitzt Trag­ balkenbereiche, von denen jeder aus einem U-förmigen Tragbalken J1 besteht, der in Fig. 4 gezeigt ist und eine Breite von 15 µm besitzt. Wie in Fig. 12 gezeigt ist, kann eine unnötige Oszillation gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu der konventionellen (durchgezogene Linie) sogar in einem Fall beträchtlich verringert werden, in dem ein Verarbeitungsfehler groß ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die vorhergehenden bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, wird es für Fachleute offen­ sichtlich sein, daß Änderungen in Form und Detail daran gemacht werden können, ohne vom Anwendungsbereich der Er­ findung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.
Beispielsweise besteht in der vorliegenden Ausfüh­ rungsform jeder der Antriebstragbalkenbereiche 21 und der Meßtragbalkenbereiche 31 aus einem Paar von Tragbalken, die parallel zueinander angeordnet und getrennt voneinan­ der sind. Jedoch kann einer von den Tragbalkenbereichen 21 und den Tragbalkenbereichen 31 die oben beschriebene Struktur übernehmen bzw. besitzen. Das heißt, nur die Tragbalkenbereiche 21 können die Struktur gemäß der vor­ liegenden Erfindung annehmen bzw. besitzen, oder nur die Tragbalkenbereiche 31 können die Struktur gemäß der vor­ liegenden Erfindung übernehmen bzw. besitzen. Die vorlie­ gende Erfindung kann auf Halbleitersensoren für eine phy­ sikalische Größe wie z. B. einen Beschleunigungssensor an­ gewendet werden, zusätzlich zu dem Winkelgeschwindig­ keitssensor.
Zusammengefaßt besitzt ein Halbleiterwinkelgeschwin­ digkeitssensor einen rahmenförmigen Basisbereich 10, ei­ nen Meßoszillator 30, der mit dem Basisbereich 10 über einen Meßtragbalkenbereich 31 verbunden ist, und einen Antriebsoszillator 20, der mit dem Meßoszillator 30 über einen Antriebstragbalkenbereich 21 verbunden ist. Jeder der Tragbalkenbereiche 21, 31 besitzt ein Paar von Trag­ balken 22, 23, 32, 33, von denen jeder eine allgemeine U-Form besitzt und die miteinander über einen Brückenbe­ reich 24, 34 verbunden sind. Demgemäß können die Tragbal­ kenbereiche 21, 31 eine große Rotationssteifheit bzw. Steifheit gegenüber Rotationen besitzen, derart, daß sie Oszillationen bzw. Schwingungen der Oszillatoren 20, 30 nicht verhindern bzw. hemmen.

Claims (21)

1. Halbleitersensor für eine physikalische Größe zum Messen einer physikalischen Größe, wobei der Sensor aufweist:
einen Basisbereich (10);
einen Oszillator (20, 30), der in einer spezifischen Richtung oszilliert, um eine daran angelegte physika­ lische Größe zu erfassen; und
einen Tragbalkenbereich (21, 31), der den Basisbe­ reich (10) und den Oszillator (20, 30) verbindet, wo­ bei der Tragbalkenbereich (21, 31) aus ersten und zweiten Tragbalken (22, 23, 32, 33), die parallel zu­ einander und getrennt voneinander angeordnet sind, und einem Brückenbereich (24, 34), der die ersten und zweiten Tragbalken (22, 23, 32, 33) verbindet, be­ steht.
2. Der Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:
der erste Tragbalken (22, 32) eine allgemeine U-Form besitzt;
der zweite Tragbalken (23, 33) eine allgemeine U-Form besitzt und an einer äußeren Umfangsseite des ersten Tragbalkens angeordnet ist, derart, daß er eine Lücke dazwischen definiert;
jeder der ersten Tragbalken und der zweiten Tragbal­ ken aus einem Paar von parallelen Holmbereichen (22a, 23a, 32a, 33a), die in der spezifischen Richtung, in der der Oszillator (20, 30) oszilliert, deformierbar sind, und einem Verbindungsholmbereich (23b, 33b), der das Paar von parallelen Holmbereichen (22a, 23a, 32a, 33a) verbindet, besteht; und
der Brückenbereich (24, 34) den Verbindungsholmbe­ reich des ersten Tragbalkens und den Verbindungsholm­ bereich des zweiten Tragbalkens verbindet.
3. Der Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine er­ ste Lücke (W1, WA), die zwischen dem Verbindungsholm­ bereich des ersten Tragbalkens und dem Verbindungs­ holmbereich des zweiten Tragbalkens definiert wird, größer ist als eine zweite Lücke (W2, WB), die zwi­ schen einem von dem Paar von parallelen Holmbereichen des ersten Tragbalkens und einem von dem Paar von parallelen Holmbereichen des zweiten Tragbalkens de­ finiert wird.
4. Der Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ver­ hältnis (WA/WB) der ersten Lücke in Bezug auf die zweite Lücke größer als ungefähr 5 ist.
5. Der Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Breite (W3) des Brückenberei­ ches im wesentlichen gleich einer Breite (W3) von je­ dem der ersten und zweiten Tragbalken ist.
6. Halbleitersensor für eine physikalische Größe zum Messen einer physikalischen Größe, wobei der Sensor aufweist:
einen Basisbereich (10);
einen Oszillator (20, 30), der in einer spezifischen Richtung oszilliert, um eine daran angelegte physika­ lische Größe zu erfassen; und
einen Tragbalkenbereich (21, 31), der den Basisbe­ reich (10) und den Oszillator (20, 30) verbindet, wo­ bei der Tragbalkenbereich (21, 31) aus ersten und zweiten Tragbalken (22, 23, 32, 33), die parallel zu­ einander und getrennt voneinander angeordnet sind, derart, daß sie eine Lücke dazwischen definieren, und einem Verbindungsholm (24, 34), der die ersten und zweiten Tragbalken (22, 23, 32, 33) verbindet, beste­ hen, wobei der Verbindungsholm (24, 34) die Lücke in erste und zweite Lücken aufteilt, von denen jede eine allgemeine L-Form besitzt, wobei die ersten und zwei­ ten Lücken symmetrisch zueinander in Bezug auf den Verbindungsholm (24, 34) sind.
7. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß:
jeder der ersten und zweiten Tragbalken (22, 23, 32, 33) einen ersten Teil (22a, 23a, 32a, 33a), der sich in einer Richtung erstreckt, die ungefähr senkrecht zu der spezifischen Richtung ist, und einen zweiten Teil (23b, 33b), der sich in der spezifischen Rich­ tung erstreckt und mit dem Verbindungsholm (24, 34) verbunden ist, besitzt; und
der zweite Teil des ersten Tragbalkens eine Breite (W3) besitzt, die ungefähr gleich zu einer Breite (W3) des zweiten Teils des zweiten Tragbalkens ist.
8. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbin­ dungsholm eine Breite (W3) besitzt, die von dem zwei­ ten Teil des ersten Tragbalkens bis hin zu dem zwei­ ten Teil des zweiten Tragbalkens konstant ist.
9. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbin­ dungsholm eine Breite (W3) besitzt, die von dem er­ sten Tragbalken bis hin zu dem zweiten Tragbalken konstant ist.
10. Halbleitersensor für eine physikalische Größe zum Messen einer physikalischen Größe, wobei der Sensor aufweist:
einen Basisbereich (10);
einen Oszillator (20, 30), der in einer spezifischen Richtung oszilliert, um eine daran angelegte physika­ lische Größe zu erfassen; und
einen Tragbalkenbereich (21, 31), der erste und zweite Tragbalken (22, 23, 32, 33), von denen jeder den Basisbereich (10) und den Oszillator (20, 30) verbindet, derart, daß dazwischen eine geschlossene Lücke ausgebildet wird, und einen Brückenbereich (24, 34), der die ersten und zweiten Tragbalken (22, 23, 32, 33) verbindet, derart, daß die geschlossene Lücke in erste und zweite Lücken aufgeteilt wird, umfaßt, wobei jede der ersten und zweiten Lücken einen ersten Lückenteil umfaßt, der sich in einer Richtung er­ streckt, die ungefähr senkrecht zu der spezifischen Richtung ist, und wobei der Brückenbereich eine Länge (W1) besitzt, die größer als eine Breite (W2) des er­ sten Lückenteiles ist.
11. Der Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die er­ sten und zweiten Lücken symmetrisch zueinander in Be­ zug auf den Brückenbereich (24, 34) sind.
12. Der Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach irgendeinem der Ansprüche 10 und 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede der ersten und zweiten Lücken eine allgemeine L-Form besitzt.
13. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede der ersten und zweiten Lücken einen ersten Lückenteil und einen zweiten Lückenteil besitzt, der mit dem ersten Lückenteil in Verbindung steht und sich senkrecht zu dem ersten Lückenteil er­ streckt, wobei der zweite Lückenteil eine Breite (W1) besitzt, die durch die Länge des Brückenbereiches be­ stimmt wird.
14. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhält­ nis aus der Breite des zweiten Lückenteiles in Bezug auf die Breite des ersten Lückenteiles größer als un­ gefähr 5 ist.
15. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder der ersten und zweiten Tragbalken eine allgemeine rechtwinkelige Ecke besitzt.
16. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Brückenbereich eine Breite besitzt, die zwischen den ersten und zweiten Tragbalken kon­ stant ist.
17. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Brückenbereiches ungefähr gleich zu jener der er­ sten und zweiten Tragbalken ist.
18. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Verhältnis aus der Länge des Brückenbereiches relativ zu der Breite des ersten Lückenteiles größer als ungefähr 5 ist.
19. Halbleitersensor für eine physikalische Größe zum Messen einer physikalischen Größe, wobei der Sensor aufweist:
einen Basisbereich (10);
einen Oszillator (20, 30), der in einer spezifischen Richtung oszilliert, um eine daran angelegte physika­ lische Größe zu erfassen;
einen Tragbalkenbereich (21, 31), der erste und zwei­ te Tragbalken (22, 23, 32, 33), von denen jeder den Basisbereich (10) und den Oszillator (20, 30) verbin­ det, derart, daß dazwischen eine geschlossene Lücke ausgebildet wird, und einen Brückenbereich (24, 34), der die ersten und zweiten Tragbalken (22, 23, 32, 33) verbindet, derart, daß die Lücke in erste und zweite Lücken aufgeteilt wird, umfaßt, wobei der Brückenbereich (24, 34) eine Breite (W3) besitzt, die zwischen den ersten und zweiten Tragbalken ungefähr konstant ist.
20. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jede der er­ sten und zweiten Lücken einen ersten Lückenteil, der sich in einer Richtung erstreckt, die ungefähr senk­ recht zu der spezifischen Richtung ist, und einen zweiten Lückenteil, der mit dem ersten Lückenteil in Verbindung steht und sich in der spezifischen Rich­ tung erstreckt, derart, daß er dem Brückenbereich zu­ gewandt ist, besitzt.
21. Halbleitersensor für eine physikalische Größe nach irgendeinem der Ansprüche 19 und 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Breite des Brückenbereiches unge­ fähr gleich einer Breite von einem der ersten und zweiten Tragbalken ist.
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