运动传感器、加速计、倾斜传感器、压力传感器和触觉控制器的制作方法

专利名称：运动传感器、加速计、倾斜传感器、压力传感器和触觉控制器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及可以用作检测例如加速度、倾斜和角速度的物理量的 运动传感器、采用该运动传感器的加速计、采用该运动传感器的倾斜传感器、 采用该运动传感器的压力传感器和采用该运动传感器的触觉控制器。
背景技术：
在本申请中在其后引用或提及的所有专利、专利申请、专利公开和科学 文章等将通过引用的方式全部引入于此，以便更全面地描述本发明所属技术 的状态。运动传感器可以用作检测物理量，例如加速度、倾斜和角速度。运动传感器可以适合于检测车辆例如汽车的碰撞或者撞碎，；险测HDD降落，并且 实现游戏机(gaming machine )。典型类型的运动传感器可以包括但不限于压 阻运动传感器、电容运动传感器和压电运动传感器。压阻运动传感器和电容 运动传感器作为采用MEMS技术的小型传感器已经被商业化。通常，压阻运动传感器设计成感测代表加速度大小的电阻变化大小。压 阻运动传感器还设计成将电阻转换成电压并且从所感测的代表加速度大小 的电阻变化大小产生输出信号。压阻运动传感器需要将电阻转换成电压的电 路。通常，电容运动传感器设计成感测代表加速度大小的静电电容的变化 量。电容运动传感器还设计成将静电电容转换成电压并且从所感测的代表加 速度大小的静电电容的变化大小产生输出信号。电容运动传感器也需要将静 电电容转换成电压的电路。压电运动传感器设计成感测加速度的大小并且产生代表所感测加速度 大小的电压。压电运动传感器不需要任何电压转换电路。曰本未审查专利申请首次公开第8-166243披露了两轴角速度传感器作 为压电角速度传感器。两轴角速度传感器具有作为梁的金属板和带有多个电 极图案的压电陶瓷。压电陶瓷由粘接剂粘接到作为梁的金属板上。压电陶瓷使梁振动并检测Coriolis力。曰本未审查专利申请首次公开第8-201067号披露了另一种压电角速度 传感器。重物贴附到梁的中心，以便改善灵敏性。曰本专利第35859S0号披露了三轴角速度传感器作为压电角速度传感 器，其设计成允许重物显示旋转运动以感测三轴角速度。曰本未审查专利申请首次公开第2001-124562号披露了又一种压电角速 度传感器。压电膜不仅用作压电传感器而且用作梁。重物提供在压电膜的上 和下，以改善传感器的信噪比。上述传感器具有由陶瓷制成的压电膜。对陶瓷压电膜施加机械冲击可以 使陶乾压电膜变形，从而使陶瓷压电膜断裂或者产生裂紋。陶瓷压电膜在灵 敏度上比所需要的较低。实际上难于微加工压电陶瓷。也难于改善压电陶瓷 的对准的的精确度。还难于改善组装压电运动传感器的精确度。考虑到上述情况，对于本公开的领域的技术人员来说显而易见的是，存 在对改善的运动传感器、采用该运动传感器的加速计、采用该运动传感器的 倾斜传感器、采用该运动传感器的压力传感器和采用该运动传感器的触觉控 制器的需求。本发明解决了该需求以及本公开的领域的技术人员来说显而易 见的其它需要。发明内容因此，本发明的首要目标是提供一种运动传感器。 本发明的另 一个目标是提供一种加速计。 本发明的再一个目标是提供一种倾斜传感器。 本发明的又一个目标是提供一种压力传感器。 本发明的再另一个目标是提供一种触觉控制器。根据本发明的第一方面，运动传感器可以包括但不限于基板、梁、重物、 压电膜和第一电极。梁由基板支撑。梁是可弹性变形的。重物连接到梁上。 压电膜遵循梁的至少一部分并且沿其延伸。压电膜可以包括但不限于有机压 电膜。第一电极设置在压电膜上。压电膜采用有机材料改善了运动传感器的抗震性(shock resistance )。 在某些情况下，运动传感器还可以包括在梁上的绝缘膜；以及在绝缘膜 上的第二电极。第二电极由绝缘膜与梁电隔离。第二电极在压电膜下延伸。压电膜设置在第 一和第二电极之间。在其它情况下，梁可以由导电材料制成，从而梁用作第二电极。其中压 电膜设置在第一和第二电极之间。在典型的情况下，有机压电膜可以包括聚脲。压电膜可以通过作为干工 艺的气相沉积聚合工艺形成。该工艺可以使得易于减小压电膜的厚度。该工 艺也可以使得易于限定压电膜的形状或者图案。该工艺可以允许制成基本上在某些情况下，梁可以由基板在其一侧支撑，以便允许运动传感器用作 单轴力口i4^十。在其它情况下，梁可以由基板在其两侧支撑，以便允许运动传感器用作 工4由力口i4^十。在梁在两侧支撑的情况下，重物可以连接到梁的中心区域。第一电极可 以包括多个围绕重物设置的电极图案。根据本发明的第二方面，加速计可以包括但不限于运动传感器和输出检 测单元。运动传感器可以包括但不限于基板、梁、重物、压电膜和第一电极。 梁在其两侧由基板支撑。梁是可弹性变形的。重物连接到梁的中心区域。压 电膜遵循梁的至少 一部分并且沿其延伸。压电膜可以包括有机压电膜或由有 机压电膜组成。第一电极设置在压电膜上。第一电极可以包括多个围绕重物 设置的电极图案，或者可以由多个围绕重物设置的电极图案组成。输出检测 单元连接到至少两个电极图案。输出检测单元检测来自至少两个电极图案的 输出。输出检测单元可以包括加速检测单元，当给重物施加加速度时，其根 据呈现在至少两个电极图案上的输出来检测加速度。根据本发明的第三方面，倾斜传感器可以包括但不限于运动传感器、激 励电压施加单元和输出检测单元。运动传感器可以包括但不限于基板、梁、 重物、压电膜和第一电极。梁在其两侧由基板支撑。梁是可弹性变形的。重 物连接到梁的中心区域。压电膜遵循梁的至少一部分并且沿其延伸。压电膜 可以包括有机压电膜，或者可以由有机压电膜组成。第一电极设置在压电膜 上。第一电极可以包括多个围绕重物设置的电极图案，或者可以由多个围绕 重物设置的电极图案组成。激励电压施加单元连接到至少两个电极图案。激 励电压施加单元给至少两个电极图案施加激励电压。输出^^测单元连接到其 它电极图案。输出检测单元检测来自其它电极图案的输出。输出检测单元可以包括倾斜检测单元或者可以由倾斜检测单元组成，其根据共振频率的变化 来检测倾斜传感器的倾斜角。共振频率的变化由重物的倾斜而引起。根据本发明的第四方面，压力传感器可以包括但不限于运动传感器、激 励电压施加单元和输出检测单元。运动传感器可以包括但不限于基板、梁、 重物、压电膜和第一电极。梁在其两侧由基板支撑。梁是可弹性变形的。重 物连接到梁的中心区域。压电膜遵循梁的至少一部分并且沿其延伸。压电膜 可以包括有机压电膜，或者可以由有机压电膜组成。第一电极设置在压电膜 上。第一电极可以包括多个围绕重物设置的电极图案，或者可以由多个围绕 重物设置的电极图案组成。激励电压施加单元连接到至少两个电极图案。激 励电压施加单元给至少两个电极图案施加激励电压。输出检测单元连接到其 它电极图案。输出检测单元检测来自其它电极图案的输出。输出检测单元可来检测施加到倾斜传感器上的外部压力。共振频率的变化由将外部压力施加 到重物而引起。根据本发明的第五方面，触觉控制器可以包括但不限于运动传感器、激 励电压施加单元、输出检测单元和触觉控制单元。运动传感器可以包括但不 限于基板、梁、重物、压电膜和第一电极。梁在其两侧由基板支撑。梁是可 弹性变形的。重物连接到梁的中心区域。压电膜遵循梁的至少一部分并且沿 其延伸。压电膜可以包括有机压电膜，或者可以由有机压电膜组成。第一电 极设置在压电膜上。第一电极可以包括多个围绕重物设置的电极图案，或者 可以由多个围绕重物设置的电极图案组成。激励电压施加单元连接到至少两 个电极图案。激励电压施加单元给至少两个电极图案施加激励电压。输出检 测单元连接到其它电极图案。输出检测单元检测来自其它电极图案的输出。 触觉控制单元连接在激励电压施加单元和输出检测单元之间。触觉控制单元 根据触及重物时^ 1起的共振频率的变化控制激励电压。通过结合示出本发明实施例的附图的以下详细描述，本发明的这些和其 它的目标、特征、方面和优点对于本领域的技术人员来说将变得更加明显。


现在参照附图，其形成该原始公开的一部分。图1是示出根据本发明第一实施例的运动传感器的示意性透视图；图2是沿着图1的X轴剖取的运动传感器的截面正视图； 图3是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的步骤的局部截 面正一见图；图4是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图3步骤后的 步骤的局部截面正视图；图5是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图4步骤后的 步骤的局部截面正视图；图6是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图5步骤后的 步骤的局部截面正视图；图7是示出在形成图l和2所示运动传感器工艺中涉及的图6步骤后的 步骤的局部截面正一见图；图8是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图7步骤后的 步骤的局部截面正视图；图9是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图8步骤后的 步骤的局部截面正^L图；图IO是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图9步骤后 的步骤的局部截面正视图；图ll是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图IO步骤后 的步骤的局部截面正视图；图12是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图11步骤后 的步骤的局部截面正视图；图13是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图12步骤后 的步骤的局部截面正视图；图14是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图13步骤后 的步骤的局部截面正图；图15是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图14步骤后 的步骤的局部截面正视图；图16是示出在形成图1和2所示运动传感器工艺中涉及的图15步骤后 的步骤的局部截面正视图；图17是示出在形成图l和2所示运动传感器工艺中涉及的图16步骤后 的步骤的局部截面正#见图；图18是示出图17步骤后的步骤的局部截面正视图；图19是示出设计成沉积聚脲膜和电极膜的沉积系统结构的示意图；图20A是示出具有被弯曲以便给压电膜施加压应力的压电膜和电极膜的梁的截面正视图；图20B是示出具有被弯曲以便给压电膜施加拉应力的压电膜和电极膜的梁的截面正视图；图21A是示出当在X轴方向上施加加速度时的运动传感器的截面正视图；图21B是表，显示了当运动传感器被在图21A所示X轴方向上施加加 速度时电极与呈现在电极上的输出之间的关系；图22A是示出运动传感器在Z轴方向上施加加速度时的截面正视图；图22B是表，显示了当运动传感器在图22A所示Z轴方向上施加加速 度时电极与呈现在电极上的输出之间的关系；图23是示出检测三轴加速度的加速计的示意图；图24是表，显示了三轴加速度与呈现在图l运动传感器的电极上的输 出电压之间的关系；图25是示出根据本发明第二实施例的运动传感器的侧视图； 图26是示出图25运动传感器的平面图；图27是示出极化系统结构的一个实例的示意图，该极化系统适合于极 化图25和26运动传感器元件的聚脲压电膜；图28是示出测量系统的示意图，该测量系统用于对图25和26所示单 轴运动传感器41的运行检查；图29是示出图25和26所示的运动传感器41当在Z轴方向上施加沖击 加速度时输出电压在时间上的变化的图；图30是示出对于图29所示输出电压的阻尼振荡进行快速傅立叶变换分 析的结果的图；图31是示出运动传感器的频率特性的图；图32是示出根据本发明第三实施例的运动传感器的截面正视图； 图33是示出图32运动传感器的平面图；图34是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的步骤的局 部截面正^L图；图35是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图34步骤 后的步骤的局部截面正视图；图36是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图35步骤 后的步骤的局部截面正视图；图37是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图36步骤 后的步骤的局部截面正视图；图38是示出图37所示步骤的平面图；图39是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图36和37 步骤后的步骤的局部截面正视图；图40是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图39步骤 后的步骤的局部截面正视图；图41是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图40步骤 后的步骤的局部截面正视图；图42是示出图41所示步骤的平面图；图43是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图41和42 步骤后的步骤的局部截面正视图；图44是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图43步骤 后的步骤的局部截面正视图；图45是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图44步骤 后的步骤的局部截面正视图；图46是示出图45所示步骤的平面图；图47是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图45和46 步骤后的步骤的局部截面正视图；图48是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图47步骤 后的步骤的局部截面正视图；图49是示出图48所示步骤的平面图；图50是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图48和49 步骤后的后续步骤的局部截面正视图；图51是示出图50所示步骤的平面图；图52是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图50和51 步骤后的后续步骤的局部截面正视图；图53是示出图52所示步骤的平面图；图54是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图52和53 步骤后的后续步骤的局部截面正视图；图55是示出图54所示步骤的平面图；图56是示出利用Coriolis力的旋转速度传感器的示意性透视图；图57A是示出当给图56所示旋转速度传感器施加交流电压时具有重物的梁在X轴方向上振荡的截面正视图；图57B是表，显示了图57A所示旋转速度传感器的电极与输入给电极的交流电压的关系；图58是示出利用运动传感器的两方向倾斜传感器的示意性透视图； 图59是示出当给图58的两方向倾斜传感器的电极施加交流电压时重物在X轴方向上的振荡或者摆动的截面正视图；图60是示出图58的两方向倾斜传感器的共振频率特性的图；图61是示出另一个利用运动传感器的两方向倾斜传感器的示意性透视图；图63是示出图62的压力传感器的共振频率特性的图； 图64是示出包括运动传感器阵列的另一个压力传感器的示意性透视图；和图65是示出触觉控制器的示意性透视图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明所选择的实施例。本公开的领域的技术人员 应当理解的是，本发明实施例的下述描述仅是说明性的，而不是对所附权利 要求及其等同物所限定的本发明的限定。第一实施例[运动传感器的结构]图1是示出根据本发明第一实施例的运动传感器的示意性透视图。图2 沿着图1的X轴剖取的运动传感器的截面正视图。运动传感器1可以用于三 轴加速计。运动传感器1可以包括基板2、梁3、重物4、压电膜5和电极 6A、 6B、 6C及6D。梁3可以由基板2支撑的平面梁实现。重物4可以设置在运动传感器1的中心区域。重物4可以连接到梁3的中心部分。压电膜5 可以提供在梁3上。在某些情况下，压电膜5可以提供在梁3的几乎整个表 面上，除了梁3的中心区域外。电极6A、 6B、 6C和6D可以提供在压电膜 5上。在某些情况下，电极6A、 6B、 6C和6D可以围绕重物4设置，并且 设置在压电膜5上。典型地，电极6A、 6B、 6C和6D可以设置成对称于运 动传感器1的中心。在某些情况下，基板2可以由但不限于硼硅酸盐玻璃制成。基板2形成 方框支座，在其中心具有开口 7。在某些情况下，梁3可以成形为方板，其与基板2具有相同的尺寸，从 而梁3的外边缘与基板2的外边缘对齐。在某些情况下，梁3的厚度可以为 5微米。梁3可以固定到基板2，从而梁3不仅覆盖基板2而且覆盖开口 7。 在某些情况下，梁3可以由但不限于Ni或者Ni合金例如NiFe制成。在某些情况下，重物4可以包括但不限于顶重物4A和底重物4B。顶重 物4A可以固定到梁3顶表面的中心区域。底重物4B可以固定到梁3下表 面的中心区域。梁3的中心部分可以夹设在顶、底重物4A和4B之间。在 此情况下，顶、底重物4A和4B可以在质量上彼此不同。由顶、底重物4A 和4B构成的重物4可以具有重心G,其位于梁3之下，如图2所示。在某 些情况下，顶、底重物4A和4B彼此可以在材料上或者三维尺寸上或者二 者都不相同，从而它们在质量上彼此不同。在某些情况下，顶重物4A可以 由但不限于与梁3相同的材料制成，例如Ni或者如NiFe的Ni合金。底重 物4B可以由但不限于与基板2相同的材料制成，例如硼硅酸盐玻璃。顶重 物4A在平面上看具有方形。X轴、Y轴和Z轴的三轴原点位于顶重物4A 的中心。压电膜5可以是有机压电膜。典型地，有机压电膜可以由但不限于聚脲 制成。压电膜5厚度的典型实例可以是但不限于约l微米。电极6A、 6B、 6C和6D可以设置在压电膜5的顶表面上，并且围绕顶 重物4。电极6A、 6B、 6C和6D具有对顶重物4A中心点对称的外形。在某 些情况下，每个电极6A、 6B、 6C和6D都可以具有修改的矩形形状。电极 6A和6C可以在平行于X轴的方向上隔开。电极6A和6C可以在平行于X 轴的方向上位于顶重物4A的相对侧上。电极6B和6D可以在平行于Y轴 的方向上隔开。电极6B和6D可以在平行于Y轴的方向上位于顶重物4A的相对侧上。电极6A、 6B、 6C和6D可以由导电材料制成。电极6A、 6B、 6C和6D的典型实例可以包括但不限于Al、 Cu、 Au、 Pt、 Ag和AlSi。电极 6A、 6B、 6C和6D的厚度典型地可以是但不限于1000埃。 [形成运动传感器的工艺]将描述形成运动传感器1的工艺。图3至18是示出在形成图1和2所 示运动传感器工艺中涉及的相续步骤的局部截面正视图。 如图3所示，制备基板2。如图4所示，将抗蚀剂膜涂敷在基板2的顶表面上。进行光刻工艺，以 在基板2上形成第一光致抗蚀剂图案11。如图5所示，采用第一光致抗蚀剂图案11为掩模进行蚀刻工艺，由此 选择性蚀刻基板2,从而基板2具有凹入部分12和由凹入部分12围绕的升 高部分13。升高部分13通过斜坡壁连接凹入部分12。凹入部分12将变成 开口 7。升高部分13将变成底重物4B。例如，蚀刻工艺可以采用CF,.,气体 由反应离子蚀刻工艺实现。反应离子蚀刻工艺是各向异性蚀刻工艺之一。蚀 刻深度可以设定为例如200微米。凹入部分12随着深度变深而宽度减少。如图6所示，通过有机溶剂从基板2上去除第一光致抗蚀剂图案11。如图7所示，第一镀覆籽层14形成在基板2上，从而第一镀覆籽层14 在凹入部分12的表面上和升高部分13的表面上延伸。例如，第一镀覆籽层 14可以是Cu层，可以由Cu溅射工艺形成。第一镀覆籽层14的厚度可以是 但不限于3000埃。如图8所示，牺牲层15形成在第一镀覆籽层14上。牺牲层15可以由 Cu制成。牺牲层15可以由电解镀工艺形成。牺牲层15的厚度可以是但不 限于300微米。如图9所示，可以进行研磨和抛光工艺的至少一种，以选择性地从基板 2上去除牺牲层15和第一镀覆籽层14,从而在基板2的凹入部分12内留下 牺牲层15和第一镀覆籽层14。结果，暴露了基板2的顶表面。如图10所示，第二镀覆籽层3形成在基板2、牺牲层15和第一镀覆籽 层14的暴露表面上。第二镀覆籽层3将成为梁3。在某些情况下，第二镀覆 籽层3可以由Ni制成。第二镀覆籽层3可以通过但不限于Ni溅射工艺形成。 第二镀覆籽层3的厚度可以是但不限于5微米。第二镀覆籽层3材料的典型 实例可以包括但不限于Ni和如NiFe的Ni合金。第二镀覆籽层3用作梁3。如图11所示，在设置第二镀覆籽层3的该侧的相对侧可以进行研磨和抛光工艺的至少一种，来研磨和/或抛光基板2，从而暴露了第一镀覆籽层14。 结果，升高部分13成为底重物4B。在某些情况下，可以继续进行研磨和抛 光工艺的至少一种，直到暴露牺牲层15。如图12所示，将光致抗蚀剂膜涂敷在第二镀覆籽层3上。进行光刻工 艺，以在第二镀覆籽层3上形成第二光致抗蚀剂图案16。第二光致抗蚀剂图 案16具有开口 ，其达到第二镀覆籽层3的中心部分。第二镀覆籽层3的中 心部分位于底重物4B上。如图13所示，顶重物4A选择性地形成在第二光致抗蚀剂图案16的开 口中和第二镀覆籽层3的中心部分上。顶重物4A由第二光致抗蚀剂图案16 的开口限定。顶重物4A固定到第二镀覆籽层3。第二镀覆籽层3构成梁3。 顶重物4A可以由Ni制成。顶重物4A材料的典型实例可以包括但不限于 Ni和如NiFe的Ni合金。顶重物4A的厚度可以是但不限于50微米。如图14所示，采用有机溶剂从梁3上去除第二光致抗蚀剂图案16。如图15所示，压电膜5形成在梁3和顶重物4A上。压电膜5可以由聚 脲制成。由聚脲制成的压电膜5可以通过气相沉积聚合工艺形成。由聚脲制 成的压电膜5的厚度可以是但不限于1微米。如图16所示，电极层17形成在压电膜5上。电极层17可以由导电材 料例如A1制成。电极层17材料的典型实例可以包括但不限于Al、 Cu、 Au、 Pt和AlSi。电极层17的厚度可以是但不限于1000埃。如图17所示，抗蚀剂膜涂敷在电极层17上。进行光刻工艺，以在电极 层17上形成第三抗蚀剂图案18。如图18所示，采用第三抗蚀剂图案18为掩模进行各向异性蚀刻工艺以 选择性去除电极层17，由此在压电膜5上形成电极6A、 6B、 6C和6D。同 样，电极层17被选择性蚀刻，并且分成四个单独的图案，其用作电极6A、 6B、 6C和6D。去除牺牲层15、第一镀覆籽层14和第三抗蚀剂图案18,由 此形成开口 7和底重物4B。底重物4B位于梁3下表面的中心区域上。如图 18所示，压电膜5仍覆盖了顶重物4A，这不同于图l所示。梁3的中心部 分夹设在顶、底重物4A和4B之间。可以施加电场和高温来极化压电膜5。例如，可以通过导电膏20将引线 19连接到电极6A、 6B、 6C和6D。 80V的电压通过引线19施加给电极6A、6B、 6C和6D,同时加热压电膜5至180°C，由此引起压电膜5的极化。该实施例的压电运动传感器不需要任何电容运动传感器所需的浮置电 极结构。该实施例的压电运动传感器可以简化MEMS工艺，由此降低制造 成本。在某些情况下，梁3可以由例如Ni的导电材料制成。由导电材料制成 的梁3可以用作压电膜5的电极。在其它情况下，可以作为修改的是，梁3由例如聚酰亚胺树脂的绝缘材 料制成。在此情况下，底电极层附加提供在梁3上，而压电膜5提供在底电 极层上，从而底电极层夹设在梁3和压电膜5之间。在某些情况下，底重物4B可以具有渐缩形状，例如随着位置接近梁3 其宽度减小。在其它情况下，底重物4B可以具有非渐缩形状，宽度保持不变在某些情况下，顶、底重物4A和4B提供在梁3的中心区域上和下。 在其它情况下，可以作为修改的是，重物4仅由底重物4B构成。即作为修 改可能只在梁3的中心区域下提供底重物4B。[形成聚脲压电膜的工艺]下面的描述将集中在形成聚脲压电膜的工艺上，其涉及在形成该实施例 的运动传感器的相续工艺。典型地，由聚脲制成的压电膜可以通过气相沉积 聚合法沉积。芳香二胺(4，4，-二氨基二苯醚(ODA))和二异氰酸盐(4，4，-二苯曱烷二异氰酸酯(MDI))在真空中被加热并且蒸发。下面的化学式表示在ODA和MDI之间的缩聚反应。聚脲为低聚物的形 式，其每个由几个或者几十个单体组成，在气相沉积后立即进行聚合工艺。 低聚物被加热，同时给低聚物施加电场。低聚物的聚合反应在约80。C时开始。 在给低聚物施加电场下在100。C加热低聚物几分钟，可以大体完成低聚物的 聚合，由此形成具有固定取向的聚合物膜，其显示出压电性。化学式1:<formula>formula see original document page 17</formula>图19是示出设计成依次沉积聚脲膜和电极膜而不破坏真空的沉积系统 结构的示意图。沉积系统21可以由包括聚脲沉积室22和电极沉积室23的 双室沉积系统。双室沉积系统设计成依次沉积聚脲膜和电极膜。在聚脲沉积室22中，ODA和MDI单独加热并且蒸发，以形成ODA和 MDI气体。然后，蒸发的ODA和MDI沉积在基板2上。可以确i人的是， 优选摩尔比率1: 1的ODA和MDI可以提供在基板2上，以便形成聚脲压 电膜。还可以确认的是，分别在62。C和122。C加热ODA和MDI可以在基板 2上提供摩尔比率1: 1的ODA和MDI。当基板2设置在聚脲沉积室22中 时，基板2的温度可以由PeWer装置24控制在15。C至18。C的范围，Peltier 装置24设置在基板2上。在电极沉积室23中，电子束辐射以蒸发铝，并且在基板2上的聚脲压 电膜上沉积蒸发的铝。在聚脲沉积室22中，采用掩模25可以进行选择性沉积聚脲膜。当基板 2设置在聚脲沉积室22中时，掩模25位于基板2下。聚脲膜的形状或者图 案取决于掩模25的形状或者图案。在电极沉积室23中，釆用掩模26可以进行选择性沉积铝膜。当基板设 置在聚脲沉积室22中时，掩模26位于基板2下。铝膜的形状或者图案取决 于掩模26的形状或者图案。沉积速度可以由任何商业上可获得的监视器来监视。监视器的典型实例 可以是但不限于石英振荡型沉积控制器，例如可从ULVAC公司商业获得的 CRTM-1000。聚脲膜的沉积速度可以控制在2埃/秒至3埃/秒的范围。铝膜 的沉积速度可以控制在5埃/秒至10埃/秒的范围。沉积系统21 -i殳计成允许 基板2在聚脲沉积室22和电极沉积室23之间移动，而不破坏这些室22和 23的真空。沉积系统21可以设计成执行依次沉积聚脲膜和电极膜，而不破 坏真空。如图19所示，石英微量天平27分别提供在聚脲沉积室22和电极沉积 室23中的掩模25和26下。用于传送基板2的传送装置28还提供在聚脲沉 积室22和电极沉积室23中。传送装置28可以由带式传送装置实现。沉积 系统21还包括用于载入和载出基板2的装卸室29。沉积系统21还包括第一和第二挡板30。第一挡板30提供在聚脲沉积室 22和电极沉积室23之间。当聚脲沉积工艺在聚脲沉积室22中进行时，第一 挡板30关闭聚脲沉积室22隔开电极沉积室23。当电极沉积工艺在电极沉积 室23中进行时，第一挡板30也关闭电极沉积室23隔开聚脲沉积室22。第 二挡板30提供在电极沉积室23和装卸室29之间。当在电极沉积室23中进 行电极沉积工艺时，第二挡板30关闭电极沉积室23隔开装卸室29。当基板 2被载入或载出装卸室29时，第二挡板30也关闭装卸室29隔开电极沉积室 23。在湿工艺中形成具有压电性的其他有机材料，例如聚偏二氟乙烯膜 (polyvinylidine difluoride,PVDF)。难于精确地确定PVDF膜的形状。PVDF 膜不适合于批量加工。相反，聚脲是具有压电性的材料之一。聚脲膜可以通过称为蒸发沉积聚 合法的干工艺形成。聚脲膜适合于减小其厚度。聚脲膜也适合于精确控制其 厚度。采用聚脲膜可以允许所制成的压电运动传感器基本上与压阻运动传感 器或者电容运动传感器的尺寸相同。采用聚脲膜作为压电膜的运动传感器具有很高的灵敏度。聚脲的压电常 数"g'，为280E-3[Vm/N]，其比陶瓷压电膜PZT-4的压电常数"g"大至少 一位数。[才企测加速度的原理]如上所述的运动传感器1包括梁3和基板2。梁3具有侧部分和中心部 分。梁3具有机械柔性。梁3的部分由基板2支撑。梁3的中心部分相邻于 基板2的开口 7。梁3的中心部分与顶、底重物4A和4B连接。基板2机械 支撑梁3,从而梁3的侧部分一皮固定，而具有顶、底重物4A和4B的中心部 分是可移动的，并且可上下移位。即基板2机械支撑梁3，以便使得梁3是 可弯曲的。图20A是示出具有被弯曲的压电膜5和电极膜6以便给压电膜5施加压 应力的梁3的截面正视图。当梁3被弯曲从而梁2的中心部分向下位移时，压应力施加给在梁3上延伸的压电膜5。给压电膜5施加压应力在电极6上 产生正电压。图20B是示出具有被弯曲的压电膜5和电极膜6以便给压电膜5施加拉 应力的梁3的截面正视图。当梁3被弯曲从而梁3的中心部分向上位移时， 给在梁3上延伸的压电膜5施加拉应力。给压电膜5施加拉应力在电极6上 产生负电压。下面将描述根据梁3的变形检测三轴加速度的原理。X轴、Y轴和Z轴 设定到运动传感器l上，如图l所示。X轴、Y轴和Z轴三个轴的原点位于 顶重物4A的中心。底重物4B具有比顶重物4A更大的质量。重心G位于 梁3的中心之下。即重心G位于底重物4B上，如图2所示。图21A是示出在X轴方向上施加加速度时运动传感器的截面正视图。 图21B是表，显示了当运动传感器在图21A所示X轴方向上施加加速度时 电极与呈现在电极上的输出之间的关系。梁3包括中心部分和第一至第四部分。梁3的中心部分设置在顶、底重 物4A和4B之间。梁3的第 一部分设置在电极6A下。梁3的第二部分设置 在电极6B下。梁3的第三部分设置在电极6C下。梁3的第四部分设置在 电才及6D下。压电膜5包括中心部分和第一至第四部分。压电膜5的中心部分设置在 顶重物4A下。压电膜5的第一部分设置在电极6A下。压电膜5的第二部 分设置在电极6B下。压电膜5的第三部分设置在电极6C下。压电膜5的 第四部分设置在电极6D下。当加速度施加给在X轴正方向上加速的重物4A和4B时，梁3被变形， 如图21A所示。重心G朝着X轴的负方向移动，该负方向与给重物4A和 4B施加加速度的X轴的正方向相对。顶重物4A朝着X轴的正方向倾在+， 而底重物4B朝着X轴的负方向倾斜。梁3的第一部分被弯曲，从而第一部分的中心向下运动，其中梁3的第 一部分位于电极6A下。梁3的第三部分被弯曲，从而第三部分的中心向上 运动，其中梁3的第三部分位于电极6C下。梁3的第二和第四部分没有被 弯曲。压应力施加给压电膜5的第一部分，而拉应力施加给压电膜5的第三 部分。几乎没有应力施加给电膜5的第二和第四部分。给压电膜5的第一部 分施加压应力在电极6A上产生正电荷。给压电膜5的第三部分施加拉应力在电极6C上产生负电荷。没有给压电膜5的第二和第四部分施加应力在电极6B和6D上不产生电荷。如图21B所示，呈现在电极6A上的输出电压为 正。呈现在电极6B上的输出电压为零。呈现在电极6C上的输出电压为负。 呈现在电极6D上的输出电压为零。当加速度施加《会在Y轴正方向加速的重物4A和4B时，梁3变形。重 心G朝着Y轴的负方向移动，该负方向与给重物4A和4B施加加速度的X 轴的正方向相对。顶重物4A朝着Y轴的正方向倾斜，而底重物4B朝着Y 轴的负方向倾斜。梁3的第二部分被弯曲，从而第二部分的中心向下运动，其中梁3的第 二部分位于电极6B下。梁3的第四部分被弯曲，从而第四部分的中心向上 运动，其中梁3的第四部分位于电极6D下。梁3的第一和第三部分没有被 弯曲。压应力施加给压电膜5的第二部分，而拉应力施加给压电膜5的第四 部分。几乎没有应力施加给电膜5的第一和第三部分。给压电膜5的第二部 分施加压应力在电4及6B上产生正电荷。给压电膜5的第四部分施加4立应力 在电极6D上产生负电荷。没有给压电膜5的第一和第三部分施加应力在电 极6A和6C上不产生电荷。呈现在电极6A上的输出电压为零。呈现在电极 6B上的输出电压为正。呈现在电极6C上的输出电压为零。呈现在电极6D 上的输出电压为负。图22A是示出运动传感器在Z轴方向上施加加速度时的截面正视图。 图22B是表，显示了当运动传感器在图22A所示Z轴方向上施加加速度时 电极与呈现在电极上的输出之间的关系。当加速度施加纟合在Z轴正方向加速的重物4A和4B时，梁3变形，如 图22A所示。梁3与重物4A和4B的中心向下或者在Z轴的负方向上运动， 该负方向与给重物4A和4B施加加速度的Z轴的正方向相对。顶、底重物 4A和4B没有倾斜。梁3的第一至第四部分被弯曲，从而第一至第四部分的中心向下运动， 其中梁3的第一至第四部分分别位于电极6A、 6B、 6C和6D下。压应力施 加给压电膜5的第一至第四部分的每一个上。给压电膜5的第一至第四部分 施加压应力在电极6A、 6B、 6C和6D上产生正电荷。如图22B所示，呈现 在电极6A、 6B、 6C和6D上的输出电压为正。当加速度施加给在Z轴负方向加速的重物4A和4B时，梁3变形。梁3与重物4A和4B的中心向上或者在Z轴的正方向上运动，该正方向相对于 给重物4A和4B施加加速度的Z轴的负方向相对。顶、底重物4A和4B没有倾斜。梁3的第一至第四部分被弯曲，从而第一至第四部分的中心向上运动， 其中梁3的第一至第四部分分别位于电极6A、 6B、 6C和6D下。拉应力施 加给压电膜5的第一至第四部分的每一个上。给压电膜5的第一至第四部分 施加拉应力在电极6A、 6B、 6C和6D上产生负电荷。呈现在电极6A、 6B、 6C和6D上的输出电压为负。三轴加速度可以通过^f企测梁3的变形方向和幅度来^r测。[工轴力口i4^十]图23是示出检测三轴加速度的加速计的示意图。图23的加速计31可 以包括但不限于图1的运动传感器1和输出检测器38。输出检测器38可以 配置成独立地纟全测X轴加速度、Y轴加速度和Z轴加速度。输出检测器38可以包括但不限于微分电路32和34、加法器36、 X轴 加速度检测单元33、 Y轴加速度检测单元35和Z轴加速度检测单元37。 X 轴加速度检测单元33连接到微分电路32的输出上。微分电路32的输入连 接到电极6A和6C。 X轴加速度检测单元33和微分电路32提供为检测X 轴加速度。Y轴加速度检测单元35连接到微分电路34的输出上。微分电路 34的输入连接到电极6B和6D。 Y轴加速度检测单元35和微分电路34提 供为检测Y轴加速度。Z轴加速度检测单元37连接到加法器36的输出上。 加法器36的输入连接到电极6A、 6B、 6C和6D。图24是表，显示了三轴加速度与呈现在运动传感器的电极6A、 6B、 6C 和6D上的输出电压之间的关系。当在X轴正方向上给运动传感器l施加加 速度时，在电极6A上呈现正电压输出，在电极6B上呈现零电压输出，在 电极6C上呈现负电压输出，而在电极6D上呈现零电压输出。当在X轴负 方向上给运动传感器1施加加速度时，在电极6A上呈现负电压输出，在电 极6B上呈现零电压输出，在电极6C上呈现正电压输出，而在电极6D上呈 现零电压输出。当在Y轴正方向上给运动传感器1施加加速度时，在电极 6A上呈现零电压输出，在电极6B上呈现正电压输出，在电极6C上呈现零 电压输出，而在电极6D上呈现负电压输出。当在Y轴负方向上给运动传感 器l施加加速度时，在电极6A上呈现零电压输出，在电极6B上呈现负电压输出，在电极6C上呈现零电压输出，而在电极6D上呈现正电压输出。当在Z轴正方向上给运动传感器1施加加速度时，在电极6A、 6B、 6C和 6D上呈现脉沖电压输出。当在Z轴负方向上给运动传感器1施加加速度时， 在电极6A、 6B、 6C和6D上呈现负电压输出。第二实施例[运动传感器的结构]图25是示出根据本发明第二实施例的运动传感器的侧视图。图26是示 出图25运动传感器的平面图。运动传感器41可以设计成检测单轴加速度。 运动传感器41可以包括但不限于基板42、梁43、绝缘膜48、底电极49、 压电膜44和顶电极45。梁43由基板42机械支撑。绝缘膜48设置在梁43 和部分基板42上。底电极49设置在绝缘膜48上。压电膜44延伸在底电极 49和部分绝缘膜48上。顶电极45延伸在压电膜44和部分绝缘膜48上。顶、 底电极45和49由压电膜44分隔。压电膜44夹设在顶、底电极45和49之 间。梁43具有相对的第一和第二侧。梁43的第一侧由基板42支撑。梁43 的第二侧为自由侧。即单轴加速计41具有支撑结构，其中梁43的一侧由基 板42支撑。三轴加速计1具有不同的支撑结构，其中梁3的相对两侧由基 板2支撑。基板42可以由框46构成，该框46具有围绕开口 47的四侧。梁43从 框46的一侧延伸到开口 47。梁43具有与框46的一侧结合的第一侧，从而 梁43的第一侧由基板42支撑。梁43具有与第一侧相对的第二侧。梁43的 第二侧是自由侧。梁43的第二侧设置成靠近与框46的该一侧相对的该侧， 并且与其分隔。绝缘膜48延伸在梁43和框的该一侧上。绝缘膜48的宽度 大于梁43。梁43具有相邻于自由的第二侧的突起部分43a。突起部分43a 用作重物。绝缘膜48覆盖梁43,除了突起部分43a外。绝缘膜48可以由聚 酰亚胺膜形成。底电极49由绝缘膜48与梁43分隔。压电膜44可以由有机材料制成。 压电膜44优选可以由聚脲制成。压电膜44提供在底电极49上。顶电极45 提供在压电膜44上。如图26所示，梁43具有突起部分43a。突起部分43a没有被绝缘膜48 覆盖。突起部分43a用作重物。即梁43具有在自由的并且与第一侧相对的第二侧上的重物，其中梁43由基板42支撑。当在垂直方向上给运动传感器 41施加加速度时，梁43的第二侧在垂直方向上是可运动的。梁43的第二侧 的垂直运动弯曲了梁43和压电膜44。梁43的第二侧向下运动给压电膜44 施加拉应力。梁43的第二侧向上运动给压电膜44施加压应力。运动传感器 41设计成检测垂直加速度分量。压电膜44可以比梁43宽。底电极49比梁 43窄。压电膜44可以具有与绝缘膜48相同的宽度。在该实施例中，突起部分43a用作重物。可以作为修改的是，除了第一 侧外在梁43上提供附加的重物，从而当在垂直方向上给该重物施加加速度 时，梁43的第二侧在垂直方向上是可运动的。附加重物可以提供在梁43上 和/或下。还可以作为修改的是，梁43没有突起部分，并且交替的重物提供在梁 43除第一侧以外的部分上，从而当在垂直方向上给交替重物施加加速度时， 梁43的第二侧在垂直方向上是可运动的。交替的重物可以提供在梁43下和 /或上。[形成运动传感器的工艺]将描述形成运动传感器41的工艺。运动传感器41可以形成如下。底电 极49堆叠在作为绝缘膜的聚酰亚胺膜48上。压电膜44堆叠在底电极49和 部分聚酰亚胺膜48上。顶电极45堆叠在压电膜44上，由此形成元件50。 元件50包括绝缘膜48、底电极49、压电膜44和顶电极45。元件50连接到 具有梁43的基板42。例如，制备厚度为25微米的聚酰亚胺膜48。由铝制成厚度为0.1微米 的底电极49选择性地沉积在聚酰亚胺膜48上。厚度为3.5微米的聚脲压电 膜44选择性地形成在底电极49和聚酰亚胺膜48上。由铝制成厚度为1微 米的顶电极45选择性地沉积在压电膜44上。聚脲膜具有夹设的部分，其夹 设在顶、底电极45和49之间。聚脲膜的夹设部分用作压电膜。制备带有梁 43的基板42。结果，包括绝缘膜48、底电极49、压电膜44和顶电极45的 元件50连接到梁4和基板42。梁43具有柔性或者弹力。梁43用作弹簧板。 梁43可以由但不限于铍铜制成。聚脲压电膜的极化可以通过驻极体法进行。图27是示出极化系统结构的一个实例的示意图，该极化系统适于极化 图25和26运动传感器41的元件50的聚脲压电膜44。形成的元件50设置 在绝缘瓦52上。高压支流电源53用于在顶、底电极45和49之间施加80V/Vm的直流电压。高压直流电源53可以由从Agilent technologies Inc可以商业获 得的的高电阻器(4339A)实现。热电偶54设置成接触绝缘瓦52。热电偶 54连接到温度控制器55。极化温度由温度控制器55控制。考虑到聚脲和聚 酰亚胺的抗热温度分别为200。C和400°C，极化温度可以控制在180。C持续 10分钟。
对运动传感器41施加加速度，由此变形梁43和压电膜44。梁43和压 电膜44的变形对压电膜44施加拉应力或者压应力。在顶、底电极45和49 之间产生电压。进行下面的实验。
图28是示出测量系统的示意图，该测量系统用于对图25和26所示单 轴运动传感器41的运行检查。单轴运动传感器41固定在图28所示的测量 系统61上。测量系统61给单轴运动传感器41施加沖击加速度。单轴运动 传感器41夹设在一对夹具62之间。振动发生器63可以用于振动固定单轴 运动传感器41的该对夹具62。振荡器64通过放大器66连接到振动发生器 63。振荡器64产生正弦波。放大器66放大正弦波。放大的正弦波提供给振 动发生器63。振动发生器63可以由可从EMIC INc.可商业获得的512-D/A 实现。振荡器64可以由从NFInc.可商业获得的WF1966实现。激光多普勒 振动仪65可以用作测量固定运动传感器41的该对夹具62的振动速度。激 光多普勒振动仪65可以由从Polytech Inc.可商业获得的CLV1000实现。振 动加速度可以从测得的该对夹具62的振动速度计算出来。示波器67可以用 作监测振动加速度。调整振荡器64和放大器66的输出，从而所施加的振动 加速度变成lg (9.8m/s2)的常数。
图29是示出运动传感器41在Z轴方向上施加冲击加速度时输出电压在 时间上的变化的图。"A"代表施加给运动传感器41的冲击加速度。从运动 传感器41上获得响应施加给运动传感器41的沖击加速度的电压输出。观察 到阻尼振荡。这意味着运动传感器41探测到了 Z轴方向上的加速度。
图30是示出对图29所示输出电压的阻尼振荡进行快速傅立叶变换分析 结果的图。快速傅立叶变换分析对于图29所示输出电压的阻尼振荡0.03秒 至0.031秒的范围进行。机械共振频率为约320Hz。
图31是示出运动传感器41的频率特性的图。共振频率为313Hz，其接 近于由快速傅立叶变换分析获得的机械共振频率约320Hz。输出电压在非共振频率为约10mV/g。 第三实施例 [运动传感器的结构]图32是示出根据本发明第三实施例的运动传感器的截面正视图。图33 是示出图32运动传感器的平面图。运动传感器71可以设计成检测单轴加速 度。运动传感器71可以包括但不限于基板72、梁73、重物74、压电膜75 和顶电极76。梁73由基板72机械支撑。梁73具有彼此相对的第一和第二 侧。梁73的第一侧由基板72支撑。梁73的第二侧是自由的。梁73可以由 导电材料制成。重物74设置在相邻于第二侧的第二侧部。梁73的第二侧部 在垂直方向上是可运动的。压电膜75沿梁73的第二侧部延伸。顶电极76 设置在压电膜75上。基板72具有修改的板形。基板72具有边框部分和由边框部分围绕的中 心凹入部分77。基板72的边框部分具有四侧。梁73具有相邻于第一侧的第 一侧部。梁73的第一侧部连接到基板72的边框部分的一侧。镀覆籽层78 形成在梁73的底表面上。即镀覆籽层78在梁73下延伸。梁73的第二侧部 在基板72的中心凹入部分77上延伸。重物74固定到梁73的部分第二侧部 上。压电膜75至少在梁73的第二侧部上和重物74上延伸。压电膜75可以 由有机材料制成。压电膜75优选可以由聚脲制成。顶电极76形成在压电膜 75上。梁73的第一侧部在平面上看为修改的V形，如图33所示。即梁73的 第一侧部具有第一和第二分部73a和73b。梁73的第一分部73a没有由顶电 极76覆盖。梁73的第二分部73b由顶电极76覆盖。梁73的第一分部73a 和顶电极76分别通过引线19和导电膏20连接到外部检测电路。梁73由导 电材料制成。与镀覆籽层78结合在一起的梁73用作压电膜75的底电极。[形成运动传感器的工艺]将描述形成运动传感器71的工艺。运动传感器71可以形成如下。图34 至37是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的相续步骤的局 部截面正视图。图38是示出图37所示步骤的平面图。图39至41是示出在 形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图37和38步骤后的相续步骤 的局部截面正视图。图42是示出图41所示步骤的平面图。图43至45是示 出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图41和42步骤后的相续步骤的局部截面正视图。图46是示出图45所示步骤的平面图。图47和48 是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及图45和46步骤后的相 续步骤的局部截面正视图。图49是示出图48所示步骤的平面图。图50是 示出包括在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图48和49步骤后 的相续步骤的局部截面正视图。图51是示出图50所示步骤的平面图。图52 是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图50和51步骤后的 相续步骤的局部截面正视图。图53是示出图52所示步骤的平面图。图54 是示出在形成图32和33所示运动传感器工艺中涉及的图52和53步骤后的 相续步骤的局部截面正视图。图55是示出图54所示步骤的平面图。
如图34所示，制备基板72。基板72可以由玻璃陶瓷制成。选择性地去 除基板72，从而凹入部分77形成在基板72中。基板72具有凹入部分77 和围绕凹入部分77的边框部分。
如图35所示，第一镀覆籽层81形成在基板72的表面上。第一镀覆籽 层81覆盖基板72的边框部分和凹入部分77的顶表面。可以进行溅射工艺 来溅射Cu靶，以在基板72上沉积Cu镀覆籽层81 。 Cu镀覆籽层81的厚度 可以是但不限于3000埃。
可以作为修改的是，在第一镀覆籽层81形成在粘接层上前，粘接层形 成在基板72的表面上。粘接层可以由但不限于Cr制成。粘接层的厚度可以 是但不限于500埃。
如图36所示，牺牲层82形成在第一镀覆籽层81上。牺牲层82可以由 Cu制成。牺牲层82可以通过电解镀工艺形成。牺牲层82的厚度可以是但 不限于300微米。
如图37和38所示，可以进行研磨和抛光工艺的至少一种，以从基板72 上选择性地去除牺牲层82和第一镀覆籽层81，从而在基板72的凹入部分 77内留下牺牲层82和第一镀覆籽层81。结果，暴露了基板72的顶表面。
如图39所示，第二镀覆籽层83形成在基板72的暴露表面、牺牲层82 和第一镀覆籽层81上。在某些情况下，第二镀覆籽层83可以由Ni制成。 第二镀覆籽层83可以通过但不限于Ni溅射工艺形成。第二镀覆籽层83的 厚度可以是但不限于5微米。第二镀覆籽层83材料的典型实例可以包括但 不限于Ni和例如NiFe的Ni合金。
如图40所示，光致抗蚀剂膜涂敷在第二镀覆籽层83上。进行光刻工艺，以在第二镀覆籽层83上形成第一光致抗蚀剂图案84。第一光致抗蚀剂图案 84具有达到第二镀覆籽层83的开口 。如图41和42所示，梁73选"l奪性地形成在第一光致抗蚀剂图案84的开 口内和第二镀覆籽层83上，而第一光致抗蚀剂图案84用作掩模。梁73可 以采用第一光致抗蚀剂图案84为掩模镀覆在第二镀覆籽层83上。梁73可 以通过电解镀工艺形成。梁73的厚度可以是但不限于50微米。梁73材料 的典型实例可以包括但不限于Ni和例如NiFe的Ni合金。梁73具有第一和 第二部分。梁73的第一部分在基板72的边框部分上延伸。梁73的第二部 分在基板72的凹入部分77中的牺牲层82上延伸。梁73的第一侧部在平面 上看具有修改的V形，如图42所示。即梁73的第一侧部具有第一和第二分 部73a和73b。如图43所示，采用有机溶剂从梁73上去除第一光致抗蚀剂图案84。 如图44所示，抗蚀剂膜涂敷在梁73和第二镀覆籽层83上。进行光刻 工艺，以在梁73和第二镀覆籽层83上形成第二光致抗蚀剂图案85。第二光 致抗蚀剂图案85具有开口，其位于梁73的第二部分的选择区域上。该选择 区域相邻于梁73的第二侧。如图45和46所示，第二光致抗蚀剂图案85用作掩模，以在第二光致 抗蚀剂图案85的开口内和梁73的第二部分的选择区域上形成重物74。重物 74可以通过电解镀方法形成。重物74的厚度可以是但不限于50微米。重物 74材料的典型实例可以包括但不限于Ni和例如NiFe的Ni合金。如图47所示，采用有机溶剂从基板72上去除第二光致抗蚀剂图案85。 可以作为〗务改的是，省略参照图44至47所描述的形成重物74的相续 步骤。如图48和49所示，梁73和重物74用作组合的掩模，以选择性去除第 二镀覆籽层83,由此形成在梁73下延伸的镀覆籽层78。如图50和51所示，进行湿蚀刻工艺，用于从基板72的凹入部分77上 去除牺牲层82和第一镀覆籽层81,从而带有镀覆籽层78和重物74的梁73 在凹入部分77上延伸。即梁73具有第一和第二部分。梁73的第一部分由 基板72的边框部分支撑。重物74和梁73的第二部分在垂直方向上可运动。 基板72的边框部分的至少一侧需要支撑梁73。因此，可以作为修改的是， 部分地切掉基板72，以便留下基板72的边框部分的至少一侧，使得留下的部分基板72支撑梁73。可以采用划片器(dicer)切除基板72。
如图52和53所示，掩模86形成为选择性地覆盖梁73的第一分部73a。 利用掩模86选择性地形成压电膜75，从而压电膜75至少覆盖梁73和重物 74。压电膜可以由聚脲制成。由聚脲制成的压电膜75可以通过气相沉积聚 合法形成。由聚脲制成的压电膜75的厚度可以是但不限于1微米。当采用 气相沉积聚合法时，压电膜75不仅形成在梁73和重物74上，而且形成在 基板72的暴露的顶表面上。
如图54和55所示，电极层76形成在压电膜75上。电极层76可以由 导电材料例如Al制成。电极层76材料的典型实例可以包括但不限于Al、 Cu、 Au、 Pt、 Ag和AlSi。电极层76的厚度可以是但不限于IOOO埃。
如图32和33所示，去除掩模86,从而暴露梁73的第一分部73a。除 第一分部73之外的留下的梁73的部分由电极层76覆盖。
可以施加电场和高温来极化压电膜75 。例如，可以通过导电膏20将引 线19连接到梁73的第一分部73a和电极层76。 80V的电压通过引线19施 加给梁73的第一分部73a和电极层76,同时加热压电膜75至180°C ，由此 引起压电膜75的极化。
压电膜75自对准梁73。电极层76也自对准梁73。这几乎没有导致压 电膜75和电极层76相对于梁73的对准不良的可能性。
在牺牲层82和第一镀覆籽层81从基板72的凹入部分上去除后，没有 进行湿工艺而是进行干工艺，从而带有镀覆籽层78和重物74的梁73在凹 入部分77上延伸。没有湿工艺可以避免梁73的任何变形。湿工艺可以引起 流体的流动而使梁73变形。湿工艺也可以引起会导致粘连的毛细现象。
电极膜76的宽度大于压电膜75。压电膜75的宽度大于梁73。
当质量为M的物体以速度V和角速度Q旋转运动时，Coriolis力Fc在 垂直于速度V方向的方向上作用在其上。对在平面中摆动的傅科勒特摆施加 外部旋转对该摆在垂直于摆动的方向上施加Coriolis力Fc,由此改变摆动平 面的方向。Coriolis力Fc由Fc=2MVQ给出。
图56是示出利用Coriolis力的转速传感器的示意性透视图。转速传感器 91可以包括但不限于参照图1和2描述的运动传感器1。运动传感器1具有 电极6A、 6B、 6C和6D。转速传感器91还可以包括交流电源92和输出检测单元93。输出检测单元93也可以包括但不限于孩i分电路94和转速4全测单 元95。电极6A和6C在X轴方向上相隔并且对准。电极6B和6D在Y轴 方向上相隔并且对准。交流电源92连接到电极6A和6C,以便在电极6A 和6C之间施加激励电压。输出检测单元93连接到电极6B和6D。微分电 路94的两个输入连接到电极6B和6D。转速4企测单元95连接到4啟分电路 94的输出上。因此，转速检测单元95通过微分电路94连接到电极6B和6D。图57A是示出当给电极6A和6C施加交流电压时具有重物的梁在X轴 方向上振荡的截面正视图。图57B是表，显示了图57A所示电极与输入给 电极6A和6C的交流电压的关系。压电膜5包括中心部分和第一至第四部分。压电膜5的中心部分位于顶 重物4A之下。压电膜5的第一部分位于电极6A下。压电膜5的第二部分 位于电极6B下。压电膜5的第三部分位于电极6C下。压电膜5的第四部 分位于电才及6D下。输入S施加到电极6A和6C。当给电极6A施加正电压而给电极6C施 加负电压时，梁3的第一部分被弯曲，从而第一部分的中心向下运动，其中 梁3的第一部分位于电极6A下。梁3的第三部分被弯曲，从而第三部分的 中心向上运动，其中梁3的第三部分位于电极6C下。梁3的第二和第四部 分没有被弯曲。顶重物4A朝着X轴的正方向倾斜。底重物4B朝着X轴的 负方向倾斜。该梁3的变形和重物4A和4B的倾斜如图57A中的实线所示。输入T施加到电极6A和6C。当给电极6A施加负电压而给电极6C施 加正电压时，梁3的第一部分被弯曲，从而第一部分的中心向上运动。梁3 的第三部分被弯曲，从而第三部分的中心向下运动。梁3的第二和第四部分 没有被弯曲。顶重物4A朝着X轴的负方向倾斜。底重物4B朝着X轴的正 方向倾^K该梁3的变形和重物4A和4B的倾4+如图57A中的虚线所示。对电极6A和6C施加交流电压引起重物4A和4B在箭头标记"A"所 示X轴的方向上摆动或者振荡和梁3的交替变形。围绕Z轴的旋转力或者 角度力施加给转速传感器91,由此引起转速传感器91围绕Z轴以旋转速度 "旋转。当围绕Z轴的旋转力或者角度力施加给转速传感器91而交流电压 施加给电极6A和6C时，Coriolis力施加给转速传感器91，由此引起重物 4A和4B在箭头标记"B，，所示Y轴的方向上的另 一个振荡。所施加的Coriolis 力由Fc=2MVQ给出。重物4A和4B在箭头标记"B"所示Y轴方向上振荡引起梁3的第二和第四部分和压电膜5的交替变形。压电膜5的交替变形产 生呈现在电极6B和6D上的交替电压。所产生的交替电压可以由输出检测 单元93检测。施加给转速传感器91的Coriolis力可以通过检测由输出检测 单元93输出的该产生的交替电压来检测。旋转速度或角速度可以通过测量 施加给转速传感器91的Coriolis力来^r测。
可以作为修改的是，交流电源92连接到电极6B和6D ，并且输出检测 单元93连接到电极6A和6C。在此情况下，施加给转速传感器91的Coriolis 力可以通过检测由输出检测单元93输出的该所产生的交替电压来一全测。旋 转速度或角速度可以通过测量施加给转速传感器91的Coriolis力来一企测。
图58是示出采用运动传感器的两方向倾斜传感器的示意性透视图。两 方向倾斜传感器101可以包括但不限于由参照图1和2描述的运动传感器1 修改的运动传感器102。运动传感器102具有排列在X轴方向上的电极103A、 103B、 103C和103D。电极103A、 103B、 103C和103D和重物4排列在X 轴方向上。例如，电极103A、 103B提供在重物4的第一侧，而电极103C、 103D提供在重物4的第二侧，其中第一和第二侧彼此相对。电极103B设置 在电极103A和重物4之间。重物4设置在电极103B和103C之间。电极 103C^殳置在重物4和电极103D之间。
两方向倾斜传感器101还可以包括交流电源92和输出^r测单元104。输 出检测单元104也可以包括但不限于微分电路105和倾斜检测单元106。交 流电源92连接到电极103A和103D,以便在电极103A和103D之间施加激 励电压。输出检测单元104连接到电极103B和103C。微分电路105的两个 输入连接到电极103B和103C。倾斜检测单元106连接到樣i分电路105的输 出。因此，倾斜检测单元106通过微分电路105连接到电极103B和103C。
给电极103A和103D施加交流电压可以引起顶、底重物4A和4B在X 轴方向上的振荡或者摆动。振荡或者摆动取决于由顶、底重物4A和4B组 成的重物4的旋转惯性和连接到重物4的梁3的弹性。
图59是示出当给电极103A和103D施加交流电压时重物在X轴方向上 的振荡或者摆动的截面正视图。图60是示出图58两方向倾斜传感器101的 共振频率特性的图。
当指定基板2朝着X轴的正方向倾斜时，则在振荡中心上的轴H从Z轴朝着X轴的正方向倾斜e,如图59所示，由此给梁3、压电膜5和电极 103A和103D施加偏置应力。偏置应力的施加改变了梁3、压电膜5和电极 103A和103D的弹性，由此将共振频率从E改变到F，如图60所示。共振
频率的变化取决于轴H从Z轴到x轴的正方向的倾斜角e。共振频率的变化 可以通过检测来自电极103B和103C的微分输出来检测。即轴H从Z轴到
检测。即两方向倾斜传感器101构造成检测在X轴方向上的倾斜。
图61是示出采用运动传感器的另一个两方向倾斜传感器的示意性透视 图。两方向倾斜传感器107可以包括但不限于由参照图1和2描述的运动传 感器l修改的运动传感器102。运动传感器102具有排列在Y轴方向上的电 极103A、 103B、 103C和103D。电才及103A、 103B、 103C和103D和重物4 排列在Y轴方向上。例如，电极103A、 103B提供在重物4的第一侧，而电 极103C、 103D提供在重物4的第二侧，其中第一和第二侧彼此相对。电极 103B设置在电极103A和重物4之间。重物4设置在电极103B和103C之 间。电极103C设置在重物4和电极103D之间。
两方向倾斜传感器107还可以包括交流电源92和输出检测单元104。输 出检测单元104也可以包括但不限于微分电路105和倾斜4企测单元106。交 流电源92连接到电极103A和103D，以便在电极103A和103D之间施加激 励电压。输出检测单元104连接到电极103B和103C。微分电路105的两个 输入连接到电极103B和103C。倾斜;险测单元106连接到樣吏分电路105的输 出。因此，倾斜检测单元106通过微分电路105连接到电极103B和103C。
给电极103A和103D施加交流电压可以引起顶、底重物4A和4B在Y 轴方向上的振荡或者摆动。振荡或者摆动取决于由顶、底重物4A和4B组 成的重物4的旋转惯性和连接到重物4的梁3的弹性。
当指定基板2朝着Y轴的正方向倾斜时，则在振荡中心上的轴H从Z 轴朝着Y轴的正方向倾斜，由此给梁3、压电膜5和电极103A和103D施 加偏置应力。偏置应力的施加改变了梁3、压电膜5和电极103A和103D的 弹性，由此改变了共振频率。共振频率的变化取决于轴H从Z轴到Y轴的 正方向的倾斜角。共振频率的变化可以通过检测来自电极103B和103C的 微分输出来检测。即轴H从Z轴到Y轴的正方向的倾斜角可以通过检测来 自电极103B和103C的微分输出来检测。即两方向倾斜传感器101构造成检测在Y轴方向上的倾斜。 [压力传感器]图62是示出包括运动传感器的压力传感器的示意性透视图。压力传感 器111具有与参照图56描述的转速传感器91相同的构造，除了输出检测单 元外。压力传感器111可以包括但不限于参照图1和2描述的运动传感器1。 运动传感器1具有电极6A、 6B、 6C和6D。压力传感器111还可以包括交 流电源92和输出检测单元112。输出4全测单元112也可以包括但不限于孩支分 电路94和压力检测单元113。电极6A和6C在X轴方向上相隔并且对准。 电极6B和6D在Y轴方向上相隔并且对准。交流电源92连接到电极6A和 6C，以便在电极6A和6C之间施加激励电压。输出检测单元112连接到电 极6B和6D。微分电路94的两个输入连接到电极6B和6D。压力检测单元 113连接到微分电路94的输出。因此，压力检测单元113通过微分电^各94 连接到电极6B和6D。图63是示出图62压力传感器111的共振频率特性的图。 当交流电源92在电极6A和6C之间施加交流电压时，具有重物4的梁 3振荡，这里压力传感器111具有在图63中的实线表示的共振特性E。尽管 具有重物4的梁3振荡，但是触摸重物4可以将共振电流E减少到共振电流 J,并且也可以将共振频率E改变到共振频率F。共振频率和共振电流的改 变取决于施加到重物的压力，即所施加的压力的的方向和大小。共振频率和 共振电流的改变可以通过检测来自电极103B和103D的微分输出来检测。 即施加给重物的压力的方向和大小可以通过检测来自电极103B和103D的 微分输出来检测。图64是示出包括运动传感器阵列的另 一个压力传感器的示意性透视图。 压力传感器115包括运动传感器116的阵列。每个运动传感器具有与上述传 感器l基本相同的构造。压力传感器115可以包括但不限于基板2、在基板 2上的压电膜5和在压电膜5上的单元的阵列。每个单元可以包括重物4和 电极6A、 6B、 6C和6D。每个单元也连接到上述的交流电源和输出4全测单 元，但是在图64中省略了图示。压力传感器115不但可以检测施加给重物4 的压力的方向和大小，而且也可以检测在压力传感器115上的压力分布。[触觉控制器]根据图62和64所示的压力传感器111和115,触摸共振重物4可以提供与触及不共振的重物时不同的触感。触摸共振重物4的触觉或者感觉可以 取决于共振频率和输入电压的强度。触摸共振重物4的触觉或者感觉可以通 过改变共振频率和输入交流电压的强度而改变。
图65是示出触觉控制器的示意性透视图。触觉控制器121具有与压力 传感器lll相同的构造，除了作为附加元件的控制单元112外。触觉控制器 121可以包括但不限于参照图1和2描述的运动传感器1。运动传感器1具 有电极6A、 6B、 6C和6D。触觉控制器121还可以包括交流电源92、输出 检测单元112和控制单元122。输出检测单元112也可以包括但不限于微分 电路94和压力检测单元113。电极6A和6C在X轴方向上相隔并且对准。 电极6B和6D在Y轴方向上相隔并且准。交流电源92连接到电极6A和 6C，以便在电极6A和6C之间施加激励电压。输出4全测单元112连4妄到电 极6B和6D。微分电路94的两个输入连接到电极6B和6D。压力检测单元 113连接到微分电路94的输出上。因此，压力检测单元113通过微分电路 94连4妻到电极6B和6D。
控制单元122连接到交流电源92和压力检测单元113之间。控制单元 122接收来自压力检测单元113的压力检测信号。控制单元122根据检测到 的压力信号产生控制信号。控制单元122给交流电源92提供控制信号，以 便控制到电极6A和6C的交流电压输入。控制单元122构造成根据来自压 力检测单元113的检测的压力信号来控制共振频率和输入交流电压的强度。 控制共振频率和输入交流电压的强度可以控制触摸共振重物4的触感或者感 觉。
可以作为修改的是，触觉控制器121包括图64所示的运动传感器116 的阵列。每个运动传感器具有与上述的运动传感器l基本相同的构造。触觉 控制器121可以包括但不限于基板2、在基板2上的压电膜5和在压电膜5 上的单元的阵列。每个单元可以包括重物4和电极6A、 6B、 6C和6D。每 个单元也连接到上述的交流电源和输出检测单元，如图65所示。可以实现 二维触觉控制器。二维触觉控制器可以应用于盲文显示。
还可以作为修改的是，结合在沿着X轴和Y轴的方向上的两个共振元 件，以便椭圓地共振重物4。触摸该椭圓共振的重物4提供对于触摸的不同 的触觉或者感觉。
修改运动传感器、加速计、倾斜传感器、压力传感器和触觉控制器应当不限 于作为实施例的上面的描述。基板可以由绝缘体、导体或者半导体制成。用于基板的绝缘体的典型实例可以包括但不限于硼硅酸盐玻璃、晶体玻璃、石英、氧化铝、氮化硅(SiN)、玻璃陶瓷、氧化锆、晶体和蓝宝石。用于基板的导体的典型实例可以包括但和碳化硅(SiC )。如上所述，压电膜可以由有机材料制成。用于压电膜的有机材料的实例 可以包括但不限于聚脲、压电聚合物，例如聚偏二氟乙烯膜(PVDF)，以及压 电陶瓷，例如A1N和ZnO。有才几压电膜可以包括下述至少之一聚偏二氟 乙烯膜(PVDF) 、 P(VDF/TrFE)=VDF(偏二氟乙烯vinylidene fluoride)和 TrFE(三氟乙烯trifluoro ethylene)的共聚物、P(VDF/TeFE一VDF(偏二氟乙烯 vinyiidene fluoride) and TeFE(四氟乙彿tetrafluoroethylene)的共聚物、和 P(VDCN/VAc)二VDCN(亚乙烯基二氰vinylidene cyanide) and VAc(醋酸乙烯 酯vinyl acetate)的交替共聚物。如上所述的运动传感器适合于减小其尺寸，减少其制造成本，以及改善 其抗震性。如上所述的运动传感器对于检测物体的形态或者运动有用，所述 物体例如车辆、音乐仪器、蜂窝电话、游戏机和遥控器。正如在此所-使用的，以下的方向术语"向前、向后、上、向下、垂直、 水平、下和横向"以及任何其他类似的方向术语是指本发明配备的设备的方备的设备。术语"构造"用作描述装置的组件、部分或者部件，包括硬件和/或软件， 其构造成和/或编程为执行希望的功能。此外，在权利要求中表达为"装置加功能"的条款应当包括能够用来执 行本发明该部分功能的任何结构。在此所采用的程度术语，例如"基本上"、"大约"和"大致"意味着所 修改的术语的偏差的合理，从而最终结果没有显著改变。例如，如果该偏差 不会否定其所修改词的意思，则这些术语可以解释成包括所修改的术语至少 ±5%的偏差。尽管上面已经描述和示出了本发明的优选实施例，但是应当理解的是，这些仅是本发明的示例，而不能认为是限定。在不脱离本发明的精神和范围 的情况下，可以进行增加、省略、替代以及其它修改。因此，本发明不能解 释成限于前面的描述，而仅由所附权利要求的范围限定。本发明要求2007年1月24日提交的日本专利申请第2007-14334号的 优先权，其内容通过引用的方式引入于此。
权利要求
1、一种运动传感器，包括基板；梁，由该基板支撑，该梁是可弹性变形的；重物，连接到该梁；压电膜，遵循该梁的至少一部分并且沿着其延伸，压电膜包括有机压电膜；以及第一电极，在该压电膜上。
2、 根据权利要求1所述的运动传感器，还包括 绝缘膜，在该梁上；以及第二电极，在该绝缘膜上，该第二电极由该绝缘膜与该梁电隔离，该第 二电极在该压电膜下，其中该压电膜设置在该第 一和第二电极之间。
3、 根据权利要求1所述的运动传感器，其中该梁由导电材料制成，并 且该梁用作第二电极，从而该压电膜设置在该第一和第二电极之间。
4、 根据权利要求1所述的运动传感器，其中该有机压电膜包括聚脲。
5、 根据权利要求1所述的运动传感器，其中该梁由该基板在梁的一侧 支撑。
6、 根据权利要求1所述的运动传感器，其中该梁由该基板在梁的两侧 支撑。
7、 根据权利要求6所述的运动传感器，其中该重物连接到该梁的中心 区域，并且该第 一 电极包括围绕该重物设置的多个电极图案。
8、 一种加速计，包4舌 运动传感器，包括基板；梁，由该基板在梁的两侧支撑，该梁是可弹性变形的； 重物，连接到该梁的中心区域；压电膜，遵循该梁的至少一部分并且沿着其延伸，该压电膜包括有 机压电膜；以及第一电极，在该压电膜上，该第一电极包括围绕该重物设置的多个电极图案；以及输出检测单元，其连接到至少两个该电极图案，该输出检测单元检测来 自该至少两个电极图案的输出，并且该输出检测单元包括加速检测单元，当 给该重物施加加速度时，其根据呈现在该至少两个电极图案上的该输出来检 测加速度。
9、 一种倾斜传感器，包括 运动传感器，包括基板；梁，由该基板在梁的两侧支撑，该梁是可弹性变形的； 重物，连接到该梁的中心区域；压电膜，遵循该梁的至少一部分并且沿着其延伸，该压电膜包括有 机压电膜；以及第一电极，在该压电膜上，该第一电极包括围绕该重物设置的多个 电极图案；激发电压施加单元，其连接到至少两个该电极图案，该激发电压施加单 元给该至少两个电极图案施加激发电压；以及输出检测单元，其连接到其它电极图案，该输出检测单元检测来自该其 它电极图案的输出，并且该输出检测单元包括倾斜检测单元，其根据共振频 率的变化来检测该倾斜传感器的倾斜角，该共振频率的变化由该重物倾斜引 起。
10、 一种压力传感器，包括 运动传感器，包括基板；梁，由该基板在梁的两侧支撑，该梁是可弹性变形的； 重物，连接到该梁的中心区域；压电膜，遵循该梁的至少一部分并且沿着其延伸，该压电膜包括有 机压电膜；以及第一电极，在该压电膜上，该第一电极包括围绕该重物设置的多个 电极图案；激发电压施加单元，其连接到至少两个该电极图案，该激发电压施加单 元给该至少两个电极图案施加激发电压；以及输出检测单元，其连接到其它电极图案，该输出检测单元检测来自该其 它电极图案的输出，并且该输出检测单元包括压力检测单元，其根据共振频 率的变化来一全测施加到该倾斜传感器的外部压力，通过给该重物施加外部压 力引起该共振频率的变化。
11、 一种触觉控制器，包括 运动传感器，包括 基板；梁，由该基板在梁的两侧支撑，该梁是可弹性变形的； 重物，连接到该梁的中心区域；压电膜，遵循该梁的至少一部分并且沿着其延伸，该压电膜包括有 才几压电膜；以及第一电极，在该压电膜上，该第一电极包括围绕该重物设置的多个 电极图案；激发电压施加单元，其连接到至少两个该电极图案，该激发电压施加单 元给该至少两个电极图案施加激发电压；输出检测单元，其连接到其它电极图案，该输出检测单元检测来自该其 它电极图案的输出；以及触觉控制单元，连接在该激发电压施加单元和该输出检测单元之间，该 触觉控制单元根据接触该重物引起的该共振频率的变化来控制激发电压。
全文摘要
本发明公开了一种运动传感器、采用该运动传感器的加速计、采用该运动传感器的倾斜传感器、采用该运动传感器的压力传感器和采用该运动传感器的触觉控制器。该运动传感器可以包括但不限于基板、梁、重物、压电膜和第一电极。梁由基板支撑。梁是可弹性变形的。重物连接到梁。压电膜遵循梁至少一部分并且沿其延伸。压电膜可以包括但不限于有机压电膜。第一电极设置在压电膜上。
文档编号G01P15/08GK101236214SQ20081000468
公开日2008年8月6日 申请日期2008年1月22日 优先权日2007年1月24日
发明者中村健太郎, 服部敦夫 申请人:雅马哈株式会社;国立大学法人东京工业大学