專利名稱：加速度傳感器，其制造方法和用該傳感器的沖擊檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速度的測量和振動的檢測等使用的加速度傳感器及其制造方法。更詳細(xì)地說，就是涉及小型、高性能的加速度傳感器及其制造方法。另外，本發(fā)明還涉及利用了這樣的加速度傳感器且其輸出信號的偏差小的沖擊檢測裝置。
近年來，隨著電子儀器不斷向小型化方向發(fā)展，筆記本式電腦等便攜式電子儀器得到了普及。為了確保提高這些電子儀器對沖擊的可靠性，提高了對小型的可以在表面上實際裝配的高性能加速度傳感器的要求。
例如，如果在向高密度的硬盤的寫入動作中施加了沖擊，磁頭的位置就會發(fā)生偏離，從而有可能引起數(shù)據(jù)的寫入錯誤和損壞磁頭。因此，需要檢測加到硬盤上的沖擊、使寫入動作停止以及使磁頭退避到安全的位置的技術(shù)。
另外，為了從汽車發(fā)生撞車時受到的沖擊中保護(hù)乘客，也提高了對氣袋裝置的沖擊檢測用加速度傳感器等的要求。
此外，還提高了對檢測施加到便攜式小型機(jī)器上的沖擊、在裝置內(nèi)設(shè)置避免沖擊引起的機(jī)器的故障及誤動作的機(jī)構(gòu)和記錄施加了沖擊的事實的機(jī)構(gòu)及裝置的要求。因此，也提高了對這些裝置使用的小型加速度傳感器的要求。
眾所周知，以往，作為加速度傳感器，是使用壓電陶瓷等壓電材料。如果使用這些加速度傳感器，通過利用壓電材料的電-機(jī)變換特性，可以實現(xiàn)高的檢測靈敏度。壓電式的加速度傳感器是利用壓電效應(yīng)將加速度及振動引起的力變換為電壓而輸出的傳感器。作為這樣的加速度傳感器，有特開平2-248086號公報公開的使用懸臂梁結(jié)構(gòu)的矩形雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件的傳感器。如圖26所示，利用壓電效應(yīng)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件50是將形成電極52a、52b的壓電陶瓷51a、51b利用環(huán)氧樹脂等粘接劑53相互粘貼而形成的。如圖27所示，懸臂梁結(jié)構(gòu)是將雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件50的一端利用導(dǎo)電性粘接劑54等粘接固定到固定部件55上而形成的。懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件由于其共振頻率低，所以，用于測量具有比較低的頻率成分的加速度。另外，測量高頻區(qū)域的加速度時，如圖28所示，使用利用導(dǎo)電性粘接劑54等將兩端粘接固定到固定部件55上的雙臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件50。通過將機(jī)-電變換元件的兩端固定，可以使共振頻率比較高。
加速度傳感器在將固定部件55固定到容器的內(nèi)壁上的狀態(tài)下通過將機(jī)-電變換元件50收容到容器內(nèi)而構(gòu)成。另外，在機(jī)-電變換元件50的電極52a、52b上產(chǎn)生的電荷通過導(dǎo)電性粘接劑54取出到外部電極。
如上所述，在先有的加速度傳感器中，壓電陶瓷的粘接是使用由環(huán)氧樹脂等構(gòu)成的粘接劑，但是，與壓電陶瓷的楊氏模量15×10-12m2/N相比，由于環(huán)氧樹脂的楊氏模量200×10-12m2/N大，所以，加速度引起的機(jī)-電變換元件的畸變將被環(huán)氧樹脂等吸收，從而靈敏度降低。另外，由于難于使粘接層的厚度均勻地粘接壓電陶瓷，所以，機(jī)-電變換元件的特性將產(chǎn)生偏差。
另外，為了使矩形的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件的靈敏度穩(wěn)定，必須使其共振頻率穩(wěn)定。這時，必須使機(jī)-電變換元件的固定狀態(tài)穩(wěn)定，實際上，由于機(jī)械的或溫度變化等發(fā)生的應(yīng)力，在用金屬等支持部或固定部件支持或固定的部分將發(fā)生偏離。例如，使用粘接劑固定機(jī)-電變換元件時，其固定位置將隨粘接劑的涂抹范圍而變化，從而機(jī)-電變換元件的共振頻率將發(fā)生偏差。另外，機(jī)-電變換元件的固定狀態(tài)也隨粘接劑的溫度變化而變化，從而難于保持穩(wěn)定的固定狀態(tài)。
另外，個別地制作一個一個的機(jī)-電變換元件后收容到容器內(nèi)時，在制造工序上手工操作等有困難，影響加速度傳感器的小型化，同時，也導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。
另外，由于壓電陶瓷是將各種原料混合燒結(jié)而制作的，所以，與單晶材料相比，材料常數(shù)的偏差大。因此，使用壓電陶瓷制作加速度傳感器時，靈敏度和電容量將有大的偏差。
另外，使用壓電陶瓷的加速度傳感器用于檢測施加到便攜式機(jī)器上的沖擊時，由于靈敏度的偏差大，所以，作為用于避免沖擊引起的機(jī)器故障的基準(zhǔn)的加速度值的范圍增大，從而難于高精度地檢測沖擊。另外，電容量的偏差使得難于設(shè)計與加速度傳感器連接的用于放大由加速度產(chǎn)生的電信號的電路，從而將產(chǎn)生電路的放大倍數(shù)的偏差。結(jié)果，輸出信號的偏差增大，從而影響在沖擊檢測機(jī)器中使用。
本發(fā)明就是為了解決先有技術(shù)的上述課題而提案的，目的旨在提供在寬的頻率區(qū)域具有高靈敏度而且靈敏度等特性偏差很小的小型的加速度傳感器及其制造方法。另外，本發(fā)明的目的還在于提供利用了這樣的加速度傳感器且輸出信號的偏差小的沖擊檢測裝置。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間直接接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和支持上述機(jī)-電變換元件的支持體。按照該加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)，由于不使用粘接劑等粘接層，壓電基板通過直接接合而構(gòu)成機(jī)-電變換元件，所以，當(dāng)機(jī)-電變換元件由于加速度而發(fā)生彎曲振動時，就不存在吸收該彎曲振動的問題。因此，在壓電基板上將發(fā)生不損失的應(yīng)力，從而獲得大的電動勢。結(jié)果，可以實現(xiàn)具有高的靈敏度的加速度傳感器。另外，由于壓電基板的接合是均勻的，所以，機(jī)-電變換元件的共振頻率及靈敏度的偏差很小。此外，由于在壓電基板間不存在粘接層，所以，機(jī)-電變換元件的振動特性不會隨溫度變化而變化。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)中，2個壓電基板的主面最好是通過使上述2個壓電基板的構(gòu)成原子通過從由氧和羥基構(gòu)成的群中選擇的至少1種相互結(jié)合而接合的。按照該極佳的例子，2個壓電基板的主面之間可以實現(xiàn)在原子水平上牢固地直接接合的狀態(tài)。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)中，2個壓電基板結(jié)合起來最好使極化軸的方向成為相互相反的方向。按照該極佳的例子，在2個壓電基板中發(fā)生的應(yīng)力不論是壓縮應(yīng)力還是拉伸應(yīng)力，在2個壓電基板上都發(fā)生相同極性的電荷。即，在2個壓電基板上發(fā)生相同方向的電動勢。因此，可以從在機(jī)-電變換元件的兩面上形成的電極獲得反映加速度的大小的信號。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)中，2個壓電基板最好通過緩沖層直接接合。按照該極佳的例子，當(dāng)接合面上有起伏或凹凸時或者灰塵等異物附著到接合面上時，由于凹凸等被緩沖層吸收，所以，可以獲得牢固的直接接合面。另外，即使對于因通過親水化處理而難于在表面形成氧及羥基的材料接合的情況，通過經(jīng)由緩沖層進(jìn)行接合也可以獲得牢固的直接接合面。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)中，機(jī)-電變換元件的一端最好支持在支持體上。按照該極佳的例子，可以實現(xiàn)懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)中，機(jī)-電變換元件的兩端最好支持在支持體上。按照該極佳的例子，可以實現(xiàn)雙臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器。并且，即使是相同長度、相同厚度的機(jī)-電變換元件，共振頻率也比懸臂梁結(jié)構(gòu)的情況高，所以，可以測量更高的頻率區(qū)域的加速度。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)中，壓電基板由晶體結(jié)構(gòu)3m族的單晶壓電材料構(gòu)成，若令上述單晶壓電材料的晶體軸為X軸、Y軸、Z軸時，上述壓電基板的主面最好垂直于與Y軸的夾角為+129°～+152°的軸并且包含X軸，上述壓電基板的重心與支持部中心的連線垂直于X軸。按照該極佳的例子，壓電基板的壓電常數(shù)成為最大值的90～100％，不會發(fā)生靈敏度劣化的問題。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)中，壓電基板由晶體結(jié)構(gòu)3m族的單晶壓電材料構(gòu)成，若令上述單晶壓電材料的晶體軸為X軸、Y軸、Z軸時，上述壓電基板的主面最好垂直于與Y軸的夾角為-26°～+26°的軸并且包含X軸，上述壓電基板的重心與支持部中心的連線垂直于X軸。按照該極佳的例子，壓電基板的壓電常數(shù)成為最大值的90～100％，不會發(fā)生靈敏度劣化的問題。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)中，壓電基板由晶體結(jié)構(gòu)32族的單晶壓電材料構(gòu)成，若令上述單晶壓電材料的晶體軸為X軸、Y軸、Z軸時，上述壓電基板的主面最好垂直于X軸，上述壓電基板的重心與支持部中心的連線與Z軸的夾角為+52°～+86°。按照該極佳的例子，壓電基板的壓電常數(shù)成為最大值的90～100％，不會發(fā)生靈敏度劣化的問題。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)中，壓電基板由晶體結(jié)構(gòu)32族的單晶壓電材料構(gòu)成，若令上述單晶壓電材料的晶體軸為X軸、Y軸、Z軸時，上述壓電基板的主面最好垂直于與X軸的夾角為-26°～+26°的軸并且包含Y軸，上述壓電基板的重心與支持部中心的連線平行于Y軸。按照該極佳的例子，壓電基板的壓電常數(shù)成為最大值的90～100％，不會發(fā)生靈敏度劣化的問題。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第1結(jié)構(gòu)中，壓電基板由晶體結(jié)構(gòu)32族的單晶壓電材料構(gòu)成，若令上述單晶壓電材料的晶體軸為X軸、Y軸、Z軸時，上述壓電基板的主面最好垂直于與X軸的夾角為+52°～+68°的軸并且包含Z軸，上述壓電基板的重心與支持部中心的連線垂直于Z軸。按照該極佳的例子，壓電基板的壓電常數(shù)成為最大值的90～100％，不會發(fā)生靈敏度劣化的問題。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的第2結(jié)構(gòu)包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和支持上述機(jī)-電變換元件的支持體，是上述機(jī)-電變換元件與上述支持體直接接合的結(jié)構(gòu)。按照該加速度傳感器的第2結(jié)構(gòu)，由于不使用粘接劑，機(jī)-電變換元件與支持體直接接合，所以，機(jī)-電變換元件的支持位置的偏差減小。結(jié)果，可以實現(xiàn)共振頻率的偏差小的加速度傳感器。另外，由于不使用粘接劑，機(jī)-電變換元件與支持體直接接合，所以，加速度可以不損失地傳遞給機(jī)-電變換元件。另外，由于在機(jī)-電變換元件與支持體之間不存在粘接層，所以，支持狀態(tài)也不會隨溫度變化而變化。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第2結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成機(jī)-電變換元件的壓電基板和支持體最好是通過使上述壓電基板的構(gòu)成原子和上述支持體的構(gòu)成原子通過從由氧及羥基構(gòu)成的群中選擇的至少一種相互結(jié)合而接合的。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第2結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成機(jī)-電變換元件的壓電基板和支持體最好通過緩沖層直接接合。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第2結(jié)構(gòu)中，壓電基板和支持體最好由相同的材料構(gòu)成。按照該極佳的例子，由于不受溫度引起的畸變的影響，所以，可以實現(xiàn)對溫度變化非常穩(wěn)定的加速度傳感器。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第2結(jié)構(gòu)中，機(jī)-電變換元件的一端最好支持在支持體上。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第2結(jié)構(gòu)中，機(jī)-電變換元件的兩端最好支持在支持體上。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的第3結(jié)構(gòu)包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件、支持上述機(jī)-電變換元件的支持體和收容上述機(jī)-電變換元件的容器，上述支持體與上述容器直接接合。按照該加速度傳感器的第3結(jié)構(gòu)，由于不使用粘接劑，機(jī)-電變換元件的支持體與容器直接接合，所以，支持體成為與容器牢固地接合的狀態(tài)。結(jié)果，可以實現(xiàn)在實際裝配面上產(chǎn)生的加速度通過容器不損失地傳遞給支持體的靈敏度高的加速度傳感器。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第3結(jié)構(gòu)中，容器和支持體最好是通過使上述容器的構(gòu)成原子和上述支持體的構(gòu)成原子通過從由氧及羥基構(gòu)成的群中選擇的至少一種相互結(jié)合而接合的。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第3結(jié)構(gòu)中，容器和支持體最好通過緩沖層直接接合。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第3結(jié)構(gòu)中，容器和支持體最好由相同的材料構(gòu)成。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的第4結(jié)構(gòu)包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件、支持上述機(jī)-電變換元件的支持體和收容上述機(jī)-電變換元件的容器，通過構(gòu)成上述壓電元件的上述壓電基板與上述容器直接接合，支持上述機(jī)-電變換元件。按照該加速度傳感器的第4結(jié)構(gòu)，由于不使用粘接劑，構(gòu)成壓電元件的壓電基板與容器直接接合，所以，機(jī)-電變換元件成為與容器牢固地接合的狀態(tài)。結(jié)果，可以將容器受到的加速度不損失地傳遞給機(jī)-電變換元件，所以，可以實現(xiàn)靈敏度高的加速度傳感器。另外，由于容器擔(dān)任了支持部件的作用，所以，可以減少結(jié)構(gòu)部件的數(shù)量。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第4結(jié)構(gòu)中，壓電基板和容器最好是通過使上述壓電基板的構(gòu)成原子和上述容器的構(gòu)成原子通過從由氧及羥基構(gòu)成的群中選擇的至少一種相互結(jié)合而接合的。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第4結(jié)構(gòu)中，壓電基板和容器最好通過緩沖層直接接合。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第4結(jié)構(gòu)中，壓電基板和容器最好由相同的材料構(gòu)成。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第4結(jié)構(gòu)中，在壓電元件中，機(jī)-電變換元件以外的部分最好具有導(dǎo)電層。按照該極佳的例子，即使是懸臂梁結(jié)構(gòu)，也可以在支持部的相反一側(cè)設(shè)置外部電極。另外，由于可以在機(jī)-電變換元件的所有面上設(shè)置電極，所以，可以獲得靈敏度高的加速度傳感器。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的第5結(jié)構(gòu)包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件、支持上述機(jī)-電變換元件的支持體和收容上述機(jī)-電變換元件的由至少兩部分構(gòu)成的容器，構(gòu)成上述容器的各部分之間直接接合。按照該加速度傳感器的第5結(jié)構(gòu)，由于不使用粘接劑，構(gòu)成容器的各部分之間牢固地接合，所以，接合面的耐熱性高。結(jié)果，即使進(jìn)行回流焊接，接合部也不會發(fā)生氣體，構(gòu)成容器的各部分之間成為氣密封閉的狀態(tài)，所以，可以獲得具有特性不劣化的可靠性高的加速度傳感器。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第5結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成容器的各部分最好是通過使容器的構(gòu)成原子通過從由氧和羥基構(gòu)成的群中選擇的至少一種相互結(jié)合而接合的。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的第5結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成容器的各部分之間最好通過緩沖層直接接合。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第1結(jié)構(gòu)是包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和支持上述機(jī)-電變換元件的支持體的加速度傳感器的制造方法，其特征在于通過使上述2個壓電基板的上述主面之間直接接合而形成上述壓電元件。按照該加速度傳感器的制造方法的第1結(jié)構(gòu)由于不使用粘接劑等粘接層，通過使壓電基板直接接合而形成機(jī)-電變換元件，所以，可以獲得不吸收加速度引起的在機(jī)-電變換元件中發(fā)生的彎曲振動的加速度傳感器。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第1結(jié)構(gòu)中，最好將經(jīng)過親水化處理的2個壓電基板的主面接合后，通過進(jìn)行熱處理將上述2個壓電基板的上述主面直接接合。按照該極佳的例子，2個壓電基板的主面之間通過氧或羥基可以實現(xiàn)在原子水平上牢固地直接接合的狀態(tài)。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第2結(jié)構(gòu)是包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和支持上述機(jī)-電變換元件的支持體的加速度傳感器的制造方法，其特征在于將上述支持體與構(gòu)成上述壓電元件的上述壓電基板直接接合。按照該加速度傳感器的制造方法的第2結(jié)構(gòu)，由于不使用粘接劑，將機(jī)-電變換元件與支持體直接接合，所以，可以獲得機(jī)-電變換元件的支持位置偏差小的加速度傳感器。結(jié)果，可以實現(xiàn)共振頻率偏差小的加速度傳感器。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第2結(jié)構(gòu)中，最好將經(jīng)過親水化處理的支持體與壓電基板接合后，通過進(jìn)行熱處理將上述支持體與上述壓電基板直接接合。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第3結(jié)構(gòu)是包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件、支持上述機(jī)-電變換元件的支持體和收容上述機(jī)-電變換元件的容器的加速度傳感器的制造方法，其特征在于將上述支持體與上述容器直接接合。按照該加速度傳感器的制造方法的第3結(jié)構(gòu)，可以將支持體與容器牢固地接合。結(jié)果，由于可以將在實際裝配面上產(chǎn)生的加速度通過容器不損失地傳遞給支持體，所以，可以實現(xiàn)靈敏度高的加速度傳感器。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第3結(jié)構(gòu)中，最好將經(jīng)過親水化處理的支持體與容器接合后，通過進(jìn)行熱處理將上述支持體與上述容器直接接合。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第4結(jié)構(gòu)是包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和收容上述機(jī)-電變換元件的容器的加速度傳感器的制造方法，其特征在于將構(gòu)成上述壓電元件的壓電基板與上述容器直接接合。按照該加速度傳感器的制造方法的第4結(jié)構(gòu)，可以將機(jī)-電變換元件與容器牢固地接合。結(jié)果，由于可以將容器受到的加速度不損失地傳遞給機(jī)-電變換元件，所以，可以實現(xiàn)靈敏度高的加速度傳感器。另外，由于可以使容器擔(dān)任支持部件的作用，所以，可以減少結(jié)構(gòu)部件的數(shù)量，同時，可以使制造工序簡化。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第4結(jié)構(gòu)中，最好將經(jīng)過親水化處理的壓電基板與容器接合后，通過進(jìn)行熱處理將上述壓電基板與上述容器直接接合。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第5結(jié)構(gòu)是包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件、支持上述機(jī)-電變換元件的支持體和收容上述機(jī)-電變換元件的由至少兩部分構(gòu)成的容器的加速度傳感器的制造方法，其特征在于將上述容器的各部分之間直接接合。按照該加速度傳感器的制造方法的第5結(jié)構(gòu)，由于不使用粘接劑，可以將構(gòu)成容器的各部分之間牢固地接合，所以，可以提高接合面的耐熱性。結(jié)果，即使進(jìn)行回流焊接，也不會從接合部發(fā)生氣體，構(gòu)成容器的各部分之間成為氣密封閉的狀態(tài)，所以，可以實現(xiàn)特性不劣化的可靠性高的加速度傳感器。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第5結(jié)構(gòu)中，最好將經(jīng)過親水化處理的容器的各部分之間接合后，通過進(jìn)行熱處理將上述容器的各部分之間直接接合。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第6結(jié)構(gòu)是包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和收容上述機(jī)-電變換元件的容器的加速度傳感器的制造方法，其特征在于具有將用模型形成了多個懸臂梁部或雙臂梁部的至少2個壓電基板直接接合形成多個壓電元件的工序、將在與上述壓電元件對應(yīng)的部位形成凹部的容器與上述壓電基板直接接合的工序和分離為包含上述壓電元件的各個加速度傳感器的工序。按照該加速度傳感器的制造方法的第6結(jié)構(gòu)，由于機(jī)-電變換元件是由壓電基板用模型形成的結(jié)構(gòu)，所以，機(jī)-電變換元件的形狀的偏差小。另外，由于機(jī)-電變換元件是與支持部同時形成的，所以，機(jī)-電變換元件的支持狀態(tài)的偏差小。因此，由于懸臂梁或雙臂梁的長度的偏差小，所以，可以實現(xiàn)共振頻率等特性偏差非常小的加速度傳感器。另外，由于用同一種材料形成機(jī)-電變換元件和支持部及容器，所以，可以實現(xiàn)不受溫度引起的畸變等的影響的穩(wěn)定性優(yōu)異的加速度傳感器。另外，由于是1次在1塊基板上制作多個加速度傳感器，所以，可以實現(xiàn)生產(chǎn)效率高的加速度傳感器。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第6結(jié)構(gòu)中，最好在形成壓電元件后，在上述壓電元件的相對的2個主面上形成電極。按照該極佳的例子，由于已形成了壓電元件，所以，在形成電極時容易對準(zhǔn)掩模的位置等，并且，可以只在壓電元件上高精度地形成電極。結(jié)果，可以獲得精度高的機(jī)-電變換元件。另外，這時，在壓電元件的相對的2個主面上形成電極時，最好同時在壓電基板上形成導(dǎo)電層。按照該極佳的例子，可以簡化制造工序。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第6結(jié)構(gòu)中，在壓電基板上形成電極后，最好用模型形成懸臂梁部或雙臂梁部。按照該極佳的例子，即使未將電極位置高精度地對準(zhǔn)，也可以制作機(jī)-電變換元件。另外，壓電元件薄時，在形成梁部后形成電極時，有時正反面的電極會發(fā)生短路，但是，按照該極佳的例子，可以避免發(fā)生這一問題。另外，這時，在形成電極時最好同時在壓電基板上形成導(dǎo)電層。
另外，本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第7結(jié)構(gòu)是包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和收容上述機(jī)-電變換元件的容器的加速度傳感器的制造方法，其特征在于具有在將至少2個壓電基板直接接合后用模型形成多個懸臂梁部或雙臂梁部從而形成多個壓電元件的工序、將在與上述壓電元件對應(yīng)的部位形成凹部的容器與上述壓電基板直接接合的工序和分離為包含上述壓電元件的各個加速度傳感器的工序。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第7結(jié)構(gòu)中，最好在形成壓電元件后，在上述壓電元件的相對的2個主面上形成電極。另外，這時，在壓電元件的相對的2個主面上形成電極時，最好同時在壓電基板上形成導(dǎo)電層。
另外，在上述本發(fā)明的加速度傳感器的制造方法的第7結(jié)構(gòu)中，最好在壓電基板上形成電極后，形成懸臂梁或雙臂梁的結(jié)構(gòu)。另外，這時，在形成電極時最好同時在壓電基板上形成導(dǎo)電層。
另外，本發(fā)明的沖擊檢測裝置的結(jié)構(gòu)包括具有由具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件和由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和支持上述機(jī)-電變換元件的支持體的加速度傳感器、將從上述加速度傳感器輸出的信號進(jìn)行變換及放大的放大電路、將從上述放大電路輸出的信號與作為基準(zhǔn)的信號進(jìn)行比較的比較電路、控制裝上了上述加速度傳感器的機(jī)器的控制電路和記錄沖擊的存儲裝置。按照該沖擊檢測裝置的結(jié)構(gòu)，由于不存在加速度傳感器的靈敏度的偏差和電容量的偏差，所以，可以實現(xiàn)加速度的測量精度高、對于作為檢測沖擊時的基準(zhǔn)的值可以使用比較電路進(jìn)行正確的判斷、同時可以檢測并記錄沖擊以及可以由控制電路判斷并指示進(jìn)行保護(hù)機(jī)器免受沖擊的動作的沖擊檢測裝置。


圖1是表示用于本發(fā)明第1實施例的加速度傳感器的機(jī)-電變換元件的斜視圖。
圖2是表示用于本發(fā)明第1實施例的加速度傳感器的機(jī)-電變換元件的制造方法的直接接合的各階段的壓電基板的界面狀態(tài)的說明圖。
圖3是表示用于本發(fā)明第1實施例的加速度傳感器的機(jī)-電變換元件的其他例子的斜視圖。
圖4是表示本發(fā)明第1實施例的懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件的斜視圖。
圖5是表示本發(fā)明第1實施例的懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件的剖面圖。
圖6是表示本發(fā)明第1實施例的加速度傳感器的一例的分解斜視圖。
圖7是表示在本發(fā)明第1實施例的懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件中發(fā)生彎曲振動時的情況的說明圖。
圖8是表示壓電基板的晶體軸與切割角的關(guān)系的圖。
圖9是表示鈮酸鋰基板的切割角與壓電常數(shù)的關(guān)系的圖。
圖10是本發(fā)明第1實施例的加速度傳感器的頻率特性圖。
圖11是表示本發(fā)明第1實施例的加速度傳感器的切割角的圖。
圖12是表示石英基板的切割角與壓電常數(shù)的關(guān)系的圖。
圖13是表示石英基板的切割角與壓電常數(shù)的關(guān)系的圖。
圖14是表示石英基板的切割角與壓電常數(shù)的關(guān)系的圖。
圖15是表示用于本發(fā)明第2實施例的加速度傳感器的機(jī)-電變換元件的剖面圖。
圖16是表示本發(fā)明第2實施例的加速度傳感器的一例的分解斜視圖。
圖17是表示本發(fā)明第2實施例的加速度傳感器的一例的剖面圖。
圖18是表示本發(fā)明第2實施例的加速度傳感器的其他例的分解斜視圖。
圖19是表示本發(fā)明第3實施例的加速度傳感器的制造方法的工序圖。
圖20是表示本發(fā)明第3實施例的加速度傳感器的制造方法的工序圖。
圖21是表示本發(fā)明第4實施例的加速度傳感器的一例的分解斜視圖。
圖22是表示本發(fā)明第4實施例的加速度傳感器的其他例的分解斜視圖。
圖23是本發(fā)明第5實施例的沖擊檢測裝置的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖24是表示本發(fā)明第5實施例的沖擊檢測裝置的放大電路的電路圖。
圖25是表示用本發(fā)明第5實施例的沖擊檢測裝置測量時的輸出與加速度的關(guān)系的圖。
圖26是表示先有技術(shù)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件的斜視圖。
圖27是表示先有技術(shù)的懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件的剖面圖。
圖28是表示先有技術(shù)的雙臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件的剖面圖。
(第1實施例)圖1是表示用于本發(fā)明第1實施例的加速度傳感器的機(jī)-電變換元件的斜視圖。如圖1所示，由具有相對的2個主面的厚50μm、寬0.5mm、長2mm的長方形的鈮酸鋰(LiNbO3)構(gòu)成的壓電基板2a、2b，其主面之間直接接合，以此構(gòu)成壓電元件2。這里，壓電基板2a和壓電基板2b以極化軸的方向成為相互相反的方向進(jìn)行接合。在壓電元件2的相對的2個主面上分別形成由厚0.2μm的鉻-金構(gòu)成的電極3a、3b。以此構(gòu)成雙壓電晶片式的機(jī)-電變換元件1。
下面，說明具有上述結(jié)構(gòu)的機(jī)-電變換元件的制造方法的一例。
圖2是表示用于本發(fā)明第1實施例的加速度傳感器的機(jī)-電變換元件的制造方法的直接接合的各階段的壓電基板的界面狀態(tài)的說明圖。圖2中，L1、L2、L3表示壓電基板間的距離。首先，將壓電基板2a、2b即2塊鈮酸鋰基板的兩面進(jìn)行鏡面研磨。然后，將這些壓電基板2a、2b通過用氨和過氧化氫及水的混合溶液(氨水∶過氧化氫水∶水＝1∶1∶6(容量比))進(jìn)行清洗，對壓電基板2a、2b進(jìn)行親水化處理。如圖2(a)所示，上述混合溶液清洗過的壓電基板2a、2b的表面以羥基(-OH基)進(jìn)行終端處理，成為親水性(接合前的狀態(tài))。
其次，如圖2(b)所示，將進(jìn)行了親水化處理的2塊壓電基板(鈮酸鋰)2a、2b以極化軸的方向成為相互相反的方向進(jìn)行接合(L1＞L2)。這樣，引起脫水，壓電基板(鈮酸鋰)2a和壓電基板(鈮酸鋰)2b便由于-OH重合及氫結(jié)合等的引力相互吸引而接合。
然后，對上述接合的壓電基板(鈮酸鋰)2a、2b在450℃下進(jìn)行熱處理。這樣，如圖2(c)所示，壓電基板(鈮酸鋰)2a的構(gòu)成原子和壓電基板(鈮酸鋰)2b的構(gòu)成原子之間便通過氧(O)成為共價鍵結(jié)合的狀態(tài)(L2＞L3)，壓電基板2a、2b在原子水平上牢固地直接接合在一起。即，可以獲得在接合的界面不存在粘接劑等粘接層的結(jié)合狀態(tài)。或者，有時壓電基板(鈮酸鋰)2a的構(gòu)成原子和壓電基板(鈮酸鋰)2b的構(gòu)成原子之間也通過羥基成為共價鍵結(jié)合的狀態(tài)，壓電基板2a、2b在原子水平上牢固地直接接合在一起。
鈮酸鋰的居里點是1210℃，由于通過與此接近的溫度經(jīng)歷，特性將惡化，所以，希望熱處理溫度小于居里點。
通過將希望接合的經(jīng)過鏡面研磨的面進(jìn)行表面處理后使其接觸而不通過粘接劑等粘接層在界面間直接發(fā)生的接合稱為「直接接合」。通常，通過進(jìn)行熱處理形成，由分子力形成的接合即共價鍵結(jié)合及離子結(jié)合等原子水平的強(qiáng)力的接合。
然后，在直接接合的壓電基板(鈮酸鋰)2a、2b即壓電元件的相對的2個主面上利用真空鍍膜法鍍上鉻-金膜，形成電極3a、3b(參見圖1)。最后，使用切割鋸切割加工成指定大小的短牌子狀，從而制作成雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件1。
如圖3所示，直接接合也可以通過由氧化硅薄膜等構(gòu)成的緩沖層46進(jìn)行。即，在壓電基板2a的一邊的主面上形成由厚0.1μm的氧化硅薄膜等構(gòu)成的緩沖層46，對該緩沖層46和另一個壓電基板2b進(jìn)行親水化處理后，將兩者重合，通過進(jìn)行熱處理，壓電基板2b的構(gòu)成原子和緩沖層46的構(gòu)成原子通過氧或羥基進(jìn)行接合。即使在接合面上有起伏及凹凸時或者有灰塵等異物附著到接合面上時，因為由緩沖層46吸收凹凸等，所以，可以很容易地進(jìn)行直接接合。另外，即使對于因親水化處理而難于在表面上形成氧及羥基的材料接合的情況，通過緩沖層46進(jìn)行接合，也可以很容易地進(jìn)行直接接合。這時，緩沖層既可以只設(shè)置在預(yù)定進(jìn)行接合的面的一方，也可以設(shè)置在雙方的面上。另外，作為緩沖層的材料，除了氧化硅外，還可以使用例如氮化硅、金屬硅化物等。
圖4是表示本發(fā)明第1實施例的懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件的斜視圖，圖5是其剖面圖。如圖4、圖5所示，由具有相對的2個主面的厚50μm、寬0.5mm、長2mm的長方形的鈮酸鋰構(gòu)成的壓電基板2a、2b，其主面之間直接接合，以此構(gòu)成壓電元件2。這里，壓電基板2a和壓電基板2b以極化著的方向成為相互相反的方向進(jìn)行接合。壓電元件2的一端以被由LiNbO3構(gòu)成的支持體4a、4b夾持的狀態(tài)進(jìn)行固定。這里，壓電元件2與支持體4a、4b直接接合。這時，壓電元件2與支持體4a、4b的直接接合也可以通過由氧化硅薄膜等構(gòu)成的緩沖層進(jìn)行。在壓電元件2的相對的2個主面上，分別形成由厚0.2μm的鉻-金構(gòu)成的電極3a、3b，這些電極3a、3b也在支持體4a、4b上連續(xù)地形成。這樣，就構(gòu)成了懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件1。
圖6是表示本發(fā)明第1實施例的加速度傳感器的一例的分解斜視圖。如圖6所示，具有圖4、圖5所示的結(jié)構(gòu)的懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件1收容到由利用腐蝕等方法在中央部形成凹陷部的鈮酸鋰構(gòu)成的容器10b內(nèi)。即，在雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件1的支持體4a、4b以外的部分保持在凹陷部上的狀態(tài)下，雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件1的支持體4a、4b利用導(dǎo)電性膠5a、5b(5a圖中未示出)固定到容器10b上。由同樣在中央部形成凹陷部的鈮酸鋰構(gòu)成的容器10a與容器10b重疊粘接。這樣，整個雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件1就被容器10a、10b所覆蓋。在容器10b的內(nèi)部，形成由銀-鈀構(gòu)成的導(dǎo)電層7a、7b，導(dǎo)電層7a、7b的一端通過導(dǎo)電性膠5a、5b分別與雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件1的電極3a、3b電氣連接。另外，在容器10a、10b的兩端面上形成由鎳構(gòu)成的外部電極9a、9b，導(dǎo)電層7a、7b的另一端分別與外部電極9a、9b電氣連接。即，雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件1的電極3a、3b通過導(dǎo)電性膠5a、5b和導(dǎo)電層7a、7b分別與外部電極9a、9b電氣連接。這樣，便可將雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件1發(fā)生的電荷取出到外部。利用上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成加速度傳感器100。
當(dāng)加速度加到安裝圖6所示的加速度傳感器100的物體上時，與加速度成正比的力便通過容器10a、10b、支持體4a、4b傳遞給機(jī)-電變換元件1。在上下方向(圖4的箭頭方向)產(chǎn)生加速度時，機(jī)-電變換元件1就沿上下方向彎曲，發(fā)生彎曲振動。該情況示于圖7。若考慮由壓電基板2a、2b構(gòu)成的機(jī)-電變換元件1向下方彎曲的情況(圖7的實線)，由于壓電基板2a相對于機(jī)-電變換元件1的中心軸位于上側(cè)，所以，在壓電基板2a中將發(fā)生在張力作用下被拉伸那樣的畸變。另一方面，由于壓電基板2b相對于機(jī)-電變換元件1的中心軸位于下側(cè)，所以，在壓電基板2b中將發(fā)生在壓縮力作用下收縮的畸變。
在將壓電陶瓷基板粘接而制作的先有的機(jī)-電變換元件的情況下，由于在壓電基板間存在比壓電基板柔軟的粘接劑，所以，機(jī)-電變換元件沿上下方向彎曲時，彎曲振動將被粘接劑吸收，從而在壓電基板中產(chǎn)生的應(yīng)力將減小。因此，在壓電基板中發(fā)生的電動勢也減小。
但是，本實施例的機(jī)-電變換元件1由于是通過將壓電基板2a、2b直接接合而制作的，所以，在壓電基板2a、2b間不存在粘接劑等粘接層。即，當(dāng)機(jī)-電變換元件1由于加速度而發(fā)生彎曲振動時，就不存在吸收該彎曲振動的問題。因此，在壓電基板2a、2b中發(fā)生不損的地應(yīng)力，從而可以獲得大的電動勢。結(jié)果，可以實現(xiàn)具有高的靈敏度的加速度傳感器。另外，由于壓電基板2a、2b的接合狀態(tài)均勻，所以，機(jī)-電變換元件1的共振頻率及靈敏度的偏差非常小。此外，由于在壓電基板2a、2b間不存在粘接層，所以，機(jī)-電變換元件1的振動特性不會隨溫度變化而變化。
另外，由于支持體4a、4b與機(jī)-電變換元件1在原子水平上牢固地接合，所以，加到安裝容器10a、10b的物體上的加速度不損失地傳遞給機(jī)-電變換元件1。
在由鈮酸鋰等構(gòu)成的壓電基板2a、2b中，在壓電基板2a、2b的上下面發(fā)生由壓縮應(yīng)力、拉伸應(yīng)力引起的電荷，但是，由于壓電基板2a和壓電基板2b以極化軸的方向成為相互相反的方向接合的，所以，盡管在壓電基板2a、2b中發(fā)生的應(yīng)力不同，一為壓縮應(yīng)力，一為拉伸應(yīng)力，但是，在壓電基板2a和壓電基板2b上卻發(fā)生相同極性的電荷。即，在壓電基板2a和壓電基板2b上發(fā)生相同方向的電動勢(參見圖7)。因此，可以從在機(jī)-電變換元件1的兩面形成的電極3a、3b獲得反映加速度的大小的信號。如果將鈮酸鋰基板的厚度方向設(shè)定為Y′軸方向，將長度方向設(shè)定為Z′軸方向，則壓縮應(yīng)力及拉伸應(yīng)力將沿Z′軸方向作用，電荷沿Y′軸方向發(fā)生。這時，發(fā)生的電荷量與壓電常數(shù)d23′關(guān)系極大。另外，該壓電常數(shù)d23′的大小隨將Y′軸、Z′軸相對于晶體軸取在哪個方向而變化很大。即，加速度傳感器的靈敏度隨Y′軸和Z′軸的方向而變化很大。當(dāng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定Y′軸和Z′軸，選擇使壓電常數(shù)d23′的大小的絕對值為最大的切割角時，便可獲得靈敏度最好的加速度傳感器。
圖8是鈮酸鋰基板的晶體軸與切割角的關(guān)系。在圖8中，X軸、Y軸、Z軸表示鈮酸鋰的晶體軸的方向，X′軸(＝X軸)、Y′軸、Z′軸表示以X軸為中心將Y軸轉(zhuǎn)動θ角時的正交軸。即，X′軸(＝X軸)、Y′軸、Z′軸表示鈮酸鋰基板的切割方向。如圖8所示的那樣設(shè)定各軸的方向時，將鈮酸鋰基板的厚度方向設(shè)定為X′軸方向、將長度方向設(shè)定為Y′軸方向時，壓電常數(shù)d12′與加速度傳感器的靈敏度的關(guān)系極大。另外，將鈮酸鋰基板的厚度方向設(shè)定為X′軸方向、將長度方向設(shè)定為Z′軸方向時，壓電常數(shù)d13′與加速度傳感器的靈敏度的關(guān)系極大。另外，將鈮酸鋰基板的厚度方向設(shè)定為Y′軸方向、將長度方向設(shè)定為X′軸方向時，壓電常數(shù)d21′與加速度傳感器的靈敏度的關(guān)系極大。另外，將鈮酸鋰基板的厚度方向設(shè)定為Y′軸方向、將長度方向設(shè)定為Z′軸方向時，壓電常數(shù)d23′與加速度傳感器的靈敏度的關(guān)系極大。另外，將鈮酸鋰基板的厚度方向設(shè)定為Z′軸方向、將長度方向設(shè)定為X′軸方向時，壓電常數(shù)d31′與加速度傳感器的靈敏度的關(guān)系極大。另外，將鈮酸鋰基板的厚度方向設(shè)定為Z′軸方向、將長度方向設(shè)定為Y′軸方向時，壓電常數(shù)d32′與加速度傳感器的靈敏度的關(guān)系極大。
圖9是鈮酸鋰基板的切割角與壓電常數(shù)的關(guān)系。如圖9所示，切割角為140°時，壓電常數(shù)d23′具有極大值。實際改變切割角制作機(jī)-電變換元件時的實驗結(jié)果示于下述表1和圖10。
表
<p>由上述表1所示可知，使用壓電常數(shù)最大的Y-切割140°基板，以Z′軸方向為長度方向的機(jī)-電變換元件發(fā)生的電荷最多，靈敏度最佳。圖11是這時的加速度傳感器的切割角的關(guān)系。以圖11所示的X軸為中心將Y軸轉(zhuǎn)動140°、將電極設(shè)置在與Y′軸垂直的面上、將長度方向設(shè)定為Z′軸方向的加速度傳感器具有最高的靈敏度。
鈮酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)是三角晶系的3m族，是以Z軸為中心3次對稱結(jié)構(gòu)。因此，存在數(shù)個具有同一壓電常數(shù)的切割角。例如，如圖9所示，切割角50°和230°的壓電常數(shù)d32′與切割角140°和320°的壓電常數(shù)d23′為相同的值。如果考慮晶體的對稱性，即可明白這一點。
此外，在靈敏度最大的最佳切割角附近的切割角，壓電常數(shù)與切割角的關(guān)系比較小，即使未嚴(yán)格地使切割角為最佳，也可以獲得幾乎相同的靈敏度。如果想嚴(yán)格地使切割角為最佳切割角，則通過嚴(yán)格地規(guī)定切割角的加工的高精度化、為了抑制偏差的工序的復(fù)雜化引起的加工費用的增加以及合格率降低引起的單價的增加將成為問題。就壓電常數(shù)d23′而言，如圖9所示，最佳切割角為140°，但是，只要切割角處于129°～152°的范圍內(nèi)，壓電常數(shù)就成為最大值的90～100％，就不會發(fā)生靈敏度惡化的問題。另外，將鈮酸鋰基板的厚度方向設(shè)定為Y′軸方向、將長度方向設(shè)定為X軸方向時，加速度傳感器的靈敏度與壓電常數(shù)d21′有關(guān)。如圖9所示，壓電常數(shù)d21′與切割角的關(guān)系比壓電常數(shù)d23′與切割角的關(guān)系小。這時，只要切割角處于最佳切割角±26°以內(nèi)，壓電常數(shù)就成為最大值的90～100％的值，從而不會發(fā)生靈敏度惡化的問題。因此，即使未高精度地加工切割角，也可以制作高靈敏度的加速度傳感器，所以，加工費用廉價。如果2塊壓電基板的切割角有差別，就存在由壓電體的熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不能抵消的問題，所以，最好2塊壓電基板的切割角的差別越小越好，但是，由于壓電常數(shù)與切割角的關(guān)系不大，所以，只要構(gòu)成機(jī)-電變換元件的2塊壓電基板的切割角的差別在1°以內(nèi)就可以。
機(jī)-電變換元件的長度、厚度和寬度通過考慮作為測量對象的加速度的頻率范圍而決定。測量的加速度的頻率越接近機(jī)-電變換元件的共振頻率，加速度傳感器的靈敏度越高。厚度50μm的2塊鈮酸鋰基板直接接合、從前端到支持體的長度設(shè)定為2mm的懸臂梁結(jié)構(gòu)的機(jī)-電變換元件1的共振頻率為20kHz。由圖10的靈敏度與加速度的頻率的測量結(jié)果可知，加速度的頻率大于10kHz時，由于接近機(jī)-電變換元件1的共振頻率，所以，靈敏度增高。在測量頻率范圍內(nèi)，為了使加速度傳感器的靈敏度與頻率的關(guān)系不大，必須使共振頻率遠(yuǎn)離測量頻率范圍。因此，例如，可以將機(jī)-電變換元件1設(shè)計為共振頻率成為最高測量頻率的2倍的頻率。如上所述，機(jī)-電變換元件1的共振頻率取決于其長度和厚度。先有的使用壓電陶瓷的加速度傳感器的情況，機(jī)-電變換元件的支持是通過粘接劑進(jìn)行的?？刂普辰觿┑耐磕渴抢щy的，由于粘接劑的溢出等機(jī)-電變換元件的實際長度將會變短，從而偏差增大。因此，在先有的使用壓電陶瓷的加速度傳感器的情況下，由于機(jī)-電變換元件的共振頻率偏差，所以，存在高頻區(qū)域的靈敏度將產(chǎn)生偏差，或者可測量的頻率隨各個加速度傳感器而變化等問題。在本實施例的情況下，由于將支持體4a、4b與機(jī)-電變換元件1直接接合，所以，機(jī)-電變換元件1的長度的偏差非常小。結(jié)果，機(jī)-電變換元件1的共振頻率的偏差就非常小，從而各個加速度傳感器在高頻區(qū)域的靈敏度及測量頻率范圍的變化就非常小。
作為壓電材料而使用的鈮酸鋰是單晶，其壓電常數(shù)、介電常數(shù)、彈性常數(shù)等的偏差非常小。對于壓電陶瓷，這些材料常數(shù)通常有約20％的偏差。因此，使用壓電陶瓷的加速度傳感器的靈敏度和共振頻率也有約20％的偏差。但是，在將鈮酸鋰基板直接接合而制作的本實施例的加速度傳感器中，靈敏度和共振頻率都可以將其偏差抑制到小于5％。
此外，壓電陶瓷隨時間的變化大，缺乏穩(wěn)定性。因此，使用壓電陶瓷的加速度傳感器存在靈敏度隨時間而變化約10～15％的問題。但是，將鈮酸鋰基板直接接合而制作的本實施例的加速度傳感器非常穩(wěn)定，隨時間的變化小于2％。
作為壓電基板2a、2b的材料，可以是能夠直接接合的單晶壓電材料，除了鈮酸鋰外，還可以使用鉭酸鋰(LiTaO3)、石英、Langasite型壓電晶體等。作為Langasite型壓電晶體，有La3Ga5SiO14；La3Ga5.5Nb0.5O14；La3Ga0.5Ta0.5O14。鉭酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)和鈮酸鋰一樣，是三角晶系的3m族，其最佳切割角和鈮酸鋰相同。另外，石英及Langasite型壓電晶體的晶體結(jié)構(gòu)是三角晶系的32族。圖12～圖14是具有32族的晶體結(jié)構(gòu)的石英基板的切割角與壓電常數(shù)的關(guān)系。圖12是以X軸為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時的切割角與壓電常數(shù)的關(guān)系，圖13是以Y軸為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時的切割角與壓電常數(shù)的關(guān)系，圖14是以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時的切割角與壓電常數(shù)的關(guān)系。另外，由Langasite型壓電晶體構(gòu)成的基板的切割角與壓電常數(shù)的關(guān)系也一樣。
在下述表2中一并示出根據(jù)圖12～圖14求出的具有32族的晶體結(jié)構(gòu)的單晶壓電材料的最佳切割角和前面所述的具有3m族的晶體結(jié)構(gòu)的單晶壓電材料的最佳切割角。
〔表2〕 進(jìn)而分別還包括以Z軸為中心轉(zhuǎn)動120°的切割角和以X軸及Y軸為中心轉(zhuǎn)動180°的角度。
在上述表2中，歐拉角的3個數(shù)字順序表示以X軸、Y軸、Z軸為中心的轉(zhuǎn)動角。另外，在上述表2中還示出了最大的壓電常數(shù)。如上述表2所示，將具有32族的晶體結(jié)構(gòu)的壓電體以X軸作為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動70°時，最大的壓電常數(shù)是d13′。這表示將具有32族的晶體結(jié)構(gòu)的壓電體以X軸作為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動70°時，垂直于轉(zhuǎn)動后的X′軸(＝X軸)方向切出壓電基板、將壓電基板的長度方向設(shè)定為Z′軸方向時，靈敏度最高。另外，歐拉角為(0，0，0)時，最大的壓電常數(shù)為d12′。這表示當(dāng)歐拉角為(0，0，0)時，垂直于轉(zhuǎn)動后的X′軸(＝X軸)方向切出壓電基板、將壓電基板的長度方向設(shè)定為Y′軸方向時，靈敏度最高。另外，歐拉角為(0，0，90)時，最大的壓電常數(shù)為d21′。這表示當(dāng)歐拉角為(0，0，90)時，垂直于轉(zhuǎn)動后的Y′軸方向切出壓電基板、將壓電基板的長度方向設(shè)定為X′軸方向時，靈敏度最高。
另外，在具有32族的晶體結(jié)構(gòu)的壓電基板(石英、Langasite型壓電晶體等)的情況下，對于d13′、d12′和d32′分別在+52°～+86°的范圍內(nèi)、±26°的范圍內(nèi)和+52°～+68°的范圍內(nèi)壓電常數(shù)成為最大值的90～100％，不會發(fā)生靈敏度惡化的問題。因此，即使未高精度地加工切割角，也可以制作高靈敏度的加速度傳感器，所以，加工費用廉價。
如上所述，按照本實施例，由于不使用粘接劑等粘接層，通過將壓電基板2a、2b牢固地直接接合而形成機(jī)-電變換元件1，所以，可以實現(xiàn)無特性偏差和轉(zhuǎn)動衰減等的具有高靈敏度的加速度傳感器。另外，由于不使用粘接劑而將機(jī)-電變換元件1與支持體4a、4b直接接合，所以，可以高精度地進(jìn)行機(jī)-電變換元件1的位置調(diào)整。結(jié)果，可以實現(xiàn)懸臂梁的長度和支持狀態(tài)無偏差而且穩(wěn)定性高、特性離散度非常小的小型的加速度傳感器。另外，由于不使用粘接劑而將機(jī)-電變換元件1與支持體4a、4b直接接合，所以，加速度可以不損失地傳遞給機(jī)-電變換元件1。
在本實施例中，作為電極3a、3b的材料，是使用鉻-金，但是，不一定限于這種材料，例如，也可以使用金、鉻、銀或合金材料。
另外，在本實施例中，作為容器10a、10b的材料，是使用鈮酸鋰，但是，不一定限于這種材料，例如，也可以使用鉭酸鋰、石英、玻璃、塑料、氧化鋁等陶瓷等材料。
另外，在本實施例中，將機(jī)-電變換元件1采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，但是，不一定限于這種結(jié)構(gòu)，也可以將機(jī)-電變換元件1的兩端與支持體直接接合作成雙臂梁結(jié)構(gòu)，另外，還可以將機(jī)-電變換元件1的中心與支持體直接接合作為中心支持結(jié)構(gòu)。
(第2實施例)圖15是表示用于本發(fā)明第2實施例的加速度傳感器的機(jī)-電變換元件的剖面圖。如圖15所示，由具有相對的2個主面的厚50μm、寬0.5mm、長2mm的長方形的鈮酸鋰構(gòu)成的壓電基板2a、2b其主面之間直接接合，以此構(gòu)成壓電元件2。這里，壓電基板2a和壓電基板2b以極化軸的方向成為相互相反的方向進(jìn)行接合。壓電元件2的一端以由鈮酸鋰構(gòu)成的支持體4a、4b夾持的狀態(tài)進(jìn)行固定。這里，壓電元件2與支持體4a、4b直接接合。在壓電元件2的相對的2個主面上，在未被支持體4a、4b夾持的部分分別形成由厚度0.2μm的鉻-金構(gòu)成的電極3a、3b。這樣，便構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式的機(jī)-電變換元件1。
圖16是表示本發(fā)明第2實施例的加速度傳感器的一例的分解斜視圖，圖17是其剖面圖。如圖16、圖17所示，具有圖15所示的結(jié)構(gòu)的懸臂梁結(jié)構(gòu)的機(jī)-電變換元件1收容在其上面、一端面和一側(cè)面開口的由鈮酸鋰構(gòu)成的容器10c內(nèi)，支持體4a、4b與容器10c的另一端面的內(nèi)側(cè)直接接合。這時，支持體4a、4b與容器10c的直接接合也可以通過由氧化硅薄膜等構(gòu)成的緩沖層進(jìn)行。在將支持體4a、4b和容器10c重合的狀態(tài)下，將導(dǎo)電層7c、7d的一端部與電極3a、3b連接，導(dǎo)電層7c、7d的另一端從容器10c的端部露出。由相同的鈮酸鋰構(gòu)成的和容器10c形狀相同的容器10d與容器10c接合。在容器10c、10d的外面形成由鎳構(gòu)成的外部電極9c、9d，外部電極9c、9d分別與導(dǎo)電層7c、7d電氣連接。即，機(jī)-電變換元件1的電極3a、3b通過導(dǎo)電層7c、7d與外部電極9c、9d電氣連接。這樣，便可將機(jī)-電變換元件1發(fā)生的電荷取出到外部。這樣，就構(gòu)成了加速度傳感器102。
在圖17所示的加速度傳感器102中，在上下方向施加加速度時，機(jī)-電變換元件1就沿上下方向振動，發(fā)生彎曲振動。發(fā)生彎曲振動時，壓電基板(鈮酸鋰)2a、2b的一方發(fā)生拉伸畸變，另一方發(fā)生壓縮畸變。這里，由于壓電基板2a和壓電基板2b是以極化軸成為相互相反的方向進(jìn)行接合的，所以，盡管在壓電基板2a、2b中發(fā)生的應(yīng)力不同，一為壓縮應(yīng)力，一為拉伸應(yīng)力，但是，在壓電基板2a和壓電基板2b上卻發(fā)生相同極性的電荷。即，在壓電基板2a和壓電基板2b中發(fā)生相同方向的電動勢。因此，可以從在機(jī)-電變換元件1的兩面形成的電極3a、3b獲得反映加速度的大小的信號。
圖18是表示本發(fā)明第2實施例的加速度傳感器的其他例的分解斜視圖。如圖18所示，由具有相對的2個主面的厚50μm、寬0.5mm、長2mm的長方形的鈮酸鋰構(gòu)成的壓電基板2a、2b其主面之間直接接合，以此構(gòu)成壓電元件2。這里，壓電基板2a和壓電基板2b以極化軸成為相互相反的方向進(jìn)行接合。在壓電元件2的相對的2個主面上，形成由厚度0.2μm的鉻-金構(gòu)成的電極3a、3b。這樣，便構(gòu)成機(jī)-電變換元件1。機(jī)-電變換元件1的一端被上下面開口、一分為二的由鈮酸鋰構(gòu)成的容器10e、10f夾緊，以此支持機(jī)-電變換元件1。這里，容器10e、10f和機(jī)-電變換元件1直接接合，另外，容器10e、10f之間也直接接合。這時，容器10e、10f和機(jī)-電變換元件1的直接接合或容器10e、10f之間的直接接合也可以通過由氧化硅薄膜等構(gòu)成的緩沖層進(jìn)行。容器10g、10h使用粘接劑與容器10e、10f的上下面粘接固定。這樣，機(jī)-電變換元件1就被封閉在容器內(nèi)。在容器的兩端面上分別形成由鎳構(gòu)成的外部電極9e、9f，該外部電極9e、9f通過圖中未示出的導(dǎo)電層分別與機(jī)-電變換元件1的電極3a、3b電氣連接。這樣，便可將機(jī)-電變換元件1發(fā)生的電荷取出到外部。另外，在容器10g、10h的內(nèi)表面設(shè)置凹陷部，以使機(jī)-電變換元件1彎曲時不會與機(jī)-電變換元件1接觸。這樣，就構(gòu)成了加速度傳感器103。
機(jī)-電變換元件1的長度、厚度和寬度考慮作為測量對象的加速度的頻率范圍進(jìn)行決定。測量的加速度的頻率越接近機(jī)-電變換元件1的共振頻率，加速度傳感器的靈敏度越高。在測量頻率范圍內(nèi)，為了使加速度傳感器的靈敏度與頻率的關(guān)系不大，必須使共振頻率遠(yuǎn)離測量頻率范圍。因此，例如可以將機(jī)-電變換元件1設(shè)計為共振頻率是最高測量頻率的2倍的頻率。
作為壓電材料使用的鈮酸鋰是單晶，其壓電常數(shù)、介電常數(shù)、彈性常數(shù)等的偏差非常小。在壓電陶瓷的情況下，這些材料常數(shù)通常有約20％的偏差。因此，使用壓電陶瓷的加速度傳感器的靈敏度和共振頻率也有約20％的偏差。但是，在將鈮酸鋰基板直接接合而制作的本實施例的加速度傳感器中，靈敏度和共振頻率都可以將偏差抑制到小于5％。
此外，壓電陶瓷隨時間的變化大，缺乏穩(wěn)定性。因此，使用壓電陶瓷的加速度傳感器存在靈敏度隨時間而變化約10～15％的問題。但是，將鈮酸鋰基板直接接合而制作的本實施例的加速度傳感器非常穩(wěn)定，隨時間的變化小于2％。
如上所述，按照本實施例，由于不使用粘接劑等粘接層，通過將壓電基板2a、2b牢固地直接接合而形成機(jī)-電變換元件1，所以，可以實現(xiàn)無特性偏差和振動衰減等的具有高靈敏度的加速度傳感器。另外，由于不使用粘接劑而將機(jī)-電變換元件1與支持體4a、4b直接接合，所以，可以高精度地進(jìn)行機(jī)-電變換元件1的位置調(diào)整。結(jié)果，可以實現(xiàn)懸臂梁的長度和支持狀態(tài)無偏差而且穩(wěn)定性高、特性離散度非常小的小型的加速度傳感器。另外，不使用粘接劑而通過將機(jī)-電變換元件1與支持體4a、4b直接接合，加速度可以不損失地傳遞給機(jī)-電變換元件1。另外，由于不使用粘接劑而通過將機(jī)-電變換元件1與支持體4a、4b直接接合從而支持體4a、4b與加速度從實際裝配面直接傳遞的容器牢固地接合，所以，加速度可以不損失地傳遞給機(jī)-電變換元件1。
另外，在本實施例中，作為壓電基板2a、2b的材料是使用鈮酸鋰，但是不一定限于這種材料，例如，也可以使用鉭酸鋰及石英。
另外，在本實施例中，作為電極3a、3b的材料是使用鉻-金，但是，不一定限于這種材料，例如，也可以使用金、鉻、銀或合金材料。
另外，在本實施例中，作為容器的材料是使用鈮酸鋰，但是，不一定限于這種材料，例如，也可以使用玻璃、陶瓷、樹脂等。
另外，在本實施例中，作為機(jī)-電變換元件1的支持體4a、4b向容器內(nèi)的固定方式和容器的固定方式是使用直接接合，但是，不一定限于這種方式，使用粘接劑進(jìn)行固定，也可以發(fā)揮同樣的特性。
另外，在本實施例中，將機(jī)-電變換元件1采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，但是，不一定限于這種結(jié)構(gòu)，也可以采用將機(jī)-電變換元件1的兩端與支持體直接接合的雙臂梁結(jié)構(gòu)，另外，還可以采用將機(jī)-電變換元件1的中心與支持體直接接合的中心支持結(jié)構(gòu)。
(第3實施例)下面，說明具有和圖16～圖18相同的懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器及其制造方法。
圖19、圖20是表示本發(fā)明第3實施例的加速度傳感器的制造方法的工序圖。
首先，如圖19(a)所示，作為壓電基板12a、12b，使用鈮酸鋰基板，利用將感光膠模型作為掩模部件的噴砂法形成懸臂梁部11a、11b。
其次，如圖19(b)所示，形成懸臂梁部11a的壓電基板12a和形成懸臂梁部11b的壓電基板12b通過直接接合而接合。直接接合是在如上述那樣將經(jīng)過親水化處理的2塊壓電基板12a、12b以極化軸方向成為相互相反的方向接合后進(jìn)行熱處理而進(jìn)行的。這時，壓電基板12a與壓電基板12b的直接接合也可以通過由氧化硅薄膜等構(gòu)成的緩沖層進(jìn)行。
然后，如圖19(c)所示，在懸臂梁部的兩面，利用真空鍍膜法鍍上鉻-金薄膜形成電極13a、13b。這樣，便可獲得懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件15。機(jī)-電變換元件15以壓電基板12a、12b的開口周邊作為支持部進(jìn)行支持。另外，在與壓電基板12a的電極13a同一側(cè)的面上以與電極13a導(dǎo)通的狀態(tài)形成導(dǎo)電層14a。該導(dǎo)電層14a用于將在電極13a上發(fā)生的電荷取出到外部電極20a(圖20(b)、(c))。此外，在與壓電基板12b的電極13b同一側(cè)的面上形成導(dǎo)電層14b以使懸臂梁部與壓電基板12b的開口的相反一側(cè)(圖的右側(cè))導(dǎo)通。這時，如果將導(dǎo)電層14a或?qū)щ妼?4b與電極13a或電極13b同時形成，便可簡化制造工序。
其次，如圖20(a)所示，在別的鈮酸鋰基板上使用將感光膠模型作為掩模部件的噴砂法形成凹部17，制作容器16a、16b。另外，在該容器16a、16b上同時形成用于與壓電基板12a、12b上的導(dǎo)電層14a、14b進(jìn)行電氣連接的貫通孔18。
然后，如圖20(b)所示，通過將形成機(jī)-電變換元件15的壓電基板12a、12b與容器16a、16b直接接合而接合。這樣，就將機(jī)-電變換元件15封閉到容器16a、16b內(nèi)。這時，壓電基板12a、12b與容器16a、16b的直接接合也可以通過由氧化硅薄膜等構(gòu)成的緩沖層進(jìn)行。由于懸臂梁部是由鈮酸鋰基板與支持部同時利用模型形成的，所以，支持部也具有可彎曲性，利用兼作容器16a、16b和支持部的別的鈮酸鋰基板更牢固地支持。由于在壓電基板(鈮酸鋰)12a、12b與容器(鈮酸鋰)16a、16b的接合部形成導(dǎo)電層(鉻-金)14a、14b，所以，難于將壓電基板12a、12b與容器16a、16b直接接合，但是，如果使壓電基板12a、12b和容器16a、16b的接合面積與導(dǎo)電層14a、14b的面積相比足夠大，就可以牢固地接合。接著，將導(dǎo)電性膠灌入容器16a、16b的貫通孔18內(nèi)，通過燒結(jié)形成豎直導(dǎo)電部19a、19b用以與導(dǎo)電層14a、14b電氣連接。此外，在容器16a、16b的上面，印刷銀-鈀，用以與豎直導(dǎo)電部19a、19b導(dǎo)通，形成外部電極20a、20b。這樣，機(jī)-電變換元件15上的電極13a、13b與外部電極20a、20b便形成電氣連接。
其次，如圖20(c)所示，使用切割鋸將基板切割為各個加速度傳感器104。機(jī)-電變換元件15具有懸臂梁結(jié)構(gòu)，與容器16a、16b牢固地接合。
在圖20(c)的加速度傳感器104中，沿上下方向施加加速度時，機(jī)-電變換元件15就沿上下方向振動，從而發(fā)生彎曲振動。發(fā)生彎曲振動時，壓電基板12a、12b的一方發(fā)生拉伸畸變，另一方發(fā)生壓縮畸變。這里，由于壓電基板12a和壓電基板12b是以極化軸的方向成為相互相反方向進(jìn)行接合的，所以，盡管在壓電基板12a和壓電基板12b中發(fā)生的應(yīng)力不同，一為壓縮應(yīng)力，一為拉伸應(yīng)力，但是，在壓電基板12a和壓電基板12b上卻發(fā)生相同極性的電荷。即，在壓電基板12a和壓電基板12b中發(fā)生相同方向的電動勢。因此，可以從在機(jī)-電變換元件15的兩面形成的電極13a、13b獲得反映加速度的大小的信號。
機(jī)-電變換元件15的長度、厚度和寬度考慮作為測量對象的加速度的頻率范圍進(jìn)行決定。測量的加速度的頻率越接近機(jī)-電變換元件15的共振頻率，加速度傳感器104的靈敏度越高。在測量頻率范圍內(nèi)，為了使加速度傳感器104的靈敏度與頻率的關(guān)系不大，必須將機(jī)-電變換元件15設(shè)計為共振頻率是最高測量頻率的2倍的頻率。
如上所述，按照本實施例，由于不使用粘接劑等粘接層而通過將壓電基板12a、12b牢固地直接接合形成機(jī)-電變換元件15，所以，可以實現(xiàn)無特性偏差和振動衰減等、具有高靈敏度的加速度傳感器104。另外，由于機(jī)-電變換元件15是由壓電基板利用模型形成的，所以，機(jī)-電變換元件15的形狀的偏差小。另外，由于機(jī)-電變換元件15與支持部同時形成，所以，機(jī)-電變換元件15的支持狀態(tài)的偏差小。因此，懸臂梁的長度的偏差小，從而可以實現(xiàn)共振頻率等特性偏差非常小的加速度傳感器。另外，由于可以用同一種材料形成機(jī)-電變換元件15、支持部件和容器16a、16b，所以，可以實現(xiàn)不受溫度引起的畸變等的影響的穩(wěn)定性優(yōu)異的小型的加速度傳感器。另外，由于在1塊基板上1次制作大量的加速度傳感器，所以，可以實現(xiàn)生產(chǎn)效率優(yōu)異的加速度傳感器。
在本實施例中，作為容器12a，12b的材料，是使用鈮酸鋰，但是，不一定限于這種材料，例如，也可以使用鉭酸鋰、石英。
在本實施例中，作為容器16a、16b的材料，是使用鈮酸鋰，但是，不一定限于這種材料，例如，也可以使用鉭酸鋰、石英、硅、玻璃等材料。最好使用與構(gòu)成機(jī)-電變換元件15的壓電基板12a、12b相同的材料，最理想的是與構(gòu)成機(jī)-電變換元件15的壓電基板12a、12b的材料熱膨脹系數(shù)接近的材料。
另外，在本實施例中，作為電極13a、13b的材料，是使用鉻-金，但是不一定限于這種材料，例如，也可以使用金、鉻、銀或合金材料。
另外，在本實施例中，作為豎直導(dǎo)電部19a、19b的材料，是使用導(dǎo)電性膠，但是，不一定限于這種材料，例如，也可以使用焊錫及銀焊料等。
另外，在本實施例中，在壓電基板(鈮酸鋰)12a、12b上形成懸臂梁部11a、11b后，通過將它們直接接合而形成雙壓電晶片式的機(jī)-電變換元件15，但是，不一定限于這一順序，也可以在將2塊壓電基板(鈮酸鋰)12a、12b直接接合后形成懸臂梁部11a、11b。
另外，在本實施例中，在形成懸臂梁部11a、11b后形成電極13a、13b，但是，不一定限于這一順序，也可以在形成電極13a、13b后形成懸臂梁部11a、11b。
另外，在本實施例中，作為壓電基板12a、12b上的懸臂梁部11a、11b的加工方法和容器16a、16b的凹部17及貫通孔18的加工方法，使用噴砂法，但是，不一定限于這種方法，例如，也可以使用乾腐蝕、濕腐蝕、激光加工、離子束加工、切割及線鋸等機(jī)械加工、噴射加工和放電加工等。
另外，在本實施例中，作為電極13a、13b的形成方法，是使用真空鍍膜法，但是，不一定限于這種方法，例如，也可以使用濺射法、CVD法等氣相成膜法及電鍍和印刷等方法。
另外，在本實施例中，將外部電極20a、20b設(shè)置在容器16a、16b的上面，但是，不一定限于這一結(jié)構(gòu)，也可以設(shè)置在容器16a、16b的側(cè)面或跨越在側(cè)面和上面。
另外，在本實施例中，是通過在容器16a、16b上設(shè)置貫通孔18進(jìn)行導(dǎo)電層14a、14b與外部電極20a、20b的連接的，但是，不一定限于這種方法，也可以通過在容器16a、16b上設(shè)置切口等進(jìn)行。
另外，當(dāng)由于導(dǎo)電層14a、14b的存在而導(dǎo)致機(jī)-電變換元件15的壓電基板(鈮酸鋰)12a、12b與容器(鈮酸鋰)16a、16b不能以足夠的強(qiáng)度接合時，如果在接合面上形成氧化硅膜作為緩沖層，通過該緩沖層進(jìn)行接合便可獲得強(qiáng)的接合強(qiáng)度。
(第4實施例)圖21是表示本發(fā)明第4實施例的加速度傳感器的分解斜視圖。如圖21所示，雙壓電晶片式的機(jī)-電變換元件21以將其兩端支持的狀態(tài)設(shè)置在由鈮酸鋰構(gòu)成的容器27b上(雙臂梁結(jié)構(gòu))。雙壓電晶片式的機(jī)-電變換元件21通過壓電基板(鈮酸鋰)22a、22b直接接合而構(gòu)成。同樣由鈮酸鋰構(gòu)成的容器27a與容器27b直接接合。這時，容器27a與容器27b的直接接合也可以通過由氧化硅薄膜等構(gòu)成的緩沖層進(jìn)行。另外，在容器27a、27b的外面，分別形成外部電極26a、26b(圖中未示出26b)，該外部電極26a、26b分別與機(jī)-電變換元件21的電極23a、23b電氣連接。這樣，便可將在機(jī)-電變換元件21上的電極23a、23b發(fā)生的電荷取出到外部。通過上述步驟，就構(gòu)成了加速度傳感器105。
本實施例的雙臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器105也可以利用和上述第3實施例相同的方法制造。即，如圖22所示，首先，在2塊壓電基板(鈮酸鋰)22a、22b上形成雙臂梁部，通過將壓電基板22a、22b直接接合，制作雙壓電晶片式的壓電元件。其次，在雙臂梁部上形成電極23a、23b，制作雙壓電晶片式的機(jī)-電變換元件21。然后，形成用于將外部電極與電極23a、23b連接的導(dǎo)電層24a、24b(圖中未示出24b)。該雙臂梁結(jié)構(gòu)的機(jī)-電變換元件21和上述第3實施例相同，在基板上同時形成大量的元件，可以提高生產(chǎn)效率。使用和上述第3實施例相同的工序，將形成凹部和貫通孔的鈮酸鋰基板與形成機(jī)-電變換元件21的壓電基板22a、22b直接接合，形成容器。最后，設(shè)置外部電極等，制作成加速度傳感器。
使用雙臂梁結(jié)構(gòu)時，即使是相同長度、相同厚度的機(jī)-電變換元件，共振頻率也比懸臂梁結(jié)構(gòu)時高，所以，可以測量更高頻率區(qū)域的加速度。
機(jī)-電變換元件21的長度、厚度和寬度考慮作為測量對象的加速度的頻率范圍進(jìn)行決定。測量的加速度的頻率越接近機(jī)-電變換元件21的共振頻率，加速度傳感器105的靈敏度越高。在測量頻率范圍內(nèi)，為了使加速度傳感器105的靈敏度與頻率的關(guān)系不大，必須使共振頻率遠(yuǎn)離測量頻率范圍。因此，例如可以將機(jī)-電變換元件21設(shè)計為共振頻率是最高測量頻率的2倍的頻率。
如上所述，按照本實施例，由于不使用粘接劑等粘接層而通過將壓電基板22a、22b牢固地直接接合形成機(jī)-電變換元件21，所以，可以實現(xiàn)無特性偏差和振動衰減等、具有高靈敏度的加速度傳感器。另外，由于將機(jī)-電變換元件21與容器27a、27b直接接合，所以，機(jī)-電變換元件21的位置對準(zhǔn)精度高，雙臂梁部的長度和支持狀態(tài)不會發(fā)生偏差。結(jié)果，可以實現(xiàn)穩(wěn)定性高、特性偏差非常小、可以測量到高頻范圍的小型的加速度傳感器。另外，由于通過將容器27a和容器27b直接接合，不使用粘接劑容器27a和容器27b便可牢固地接合，所以，接合面的耐熱性高。結(jié)果，即使進(jìn)行回流焊接等，也不會從接合部發(fā)生氣體，容器27a和容器27b成為氣密封閉的狀態(tài)，所以，可以獲得特性不惡化的可靠性高的加速度傳感器。
在本實施例中，作為壓電基板22a、22b的材料，是使用鈮酸鋰，但是，不一定限于這種材料，例如，也可以使用鉭酸鋰及石英。
另外，在本實施例中，作為容器27a、27b的材料，是使用鈮酸鋰，但是，不一定限于這種材料，例如，也可以使用鉭酸鋰、石英、硅、玻璃等材料。最好使用和構(gòu)成機(jī)-電變換元件21的壓電基板22a、22b相同的材料，最理想的是使用和構(gòu)成機(jī)-電變換元件21的壓電基板22a、22b的熱膨脹系數(shù)接近的材料。
(第5實施例)圖23是本發(fā)明第5實施例的沖擊檢測裝置的電路結(jié)構(gòu)圖。如圖23所示，本沖擊檢測裝置由加速度傳感器40、將從加速度傳感器40輸出的信號變換和放大的放大電路41、將從放大電路41輸出的信號與作為基準(zhǔn)的信號進(jìn)行比較的比較電路42、記錄沖擊的存儲裝置43、顯示沖擊的顯示裝置44、控制比較電路42和存儲裝置43及顯示裝置的控制電路45構(gòu)成。作為控制電路45，也可以利用裝上了該沖擊檢測裝置的機(jī)器的控制裝置的一部分。這里，作為加速度傳感器40，使用上述第1實施例的加速度傳感器(圖6)。
圖24是放大電路的結(jié)構(gòu)。如圖24所示，加速度傳感器40與電阻R1并聯(lián)連接到場效應(yīng)晶體管(FET)的柵極，從加速度傳感器40輸出的信號輸入場效應(yīng)晶體管的柵極。該電路的頻率特性的低頻端的截止頻率由電阻R1和加速度傳感器40的電容量C1決定，可以表為fc＝1/2πR1C1。因此，在低于fc的頻率，輸出降低。加速度傳感器40的電容量C1離散大時，截止頻率fc就產(chǎn)生偏差，從而可測量的最低頻率就發(fā)生變化。在使用壓電陶瓷的加速度傳感器中，電容量的偏差約為20％，截止頻率也有相同數(shù)量級的偏差。但是，在將本發(fā)明的壓電單晶基板直接接合而制作的加速度傳感器40中，由于電容量C1的偏差非常小，小于7％，所以，截止頻率fc也穩(wěn)定，即使對于低頻的加速度，也可以獲得穩(wěn)定的輸出。從加速度傳感器40輸出的信號由放大電路41進(jìn)行變換和放大。從放大電路41輸出的信號輸入比較電路42。由比較電路42判斷從放大電路41輸出的信號大于還是小于作為基準(zhǔn)的信號。
下面，說明例如當(dāng)施加10G以上的沖擊時識別沖擊、記錄沖擊和顯示沖擊的情況。圖25是將在上述第1實施例中所述的加速度傳感器的輸出用圖24的電路測量時的輸出電壓與加速度的關(guān)系。如圖25所示，施加10G的加速度時從與加速度傳感器40連接的放大電路41輸出的信號的大小為64mV。這時，將64mV作為基準(zhǔn)信號從控制電路45輸入比較電路42。由比較電路42將該基準(zhǔn)信號與放大電路41的輸出信號進(jìn)行比較，從放大電路41輸出的信號大時，就發(fā)生輸出信號，并送回控制電路45。這樣，便可使控制電路45識別出施加了比作為基準(zhǔn)的10G大的沖擊?？刂齐娐?5可以向存儲裝置43發(fā)出命令，使之存儲已接受到比作為基準(zhǔn)的10G大的沖擊。這時，可以記錄加速度的大小和接受加速度的時間、日期等。另外，控制電路45還向顯示裝置44發(fā)出命令，使之顯示已接受到比作為基準(zhǔn)的10G大的沖擊和沖擊的大小及時間、日期等，顯示裝置44就顯示這些信息。另外，控制電路45還可以向裝上了該沖擊檢測裝置的整個機(jī)器發(fā)出命令，使之避免發(fā)生沖擊引起的誤動作和破壞。例如，當(dāng)該沖擊檢測裝置組裝到硬盤內(nèi)時，在檢測到?jīng)_擊的瞬間，便可發(fā)出命令中止從磁頭向磁盤寫入信息，使磁頭退避到磁頭與磁盤接觸不到的位置。另外，當(dāng)該沖擊檢測裝置組裝到手持電話機(jī)內(nèi)時，還可以發(fā)出命令自我診斷有無故障。
在本實施例的沖擊檢測裝置中，由于作為加速度傳感器是使用上述第1實施例的加速度傳感器(圖6)，所以，加速度傳感器的靈敏度和電容量沒有偏差。結(jié)果，可以實現(xiàn)加速度的測量精度高、可以使用比較電路相對于作為檢測沖擊時的基準(zhǔn)的值進(jìn)行正確的判斷的沖擊檢測裝置。另外，由于按上述方式構(gòu)成沖擊檢測裝置，所以，可以實現(xiàn)能夠檢測并記錄沖擊、使用控制電路進(jìn)行判斷并指示進(jìn)行保護(hù)機(jī)器免受沖擊的動作的沖擊檢測機(jī)器。
權(quán)利要求
1.一種加速度傳感器，其特征在于包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間直接接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和支持上述機(jī)-電變換元件的支持體。
2.按權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于2個壓電基板的主面之間是通過使上述2個壓電基板的構(gòu)成原子通過從由氧和羥基構(gòu)成的群中選擇的至少一種相互結(jié)合而進(jìn)行接合的。
3.按權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于2個壓電基板以極化軸的方向成為相互相反的方向進(jìn)行接合。
4.按權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于2個壓電基板通過緩沖層直接接合。
5.按權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于機(jī)-電變換元件的一端支持在支持體上。
6.按權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于機(jī)-電變換元件的兩端支持在支持體上。
7.按權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于壓電基板由晶體結(jié)構(gòu)3m族的單晶壓電材料構(gòu)成，以上述單晶壓電材料的晶體軸為X軸、Y軸、Z軸時，上述壓電基板的主面垂直于與Y軸的夾角為+129°～+152°的軸并且包含X軸，聯(lián)接上述壓電基板的重心和支持體的中心的連線垂直于X軸。
8.按權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于壓電基板由晶體結(jié)構(gòu)3m族的單晶壓電材料構(gòu)成，以上述單晶壓電材料的晶體軸為X軸、Y軸、Z軸時，上述壓電基板的主面垂直于與Y軸的夾角為-26°～+26°的軸并且包含X軸，聯(lián)結(jié)上述壓電基板的重心和支持體的中心的連線垂直于X軸。
9.按權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于壓電基板由晶體結(jié)構(gòu)32族的單晶壓電材料構(gòu)成，以上述單晶壓電材料的晶體軸為X軸、Y軸、Z軸時，上述壓電基板的主面垂直于X軸，聯(lián)結(jié)上述壓電基板的重心和支持部中心的連線與Z軸的夾角為+52°～+86°的角度。
10.按權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于壓電基板由晶體結(jié)構(gòu)32族的單晶壓電材料構(gòu)成，以上述單晶壓電材料的晶體軸為X軸、Y軸、Z軸時，上述壓電基板的主面垂直于與X軸的夾角為-26°～+26°的軸并且包含Y軸，聯(lián)結(jié)上述壓電基板的重心和支持體的中心的連線平行于Y軸。
11.按權(quán)利要求1所述的加速度傳感器，其特征在于壓電基板由晶體結(jié)構(gòu)32族的單晶壓電材料構(gòu)成，以上述單晶壓電材料的晶體軸為X軸、Y軸、Z軸時，上述壓電基板的主面垂直于與X軸的夾角為+52°～+68°的軸并且包含Z軸，聯(lián)結(jié)上述壓電基板的重心和支持體的中心的連線垂直于Z軸。
12.一種加速度傳感器，其特征在于包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和支持上述機(jī)-電變換元件的支持體，上述機(jī)-電變換元件與上述支持體直接接合。
13.按權(quán)利要求12所述的加速度傳感器，其特征在于構(gòu)成機(jī)-電變換元件的壓電基板和支持體是通過使上述壓電基板的構(gòu)成原子和上述支持體的構(gòu)成原子通過從由氧和羥基構(gòu)成的群中選擇的至少一種相互結(jié)合而接合的。
14.按權(quán)利要求12所述的加速度傳感器，其特征在于構(gòu)成機(jī)-電變換元件的壓電基板和支持體通過緩沖層直接接合。
15.按權(quán)利要求12所述的加速度傳感器，其特征在于壓電基板和支持體由同一種材料構(gòu)成。
16.按權(quán)利要求12所述的加速度傳感器，其特征在于機(jī)-電變換元件的一端支持在支持體上。
17.按權(quán)利要求12所述的加速度傳感器，其特征在于機(jī)-電變換元件的兩端支持在支持體上。
18.一種加速度傳感器，其特征在于包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件、支持上述機(jī)-電變換元件的支持體和收容上述機(jī)-電變換元件的容器，上述支持體與上述容器直接接合。
19.按權(quán)利要求18所述的加速度傳感器，其特征在于容器和支持體是通過使上述容器的構(gòu)成原子和上述支持體的構(gòu)成原子通過從由氧和羥基構(gòu)成的群中選擇的至少一種相互結(jié)合而接合的。
20.按權(quán)利要求18所述的加速度傳感器，其特征在于容器和支持體通過緩沖層直接接合。
21.按權(quán)利要求18所述的加速度傳感器，其特征在于容器和支持體由同一種材料構(gòu)成。
22.一種加速度傳感器，其特征在于包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和收容上述機(jī)-電變換元件的容器，通過將構(gòu)成上述壓電元件的上述壓電基板與上述容器直接接合，支持上述機(jī)-電變換元件。
23.按權(quán)利要求22所述的加速度傳感器，其特征在于壓電基板和容器是通過使上述壓電基板的構(gòu)成原子和上述容器的構(gòu)成原子通過從由氧和羥基構(gòu)成的群中選擇的至少一種相互結(jié)合而接合的。
24.按權(quán)利要求22所述的加速度傳感器，其特征在于壓電基板和容器通過緩沖層直接接合。
25.按權(quán)利要求22所述的加速度傳感器，其特征在于壓電基板和容器由同一種材料構(gòu)成。
26.一種加速度傳感器，其特征在于包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件、支持上述機(jī)-電變換元件的支持體和收容上述機(jī)-電變換元件的由至少兩部分構(gòu)成的容器，構(gòu)成上述容器的各部分之間直接接合。
27.按權(quán)利要求26所述的加速度傳感器，其特征在于構(gòu)成容器的各部分之間是通過使容器的構(gòu)成原子通過從由氧和羥基構(gòu)成的群中選擇的至少一種相互結(jié)合而接合的。
28.按權(quán)利要求26所述的加速度傳感器，其特征在于構(gòu)成容器的各部分之間通過緩沖層直接接合。
29.一種包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和支持上述機(jī)-電變換元件的支持體的加速度傳感器的制造方法，其特征在于通過將上述2塊壓電基板的上述主面之間直接接合而形成壓電元件。
30.按權(quán)利要求29所述的加速度傳感器的制造方法，其特征在于在將經(jīng)過親水化處理的2塊壓電基板的主面之間接合后，通過進(jìn)行熱處理將上述2塊壓電基板的上述主面之間直接接合。
31.一種包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和支持上述機(jī)-電變換元件的支持體的加速度傳感器的制造方法，其特征在于將上述支持體與構(gòu)成上述壓電元件的上述壓電基板直接接合。
32.按權(quán)利要求31所述的加速度傳感器的制造方法，其特征在于在將經(jīng)過親水化處理的支持體和壓電基板接合后，通過進(jìn)行熱處理將上述支持體與上述壓電基板直接接合。
33.一種包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件、支持上述機(jī)-電變換元件的支持體和收容上述機(jī)-電變換元件的容器的加速度傳感器的制造方法，其特征在于將上述支持體與上述容器直接接合。
34.按權(quán)利要求33所述的加速度傳感器的制造方法，其特征在于在將經(jīng)過親水化處理的支持體和容器接合后，通過進(jìn)行熱處理將上述支持體與上述容器直接接合。
35.一種包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件、支持上述機(jī)-電變換元件的支持體和收容上述機(jī)-電變換元件的容器的加速度傳感器的制造方法，其特征在于將構(gòu)成上述壓電元件的壓電基板與上述容器直接接合。
36.按權(quán)利要求35所述的加速度傳感器的制造方法，其特征在于在將經(jīng)過親水化處理的壓電基板和容器接合后，通過進(jìn)行熱處理將上述壓電基板與上述容器直接接合。
37.一種包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間直接接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件、支持上述機(jī)-電變換元件的支持體和收容上述機(jī)-電變換元件的至少由2個部分構(gòu)成的容器的加速度傳感器的制造方法，其特征在于將上述容器的各部分之間直接接合。
38.按權(quán)利要求37所述的加速度傳感器的制造方法，其特征在于在將經(jīng)過親水化處理的容器的各部分之間接合后，通過進(jìn)行熱處理將上述容器的各部分之間直接接合。
39.一種包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和收容上述機(jī)-電變換元件的容器的加速度傳感器的制造方法，其特征在于包括將用模型形成多個懸臂梁部或雙臂梁部的至少2塊壓電基板直接接合形成多個壓電元件的工序、將在與上述壓電元件對應(yīng)的部位形成凹部的容器與上述壓電基板直接接合的工序和分離為包含上述壓電元件的各個加速度傳感器的工序。
40.一種包括具有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間接合而構(gòu)成的壓電元件、由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和收容上述機(jī)-電變換元件的容器的加速度傳感器的制造方法，其特征在于包括在將至少2塊壓電基板直接接合后用模型形成多個懸臂梁部或雙臂梁部從而形成多個壓電元件的工序、將在與上述壓電元件對應(yīng)的部位形成凹部的容器與上述壓電基板直接接合的工序和分離為包含上述壓電元件的各個加速度傳感器的工序。
41.按權(quán)利要求39或40所述的加速度傳感器的制造方法，其特征在于在形成壓電元件后，在上述壓電元件的相對的主面上形成電極。
42.按權(quán)利要求39或40所述的加速度傳感器的制造方法，其特征在于在壓電基板上形成電極后，用模型形成懸臂梁部或雙臂梁部。
43.按權(quán)利要求41或42所述的加速度傳感器的制造方法，其特征在于在形成電極時，同時在壓電基板上形成導(dǎo)電層。
44.一種沖擊檢測裝置，其特征在于包括具有由其有相對的2個主面的至少2個壓電基板的上述主面之間直接接合而構(gòu)成的壓電元件和由在上述壓電元件的相對的2個主面上形成的電極構(gòu)成的機(jī)-電變換元件和支持上述機(jī)-電變換元件的支持體的加速度傳感器、將從上述加速度傳感器輸出的信號進(jìn)行變換和放大的放大電路、將從上述放大電路輸出的信號與作為基準(zhǔn)的信號進(jìn)行比較的比較電路、控制裝上了上述加速度傳感器的機(jī)器的控制電路和記錄沖擊的存儲電路。
全文摘要
將由具有相對的2個主面的厚50μm、寬0.5m、長2mm的長方形的鈮酸鋰構(gòu)成的壓電基板2a、2b的主面之間以極化軸的方向成為相互相反的方向進(jìn)行接合，構(gòu)成壓電元件2。將由鈮酸鋰構(gòu)成的支持體4a、4b與壓電元件2的一端直接接合。在壓電元件2的相對的2個主面和支持體4a、4b上連續(xù)地形成由厚度0.2μm的鉻-金構(gòu)成的電極3a、3b，構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片式機(jī)-電變換元件1。從而，構(gòu)成本發(fā)明的加速度傳感器。
文檔編號G01R31/30GK1154478SQ9612283
公開日1997年7月16日 申請日期1996年10月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月9日
發(fā)明者大土哲郎, 杉本雅人, 小掠哲義, 富田佳宏, 川崎修 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社