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Diese Erfindung bezieht sich auf
einen kapazitiven Beschleunigungssensor, welcher mit einem Sensorchip
ausgerüstet
ist, der eine bewegliche Elektrode und eine feststehende Elektrode
aufweist.
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Ein kapazitiver Beschleunigungssensor
ist mit einem Sensorchip ausgestattet, welcher eine bewegliche Elektrode
und eine feststehende Elektrode aufweist, die in einer gegenüberstehenden
Weise auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, wobei ein Erfassungsspalt
aufrechterhalten wird. Wenn in diesen Sensorchip eine Beschleunigung
eingeleitet wird, schwingen die bewegliche Elektrode und die feststehende
Elektrode relativ zueinander, wodurch sich der gegenseitige Abstand
zwischen den zwei Elektroden ändert.
Die aufgebrachte Beschleunigung wird auf der Grundlage einer Änderung
in der Kapazität
der zwei Elektroden, welche die Änderung
in dem Abstand begleitet, erfaßt.
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Bei dem Beschleunigungssensor dieser
Art wird vorgeschlagen, einen Sensorchip und einen Schaltungschip,
welcher eine Funktion wie etwa ein Verarbeiten des Sensorausgangs
aufweist, zu verbinden und diese zwei Chips mittels eines Harzklebstoffs
auf einem Gehäuse
bzw. Träger
wie etwa aus Keramikmaterial zu befestigen.
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Wenn auf diesen vorgeschlagenen Aufbau eine
Beschleunigung aufgebracht wird, arbeitet jedoch der Klebstoff als
eine Feder und die zusammengebaute Struktur auf dem Klebstoff gerät in Resonanz,
wodurch die Schwingung die Schwingung der beweglichen und der feststehenden
Elektro de in dem Sensorchip beeinträchtigt, d. h., die Schwingung
der Sensoreinheit beeinträchtigt.
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4 ist
ein Diagramm, welches eine Schwingungsfrequenzcharakteristik für den vorgeschlagenen
kapazitiven Beschleunigungssensor schematisch darstellt, wobei die
Abszisse die Frequenz f repräsentiert
und die Ordinate die Resonanzverstärkung K repräsentiert,
mit welcher die Schwingung durch die Sensoreinheit und durch den
Klebstoff verstärkt
wird. 5 ist ein Diagramm,
welches eine Beziehung zwischen der Schwingungsfrequenz f und der
Amplitudenverstärkung
K der Schwingung in dem Sensor schematisch darstellt.
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Bei diesem vorgeschlagenen Sensor
weist die Sensoreinheit in dem Sensorchip eine vorbestimmte Resonanzfrequenz
fa auf, und die Resonanzfrequenzcharakteristik der Sensoreinheit
wird durch eine Kurve A in 4 dargestellt.
Die Resonanzfrequenz fa der Sensoreinheit wird ausgenutzt, um die
für die
Messung verwendete Frequenz zu bestimmen, d. h., den Bereich von
zu messenden Frequenzen Rf zu bestimmen.
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Die Externe G ist eine äußere Beschleunigung,
die von außen
auf den Sensor aufgebracht wird. Die externe Beschleunigung wird
als eine Schwingung einer Verstärkung
von 1 auf den Sensor aufgebracht. Wenn das Schwingungssystem mit
dem Klebstoff als einer Feder sich nicht in Resonanz befindet, wird
die externe Beschleunigung auf der Grundlage der Schwingungsfrequenzcharakteristik der
Sensoreinheit verstärkt.
In diesem Fall ist die gewünschte
Ausgangscharakteristik so definiert, wie sie durch eine Kurve L1
in einer durchgezogenen Linie in 5 dargestellt
ist.
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Wenn jedoch ein allgemeiner Harzklebstoff verwendet
wird, nähert
sich die Resonanzfrequenz fb des Schwingungssystems mit dem Klebstoff
als einer Feder der Resonanzfrequenz fa der Sensoreinheit an, wie
durch eine Kurve B in 4 dargestellt
ist.
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Daher ist auch dann, wenn eine externe
Beschleunigung als eine Schwingung der Verstärkung von 1 aufgebracht wird,
aufgrund der Resonanz des Schwingungssystems mit dem Klebstoff als
einer Feder eine verstärkte
Schwingung der externen Beschleunigung der zusammengebauten Struktur
gegeben, d. h. dem Sensorchip und dem Schaltungschip gegeben.
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Daher erfaßt die Beschleunigungseinheit eine
Beschleunigung, die größer ist
als eine tatsächlich
aufgebrachte externe Beschleunigung. Als ein Ergebnis wird, wie
in 5 durch eine Kurve
L2 in gestrichelter Linie dargestellt, ein Sensorausgang erzeugt,
der größer ist
als die tatsächlich
aufgebrachte externe Beschleunigung, und es tritt ein Ausgangsfehler
relativ zu der gewünschten
Ausgangscharakteristik L1 auf.
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Somit vergrößert sich der Ausgangsfehler mit
Annäherung
der Resonanzfrequenz fb des Schwingungssystems mit dem Klebstoff
als einer Feder an die Resonanzfrequenz fa der Sensoreinheit.
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In Anbetracht der vorgenannten Probleme
ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven
Beschleunigungssensor, in welchem ein eine bewegliche Elektrode
und eine feststehende Elektrode ausbildender Sensorchip mit einem Schaltungschip
integral miteinander verbunden ist und der Schaltungschip auf einem
Träger
mittels eines Harzklebstoffs montiert ist, zu verbessern. Insbesondere
ist es eine Aufgabe, einen durch die Schwin gungsverstärkung der
Sensoreinheit aufgrund der Resonanz des Schwingungssystems mit dem Klebstoff als einer Feder verursachten
Fehler in dem Sensorausgang zu unterdrücken.
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Die vorliegende Erfindung basiert
auf der Erkenntnis der Erfinder, daß die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems
mit dem Klebstoff als einer Feder sich mit einer Erhöhung der
Steifigkeit des Harzklebstoffs erhöht, d. h. mit einer Erhöhung in
dem Young-Modul des Klebstoffs erhöht, und von der Resonanzfrequenz
der Sensoreinheit getrennt werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
weist ein kapazitiver Beschleunigungssensor einen eine bewegliche
Elektrode und eine feststehende Elektrode ausbildenden Sensorchip
auf, die einander gegenüberstehen,
während
ein Erfassungsspalt aufrechterhalten wird. Dieser Sensorchip ist
in integraler Weise mit einem Schaltungschip zusammen verbunden, und
der Schaltungschip ist mittels eines Harzklebstoffs auf einem Träger befestigt.
Der Klebstoff ist mit einem Füllstoff
eines Materials mit einem höheren Young-Modul
als dem des Harzes gemischt.
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Mit dem mit einem Füllstoff
eines Materials mit einem höheren
Young-Modul als dem des Harzes gemischten Klebstoff kann dann der
Young-Modul in dem Klebstoff insgesamt erhöht werden.
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Das heißt, die Resonanzfrequenz fb
des Schwingungssystems mit dem Klebstoff als einer Feder kann, wie
in 6A gezeigt, so erhöht werden, daß sie in
einem Bereich von der Resonanzfrequenz fa der Sensoreinheit getrennt
ist. Es wird daher ermöglicht,
einen durch die von der Resonanz des Schwingungssystems mit dem
Klebstoff als einer Feder herrührenden
Schwingungsverstärkung
der Sen soreinheit verursachten Fehler in dem Sensorausgang zu unterdrücken.
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Das heißt, die Schwingungsamplitudenverstärkung der
Sensoreinheit, die durch eine Kurve in gestrichelter Linie dargestellt
ist, nähert
sich, wie in 6B gezeigt,
der durch eine Kurve in durchgezogener Linie dargestellten gewünschten
Ausgangscharakteristik an, um einen Fehler in dem Sensorausgang
zu unterdrücken.
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Die vorgenannten und andere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
genauen Beschreibung ersichtlicher werden, welche mit Bezug auf
die begleitenden Zeichnungen gemacht wurde. In den Zeichnungen:
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ist 1 eine
Schnittansicht, welche einen kapazitiven Beschleunigungssensor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt;
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ist 2 ein
Graph, welcher eine Beziehung zwischen dem Young-Modul des Klebstoffs
und der Resonanzfrequenz der Ausführungsform schematisch darstellt;
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sind 3A bis 3C Diagramme, welche verschiedene
Muster zum Anordnen von Klebstoffen in der Ausführungsform darstellen;
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ist 4 ein
Graph, welcher eine Schwingungsfrequenzcharakteristik eines kapazitiven
Beschleunigungssensors schematisch darstellt;
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ist 5 ein
Graph, welcher eine Beziehung zwischen der Schwingungsfrequenz und
der Schwingungsamplitudenverstärkung
in einem kapazitiven Beschleunigungssensor schematisch darstellt;
und
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sind 6A und 6B Graphen, welche die Wirkung
der Ausführungsform
darstellen.
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Mit Bezug auf 1 weist ein kapazitiver Beschleunigungssensor
S1 einen auf einem Halbleitersubstrat wie etwa aus Silizium durch
einen bekannten Halbleiterprozeß ausgebildeten
Sensorchip 10 auf. Dieser Sensor S1 verwendet ein SOI-(Silizium-auf-Isolator)-Substrat
welches durch Anfügen
eines zweiten Siliziumsubstrats 12 auf einem ersten Siliziumsubstrat 11 mittels
eines Oxidfilms 13 erhalten wird.
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Bei dem Sensorchip 10 dieser
Ausführungsform
sind in dem zweiten Halbleitersubstrat 12 Rillen ausgebildet,
um die beweglichen Elektroden 14 und die feststehenden
Elektroden 15 mittels der Rillen abzutrennen. Die beweglichen
und feststehenden Elektroden 14 und 15 können jeweils
in einer wohlbekannten kammzahnartigen Balkenstruktur ausgebildet
sein.
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Zwischen den beweglichen Elektroden 14 und
den feststehenden Elektroden 15 sind Erfassungsspalte 16 aufrechterhalten;
d. h. die zwei Elektroden 14 und 15 stehen einander über den
Erfassungsspalt 16 gegenüber, und zwischen den Erfassungsspalten 14 und 15 ist
eine Erfassungskapazität ausgebildet.
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Wenn die Beschleunigung aufgebracht
wird, schwingen daher die zwei Elektroden 14 und 15 relativ
zueinander, wodurch sich der gegenseitige Abstand zwischen den zwei
Elektroden 14 und 15 oder der Erfassungsspalt 16 ändert, und
die aufgebrachte Beschleunigung wird auf der Grundlage einer Änderung
in der Kapazität
zwischen den zwei Elektroden 14 und 15, die durch
eine Änderung
in dem Abstand hervorgerufen wird, erfaßt. Somit sind die bewegli chen
und feststehenden Elektroden 14 und 15 als eine
Sensoreinheit aufgebaut.
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Bei dem Sensorchip 10 sind
ferner das erste Siliziumsubstrat 11 und der Oxidfilm 13 aus
den Abschnitten entfernt, die den beweglichen und feststehenden
Elektroden 14 und 15 entsprechen, um dadurch einen
Hohlraum 17 auszubilden. Die beweglichen und feststehenden
Elektroden 14 und 15 sind in einem oberen Teil
des Hohlraums 17 befreit, um relativ zueinander zu schwingen.
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Bei dem Sensorchip 10 dieser
Ausführungsform
sind beispielsweise Rillen von der Oberfläche des zweiten Halbleitersubstrats 12 aus
durch Grabenätzen
ausgebildet, um die beweglichen und feststehenden Elektroden 14 und 15 zu
definieren, während
der Hohlraum 17 von der Seite des ersten Halbleitersubstrats 11 aus
durch anisotropes Ätzen
von Silizium ausgebildet ist.
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Der Sensorchip 10 ist mittels
eines Klebfilms 20 mit einer hohen Steifigkeit mit dem
Schaltungschip 30 verbunden. Der Schaltungschip 30 weist
eine Funktion auf, die Ausgangssignale von dem Sensorchip 10 zu
verarbeiten und sie an eine externe Einheit zu senden, und ist aus
einem Halbleitersubstrat wie etwa Silizium hergestellt. Der Klebfilm 20 kann
eine Sägefolie
(dicing tape) eines Harzes sein, welche zum Sägen von Chips (dice-cutting)
verwendet wird.
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Der Schaltungschip 30, mit
welchem der Sensorchip 10 integral verbunden ist, ist mittels
eines Harzklebstoffs 40 befestigt. Hierbei wird der Klebstoff 40 auf
einem Träger 50 aufgebracht
und ausgehärtet, um
die Klebwirkung zu erreichen. Der Träger 50 ist aus Keramikmaterial
hergestellt und ist auf einem zu messenden Körper, wie etwa einem Kraftfahrzeug, montiert.
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Wenn die Beschleunigung auf den kapazitiven
Beschleunigungssensor S1 aufgebracht wird, tritt eine Änderung
in der Kapazität
der Sensoreinheit, d. h. zwischen den beweglichen und feststehenden
Elektroden 14 und 15 ein, und die aufgebrachte Beschleunigung
wird auf der Grundlage der Änderung
in der Kapazität
erfaßt.
Hierbei tritt mit dem Klebstoff 40 als einer Feder und
mit der zusammengebauten Struktur, welche den Schaltungschip 30 und
den Sensorchip 10 beinhaltet, als einer Masseneinheit eine
Schwingung ein.
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Um zu verhindern, daß die Schwingung
der beweglichen und feststehenden Elektroden 14 und 15 durch
die Resonanz des Schwingungssystems mit dem Klebstoff als einer
Feder verstärkt
wird, ist gemäß dieser
Ausführungsform
der Klebstoff 40 mit einem Füllstoff eines Materials gemischt,
welches einen höheren
Young-Modul als den des Harzes aufweist.
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Der Füllstoff wird aus den nachstehenden Gründen verwendet.
In dem Schwingungssystem mit dem Klebstoff 40 als einer
Feder war es bekannt, daß sich
die Resonanzfrequenz fb der zusammengebauten Struktur (10; 30),
welche die Masseneinheit ist, (i) in Proportion zu der Wurzel der
Klebefläche
des Klebstoffs 40 ändert,
(ii) in Proportion zu dem Quadrat der dritten Wurzel der Dicke des
Haftungsvermittlers 40 ändert,
und (iii) in Proportion zu der Wurzel des Young-Moduls E des Klebstoffs 40 ändert.
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Unter diesen unterliegen die vorgenannten (i)
und (ii) einer vergleichsweise starken Einschränkung von dem Standpunkt der
Gestalt und Größe des Sensors
und eines Aufrechterhaltens der Klebwirkung aus. Daher wird ersonnen,
den Young-Modul E des Haftungsvermittlers 40 zu erhöhen. 2 ist ein Diagramm, welches
eine Beziehung zwischen dem Young-Modul E des Klebstoffs 40 und
der Resonanzfrequenz fb der zusammengebauten Struktur (10, 30) schematisch
darstellt. Wie aus 2 verstanden wird,
wächst
die Resonanzfrequenz fb der zusammengebauten Struktur mit einer
Erhöhung
des Young-Moduls E des Klebstoffs an.
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Wie in 4 gezeigt,
befindet sich die Resonanzfrequenz der zusammengebauten Struktur
normalerweise nahe der Resonanzfrequenz fa der beweglichen und feststehenden
Elektroden 14, 15. In dieser Ausführungsform
ist die Resonanzfrequenz fb der zusammengebauten Struktur jedoch
durch Erhöhen
des Young-Moduls E des Klebstoffs erhöht, um die zwei Resonanzfrequenzen
fa und fb voneinander zu trennen.
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Falls der Klebstoff 40 mit
einem Füllstoff
eines Materials mit einem höheren
Young-Modul als dem des Harzes des Klebstoffs gemischt ist, kann der
Young-Modul des Klebstoffs 40 insgesamt erhöht werden.
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Daher kann, nachdem die Resonanzfrequenz
fb des Schwingungssystems mit dem Klebstoff 40 als einer
Feder so erhöht
werden kann, daß sie weiter
von der Resonanzfrequenz fa der beweglichen und feststehenden Elektroden 14 und 15 entfernt
ist, die Schwingungsverstärkung
der beweglichen und feststehenden Elektroden 14 und 15,
welche durch die Resonanz des Schwingungssystems mit dem Klebstoff 40 als
einer Feder hervorgerufen wird, unterdrückt werden.
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Daher wird ein Fehler in dem Sensorausgang
unterdrückt.
Das heißt,
die Ausführungsform macht
es möglich,
eine Ausgangscharakteristik zu erhalten, die näher an der gewünschten
Ausgangscharakteristik liegt, welche durch die Kurve L1 in durchgezogener
Linie in 5 darge stellt
ist. Durch Trennen der zwei Resonanzfrequenzen fa und fb voneinander
kann die Schwingungsamplitudenverstärkung K in der Sensoreinheit
der Ausführungsform nahe
an die gewünschte
Ausgangscharakteristik gebracht werden, die durch die Kurve in durchgezogener
Linie dargestellt ist, und ein Fehler in dem Sensorausgang kann
unterdrückt
werden, wie in 6B dargestellt.
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In dem Klebstoff 40, der
mit einem Füllstoff eines
Materials mit einem höheren
Young-Modul als dem des Harzes des Klebstoffs gemischt ist, kann
als das Harz ein Epoxidharz verwendet werden, und als der Füllstoff
kann ein Metall oder Glas verwendet werden, oder es kann, genauer
gesagt, ein Silberfüllstoff
verwendet werden. Das Gewichtsverhältnis des Füllstoffs kann so ausgewählt werden,
daß es
beispielsweise einige zehn Prozent beträgt.
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Es ist selbstverständlich zulässig, den Young-Modul
des Klebstoffs 40 dadurch zu erhöhen, daß das Molekulargewicht durch Ändern des
Polymerisationsgrads des Harzes in dem Klebstoff 40 variiert
wird.
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Als die Muster zum Anordnen des Klebstoffs 40 werden
verschiedene Muster vorgeschlagen. Der Klebstoff 40 kann
an vier Ecken des Schaltungschips 30 angeordnet sein, wie
in 3A gezeigt. Die Klebstoffe 40 können in
einer sich kreuzenden Weise angeordnet sein, wie in 3B gezeigt. Der Klebstoff 40 kann
auf den Schaltungschip 30 an einem zentralen Punkt angeordnet
sein, wie in 3C gezeigt.
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Unter diesen Mustern trifft die Klebung
an vier Ecken oder die Klebung in gekreuzter Weise auf eine Schwierigkeit
derart, daß die
Eckenabschnitte des Schaltungschips 30 oder des Sensorchips 10 eine
Verschiebung aufgrund der durch eine Änderung in der Temperatur hervorgerufenen thermischen Spannung
erfahren und der Sensorchip 10 in hohem Ausmaß verformt
wird. Bei der zentralen Einpunktklebung sind die Ecken des Schaltungschips 30 andererseits
von dem Träger 50 befreit,
und daher ist die Verformung des Sensorchips 10 durch die
thermische Spannung gering.
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Wenn sich der Sensorchip 10 aufgrund
der thermischen Spannung verformt, fluktuiert die gegenüberstehende
Fläche
zwischen der beweglichen Elektrode 14 und der feststehenden
Elektrode 15, so daß die
Temperaturcharakteristik des Sensors in abträglicher Weise beeinflußt wird.
Diesbezüglich
wird angestrebt, daß der
Klebstoff 40 an dem zentralen Abschnitt des Schaltungschips 30 wie
die zentrale Einpunktklebung angeordnet ist.
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Beim Anordnen des Klebstoffs 40 kann
es oft schwierig sein, den Klebstoff 40 in Übereinstimmung mit
dem Muster anzuordnen. In einem solchen Fall können die Klebeflächen des
Schaltungschips 30 oder des Trägers 50 rauh ausgebildet
sein, um irgend ein Klebemuster zu verwirklichen.
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Die vorliegende Erfindung sollte
nicht auf die offenbarte Ausführungsform
beschränkt
sein, sondern kann auf vielfältige
andere Art implementiert werden, ohne von dem Erfindungsgedanken
abzuweichen.