专利名称：振动传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及振动传感器，更具体地说，涉及一种具有对灵敏度的温度特性进行补偿的功能的振动传感器。
背景技术：
诸如加速度传感器和角速度传感器的振动传感器具有振动体。感测振动体的振动，从而检测加速度和角速度。例如，角速度传感器用于汽车导航系统以及数码相机的图像稳定。振动传感器的振动体是由压电材料形成的，该压电物质将振动体的振动转换为电信号。但是，环境的变化改变了在将机械振动转换为电信号时的感测信号的灵敏度。图1是角速度传感器的作为温度的函数的灵敏度的曲线图。该曲线图的横轴表示温度，纵轴表示正规化的灵敏度。该灵敏度具有负温度特性。日本专利申请公报第11-148829号(文献1)公开了一种对灵敏度的温度特性进行补偿的方式，其中图2所示的差分放大器60连接到振动传感器的输出。图2所示的电路利用了电阻器R1和R2的温度特性，来补偿灵敏度的温度特性。
应注意的是，文献1中公开的电阻器R1和R2是扩散电阻(diffusedresistor)。但是，扩散电阻在大规模生产中难以实现电阻的稳定温度特性。此外，设计成具有温度特性的扩散电阻导致了这样的情况差分放大器自身具有温度特性。因此，难以可靠地补偿灵敏度的温度特性。
发明内容
考虑到上述情况而作出本发明，本发明提供了一种具有改善的灵敏度温度特性的振动传感器。
根据本发明的一方面，提供了一种振动传感器，该振动传感器包括振动体；驱动电路，其使所述振动体振动；感测电路，其参照与所述驱动电路的驱动信号相关联的基准信号，并基于与所述振动体的振动相关的感测信号来检测所述振动体的物理状态；和电容器，其设置在所述驱动电路与地之间，所述电容器具有一电容值温度特性，该电容值温度特性被限定用以补偿所述感测信号对所述振动体的振动的灵敏度的温度特性的至少一部分。
根据本发明的另一方面，提供了一种振动传感器，该振动传感器包括振动体；驱动电路，其使所述振动体振动；和感测电路，其参照与所述驱动电路的驱动信号相关联的基准信号，并基于与所述振动体的振动相关的感测信号来检测所述振动体的物理状态，所述基准信号与所述感测信号之间的相位差的温度特性补偿了所述感测信号对所述振动体的振动的灵敏度的温度特性的至少一部分。
当结合附图来阅读下面的详细描述时，本发明的其他目的、特征和优点将变得更加明显，在附图中图1示出了感测信号对振动的灵敏度的温度相关性的示例；图2是按常规方式来补偿灵敏度的温度相关性的电路图；图3是根据本发明第一实施例的角速度传感器的框图；图4A和图4B示出了振动体上的电极图案；图5A和图5B示出了振动体的振动模式；图6是图2所示的驱动电路中的信号的波形图；图7示出了图2所示的感测电路的操作；图8示出了当感测信号的相位改变时观察到的输出信号；图9是作为相位差的函数的感测信号灵敏度的曲线图；图10示意性地示出了当电容器的电容值改变时观察到的感测信号的波形；图11是针对不同电容器的作为温度的函数的静电电容变化比的曲线图；
图12示出了当感测信号的相位改变时观察到的输出信号；图13A是移相器的电路图；以及图13B是针对不同温度的作为频率的函数的相位变化的曲线图。
具体实施例方式
将参照附图给出对本发明实施例的描述。
第一实施例是以音叉型振动器作为振动体的示例性角速度传感器。图3是根据第一实施例的感测系统的框图。该感测系统包括振动体10(音叉(tuning-fork)型振动器)、驱动电路20和感测电路30。振动体10的驱动电极15a经由电容器50接地。驱动电路20连接到驱动电极15a与电容器50之间的节点N1。电容器50连接在驱动电路20与地之间。驱动电路20包括移相器22和倒相放大器24。移相器22将相位延迟90度以改变驱动信号S1的相位并产生结果信号S2。倒相放大器24反转输出信号S2的相位。将驱动电路20的输出信号施加到振动体10的驱动电极14a。感测电极12a、12b和11c在节点N3处彼此连接，而感测电极11a、11b和12c在节点N4处共同相连。节点N3和N4分别连接到感测电路30的差分放大器电路40的倒相输入端子和非倒相输入端子。差分放大器40输出感测信号S4，该感测信号S4被施加到检测器32。倒相放大器24的输出信号被感测电路30的比较器23转换成矩形波信号。接着，将该矩形波信号作为基准信号S3施加到检测器32。感测电路30包括差分放大器电路40、比较器23、检测器32和放大器34，并根据从基准信号S3以及来自振动体10的两个输出信号得出的感测信号，来产生输出信号S5。
图4A和4B示出了由音叉型振动器形成的振动体10的电极图案。振动体10是由诸如LiNbO3(铌酸锂LN)或LiTaO3(钽酸锂LT)的压电材料形成的。当使用LN或LT时，可以使用130°至140°的Y-cut板来获得高的k23机电耦合系数。在振动体10上形成的电极可以是金、铝或铜的金属膜。
图4A示出了振动体10的正面，而图4B示出了其背面。臂11设置有感测电极11a、11b和11c。感测电极11a和11b通过电极11d相连接。提取电极11f被设置在感测电极11a中。电极11c连接到提取电极11e。类似地，臂12设置有感测电极12a、12b和12c。感测电极12a和12b通过电极12d相连接。提取电极12f被设置在电极12a中。电极12c连接到提取电极12e。驱动电极14a设置在振动体10的正面上，并连接到提取电极14b。类似地，驱动电极15a设置在振动体10的背面上，并连接到提取电极15b。
图5A和图5B分别示出了驱动模式和感测模式。参照图5A，在驱动电极14a和15a之间施加驱动信号，以引起这样的振动模式臂11和12依次彼此靠近和远离。图5A中示出的振动平行于包括了臂11和12的平面。施加到感测轴的角速度产生科里奥利力(Coriolis force)并引起图5B所示的另一振动模式臂11和12前后移动。该振动是垂直于所述臂在其上振动的平面的扭曲振动。差分放大器40检测节点N3与N4之间的电位差，并将其输出，作为感测信号S4。这样，可以以电信号的形式来感测振动体10的机械振动。在图5A中，当臂11和12的振幅处于最大处时，节点N3与N4之间的电位差最大化。因此，优选的是，与臂11和12具有最大振幅的时刻同步地检测节点N3与N4之间的相位差。该同步检测实现了有效的感测和最高的信噪(S/N)比。
图6是示出了当节点N3和N4之间的相位差与臂11和12达到最大振幅的时刻同步时的图3所示的信号的波形的时序图。更具体地说，图6的部分(a)示出了经由振动体10的驱动电极15a输出的驱动信号S1。在相位被从驱动信号S1的最大振幅延迟了90度的时刻，臂11和12的振幅最大化。因此，移相器22将驱动信号S1的信号延迟90度，从而可以产生图6的部分(b)中示出的结果信号S2。倒相放大器24将输入信号S2的相位反转，并输出这样放大的信号。比较器23输出如图6的部分(c)中所示的矩形波信号。将比较器23的输出信号施加到检测器32，作为基准信号S3。将倒相放大器24的输出信号施加到振动体10的驱动电极14a。在驱动电极14a与15a之间存在90度的相位延迟。在从振动体10经由驱动电路20到振动体的回路中产生360度的相位旋转。因此，驱动信号发生振荡，从而可以使振动体10振动。驱动电路20使振动体10机械振动。
图7示出了感测电路30的操作。当如图7的部分(b)所示，由于科里奥利力而使振动体振动时，在振动体10的节点N3与N4之间形成电位差。差分放大器40将节点N3与N4之间的电位差检测为感测信号S4，然后将该感测信号S4施加给检测器32。图7的部分(a)示出了施加到感测电路30的检测器32的基准信号S3，而部分(b)示出了感测信号S4。基准信号S3与该感测信号基本上彼此同步。检测器32在基准信号S3处于高电平的时间内累积感测信号S4。即，检测器32输出与图7的部分(b)所示的阴影部分的面积相对应的信号。放大器34对检测器32的输出信号进行放大，得到放大的信号作为输出信号S5。如图7的部分(c)所示，当感测信号S4的振幅变小时，输出信号S5变小。相反，当感测信号S4的振幅变大时，输出信号S5变大。如上所述，感测电路30参照与驱动电路20的驱动信号S1相关的基准信号S3，并基于反映振动体10的机械振动的感测信号S4来检测振动体10的振动(物理状态)的振幅。即，感测电路30使用与感测信号S4同步的基准信号S3，并且输出与感测信号S4的振幅相关的输出信号S5。
如图8的部分(a)至部分(d)所示，输出信号S5由于基准信号S3与感测信号S4之间的相位差而改变。图8的部分(a)示出了基准信号S3。图8的部分(b)至部分(d)分别示出了感测信号S4的不同相位。当感测信号S4具有图8的部分(c)所示的相位时，输出信号S5最大化。将此时获得的基准信号S3与感测信号S4之间的相位差定义为基准相位差。当基准信号S3具有矩形波并且感测信号S4具有三角形波时，在相位差为零时可得到基准相位差。如部分(b)和部分(d)所示，当基准信号S3与感测信号S4之间的相位差偏离该基准相位差时，与基准信号S3同步的感测信号的面积(阴影部分)变得小于图8的部分(c)中所示的面积。即，输出信号S5减小。图9示出了作为基准信号S3与感测信号S4之间的相位差的函数的输出灵敏度，其中该输灵敏度是输出信号S5对于感测信号S4的灵敏度。该输出灵敏度对于基准相位差是最大化的，并且在相位差偏离该基准相位差时该输出灵敏度减小。在图9的曲线图中，相位差的加号表示感测信号S4领先于基准信号S3，而其减号表示感测信号S4滞后于基准信号S3。
发明人发现，当在图3中示出的电容器50的电容值改变时，感测信号S4的相位相对于基准信号S3而变化，如图10所示，其中该电容值按a、b和c的顺序降低。随着电容器50的电容值降低，延迟了感测信号S4的相位。可以认为，机械振动的相位取决于电容器50的电容值。
图11示出了不同类型电容器的静电电容值的温度特性。这些电容器具有负的温度特性。不同类型的电容器A至F具有不同的温度系数。通过选择电容器A至F中相应的一种类型，可以选择期望的温度特性。
当电容器50的电容值具有负的温度特性时，电容器50的电容值随着温度升高而降低。因此，如图10所示，延迟了感测信号S4的相位。因而，相位差向负方向移动。通过选择电容器50的电容值，将基准信号S3与感测信号S4之间的相位差设置为大于基准相位差，如图9中示出的箭头X所示。因此，当温度升高时，输出灵敏度会增加，如图9中的x所示。例如，在输出灵敏度是相位差的余弦函数的情况下，当相位差是50°的X1并且使用图11中示出的电容器A(具有-750ppm/℃的温度特性)时，导致输出灵敏度具有945ppm/℃的温度特性。作为另一示例，当如Y所示将基准信号S3与感测信号S4之间的相位差设置为小于基准相位差时，随着温度升高，输出灵敏度降低，如图9中示出的箭头y所示。例如，当相位差是-40°的Y1并且使用图11所示的电容器A时，导致输出灵敏度具有-905ppm/℃的温度特性。
如上所述，可以根据输出灵敏度的温度特性来补偿感测信号响应机械振动的灵敏度的温度特性。即，当感测信号的灵敏度具有负的温度特性时，随着气温升高，将相位差设置得更接近基准相位差。相反，当感测信号的灵敏度具有正的温度特性时，随着气温升高，将相位差设置得更远离基准相位差。因此，可以根据输出灵敏度的温度特性来补偿感测信号的灵敏度随温度的变化。
如上所述，根据第一实施例，设置基准信号S3与感测信号S4之间的相位差的温度特性以补偿感测信号响应振动体10的振动的灵敏度的温度特性。利用该结构，不再需要如前述文献1所述的电阻器，但仍能可靠地补偿感测信号的灵敏度的温度特性。通过对感测信号的灵敏度的温度特性的至少一部分进行补偿，可以很好地调整相位差的温度特性。即，当输出信号S5的温度特性小于感测信号的灵敏度的温度特性时，可以补偿感测信号的灵敏度的温度特性。设置电容器50的电容值的温度特性，以对感测信号的灵敏度的温度特性的至少一部分进行补偿。换言之，电容器50的电容值的温度特性限定了相位差的温度特性。如图11所示，容易得到具有不同温度特性的电容。因此，可以容易地对感测信号的灵敏度的温度特性进行补偿。
电容器50可以是可拆卸的。可以选择具有适合嵌入的振动体10的灵敏度的电容值温度系数的电容器，并将所选择的电容器安装在振动传感器中作为电容器50。可以更精确地补偿感测信号的灵敏度的温度特性。
第二实施例是使用前述移相器22的相位的温度特性来补偿感测信号的灵敏度的示例性振动传感器。图12的部分(a)至部分(d)示出了基准信号S3的相位改变而感测信号S4的相位不改变的情况。图12的部分(a)示出了基准信号S3。当基准信号S3具有相位S32时，基准信号S3与感测信号S4同相，并且输出信号S5为最大，如图12的部分(c)所示。此时的相位差是基准相位差。当基准信号S3具有相位S31时，基准信号S3的相位领先于感测信号S4。当基准信号S3具有相位S33时，基准信号S3的相位滞后于感测信号S4。因此，当基准信号S3具有相位S31或S33时，输出信号S5减小，如图12的部分(b)或(d)所示。
如上所述，通过改变基准信号S3的相位而不是如图8所示地改变感测信号S4的相位，可以改变输出灵敏度。
图13A和图13B示出了使基准信号S3具有温度相关性的方法。图13A示出了一移相器，在该移相器中，将电阻器R3和R4串联地连接在输入端子IN与输出端子OUT之间，并且并联地设置电容器C1和C2。发明人计算了相位特性，假定电阻器R3和R4具有15kΩ的电阻值和1400ppm/℃的温度系数并且电容器C1和C2具有1nF的电容值和为0的温度系数。图13B示出了计算结果，其中纵轴表示相位变化(°)而横轴表示频率(kHz)。针对10kHz的频率，相位变化在-25℃的温度下是-90°，并且在75℃的温度下是-84°。例如，在输出灵敏度是相位差的余弦函数的情况下，当相位差是50°的X1并且使用图13A中示出的移相器时，导致输出灵敏度具有1611ppm/℃的温度特性。作为另一示例，当如Y所示将基准信号S3与感测信号S4之间的相位差设置为小于基准相位差时，随着温度升高，输出灵敏度降低，如图9中的箭头y所示。例如，当相位差是-40°的Y1并且使用图13A所示的移相器时，导致输出灵敏度具有-1712ppm/℃的温度特性。
如上所述，可以根据移相器22的相位的温度特性来限定相位差的温度特性。因此，可以通过使用相位差的温度特性来补偿感测信号的灵敏度的温度特性。可将第二实施例的移相器22的相位的温度特性添加到其中根据电容器50的电容值的温度特性来补偿相位差的温度特性的第一实施例。这样，即使感测信号的灵敏度具有大的温度特性，通过利用电容器50和移相器22两者的温度特性仍可补偿感测信号的灵敏度。此外，可以通过第一和第二实施例以外的方法来限定基准信号S3与感测信号S4之间的相位差的温度特性。
将第一和第二实施例设计为对作为振动体10的物理状态的振动的振幅进行检测。本发明可以应用于电容有变化的传感器，诸如静电电容传感器。本发明不仅包括上述角速度传感器，而且包括加速度传感器。振动体10不限于音叉型振动器，而是包括诸如单体传感器的其他类型的振动器。
本发明不限于具体公开的实施例，而是包括不偏离本发明范围的其他实施例和变型例。
本申请基于在2006年6月6日提交的日本专利申请第2006-157569号，通过引用将其全部公开合并于此。
权利要求
1.一种振动传感器，该振动传感器包括振动体；驱动电路，其使所述振动体振动；感测电路，其参照与所述驱动电路的驱动信号相关联的基准信号，并基于与所述振动体的振动相关的感测信号来检测所述振动体的物理状态；和电容器，其设置在所述驱动电路与地之间，所述电容器具有一电容值温度特性，该电容值温度特性被限定用以补偿所述感测信号对所述振动体的振动的灵敏度的温度特性的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的振动传感器，其中，所述电容器是可拆卸的。
3.根据权利要求1所述的振动传感器，其中，所述振动体的所述物理状态包括所述振动体的振动。
4.一种振动传感器，该振动传感器包括振动体；驱动电路，其使所述振动体振动；和感测电路，其参照与所述驱动电路的驱动信号相关联的基准信号，并基于与所述振动体的振动相关的感测信号来检测所述振动体的物理状态，所述基准信号与所述感测信号之间的相位差的温度特性补偿了所述感测信号对所述振动体的振动的灵敏度的温度特性的至少一部分。
5.根据权利要求4所述的振动传感器，其中，所述振动传感器还包括连接在所述驱动电路与地之间的电容器，根据所述电容器的电容值的温度特性来限定所述相位差的温度特性。
6.根据权利要求4所述的振动传感器，其中，所述振动传感器还包括用于将所述驱动信号移相的移相器，根据所述移相器的相位的温度特性来限定所述相位差的温度特性。
7.根据权利要求5所述的振动传感器，其中，所述振动传感器还包括用于将所述驱动信号移相的移相器，所述相位差的温度特性在由所述电容器的电容值的温度特性来限定之外，还由所述移相器的相位的温度特性来限定。
8.根据权利要求4所述的振动传感器，其中，所述电容器是可拆卸的。
9.根据权利要求4所述的振动传感器，其中所述感测电路具有在所述基准信号与所述感测信号之间的相位差是基准相位差时被最大化的输出信号；所述感测信号的灵敏度具有负的温度特性；并且随着温度升高，所述相位差变得更接近于所述基准相位差。
10.根据权利要求4所述的振动传感器，其中所述感测电路具有在所述基准信号与所述感测信号之间的相位差是基准相位差时被最大化的输出信号；所述感测信号的灵敏度具有正的温度特性；并且随着温度升高，所述相位差变得更加远离所述基准相位差。
11.根据权利要求4所述的振动传感器，其中，所述振动体的所述物理状态包括所述振动体的振动。
全文摘要
本发明提供一种振动传感器。该振动传感器包括振动体；驱动电路，其使所述振动体振动；感测电路，其参照与所述驱动电路的驱动信号相关联的基准信号，并基于与所述振动体的振动相关的感测信号来检测所述振动体的物理状态；和电容器，其设置在所述驱动电路与地之间。该电容器具有一电容值温度特性，该电容值温度特性被限定用以补偿所述感测信号对所述振动体的振动的灵敏度的温度特性的至少一部分。
文档编号G01C19/56GK101086507SQ20071010857
公开日2007年12月12日 申请日期2007年6月6日 优先权日2006年6月6日
发明者高桥勇治, 中泽文彦, 石川宽, 谷内雅纪, 山地隆行, 太田实 申请人:富士通媒体部品株式会社, 富士通株式会社