振動型壓電加速度傳感器的製作方法
2023-05-29 05:04:56 3
專利名稱：振動型壓電加速度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於加速度、車輛等移動體的姿勢控制以及控制系統的振動型壓電式加速度傳感器(以下稱作VAS)。
背景技術：
圖7是表示現有加速度傳感器的結構的剖面圖。如圖7所示，晶片1中，於其底面形成有振動膜2，並且於形成振動膜2的部分的表面上設有多個應變電阻3。而且，在晶片1的表面的其他部分，設置用於計算加速度的半導體集成電路、及用於調整該半導體集成電路特性的薄膜電阻4，在除應變電阻3的上方以外至少包含薄膜電阻4的上方的部分處，形成有保護膜5。在晶片1的底面接合有玻璃制的砝碼6。
如此所結構的現有加速度傳感器，若加以加速度則應力作用於砝碼6，該應力引起應變電阻3變化，從而根據該變化檢測出加速度。當進行兩軸檢測時，使用2個相同的傳感器進行正交配置而檢測。另外，於日本專利特開平5-288771號公報(文獻1)中揭示有此種現有加速度傳感器的例子。
而且，於日本專利特開平5-80075號公報(文獻2)中揭示有其他現有加速度傳感器的例子。圖8是表示該加速度傳感器的結構的模塊圖。如圖8所示，加速度傳感器包括輸出對應於加速度G的信號的壓電體元件11，轉換自壓電體元件11所輸出的信號的阻抗轉換裝置12，濾除自阻抗轉換裝置12所輸出的信號中的不需要的信號的過濾裝置13，放大自過濾裝置13所輸出的必需的信號的放大裝置14，與自外部所輸入的時序信號同步輸出的同步交流信號的交流信號輸出裝置16，以及於交流信號輸出裝置16與壓電體元件11之間串聯的電容器17等。
如此結構的現有加速度傳感器所輸出的電壓信號，被輸入到微型計算機等中的檢測/計算裝置18及控制裝置15。當進行兩軸檢測時，使用2個相同的傳感器進行正交配置而進行檢測。
然而，文獻1的加速度傳感器中，半導體電阻應變式加速度傳感器可以判斷電阻值的數個百分點的變化，但存在因為電阻值變動較大，受信號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2的壓電體元件檢測位移速度的結構中，因該檢測構造難以檢測靜態的重力加速度等的成分，而且，因為兩軸檢測中使用2個檢測部，故而導致成本上升或性能不穩定的問題。
發明內容
本發明提供振動型壓電加速度傳感器，其包含的元件有框架；成線地相對地設置於所述框架的一組振動膜；在所述振動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膜的接近的一端側的支承體；以及保持所述支承體於線方向自由滑動的保持部，並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膜伸縮，並根據所述振動膜的固有振動頻率的變化而檢測加速度，並且，成線地相對地設另一組振動膜，其與所述的成線地相對地設置於所述框架的一組振動膜正交，由此檢測兩軸加速度。如此，可提供可靠性高的振動型壓電加速度傳感器，其能夠不受噪音等環境變化的影響而進行靜態的及動態的加速度檢測穩定化的兩軸加速度檢測，而且，即使在嚴格的溫度變化環境下，也可高精度地進行控制。
圖1是表示本發明實施方式1的振動型壓電加速度傳感器(VAS)的元件結構的平面圖。
圖2是表示本發明實施方式1的VAS的振動膜結構的立體圖。
圖3A是表示本發明實施方式1的VAS結構的圖。
圖3B是表示本發明實施方式1的VAS結構的圖。
圖3C是表示本發明實施方式1的VAS結構的圖。
圖3D是表示本發明實施方式1的VAS結構的圖。
圖4是表示本發明實施方式1的VAS的兩軸檢測結構的電路圖。
圖5A是表示本發明實施方式1的VAS的製造方法的製造步驟圖。
圖5B是表示本發明實施方式1的VAS的製造方法的製造步驟圖。
圖5C是表示本發明實施方式1的VAS的製造方法的製造步驟圖。
圖5D是表示本發明實施方式1的VAS的製造方法的製造步驟圖。
圖5E是表示本發明實施方式1的VAS的製造方法的製造步驟圖。
圖5F是表示本發明實施方式1的VAS的製造方法的製造步驟圖。
圖6是表示使用本發明實施方式2的VAS的氣囊控制系統結構的圖。
圖7是表示常規加速度傳感器的結構的剖面圖。
圖8是表示其他常規加速度傳感器的結構的方塊圖。
附圖標記說明20 Si層21基板22 SiO2層(蝕刻阻止層)23振動膜23a，23b，23c，23d振動膜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 驅動電極27抗蝕劑28側溝29孔30側孔31框架32，32a，32b，32c，32d保持部33支承體34基部35VAS的元件36a 檢測信號線36b 驅動信號線38放大電路39F/V轉換器40AGC電路
41VAS裝置41a，41b，41c，41dVAS42，43差動電路44車輛體45，46氣囊裝置47氣囊打開裝置48駕駛員49行駛方向體實施方式以下，使用附圖詳細說明本發明的實施方式。另外，附圖是示意圖且未正確地表示各位置關係的尺寸。
(實施方式1)如圖1和圖2所示，框架31內設置有固有振動頻率的振動膜23a至23d。支承體33使振動膜23a至23d的固有振動頻率改變。保持部32a至32d形成為蜿蜒狀並支承支承體33在線方向自由滑動。通過所述結構，振動膜23a-23d伸縮自由，並且不受溫度變化的影響，可以高響應、且高精度地檢測加速度。
而且，振動膜23a形成為橫梁狀並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。並且，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運動。另外，此處使用設置於框架31內的一個振動膜23a進行說明，關於其他振動膜23b-23d也相同，故而省略說明。
而且，臂23i設置為自基部34伸出。通過設置臂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以振動膜23a為例詳細說明其結構。
如圖2所示，振動膜23a包括形成於SiO2層22之上的Si層20，形成於Si層20之上的下部電極24，形成於下部電極24之上的壓電薄膜25，以及形成於壓電薄膜25之上的上部電極。上部電極包括驅動電極26b以及檢測電極26a。並且，沿著構成振動膜23a的橫梁狀的中央部，至框架31以及至支承體33為止而形成驅動電極26b以及檢測電極26a。通過該結構，保持部32a的中央部為振動最小的部分，不因位移產生電動勢，不會對振動膜23a的共振頻率疊加調製信號，故而可檢測出只是振動膜23a的共振頻率信號。
此外，在驅動電極26b以及檢測電極26a的延伸至框架31的規定部分上設置輸出電極(未圖示)並輸出至控制電路(未圖示)。如此，通過於不振動的框架31設置輸出電極，而不會對振動膜23a的振動帶來影響，故而可不受溫度變化的影響而高精度地檢測加速度。
此外，驅動電極26b以及檢測電極26a的結構如下，關於與振動膜23a的長度方向正交並等分振動膜23a的中心軸而對稱。如此，通過等分振動膜23a的有效面積，振動膜23a的驅動以及由振動膜23a的檢測，可實現檢測靈敏度最大。
其次，說明如此結構的本實施方式的振動型壓電加速度傳感器(VAS)的操作。圖3A-3D表示本實施方式的VAS的結構，且分別表示振動膜23a至23d。等效電路35表示使用上述圖2所示的振動膜23a的元件。
此外，VAS有檢測信號線36a，驅動信號線36b，實現微弱的信號的放大以及驅動元件35的振動膜23a的放大電路38，使輸入信號的頻率轉換為電壓的F/V轉換器39控制放大電路38的輸出信號的電壓電平的AGC電路40等。而且，元件35以使元件35的框架31保持於本體(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輸入放大電路38就會被放大。繼而，該放大的信號通過驅動信號線36b輸入至元件35的驅動電極26b並使振動膜23a振動。其結果為，自形成振動膜23a的壓電薄膜25激勵電荷至檢測電極26a，並且自檢測電極26a通過檢測信號線36a輸入至放大電路38。繼而，重複該閉循環的操作，並成為穩定在固有振動的共振頻率的穩定狀態。其結果為，該固有振動的共振頻率信號輸入至F/V轉換器39並轉換為規定的電壓。此處，AGC電路40進行控制以實現當自放大器38所輸出的電壓電平變大、信號產生變形時，AGC電路40進行動作並無誤差地進行正確的F/V轉換。
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線往復運動。通過該往復運動而處於穩定狀態下振動的振動膜23a會發生伸縮，並且振動膜23a的固有振動的共振頻率會改變，該固有振動的共振頻率的變化對應於加速度而被檢測出來。通過該結構，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膜23a，關於其他振動膜23b-23d分別對應於圖3B-3D，對其操作的說明相同故而省略。
而且，圖4表示VAS本體41的結構。其為兩軸檢測的結構，把VAS41a-41d的輸出信號通過差動電路42、43而得到差動輸出值，且作為X軸方向以及Y軸方向的加速度的檢測信號。差動電路42、43差動地消除各元件以及電路性能的變化，故而可進一步實現穩定化。
其次，說明本實施方式的VAS的製造方法。圖5A-5F是表示本實施方式的VAS的製造方法的製造步驟圖，且以振動膜23a的中央部的剖面圖來表示。
首先，如圖5A所示，於由Si制基板21上形成由SiO2製得的用以阻止蝕刻的蝕刻阻止層22，並於蝕刻阻止層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的結構是在Si層20上使用高頻濺射形成厚度為50的Ti層，進一步形成厚度為2000的鉑層。繼而於該鉑層上形成厚度為25μm的PZT(Lead Zirconate Titanate，鋯鈦酸鉛)製得的壓電薄膜25，此外為得到規定的圖案而使用金屬掩模，並利用蒸鍍法在壓電薄膜25之上形成厚度為100的Ti層，同樣地於該Ti層上利用蒸鍍形成厚度為3000的金層。如此，形成有規定圖案的上部電極26。繼而，於金層之上形成抗蝕劑27作為用於蝕刻的掩模。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換。
其次，如圖5C所示通過蝕刻形成側溝28。另外，除了所述振動膜23以外，支承體33及保持部32也由Si構成，從而通過所施以的加速度的變化，可提高對應于振動膜23所產生的應力的共振頻率變化的穩定性。
其次，如圖5D所示，於基板21的底面形成規定圖案的抗蝕劑27，並通過蝕刻基板21的底面而形成孔29。
其次，如圖5E所示，自抗蝕劑27所在面再次蝕刻並形成側孔30後，進一步去除底面的抗蝕劑27。如此，如圖5F所示，可製作形成為較薄且橫梁狀的振動膜23。
而且，關於檢測靈敏度，通過對支承體33的上面或下面，進一步付加質量，從而增加支承體33部分的質量，振動膜23a受到的應力增大，存對應於加速度的振動頻率的變化程度就變大，從而可提高檢測靈敏度。
(實施方式2)圖6表示車輛的氣囊控制系統作為使用本發明的VAS41的應用例。VAS41配置於X軸、Y軸方向。使用車輛體44、前氣囊45、側氣囊46、氣囊打開裝置47、駕駛員48來說明控制系統。另外，箭頭49表示行駛方向。
如此安裝的本發明的VAS41控制加速度並進行車輛體44的控制，當加速度的值超過一定級別時，加速度的輸出信號發送至氣囊打開裝置47並輸出氣囊打開的信號。其次，通過該打開信號傳送至氣囊裝置45、46並使氣囊打開可進行安全的駕駛控制。
例如，當行駛方向(X軸方向)發生衝突，產生加速度時打開前氣囊45。而且，當側部施以加速度(Y軸方向)時，通過左右方向的加速度信號使側氣囊46打開，從而可以預防人命事故於未然。根據兩軸加速度檢測進行前氣囊及側氣囊的檢測，故而可進行較高級別的安全控制。
另外，本實施方式的VAS41，振動型壓電加速度傳感器41受到的加速度根據相對於車輛體44設置的位置有若干不同，從為了能進行平均加速度的檢測的觀點考慮，振動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，本實施方式中VAS41加載於車輛的中央。而且，車體內的駕駛員與氣囊裝置的位置關係並不限定於本實施方式。例如，即使駕駛員相對於行駛方向位於車體的左側，也可以發揮本發明的效果。
工業實用性本發明的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，除了用於氣囊控制系統以外，也可用作檢測地球上的重力的靜態加速度檢測傳感器。繼而，靜態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於包含高度的三維立體型導航裝置。
權利要求
1.振動型壓電加速度傳感器，其包含的元件有框架；成線地相對地設於所述框架的一組振動膜；在所述振動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膜的接近的一端側的支承體；以及保持所述支承體於線方向自由滑動的保持部，並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膜伸縮，並根據所述振動膜的固有振動頻率的變化檢測加速度。
2.根據權利要求1所述的振動型壓電加速度傳感器，其中成線地相對地設另一組振動膜，與所述的成線地相對地設於所述框架的一組振動膜正交，由此檢測兩軸加速度。
3.根據權利要求1所述的振動型壓電加速度傳感器，其中使所述成線地相對地設的一組振動膜的固有振動頻率之差作為加速度信號信息。
4.根據權利要求1所述的振動型壓電加速度傳感器，其特徵在於使所述保持部為蜿蜒狀的構造並可自由運動。
5.根據權利要求1所述的振動型壓電加速度傳感器，其中所述振動膜、所述支承體、所述保持部分別是由矽構成。
6.根據權利要求1所述的振動型壓電加速度傳感器，其中所述壓電薄膜是由PZT構成。
7.根據權利要求1所述的振動型壓電加速度傳感器，其中使所述振動膜為橫梁狀，並且以鉤掛方式使其一端保持於所述框架，另一端保持於所述支承體。
8.根據權利要求1所述的振動型壓電加速度傳感器，其中使形成於所述振動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.根據權利要求1所述的振動型壓電加速度傳感器，其中對支承所述振動膜的所述支承體付加質量。
10.根據權利要求1所述的振動型壓電加速度傳感器，其中作為形成於所述振動膜上的上部電極，設一對檢測用電極及驅動用電極，並且，所述檢測用電極及所述驅動用電極配為相對於與所述振動膜的長度方向正交、並與等分所述振動膜的中心軸對稱。
11.根據權利要求10所述的振動型壓電加速度傳感器，其中使所述檢測用電極及所述驅動用電極的輸出電極設在所述框架上。
12.根據權利要求1所述的振動型壓電加速度傳感器，其中以保持結構所述元件的所述框架的方式來安裝本體，由此檢測靜態的及動態的加速度。
全文摘要
本發明涉及振動型壓電加速度傳感器，其包括以下元件成直線地對向配置於框架的一組振動膜；支承該振動膜的支承體；保持該支承體於直線方向自由滑動的保持部；以及與所述一組振動膜正交的另一組振動膜成直線地對向配置，並檢測X、Y方向兩軸的加速度，由此結構，由於通過保持部傳送至支承體的加速度，振動膜發生伸縮且固有振動頻率發生改變，從而可檢測加速度並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G01P15/18GK1926434SQ200580006749
公開日2007年3月7日 申請日期2005年2月14日 優先權日2004年3月2日
發明者寺田二郎, 中谷將也, 石田貴巳 申請人:松下電器產業株式會社