专利名称：加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测对物体施加的冲击和加速度的压电加速度传感器，更具体地说，本发明涉及用于检测因为加速度导致的惯性力而产生的特征量的加速度传感器。
最近几年，电子设备的尺寸急剧变小，而且诸如笔记本个人计算机(PC)的便携式电子设备得到更广泛应用。为了保持高可靠性，在便携式电子设备受到不可预测的冲击时，便携式电子设备需要检测冲击，以便立即采取适当措施，从而执行预定操作。为了满足该要求，采用例如加速度传感器来防止在对内置在笔记本PC或台式机PC内的硬盘驱动器(HDD)、或磁光(MO)盘或数字视盘(DVD)施加冲击时，出现读/写错误。特别是在笔记本PC中，HDD需要检测在垂直于HDD外壳平面的方向施加的加速度，以便在读写头的读/写过程中，检测由HDD外壳平面造成的冲击。
因为具有加速度传感器的设备的尺寸变得越来越小，而且具有越来越高的性能，所以也要求加速度传感器的尺寸越来越小，而且具有越来越高的性能。此外，还要求这种加速度传感器在一个或者两个轴向(面内方向和垂直于该平面的方向)检测加速度。
背景技术：
例如，第7-20144号日本未审专利公开披露了一种可以检测二轴加速度的压电加速度传感器。该加速度传感器设置了加速度检测元件，以与容纳该加速度检测元件的外壳的下表面成某个角度安装该加速度检测元件。此外，第11-118823号日本未审专利公开披露了一种检测二轴加速度的方法。根据该方法，通过以与主平面成某个角度设置与振子相连的支承体，使振子倾斜。第8-43432号日本未审专利公开披露了另一种检测二轴加速度的方法。根据该方法，以与压电陶瓷的平面成某个角度实现极化以便倾斜于与压电陶瓷的平面垂直的平面。第11-211748号日本未审专利公开也披露了一种检测二轴加速度的方法。根据该方法，在振子的末端、在相对于宽度方向偏心的位置，设置重锤。
然而，对于上述其中使加速度检测元件倾斜的传统方法，安装过程复杂，而且生产成本非常高。对于其中以某个角度设置支承体的传统方法，在安装时，设备的高度变得非常高，而且安装过程也复杂。此外，其中使极化方向倾斜的传统方法需要许多生产过程，因为在实现了极化而且在要求的方向进行切割之后，形成电极。利用该方法，生产成本也非常高。对于其中在振子的末端设置重锤的传统方法，因为重锤的位置偏差，而检测的灵敏度变化很大。
第2000-97707号日本未审专利公开披露了一种可以解决上述问题的小尺寸、高灵敏度的加速度传感器。本发明的发明人也开发了这种加速度传感器，这种加速度传感器具有振子和与该振子相连的重锤。该重锤支承在从包括该振子在内的整体的重心偏离的位置。在施加加速度时，根据重锤中产生的转矩，加速度传感器检测振子的特征量(或滑动振动)。通过这样做，可以测量施加的加速度。这种加速度传感器的振子的尺寸不需很大，因此，该加速度传感器的尺寸小，同时保持高检测灵敏度。然而，该加速度传感器只能检测单向加速度。换句话说，该加速度传感器不是可以检测三轴加速度的无方向性加速度传感器。
本发明人还在第11-375813号和第12-351058号日本专利申请中建议了一种小尺寸、高灵敏度无方向性加速度传感器。
本发明的目的是提供一种包括振子和重锤的小尺寸、高可靠性无方向性加速度传感器。
本发明的一个更确切目的是提供一种能够利用不同于任何传统的无方向性加速度传感器的机构来检测三轴加速度的小尺寸、高可靠性加速度传感器。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种加速度传感器，该加速度传感器包括振子，被在一个方向极化；重锤，连接到该振子；以及一对电极，在极化方向彼此相邻，而且位于振子的第一表面上。在该加速度传感器中，这对电极位于振子第一表面的对角线上。利用这种电极结构，该对电极中始终产生电压，而与振子的3个轴中的哪个轴接收加速度无关。此外，通过相对于振子的尺寸，改变各电极的尺寸，可以容易地调节对三轴加速度的灵敏度，这将在以下进行说明。
图1A是根据本发明第一实施例的加速度传感器的底视图；图1B示出根据第一实施例加速度施加轴与电极产生的电压(或电荷)之间的关系；图2是根据第一实施例的加速度传感器的透视图；图3示出检测电路的典型结构；图4是示出根据第一实施例的加速度传感器的变换例的透视图；图5是示出根据第一实施例的加速度传感器的另一个变换例的透视图；图6是示出在重锤上形成的典型电极图形的透视图；图7示出图5所示加速度传感器的变换例；图8A是示出根据第一实施例的加速度传感器的又一个变换例的底视图；图8B示出加速度施加轴与电极产生的电压(或电荷)之间的关系；图9A是根据本发明第二实施例的加速度传感器的底视图；图9B示出加速度施加轴与电极产生的电压之间的关系；图10是根据第二实施例的加速度传感器的透视图；图11是示出根据第二实施例的加速度传感器的变换例的透视图；图12是示出根据第二实施例的加速度传感器的另一个变换例的透视图；
图13是示出根据第二实施例的加速度传感器的又一个变换例的透视图；图14A是示出根据第二实施例的加速度传感器的又一个变换例的底视图；图14B示出加速度施加轴与电极产生的电压(或电荷)之间的关系；图15A是根据本发明第三实施例的加速度传感器的底视图；图15B示出加速度施加轴与电极产生的电压之间的关系；图16A和16B是示出灵敏度(mV/G)与图15A和15B所示的分隔槽的角度θ(°)之间关系的曲线图；图17A至17G示出根据本发明第四实施例的加速度传感器；图18A是根据本发明第五实施例的加速度传感器的平面图；图18B是沿图18A所示线A-A取的加速度传感器的剖视图；图18C是根据第五实施例的加速度传感器的底视图；图19A是示出图18A至18C所示加速度传感器的变换例的平面图；图19B是沿图19A所示线B-B取的加速度传感器的剖视图；图20A是根据本发明第六实施例的加速度传感器的平面图；图20B是沿图20A所示线B-B取的加速度传感器的剖视图；图21A和21B示出图20A和20B所示加速度传感器的变换例；图22是根据本发明第七实施例的加速度传感器的侧视图；图23示出根据本发明第八实施例的加速度传感器的特性；以及图24A至24C示出根据本发明第九实施例的加速度传感器。
具体实施例方式
(第一实施例)图1A和1B示出根据本发明第一实施例的加速度传感器。更具体地说，图1A是加速度传感器的底视图，而图1B示出加速度施加轴与电极产生的电压(或电荷)之间的关系。图2是根据该实施例的加速度传感器的透视图。
该加速度传感器包括振子12和与振子12相连的重锤10。重锤10支承在从包括振子12和重锤10在内的整体的重心偏离的位置。在图1A所示的结构中，重锤10是矩形板，而振子附接在重锤10的末端。尽管在图2中，重锤10的每个边缘与振子12的每个相应边缘取平，但是在图1A中，有意使重锤10的每个边缘离开振子12的每个相应边缘某个距离(振子12稍许靠内)。这主要是为了容易理解图1A所示的结构。当然，实际上可以以图1A所示的方式将振子12设置在重锤10上。在这两种方式中，加速度传感器的功能和操作保持不变。
重锤10由高密度金属或诸如氧化铝或火石玻璃之类的绝缘材料构成。重锤10可以由一种材料构成，或者由两种或更多种不同材料构成。例如，重锤10的自由端可以采用较高密度的材料，而其相对端采用较低密度的材料。
振子12是长方体压电陶瓷。从陶瓷晶体板上切割该压电陶瓷。例如，振子12可以由具有较高机电耦合系数的基于PZT的压电陶瓷构成。振子12的截面可以是正方形或矩形。在箭头Ps所示的方向，极化振子12。通过对压电陶瓷晶体板两个端面之间的区域施加高电压，极化压电陶瓷。振子12附接在重锤10上，使得极化方向Ps垂直于重锤10的纵向。为了便于解释，如图1A所示定义X轴、Y轴以及Z轴。X轴表示垂直于纸张平面的方向。Z轴表示极化方向Ps，而Y轴表示重锤10的纵向。
在振子12的表面(第一表面)上形成电极14和16。以下将振子12的该表面称为“电极形成面”。为了获得能够检测三轴加速度而且容易地调节3个轴向上的灵敏度的无方向性加速度传感器，以以下方式形成本电极14和16是在极化方向Ps彼此相邻、具有同样尺寸的矩形电极，在两个电极14与16之间存在分隔槽18。分隔槽18在Y轴方向延伸。在图1A和2所示的加速度传感器中，由两个对着的电极14和16形成分隔槽18，而在振子12上不形成槽。然而，可以在振子12上形成槽，如下所述。
电极14和16是一对用于检测根据施加的加速度的电压的检测电极。(以下将电极14和16称为“检测电极”。)检测电极14和16位于振子12的电极形成面的对角线上。换句话说，检测电极14和16在Y轴方向从中心线24回退，中心线24在极化方向Ps将振子12一分为二。检测电极14从重锤10的自由端回退，而检测电极16从重锤10的固定端回退。检测电极14和16还在Y轴的正向和负向偏离中心线24。相对于中心线24，检测电极14和16位于对角位置。换句话说，相对于振子12的中心点，检测电极14和16是点对称的。
检测电极14和16的面积分别大于电极形成面面积的四分之一，而小于电极形成面面积的二分之一。如果振子12在垂直于极化方向Ps的方向上的长度为L，而检测电极14和16的长度分别为L1和L2，则可以将长度L与长度L1(或L2)之间的关系表示为0.5＜L1(＝L2)/L＜1。在如上所述设置检测电极14和16时，在振子12的电极形成面上形成两个未被检测电极14和16覆盖的暴露区20和22。
如图2所示，在振子12的地形成面的相对面形成地电极26。地电极26对检测电极14和16均有效。利用导电粘合剂，将地电极26附接到重锤10上。例如，地电极26可以具有金(Au)的单层结构，或NiCr/Au或Ni/Au的多层结构。如果重锤10由诸如金属的导电材料构成，则一延伸线连接到重锤10，以便地电极26可以连接到检测电路，以下将说明该检测电路。如果重锤10由绝缘材料构成，则在重锤10上形成与地电极26对着的电极，以便地电极26可以连接到检测电路。检测电极14和16附接在布线板上，而且被电连接到在布线板上形成的电极，以下将做说明。应该明白，为了便于解释，对图1A和2所示检测电极14和16以及地电极26进行了加厚显示。
图1B示出对加速度施加轴与电极14和16产生的电压(或电荷)之间的关系。当在Z轴方向施加加速度时，振子12在Z轴的反向、以中心线24为边界发生滑动振动。当在Z轴方向极化振子12时，Z轴的反向上的滑动振动导致电极14和16具有图1B所示的电压。为了便于解释，以中心线24为分割线，暂时将电极14分割为两个电极部分14a和14b。同样，暂时将电极16分割为两个电极部分16a和16b。当在Z轴方向施加加速度时，电极部分16a产生正电压+V。同时，在与电极部分16a接收同样滑动振动的电极部分14b产生正电压+v。利用大写字母“V”和小写字母“v”表示产生的电压(电荷)的大小。由于电极部分16a的面积比电极部分14b的面积大，所以电极部分16a产生的电压+V比电极部分14b产生的电压+v高。同时，由于电极部分14a和电极部分16b接收相反方向的滑动振动，所以在电极部分14a和电极部分16b分别产生负电压-V和负电压-v(|V|大于|v|)。因此，检测电极14产生电压“-V+v”，而在电极部分16产生电压“+V-v”。当以Z轴的反向施加加速度时，检测电极14产生电压“+V-v”，而在检测电极16产生电压“-V+v”。这样，可以检测在Z轴施加的加速度。
当在X轴方向施加加速度时，检测电极14和16产生图1B所示的电压。因为极化Ps与在振子12的X轴方向产生的应力之间的关系，检测电极14产生电压“-V-v”，而检测电极16产生电压“+V+v”。同样，当在Y轴方向施加加速度时，在检测电极14和16产生图1B所示的电压。因为极化Ps与在振子12的Y轴方向产生的应力之间的关系，检测电极14产生电压“-V-v”，而检测电极16产生电压“+V+v”。当同时在两个或者更多个轴向施加加速度时，产生的电压与在各轴之间分配加速度获得的加速度值成正比。例如，如果以对包括Z轴和X轴的二维平面成45°角、产生电压V的方式施加加速度，则电极部分14a产生电压 而电极部分16a产生电压 相反，电极部分14b和16b的电压互相抵销。最后，检测电极14产生电压 检测电极16产生电压 检测电极14和16以上述方式产生电压，而与3个轴中的哪个轴接收加速度无关。这样，可以进行无方向性加速度检测。
在此，检测电极14和16的长度L1和L2与振子12的长度L的比值，即L1/L和L2/L确定加速度的检测灵敏度。如果通过增加长度L1和L2，来提高比值L1/L和L2/L，则Z轴方向的灵敏度降低，而X轴和Y轴方向的灵敏度升高。如果减小长度L1和L2，则Z轴方向的灵敏度提高，而X轴和Y轴方向的灵敏度降低。因此，在实际应用中，应该适当确定比值L1/L和L2/L，以便适当调节3个轴之间的灵敏度分配比。
尽管检测电极14和16优选具有同样的面积和同样的长度(L1＝L2)，但是它们之间可以存在微小差别，只要保持上述检测原理即可。
图3是示出检测电路的典型结构的电路图。该检测电路包括差动放大器28和电阻R1至R4。检测电极14通过电阻R1连接到差动放大器28的非反相输入端。检测电极16通过电阻R2连接到差动放大器28的反相输入端。差动放大器28差动放大电极14和16产生的电压，然后，输出该放大电压作为检测的输出电压Vout。
以如下方式生产振子12。首先，在陶瓷晶体板互相对着的两个表面上形成电极层。每个电极层具有含有不同金属的多层结构。例如，一双层结构的电极层含有作为基底层的Ni或NiCr和在该基底层上形成的Au。可以利用已知技术形成这些电极层，例如，溅射、烧结、汽相淀积、电镀或无电极电镀。形成电极层后，通过进行蚀刻或激光修整，在电极层上进行构图，以形成检测电极14和16。此时，还形成分隔槽18。然后，通过切割，将陶瓷晶体板切割为用作振子12的多个陶瓷晶体片。
到此为止，对根据本发明第一实施例的加速度传感器进行了描述。利用上述检测电极14和16，可以获得可以利用简单机构检测三轴加速度的加速度传感器。此外，通过改变检测电极14和16的设置，可以容易地调节3个轴之间的灵敏度分配比。
可以对上述加速度传感器进行修改和变更，只要保持以上描述的加速度检测原理即可。以下将对这些修改的例子进行说明。
如图4所示，可以在振子12上形成分隔槽30。该分隔槽30在Y轴方向延伸，而且使分隔槽30与分隔槽18成为一体。利用在振子12中形成的分隔槽30，可以更有效产生由加速度导致的滑动振动。可以根据要求的灵敏度任意地决定分隔槽30的深度和宽度。如果采用分隔槽30，则需要在生产过程中增加形成分隔槽30的步骤。
图5是使振子12反转附接在重锤10上的加速度传感器的透视图。在该加速度传感器中，利用各向异性导电粘合剂，将检测电极14和16与重锤10接合在一起。重锤10由诸如氧化铝或火石玻璃之类的绝缘材料构成。此外，在重锤10上形成分别对应于电极14和16的电极图形32和34，如图6所示。电极图形32和34沿重锤10的侧面延伸到另一侧的表面上，以便进行外部连接。作为一种选择，可以将柔软布线板(未示出)安装到电极图形32和34上，从而与外部实现连接，而无需延伸到另一侧上的表面。
图5所示的加速度传感器也可以检测三轴加速度。图7示出图5所示的结构的变换例。图7所示的变换例在振子12中具有分隔槽30。
图8A和8B示出该实施例的另一个变换例。图8A是经过修改获得的加速度传感器的底视图。图8B示出加速度施加轴与电极产生的电压之间的关系。在假定检测电极14包括电极部分14a和14b，而检测电极16包括电极部分16a和16b的情况下，已经参考图1B进行了以上解释。相反，在图8A所示的结构中，以中心线24作为分割线，将检测电极14实际分割为两个电极部分14a和14b。同样，以中心线24为分割线，将检测电极16实际分割为两个电极部分16a和16b。该变换例采用的加速度检测原理与参考图1B解释的加速度检测原理相同。在图3所示差动放大器28之前的级，将电极部分14a和14b互相电连接在一起。同样，将电极部分16a和16b互相电连接到一起。利用将在其上要安装加速度传感器的印刷布线板(图8A和8B中未示出)上的布线图形实现该连接。利用这种电极结构，可以检测三轴加速度，如图8B所示。此外，通过控制电极部分14b和16b的尺寸，例如Y轴方向的长度，可以容易地调节3个轴之间的灵敏度分配比。
应该注意，分割检测电极14和16的方式并不局限于图8A所示的方式。例如，可以以将检测电极14的长度L1分割为两个等长度的方式，分割检测电极14。同样，可以以将检测电极16的长度L2分割为两个等长度的方式，分割检测电极16。只要检测电极14和16具有总长度L1和L2(L1通常等于L2)，就可以任意选择分割线。此外，从理论上说，可以将检测电极14和16均分割为3个或者更多个电极部分。
作为另一个变换例，代替基于PZT的压电陶瓷，振子12可以由诸如铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)的压电多晶体材料或压电单晶体材料构成。
如上所述，本发明的第一实施例可以提供可以容易地调节检测灵敏度的小尺寸、高灵敏度无方向性加速度传感器。
(第二实施例)图9A和9B示出根据本发明第二实施例的加速度传感器。图9A是加速度传感器的底视图。图9B示出加速度施加轴与电极产生的电压之间的关系。图10是根据该实施例的加速度传感器的透视图。
在根据该实施例的加速度传感器中，振子12的极化方向与重锤10的纵向(Y轴方向)匹配，而检测电极14和16在该方向彼此相邻。在振子12的电极形成面上的对角线上排列检测电极14和16。该实施例的其他方面与第一实施例的其他方面相同。如图9B所示，检测电极14和16产生根据三轴加速度的电压。由于加速度施加轴与产生的电压之间的关系与图1B所示的关系相同，所以在此不做重复说明。
这样，利用其中极化方向Ps与重锤10的纵向匹配、而且两个检测电极14和16在该方向彼此相邻并排列在对角线上的结构，可以实现无方向性加速度传感器。
图11示出图9A和10所示加速度传感器的变换例。如图11所示，在振子12中形成分隔槽30。分隔槽30在图9A所示的Z轴方向延伸。
图12示出图9A和10所示加速度传感器的另一个变换例。如图12所示，检测电极14和16位于重锤10侧。在图12所示的重锤10上还形成与图6所示电极图形32和34相同的电极图形。然而，确定这些电极图形的位置以便与检测电极14和16的位置匹配。
图1 3示出图12所示加速度传感器的变换例。如图13所示，在振子12中形成分隔槽30。分隔槽30在图9A所示的Z轴方向延伸。
图14A和14B示出第二实施例的又一个变换例。图14A是经过修改获得的加速度传感器的底视图。图14B示出加速度施加轴与电极产生的电压之间的关系。在图14B所示的电极结构中，以中心线24作为分割线，将检测电极14实际分割为两个电极部分14a和14b。同样，以中心线24为分割线，将检测电极16实际分割为两个电极部分16a和16b。该变换例采用的加速度检测原理与参考图1B解释的加速度检测原理相同，而且图14B所示的关系与图9B所示的关系相同。在图3所示差动放大器28之前的级，将电极部分14a和14b互相电连接在一起。同样，将电极部分16a和16b互相电连接到一起。利用将在其上安装加速度传感器的印刷布线板(图14A和14B中未示出)上的布线图形实现该连接。
到此为止，对根据本发明第二实施例的加速度传感器进行了说明。利用具有上述结构的检测电极14和16，可以实现可以利用简单机构检测三轴加速度的加速度传感器。此外，通过改变检测电极14和16的图形，可以容易地调节3个轴之间的灵敏度分配比。
(第三实施例)图15A和15B示出根据本发明第三实施例的加速度传感器。图15A是加速度传感器的底视图。图15B示出加速度施加轴与电极产生的电压之间的关系。
根据第三实施例的加速度传感器包括在一个方向极化的振子40和连接到振子40的重锤10。该加速度传感器进一步包括两个电极42和44，电极42和44以将振子40的电极形成面非对称分割为两个区域的方式排列。两个电极42和44的相对边缘相对于振子40的极化方向倾斜。在图15A所示的结构中，振子40由诸如PZT的压电陶瓷构成，并在Z轴方向被极化。电极42和44是彼此相邻的检测电极，它们之间插入了分隔槽46。由检测电极42与44之间的相对边缘形成分隔槽46。更具体地说，当在电极层上进行构图以在由压电陶瓷构成的振子40上形成电极时，获得分隔槽46。如果需要，分隔槽46可以包括在振子40中形成的槽。分隔槽46与极化方向(Z轴方向)成θ角。如下所述，分隔槽46的角度影响加速度传感器的灵敏度。
此外，还在振子40的对侧形成先前描述的地电极。
如图15B所示，根据对各轴施加的加速度，检测电极42和44产生电压。为了方便，在假定检测电极42包括电极部分42a、42b和42c，而检测电极44包括电极部分44a的情况下，解释图15B所示的关系。剩余的较小电极部分几乎对上述电极部分不产生影响，因此，可以省略。当在Z轴方向施加加速度时，电极部分42a至42c具有图15B所示的电压，而且检测电极42的总电压为V(＝+V+V-V)。同时，因为在电极部分44a产生电压-V，所以检测电极44的总电压为-V。在对X轴和Y轴方向施加加速度时，检测电极42产生电压V，而检测电极44产生电压-V。这样，检测电极42始终产生正电压，而检测电极44始终产生负电压，而与哪个轴接收加速度无关。
图16A是示出分隔槽46的角度θ(°)与灵敏度(mV/G)之间关系的曲线图。16B示出灵敏度(mV/G)与分隔槽46的宽度Wz和振子40的宽度W的比值之间关系的曲线图。如图16A所示，在分隔槽46的角度从10°开始升高时，对Z轴方向加速度的灵敏度线性升高，而对X轴方向和Y轴方向加速度的灵敏度不表现出大的变化。应该注意，该曲线图示出其中振子40在Y轴方向的长度Wy等于振子40在X轴方向的长度W(Wy/W＝1.0)的情况，也就是说，振子40的电极形成面为正方形。相反，在Wz/W的比值从1变到0.7时，对三轴加速度的灵敏度不表现出显著变化，如图16B所示。应该注意，图16B所示的曲线图示出其中分隔槽46的角度θ为23°的情况。从图16A可以看出，在角度θ为23°时，对X轴方向和Y轴方向加速度的灵敏度基本稳定。改变Wz/W的比值就是使分隔槽46的形成位置从图16A所示的位置(在此Wz/W＝1)沿箭头48所示的方向(或者沿与箭头48所示方向相反的方向)平移。
基于上述情况，通过改变分隔槽46的角度，可以在宽范围内调节对Z轴方向加速度的灵敏度。因此，在设计加速度传感器时，确定分隔槽46的角度以便获得要求的灵敏度。
在分隔槽46是直线的情况下，如果Wz/W的比值是1，而且角度θ小于45°，则检测电极42为梯形，检测电极44为三角形。如果分隔槽46在箭头48所示的方向移动以使Wz/W的比值小于1，则检测电极42为五边形，而检测电极44为三角形。如果分隔槽46沿与箭头48所示方向相反的方向移动，则检测电极42和44均为四边形(或梯形)。因此，可以利用形状识别本发明第三实施例的检测电极42和44的特征。检测电极42和44之一可以跨越电极形成面上全部4个等分区域。检测电极42和44互相之间可以具有不同的面积或面积比。
可以将检测电极42和44中的至少之一分割为两个或者更多个电极部分，而且可以将各分割的电极部分互相电连接在一起。
如上所述，本发明的第三实施例可以提供可以容易地调节检测灵敏度的小尺寸、高灵敏度无方向性加速度传感器。
(第四实施例)图17A至17G示出根据本发明第四实施例的加速度传感器。该实施例的特征在于电极结构，所设计的该电极结构可以避免在通过进行切割等从压电陶瓷晶体板上切割振子时造成的“剥落”(chipping)所引起的不利影响。“剥落”意味着在进行切割过程等期间，电极图形发生剥离。剥落导致检测电极之间的电荷不平衡，通常会降低加速度的检测灵敏度。剥落还可能导致加速度传感器之间的灵敏度发生变化。在每个压电陶瓷晶体板的切割线附近，特别是在切割线的拐角处产生剥落。因此，需要在避开可能导致剥落的区域的位置形成检测电极。
图17A所示的检测电极14和16从振子12的角部50和52回退。在对形成在压电陶瓷晶体板上的电极层进行构图时，去除角部50和52上的电极层部分。图17B示出其中使纵向和宽度方向上的检测电极14和16的侧面从振子12的边缘回退的电极结构。由于不仅角部，而且侧面从振子12的边缘回退，所以在防止剥落方面，该电极结构比图17A所示的电极结构更好。图17C示出其中仅使纵向上的检测电极14和16的侧面从振子12的边缘回退的电极结构。
不仅可以对图15A所示的电极，而且可以对其他电极采用图17A至17C所示的电极结构。图17D至17G示出可以避免剥落的电极结构的其他例子。图17D示出其中振子12上的检测电极53和55的角部被切掉的结构。图17E示出其中纵向和宽度方向上的、振子12上的检测电极56和58的侧面从振子12的边缘回退的结构。图17F示出其中宽度方向上的、振子12上的检测电极60和62的侧面从振子12的边缘回退的结构。图17G示出其中宽度方向上的、振子12上的检测电极64和66的侧面被斜切以从振子12的边缘回退的结构。
在上述情况下，检测电极从振子12的角部和边缘回退，因此可以均匀地从各检测电极拾取电荷。这样，可以消除检测电极之间和加速度传感器之间的灵敏度差别。
还可以采用其中地电极26从振子12的边缘回退的结构。
(第五实施例)图18A至18C示出根据本发明第五实施例的加速度传感器。更具体地说，图18A是加速度传感器的平面图，图18B是沿图18A所示线A-A取的加速度传感器的剖视图，图18C是加速度传感器的底视图。该实施例的特征在于地电极的结构。
以上描述的第一实施例的地电极26覆盖振子12表面上的整个区域。相反，图18A至18C所示的加速度传感器的地电极26A具有椭圆形开口68和70。通过开口68和70露出振子12。地电极26A具有双层结构，该双层结构包括NiCr构成的基底层26a和金构成的表面层26b。可以通过蚀刻或激光修整，形成开口68和70。利用导电粘合剂，将地电极26A接合并固定到重锤10上。该导电粘合剂对振子12使用的压电陶瓷表现出的粘合性比对金表现出的粘合性高。因此，开口68和70用于提高粘合剂的粘合性(锚定效果)。由于提高了粘合强度，所以提高了导电的可靠性和接合层的抗振性。
如果将检测电极14和16与重锤10接合在一起，则图1A所示的暴露区20和22用于提高各向异性导电粘合剂的粘合性。
图19A和19B示出图18A至18C所示加速度传感器的变换例。图19A是示出修改的加速度传感器的平面图，图19B是沿图19A所示线B-B取的加速度传感器的剖视图。在该变换例中，地电极26A具有3个椭圆形开口72、74和76。这些开口72、74和76在不同于图18A所示开口68和70的方向延伸。通过开口72、74和76，露出振子12。图19A和19B所示的地电极26A与图18A至18C所示的地电极26A具有同样的功能和效果。
应该注意，开口的形状和数量并不局限于上述例子，可以任意选择。
(第六实施例)图20A和20B示出根据本发明第六实施例的加速度传感器。图20A是该加速度传感器的平面图，而图20B是沿图20A所示线B-B取的加速度传感器的剖视图。
根据本发明第六实施例的加速度传感器的地电极26B包括Ni构成的基底层26c和Au构成的表面层26b。地电极26B还具有开口68B和70B。仅在Au构成的表面层26b中形成这些开口68B和70B，因此通过开口68B和70B露出Ni构成的基底层26c。通常，导电粘合剂对Ni表现出的粘合性比对Au表现出的粘合性高。因此，提高了导电的可靠性和接合层的抗振性。此外，由于振子12的整个表面被Ni基底层26c覆盖，所以振子12的静电电容不降低。
通过利用蚀刻或激光修整技术，在Au层上进行构图，可以形成开口68B和70B。
图21A和21B示出图20A和20B所示加速度传感器的变换例。图21A是该加速度传感器的平面图，而图21B是沿图21A所示线C-C取的加速度传感器的剖视图。在该变换例中，地电极26B具有3个椭圆形开口72B、74B和76B。这些开口72B、74B和76B在不同于图20A所示开口68和70的方向延伸。通过开口72B、74B和76B，露出振子12。图21A和21B所示的地电极26B与图20A和20B所示的地电极26B具有同样的功能和效果。
代替Ni，基底层26c可以由诸如Ti、Cu或Al的较容易氧化的金属构成。
(第七实施例)图22是根据本发明第七实施例的加速度传感器的侧视图。
包括重锤10和振子12的该加速度传感器安装在基板80上，基板80是印刷布线板等。可以将基板80看作加速度传感器的一部分。基板80具有图3所示的检测电路。当然，基板80可以具有希望的某种其他电路和该检测电路。振子12安装在基板80上，以便检测电极14和16对着基板80。作为一种选择，振子12可以安装在基板80上，以便地电极26对着基板80。
这样，加速度传感器以悬臂状态安装在基板80上。然而，在对X轴方向施加过大冲击而且应力集中在振子12上时，振子12可能发生断裂。为了降低冲击并保护振子12，在基板80上安装阻尼器82。该阻尼器82设置在对着重锤10的自由端10a的位置。在未在X轴方向施加加速度时，在重锤10的下表面与阻尼器82的上表面之间存在间隙。即使在X轴方向施加过大冲击，利用阻尼器82仍可以限制自由端10a在X轴方向上的运动，使得应力不集中到振子12上。阻尼器82可以由任意材料构成。例如，阻尼器82可以由诸如氧化铝的绝缘材料构成，而且可以利用粘合剂固定在基板80上。
在上述所有实施例和变换例中，均可以采用阻尼器82。还可以在以悬臂状态支承在基板上的任何加速度传感器中采用阻尼器82。
(第八实施例)图23示出根据本发明第八实施例的加速度传感器的特性。图23是示出导电粘合剂中的无机填充物成分与振子12的静电电容变化率之间关系的曲线图。
导电粘合剂用于将振子或重锤附接到基板上。这种导电粘合剂含有具有诸如石英或氧化铝的无机填充物成分的环氧树脂。在改变无机填充物成分的数量(wt％)时，导致粘合剂的硬化收缩率或弹性发生变化，而且振子上的残余应力也发生变化。残余应力发生变化导致振子的静电电容发生变化。图23所示的曲线图示出这种关系。在将静电电容变化率的容许值设置为-20％时，将无机填充物成分的数量设置在0wt％至40wt％范围内。以这样的方式调节无机填充物成分的数量，因此可以控制静电电容的降低。
(第九实施例)图24A至24C示出根据本发明第九实施例的加速度传感器。第九实施例的加速度传感器的特征在于，在基板上形成布线图形以提高导电粘合剂的强度。
如图24A所示，在将振子12安装在基板80上时，在振子12与基板80之间提供各向异性导电粘合剂84，然后，向下压振子12。利用分配(dispensing)或转印技术，成圆形地涂敷粘合剂84。为了在基板80的接合面上均匀按压并扩展成圆形涂敷的各向异性导电粘合剂84，在基板80上形成的布线图形86具有图24B或24C所示的结构。
图24B所示的布线图形86包括电极部分86a、86b和86c。通过进行蚀刻等对设置在基板80上的金属薄膜进行构图，形成该布线图形86。将电极部分86a和86b连接到在振子12上形成的检测电极14和16。电极部分86a和86b均具有梳状图形，该梳状图形作为受压的各向异性导电粘合剂的导槽。在受压时，各向异性导电粘合剂84沿导槽流动，并在电极部分86a和86b上均匀扩展。这样，将各向异性导电粘合剂84涂敷到振子12的整个下表面上。因此，可以提高导电粘合剂的强度，而且在导电和抗振方面，该接合层变得更可靠。
在径向形成图24C所示的电极部分86d和86e的梳状图形。这些电极部分86d和86e还用作受压的各向异性导电粘合剂84的导槽，而且它们与图24B所示的电极部分86a和86b具有同样的功能和效果。
到此为止，已经对本发明的实施例和变换例进行了描述。然而，本发明并不局限于它们，可以对上述实施例进行各种修改和变更。
最后，依次对上述说明进行总结。
本发明的加速度传感器包括振子，被在一个方向极化；重锤，连接到该振子；以及一对电极(例如，电极14和16)，在极化方向彼此相邻，而且形成在振子的第一表面上。这对电极位于振子第一表面的对角线上。利用这种电极结构，该对电极始终产生电压，而与振子的3个轴中的哪个轴接收加速度无关。这样，可以实现无方向性加速度传感器。此外，通过相对于振子的尺寸，改变这对电极的尺寸，可以调节对三轴加速度的灵敏度，接着将进行说明。
每个电极的面积可以大于第一表面面积的四分之一，但是小于第一表面面积的一半(例如，如图1B所示)。因此，可以容易地确定3个轴之间的灵敏度分配比。
如果振子在垂直于极化方向的长度为L，而这对电极的长度为L1和L2，则可以将长度之间的关系表示为0.5＜L1(＝L2)/L＜1。在此范围内确定这对电极的长度，以便可以容易地将3个轴之间的灵敏度分配比设置为希望的值。
振子的第一表面具有两个或者更多个不被这对电极覆盖的暴露区(例如，暴露区20和22)。这些暴露区排列在第一表面的另一个对角线上。暴露区的尺寸影响3个轴之间的灵敏度分配比。因此，通过任意选择暴露区的尺寸，可以将3个轴之间的灵敏度分配比容易地设置为希望的值。
加速度传感器可以进一步包括位于振子第一表面上的另一个对角线上的另一对电极(例如，电极对14b和16b)。利用该对电极(14a和16a)再加上另一对电极，可以实现可以检测三轴加速度的加速度传感器。
另一对电极(14b和16b)中每个电极的面积可以分别比在极化方向为分割线方向的情况下将振子的第一表面分割为两个同等部分获得的每个面积小。这是另一对电极的特定例子。在这种情况下，该对电极电连接到在垂直于极化方向的方向彼此相邻的另一对电极。
振子的极化方向可以垂直于板式重锤的纵向(例如，如图1A所示)。在对振子施加极化方向上的加速度时，可以在所有3个轴方向检测加速度。在检测电极上，3个轴中的至少两个轴具有不同电压(例如，如图1B所示)。因此，可以检测加速度的方向。
作为一种选择，振子的极化方向可以与板式重锤的纵向是同一个方向(例如，如图9A所示)。利用重锤与振子的极化方向之间的这种关系，还可以获得可以在全部3个轴方向检测加速度的加速度传感器。
此外，可以采用连接到这对电极的差动放大器(如图3所示)，以差动放大这对电极的电压。利用该差动放大器，可以提高加速度的检测灵敏度。
本发明还提供了一种加速度传感器，该加速度传感器包括振子，被在一个方向极化；重锤，与振子相连；以及两个电极(例如，电极44和46)，排列在将振子的第一表面分割为两个非对称部分的位置。两个电极的相对边缘相对于振子的极化方向倾斜。利用这种电极结构，还可以检测三轴加速度。此外，通过改变分割线，可以容易地调节3个轴之间的灵敏度分配比。
在排列两个电极的例子中，两个电极中之一可以跨越第一表面的全部4个等分区域(例如，如图15B所示)。
在排列两个电极的另一个例子中，两个电极互相之间可以具有不同的面积或面积比(如图15B所示)。
此外，可以在位于振子第一表面的对侧的、振子的第二表面上形成金属薄膜(例如，地电极26A)。构图该金属薄膜，以露出部分振子，并利用粘合剂将第二表面固定在重锤上(如图18A至18C、19A、19B、20A、20B、21A和21B所示)。由于将粘合剂涂敷在振子的暴露部分上，可以提高粘合强度。
作为一种选择，可以在位于振子第一表面的对侧的第二表面上形成多层金属薄膜。构图多层金属薄膜的表面层，以便露出部分内部金属层。利用粘合剂将第二表面固定到重锤上。如果内部金属层表现出的粘合性比外部金属层表现出的粘合性高，则因此可以获得高粘合强度。此外，由于振子被内部金属层覆盖，所以不降低振子的静电电容。
还可以采用其中电极的角部从振子的角部回退的结构(如图17A和17D所示)。利用这种结构，在利用切割技术等加工振子时，可以防止剥落。
还可以采用其中电极的边缘从振子的边缘回退的结构(如图17A至17G所示)。利用这种结构，在利用切割技术等加工振子时，可以防止剥落。
本发明的加速度传感器可以包括基板(基板80)。在该加速度传感器中，利用粘合剂，将振子的第一表面附接到基板上(如图22和24A至24C所示)。
基板可以具有在对着振子第一表面的位置上形成的金属薄膜(电极部分86a和86b或86d和86e)。构图该金属薄膜，以在将振子附接到基板上时，引导粘合剂(如图24B和24C所示)。通过该构图，粘合剂在整个接合面上扩展，而且提高了粘合强度。
本发明的加速度传感器可以具有基板，而且在振子插在其间的情况下，重锤以悬臂状态支承在该基板上。在这种结构中，可以在重锤的自由端形成阻尼器(阻尼器82)。该阻尼器限制重锤的自由端的运动。在该结构中，应力不集中在振子上，并且，即使在一个特定方向施加过大冲击，仍可以防止损坏振子。
如上所述，本发明可以提供一种利用简单的振子电极结构，可以检测三轴加速度的小尺寸、高可靠性加速度传感器。
权利要求
1.一种加速度传感器，该加速度传感器包括振子，被在一个方向极化；重锤，连接到该振子；以及一对电极，在极化方向上彼此相邻，而且形成在振子的第一表面上，这对电极位于振子第一表面的对角线上。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中这对电极中每个电极的面积大于第一表面面积的四分之一，但是小于第一表面面积的一半。
3.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中将振子的长度与这对电极的长度之间的关系表示为0.5＜L1(＝L2)/L＜1其中L表示振子在垂直于极化方向的方向上的长度，而L1和L2表示这对电极的长度。
4.根据权利要求1至3中任何一个所述的加速度传感器，其中振子的第一表面具有多个不被这对电极覆盖的暴露区，所述多个暴露区位于第一表面的另一个对角线上。
5.根据权利要求1所述的加速度传感器，该加速度传感器进一步包括位于第一表面的另一个对角线上的另一对电极。
6.根据权利要求5所述的加速度传感器，其中另一对电极中每个电极的面积比在极化方向将振子的第一表面分割为两半的每半的面积小。
7.根据权利要求6所述的加速度传感器，其中该对电极中的每个电极电连接到在垂直于极化方向的方向上彼此相邻的另一对电极中的每个相应电极。
8.根据权利要求1至7中任何一个所述的加速度传感器，其中振子的极化方向垂直于板式形状的重锤的纵向。
9.根据权利要求1至7中任何一个所述的加速度传感器，其中振子的极化方向与板式形状的重锤的纵向为同一个方向。
10.根据权利要求1至9中任何一个所述的加速度传感器，该加速度传感器进一步包括与该对电极相连并对这对电极产生的电压进行差动放大的差动放大器。
11.一种加速度传感器，该加速度传感器包括振子，被在一个方向极化；重锤，与该振子相连；以及两个电极，排列在将振子的第一表面分割为两个非对称部分的位置，两个电极的相对边缘相对于振子的极化方向倾斜。
12.根据权利要求11所述的加速度传感器，其中两个电极之一跨越被分割为4个同等部分的第一表面的所有部分。
13.根据权利要求11或12所述的加速度传感器，其中两个电极具有相互不同的面积。
14.根据权利要求1至13中任何一个所述的加速度传感器，该加速度传感器进一步包括在振子的第二表面上构图的金属薄膜，使得振子被部分露出，该第二表面位于振子第一表面的对侧，其中利用粘合剂将第二表面固定在重锤上。
15.根据权利要求1至13中任何一个所述的加速度传感器，该加速度传感器进一步包括多层金属薄膜，其形成在位于振子第一表面的对侧的第二表面上，该多层金属薄膜具有以使内部金属薄膜部分地露出的方式构图的表面层，其中利用粘合剂将第二表面固定在重锤上。
16.根据权利要求1至15中任何一个所述的加速度传感器，其中各电极具有从振子的相应角回退的角部。
17.根据权利要求1至16中任何一个所述的加速度传感器，其中各电极的边缘从振子的边缘回退。
18.根据权利要求1至17中任何一个所述的加速度传感器，该加速度传感器进一步包括基板，其中利用粘合剂将振子的第一表面附接在基板上。
19.根据权利要求18所述的加速度传感器，其中基板具有在对着振子的第一表面的位置形成的金属薄膜；以及该金属薄膜被构图，以在将振子附接到基板上时引导粘合剂。
20.根据权利要求1至19中任何一个所述的加速度传感器，该加速度传感器进一步包括基板，其中在振子插在其间的情况下，重锤以悬臂状态支承在基板上；以及在对着重锤的自由端的位置，在基板上形成阻尼器，该阻尼器限制该自由端的运动。
全文摘要
加速度传感器包括振子，被在一个方向极化；重锤，连接到该振子；以及一对电极，在极化方向彼此相邻，而且位于振子的第一表面上。这对电极位于振子第一表面的对角线上。利用这种电极结构，该对电极始终产生电压，而与振子的3个轴中的哪个轴接收加速度无关。这样，可以实现无方向性加速度传感器。此外，通过相对于振子的尺寸，改变这对电极的尺寸，可以容易地调节对三轴加速度的灵敏度。
文档编号H01L41/18GK1537231SQ0281502
公开日2004年10月13日 申请日期2002年10月17日 优先权日2002年1月31日
发明者加藤隆志, 谷内雅纪, 田中浩, 纪 申请人:富士通媒体部品株式会社