DE69126501T2

DE69126501T2 - Kraftdetektor und Beschleunigungsdetektor

Info

Publication number: DE69126501T2
Application number: DE69126501T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Okada
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-10-12
Filing date: 1991-10-11
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2011-10-12
Also published as: US6053057A; EP0767363A2; EP0767363A3; EP0480471B1; US20080178675A1; US5811693A; US5639973A; US6158291A; EP0480471A2; DE69133193D1; US5531002A; EP0767363B1; US7533582B2; DE69126501D1; DE69133193T2; US5421213A; US5406848A; EP0480471A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftdetektor und einen Beschleunigungsdetektor, bei dem der Kraftdetektor verwendet wird, und im spezielleren auf einen Detektor, der zum Erfassen von in mehreren Richtungen wirkenden Kraft- oder Beschleunigungskomponenten in der Lage ist. Ferner wird ein Verfahren erläutert, das für die Massenproduktion solcher Detektoren geeignet ist.
In der Kraftfahrzeugindustrie oder der Maschinenbauindustrie ist ein zunehmender Bedarf an Detektoren entstanden, die in der Lage sind, eine physikalische Größe präzise zu erfassen, wie z. B. Kraft, Beschleunigung oder Magnetismus. Insbesondere wird gefordert, kleine Detektoren zu bauen, die in der Lage sind, physikalische Größen mit zweidimensionalen oder dreidimensionalen Komponenten nachzuweisen.
Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurde ein Kraftdetektor vorgeschlagen, bei dem Meßwiderstände auf einem Halbleitersubstrat beispielsweise aus Silizium usw. ausgebildet sind, damit eine mechanische Verzerrung, die in dem Substrat durch eine von außen auf gebrachte Kraft hervorgerufen wird, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, indem von dem Piezowiderstandseffekt Gebrauch gemacht wird. Wenn an der Nachweiseinheit des Kraftdetektors ein Gewichtskörper befestigt wird, so kann ein Beschleunigungsdetektor verwirklicht werden, mit dem als Kraft eine auf den Gewichtskörper aufgebrachte Beschleunigung nachgewiesen wird. Wenn außerdem an der Nachweiseinheit des Kraftdetektors ein magnetischer Körper befestigt wird, läßt sich ein Magnetismusdetektor verwirklichen, der als Kraft Magnetismus nachweist, der auf den magnetischen Körper einwirkt.
Beispielsweise sind in dem US-Patent Nr. 4,905,523, dem US-Patent 4,967,605 (veröffentlicht am 06.11.90), dem US-Patent 4,969,366 (veröffentlicht am 13.11.90), den US-Patentanmeldungen Nr. 07/362,399 (US-A- 5,263,375, veröffentlicht am 23.11.93), Nr. 07/470,102 (US-A-5,035,148, veröffentlicht am 30.07.91) und Nr. 07/559,381 (US-A-5,182,515, veröffentlicht am 26.01.93) Kraftdetektoren, die von Meßwiderständen Gebrauch machen, Beschleunigungsdetektoren oder Magnetismusdetektoren offenbart. Ferner ist in der US-Patentanmeldung Nr. 07/526,837 (US-A-5,014,415, veröffentlicht am 14.5.91) ein Herstellungsverfahren offenbart, das zur Herstellung solcher Detektoren geeignet ist.
Aus der US-A-3,270,260 ist eine kraftbetätigte Hand- Steuerung bekannt, die eine dünne Metallelektroden- Membran mit einem Handgriff und vier feststehenden Aufnahmeplatten verwendet. Ferner ist in der EP-A1- 316 498 ein Beschleunigungsmesser mit einem piezoelektrischen Element beschrieben.
Da im allgemeinen eine Temperaturabhängigkeit bei dem Meßwiderstand oder dem Piezo-Widerstandskoeffizienten besteht, ist bei den vorstehend beschriebenen Detektoren im Fall des Auftretens irgendeiner Veränderung bei der Temperatur der Umgebung, in der diese Detektoren verwendet werden, ein Fehler in dem nachgewiesenen Wert vorhanden. Zur Ausführung einer exakten Messung ist es daher notwendig, eine Temperaturkompensation durchzuführen. Insbesondere bei Verwendung solcher Detektoren auf dem Gebiet von Kraftfahrzeugen usw., ist eine Temperaturkompensation über den beträchtlich breiten Betriebstemperaturbereich von -40 bis +12 ºC erforderlich.
Zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Detektoren ist ferner ein Verfahren mit hohem Niveau zum Bearbeiten des Halbleitersubstrats erforderlich, und zusätzlich dazu ist auch eine hohe Kosten beinhaltende Vorrichtung, wie z. B. eine Ionen-Implantiervorrichtung notwendig. Aus diesem Grund besteht das Problem, daß die Herstellungskosten hoch werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Kraftdetektors mit einer möglichst einfachen Empfindlichkeits-Kompensation.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Kraftdetektor des Anspruchs 1. In Anspruch 8 ist ein entsprechender Beschleunigungsdetektor angegeben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht, die den Aufbau eines Beschleunigungsdetektors gemäß einem grundlegenden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 eine Bodenansicht des feststehenden Substrats bei dem in Fig. 1 gezeigten Detektor;
Fig. 3 eine Draufsicht auf das flexible Substrat des in Fig. 1 gezeigten Detektors;
Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung eines Zustands, in dem eine Kraft Fx in Richtung der X-Achse auf den in Fig. 1 gezeigten Detektor ausgeübt wird;
Fig. 5 eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung eines Zustands, in dem eine Kraft Fz in Richtung der Z-Achse auf den in Fig. 1 gezeigten Detektor ausgeübt wird;
Fig. 6 eine Tabelle unter Darstellung des Prinzips des Kraftnachweises bei dem in Fig. 1 gezeigten Detektor;
Fig. 7 ein Schaltungsdiagramm unter Darstellung einer Detektionsschaltung zur Verwendung bei dem in Fig. 1 gezeigten Detektor;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht unter Darstellung einer Ausführungsform, bei der jeweilige Substrate bei dem in Fig. 1 gezeigten Detektor mit Metallmaterial ausgebildet sind;
Fig. 9 eine Querschnittsansicht unter Darstellung einer Ausführungsform, bei der jeweilige Substrate des in Fig. 1 gezeigten Detektors mit isolierendem Material ausgebildet sind;
Fig. 10 eine Querschnittsansicht unter Darstellung einer Ausführungsform, bei der jeweilige Substrate des in Fig. 1 gezeigten Detektors mit Halbleitermaterial ausgebildet sind;
Fig. 11 eine von oben gesehene Draufsicht auf das flexible Substrat eines Beschleunigungsdetektors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ein Schaltungsdiagramm unter Darstellung einer Detektionsschaltung zur Verwendung bei dem in Fig. 11 gezeigten Detektor;
Fig. 13 eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung des Aufbaus eines Beschleunigungsdetektors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 eine von oben gesehene Draufsicht auf das flexible Substrat des in Fig. 13 gezeigten Detektors;
Fig. 15 eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung eines Zustands, in dem eine Kraft Fx in Richtung der X-Achse auf den in Fig. 13 gezeigten Detektor ausgeübt wird;
Fig. 16 eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung eines Zustands, in dem eine Kraft Fz in Richtung der Z-Achse auf den in Fig. 13 gezeigten Detektor ausgeübt wird;
Fig. 17 ein Schaltungsdiagramm unter Darstellung einer Detektionsschaltung zur Verwendung bei dem in Fig. 13 gezeigten Detektor;
Fig. 18 eine Draufsicht auf das flexible Substrat bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem ein Nachweis nur in zwei Dimensionen erfolgt;
Fig. 19 eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung des Aufbaus eines Beschleunigungsdetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Testfunktion aufweist;
Fig. 20 eine Bodenansicht des feststehenden Substrats des in Fig. 19 gezeigten Detektors;
Fig. 21 eine von oben gesehene Draufsicht auf das Hilfssubstrat des in Fig. 19 gezeigten Detektors;
Fig. 22 eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung eines Zustands, in dem der Beschleunigungsdetektor mit der in Fig. 19 gezeigten Konstruktion in einem eigentlichen Detektorgehäuse 40 untergebracht ist;
Fig. 23a und 23b seitliche Schnittansichten unter Darstellung einer Konstruktion, bei der piezoelektrische Elemente verwendet werden (nicht beansprucht);
Fig. 24 eine seitliche Schnittansicht eines Kraftdetektors, der im wesentlichen dieselbe Konstruktion aufweist, wie der in Fig. 22 gezeigte Beschleunigungsdetektor;
Fig. 25 eine Ansicht unter Darstellung eines Zustands, in dem Einheitsbereiche an dem Substrat durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren definiert sind;
Fig. 26 eine Ansicht unter Darstellung eines Zustands, in dem weitere einfache Bereiche zur Verkürzung der Erläuterung definiert sind;
Fig. 27a bis 27d Verfahrensdiagramme unter Darstellung des Anfangszustands des Verfahrens zum Herstellen eines zentralen Bereichs des Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 28a und 28b eine seitliche Schnittansicht sowie eine Bodenansicht des in Fig. 27a gezeigten Hauptsubstrats 100;
Fig. 29a und 29b eine seitliche Schnittansicht und eine von oben gesehene Draufsicht auf das in Fig. 27b gezeigte Hilfssubstrat 200;
Fig. 30a und 30b eine seitliche Schnittansicht und eine von oben gesehene Draufsicht auf das in Fig. 27d gezeigte Steuersubstrat 300;
Fig. 31a und 31b eine seitliche Schnittansicht und eine Bodenansicht des in Fig. 32a gezeigten Zusatzsubstrats 400;
Fig. 32a bis 32c Verfahrensdiagramme unter Darstellung des späteren Stadiums bei einem Verfahren zum Herstellen des zentralen Bereichs 500 eines Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 33 eine Perspektivansicht unter Darstellung des zentralen Bereichs eines Beschleunignngssensors, der durch das in den Fig. 32a bis 32c gezeigte Verfahren hergestellt ist;
Fig. 34 eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung eines Zustands, in dem der zentrale Bereich des in Fig. 33 gezeigten Beschleunigungssensors in einem Gehäuse untergebracht ist;
Fig. 35 eine Perspektivansicht unter Darstellung des zentralen Bereichs eines Beschleunigungssensors, der durch ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
Fig. 36a und 36b eine seitliche Schnittansicht und eine von oben gesehene Draufsicht auf das Steuersubstrat 300', das bei einem Verfahren gemäß dem letztgenannten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 37a und 37b eine seitliche Schnittansicht und eine Bodenansicht des zusätzlichen Substrats 400', das bei dem Verfahren gemäß dem letztgenannten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 38 eine seitliche Schnittansicht eines Beschleunigungsdetektors gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 39 eine seitliche Schnittansicht des Ausführungsbeispiels, bei dem der Arbeitsbereich 811 des flexiblen Substrats 810 als Gewichtskörper verwendet wird;
Fig. 40 eine seitliche Schnittansicht des Ausführungsbeispiels, bei dem die Verlagerungselektrode auf dem Arbeitsbereich 911 ausgebildet ist;
Fig. 41 eine von oben gesehene Draufsicht auf das flexible Substrat 910 bei dem in Fig. 40 gezeigten Detektor 900;
Fig. 42 eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung eines anderen Querschnitts des in Fig. 40 gezeigten Detektors 900,
Fig. 43 eine Bodenansicht des feststehenden Substrats 930 des in Fig. 40 gezeigten Detektors 900;
Fig. 44 eine seitliche Schnittansicht des Ausführungsbeispiels, bei dem dem in Fig. 40 gezeigten Detektor 900 der Gewichtskörper 941 und der Sockel 942 hinzugefügt sind.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

1. Grundlegendes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht des Aufbaus eines Beschleunigungsdetektors gemäß einem grundlegenden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieser Detektor enthält als Hauptbestandteil ein feststehendes Substrat 10, ein flexibles Substrat 20, einen Arbeitskörper 30 und ein Detektorgehäuse 40. Die Bodenansicht des feststehenden Substrats 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Querschnitt entlang der X- Achse des feststehenden Substrats 10 aus Fig. 2 ist in Fig. 1 dargestellt. Das feststehende Substrat 10 ist in der dargestellten Weise als scheibenförmiges Substrat ausgebildet und ist an seinem Umfangsbereich an dem Detektorgehäuse 40 befestigt. Auf seiner Unterseite ist in ähnlicher Weise eine scheibenförmige feststehende Elektrode 11 ausgebildet. Andererseits zeigt Fig. 3 die Draufsicht auf das flexible Substrat 20. Der Querschnitt entlang der X-Achse des flexiblen Substrats in Fig. 3 ist in Fig. 1 dargestellt. Das flexible Substrat 20 ist ebenfalls in der dargestellten Weise als scheibenförmiges Substrat ausgebildet und ist an seinem Umfangsbereich an dem Detektorgehäuse 40 festgelegt. Auf seiner Oberseite sind viertelkreisflächige, scheibenförmige Verlagerungselektroden 21 bis 24 ausgebildet. Der Arbeitskörper 30 ist säulenförmig, wobei seine Oberseite in Fig. 3 durch gestrichelte Linien dargestellt ist, und er ist koaxial mit der Unterseite des flexiblen Substrats 20 verbunden. Das Detektorgehäuse 40 ist zylindrisch und fixiert und lagert die Umfangsbereiche des feststehenden Substrats 10 und des flexiblen Substrats 20.
Das feststehende Substrat 10 und das flexible Substrat 20 sind mit einem vorbestimmten Zwischenabstand parallel zueinander angeordnet. Während beide Substrate scheibenförmige Substrate sind, ist das feststehende Substrat 10 ein Substrat mit hoher Steifigkeit, so daß es nur mit Schwierigkeiten biegbar ist, während das flexible Substrat 20 ein Substrat mit Flexibilität ist, so daß sich bei Aufbringen einer Kraft eine Durchbiegung einstellt. Es soll nun angenommen werden, daß der Arbeitspunkt P im Schwerpunkt des Arbeitskörpers 30 definiert ist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, und daß gemäß der Darstellung ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem mit dem Arbeitspunkt P als Ursprung definiert ist. Dabei wird die X- Achse in Fig. 1 in Richtung nach rechts definiert, die Z-Achse in Richtung nach oben definiert und die Y- Achse in eine Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene des Papiers definiert, und zwar in Richtung in die Zeichnungsebene hinein.
Es sei nun angenommen, daß die Gesamtheit dieses Detektors beispielsweise in einem Kraftfahrzeug montiert ist und beim Fahren des Kraftfahrzeugs eine Beschleunigung auf den Arbeitskörper 30 einwirkt. Durch diese Beschleunigung wird auf den Arbeitspunkt P eine äußere Kraft ausgeübt. In dem Zustand, in welchem keine Kraft auf den Arbeitspunkt P einwirkt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, werden die feststehende Elektrode 11 und die Verlagerungselektroden 21 bis 24 in einem parallelen Zustand mit einem vorbestimmten Zwischenabstand gehalten. Wenn nun eine Kraft Fx in Richtung der X-Achse auf den Arbeitspunkt P einwirkt, so ermöglicht diese Kraft Fx dem flexiblen Substrat 20, ein Kraftmoment zu erzeugen. Als Folge davon stellt sich gemäß Fig. 4 eine Durchbiegung in dem flexiblen Substrat 20 ein. Durch dieses Durchbiegung erhöht sich der Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 21 und der feststehenden Elektrode 11, während der Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 23 und der feststehenden Elektrode 11 abnimmt. Unter der Annahme, daß eine auf den Arbeitspunkt P ausgeübte Kraft in entgegengesetzter Richtung - Fx beträgt, entsteht eine Biegung mit einer Relation, die der oben angegebenen Relation entgegengesetzt ist. Wenn dagegen eine Kraft Fy oder -Fy in Richtung der Y-Achse ausgeübt wird, entstehen Änderungen ähnlich den oben angegebenen Änderungen in Verbindung mit dem Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 22 und der feststehenden Elektrode 11 sowie dem Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 24 und der feststehenden Elektrode 11. Für den Fall, daß eine Kraft Fz in Z-Achsen-Richtung wirkt, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, werden alle der Verlagerungselektroden 21 bis 24 nahe bei der feststehenden Elektrode 11 angeordnet. Wenn hingegen eine Kraft -Fz in entgegengesetzter Richtung wirkt, werden alle der Verlagerungselektroden 21 bis 24 von der feststehenden Elektrode 11 entfernt angeordnet.
Im folgenden sollen die mit jeweiligen Elektroden ausgebildeten Kapazitätselemente betrachtet werden. Die in Fig. 2 gezeigte Unterseite des feststehenden Substrats 10 und die in Fig. 3 gezeigte Oberseite des flexiblen Substrats 20 sind einander gegenüberliegend angeordnet. Die gegenüberliegende Beziehung zwischen den Elektroden ist somit derart, daß die Verlagerungselektroden 21 bis 24 jeweils den gegenüberliegenden Bereichen der feststehenden Elektrode 11 gegenüberliegen. Mit anderen Worten, die feststehende Elektrode 11 dient als einzelne gemeinsame Elektrode, während die Verlagerungselektroden 21 bis 24 als lokale Elektroden dienen, die jeweils lokal in den vierteilkreisflächigen Bereichen angeordnet sind. Obwohl die gemeinsame Elektrode als einzelne gemeinsame Elektrode vorgesehen ist, können aufgrund der Tatsache, daß vier lokale Elektroden vom elektrischen Standpunkt her jeweils unabhängig ausgebildet sind, vier Gruppen von Kapazitätselektroden im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften gebildet werden. Bei den zu der ersten Gruppe gehörigen Kapazitätselementen handelt es sich um die Kombination aus der Verlagerungselektrode 21, die in negativer Richtung der X-Achse angeordnet ist, sowie der feststehenden Elektrode 11. Bei den der zweiten Gruppe angehörigen Kapazitätselementen handelt es sich um die Kombination aus der in positiver Richtung der Y-Achse angeordneten Verlagerungselektrode 22 und der feststehenden Elektrode 11. Bei den der dritten Gruppe angehörigen Kapazitätselementen handelt es sich um die Kombination aus der in positiver Richtung der X-Achse angeordneten Verlagerungselektrode 23 und der feststehenden Elektrode 11. Ferner handelt es sich bei den der vierten Gruppe angehörigen Kapazitätselementen um die Kombination aus der in negativer Richtung der Y-Achse angeordneten Verlagerungselektrode 24 und der feststehenden Elektrode 11. Es sei nun angenommen, daß die elektrostatischen Kapazitätswerte der jeweiligen Kapazitätselemente durch C1, C2, C3 und C4 dargestellt sind. In dem Zustand, in dem keine Kraft auf den Arbeitspunkt P ausgeübt wird, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, werden die Elektrodenabstände der jeweiligen Kapazitätselemente alle auf demselben Wert gehalten, so daß die elektrostatischen Kapazitätswerte alle einen Standardwert C0 annehmen. Dabei gilt nämlich die Beziehung C1 = C2 = C3 = C4. Wenn jedoch eine Kraft auf den Arbeitspunkt P aufgebracht wird, wie dies in Fig. 4 oder 5 gezeigt ist, wird in dem flexiblen Substrat 20 eine Durchbiegung erzeugt, so daß die Elektrodenabstände der jeweiligen Kapazitätselemente variieren. Als Ergebnis hiervon nehmen ihre elektrostatischen Kapazitätswerte Werte an, die von dem Standardwert C0 verschieden sind. Wenn man nun annimmt, daß die Elektrodenfläche, der Elektrodenabstand und die Dielektrizitätskonstante mit S, d bzw. &epsi; bezeichnet werden, so bestimmt sich die elektrostatische Kapazität C eines Kapazitätselements im allgemeinen durch folgende Gleichung:
C = &epsi; S/d.
Wenn der Elektrodenabstand gering wird, wird folglich die elektrostatische Kapazität C groß, wohingegen dann, wenn der Abstand groß wird, die elektrostatische Kapazität C gering wird.
Wenn z. B. eine Kraft Fx in der X-Achsen-Richtung in der in Fig. 4 gezeigten Weise auf den Arbeitspunkt P ausgeübt wird, gilt aufgrund der Tatsache, daß der Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 21 und der feststehenden Elektrode 11 groß wird, die Beziehung C1 < C0. Da dagegen der Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 23 und der feststehenden Elektrode 11 gering wird, gilt die Beziehung C3 > C0. Da zu diesem Zeitpunkt die Abstände zwischen den Verlagerungselektroden 22 und 24 und der feststehenden Elektrode 11 derart sind, daß sie teilweise gering und teilweise groß werden, heben sich die beiden Bereiche auf. Es gilt daher die Beziehung C2 = C4 = C0, so daß sich keine Veränderung bei der elektrostatischen Kapazität ergibt. Wenn dagegen eine Kraft Fz in der Z- Achsen-Richtung auf den Arbeitspunkt P ausgeübt wird, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, werden die Abstände zwischen den Verlagerungselektroden 21 bis 24 und der feststehenden Elektrode 11 alle gering. Als Ergebnis hiervon gilt die Beziehung (C1 bis C4) > C0. Wie vorstehend erwähnt wurde, zeigt dieses Muster, wie sich die elektrostatischen Kapazitätswerte der vier Gruppen von Kapazitätselementen in Abhängigkeit von der Richtung einer ausgeübten Kraft verändern.
Fig. 6 zeigt eine Tabelle unter Darstellung des Musters, in dem sich die elektrostatischen Kapazitätswerte der vier Gruppen von Kapazitätselementen verändern. In dieser Tabelle zeigt "0" an, daß keine Veränderung bei der elektrostatischen Kapazität auftritt (d. h. dieser Wert den Standardwert C0 annimmt, so wie er ist), "+" zeigt an, daß die elektrostatische Kapazität erhöht wird, und "-" zeigt an, daß die elektrostatische Kapazität reduziert wird. Zum Beispiel zeigt die Spalte Fx in Fig. 6 Veränderungen in der in Fig. 4 gezeigten Weise bei den jeweiligen elektrostatischen Kapazitätswerten C1 bis C4 an, wenn eine Kraft Fx in X-Achsen-Richtung auf den Arbeitspunkt P ausgeübt wird. Wie bereits erwähnt wurde, wird in diesem Fall C1 gering, C3 wird groß und C2 und C4 zeigen keine Veränderung. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann auf der Grundlage des Musters, das die Veränderung der jeweiligen elektrostatischen Kapazitätswerte zeigt, die Richtung einer ausgeübten Kraft erkannt werden. Durch Nachweisen des Ausmaßes der Veränderung (d. h. dahingehend, daß die elektrostatische Kapazität zunimmt oder abnimmt), läßt sich ferner die Größe einer ausgeübten Kraft feststellen.
Die Grundschaltung zum Nachweis von Kraftkomponenten, die in den jeweiligen axialen Richtungen ausgeübt werden, ist in Fig. 7 dargestellt. Wandler 51 bis 54 sind mit Schaltungen zum Umwandeln der elektrostatischen Kapazitätswerte C1 bis C4 der Kapazitätselemente in entsprechende Spannungswerte V1 bis V4 ausgebildet. Es kann z. B. eine Schaltungskonfiguration zum Umsetzen eines elektrostatischen Kapazitätswerts C in einen Frequenzwert f unter Verwendung eines CR- Oszillators verwendet werden, um danach den Frequenzwert f unter Verwendung eines Frequenz/Spannungs- Wandlers in einen Spannungswert V weiter umzuwandeln. Selbstverständlich kann eine Einrichtung zum direkten Umwandeln eines elektrostatischen Kapazitätswerts in einen Spannungswert verwendet werden. Der Differenzverstärker 55 dient zum Abgeben einer Differenz zwischen den Spannungswerten V1 und V3 als Komponente ±Fx in der X-Achsen-Richtung einer nachzuweisenden Kraft. Wie unter Bezugnahme auf die Spalten Fx und -Fx der Fig. 6 zu sehen ist, wird die Komponente ±Fx in der X-Achsen-Richtung bestimmt durch Aufnehmen einer Differenz zwischen C1 und C3. Ferner dient der Differenzverstärker 56 zum Aufnehmen einer Differenz zwischen den Spannungswerten V2 und V4 zum Abgeben derselben als Komponente ±Fy in der Y-Achsen-Richtung einer nachzuweisenden Kraft. Wie unter Bezugnahme auf die Spalten Fy und -Fy zu sehen ist, wird die Komponente ±Fy in der Y-Achsen-Richtung bestimmt durch Aufnehmen einer Differenz zwischen C2 und C4. Wenn in der vorstehend erläuterten Weise die Bestimmung der Komponenten in der X-Achsen- und der Y-Achsen-Richtung auf der Basis der Differenz erfolgt, lassen sich Einflüsse aufgrund der Temperatur usw. ausschalten. Als Ergebnis hiervon lassen sich Nachweiswerte mit guter Präzision schaffen. Außerdem wird die Linearität der erfaßten Werte verbessert. Außerdem dient der Addierer 57 zur Bildung einer Summe aus den Spannungswerten V1 bis V4 zum Abgeben derselben als Komponente ±Fz in der Z-Achsen-Richtung einer nachzuweisenden Kraft. Wie unter Bezugnahme auf die Spalten Fz und -Fz der Fig. 6 zu sehen ist, wird die Komponente ±Fz in der Z-Achsen- Richtung durch Bilden der Summe von C1 bis C4 bestimmt.
Auf der Grundlage des vorstehend beschriebenen Prinzips werden vorbestimmte Verschaltungen an den jeweiligen, in Fig. 2 und 3 gezeigten Elektroden durchgeführt, um dadurch eine Detektionsschaltung zu bilden, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Eine auf den Arbeitspunkt P ausgeübte Kraft kann somit in Form von elektrischen Signalen für die jeweiligen Komponenten in den dreidimensionalen axialen Richtungen nachgewiesen werden. Genauer gesagt kann eine auf den Arbeitskörper 30 ausgeübte Beschleunigung in Form von elektrischen Signalen für die jeweiligen Komponenten in den dreidimensionalen axialen Richtungen nachgewiesen werden. Da die Nachweise der jeweiligen Komponenten in den axialen Richtungen genau unabhängig ausgeführt werden, findet keine Überlagerung mit anderen Achsen statt, so daß ein exakter Nachweis ausgeführt werden kann. Außerdem ist die Temperaturabhängigkeit des nachgewiesenen Werts vernachlässigbar, so daß keine Notwendigkeit einer Verarbeitung hinsichtlich einer Temperaturkompensation entsteht. Da sich der Detektor ferner mit einem einfachen Aufbau verwirklichen läßt, bei dem Elektroden nur auf der Konstruktion ausgebildet sind, sind auch die Herstellungskosten gering.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Nachweis- bzw. Detektionsschaltung der Fig. 7 nur als Beispiel dargestellt ist und somit selbstverständlich auch andere Schaltungen verwendet werden können. Zum Beispiel kann eine CR-Oszillatorschaltung verwendet werden, um einen elektrostatischen Kapazitätswert in einen Frequenzwert umzuwandeln, um diesen in einen Mikroprozessor einzuspeisen, um dreidimensionale Beschleunigungskomponenten durch digitale Rechenvorgänge zu bestimmen.

2. Ausführungsbeispiel unter Veranschaulichung von Materialien der jeweiligen Teile

Im Folgenden werden Materialien der jeweiligen Teile beschrieben, die den vorstehend beschriebenen Kraftdetektor bilden. Zur Ausführung des Nachweises auf der Basis des vorstehend beschriebenen Prinzips ist es ausreichend, daß die folgenden Bedingungen im Hinblick auf die Materialien erfüllt sind.
(1) Die jeweiligen Elektroden sind aus leitfähigem Material gebildet.
(2) Die jeweiligen lokalen Elektroden sind elektrisch voneinander getrennt.
(3) Das flexible Substrat ist aus Material mit Flexibilität gebildet.
Solange diese Bedingungen erfüllt sind, läßt sich jegliches Material verwenden. Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele hinsichtlich des in der Praxis verwendeten Materials beschrieben.
Das in Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Beispiel, bei dem Metall sowohl bei dem feststehenden Substrat 10a, dem flexiblen Substrat 20a als auch dem Arbeitskörper 30a verwendet wird. Das flexible Substrat 20a und der Arbeitskörper 30a sind in integraler Weise ausgebildet. Selbstverständlich kann man auch so verfahren, daß diese Elemente getrennt gebildet werden und danach miteinander verbunden werden. Das Detektorgehäuse 40 ist z. B. aus Metall oder Kunststoff usw. gebildet und fixiert und haltert jeweilige Substrate, indem die Randbereiche der jeweiligen Substrate in die Halterungsnuten 41 eingepaßt sind, die an seinen Innenflächen ausgebildet sind. Da das eigentliche feststehende Substrat 10a, so wie es ist, als feststehende Elektrode 11 wirkt, besteht keine Notwendigkeit zur separaten Ausbildung der feststehenden Elektrode 11. Da das flexible Substrat 20a aus Metall besteht, ist es unmöglich, Verlagerungselektroden 21a bis 24a direkt auf diesem auszubilden. Deshalb sind die Verlagerungselektroden 21a bis 24a über eine Isolierschicht 25a aus einem Material, wie z. B. Glas oder Keramik, auf dem flexiblen Substrat 20a ausgebildet. Damit das flexible Substrat 20a in diesem Fall Flexibilität aufweisen kann, reicht es aus, daß dem flexiblen Substrat 20a ein leichtes Verformen ermöglicht ist, indem das flexible Substrat eine geringe Dicke aufweist oder wellenförmig ausgebildet ist.
Das in Fig. 9 gezeigte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Beispiel, bei dem ein isolierender Körper, wie z. B. Glas oder Keramik usw., sowohl bei dem feststehenden Substrat 10b, dem flexiblen Substrat 20b als auch dem Arbeitskörper 30b verwendet wird. Das flexible Substrat 20b und der Arbeitskörper 30b sind in integraler Weise ausgebildet. Das Detektorgehäuse 40 ist aus Metall oder Kunststoff gebildet und fixiert und haltert die jeweiligen Substrate, indem die Randbereiche der jeweiligen Substrate in Halterungsnuten 41 eingepaßt sind, die an seinen Innenflächen ausgebildet sind. An der Unterseite des feststehenden Substrats 10b ist eine feststehende Elektrode 11b aus Metall ausgebildet. Ferner sind an der Oberseite des flexiblen Substrats 20b Verlagerungselektroden 21b bis 24b aus Metall ausgebildet. Damit das flexible Substrat 20b Flexibilität aufweisen kann, kann man die Dicke desselben klein ausbilden, oder Kunstharz mit Flexibilität kann anstatt von Glas oder Keramik verwendet werden. Alternativ hierzu können Durchgangslöcher in einem Teil des flexiblen Substrats 20b vorgesehen sein, um eine einfache Verformung desselben zu ermöglichen.
Das in Fig. 10 gezeigte Ausführungsbeispiel betrifft ein Beispiel, bei dem Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium, sowohl bei dem feststehenden Substrat 10c, dem flexiblen Substrat 20c als auch dem Arbeitskörper 30c verwendet wird. Das flexible Substrat 20c und der Arbeitskörper 30c sind in integraler Weise ausgebildet. Das Detektorgehäuse 40 ist aus Metall oder Kunststoff gebildet und fixiert und haltert die jeweiligen Substrate dadurch, daß die Randbereiche der jeweiligen Substrate in Halterungsnuten 41 eingepaßt sind, die an seiner Innenfläche ausgebildet sind. Die feststehende Elektrode 11c, die innerhalb der unteren Oberfläche des feststehenden Substrats 10c angeordnet ist, und die Verlagerungselektroden 21c bis 24c, die innerhalb der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 20c angeordnet sind, sind durch Eindiffundieren von Dotierstoffen mit einer hohen Konzentration gebildet. Damit das flexible Substrat 20c Flexibilität aufweisen kann, kann man seine Dicke gering ausbilden oder es können teilweise Durchgangslöcher vorgesehen sein.
Ferner sind verschiedene Ausführungsformen vorstellbar. Wenn ein Siliziumsubstrat verwendet wird, läßt sich der Detektor mit einem einfacheren Aufbau ausbilden, indem man von einer Ätzbearbeitung Gebrauch macht. Wenn z. B. ein Verfahren verwendet wird, bei dem Nuten durch Ätzen an der unteren Oberfläche des feststehenden Substrats 10c gebildet werden, um dadurch Elektroden an den Bodenflächen dieser Nuten auszubilden, läßt sich eine Konstruktion schaffen, bei der das feststehende Substrat 10c und das flexible Substrat 20c direkt miteinander verbunden sind.
Die vorstehenden Erläuterungen erfolgten zwar in Verbindung mit dem Beispiel, bei dem Metall, Isoliermaterial und Halbleitermaterial als Material für die jeweiligen Bauteile verwendet werden, jedoch kann auch eine Kombination dieser Materialien für die jeweiligen Bauteile verwendet werden.

3. Ausführungsbeispiel zum Nachweis von Komponenten in drei axialen Richtungen durch unabhängige Elektroden.

Bei dem vorstehend beschriebenen, grundlegenden Ausführungsbeispiel wurde die Detektionsschaltung gemäß der Darstellung in Fig. 7 veranschaulicht. Bei dieser Detektionsschaltung werden dieselben Kapazitätselemente wie das Kapazitätselement zum Nachweis von ±Fx oder ±Fy und das Kapazitätselement zum Nachweis von ±Fz verwendet. Mit anderen Worten wurden unter Verwendung einer einzelnen lokalen Elektrode für die zwei Arten von Kapazitätselemente Komponenten in zwei axialen Richtungen nachgewiesen. Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden Komponenten in drei axialen Richtungen durch exakt unabhängige, ausschließliche Elektroden nachgewiesen. Die von oben gesehene Draufsicht auf ein bei diesem Ausführungsbeispiel verwendetes flexibles Substrat 20d ist in Fig. 11 dargestellt. Im Vergleich zu dem flexiblen Substrat 20 bei dem in Fig. 3 gezeigten grundlegenden Ausführungsbeispiel ist das Ausbildungsmuster der lokalen Elektroden etwas kompliziert. Es sind insgesamt acht lokale Elektroden ausgebildet. Die acht lokalen Elektroden sind in vier Gruppen unterteilt. Bei den lokalen Elektroden, die zu der ersten Gruppe gehören, handelt es sich um die Elektroden 21d und 21e, die in negativer Richtung der X-Achse angeordnet sind. Bei den lokalen Elektroden, die zu der zweiten Gruppe gehören, handelt es sich um die Elektroden 22d und 22e, die in positiver Richtung der Y-Achse angeordnet sind. Bei den lokalen Elektroden, die zu der dritten Gruppe gehören, handelt es sich um die Elektroden 23d und 23e, die in positiver Richtung der X-Achse angeordnet sind. Bei den lokalen Elektroden, die zu der vierten Gruppe gehören, handelt es sich um die Elektroden 24d und 24e, die in negativer Richtung der Y-Achse angeordnet sind.
Es sei nun angenommen, daß die elektrostatischen Kapazitätswerte der vier Kapazitätselemente, die aus den Kombinationen der jeweiligen vier Elektroden 21d bis 24d gebildet sind und in Fig. 11 punktiert dargestellt sind, sowie der diesen gegenüberliegenden feststehenden Elektrode 11 jeweils durch C1 bis C4 dargestellt sind und daß die elektrostatischen Kapazitätswerte der vier Kapazitätselemente, die aus den Kombinationen der jeweils vier Elektroden 21e bis 24e gebildet sind und in der Zeichnung schraffiert dargestellt sind, sowie der diesen gegenüberliegenden feststehenden Elektrode 11 jeweils durch C1' bis C4' dargestellt sind. Im Hinblick auf die acht Kapazitätselemente wird eine Detektionsschaltung gebildet, wie sie in Fig. 12 dargestellt ist. Dabei handelt es sich bei Wandlern 51 bis 54 um Schaltungen zum Umsetzen der elektrostatischen Kapazitätswerte C1 bis C4 in Spannungen V1 bis V4, und bei Differenzverstärkern 55 und 56 handelt es sich um Schaltungen zum Verstärken und Abgeben einer Differenz zwischen zwei eingegebenen Spannungswerten. In derselben Weise, wie bei dem zuvor beschriebenen grundlegenden Ausführungsbeispiel geben die Differenzverstärker 55 und 56 die nachgewiesenen Werte von ±Fx bzw. ±Fy ab. Das Merkmal des vorliegenden Ausführungsbeispiels besteht darin, daß vier elektrostatische Kondensatoren C1' bis C4' parallel geschaltet sind, um durch den Wandler 58 eine der Summe dieser Kapazitätswerte entsprechende Spannung V5 zu erzeugen und diese als nachgewiesenen Wert von Fz abzugeben. Bei Betrachtung des Prinzips des Nachweises in Verbindung mit der in Fig. 11 gezeigten lokalen Elektrode wird ±Fx durch die Elektroden 21d und 23d nachgewiesen, ±Fy wird durch die Elektroden 22d und 24d nachgewiesen, und ±Fz wird durch die Elektroden 21e, 22e, 23e und 24e nachgewiesen. Auf diese Weise lassen sich Komponenten in drei axialen Richtungen durch einzelne und unabhängige Elektroden nachweisen.
Vorstehend ist zwar das Beispiel veranschaulicht worden, bei dem die Elektroden 21d bis 24e zur Vereinfachung der Erläuterung jeweils durch unabhängige Elektroden gebildet sind, wie dies aus dem Schaltungsdiagramm der Fig. 12 erkennbar ist, jedoch sind die mit den Elektroden 21e bis 24e ausgebildeten Kapazitätselemente einander parallelgeschaltet. Somit lassen sich diese vier Elektroden in integraler Weise auf dem flexiblen Substrat 20d ausbilden. Ferner kann bei dem Schaltungsdiagramm der Fig. 12 ein ähnlicher Nachweis durch die Schaltung erfolgen, in der C1, C2, C3 und C4 durch C1', C2', C3' bzw. C4' ersetzt sind.
Dieses Ausführungsbeispiel ist von Vorteil im Fall einer Einstellung der Nachweisempfindlichkeiten für die jeweiligen Komponenten in den axialen Richtungen. Wenn z. B. in Fig. 11 die Flächen der Elektroden 21e, 22e, 23e und 24e, die in der Zeichnung schraffiert dargestellt sind, breit ausgebildet sind, läßt sich die Nachweisempfindlichkeit in der Z-Achsen-Richtung steigern. Generell ist es bei dem Detektor, der zum Nachweis von Komponenten in drei axialen Richtungen in der Lage ist, bevorzugt, eine derartige Ausbildung zu haben, daß die jeweiligen Nachweisempfindlichkeiten der drei Achsen im wesentlichen gleich sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können durch Einstellen des Flächenverhältnisses zwischen dem Bereich, der in schraffierten Linien dargestellt ist, und dem Bereich, der in Fig. 11 punktiert dargestellt ist, die jeweiligen Nachweisempfindlichkeiten der drei Achsen im wesentlichen gleich ausgebildet werden.
Die Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Detektors, der zum Nachweis von Komponenten in drei axialen Richtungen durch unabhängige Elektroden in der Lage ist, ist in Fig. 13 gezeigt. Wie im Vergleich zu dem in Fig. 1 gezeigten grundlegenden Ausführungsbeispiel zu sehen ist, besteht das Merkmal dieses Ausführungsbeispiels darin, daß die flexible Elektrode durch fünf Elektroden gebildet ist. Wie genauer gesagt aus der in Fig. 14 gezeigten Draufsicht von oben zu sehen ist, sind auf der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 20f sektorförmige Verlagerungselektroden 21f bis 24f sowie eine scheibenförmige Verlagerungselektrode 25f ausgebildet.
Der Nachweisvorgang mit diesem Detektor ist folgendermaßen. Wenn anfangs eine Kraft Fx in der X-Achsen- Richtung auf den Arbeitspunkt P ausgeübt wird, ermöglicht diese Kraft Fx dem flexiblen Substrat 20f die Erzeugung eines Kraftmoments, so daß in dem flexiblen Substrat 20f eine Durchbiegung erzeugt wird, wie dies in Fig. 15 gezeigt ist. Durch diese Biegung wird der Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 21f und der feststehenden Elektrode 11 vergrößert, während der Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 23f und der feststehenden Elektrode 11 verringert wird. Unter der Annahme, daß eine auf den Arbeitspunkt P ausgeübte Kraft -Fx in entgegengesetzter Richtung wirkt, entsteht eine Biegung mit Relationen, die den oben angegebenen Relationen entgegengesetzt sind. Wenn, wie vorstehend erwähnt, eine Kraft Fx oder -Fx ausgeübt wird, ergeben sich Änderungen in der elektrostatischen Kapazität in bezug auf die Verlagerungselektroden 21f und 23f. Durch Nachweisen dieser Änderungen läßt sich die Kraft Fx oder -Fx erfassen. Dabei werden die Abstände zwischen den jeweiligen Verlagerungselektroden 22f, 24f und 25f und der feststehenden Elektrode 11 teilweise vergrößert oder verkleinert. Jedoch kann man diese Abstände als insgesamt praktisch unverändert ansehen. Anders ist dies in dem Fall, wenn eine Kraft Fy oder -Fy in der Y-Achsen-Richtung wirkt; ähnliche Änderungen werden nur in Verbindung mit dem Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 22f und der feststehenden Elektrode 11 sowie dem Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 24f und der feststehenden Elektrode 11 hervorgerufen. Für den Fall, daß eine Kraft Fz in der Z-Achsen-Richtung wirkt, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist, wird der Abstand zwischen der Verlagerungselektrode 25f und der feststehenden Elektrode 11 reduziert. Wenn dagegen eine Kratt -Fz in entgegengesetzter Richtung wirkt, wird dieser Abstand vergrößert. Dabei werden die Abstände zwischen den Verlagerungselektroden 21f bis 24f und der feststehenden Elektrode 11 kleiner oder größer, wobei die Änderung im Hinblick auf die Verlagerungselektrode 25f am augenfälligsten ist. Durch Nachweis von Veränderungen bei der elektrostatischen Kapazität hinsichtlich der Verlagerungselektrode 25f ist es somit möglich, die Kraft Fz oder -Fz nachzuweisen. Da die Nachweisvorgänge in der X-Achsen- und der Y-Achsen-Richtung auf der Basis der Differenz durchgeführt werden, besteht somit keine Möglichkeit, daß diese Nachweise durch andere Komponenten in den axialen Richtungen beeinflußt werden.
Beschleunigungskomponenten in den jeweiligen axialen Richtungen werden durch eine Detektionsschaltung nachgewiesen, wie sie in Fig. 17 gezeigt ist. Dabei werden die elektrostatischen Kapazitätswerte der Kapazitätselemente C1 bis C5, die jeweils aus den Verlagerungselektroden 21f bis 25f und der feststehenden Elektrode 11 gebildet sind, durch CV-Wandlerschaltungen 51 bis 55 jeweils in Spannungswerte V1 bis V5 umgewandelt. Eine Beschleunigung in der X-Achsen-Richtung wird an dem Anschluß Tx als Differenzspannung geschaffen, die sich unter Durchführung einer Berechnung (V1 - V3) mittels eines Subtrahierers 45 ergibt. Eine Beschleunigung in der Y-Achsen-Richtung wird an dem Anschluß Ty als Differenzspannung erhalten, die sich unter Durchführung eines Rechenvorgangs (V2 - V4) mittels eines Subtrahierers 56 ergibt. Ferner erhält man eine Beschleunigung in der Z-Achsen-Richtung an dem Anschluß Tz in Form einer Spannung V5, so wie sie ist.

4. Ausführungsbeispiel mit verändertem Muster der Elektrodenausbildung

Bei dem beschriebenen, grundlegenden Ausführungsbeispiel gemäß § 1, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist die auf dem feststehenden Substrat 10 ausgebildete feststehende Elektrode 11 als einzelne gemeinsame Elektrode ausgebildet, und die auf dem flexiblen Substrat 20 ausgebildeten Verlagerungselektroden sind als vier lokale Elektroden 21 bis 24 ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt, sondern es kann auch eine dazu exakt umgekehrte Konfiguration verwendet werden. Das heißt, die auf dem feststehenden Substrat 10 ausgebildete feststehende Elektrode 11 ist in Form von vier lokalen Elektroden ausgebildet, und die auf dem flexiblen Substrat 20 ausgebildeten Verlagerungselektroden sind als einzelne gemeinsame Elektrode ausgebildet. Alternativ hierzu können vier lokale Elektroden jeweils auf beiden Substraten ausgebildet sein. Auch bei dem in Fig. 13 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem fünf lokale Elektroden verwendet werden, läßt sich eine ähnliche Konfiguration verwenden. Ferner beträgt die Anzahl der auf einem einzelnen Substrat ausgebildeten lokalen Elektroden nicht notwendigerweise vier oder fünf. Zum Beispiel können auch acht oder sechzehn lokale Elektroden ausgebildet sein. Ferner können auch wie bei dem in Fig. 18 gezeigten flexiblen Substrat 20g nur zwei lokale Elektroden 21g und 23g vorhanden sein. In diesem Fall kann kein Nachweis der Komponente in der Y-Achsen-Richtung durchgeführt werden, jedoch können Nachweise in den beiden Dimensionen der Komponente in der X-Achsen-Richtung und der Komponente in der Z-Achsen-Richtung durchgeführt werden. Ferner ist es in dem Fall, in dem nur ein Nachweis im Hinblick auf eine Dimension durchgeführt wird, ausreichend, daß einzelne Elektroden jeweils auf beiden Substraten ausgebildet sind. Ferner besteht keine Einschränkung dahingehend, daß die Elektrode kreisförmig oder sektorförmig ausgebildet ist, sondern die Elektrode kann in jeglicher Form vorliegen. Ferner ist es nicht unbedingt notwendig, daß die jeweiligen Substrate scheibenförmig sind.

5. Ausführungsbeispiel mit Testfunktion

Generell wird im Fall der Massenproduktion von jeglicher Art von Detektoren zur Auslieferung derselben auf dem Markt der Testvorgang vor dem Versand durchgeführt. Das heißt, es werden Arbeitsvorgänge durchgeführt, um eine Bestätigung dahingehend zu erhalten, ob der Detektor den Nachweisvorgang normal ausführt oder nicht. Auch bei dem zuvor beschriebenen Beschleunigungsdetektor ist es bevorzugt, einen Test vor dem Versand durchzuführen. Zum Testen des Beschleunigungsdetektors wird im allgemeinen ein Verfahren verwendet, bei dem dieser tatsächlich mit einer Beschleunigung beaufschlagt wird und eine Bestätigung hinsichtlich eines zu diesem Zeitpunkt abgegebenen elektrischen Signals erfolgt. Jedoch ist für einen solchen Test ein Gerät zur Erzeugung einer Beschleunigung erforderlich. Als Ergebnis hiervon wird das Testsystem groß.
Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann ein Test vor dem Versand ohne Verwendung eines solchen großen Testsystems durchgeführt werden. Fig. 19 zeigt eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung des Aufbaus eines Beschleunigungsdetektors gemäß dem Ausführungsbeispiel, das eine solche Testfunktion besitzt. Dieser Detektor umfaßt als Hauptkomponenten ein feststehendes Substrat 60, ein flexibles Substrat 70, einen Arbeitskörper 75, ein Hilfssubstrat 80 sowie ein Detektorgehäuse 40. Die Bodenansicht des feststehenden Substrats 60 ist in Fig. 20 dargestellt. Der Querschnitt entlang der X-Achse des feststehenden Substrats 60 der Fig. 20 ist in Fig. 19 dargestellt. Bei dem feststehenden Substrat 60 handelt es sich um ein scheibenförmiges Metallsubstrat, und sein Umfang ist an dem Detektorgehäuse 40 fixiert. An seiner Unterseite sind vier viertelkreisflächige, scheibenförmige, feststehende Elektroden 61 bis 64 über eine Isolierschicht 65 beispielsweise aus Glas usw. hinweg ausgebildet. Bei dem flexiblen Substrat 70 handelt es sich um eine Metallscheibe mit Flexibilität, und sein Umfang ist ebenfalls an dem Detektorgehäuse 40 festgelegt. Mit der Unterseite des flexiblen Substrats 70 ist ein säulenförmiger Arbeitskörper 75 koaxial verbunden. Die obere Oberfläche des flexiblen Substrats 70 bildet eine einzelne Verlagerungselektrode, die den feststehenden Elektroden 61 bis 64 gegenüberliegend angeordnet ist. Das Merkmal des vorliegenden Ausführungsbeispiels besteht darin, daß ferner ein Hilfssubstrat 80 vorgesehen ist. Die von oben gesehene Draufsicht auf das Hilfssubstrat 80 ist in Fig. 21 dargestellt. Der Querschnitt entlang der X-Achse des Hilfssubstrats 80 der Fig. 21 ist in Fig. 19 dargestellt. Das Hilfssubstrats 80 ist in der dargestellten Weise als scheibenförmiges Metallsubstrat ausgebildet, das ein in seinem zentralen Bereich ausgebildetes, kreisförmiges Durchgangsloch aufweist und an seinem Rand an dem Detektorgehäuse 40 festgelegt ist. Wie in Fig. 21 durch eine einzelne strichpunktierte Linie dargestellt ist, ist der Arbeitskörper 75 durch den zentralen Bereich des Durchgangslochs hindurchgeführt. Auf der oberen Oberfläche des Hilfssubstrats 80 sind vier Hilfselektroden 81 bis 84 über eine Isolierschicht 85 beispielsweise aus Glas ausgebildet. Bei diesem Beispiel bildet die untere Oberfläche des flexiblen Substrats 70 eine einzelne Hilfselektrode, die den Hilfselektroden 81 bis 84 gegenüberliegt. Wie vorstehend erwähnt wurde, handelt es sich bei dem flexiblen Substrat um eine Metallmasse, die in integraler Weise mit dem Arbeitskörper 75 ausgebildet ist. Seine obere Oberfläche dient als einzelne Verlagerungselektrode, die den feststehenden Elektroden 61 bis 64 gegenüberliegend ausgebildet ist, und seine untere Oberfläche dient als einzelne Hilfselektrode, die den Hilfselektroden 81 bis 84 gegenüberliegend angeordnet ist.
Gemäß einer derartigen Konstruktion, wie sie vorstehend beschrieben wurde, können durch die feststehenden Elektroden 61 bis 64 sowie die diesen gegenüberliegende Verlagerungselektrode (die obere Oberfläche des flexiblen Substrats 70) vier Sätze von Kapazitätselementen gebildet werden. Eine auf den Arbeitskörper 75 wirkende Beschleunigung läßt sich somit auf der Basis von Veränderungen bei diesen elektrostatischen Kapazitätswerten nachweisen. Durch die Hilfselektroden 81 bis 84 und die Verlagerungselektrode (die untere Oberfläche des flexiblen Substrats 70) werden ferner vier Sätze von Kapazitätselementen gebildet, wodurch der Nachweis einer Beschleunigung ermöglicht wird. Das Merkmal dieses Detektors besteht darin, daß sich ein Zustand, der einem Zustand der Einwirkung einer Beschleunigung äquivalent ist, ohne tatsächliche Ausübung einer Beschleunigung erzeugen läßt. Wenn nämlich eine vorbestimmte Spannung über den jeweiligen Elektroden angelegt wird, wird zwischen diesen eine Coulomb'sche Kraft ausgeübt, so daß sich das flexible Substrat 70 in einer vorbestimmten Richtung biegt. Wenn z. B. in Fig. 19 Spannungen mit unterschiedlichen Polaritäten auf das flexible Substrat 70 und die Elektrode 68 ausgeübt werden, wirkt zwischen ihnen eine Anziehungskraft, die auf der Coulomb'schen Kraft beruht. Wenn Spannungen mit unterschiedlichen Polaritäten an das flexible Substrat 70 und die Elektrode 81 angelegt werden, wirkt ferner auch zwischen diesen eine Anziehungskraft, die auf der Coulomb'schen Kraft basiert. Wenn eine solche Anziehungskraft wirkt, erfolgt selbst dann, wenn nicht jegliche Kraft auf den eigentlichen Arbeitskörper 75 ausgeübt wird, eine Biegung des flexiblen Substrats 70 in derselben Weise, wie in dem Fall, in dem eine Kraft Fx in der X-Achsen-Richtung wirkt, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn Spannungen mit gleicher Polarität an das flexible Substrat 70 und die Elektroden 81 bis 84 angelegt werden, wirkt zwischen diesen eine Abstoßkraft bzw. Rückstellkraft, die auf einer Coulomb'schen Kraft beruht. Selbst wenn keine Kraft tatsächlich auf den Arbeitskörper 75 ausgeübt wird, biegt sich das flexible Substrat 70 somit in derselben Weise wie in dem Fall, in dem eine Kraft Fz in der Z-Achsen- Richtung wirkt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Durch Anlegen von Spannungen mit vorbestimmten Polaritäten an die jeweiligen Elektroden läßt sich somit ein Zustand erzeugen, der dem Zustand äquivalent ist, in dem Kräfte in verschiedenen Richtungen wirken. Auf diese Weise ist es möglich, den Detektor zu testen, ohne daß dieser tatsächlich mit einer Beschleunigung beaufschlagt wird.
Der Aufbau, bei dem das in Fig. 19 gezeigte Hilfssubstrat 80 hinzugefügt ist, schafft ferner die zusätzliche Wirkung, daß bei Aufbringung einer übermäßigen Beschleunigung eine Beschädigung des flexiblen Substrats 70 verhindert werden kann. Das flexible Substrat 70 besitzt zwar Flexibilität, jedoch kann es beschädigt werden, wenn es mit einer übermäßigen Kraft beaufschlagt wird. Gemäß der in Fig. 19 gezeigten Konstruktion wird jedoch selbst in dem Fall, in dem eine übermäßige Kraft ausgeübt wird, keine möglicherweise Beschädigungen hervorrufende, übermäßige Verlagerung erzeugt, da die Verlagerung des flexiblen Substrats 70 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs begrenzt ist. Wenn nämlich eine übermäßige Beschleunigung in einer seitlichen Richtung (in der X-Achsen- oder Y-Achsen- Richtung) in Fig. 19 wirkt, gelangt die Seitenfläche des Arbeitskörpers 75 in Berührung mit der Innenfläche des Durchgangslochs des Hilfssubstrats 80. Als Ergebnis hiervon wird keine weitere Verlagerung bzw. Verdrängung mehr erzeugt. Im Fall der Aufbringung einer übermäßigen Beschleunigung in Richtung nach oben und unten (in der Z-Achsen-Richtung) in Fig. 19 gelangt ferner die obere Oberfläche oder die untere Oberfläche des gebogenen flexiblen Substrats 70 in Berührung mit den feststehenden Elektroden 61 bis 64 oder den Hilfselektroden 81 bis 84. Als Ergebnis hiervon wird keine weitere Verlagerung mehr erzeugt.
Fig. 22 zeigt eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung eines Zustands, in dem der Beschleunigungsdetektor mit der in Fig. 19 gezeigten Konstruktion in einem echten Detektorgehäuse 40 untergebracht ist. Jeweilige Elektroden und externe Anschlüsse 91 bis 93 sind über Bondverbindungsdrähte 94 bis 96 verbunden (genauer gesagt sind elektrisch unabhängige Elektroden jeweils mit ausschließlichen externen Anschlüssen über Bondverbindungsdrähte verbunden, jedoch sind in der Zeichnung nur Hauptverdrahtungen dargestellt). Die obere Oberfläche des feststehenden Substrats 60 ist mit der inneren oberen Oberfläche des Detektorgehäuses 40 verbunden und fest gehalten, so daß sich das feststehende Substrat 60 nicht biegt.

6. Ausführungsbeispiel (nicht beansprucht) das von dem piezoelektrischen Element Gebrauch macht

Bei den vorstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispielen ist aufgrund der Tatsache, daß eine externe Kraft in Form von Veränderungen der elektrostatischen Kapazitätswerte nachgewiesen werden kann, eine Verarbeitungsschaltung zum Umwandeln des elektrostatischen Kapazitätswerts in einen Spannungswert usw. von einem praktischen Standpunkt her erforderlich. Bei dem in Fig. 23a gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine solche Verarbeitungsschaltung überflüssig, indem man von einem piezoelektrischen Element Gebrauch macht. Die grundlegende Konfiguration des Detektors des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist auch denen der vorstehend beschriebenen, verschiedenen Ausführungsbeispiele gemein. Genauer gesagt sind das feststehende Substrat 10h und das flexible Substrat 20h im Inneren des Detektorgehäuses 40 derart angebracht, daß sie einander gegenüberliegen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Substrate aus einem Isolierkörper gebildet, jedoch können sie auch aus Metall oder Halbleiter gebildet sein. Bei Ausübung einer externen Kraft auf den Arbeitskörper 30h wird das flexible Substrat 20h gebogen. Als Ergebnis hiervon verändern sich die Abstände zwischen den feststehenden Elektroden 11h und 12h und den diesen gegenüberliegenden Verlagerungselektroden 21h und 22h. Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Veränderung der Distanz zwischen den beiden Elektroden in Form einer Veränderung der elektrostatischen Kapazität nachgewiesen. Im Gegensatz dazu kann bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine solche Änderung als Spannungswert nachgewiesen werden. Um dies zu verwirklichen, sind piezoelektrische Elemente 45 und 46 derart ausgebildet, daß sie zwischen den feststehenden Elektroden 11h und 12h sowie den Verlagerungselektroden 21h und 22h angeordnet sind. Selbstverständlich kann auch ein Verfahren verwendet werden, in dem die jeweiligen Elektroden sowohl an der oberen als auch der unteren Fläche der piezoelektrischen Elemente 45 und 46 ausgebildet werden, so daß diese danach zwischen dem feststehenden Substrat 10h und dem flexiblen Substrat 20h angeordnet werden können. Wenn die Distanz zwischen den beiden Elektroden reduziert wird, wird eine Druckkraft auf die piezoelektrischen Elemente 45 und 46 ausgeübt. Wenn dagegen diese Distanz erweitert wird, wird eine Zugkraft auf die piezoelektrischen Elemente 45 und 46 ausgeübt. Als Ergebnis hiervon wird eine jeder Kraft entsprechende Spannung durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt. Da eine solche Spannung, so wie sie ist, von beiden Elektroden abgenommen werden kann, läßt sich eine ausgeübte externe Kraft schließlich direkt als Spannungswert abgeben.
Als piezoelektrische Elemente 45 und 46 können z. B. PZT-Keramikmaterialien (feste Lösung aus Bleititanat und Bleizirkonat) verwendet werden. Im Gebrauch genügt es, diese mechanisch zwischen die beiden Elektroden zu koppeln. Obwohl in Fig. 23a nur eine seitliche Schnittansicht dargestellt ist, reicht diese Ausbildung zum Nachweis einer dreidimensionalen Beschleunigung, indem vier Sätze von piezoelektrischen Elementen in derselben Weise wie bei der in Fig. 3 gezeigten Elektrodenanordnung angeordnet werden. Alternativ hierzu können in derselben Weise wie bei der in Fig. 11 gezeigten Elektrodenanordnung acht Sätze piezoelektrischer Elemente vorgesehen werden (wobei vier Sätze der piezoelektrischen Elemente zum Nachweis einer Kraft in der Z-Achsen-Richtung der acht Sätze im wesentlichen zu einem Satz kombiniert werden können). Zum Nachweis einer zweidimensionalen Beschleunigung können zwei Sätze piezoelektrischer Elemente in derselben Weise wie bei der in Fig. 18 gezeigten Elektrodenanordnung vorgesehen werden. Auch in dem Fall, in dem der Detektor in dem eigentlichen Detektorgehäuse 40 untergebracht ist, wird eine Konfiguration vorgesehen, die der des in Fig. 22 gezeigten Ausführungsbeispiels im wesentlichen ähnlich ist. In diesem Fall werden von den externen Anschlüssen 91 bis 93 Spannungswerte direkt abgegeben.
Die zusätzliche Wirkung dieses in Fig. 23a gezeigten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die piezoelektrischen Elemente 45 und 46 eine Schutzfunktion gegenüber dem flexiblen Substrat 20h aufweisen. Selbst im Fall der Ausübung einer übermäßigen Kraft ist aufgrund der Tatsache, daß sich das flexible Substrat 20h nur durch das Vorhandensein der piezoelektrischen Elemente 45 und 46 derart biegt, daß die Durchbiegung ein vorbestimmtes Limit nicht überschreitet, keine Möglichkeit einer Beschädigung des flexiblen Substrats 20h vorhanden. In derselben Weise, wie bei dem Ausführungsbeispiel mit der vorstehend beschriebenen Testfunktion kann ferner ein Pseudotest durchgeführt werden, bei dem eine Coulomb'sche Kraft zwischen den beiden Elektroden wirkt.
Das in Fig. 23b gezeigte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Beispiel, bei dem ein einzelnes gemeinsames piezoelektrisches Element 47 zwischen dem feststehenden Substrat 10i und dem flexiblen Substrat 20i angeordnet ist. Fünf feststehende Elektroden 11i bis 15i und fünf Verlagerungselektroden 21i bis 25i sind auf der oberen Oberfläche bzw. der unteren Oberfläche des gemeinsamen piezoelektrischen Elements 47 in derselben Anordnung wie in Fig. 14 ausgebildet. Wie vorstehend erläutert wurde, kann auch nur ein einzelnes gemeinsames piezoelektrisches Element verwendet werden.

7. Weitere Ausführungsbeispiele des Detektors

Während der erfindungsgemäße Detektor in Verbindung mit mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele begrenzt ist, sondern in verschiedenartiger Weise weitergebildet sein kann. Insbesondere ist bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ein Beispiel dargestellt worden, bei dem die vorliegende Erfindung bei einem Beschleunigungsdetektor zum Nachweis einer auf den Arbeitskörper wirkenden Beschleunigung verwendet wird. Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung besteht jedoch in dem Mechanismus zum Nachweis einer Kraft, die auf der Basis eines beliebigen physikalischen Phänomens auf den Arbeitskörper wirkt. Es versteht sich daher von selbst, daß die vorliegende Erfindung bei einem Detektor zum direkten Nachweisen einer Kraft anstatt einer Beschleunigung verwendet werden kann. Fig. 24 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Kraftdetektors mit im wesentlichen demselben Aufbau wie der in Fig. 22 gezeigte Beschleunigungsdetektor. In der unteren Fläche des Detektorgehäuses 40 ist ein Durchgangsloch 42 ausgebildet. Ein sich von einem Arbeitskörper 75 wegerstreckender Kontakt 76 ist durch das Durchgangsloch 42 hindurchgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, eine auf den vorderen Endbereich des Kontakts 76 wirkende Kraft direkt nachzuweisen. Wenn bei dem in Fig. 22 gezeigten Beschleunigungsdetektor der Arbeitskörper 75 aus magnetischem Material gebildet ist, wie z. B. Eisen, Kobalt oder Nickel usw., kann dann, wenn eine auf Magnetismus basierende Kraft auf den in einem Magnetfeld plazierten Arbeitskörper 75 wirkt, Magnetismus nachgewiesen werden. Die vorliegende Erfindung kann somit auch bei einem Magnetdetektor zur Verwendung kommen.
Wie vorstehend erwähnt wurde, wird bei dem Detektor für physikalische Größen gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Nachweis einer Kraft verwendet, bei dem auf der Grundlage von Veränderungen der elektrostatischen Kapazitätswerte von Kapazitätselementen, die durch die Verlagerungselektroden, welche zur Ausführung einer Verlagerung durch eine nachzuweisende Kraft/Beschleunigung/Magnetismus ausgelegt sind, sowie die diesen gegenüberliegend angebrachten feststehenden Elektroden gebildet sind, oder bei dem eine Kraft auf der Basis von Veränderungen des Ausgangssignals von zwischen den beiden Elektroden angeordneten piezoelektrischen Elementen nachgewiesen wird, so daß sich mit niedrigen Kosten ein Detektor verwirklichen läßt, der zum Nachweis einer physikalischen Größe, wie einer Kraft, Beschleunigung oder Magnetismus usw. ohne Ausführung einer Temperaturkompensation in der Lage ist.
Ferner kann der Detektor für physikalische Größen gemäß der vorliegenden Erfindung auch bei einem Detektor zur Anwendung kommen, der ein Servosystem verwendet, bei dem eine Rückkopplungssteuerung durch Anlegen einer Spannung zwischen Elektroden durchgeführt wird, um eine Distanz zwischen diesen mittels der Coulomb'schen Kraft zu steuern, so daß ein Kapazitätswert eines Kapazitätselements oder eine Ausgangsspannung eines piezoelektrischen Elements konstant wird.

8. Herstellungsverfahren I

Die Konfigurationen des Detektors gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Im folgenden wird ein Verfahren beschrieben, das zur Herstellung dieser Detektoren geeignet ist. Dabei erfolgt die Erläuterung unter Bezugnahme auf ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Detektors, bei dem die Verlagerungselektrode aus fünf lokalen Elektroden gebildet ist. Das Merkmal des vorliegend beschriebenen Herstellungsverfahrens besteht darin, daß eine Anzahl von Sensoreinheiten auf einem einzigen Substrat ausgebildet werden, wonach jede jeweilige Einheit ausgeschnitten wird (Vereinzeln oder Ätzen im folgenden wird das Beispiel zum Vereinzeln der jeweiligen Einheiten beschrieben). Als Herstellungsverfahren I wird zuerst das Verfahren bis zum Vereinzeln der jeweiligen Einheiten beschrieben.
Zu Beginn wird eine Anzahl von Einheitsbereichen definiert. In dem anschließenden Vereinzelungsvorgang wird ein Hauptsubstrat von jedem einzelnen Einheitsbereich einzeln abgeschnitten. Dadurch wirken die jeweiligen Einheitsbereiche unabhängig als Verlagerungssubstrate. Fig. 25 zeigt eine Anzahl von Einheitsbereichen, die auf dem Hauptsubstrat 100 gebildet sind. Dabei stellt der schraffiert dargestellte Bereich einen Einheitsbereich dar. Jeder Einheitsbereich ist quadratisch. Im Fall der Verwendung eines Wafers, wie z. B. eines Halbleiters, als Hauptsubstrat 100 wird im allgemeinen eine große Anzahl von Einheitsbereichen auf einem scheibenförmigen Substrat in der vorstehend beschriebenen Weise gebildet. Zur Vereinfachung der Erläuterung erfolgt die anschließende Beschreibung jedoch unter Bezugnahme auf ein Beispiel, bei dem vier Einheitsbereiche (der Bereich, bei dem eine Schraffierung in einem Einheitsbereich vorhanden ist) auf einem quadratischen Hauptsubstrat 100 ausgebildet sind, wie dies in Fig. 26 gezeigt ist.
Fig. 27a bis 27d zeigen Querschnittsansichten unter Darstellung der jeweiligen Verfahrensschritte dieses Herstellungsverfahrens. Diese Verfahrensschritte werden nun ausführlich beschrieben. Zu Beginn wird ein Hauptsubstrat 100 bearbeitet, wie dies in Fig. 28 gezeigt ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein einkristallines Siliziumsubstrat als Hauptsubstrat 100 verwendet, jedoch kann auch ein Substrat aus anderem Material, beispielsweise ein Glassubstrat usw., verwendet werden. Wie vorstehend erläutert wurde, ist das Hauptsubstrat 100 zur Vereinfachung der Erläuterung quadratisch und in vier Einheitsbereiche geteilt. Somit wird exakt dieselbe Bearbeitung an den jeweiligen vier Einheitsbereichen durchgeführt. Fig. 28b zeigt eine Bodenansicht des bearbeiteten Hauptsubstrats 100, und Fig. 28a zeigt eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung des geschnittenen Zustands entlang der Schnittlinie a-a des Hauptsubstrats 100. Auf der oberen Oberfläche des Hauptsubstrats 100 werden erste Elektrodenschichten E1 an vorbestimmten Positionen gebildet. Diese ersten Elektrodenschichten E1 entsprechen den in Fig. 14 gezeigten fünf Verlagerungselektroden 21 bis 25 (in Fig. 28a sind zwei Einheiten von drei Verlagerungselektroden derselben separat im Querschnitt dargestellt) und sind an Positionen ausgebildet, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden durch Eindiffundieren von Dotierstoffen in den Oberflächenbereich des Hauptsubstrats 100, das aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat gebildet ist, die vorstehend genannten ersten Elektrodenschichten E1 gebildet. Zusätzlich dazu können die ersten Elektrodenschichten E1 unter Verwendung eines Verfahrens zum Anbringen einer Aluminiumschicht auf dem Hauptsubstrat 100 über eine Isolierschicht hinweg verwendet werden. Kurz gesagt können die ersten Elektrodenschichten E1 durch ein beliebiges Verfahren gebildet werden, mit dem sich eine leitfähige Schicht bilden läßt. Das Verfahren, das auf die Bildung einer Schicht mit eindiffundierten Dotierstoffen oder die Bildung einer Aluminiumschicht basiert, ist deshalb bevorzugt, weil das herkömmliche planare Halbleiterverfahren verwendet werden kann, so wie es ist. Andererseits werden Nuten 101 an der unteren Oberfläche des Hauptsubstrats 100 durch ein Verfahren, wie z. B. Ätzen usw. gebildet, so daß die Dicke dieses Bereichs dünn wird, wodurch das Hauptsubstrat 100 Flexibilität aufweist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jede Nut 101 kreisförmig, wie dies in Fig. 28b gezeigt ist. Der innenliegende Bereich der Nut 101 dient als Arbeitsbereich 110, ihr außenliegender Bereich dient als feststehender Bereich 130, und der Nutbereich dient als flexibler Bereich 120. Den in Fig. 14 gezeigten Verlagerungselektroden 21f bis 24f entsprechende Elektrodenschichten der ersten Elektrodenschichten E1 werden unmittelbar auf dem flexiblen Bereich 120 über den Nuten ausgebildet, und eine der Verlagerungselektrode 25f entsprechende Elektrodenschicht wird auf dem von jeder Nut umgebenen Arbeitsbereich 110 ausgebildet. Fig. 27a zeigt den Zustand, in dem die Bearbeitung des Hauptsubstrats 100 abgeschlossen ist.
Anschließend wird ein Hilfssubstrat 200 vorbereitet, wie es in den Fig. 29a und 29b dargestellt ist. Da ein Bereich des Hilfssubstrats 200 und der übrige Bereich desselben einen Gewichtskörper bzw. einen Sockel bilden, sollte ein Material verwendet werden, das für den Gewichtskörper und den Sockel geeignet ist. Da das Hilfssubstrat 200 mit dem Hauptsubstrat 100 verbunden oder an dieses angebunden wird, ist es bevorzugt, ein Material zu verwenden, das im wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Hauptsubstrat 100 besitzt. Zum Beispiel ist es bevorzugt, ein mit dem Hauptsubstrat 100 identisches Siliziumsubstrat oder ein Glassubstrat zu verwenden. Fig. 29b zeigt eine von oben gesehene Draufsicht auf das bearbeitete Hilfssubstrat 200, und Fig. 29a zeigt eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung des Zustands, in dem das Hilfssubstrat 200 entlang der Schnittlinie a-a geschnitten ist. Auf diese Weise werden Nuten 201 und 202 in Längsrichtung sowie in Breitenrichtung auf der oberen Oberfläche des Hilfssubstrats 200 gebildet. Bei der Nut 201 handelt es sich um eine tiefe Nut mit einer Breite L1, und bei der Nut 202 handelt es sich um eine flache Nut mit einer Breite L2. Die Nut 201 dient zur Ermöglichung einer einfachen Vereinzelung des Substrats in dem nachfolgenden Verfahrensschritt. Kurz gesagt braucht die Nut 201 nur an einer derartigen Stelle ausgebildet zu werden, daß dem Arbeitsbereich 110 des Hauptsubstrats 100 entsprechende Bereiche 210 (in der Zeichnung vier Bereiche) und dem feststehenden Bereich 130 entsprechende Bereiche 220 (übrige Bereiche) abgetrennt werden können. Mit anderen Worten wird das Hilfssubstrat 200 mit dem Hauptsubstrat 100 in Überlappung gebracht und mit diesem verbunden oder an dieses angebondet. Dabei ist es lediglich erforderlich, daß nur das Hilfssubstrat 200 entlang der Nut 201 zerschnitten wird, so daß das Hilfssubstrat 200 in den Gewichtskörper (Bereiche 210) und den Sockel (Bereiche 220) getrennt werden kann. Ferner dient die Nut 202 zur Schaffung eines Freiheitsgrades hinsichtlich der Verlagerung des geschnittenen Gewichtskörpers in Richtung nach oben. Nach der Vorbereitung eines derartigen Hilfssubstrats 200 wird dieses Hilfssubstrat mit dem Hauptsubstrat 160 verbunden oder an dieses angebondet, wie dies in Fig. 27b gezeigt ist. Diese Bondverbindung kann mittels eines Klebstoffs durchgeführt werden. Zur Ausführung einer sicheren Bondverbindung ist es jedoch bevorzugt, ein anodisches oder direktes Bonden zu verwenden, mit dem sich Materialien direkt bondverbinden lassen. Im Fall des anodischen Bondens wird eine Spannung über den beiden Elementen angelegt, um die Temperatur der beiden Elemente zu erhöhen, um diese unter Aufbringung eines Drucks aneinander zu bonden. Im Fall der direkten Bondverbindung ist es nicht notwendig, eine Spannung anzulegen.
Wie in Fig. 27c gezeigt ist, wird das Hilfssubstrat 200 dann entlang der Nut 201 mittels einer Vereinzelungsklinge zerschnitten. Jede Schneidbahn 203 ist dabei auf der der Nut 201 gegenüberliegenden Seite (dem unteren Teil in der Zeichnung) gebildet. Auf diese Weise werden die Bereiche 210 (die als Gewichtskörper dienen) und die Bereiche 220 (die als Sockel dienen) vollständig getrennt. Wie in Fig. 29b gezeigt ist, sind die Bereiche 210 (Gewichtskörper) an vier Stellen angeordnet. Es ergibt sich daher der Zustand, daß diese Bereiche nur an den in Fig. 28b gezeigten Arbeitsbereich 110 angebondet sind. Ferner ergibt sich der Zustand, daß die übrigen Bereiche 210 (Sockel) nur an den in Fig. 28b gezeigten feststehenden Bereich 130 angebondet sind. Es ist darauf hinzuweisen, daß aufgrund des schwebenden Zustands des flexiblen Bereichs 120 gegenüber dem Hilfssubstrat 200 dieser flexible Bereich an keinen anderen Bereich angebondet ist. Wie vorstehend erwähnt wurde, lassen sich durch Vereinzelung des Hilfssubstrats 200 der Gewichtskörper 210 und der Sockel 220 gleichzeitig ausbilden. Dabei hat der Sockel 220 nicht nur die Funktion eines Sockels zum Tragen des feststehenden Bereichs 130, sondern er wirkt auch als Steuerelement zur Durchführung einer derartigen Steuerung, daß eine in seitlicher Richtung erfolgende Verlagerung des Gewichtskörpers 210 einen zulässigen Bereich nicht überschreitet. Dieser zulässige Bereich wird durch die Breite der Schneidbahn 203 bestimmt (in dem Fall, in dem die Breite der Nut 201 geringer ist als die Breite der Schneidbahn 203, wird der zulässige Bereich durch die Breite der Nut 201 bestimmt). Es ist darauf hinzuweisen, daß es sich bei dem hier ausgeführten Vereinzelungsvorgang nur um den Vereinzelungsvorgang für das Hilfssubstrat 200 handelt. Das Hauptsubstrat 100 befindet sich somit immer noch in dem Zustand eines einzigen Substrats.
Anschließend wird ein Steuersubstrat 300 vorbereitet, wie es in den Fig. 30a und 30b gezeigt ist. Dieses Steuersubstrat 300 dient zum Steuern des Gewichtskörpers 210 in einer derartigen Weise, daß eine Verlagerung desselben in Richtung nach unten innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt. Für das Material des Steuersubstrats 300 kann ebenso wie bei dem Hilfssubstrat 200 ein Siliziumsubstrat oder ein Glassubstrat verwendet werden. Auf der oberen Oberfläche des Steuersubstrats 300 erfolgt exakt dieselbe Bearbeitung in Verbindung mit den jeweiligen vier Einheiten. Fig. 30b zeigt eine von oben gesehene Draufsicht auf das bearbeitete Steuersubstrat 300, und Fig. 30a zeigt eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung des Zustands, in dem das Steuersubstrat 300 entlang der Schnittlinie a-a geschnitten ist. Auf der Seite seiner oberen Oberfläche sind vier quadratische Nuten bzw. Aussparungen in den vier Bereichen ausgebildet. Diese Nuten 301 dienen zum Steuern des Freiheitsgrades bei einer in Richtung nach unten gehenden Verlagerung des Gewichtskörpers 210, wobei das Freiheitsausmaß durch die Tiefe der Nut 301 bestimmt wird. Dieses Steuersubstrat 300 wird mit dem Hilfssubstrat 200 verbunden oder dieses angebondet, wie dies in Fig. 27d gezeigt ist. Auch bei diesem Bondvorgang ist es bevorzugt, ein anodisches Bonden oder direktes Bonden zu verwenden.
Anschließend wird ein zusätzliches Substrat 400 vorbereitet, wie es in den Fig. 31a und 31b zeigt ist. Dieses zusätzliche Substrat 400 dient zum Tragen der zweiten Elektrodenschichten E2. In derselben Weise, wie bei dem Hauptsubstrat 100 kann als Material für das zusätzliche Substrat ein Siliziumsubstrat oder Glassubstrat verwendet werden. Es erfolgt exakt dieselbe Bearbeitung an der unteren Oberfläche des zusätzlichen Substrats 400 in Verbindung mit den jeweiligen vier Einheitsbereichen. Fig. 31b zeigt eine Bodenansicht des bearbeiteten zusätzlichen Substrats 400, und Fig. 31a zeigt eine seitliche Schnittansicht unter Darstellung des Zustands, in dem das bearbeitete zusätzliche Substrat 400 entlang der Schnittlinie a-a geschnitten ist. An seiner unteren Oberfläche werden quadratische Nuten bzw. Aussparungen 401 an vier Bereichen ausgebildet, und zweite Elektrodenschichten E2 werden auf den Bodenflächen der jeweiligen Nuten 401 ausgebildet. Diese zweiten Elektrodenschichten E2 entsprechen den in Fig. 13 gezeigten feststehenden Elektroden 11, und sie sind an Positionen ausgebildet, wie sie in Fig. 13 gezeigt sind, d. h. an den Verlagerungselektroden 21 bis 25 gegenüberliegenden Positionen. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Nuten 401 durch ein Verfahren, wie beispielsweise Ätzen usw. auf der Fläche des als einzelnes Siliziumsubstrat ausgebildeten zusätzlichen Substrats 400 gebildet, um danach die zweiten Elektrodenschichten E2 durch Anbringen einer Aluminiumschicht an den Bodenflächen dieser Nuten 401 unter Zwischenanordnung von Isolierschichten zu bilden. Selbstverständlich können die zweiten Elektrodenschichten E2 in derselben Weise wie bei der ersten Elektrodenschicht E1 durch das ein Eindiffundieren von Dotierstoffen verwendende Verfahren gebildet werden. Kurz gesagt lassen sich die zweiten Elektrodenschichten E2 durch jegliches Verfahren bilden, mit dem sich eine Schicht mit leitfähiger Eigenschaft bilden läßt. Das Verfahren, das auf die Bildung der Schicht mit eindiffundierten Dotierstoffen oder auf die Bildung der Aluminiumschicht basiert, ist bevorzugt, da sich die Technologie des herkömmlichen planaren Halbleiterverfahrens so wie sie ist verwenden läßt. Die Bildung der Nuten 401 und/oder die Bildung der zweiten Elektrodenschichten E2 lassen sich mit extrem hoher Genauigkeit durchführen, indem die bei dem Halbleiterverfahren verwendete Mikrobearbeitungs-Technologie zur Anwendung kommt. Ein weiteres Merkmal des zusätzlichen Substrats 400 besteht darin, daß die Breite in seitlicher Richtung geringfügig kleiner ist als die der übrigen Substrate und daß eine in Längsrichtung langgestreckte Nut 402 in der Mitte des zusätzlichen Substrats 400 ausgebildet ist. Dabei handelt es sich um die Einrichtung zur Vereinfachung des Drahtbondvorgangs, der in der nachfolgend noch zu beschreibenden Weise ausgeführt wird. Dieses zusätzliche Substrat 400 wird in der in Fig. 32a dargestellten Weise mit dem Hauptsubstrat 100 verbunden oder an dieses angebondet. Auch bei diesem Bondvorgang ist es bevorzugt, ein anodisches Bonden oder direktes Bonden zu verwenden. Die erste und die zweite Elektrodenschicht E1 und E2 sind somit in senkrechter Richtung der Zeichnung einander gegenüberliegend angeordnet. Vom Standpunkt der Erhöhung der elektrostatischen Kapazität und der Ausführung einer mit hoher Empfindlichkeit erfolgenden Messung ist es bevorzugt, daß die Distanz zwischen den beiden Elektroden so schmal wie möglich ist. Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Mikrobearbeitungs-Technologie läßt sich die Distanz zwischen den beiden Elektroden auf einigen wenigen µm halten.
Wie in Fig. 32b gezeigt ist, werden anschließend die oberen Teile der Nut 402 durch Schneidbahnen 403 abgeschnitten. Wenn die jeweiligen Einheitsbereiche entlang einer Schneidbahn 510 zerschnitten werden, wie dies in Fig. 32c gezeigt ist, werden jeweils vier Einheitsbereiche abgetrennt, wie sie in Fig. 26 gezeigt sind. Auf diese Weise ist jeder zentrale Sensorbereich 500 fertiggestellt. Die Perspektivansicht des auf diese Weise fertiggestellten zentralen Sensorbereichs 500 ist in Fig. 33 dargestellt. Der Grund für die kurze Ausbildung der Breite des zusätzlichen Substrats 400 in seitlicher Richtung und der Ausbildung der in Längsrichtung langgestreckten Nut 402 besteht in der Ermöglichung der Freilegung von Bondverbindungsflächen 501, wie dies in Fig. 33 dargestellt ist.

9. Herstellungsverfahren II

Im folgenden werden die Verfahrensschritte beschrieben, die nach der Vereinzelung der jeweiligen Substrate erfolgen. Wenn der zentrale Sensorbereich 500 in der in Fig. 33 gezeigten Weise geschaffen ist, wird dieser zentrale Sensorbereich in einem Baustein 600 untergebracht, wie er in der seitlichen Schnittansicht der Fig. 34 dargestellt ist. Dies erfolgt dadurch, daß man den Bodenbereich des zentralen Sensorbereichs 500 an dem Innenbereich des Bausteins 600 anklebt. An dem Baustein 600 sind zur Montage dienende Leitungen 610 angebracht, und die Bondverbindungsflächen 501 sowie die inneren Enden der Leitungen 610 werden durch Bonddrähte 620 verbunden. Wenn anschließend eine Abdeckung 630 über dem Baustein 600 angebracht und abgedichtet ist, ist ein Beschleunigungssensor fertiggestellt.
Wie vorstehend erwähnt wurde, ist im Vergleich zu dem Herstellungsverfahren für jedes Substrat (das zuvor beschriebene Herstellungsverfahren I), das Herstellungsverfahren für die jeweiligen Einheiten nach der Vereinzelung (das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren II) sehr einfach. Gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich nämlich die meisten Herstellungsschritte für jedes Substrat durchführen. Auf diese Weise läßt sich ein effizientes Herstellungsverfahren durchführen, das für eine Massenproduktion geeignet ist.

10. Weitere Ausführungsbeispiele des Herstellungsverfahrens

Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist zwar in Verbindung mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben worden, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel begrenzt, sondern kann auch in verschiedenen anderen Formen ausgeführt werden. Ein Ausführungsbeispiel in einer anderen Form wird im folgenden veranschaulicht.
(1) Während das Steuersubstrat 300 bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel verbunden oder angebondet ist, besteht der grundlegende Gedanke der vorliegenden Erfindung darin, daß der Gewichtskörper und der Sockel durch das Hilfssubstrat 200 gebildet sind. Der Vorgang zum Anbonden des Steuersubstrats 300 ist somit nicht unbedingt notwendig. Wenn z. B. die Bodenfläche des Gewichtskörpers 210 einem Abschabevorgang oder einer ähnlichen Bearbeitung unterzogen wird, so daß die Dicke des Gewichtskörpers 210 geringfügig geringer ist als die Dicke des Sockels 220, kann die Bodenfläche des Sockels 220 direkt mit der Bodenfläche des inneren Bereichs des Bausteins 600 verbunden oder an diese angebondet werden. Da die Dicke des Gewichtskörpers 210 geringfügig geringer ist als die Dicke des Sockels 220, läßt sich in einem Zustand, in dem keine Beschleunigung einwirkt, der Gewichtskörper 210 in einem über der Bodenfläche des inneren Bereichs des Bausteins 600 schwebenden Zustand halten.
(2) Während das Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert worden ist, läßt sich genau derselbe Vorgang auch bei der Herstellung eines Magnetsensors ausführen. Es ist darauf hinzuweisen, daß es sich im Fall des Beschleunigungssensors bei dem eine Kraft auf den Arbeitsbereich ausübenden Arbeitskörper um den Gewichtskörper 210 handelte, während es sich im Fall des Magnetsensors bei dem Arbeitskörper um einen magnetischen Körper handeln muß. Aus diesem Grund muß ein magnetisches Material als Material für das Hilfssubstrat 200 verwendet werden.
(3) Bei dem in Fig. 29 gezeigten Hilfssubstrat 200 werden die Nuten 201 im voraus gebildet. Diese Nuten dienen zur Erleichterung der Arbeiten zum Schneiden des Hilfssubstrats 200 in dem nachfolgenden Vorgang, und sie sind somit nicht unbedingt notwendig. Wenn nämlich das Hilfssubstrat 200 in dem anschließenden Vorgang korrekt zerschnitten werden kann, sind die Nuten 201 nicht erforderlich.
(4) Beim Schneiden des Hilfssubstrats 200 zur Bildung eines Gewichtskörpers 210 und eines Sockels 220 wird das Hilfssubstrat 200 bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel durch Vereinzelung zerteilt. Ferner kann das Hilfssubstrat 200 auch durch chemisches Ätzen geteilt werden. Der Begriff Schneiden in der vorliegenden Beschreibung beinhaltet auch eine Trennung durch Ätzen.
(5) Bei dem in Fig. 30 gezeigten Steuersubstrat 300 sind quadratische Aussparungen 301 in den jeweiligen Einheitsbereichen ausgebildet. Anstatt davon kann auch ein Steuersubstrat 300' verwendet werden, das in Längsrichtung langgestreckte Nuten 302 aufweist, die sich in der in den Fig. 36a und 36b gezeigten Weise über die Einheitsbereiche erstrecken.
(6) Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 33 gezeigt ist, erfolgt die elektrische Verbindung zwischen den Bondverbindungsflächen 501 und den jeweiligen Elektrodenschichten (in Fig. 33 nicht gezeigt) durch die eindiffundierten Schichten innerhalb des Hauptsubstrats. Bei dem Typ, bei dem Verdrahtungsschichten 502 beispielsweise aus Aluminium usw. auf dem Substrat gebildet sind, um die elektrische Verbindung dazwischen herzustellen, wie dies bei dem in Fig. 35 gezeigten zentralen Sensorbereich 500' der Fall ist, ist es notwendig, Spalte 503 für die Verdrahtungsschichten 502 sicherzustellen. In diesem Fall kann anstatt des in Fig. 31 gezeigten zusätzlichen Substrats 400 ein zusätzliches Substrat 400' mit Nuten 404 verwendet werden, wie es in den Fig. 37a und 37b gezeigt ist.
(7) Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel ist zwar in Verbindung mit dem Beispiel erläutert worden, bei dem das in Fig. 26 gezeigte quadratische Substrat zur Vereinfachung der Erläuterung zur Herstellung von vier Sätzen von zentralen Sensorbereichen verwendet wird, jedoch können vom praktischen Standpunkt aus auch größere Anzahlen von zentralen Sensorbereichen unter Verwendung des in Fig. 25 gezeigten scheibenförmigen Wafers hergestellt werden. Selbstverständlich kann auch nur ein Satz zentraler Sensorbereiche durch ein einzelnes Substrat (Wafer) hergestellt werden.
(8) Während der Raum um den Gewichtskörper 210 herum bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Luft gefüllt ist, wird bei abdichtendem Einschluß von Silikonöl usw. in dem Raum ein Stoß- oder Vibrationsaufnahmeeffekt erzielt, wodurch sich eine verbesserte Stoßfestigkeit und Vibrationsfestigkeit ergeben.
(9) Zum Abgeben von Veränderungen einer elektrostatischen Kapazität in Form eines Signals ist es im allgemeinen erforderlich, eine mit Kapazitätselementen verbundene Oszillationsschaltung, eine Verstärkerschaltung zum Verstärken eines Ausgangssignals von der Oszillationsschaltung sowie eine Zählerschaltung zum Zählen einer Frequenz eines verstärkten Signals usw. vorzusehen. Wenn das Hauptsubstrat 100 mit einem Halbleitersubstrat aufgebaut ist, können die vorstehend genannten Schaltungen auf dem Hauptsubstrat 100 ausgebildet werden.
(10) Wie in Fig. 13 gezeigt ist, ist bei dem dort beschriebenen Ausführungsbeispiel eine einzige feststehende Elektrode 11 auf der Seite des feststehenden Substrats 10 ausgebildet und fünf Verlagerungselektroden 21 bis 25 sind auf der Seite des Verlagerungssubstrats 20 ausgebildet. Umgekehrt dazu kann auch eine Anordnung verwendet werden, bei der fünf feststehende Elektroden auf der Seite des feststehenden Substrats 10 ausgebildet sind und eine einzige Verlagerungselektrode auf der Seite des Verlagerungssubstrats 20 ausgebildet ist.
(11) Ferner ist bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel eine der einander gegenüberliegenden Elektrodenschichten mit einer einzelnen Elektrodenschicht ausgebildet und die andere Elektrode mit fünf Elektrodenschichten ausgebildet. In diesem Fall wird die einzelne Elektrodenschicht vom Standpunkt der Konfiguration der Detektionsschaltung her als gemeinsame Elektrode verwendet. Im Gegensatz dazu können auch beide der Elektroden jeweils mit fünf Elektrodenschichten ausgebildet sein. In diesem Fall werden fünf Sätze komplementärer, unabhängiger Kapazitätselemente gebildet. Auf diese Weise läßt sich ein Detektionsvorgang mit einem höheren Ausmaß an Freiheit durchführen.
(12) Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel fünf Verlagerungselektroden 21f bis 25f in einer Form angeordnet sind, wie sie in Fig. 14 gezeigt ist, um Beschleunigungskomponenten in dreidimensionalen Richtungen nachzuweisen, kann ein Nachweis einer Beschleunigungskomponente in der Z-Achsen- Richtung ohne Verwendung der Verlagerungselektrode 25f durchgeführt werden. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, können nämlich nur vier Verlagerungselektroden 21 bis 24 verwendet werden, wobei dabei ein Nachweis von Beschleunigungskomponenten in Richtung von drei Dimensionen möglich ist. Bei der Ausführung einer Messung mit guter Präzision, bei der eine Überlagerung mit anderen Achsenkomponenten unterdrückt ist, ist jedoch eine Anordnung mit fünf Elektroden ideal, wie sie in Fig. 13 gezeigt ist. Mit anderen Wort ist es bevorzugt, daß der Nachweis der Komponente in der Z-Achsen-Richtung durch die in der Mitte angeordnete Elektrode 25f durchgeführt wird und der Nachweis der Komponente in der X-Achsen- oder Y-Achsen-Richtung durch die um die Elektrode 25f herum angeordneten Elektroden 21f bis 24f durchgeführt wird. Aus Fig. 15 ist erkennbar, daß bei Wirkung einer Kraftkomponente in der X-Achsen- oder Y-Achsen-Richtung eine Verlagerung der Elektroden 21f bis 24f augenfälliger ist als eine Verlagerung der Elektrode 25f (da die Elektrode 25f im zentralen Bereich angeordnet ist, kann man sagen, daß sie bei Betrachtung derselben als Ganzes eine Verlagerung erfährt). Somit ist die Verwendung der Elektroden 21f bis 24f zum Nachweis der Komponente in der X-Achsen- oder Y-Achsen-Richtung geeignet. Ferner ist aus Fig. 16 erkennbar, daß bei Wirkung einer Kraftkomponente in der Z-Achsen-Richtung die Verlagerung der Elektrode 25f augenfälliger ist als die Verlagerung der Elektroden 21f bis 24f. Somit ist die Elektrode 25f zum Nachweis der Komponente in der Z-Achsen-Richtung geeignet.
Da gemäß dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung eine Vorgehensweise verwendet wird, bei der jedes Substrat den Arbeitskörper (Gewichtskörper oder magnetischen Körper) und den Sockel bildet und bei der jedes Substrat aus den erforderlichen Elektrodenschichten gebildet wird, ist eine Massenproduktion von Sensoren, die von Veränderungen der elektrostatischen Kapazität Gebrauch machen, in effizienter Weise ermöglicht.

11. Noch weitere Ausführungsbeispiele

Schließlich werden noch einige weitere Ausführungsbeispiele erläutert. Fig. 38 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Beschleunigungsdetektors 700 gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dieser Beschleunigungsdetektor besitzt eine Relation zwischen dem Gewichtskörper und dem Sockel, die zu der der zuvor beschriebenen Detektoren entgegengesetzt ist. Genauer gesagt dient der Randbereich um das flexible Substrat 710 herum als Arbeitsbereich 711, der zentrale Bereich desselben dient als feststehender Bereich 713, und der dazwischen befindliche Bereich dient als flexibler Bereich 712. Der Gewichtskörper 721 ist in Form eines Rings ausgebildet und ist mit der unteren Fläche des Arbeitsbereichs 711 verbunden oder an diese angebondet. Der feststehende Bereich 713 ist durch einen Sockel 722 gehaltert, und der Sockel 722 ist auf einem Basissubstrat 730 fixiert. Mit der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 710 ist ein feststehendes Substrat 740 verbunden oder an diese angebondet. Da das feststehende Substrat nur an dem zentralen Bereich seiner unteren Oberfläche mit dem flexiblen Substrat 710 verbunden ist oder an dieses angebondet ist und Nuten in seinem Randbereich ausgebildet sind, sind das flexible Substrat 710 und das feststehende Substrat 740 mit einem Spalt zwischen der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 710 und der unteren Oberfläche des feststehenden Substrats 740 angeordnet.
Auf der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 710 sind fünf Elektroden 751 bis 755 (in der Zeichnung sind nur drei Elektroden dargestellt) über eine Isolierschicht hinweg ausgebildet. Durch diese fünf Elektroden 751 bis 755 und das feststehende Substrat 740 werden fünf Sätze von Kapazitätselementen gebildet. Auf diese Weise läßt sich eine auf den Gewichtskörper 721 wirkende Beschleunigung nachweisen.
Bei den bisher beschriebenen Detektoren wird eine Konstruktion verwendet, bei der der zentrale Bereich des flexiblen Substrats als Arbeitsbereich dient, der Umfangsbereich als feststehender Bereich dient und der mit dem feststehenden Bereich verbundene oder an diesen angebondete Sockel den Gewichtskörper umgibt, der mit dem Arbeitsbereich verbunden oder an diesen angebondet ist. Im Gegensatz dazu wird bei dem in Fig. 38 gezeigten Detektor eine Konstruktion verwendet, bei der der Randbereich des flexiblen Substrats als Arbeitsbereich dient, der zentrale Bereich desselben als feststehender Bereich dient und der mit dem Arbeitsbereich verbundene oder an diesen angebondete Gewlchtskörper den Sockel umgibt, der mit dem feststehenden Bereich verbunden oder an diesen angebondet ist. Die in den Abschnitten 8 und 9 veranschaulichten Herstellungsverfahren können auch bei dem Beschleunigungsdetektor mit einer derartigen Konstruktion verwendet werden.
Fig. 39 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Beschleunigungsdetektors 800 mit einer einfacheren Konstruktion. Bei diesem Beschleunigungsdetektor handelt es sich dahingehend um denselben wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, daß der zentrale Bereich des flexiblen Substrats 810 als Arbeitsbereich 811 dient, der Randbereich desselben als feststehender Bereich 813 dient und der dazwischen befindliche Bereich als flexibler Bereich 812 dient. Es ist jedoch ein Steuersubstrat 820 mit der unteren Oberfläche des flexiblen Substrats 810 verbunden oder an diese angebondet, und der Gewichtskörper ist nicht vorgesehen. In derselben Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein feststehendes Substrat 830 mit der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 810 verbunden oder an dieses angebondet, und fünf Sätze von Kapazitätselementen sind durch fünf Verlagerungselektroden 851 bis 855 (in der Zeichnung sind nur drei Elektroden dargestellt) und eine feststehende Elektrode 831 gebildet, um eine auf den Arbeitsbereich 811 wirkende Beschleunigung nachzuweisen. Beim Vergleich der in Fig. 39 gezeigten Konstruktion z. B. mit der in Fig. 32c gezeigten Konstruktion des zentralen Sensorbereichs 500 ist zu verstehen, daß es sich bei der in Fig. 39 gezeigten Konstruktion um eine eben solche Konstruktion handelt, bei der der Gewichtskörper 210 und der Sockel 220, die durch die Hilfselektrode 200 gebildet sind, weggelassen sind. Da das Hilfssubstrat 200 nicht notwendig ist, wird die Konstruktion einfach und der Herstellungsvorgang vereinfacht sich. Genauer gesagt wird diese Struktur gebildet durch Verbinden oder Anbonden des in Fig. 30a gezeigten Steuersubstrats an die untere Oberfläche des in Fig. 28a gezeigten Hauptsubstrats 100 sowie Verbinden oder Anbonden des in Fig. 31a gezeigten zusätzlichen Substrats an die obere Oberfläche des Hauptsubstrats 100. Da jedoch der Arbeitsbereich 811 als Gewichtskörper fungiert, wird die Empfindlichkeit bzw. das Ansprechvermögen niedriger.
Während sich die in Fig. 39 gezeigte Konstruktion in vorteilhafter Weise dadurch verwirklichen läßt, daß man eine gegenseitige Überlappung von drei Substraten vorsieht, wird das Ansprechvermögen in unvorteilhafter Weise reduziert, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Ein Detektor mit einem Aufbau, der zum Kompensieren dieses Nachteils in der Lage ist, ist in Fig. 40 dargestellt. Bei diesem Detektor 900 ist das flexible Substrat 910 gebildet aus einem Arbeitsbereich 911 und dem zentralen Bereich, einem feststehenden Bereich 913 an seinem Randbereich und einem dazwischen vorgesehenen flexiblen Bereich 912. Das Flächenbelegungsverhältnis des Arbeitsbereich 911 ist hoch. Ein Steuersubstrat 920 ist mit der unteren Fläche des flexiblen Substrats 910 verbunden oder an diese angebondet, und ein feststehendes Substrat 930 ist mit der oberen Fläche desselben verbunden oder an diese angebondet. Durch Verlagerungselektroden 951 bis 955 (in Fig. 40 sind nur drei Elektroden dargestellt), die auf der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 910 ausgebildet sind, und die auf der unteren Oberfläche des feststehenden Substrats 930 ausgebildete feststehende Elektrode 931 sind fünf Sätze von Kapazitätselmenten gebildet, um eine auf den Arbeitsbereich 911 wirkende Beschleunigung nachzuweisen. Das Merkmal dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 41 deutlich dargestellt. Fig. 41 zeigt eine von oben gesehene Draufsicht auf das flexible Substrat 910 in dem in Fig. 40 gezeigten Detektor. Die Schnittansicht entlang der Schnittlinie 40-40 des flexiblen Substrats 910 ist in Fig. 40 dargestellt, und die Schnittansicht entlang der Schnittlinie 42-42 ist in Fig. 42 dargestellt. Das bemerkenswerte Merkmal bei diesem flexiblen Substrat 910 besteht darin, daß L-förmige Durchgangslöcher 961 bis 964 in der dargestellten Weise ausgebildet sind. Durch diese L-förmigen Durchgangslöcher 961 bis 964 ist das flexible Substrat 910 im großen und ganzen in einen peripheren rahmenförmigen feststehenden Bereich 913 und einen inneren quadratischen Arbeitsbereich 911 unterteilt. Der Arbeitsbereich 911 liegt in einem Zustand vor, in dem er mit dem feststehenden Bereich 913 durch flexible Bereiche 910 an vier Stellen verbunden ist. Schließlich haltern die vier flexiblen Bereiche 912 in Balkenform den Arbeitsbereich 911 in einer derartigen Weise, daß der Arbeitsbereich 911 in vier Richtungen aufgehängt ist. Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß die Verlagerungselektroden 911 bis 955 alle auf dem Arbeitsbereich 911 ausgebildet sind. Wie in Fig. 43 gezeigt ist, ist eine feststehende Elektrode 931 an der Unterseite des feststehenden Substrats 930 derart ausgebildet, daß sie den Verlagerungselektroden 951 bis 955 zugewandt gegenüberliegt.
Dieser Beschleunigungsdetektor 900 besitzt folgende Vorteile. Da der Arbeitsbereich 911 die Funktion des Gewichtskörpers hat, ist die Konstruktion erstens einfach. Da der Arbeitsbereich 911 ferner einen relativ großen Block bilden kann, ist eine ausreichende Masse vorhanden, wodurch sich das Ansprechvermögen verbessern läßt. Da die fünf Verlagerungselektroden 951 bis 955 alle auf der Oberseite des Arbeitsbereichs 911 ausgebildet sind, läßt sich ferner durch die Wirkung einer Beschleunigung eine ausreichende Verlagerung erzeugen. Auf diese Weise läßt sich das Ansprechvermögen verbessern. Da ferner die L-förmigen Durchgangslöcher 961 bis 964 vorgesehen sind, so daß der Arbeitsbereich 911 durch die flexiblen Bereiche 912 in Balkenform gehaltert ist, ist das Ansprechvermögen noch weiter verbessert. Zusätzlich dazu läßt sich das flexible Substrat 910 mit dieser Konstruktion in einfacher Weise durch einen Vorgang wie Ätzen usw. bearbeiten. Es ist zu erkennen, daß es zur weiteren Verbesserung des Ansprechvermögens ausreicht, einen Gewichtskörper 941 und einen Sockel 942, die in der in Fig. 44 dargestellten Weise durch Zerschneiden eines einzigen Substrats 940 gebildet werden können, zwischen dem flexiblen Substrat 910 und dem Steuersubstrat 920 vorzusehen.

Claims

1. Kraftdetektor umfassend:

a) ein flexibles Substrat (20) mit einem feststehenden Bereich, der an einem Detektorgehäuse festgelegt ist, mit einem Arbeitsbereich, auf den eine Kraft von außen her übertragen wird, und mit einem Flexibilität aufweisenden flexiblen Bereich, der zwischen dem feststehenden Bereich und dem Arbeitsbereich ausgebildet ist,

b) ein feststehendes Substrat (10), das an dem Detektorgehäuse derart festgelegt ist, daß es dem flexiblen Substrat zugewandt gegenüberliegt,

c) einen Arbeitskörper (30), der zum Aufnehmen einer Kraft von außen ausgelegt ist, um diese Kraft auf den Arbeitsbereich des flexiblen Substrats zu übertragen, und

d) vier Kapazitätselemente (C1 bis C4), wobet jedes der vier Kapazitätselemente eine Verlagerungselektrode (21 bis 24; 70) und eine feststehende Elektrode (11; 61 bis 65) aufweist,

e) wobei die Verlagerungselektrode (21 bis 24; 70) auf einer dem feststehenden Substrat zugewandten Fläche des flexiblen Substrats ausgebildet ist,

f) wobei die feststehende Elektrode (11; 61 bis 65) auf einer dem flexiblen Substrat zugewandten Fläche des feststehenden Substrats ausgebildet ist,

g) wobei bei derartiger Definition eines dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystems, daß eine XY-Ebene parallel zu der Oberfläche des feststehenden Substrats ist, ein erstes Kapazitätselement (C1) auf einer positiven Seite der X-Achse angeordnet ist, ein zweites Kapazitätselement (C2) auf einer positiven Seite der Y-Achse angeordnet ist, ein drittes Kapazitätselement (C3) auf einer negativen Seite der X-Achse angeordnet ist und ein viertes Kapazitätselement (C4) auf einer negativen Seite der Y-Achse angeordnet ist, und

h) wobei eine Kraftkomponente in der X-Achsen- Richtung auf der Basis elektrostatischer Kapazitätswerte des ersten und des dritten Kapazitätselements nachgewiesen wird und eine Kraftkomponente in der Y-Achsen-Richtung auf der Basis elektrostatischer Kapazitätswerte des zweiten und des vierten Kapazitätselelments nachgewiesen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ferner folgendes aufweist:

i) einen ersten Wandler (51) zum Umwandeln eines elektrostatischen Kapazitätswerts (C1) des ersten Kapazitätselements in einen ersten Spannungswert (V1),

j) einen zweiten Wandler (52) zum Umwandeln eines elektrostatischen Kapazitätswerts (C2) des zweiten Kapazitätselements in einen zweiten Spannungswert (V2),

k) einen dritten Wandler (53) zum Umwandeln eines elektrostatischen Kapazitätswerts (C3) des dritten Kapazitätselements in einen dritten Spannungswert (V3),

l) einen vierten Wandler (54) zum Umwandeln eines elektrostatischen Kapazitätswerts (C4) des vierten Kapazitätselements in einen vierten Spannungswert (V4),

m) einen ersten Differenzverstärker (55) zur Schaffung eines Differenzwerts zwischen dem ersten Spannungswert und dem dritten Spannungswert als nachgewiesene Kraftkomponente in der X-Achsen- Richtung und

n) einen zweiten Differenzverstärker (56) zur Schaffung eines Differenzwerts zwischen dem zweiten Spannungswert und dem vierten Spannungswert als nachgewiesene Kraftkomponente in der Y- Achsen-Richtung.

2. Kraftdetektor nach Anspruch 1,

weiterhin mit einem Addierer (57) zur Schaffung einer Summe des ersten, zweiten, dritten und vierten Spannungswerts als nachgewiesene Kraftkomponente in der Z- Achsen-Richtung.

3. Kraftdetektor nach Anspruch 1,

weiterhin mit:

a) einer fünften Verlagerungselektrode (21e bis 24e; 25f), die auf einer Fläche des flexiblen Substrats gebildet ist, sowie mit einer fünften feststehenden Elektrode (11), die auf einer Fläche des feststehenden Substrats gebildet ist, wobei die fünfte Verlagerungselektrode und die fünfte feststehende Elektrode einander gegenüberliegend angeordnet sind, um dadurch ein fünftes Kapazitätselement zu bilden, und wobei eine elektrostatische Kapazität des fünften Kapazitätselements durch Aufbringen einer Kraft auf den Arbeitskörper in Z-Achsen- Richtung verändert wird, und mit

b) einem fünften Wandler (58) zum Umwandeln eines elektrostatischen Kapazitätswerts (C5) des fünften Kapazitätselements in einen fünften Spannungswert (V5), der als nachgewiesene Kraftkomponente in Z- Achsen-Richtung ausgegeben wird.

4. Kraftdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

wobei entweder die Verlagerungselektroden oder die feststehenden Elektroden durch eine körperlich einzige Elektrodenschicht (11) gebildet sind.

5. Kraftdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

wobei die Verlagerungselektroden (951 bis 955) an dem Arbeitsbereich (911) ausgebildet sind.

6. Kraftdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin mit:

a) einem Hilfssubstrat (80), das dem flexiblen Substrat zugewandt gegenüberliegt,

b) einer ersten Hilfselektrode (70), die auf einer dem Hilfssubstrat zugewandten Fläche des flexiblen Substrats ausgebildet ist,

c) einer zweiten Hilfselektrode (81 bis 84), die auf einer dem flexiblen Substrat zugewandten Fläche des Hilfssubstrats ausgebildet ist, und mit

d) einer Testeinrichtung zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung über der ersten Hilfselektrode und der zweiten Hilfselektrode, so daß dem flexiblen Substrat die Erzeugung einer Verlagerung aufgrund einer dazwischen wirkenden Coulomb'schen Kraft ermöglicht wird, so daß sich der Kraftdetektor in einen Zustand versetzen läßt, der mit einem Zustand äquivalent ist, in dem eine Kraft von außen her auf diesen wirkt.

7. Kraftdetektor nach Anspruch 6,

wobei das flexible Substrat (70) mit einem leitfähigen Material ausgebildet ist und die erste Hilfselektrode und die Verlagerungselektrode durch einen Bereich des leitfähigen flexiblen Substrats gebildet sind.

8. Beschleunigungsdetektor mit einem Kraftdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

wobei der Arbeitskörper als Gewichtskörper arbeitet, um eine Kraft auf der Basis einer von außen her einwirkenden Beschleunigung zu erzeugen.

9. Beschleunigungsdetektor nach Anspruch 8, wobei ein zentraler Bereich (713) des flexiblen Substrats (710) derart an dem Detektorgehäuse festgelegt ist, daß er als feststehender Bereich wirkt, und wobei der Arbeitskörper (721) an einem als Arbeitsbereich fungierenden Randbereich (711) des flexiblen Substrats (710) festgelegt ist.