振动型压电加速度传感器的制作方法

专利名称：振动型压电加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于加速度、车辆等移动体的姿势控制以及控制系统的振动型压电式加速度传感器(以下称作VAS)。
背景技术：
图7是表示现有加速度传感器的结构的剖面图。如图7所示，芯片1中，于其底面形成有振动膜2，并且于形成振动膜2的部分的表面上设有多个应变电阻3。而且，在芯片1的表面的其他部分，设置用于计算加速度的半导体集成电路、及用于调整该半导体集成电路特性的薄膜电阻4，在除应变电阻3的上方以外至少包含薄膜电阻4的上方的部分处，形成有保护膜5。在芯片1的底面接合有玻璃制的砝码6。
如此所结构的现有加速度传感器，若加以加速度则应力作用于砝码6，该应力引起应变电阻3变化，从而根据该变化检测出加速度。当进行两轴检测时，使用2个相同的传感器进行正交配置而检测。另外，于日本专利特开平5-288771号公报(文献1)中揭示有此种现有加速度传感器的例子。
而且，于日本专利特开平5-80075号公报(文献2)中揭示有其他现有加速度传感器的例子。图8是表示该加速度传感器的结构的模块图。如图8所示，加速度传感器包括输出对应于加速度G的信号的压电体元件11，转换自压电体元件11所输出的信号的阻抗转换装置12，滤除自阻抗转换装置12所输出的信号中的不需要的信号的过滤装置13，放大自过滤装置13所输出的必需的信号的放大装置14，与自外部所输入的时序信号同步输出的同步交流信号的交流信号输出装置16，以及于交流信号输出装置16与压电体元件11之间串联的电容器17等。
如此结构的现有加速度传感器所输出的电压信号，被输入到微型计算机等中的检测/计算装置18及控制装置15。当进行两轴检测时，使用2个相同的传感器进行正交配置而进行检测。
然而，文献1的加速度传感器中，半导体电阻应变式加速度传感器可以判断电阻值的数个百分点的变化，但存在因为电阻值变动较大，受信号处理电路的温度变化的影响而无法检测出正确的加速度的问题。
而且，使用文献2的压电体元件检测位移速度的结构中，因该检测构造难以检测静态的重力加速度等的成分，而且，因为两轴检测中使用2个检测部，故而导致成本上升或性能不稳定的问题。

发明内容
本发明提供振动型压电加速度传感器，其包含的元件有框架；成线地相对地设置于所述框架的一组振动膜；在所述振动膜上依次积层形成的下部电极、压电薄膜、上部电极；分别保持所述各振动膜的接近的一端侧的支承体；以及保持所述支承体于线方向自由滑动的保持部，并且通过所述元件的保持部传送至支承体的加速度使得所述振动膜伸缩，并根据所述振动膜的固有振动频率的变化而检测加速度，并且，成线地相对地设另一组振动膜，其与所述的成线地相对地设置于所述框架的一组振动膜正交，由此检测两轴加速度。如此，可提供可靠性高的振动型压电加速度传感器，其能够不受噪音等环境变化的影响而进行静态的及动态的加速度检测稳定化的两轴加速度检测，而且，即使在严格的温度变化环境下，也可高精度地进行控制。


图1是表示本发明实施方式1的振动型压电加速度传感器(VAS)的元件结构的平面图。
图2是表示本发明实施方式1的VAS的振动膜结构的立体图。
图3A是表示本发明实施方式1的VAS结构的图。
图3B是表示本发明实施方式1的VAS结构的图。
图3C是表示本发明实施方式1的VAS结构的图。
图3D是表示本发明实施方式1的VAS结构的图。
图4是表示本发明实施方式1的VAS的两轴检测结构的电路图。
图5A是表示本发明实施方式1的VAS的制造方法的制造步骤图。
图5B是表示本发明实施方式1的VAS的制造方法的制造步骤图。
图5C是表示本发明实施方式1的VAS的制造方法的制造步骤图。
图5D是表示本发明实施方式1的VAS的制造方法的制造步骤图。
图5E是表示本发明实施方式1的VAS的制造方法的制造步骤图。
图5F是表示本发明实施方式1的VAS的制造方法的制造步骤图。
图6是表示使用本发明实施方式2的VAS的气囊控制系统结构的图。
图7是表示常规加速度传感器的结构的剖面图。
图8是表示其他常规加速度传感器的结构的方块图。
附图标记说明20 Si层21基板22 SiO2层(蚀刻阻止层)23振动膜23a，23b，23c，23d振动膜23e，23f，23g，23h，23i 臂24下部电极25压电薄膜26上部电极26a 检测电极26b 驱动电极27抗蚀剂28侧沟29孔30侧孔31框架32，32a，32b，32c，32d保持部33支承体34基部35VAS的元件36a 检测信号线36b 驱动信号线38放大电路39F/V转换器40AGC电路
41VAS装置41a，41b，41c，41dVAS42，43差动电路44车辆体45，46气囊装置47气囊打开装置48驾驶员49行驶方向体实施方式以下，使用附图详细说明本发明的实施方式。另外，附图是示意图且未正确地表示各位置关系的尺寸。
(实施方式1)如图1和图2所示，框架31内设置有固有振动频率的振动膜23a至23d。支承体33使振动膜23a至23d的固有振动频率改变。保持部32a至32d形成为蜿蜒状并支承支承体33在线方向自由滑动。通过所述结构，振动膜23a-23d伸缩自由，并且不受温度变化的影响，可以高响应、且高精度地检测加速度。
而且，振动膜23a形成为横梁状并且其两端分别有基部34，一端基部34由框架31支承，另一端基部34由支承体33支撑。并且，支承体33通过形成为蜿蜒状的保持部32a而被支撑在框架31上，从而可以在线上作往复运动。另外，此处使用设置于框架31内的一个振动膜23a进行说明，关于其他振动膜23b-23d也相同，故而省略说明。
而且，臂23i设置为自基部34伸出。通过设置臂23i，共振频率锐度至少增加2～3倍，通过该共振频率锐度的增加可提高检测精度。而且，利用加速度可得到较高的共振频率的变化率，从而可不受温度变化的影响而高精度地检测加速度。
以下，使用图2以振动膜23a为例详细说明其结构。
如图2所示，振动膜23a包括形成于SiO2层22之上的Si层20，形成于Si层20之上的下部电极24，形成于下部电极24之上的压电薄膜25，以及形成于压电薄膜25之上的上部电极。上部电极包括驱动电极26b以及检测电极26a。并且，沿着构成振动膜23a的横梁状的中央部，至框架31以及至支承体33为止而形成驱动电极26b以及检测电极26a。通过该结构，保持部32a的中央部为振动最小的部分，不因位移产生电动势，不会对振动膜23a的共振频率叠加调制信号，故而可检测出只是振动膜23a的共振频率信号。
此外，在驱动电极26b以及检测电极26a的延伸至框架31的规定部分上设置输出电极(未图示)并输出至控制电路(未图示)。如此，通过于不振动的框架31设置输出电极，而不会对振动膜23a的振动带来影响，故而可不受温度变化的影响而高精度地检测加速度。
此外，驱动电极26b以及检测电极26a的结构如下，关于与振动膜23a的长度方向正交并等分振动膜23a的中心轴而对称。如此，通过等分振动膜23a的有效面积，振动膜23a的驱动以及由振动膜23a的检测，可实现检测灵敏度最大。
其次，说明如此结构的本实施方式的振动型压电加速度传感器(VAS)的操作。图3A-3D表示本实施方式的VAS的结构，且分别表示振动膜23a至23d。等效电路35表示使用上述图2所示的振动膜23a的元件。
此外，VAS有检测信号线36a，驱动信号线36b，实现微弱的信号的放大以及驱动元件35的振动膜23a的放大电路38，使输入信号的频率转换为电压的F/V转换器39控制放大电路38的输出信号的电压电平的AGC电路40等。而且，元件35以使元件35的框架31保持于本体(未图示)的方式而安装。
首先，若电源输入VAS41a，则某种噪音等的信号输入放大电路38就会被放大。继而，该放大的信号通过驱动信号线36b输入至元件35的驱动电极26b并使振动膜23a振动。其结果为，自形成振动膜23a的压电薄膜25激励电荷至检测电极26a，并且自检测电极26a通过检测信号线36a输入至放大电路38。继而，重复该闭循环的操作，并成为稳定在固有振动的共振频率的稳定状态。其结果为，该固有振动的共振频率信号输入至F/V转换器39并转换为规定的电压。此处，AGC电路40进行控制以实现当自放大器38所输出的电压电平变大、信号产生变形时，AGC电路40进行动作并无误差地进行正确的F/V转换。
此处，若自外部施以加速度增大，则通过框架31向由保持部32a保持的支承体33施加惯性力，所述惯性力使支承体33线往复运动。通过该往复运动而处于稳定状态下振动的振动膜23a会发生伸缩，并且振动膜23a的固有振动的共振频率会改变，该固有振动的共振频率的变化对应于加速度而被检测出来。通过该结构，可利用加速度得到较高的共振频率的变化率，从而可不受温度变化的影响而高精度地检测加速度。
另外，所述说明中仅说明了振动膜23a，关于其他振动膜23b-23d分别对应于图3B-3D，对其操作的说明相同故而省略。
而且，图4表示VAS本体41的结构。其为两轴检测的结构，把VAS41a-41d的输出信号通过差动电路42、43而得到差动输出值，且作为X轴方向以及Y轴方向的加速度的检测信号。差动电路42、43差动地消除各元件以及电路性能的变化，故而可进一步实现稳定化。
其次，说明本实施方式的VAS的制造方法。图5A-5F是表示本实施方式的VAS的制造方法的制造步骤图，且以振动膜23a的中央部的剖面图来表示。
首先，如图5A所示，于由Si制基板21上形成由SiO2制得的用以阻止蚀刻的蚀刻阻止层22，并于蚀刻阻止层22上形成Si层20。另外，基板21的厚度为500μm，蚀刻阻止层22的厚度为2μm，Si层20的厚度为10μm。
其次，如图5B所示，下部电极24的结构是在Si层20上使用高频溅射形成厚度为50的Ti层，进一步形成厚度为2000的铂层。继而于该铂层上形成厚度为25μm的PZT(Lead Zirconate Titanate，锆钛酸铅)制得的压电薄膜25，此外为得到规定的图案而使用金属掩模，并利用蒸镀法在压电薄膜25之上形成厚度为100的Ti层，同样地于该Ti层上利用蒸镀形成厚度为3000的金层。如此，形成有规定图案的上部电极26。继而，于金层之上形成抗蚀剂27作为用于蚀刻的掩模。另外，使用PZT的理由是为了利用加速度得到共振频率变化的较高的转换。
其次，如图5C所示通过蚀刻形成侧沟28。另外，除了所述振动膜23以外，支承体33及保持部32也由Si构成，从而通过所施以的加速度的变化，可提高对应于振动膜23所产生的应力的共振频率变化的稳定性。
其次，如图5D所示，于基板21的底面形成规定图案的抗蚀剂27，并通过蚀刻基板21的底面而形成孔29。
其次，如图5E所示，自抗蚀剂27所在面再次蚀刻并形成侧孔30后，进一步去除底面的抗蚀剂27。如此，如图5F所示，可制作形成为较薄且横梁状的振动膜23。
而且，关于检测灵敏度，通过对支承体33的上面或下面，进一步付加质量，从而增加支承体33部分的质量，振动膜23a受到的应力增大，存对应于加速度的振动频率的变化程度就变大，从而可提高检测灵敏度。
(实施方式2)图6表示车辆的气囊控制系统作为使用本发明的VAS41的应用例。VAS41配置于X轴、Y轴方向。使用车辆体44、前气囊45、侧气囊46、气囊打开装置47、驾驶员48来说明控制系统。另外，箭头49表示行驶方向。
如此安装的本发明的VAS41控制加速度并进行车辆体44的控制，当加速度的值超过一定级别时，加速度的输出信号发送至气囊打开装置47并输出气囊打开的信号。其次，通过该打开信号传送至气囊装置45、46并使气囊打开可进行安全的驾驶控制。
例如，当行驶方向(X轴方向)发生冲突，产生加速度时打开前气囊45。而且，当侧部施以加速度(Y轴方向)时，通过左右方向的加速度信号使侧气囊46打开，从而可以预防人命事故于未然。根据两轴加速度检测进行前气囊及侧气囊的检测，故而可进行较高级别的安全控制。
另外，本实施方式的VAS41，振动型压电加速度传感器41受到的加速度根据相对于车辆体44设置的位置有若干不同，从为了能进行平均加速度的检测的观点考虑，振动型压电加速度传感器41的配置最好是在车辆体44的中央。因此，本实施方式中VAS41加载于车辆的中央。而且，车体内的驾驶员与气囊装置的位置关系并不限定于本实施方式。例如，即使驾驶员相对于行驶方向位于车体的左侧，也可以发挥本发明的效果。
工业实用性本发明的VAS，利用加速度可得到较高的共振频率的变化率，故而可不受温度变化的影响而高精度地两轴检测加速度。因此，除了用于气囊控制系统以外，也可用作检测地球上的重力的静态加速度检测传感器。继而，静态加速度检测可以用作检测倾斜角的传感器，通过倾斜角检测可用于包含高度的三维立体型导航装置。
权利要求
1.振动型压电加速度传感器，其包含的元件有框架；成线地相对地设于所述框架的一组振动膜；在所述振动膜上依次积层形成的下部电极、压电薄膜、上部电极；分别支承所述各振动膜的接近的一端侧的支承体；以及保持所述支承体于线方向自由滑动的保持部，并且通过所述元件的保持部传送至支承体的加速度使得所述振动膜伸缩，并根据所述振动膜的固有振动频率的变化检测加速度。
2.根据权利要求1所述的振动型压电加速度传感器，其中成线地相对地设另一组振动膜，与所述的成线地相对地设于所述框架的一组振动膜正交，由此检测两轴加速度。
3.根据权利要求1所述的振动型压电加速度传感器，其中使所述成线地相对地设的一组振动膜的固有振动频率之差作为加速度信号信息。
4.根据权利要求1所述的振动型压电加速度传感器，其特征在于使所述保持部为蜿蜒状的构造并可自由运动。
5.根据权利要求1所述的振动型压电加速度传感器，其中所述振动膜、所述支承体、所述保持部分别是由硅构成。
6.根据权利要求1所述的振动型压电加速度传感器，其中所述压电薄膜是由PZT构成。
7.根据权利要求1所述的振动型压电加速度传感器，其中使所述振动膜为横梁状，并且以钩挂方式使其一端保持于所述框架，另一端保持于所述支承体。
8.根据权利要求1所述的振动型压电加速度传感器，其中使形成于所述振动膜上的所述上部电极沿着所述保持部的横梁状的中央部而引出。
9.根据权利要求1所述的振动型压电加速度传感器，其中对支承所述振动膜的所述支承体付加质量。
10.根据权利要求1所述的振动型压电加速度传感器，其中作为形成于所述振动膜上的上部电极，设一对检测用电极及驱动用电极，并且，所述检测用电极及所述驱动用电极配为相对于与所述振动膜的长度方向正交、并与等分所述振动膜的中心轴对称。
11.根据权利要求10所述的振动型压电加速度传感器，其中使所述检测用电极及所述驱动用电极的输出电极设在所述框架上。
12.根据权利要求1所述的振动型压电加速度传感器，其中以保持结构所述元件的所述框架的方式来安装本体，由此检测静态的及动态的加速度。
全文摘要
本发明涉及振动型压电加速度传感器，其包括以下元件成直线地对向配置于框架的一组振动膜；支承该振动膜的支承体；保持该支承体于直线方向自由滑动的保持部；以及与所述一组振动膜正交的另一组振动膜成直线地对向配置，并检测X、Y方向两轴的加速度，由此结构，由于通过保持部传送至支承体的加速度，振动膜发生伸缩且固有振动频率发生改变，从而可检测加速度并得到较高的共振频率的变化率，且可不受温度变化的影响而检测两轴加速度。
文档编号G01P15/18GK1926434SQ200580006749
公开日2007年3月7日 申请日期2005年2月14日 优先权日2004年3月2日
发明者寺田二郎, 中谷将也, 石田贵巳 申请人:松下电器产业株式会社