DE4316279A1

DE4316279A1 - Halbleiter-Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE4316279A1
Application number: DE4316279A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Yokota; Shotoro Naito; Toshihiko Suzuki; Akira Koide
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1993-11-18
Also published as: JPH05312829A; US5567880A; JP2776142B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Beschleuni gungsmesser und, im besonderen, auf einen Halbleiter-Beschleunigungs messer, der z. B. geeignet ist zum Betätigen eines Luftsackes bzw. Airbags in einem Motorfahrzeug und zum Steuern eines Motorfahrzeuges.

Fig. 17 veranschaulicht ein Beispiel eines Halbleiter-Beschleunigungs messers vom Kapazitanztyp, wie in der US-Patent-Nr. 5,095,752 veran schaulicht, worin ein Gewicht 5 zum Fühlen einer Beschleunigung in einer Siliziumplatte 1 gebildet ist durch Ätzen, während es von einem Auslegerabschnitt 10 getragen wird, der mit dem äußeren Rahmenab schnitt der Siliziumplatte 1 verbunden ist, wobei die Siliziumplatte 1 zwischen Glasplatten 4 und 9 mit einem verbindenden Material angeord net ist, wobei stationäre Elektroden 13 auf den jeweiligen den zwei hauptsächlichen Oberflächen des Gewichtes 5 gegenüberliegenden Ober flächen gebildet sind, was als bewegliche Elektrode in Antwort auf eine Beschleunigung, die darauf wirkt, dient und wobei eine Kapazitanzände rung, die dadurch verursacht wird, zu einer signalverarbeitenden Einheit (nicht gezeigt) über Bondierflächen 8 übertragen wird.

In dem obigen Halbleiter-Beschleunigungsmesser vom Kapazitanztyp ist der Schwerpunkt, angezeigt durch einen Stern, des Gewichtes 5 so entworfen, daß er auf einer parallelen Ebene angeordnet ist, die eine zentrale Linie in der Richtung der Dicke des Auslegerabschnittes 10 enthält.

JP-3-214 064(1991) offenbart ebenfalls einen Halbleiter-Beschleunigungs messer; der Piezo-Widerstände zum Erfassen einer Beschleunigung be nutzt, und der eine ähnliche Gewichtskonfiguration hat wie die obige.

Bei dem obigen konventionellen Stand der Technik wurde der Massen abschnitt, der das Gewicht zum Erfühlen einer Beschleunigung darstellt, gebildet durch Verarbeiten der Siliziumplatte selbst, und ein mikroskopi sches Verarbeiten, das eine doppelte Seitenausrichtung von mehreren Malen benutzt, war erforderlich, daher war es schwierig, solche Halblei ter-Beschleunigungsmesser mit einer ausreichenden Verarbeitungsgenau igkeit herzustellen. Aus diesem Grunde war eine Massenproduktion solcher Halbleiter-Beschleunigungsmesser schwierig.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiter-Beschleuni gungsmesser bereitzustellen, der eine Massenproduktion mit einer aus reichenden Verarbeitungsgenauigkeit erlaubt, und der entworfen ist, um Beschleunigungen zu erfassen, die sich von einer kleinen Beschleunigung, notwendig für eine Motorfahrzeugkarosseriesteuerung, bis zu einer Be schleunigung von ungefähr 100 G erstrecken.

Das obige Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch einen Halbleiter- Beschleunigungsmesser erreicht, der einen Rahmenabschnitt hat, der auf einem Objekt zum Erfassen befestigt werden soll, einen Massenabschnitt, der eine Beschleunigung des Objektes zur Erfassung in eine Trägheits kraft umwandelt und einen Membranabschnitt, der zwischen dem Rah menabschnitt und dem Massenabschnitt überbrückt, worin ein Metallfilm zum Bereitstellen einer zusätzlichen Masse gebildet ist auf zumindest einer Oberfläche des Massenabschnitts.

Weiterhin wird das obige Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht durch einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser, der einen Rahmenabschnitt hat, der auf einem Objekt zur Erfassung befestigt werden muß, einen Mas senabschnitt, der eine Beschleunigung des Objektes zur Erfassung in eine Trägheitskraft umwandelt und einen Membranabschnitt, der zwischen dem Rahmenabschnitt und dem Massenabschnitt überbrückt, worin ein Metall film zum Bereitstellen einer zusätzlichen Masse gebildet ist auf sowohl den oberen als auch den unteren Oberflächen des Massenabschnittes.

Noch weiter wird das obige Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht durch einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser; der einen Rahmenabschnitt hat, der auf einem Objekt zur Erfassung befestigt werden muß, einen Massenabschnitt, der eine Beschleunigung des Objektes zur Erfassung in eine Trägheitskraft umwandelt und einen Membranabschnitt, der zwischen dem Rahmenabschnitt und dem Massenabschnitt überbrückt, worin eine zusätzliche Masse, die eine höhere Dichte hat als die des Massenab schnittes, bereitgestellt ist auf zumindest einer Oberfläche des Massen abschnittes.

Das obige Ziel der vorliegenden Erfindung wird erreicht durch einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser; der einen Rahmenabschnitt hat, der auf einem Objekt zur Erfassung befestigt werden muß, einen Massenabschnitt, der eine Beschleunigung des Objektes zur Erfassung in eine Trägheits kraft umwandelt und einen Membranabschnitt, der zwischen dem Rah menabschnitt und dem Massenabschnitt überbrückt, worin eine zusätzliche Masse angeordnet ist auf zumindest einer Oberfläche des Massenabschnit tes auf eine solche Weise, daß der Schwerpunkt des Gewichtes, das aus dem Massenabschnitt und der zusätzlichen Masse gebildet ist, sich auf einer parallelen Ebene befindet, die eine zentrale Linie in der Richtung der Dicke des Membranabschnittes enthält.

Bei der vorliegenden Erfindung ist das Gewicht zum Erfühlen einer Beschleunigung aus einer Kombination des Massenabschnittes, gebildet durch tiefes Ätzen der Siliziumplatte, und einer zusätzlichen Masse, gebildet auf dem Massenabschnitt, aufgebaut, wobei das konventionelle mikroskopische Verarbeiten, das eine doppelte Seitenausrichtung von mehreren Malen erfordert, beseitigt ist, wodurch ein Halbleiter-Beschleu nigungsmesser erhalten wird, der eine hohe Verarbeitungsgenauigkeit hat. Weiter ist die Dichte und die Konfiguration der zusätzlichen Masse, die auf dem Massenabschnitt gebildet ist, so ausgewählt, daß der Schwer punkt des Gewichtes, das durch den Massenabschnitt und die zusätzliche Masse gebildet wird, sich auf einer parallelen Ebene befindet, die eine zentrale Linie in der Richte der Dicke des Membranabschnittes enthält, wodurch die Nullpunktkompensation von Ausgaben von dem resultieren den Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung erleichtert wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen den Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeich nung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Draufsicht des Halbleiter-Beschleunigungsmessers, gezeigt in Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht, die ein zweites Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht, die ein drittes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm, angewandt auf die Halbleiter-Beschleuni gungsmesser; die in Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 4 gezeigt sind, zum Ver arbeiten von Signalen von einer Brückenschaltung aus Piezo-Widerstands elementen, die auf dem Halbleiter-Beschleunigungsmesser gebildet sind;

Fig. 6(a) eine Draufsicht, die schematisch das Layout der Schaltungs elemente, gezeigt in Fig. 5, auf einem Halbleitersubstrat veranschaulicht;

Fig. 6(b) eine Querschnittsansicht des Halbleitersubstrates, gezeigt in Fig. 6(a).

Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsansicht des eingekreisten Abschnittes in Fig. 6(b);

Fig. 8 ein Schaltungsdiagramm zum Verarbeiten von Signalen von drei Sätzen von Halbleiter-Beschleunigungsmesser; gezeigt in einer der Fig. 1, 3 und 4, zum Bestimmen dreidimensionaler Beschleunigung;

Fig. 9 eine Querschnittsansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Kapazitanztyp gemäß der vor liegenden Erfindung zeigt;

Fig. 10 eine Querschnittsansicht, die ein zweites Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Kapazitanztyp gemäß der vor liegenden Erfindung zeigt;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht, die ein drittes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Kapazitanztyp zum Erfassen einer dreidimensionalen Beschleunigung zeigt, und die einstückig gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist;

Fig. 12 ein Schaltungsdiagramm zum Verarbeiten von Signalen von dem Halbleiter-Beschleunigungsmesser vom Kapazitanztyp, gezeigt in Fig. 11, zum Bestimmen dreidimensionaler Beschleunigung;

Fig. 13 eine Draufsicht, die ein viertes Ausführungsbeispiel eines Halblei ter-Beschleunigungsmessers vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vor liegenden Erfindung zeigt;

Fig. 14 eine Draufsicht, die ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Halblei ter-Beschleunigungsmessers vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vor liegenden Erfindung zeigt;

Fig. 15 einen Nichtlinearitäts-Fehler eines Halbleiter-Beschleunigungs messers ohne eine das Massenzentrum einstellende Messung bezüglich der Variation einer Beschleunigungskomponente längs der Erfassungs achse;

Fig. 16 einen Nichtlinearitäts-Fehler eines Halbleiter-Beschleunigungs messers mit einer das Massenzentrum einstellenden Messung gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich der Variation einer Beschleunigungs komponente längs der Erfassungsachse; und

Fig. 17 eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Beschleunigungsmessers vom konventionellen Kapazitanztyp.

Ein erstes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 1 und 2 erklärt.

Ein Massenabschnitt 5, ein Rahmenabschnitt 3 und ein Membranabschnitt 6, der zwischen dem Massenabschnitt 5 und dem Rahmenabschnitt 3 überbrückt, für einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser vom Piezo-Wider standstyp ist gebildet von einer einzelnen kristallinen Siliziumplatte 1 durch tiefes Ätzen derselben. Die Bewegung des Massenabschnittes 5 in Antwort auf eine Beschleunigung ist in Kombination mit der Länge und Dicke des Membranabschnittes 6 ausbalanciert. Weiter ist das Ausbalan cieren gesteuert über eine Kombination des Massenabschnittes 5 und einen zusätzlichen Metallfilm 7, der auf dem Massenabschnitt 5 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gebildet ist. Piezo-Widerstandselemente 21, 22, 23 und 24 sind an vorbestimmten Positionen auf einer Haupt oberfläche des Membranabschnittes 6 gebildet.

Bei einem konventionellen Halbleiter-Beschleunigungsmesser vom Kapazi tanztyp, wie in Fig. 17 veranschaulicht, ist der Massenabschnitt auf solch eine Weise geformt, daß der Schwerpunkt des Massenabschnittes, wie durch einen Stern gezeigt, auf einer parallelen Ebene positioniert ist, die das Zentrum in der Richtung der Dicke des Auslegers 10 enthält, in anderen Worten, die Zentrumslinie des Massenabschnittes 5 in der Richtung der Dicke davon, ist mit der des Auslegers 10 in seiner Rich tung der Dicke ausgerichtet, um eine Linearität oder Hysterese und eine Empfindlichkeit von Ausgaben des Halbleiter-Beschleunigungsmesser in vorbestimmten Pegeln zu halten.

Jedoch erforderte die Konfiguration des Massenabschnittes 5, wie in Fig. 17 gezeigt, eine doppelte Seitenausrichtung von vier bis fünf Malen zum Durchführen eines photolithografischen Prozesses auf einem Halbleiter- Wafer; was ein sehr komplexes mikroskopisches Verarbeiten ist, und machte es sehr schwierig, eine vorbestimmte Genauigkeit der Abmessun gen an beiden Seiten des Wafers aufrecht zu halten.

Weiter, obwohl Einzelseitenausrichter vom Schritt-Typ im allgemeinen zum Herstellen von Halbleitern benutzt werden, wie z. B. Integration von ultragroßem Maßstab, gibt es keine Doppelseitenausrichter vom Schritt- Typ, weswegen ein Doppelseitenausrichter vom Kontakttyp, der ungeeig net zur Massenproduktion, z. B. zum Bilden von hunderten von Chips auf einzelnen Wafern, ist, für die Produktion von Halbleiter-Beschleunigungs messern benutzt werden mußte, die die obige Konfiguration hatten, die ein hochgenaues Musterabstimmen von einigen Malen sowohl auf den Vorder- als auch den Rückseiten des Wafers erfordert.

Im Gegensatz zu Leistungshalbleitern, wie z. B. GTO-Thyristoren, die über eine Doppelseitenbelichtung auf einem Wafer; der einen einzelnen Chip darstellt, konfiguriert werden durch Verwendung eines Doppelseitenaus richters vom Kontakttyp, müssen mehrere Hundert Halbleitersensoren, wie z. B. Halbleiter-Beschleunigungsmesser; die eine dreidimensionale Kon figuration haben, in einer Form von Chips auf einem Einzelwafer gebil det werden, weswegen der Doppelseitenausrichter und der Prozeß, der zum Produzieren der Leistungshalbleiter benutzt wird, kaum benutzt werden können zum Produzieren von Halbleitersensoren, außerdem variieren einfallende Winkel und Aberration eines Belichtungslichtes auf einem Chip an dem Zentrum des Wafers und auf einem Chip an dem Kantenabschnitt des Wafers signifikant, wodurch eine Genauigkeit des belichteten Musters auf jeweiligen Chips exponentiell verschlechtert ist durch viele Male der Doppelseitenausrichtungsoperationen, was eine Massenproduktion von Halbleiter-Beschleunigungsmessern, die eine Kon figuration haben, die eine Vielzahl von Doppelseitenausrichtungsoperatio nen erfordert, verhindert.

Jedoch wird das Formen der Siliziumplatte 1, wie in Fig. 1 gezeigt, mit einer Doppelseitenausrichtung von nur einem Mal, wie konventionelle Halbleiter-Drucksensoren, die heutzutage massenproduziert werden, ausge führt, weiterhin wird ein Tiefätzprozeß von einer Seite des Wafers ebenfalls nur ein Mal erfordert, um die Konfiguration zu vervollständi gen. Weiter; um die vorbestimmten Sensorcharakteristiken, wie z. B. Linearität der Ausgabe und Empfindlichkeit, aufrecht zu erhalten, ist der zusätzliche Metallfilm 7, der aus so etwas wie Au gemacht ist, und der ein entsprechendes Gewicht zu dem des Massenabschnittes 5 hat, der durch Tiefätzen gebildet ist, gebildet auf dem Massenabschnitt 5 auf solch eine Weise, daß der Schwerpunkt des Gewichtes, das in Kom bination des Massenabschnittes 5 und des zusätzlichen Metallfilmes 7 gebildet ist, auf einer parallelen Ebene angeordnet ist, die eine zentrale Linie des Membranabschnittes 6 in der Richtung der Dicke enthält.

Die so konfigurierte Siliziumplatte 1 ist nach Augenmaß auf einer niedri geren Seitenglasplatte 4 gearbeitet, wie z. B. durch anodisches Verbinden, um Montieren auf den Halbleiter-Beschleunigungsmesser zu erleichtern.

Wenn eine Chipgröße des Halbleiter-Beschleunigungsmessers, wie z. B. in Fig. 2 gezeigt, reduziert ist auf ein Quadrat von einigen mm wie z. B. 3 mm², um ein begrenztes Gewicht des Massenabschnittes zu haben, muß die Dicke, z. B., des Membranabschnittes 6 reduziert werden, so daß das begrenzte Gewicht auf Beschleunigung antworten kann, jedoch kann die Dicke des Membranabschnittes 6 nicht unter eine vorbestimmte Dicke zum Aufrechterhalten der mechanischen Festigkeit reduziert werden.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleuni gungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfin dung, das die Notwendigkeit der Reduktion der Dicke des Membran abschnittes 6, wie oben erklärt, eliminiert, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 und Fig. 2 durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei dem Aus führungsbeispiel von Fig. 3 ist ein zweiter zusätzlicher Metallfilm 11 auf der Rückseite des Massenabschnittes 5 ausgebildet und die Dicke des ersten zusätzlichen Metallfilmes 7 ist bestimmt, um das kombinierte Gewicht des Massenabschnittes 5 und des zweiten zusätzlichen Metall filmes 11 zu kompensieren.

Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleuni gungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfin dung, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie im Ausführungs beispiel von Fig. 1 und Fig. 2 durch die gleichen Bezugszeichen gekenn zeichnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 ist eine Ausspa rung 16 bereitgestellt auf der Rückfläche des Massenabschnittes 5 zum Einstellen des Gewichtes und des Gleichgewichtes, gebildet in Kombina tion von dem Massenabschnitt 5 und dem ersten zusätzlichen Metallfilm 7.

Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm, daß eine Brückenschaltung 2 umfaßt, die durch Dehnungsmeßstreifen vom Piezo-Widerstands- oder Diffusions typ 21, 22, 23 und 24 aufgebaut ist, die auf dem Membranabschnitt 6 des Halbleiter-Beschleunigungsmessers, wie z. B. in Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigt, gebildet ist und eine Signalverarbeitungsschaltung 40 für Signale von der Brückenschaltung.

Fig. 6(a) ist eine Draufsicht, die ein Layout von den Schaltungselemen ten, die in Fig. 5 gezeigt sind, veranschaulicht, und die auf einem ge meinsamen Halbleitersubstrat 1 gebildet sind für den Halbleiter-Beschleu nigungsmesser; wie in Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigt, und für die Signalver arbeitungsschaltung 40 zum Verarbeiten der Signale von der Brücken schaltung 2, gebildet auf dem Halbleiter-Beschleunigungsmesser-Abschnitt.

Fig. 6(b) ist eine Querschnittsansicht des integrierten Halbleiterkörpers, gezeigt in Fig. 6(a).

Fig. 7 ist eine vergrößerte und detaillierte Querschnittsansicht des einge kreisten Abschnittes aus Fig. 6(b), worin zusätzlich zu den Piezo-Wider ständen 21 bis 24 ein paralleler Widerstand für einen Verstärker und ein npn-Transistor für den Verstärker in der Signalverarbeitungsschaltung 40 veranschaulicht sind.

Fig. 8 ist ein Schaltungsdiagramm zum Bestimmen von dreidimensionalen Beschleunigen V₁, V₂ und V₃ in x-, y- und z-Richtungen durch Ver wenden von drei Sätzen von Brückenschaltungen 2, 2′ und 2′′, die eine Erfassungseinheit 30 bilden. Die Signalverarbeitungsschaltung 40 ist eine gewöhnliche, die eine verstärkende Einheit 41, eine PWM-Einheit 42, eine Verarbeitungs- und Ausgabe-Einheit 43, einen Oszillator 44 und einen Takterzeuger 45, der Taktsignale Φ₁ bis Φ₅ zum Phasenverschieben der Erfassungssignale von den jeweiligen Brückenschaltungen 2, 2′ und 2′′ erzeugt, umfaßt.

Fig. 9 ist ein erstes Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungs messern vom Kapazitanztyp gemäß der vorliegenden Erfindung, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie die, gezeigt in Fig. 17, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 9 ist der Massenabschnitt 5 durch Tiefätzen der Siliziumplatte 1 von einer Seite gebildet und der zusätzliche Metallfilm 7 ist auf der anderen Seite des Massenabschnittes 5 auf die gleiche Weise wie in dem Aus führungsbeispiel, das in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, gebildet, wodurch das mikroskopische Verarbeiten zum Konfigurieren der Siliziumplatte 1 erleichtert ist.

Fig. 10 ist ein zweites Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleuni gungsmessern vom Kapazitanztyp gemäß der vorliegenden Erfindung, worin ähnliche oder äquivalente Elemente wie die, die in Fig. 17 gezeigt sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Im Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 10 ist der zweite zusätzliche Metallfilm 11 auf der Rückfläche des Massenabschnittes 5 zusätzlich zu dem ersten zusätzlichen Metallfilm 7 auf die gleiche Weise wie in dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 3 gezeigt ist, bereitgestellt.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise aufgebrochen ist, von einem dritten Ausführungsbeispiel von Halbleiter-Beschleunigungs messern vom Kapazitanztyp, das vier Halbleiter-Beschleunigungsmesser einheiten umfaßt, die einstückig zum Erfassen dreidimensionaler Beschleu nigung gebildet sind, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie in. Fig. 9 durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, und wobei die obere Glasplatte 9 entfernt ist zur klaren Veranschaulichung der Struktur.

Fig. 12 ist eine Signalverarbeitungsschaltung 50 der Signale ϕ₁ bis ϕ₄ von dem Halbleiter-Beschleunigungsmesser vom Kapazitanztyp, der in Fig. 11 gezeigt ist, und der vier Halbleiter-Beschleunigungsmessereinheiten C₁, C₂, C₃ und C₄ hat zum Bestimmen dreidimensionaler Beschleunigungen V₁, V₂ und V₃ in x-, y-, z-Richtungen. Die Signalverarbeitungsschaltung 50 ist eine gewöhnliche, die eine ΔC-Erfassungs-Einheit 51 umfaßt, eine ver stärkende Einheit 52, eine PWM-Einheit 53, eine Verarbeitungs- und Ausgabe-Einheit 54, einen Oszillator 55 und einen Takterzeuger; der Taktsignale Φ₁ bis Φ₅ zum Phasenverschieben der Erfassungssignale ϕ₁ bis ϕ₄ von den jeweiligen Halbleiter-Beschleunigungsmessern C₁ bis C₄ er zeugt.

Fig. 13 ist eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispieles von Halb leiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie in Fig. 1 und Fig. 2 durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeich net sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 13 ist ein Paar von kommunizierenden Löchern 14 auf dem Membranabschnitt 6 an beiden Seiten der Dehnungsmeßstreifen 21 und 23 vom Diffusionstyp bereitge stellt zum Erlauben einer Kommunikation zwischen den oberen und unteren Räumen, die durch die Membran 6 und den Massenabschnitt 5 getrennt sind, um eine Bewegung des Gewichtes, das in Kombination des Massenabschnittes 5 und des zusätzlichen Metallfilmes 7 in Antwort auf darauf wirkende Beschleunigungen gebildet ist, zu verbessern.

Der Ort und die Konfiguration der Kommunikationslöcher 14 sind nicht begrenzt auf die, die in Fig. 13 veranschaulicht sind, sondern alle Orte und Konfigurationen können genommen werden, wenn dies nicht eine ausbalancierte Bewegung des Gewichtes in Antwort auf darauf wirkende Beschleunigungen stört.

Fig. 14 zeigt eine Draufsicht eines fünften Ausführungsbeispieles von Halbleiter-Beschleunigungsmessern vom Piezo-Widerstandstyp gemäß der vorliegenden Erfindung, worin die gleichen oder äquivalente Elemente wie in Fig. 1 und 2 durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 14 sind verstärkende Ab schnitte 15, die eine erhöhte Dicke haben, bereitgestellt über den Mem branabschnitt 6 an Positionen, wo die Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 vom Diffusionstyp gebildet sind, wodurch die mechanische Festigkeit des Membranabschnittes 6 verstärkt wird im Falle, daß die Dicke des Mem branabschnittes 6 reduziert ist.

Fig. 15 und Fig. 16 sind Graphen zum Erklären einer Verbesserung von Nicht-Linearitäts-Fehlern durch die vorliegende Erfindung.

Fig. 15 zeigt einen Nicht-Linearitäts-Fehler eines Halbleiter-Beschleuni gungsmessers ohne zusätzlichen Metallfilm, wie schematisch in dem Graph veranschaulicht, wenn der schematisch veranschaulichte Halbleiter- Beschleunigungsmesser in Uhrzeigersinnrichtung rotiert wird, dann in Gegenuhrzeigersinnrichtung zurückgedreht wird, wie durch Pfeile ange zeigt, um die Beschleunigungskomponenten Fp(G) in der Erfassungsachse zu variieren. Wie von dem Graph zu sehen, wird ein vergleichsweise großer Nicht-Linearitäts-Fehler beobachtet.

Fig. 16 zeigt einen Nicht-Linearitäts-Fehler eines Halbleiter-Beschleuni gungsmessers mit einem zusätzlichen Metallfilm 7 gemäß der vorliegen den Erfindung, wie schematisch in dem Graph veranschaulicht, wenn der schematisch veranschaulichte Halbleiter-Beschleunigungsmesser in Uhrzei gersinnrichtung rotiert wird, dann in Gegenuhrzeigersinnrichtung zurückge dreht wird, wie durch Pfeile angezeigt, um die Beschleunigungskomponen ten Fp(G) in der Erfassungsachse zu variieren. Wie von dem Graph zu sehen, ist der Nicht-Linearitäts-Fehler im wesentlichen eliminiert.

Bei den Ausführungsbeispielen, die in Fig. 9, Fig. 10 und Fig. 11 gezeigt sind, werden die oberen und unteren Glasplatten 4 und 9 benutzt, jedoch können die Glasplatten 4 und 9 durch Siliziumplatten ersetzt werden.

Gemäß dem hier erklärten Halbleiter-Beschleunigungsmesser kann eine Nullpunkt-Einstellung der Erfassungssignale, die davon ausgegeben wer den, einfach durchgeführt werden und die Beschleunigungserfassungs genauigkeit ist verbessert, da der Schwerpunkt des Gewichtes, das in Kombination des Massenabschnittes und des zusätzlichen Metallfilmes gebildet ist, entworfen sein kann, damit es sich in einem Bereich des Massenabschnittes befindet, der durch eine Ausdehnung des Membran abschnittes oder des Auslegerabschnittes festgelegt ist, und der eine Tiefe entsprechend der Dicke des Membranabschnittes oder des Auslegerab schnittes hat.

Da die Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfin dung Beschleunigung erfassen können im Bereich von einer geringen Beschleunigung, die benutzt wird für eine Motorfahrzeug-Karosseriesteue rung, bis zu einer Beschleunigung von ungefähr 100 G können die Halb leiter-Beschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung kom biniert werden mit einem Luftsack-Steuerungssystem genauso wie mit einem Fahrzeugkarosserie-Steuerungssystem in einem Motorfahrzeug bei einer hohen Genauigkeit.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Halbleiter-Beschleunigungs messer; die eine kleine Nicht-Linearitätsausgabe und eine hohe Empfind lichkeit haben, was zur Massenproduktion geeignet ist, erhalten.

Claims

1. Halbleiter-Beschleunigungsmesser; der aufweist:
einen Massenabschnitt, der an einem Zentrum einer Siliziumplatte gebildet ist;
einen Rahmenabschnitt, der um den Umfang der Siliziumplatte gebildet ist, um den Massenabschnitt zu umgeben;
einen Membranabschnitt, der in der Siliziumplatte zwischen dem Massenabschnitt und dem Rahmenabschnitt gebildet ist, um den Massenabschnitt mit dem Rahmenabschnitt zu überbrücken, wobei eine der Hauptoberflächen der Siliziumplatte als eine gemeinsame kontinuierliche Hauptoberfläche für den Massenabschnitt, den Rah menabschnitt und den Membranabschnitt dient;
Piezo-Widerstandselemente, die auf der gemeinsamen kontinuierlichen Hauptoberfläche an dem Membranabschnitt gebildet sind; und
ein zusätzlicher Metallfilm, der eine höhere Dichte als die der Siliziumplatte hat, der auf der gemeinsamen kontinuierlichen Haupt oberfläche an dem Massenabschnitt gebildet ist, wobei der zusätzli che Metallfilm in Kombination mit dem Massenabschnitt der Silizi umplatte ein Gewicht darstellt, das auf eine daraufwirkende Be schleunigung antwortet, und wobei die Masse des zusätzlichen Me tallfilmes auf eine derartige Weise ausgewählt ist, daß der Schwer punkt des Gewichtes, das in Kombination des Massenabschnittes und des zusätzlichen Metallfilmes gebildet ist, sich in einem Bereich in dem Massenabschnitt befindet, der eine Tiefe hat, die der Dicke des Membranabschnittes entspricht, und der durch eine Ausdehnung des Membranabschnittes festgelegt ist.

2. Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1, worin der zusätzliche Metallfilm aus Au gemacht ist.

3. Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1, der weiterhin aufweist:
Einen weiteren zusätzlichen Metallfilm, der auf der anderen Haupt oberfläche des Massenabschnittes zum Einstellen der Masse des Gewichtes gebildet ist.

4. Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1, der weiterhin aufweist:
Eine Aussparung, die auf der anderen Hauptoberfläche des Massen abschnittes zum Einstellen der Masse des Gewichtes gebildet ist.

5. Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1, der weiterhin aufweist:
Eine Vielzahl von kommunizierenden Löchern, die an dem Mem branabschnitt gebildet sind, um eine Kommunikation zwischen den Räumen zu erlauben, die durch den Membranabschnitt und den Massenabschnitt getrennt sind.

6. Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1, worin die Abschnitte des Membranabschnittes, wo die Piezo-Widerstandselemen te gebildet sind, verstärkt sind durch Erhöhen der Dicke des Mem branabschnittes.

7. Halbleiter-Beschleunigungsmesser; der aufweist:
einen Massenabschnitt, der an dem Zentrum einer Siliziumplatte gebildet ist;
einen Rahmenabschnitt, der um den Umfang der Siliziumplatte gebildet ist, um den Massenabschnitt zu umgeben;
einen Auslegerabschnitt, der in der Siliziumplatte zwischen dem Massenabschnitt und dem Rahmenabschnitt gebildet ist, um den Massenabschnitt mit dem Rahmenabschnitt zu überbrücken, wobei eine der Hauptoberflächen der Siliziumplatte als eine gemeinsame kontinuierliche Hauptoberfläche für den Massenabschnitt, den Rah menabschnitt und den Auslegerabschnitt dient;
ein zusätzlicher Metallfilm, der eine höhere Dichte als die der Siliziumplatte hat, der auf der gemeinsamen kontinuierlichen Haupt oberfläche bei dem Massenabschnitt gebildet ist, wobei der zusätzli che Metailfilm in Kombination mit dem Massenabschnitt der Silizi umplatte ein Gewicht darstellt, das auf eine daraufwirkende Be schleunigung antwortet, und wobei die Masse des zusätzlichen Me tallfilmes auf solch eine Weise ausgewählt ist, daß der Schwerpunkt des Gewichtes, das in Kombination des Massenabschnittes und des zusätzlichen Metallfilmes gebildet ist, sich in einem Bereich in dem Massenabschnitt befindet, der eine Tiefe entsprechend der Dicke des Auslegerabschnittes hat, und der durch eine Ausdehnung des Aus legerabschnittes festgelegt ist;
eine erste Glasplatte, die mit einer Elektrode darauf bereitgestellt ist, wobei die erste Glasplatte mit der Siliziumplatte durch den Rahmenabschnitt verbunden ist, um die Elektrode davon dem zusätz lichen Metallfilm, der auf dem Massenabschnitt mit einer vorbe stimmten Öffnung gebildet ist, gegenüberzustellen; und
eine zweite Glasplatte, die mit einer Elektrode darauf bereitgestellt ist, wobei die zweite Glasplatte mit der Siliziumplatte durch den Rahmenabschnitt verbunden ist, um die Elektrode darauf der ande ren Hauptoberfläche des Massenabschnittes mit einer vorbestimmten Öffnung gegenüberzustellen.

8. Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 7, worin der zusätzliche Metallfilm aus Au gemacht ist.

9. Halbleiter-Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 7, der weiterhin aufweist:
Einen weiteren zusätzlichen Metallfilm, der auf der anderen Haupt oberfläche des Massenabschnittes zum Einstellen der Masse des Gewichtes gebildet ist.