專利名稱：振動(dòng)型壓電加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于加速度、車輛等移動(dòng)體的姿勢控制以及控制系統(tǒng)的振動(dòng)型壓電式加速度傳感器(以下稱作VAS)。
背景技術(shù)：
圖7是表示現(xiàn)有加速度傳感器的結(jié)構(gòu)的剖面圖。如圖7所示，芯片1中，于其底面形成有振動(dòng)膜2，并且于形成振動(dòng)膜2的部分的表面上設(shè)有多個(gè)應(yīng)變電阻3。而且，在芯片1的表面的其他部分，設(shè)置用于計(jì)算加速度的半導(dǎo)體集成電路、及用于調(diào)整該半導(dǎo)體集成電路特性的薄膜電阻4，在除應(yīng)變電阻3的上方以外至少包含薄膜電阻4的上方的部分處，形成有保護(hù)膜5。在芯片1的底面接合有玻璃制的砝碼6。
如此所結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有加速度傳感器，若加以加速度則應(yīng)力作用于砝碼6，該應(yīng)力引起應(yīng)變電阻3變化，從而根據(jù)該變化檢測出加速度。當(dāng)進(jìn)行兩軸檢測時(shí)，使用2個(gè)相同的傳感器進(jìn)行正交配置而檢測。另外，于日本專利特開平5-288771號(hào)公報(bào)(文獻(xiàn)1)中揭示有此種現(xiàn)有加速度傳感器的例子。
而且，于日本專利特開平5-80075號(hào)公報(bào)(文獻(xiàn)2)中揭示有其他現(xiàn)有加速度傳感器的例子。圖8是表示該加速度傳感器的結(jié)構(gòu)的模塊圖。如圖8所示，加速度傳感器包括輸出對(duì)應(yīng)于加速度G的信號(hào)的壓電體元件11，轉(zhuǎn)換自壓電體元件11所輸出的信號(hào)的阻抗轉(zhuǎn)換裝置12，濾除自阻抗轉(zhuǎn)換裝置12所輸出的信號(hào)中的不需要的信號(hào)的過濾裝置13，放大自過濾裝置13所輸出的必需的信號(hào)的放大裝置14，與自外部所輸入的時(shí)序信號(hào)同步輸出的同步交流信號(hào)的交流信號(hào)輸出裝置16，以及于交流信號(hào)輸出裝置16與壓電體元件11之間串聯(lián)的電容器17等。
如此結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有加速度傳感器所輸出的電壓信號(hào)，被輸入到微型計(jì)算機(jī)等中的檢測/計(jì)算裝置18及控制裝置15。當(dāng)進(jìn)行兩軸檢測時(shí)，使用2個(gè)相同的傳感器進(jìn)行正交配置而進(jìn)行檢測。
然而，文獻(xiàn)1的加速度傳感器中，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變式加速度傳感器可以判斷電阻值的數(shù)個(gè)百分點(diǎn)的變化，但存在因?yàn)殡娮柚底儎?dòng)較大，受信號(hào)處理電路的溫度變化的影響而無法檢測出正確的加速度的問題。
而且，使用文獻(xiàn)2的壓電體元件檢測位移速度的結(jié)構(gòu)中，因該檢測構(gòu)造難以檢測靜態(tài)的重力加速度等的成分，而且，因?yàn)閮奢S檢測中使用2個(gè)檢測部，故而導(dǎo)致成本上升或性能不穩(wěn)定的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其包含的元件有框架；成線地相對(duì)地設(shè)置于所述框架的一組振動(dòng)膜；在所述振動(dòng)膜上依次積層形成的下部電極、壓電薄膜、上部電極；分別保持所述各振動(dòng)膜的接近的一端側(cè)的支承體；以及保持所述支承體于線方向自由滑動(dòng)的保持部，并且通過所述元件的保持部傳送至支承體的加速度使得所述振動(dòng)膜伸縮，并根據(jù)所述振動(dòng)膜的固有振動(dòng)頻率的變化而檢測加速度，并且，成線地相對(duì)地設(shè)另一組振動(dòng)膜，其與所述的成線地相對(duì)地設(shè)置于所述框架的一組振動(dòng)膜正交，由此檢測兩軸加速度。如此，可提供可靠性高的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其能夠不受噪音等環(huán)境變化的影響而進(jìn)行靜態(tài)的及動(dòng)態(tài)的加速度檢測穩(wěn)定化的兩軸加速度檢測，而且，即使在嚴(yán)格的溫度變化環(huán)境下，也可高精度地進(jìn)行控制。


圖1是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的振動(dòng)型壓電加速度傳感器(VAS)的元件結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖2是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS的振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖3A是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS結(jié)構(gòu)的圖。
圖3B是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS結(jié)構(gòu)的圖。
圖3C是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS結(jié)構(gòu)的圖。
圖3D是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS結(jié)構(gòu)的圖。
圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS的兩軸檢測結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖5A是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS的制造方法的制造步驟圖。
圖5B是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS的制造方法的制造步驟圖。
圖5C是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS的制造方法的制造步驟圖。
圖5D是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS的制造方法的制造步驟圖。
圖5E是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS的制造方法的制造步驟圖。
圖5F是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的VAS的制造方法的制造步驟圖。
圖6是表示使用本發(fā)明實(shí)施方式2的VAS的氣囊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圖。
圖7是表示常規(guī)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖8是表示其他常規(guī)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)的方塊圖。
附圖標(biāo)記說明20 Si層21基板22 SiO2層(蝕刻阻止層)23振動(dòng)膜23a，23b，23c，23d振動(dòng)膜23e，23f，23g，23h，23i 臂24下部電極25壓電薄膜26上部電極26a 檢測電極26b 驅(qū)動(dòng)電極27抗蝕劑28側(cè)溝29孔30側(cè)孔31框架32，32a，32b，32c，32d保持部33支承體34基部35VAS的元件36a 檢測信號(hào)線36b 驅(qū)動(dòng)信號(hào)線38放大電路39F/V轉(zhuǎn)換器40AGC電路
41VAS裝置41a，41b，41c，41dVAS42，43差動(dòng)電路44車輛體45，46氣囊裝置47氣囊打開裝置48駕駛員49行駛方向體實(shí)施方式以下，使用附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，附圖是示意圖且未正確地表示各位置關(guān)系的尺寸。
(實(shí)施方式1)如圖1和圖2所示，框架31內(nèi)設(shè)置有固有振動(dòng)頻率的振動(dòng)膜23a至23d。支承體33使振動(dòng)膜23a至23d的固有振動(dòng)頻率改變。保持部32a至32d形成為蜿蜒狀并支承支承體33在線方向自由滑動(dòng)。通過所述結(jié)構(gòu)，振動(dòng)膜23a-23d伸縮自由，并且不受溫度變化的影響，可以高響應(yīng)、且高精度地檢測加速度。
而且，振動(dòng)膜23a形成為橫梁狀并且其兩端分別有基部34，一端基部34由框架31支承，另一端基部34由支承體33支撐。并且，支承體33通過形成為蜿蜒狀的保持部32a而被支撐在框架31上，從而可以在線上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。另外，此處使用設(shè)置于框架31內(nèi)的一個(gè)振動(dòng)膜23a進(jìn)行說明，關(guān)于其他振動(dòng)膜23b-23d也相同，故而省略說明。
而且，臂23i設(shè)置為自基部34伸出。通過設(shè)置臂23i，共振頻率銳度至少增加2～3倍，通過該共振頻率銳度的增加可提高檢測精度。而且，利用加速度可得到較高的共振頻率的變化率，從而可不受溫度變化的影響而高精度地檢測加速度。
以下，使用圖2以振動(dòng)膜23a為例詳細(xì)說明其結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，振動(dòng)膜23a包括形成于SiO2層22之上的Si層20，形成于Si層20之上的下部電極24，形成于下部電極24之上的壓電薄膜25，以及形成于壓電薄膜25之上的上部電極。上部電極包括驅(qū)動(dòng)電極26b以及檢測電極26a。并且，沿著構(gòu)成振動(dòng)膜23a的橫梁狀的中央部，至框架31以及至支承體33為止而形成驅(qū)動(dòng)電極26b以及檢測電極26a。通過該結(jié)構(gòu)，保持部32a的中央部為振動(dòng)最小的部分，不因位移產(chǎn)生電動(dòng)勢，不會(huì)對(duì)振動(dòng)膜23a的共振頻率疊加調(diào)制信號(hào)，故而可檢測出只是振動(dòng)膜23a的共振頻率信號(hào)。
此外，在驅(qū)動(dòng)電極26b以及檢測電極26a的延伸至框架31的規(guī)定部分上設(shè)置輸出電極(未圖示)并輸出至控制電路(未圖示)。如此，通過于不振動(dòng)的框架31設(shè)置輸出電極，而不會(huì)對(duì)振動(dòng)膜23a的振動(dòng)帶來影響，故而可不受溫度變化的影響而高精度地檢測加速度。
此外，驅(qū)動(dòng)電極26b以及檢測電極26a的結(jié)構(gòu)如下，關(guān)于與振動(dòng)膜23a的長度方向正交并等分振動(dòng)膜23a的中心軸而對(duì)稱。如此，通過等分振動(dòng)膜23a的有效面積，振動(dòng)膜23a的驅(qū)動(dòng)以及由振動(dòng)膜23a的檢測，可實(shí)現(xiàn)檢測靈敏度最大。
其次，說明如此結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方式的振動(dòng)型壓電加速度傳感器(VAS)的操作。圖3A-3D表示本實(shí)施方式的VAS的結(jié)構(gòu)，且分別表示振動(dòng)膜23a至23d。等效電路35表示使用上述圖2所示的振動(dòng)膜23a的元件。
此外，VAS有檢測信號(hào)線36a，驅(qū)動(dòng)信號(hào)線36b，實(shí)現(xiàn)微弱的信號(hào)的放大以及驅(qū)動(dòng)元件35的振動(dòng)膜23a的放大電路38，使輸入信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換為電壓的F/V轉(zhuǎn)換器39控制放大電路38的輸出信號(hào)的電壓電平的AGC電路40等。而且，元件35以使元件35的框架31保持于本體(未圖示)的方式而安裝。
首先，若電源輸入VAS41a，則某種噪音等的信號(hào)輸入放大電路38就會(huì)被放大。繼而，該放大的信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)線36b輸入至元件35的驅(qū)動(dòng)電極26b并使振動(dòng)膜23a振動(dòng)。其結(jié)果為，自形成振動(dòng)膜23a的壓電薄膜25激勵(lì)電荷至檢測電極26a，并且自檢測電極26a通過檢測信號(hào)線36a輸入至放大電路38。繼而，重復(fù)該閉循環(huán)的操作，并成為穩(wěn)定在固有振動(dòng)的共振頻率的穩(wěn)定狀態(tài)。其結(jié)果為，該固有振動(dòng)的共振頻率信號(hào)輸入至F/V轉(zhuǎn)換器39并轉(zhuǎn)換為規(guī)定的電壓。此處，AGC電路40進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)當(dāng)自放大器38所輸出的電壓電平變大、信號(hào)產(chǎn)生變形時(shí)，AGC電路40進(jìn)行動(dòng)作并無誤差地進(jìn)行正確的F/V轉(zhuǎn)換。
此處，若自外部施以加速度增大，則通過框架31向由保持部32a保持的支承體33施加慣性力，所述慣性力使支承體33線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過該往復(fù)運(yùn)動(dòng)而處于穩(wěn)定狀態(tài)下振動(dòng)的振動(dòng)膜23a會(huì)發(fā)生伸縮，并且振動(dòng)膜23a的固有振動(dòng)的共振頻率會(huì)改變，該固有振動(dòng)的共振頻率的變化對(duì)應(yīng)于加速度而被檢測出來。通過該結(jié)構(gòu)，可利用加速度得到較高的共振頻率的變化率，從而可不受溫度變化的影響而高精度地檢測加速度。
另外，所述說明中僅說明了振動(dòng)膜23a，關(guān)于其他振動(dòng)膜23b-23d分別對(duì)應(yīng)于圖3B-3D，對(duì)其操作的說明相同故而省略。
而且，圖4表示VAS本體41的結(jié)構(gòu)。其為兩軸檢測的結(jié)構(gòu)，把VAS41a-41d的輸出信號(hào)通過差動(dòng)電路42、43而得到差動(dòng)輸出值，且作為X軸方向以及Y軸方向的加速度的檢測信號(hào)。差動(dòng)電路42、43差動(dòng)地消除各元件以及電路性能的變化，故而可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化。
其次，說明本實(shí)施方式的VAS的制造方法。圖5A-5F是表示本實(shí)施方式的VAS的制造方法的制造步驟圖，且以振動(dòng)膜23a的中央部的剖面圖來表示。
首先，如圖5A所示，于由Si制基板21上形成由SiO2制得的用以阻止蝕刻的蝕刻阻止層22，并于蝕刻阻止層22上形成Si層20。另外，基板21的厚度為500μm，蝕刻阻止層22的厚度為2μm，Si層20的厚度為10μm。
其次，如圖5B所示，下部電極24的結(jié)構(gòu)是在Si層20上使用高頻濺射形成厚度為50的Ti層，進(jìn)一步形成厚度為2000的鉑層。繼而于該鉑層上形成厚度為25μm的PZT(Lead Zirconate Titanate，鋯鈦酸鉛)制得的壓電薄膜25，此外為得到規(guī)定的圖案而使用金屬掩模，并利用蒸鍍法在壓電薄膜25之上形成厚度為100的Ti層，同樣地于該Ti層上利用蒸鍍形成厚度為3000的金層。如此，形成有規(guī)定圖案的上部電極26。繼而，于金層之上形成抗蝕劑27作為用于蝕刻的掩模。另外，使用PZT的理由是為了利用加速度得到共振頻率變化的較高的轉(zhuǎn)換。
其次，如圖5C所示通過蝕刻形成側(cè)溝28。另外，除了所述振動(dòng)膜23以外，支承體33及保持部32也由Si構(gòu)成，從而通過所施以的加速度的變化，可提高對(duì)應(yīng)于振動(dòng)膜23所產(chǎn)生的應(yīng)力的共振頻率變化的穩(wěn)定性。
其次，如圖5D所示，于基板21的底面形成規(guī)定圖案的抗蝕劑27，并通過蝕刻基板21的底面而形成孔29。
其次，如圖5E所示，自抗蝕劑27所在面再次蝕刻并形成側(cè)孔30后，進(jìn)一步去除底面的抗蝕劑27。如此，如圖5F所示，可制作形成為較薄且橫梁狀的振動(dòng)膜23。
而且，關(guān)于檢測靈敏度，通過對(duì)支承體33的上面或下面，進(jìn)一步付加質(zhì)量，從而增加支承體33部分的質(zhì)量，振動(dòng)膜23a受到的應(yīng)力增大，存對(duì)應(yīng)于加速度的振動(dòng)頻率的變化程度就變大，從而可提高檢測靈敏度。
(實(shí)施方式2)圖6表示車輛的氣囊控制系統(tǒng)作為使用本發(fā)明的VAS41的應(yīng)用例。VAS41配置于X軸、Y軸方向。使用車輛體44、前氣囊45、側(cè)氣囊46、氣囊打開裝置47、駕駛員48來說明控制系統(tǒng)。另外，箭頭49表示行駛方向。
如此安裝的本發(fā)明的VAS41控制加速度并進(jìn)行車輛體44的控制，當(dāng)加速度的值超過一定級(jí)別時(shí)，加速度的輸出信號(hào)發(fā)送至氣囊打開裝置47并輸出氣囊打開的信號(hào)。其次，通過該打開信號(hào)傳送至氣囊裝置45、46并使氣囊打開可進(jìn)行安全的駕駛控制。
例如，當(dāng)行駛方向(X軸方向)發(fā)生沖突，產(chǎn)生加速度時(shí)打開前氣囊45。而且，當(dāng)側(cè)部施以加速度(Y軸方向)時(shí)，通過左右方向的加速度信號(hào)使側(cè)氣囊46打開，從而可以預(yù)防人命事故于未然。根據(jù)兩軸加速度檢測進(jìn)行前氣囊及側(cè)氣囊的檢測，故而可進(jìn)行較高級(jí)別的安全控制。
另外，本實(shí)施方式的VAS41，振動(dòng)型壓電加速度傳感器41受到的加速度根據(jù)相對(duì)于車輛體44設(shè)置的位置有若干不同，從為了能進(jìn)行平均加速度的檢測的觀點(diǎn)考慮，振動(dòng)型壓電加速度傳感器41的配置最好是在車輛體44的中央。因此，本實(shí)施方式中VAS41加載于車輛的中央。而且，車體內(nèi)的駕駛員與氣囊裝置的位置關(guān)系并不限定于本實(shí)施方式。例如，即使駕駛員相對(duì)于行駛方向位于車體的左側(cè)，也可以發(fā)揮本發(fā)明的效果。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的VAS，利用加速度可得到較高的共振頻率的變化率，故而可不受溫度變化的影響而高精度地兩軸檢測加速度。因此，除了用于氣囊控制系統(tǒng)以外，也可用作檢測地球上的重力的靜態(tài)加速度檢測傳感器。繼而，靜態(tài)加速度檢測可以用作檢測傾斜角的傳感器，通過傾斜角檢測可用于包含高度的三維立體型導(dǎo)航裝置。
權(quán)利要求
1.振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其包含的元件有框架；成線地相對(duì)地設(shè)于所述框架的一組振動(dòng)膜；在所述振動(dòng)膜上依次積層形成的下部電極、壓電薄膜、上部電極；分別支承所述各振動(dòng)膜的接近的一端側(cè)的支承體；以及保持所述支承體于線方向自由滑動(dòng)的保持部，并且通過所述元件的保持部傳送至支承體的加速度使得所述振動(dòng)膜伸縮，并根據(jù)所述振動(dòng)膜的固有振動(dòng)頻率的變化檢測加速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其中成線地相對(duì)地設(shè)另一組振動(dòng)膜，與所述的成線地相對(duì)地設(shè)于所述框架的一組振動(dòng)膜正交，由此檢測兩軸加速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其中使所述成線地相對(duì)地設(shè)的一組振動(dòng)膜的固有振動(dòng)頻率之差作為加速度信號(hào)信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其特征在于使所述保持部為蜿蜒狀的構(gòu)造并可自由運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其中所述振動(dòng)膜、所述支承體、所述保持部分別是由硅構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其中所述壓電薄膜是由PZT構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其中使所述振動(dòng)膜為橫梁狀，并且以鉤掛方式使其一端保持于所述框架，另一端保持于所述支承體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其中使形成于所述振動(dòng)膜上的所述上部電極沿著所述保持部的橫梁狀的中央部而引出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其中對(duì)支承所述振動(dòng)膜的所述支承體付加質(zhì)量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其中作為形成于所述振動(dòng)膜上的上部電極，設(shè)一對(duì)檢測用電極及驅(qū)動(dòng)用電極，并且，所述檢測用電極及所述驅(qū)動(dòng)用電極配為相對(duì)于與所述振動(dòng)膜的長度方向正交、并與等分所述振動(dòng)膜的中心軸對(duì)稱。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其中使所述檢測用電極及所述驅(qū)動(dòng)用電極的輸出電極設(shè)在所述框架上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其中以保持結(jié)構(gòu)所述元件的所述框架的方式來安裝本體，由此檢測靜態(tài)的及動(dòng)態(tài)的加速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及振動(dòng)型壓電加速度傳感器，其包括以下元件成直線地對(duì)向配置于框架的一組振動(dòng)膜；支承該振動(dòng)膜的支承體；保持該支承體于直線方向自由滑動(dòng)的保持部；以及與所述一組振動(dòng)膜正交的另一組振動(dòng)膜成直線地對(duì)向配置，并檢測X、Y方向兩軸的加速度，由此結(jié)構(gòu)，由于通過保持部傳送至支承體的加速度，振動(dòng)膜發(fā)生伸縮且固有振動(dòng)頻率發(fā)生改變，從而可檢測加速度并得到較高的共振頻率的變化率，且可不受溫度變化的影響而檢測兩軸加速度。
文檔編號(hào)G01P15/18GK1926434SQ200580006749
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月2日
發(fā)明者寺田二郎, 中谷將也, 石田貴巳 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社