CN1232969A - 压电型加速度传感器及其制造方法和加速度检测方法 - Google Patents
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Abstract
加速度传感器201包括纵向效应型检测部203和横向效应型检测部204。纵向效应型检测部203包括由薄膜压电体211a和电极211b、211c构成的纵向效应型压电元件211。横向效应型检测部204设有横向效应型压电元件213,使其支撑在底板105上形成的沟状凹部105a的上方附近。检测电路116根据纵向效应型检测部203和横向效应型检测部204两者的输出检测出规定方向上加速度等。因此,能够检测规定方向上的加速度并实现大动态范围和宽频带。
Description
本发明涉及使用压电体检测加速度、冲击、振动等的压电型加速度传感器、加速度检测方法和压电型加速度传感器的制造方法。
近年来，电介质、特别是强电介质被研究用来作为利用了其热电特性的热电型红外线检测器、利用了其极化反转特性的非易失性存储器和利用了其高介电常数特性的电容性元件等，同时，还被研究用来作为利用了其压电特性的加速度传感器(压电型加速度传感器)和压力传感器、利用了其逆压电效应的促动器等压电元件的关键原材料。
用在上述加速度传感器和压力传感器等中的压电元件是利用压电体因受力而产生电荷的‘压电效应’去检测力学量(加速度、压力等)的元件，具有能够得到极高检测灵敏度的特征。
以下，详细说明上述加速度传感器。再有，因加速度、振动、冲击等是同一物理现象，所以，下面只笼统地称之为加速度。
加速度传感器根据检测出的作用于压电体的力(加速度)的方向，可分成以下3种类型。
(1)纵向效应型：检测出与电轴平行方向上的加速度
(2)剪切效应型：检测出与电轴平行平面内的和电轴方向不一致方向上的加速度
(3)横向效应型：检测出与电轴垂直方向上的加速度
上述纵向效应型加速度传感器的结构是在压电体的前端设置摆锤，当因摆锤的惯性而使压电体伸缩时，在压电体上产生电荷，它是利用这样的原理进行工作的。该加速度传感器因其机械强度大故能够检测出大的加速度。此外，一般，因其机械共振频率高故能够检测出频率高的振动或急剧变化的加速度。
此外，剪切效应型加速度传感器具有与上述纵向效应型相同的结构，当因摆锤的惯性而对压电体作用剪切力时，在压电体上产生电荷，它是利用这样的原理进行工作的。该加速度传感器与纵向效应型一样，能够检测出大的加速度，同时，能够检测出频率高的振动或急剧变化的加速度。
另一方面，横向效应型加速度传感器的结构是将压电体粘接在具有悬臂梁或两端固定梁结构的弹性板上，因其灵敏度高故能够检测出微小的加速度。此外，一般，因容易实现低的机械共振频率，故容易检测出频率低的振动和缓慢变化的加速度。
但是，上述纵向效应型加速度传感器不仅能检测出与电轴平行方向上的加速度，而且，根据与剪切效应型相同的原理，还检测出与电轴平行平面内的和电轴方向不一致方向上的摆锤的加速度。所以，要从输出电压确定是哪个方向上的加速度的作用就很困难，存在不能只准确地检测与电轴平行方向上的加速度的问题。此外，与能够检测出大的加速度相反，难以检测出微小的加速度。
另一方面，横向效应型加速度传感器，一般，因其机械共振频率较低故存在难以检测出频率高的振动或急剧变化的加速度的问题。此外，因为压电体粘接在弹性板上，伴随弹性板的挠曲压电体产生变形，由此，间接地检测出加速度，所以，当在制造过程中因弹性板和压电体粘接不充分而出现粘接状态不一致时，往往会增加传感器灵敏度的离散。
鉴于上述问题，本发明的目的在于，提供一种压电型加速度传感器，能够可靠地检测出规定方向上的加速度。此外，能够检测出大的加速度和微小的加速度(大动态范围)，同时，还能够检测出高频振动和低频振动或变化剧烈和变化缓慢的加速度(宽频带)。进而，能够降低检测灵敏度的离散，还能够实现轻便小型化和降低制造成本。
此外，本发明的目的在于提供一种使用上述那样的压电型加速度传感器的加速度检测方法。
进而，本发明的目的在于提供一种上述那样的压电型加速度传感器的制造方法。
这里，首先就达到上述目的的本发明的概要进行说明。本发明的基本原理是，使用具有多个压电元件的压电型加速度传感器，在这些多个传感器的输出的基础上进行信号的合成和运算等，由此，检测出规定方向上的加速度，并得以实现大动态范围和宽频带。具体地说，例如在加速度分量的检测方向上具备具有各向异性的多个压电元件，上述多个压电元件通过分别在相互不同的方向上进行配置能够可靠地检测出规定方向上的加速度。即，假定各方向上的加速度分量是未知数，若具备与该未知数相同个数的压电元件，理论上可以根据这些压电元件的输出求出各加速度分量。此外，通过具备多个加速度检测频率特性互不相同的压电元件并将上述多个压电元件的输出合成，可以以由上述各压电元件的频率特性合成的频率特性来进行加速度的检测。此外，通过具备多个加速度检测灵敏度互不相同的压电元件并将上述多个压电元件的输出合成，可以以由上述各压电元件的检测灵敏度合成的检测灵敏度来进行加速度的检测。
下面，进行具体说明。
本发明的特征在于，包括：具有第1压电体并与上述第1压电体的伸缩和剪切变形对应输出电压的纵向效应型压电元件；具有第2压电体并与上述第2压电体的挠曲变形对应输出电压的横向效应型压电元件；固定上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的传感器底板。
因此，在上述横向效应型压电元件中，由于只与产生挠曲变形方向上的加速度分量对应产生横向效应输出电压，所以能够检测出上述方向上的加速度分量。另一方面，在上述纵向效应型压电元件中，与产生伸缩变形方向上的加速度分量对应产生纵向效应输出电压，同时，与产生剪切变形方向上的加速度分量对应产生剪切效应输出电压。因此，通过取上述纵向效应型压电元件的检测输出信号和上述横向效应型压电元件的检测输出信号的差分，可以检测出产生剪切变形方向上的加速度分量。此外，不取上述那样的的差分而是将两个检测输出信号进行比较，由此判别加速度的方向。例如，当纵向效应型压电元件的输出比与上述横向效应型压电元件的输出对应的规定大小还大时，可以判定在纵向效应型压电元件上加有产生剪切变形方向上加速度。另一方面，当只利用纵向效应型压电元件检测加速度时，则可以判定在上述纵向效应型压电元件上只加有产生剪切变形方向上加速度。
此外，上述那样的纵向效应型压电元件和横向效应型压电元件，因其频率特性和检测灵敏度不同，通过将两者的检测输出信号合成，可以以由两者的频率特性合成的频率特性来进行加速度的检测，可以实现传感器的宽频带，另一方面，通过有选择地切换两者的检测输出信号，则可以以由两者的检测灵敏度合成的检测灵敏度来进行加速度的检测，可以实现传感器的大动态范围。
作为构成上述那样的纵向效应型压电元件和横向效应型压电元件的压电体，可以使用在成膜底板上成膜的压电体薄膜。若使用这样的压电体薄膜，利用蚀刻图形等的微细加工技术，能够容易形成微小、而且是高精度的压电元件，此外，由于可以不需要部件粘接工序等，所以，能够容易实现传感器的轻便小型化和降低制造成本，通过将压电元件做成各种各样的形状和大小去设定各种频率特性和检测灵敏度，容易实现这些压电元件的集成，降低检测灵敏度的离散并提高可靠性。
此外，当使用在成膜底板上成膜的压电体薄膜作为上述那样的压电体来形成横向效应型压电元件时，通过在成膜底板上利用蚀刻等将与横向效应型压电元件相接的部分中的一部分去掉，可以确保压电元件得以挠曲的空间，能够形成微小的可检测出横向效应加速度的加速度传感器。更具体一点说，例如通过利用蚀刻从成膜底板中上的横向效应型压电元件的周围将上述成膜底板的上述一部分除去，可以形成悬臂粱结构，两端固定粱结构和双悬臂粱结构等的横向效应型压电元件。此外，通过从与成膜底板的形成横向效应型压电元件一侧相反的一侧，利用蚀刻将成膜底板的上述一部分去掉，进而可以形成周围部分固定的膜片结构的横向效应型压电元件。
【图1】实施形态1的压电型加速度传感器的纵剖面图
【图2】图1的A-A向剖面图
【图3】实施形态1的压电型加速度传感器的检测电路的电路图
【图4】表示实施形态1的压电型加速度传感器的制造工序的说明图
【图5】表示实施形态1的压电型加速度传感器的制造工序的说明图
【图6】实施形态2的压电型加速度传感器的纵剖面图
【图7】图6的B-B向剖面图
【图8】表示实施形态2的压电型加速度传感器的制造工序的说明图
【图9】表示实施形态2的压电型加速度传感器的制造工序的说明图
【图10】表示实施形态2的压电型加速度传感器的制造工序的说明图
【图11】表示实施形态2的压电型加速度传感器的制造工序的说明图
【图12】实施形态3的压电型加速度传感器的纵剖面图
【图13】图12的C-C向剖面图
【图14】实施形态4的压电型加速度传感器的纵剖面图
【图15】图14的D-D向剖面图
【图16】表示实施形态4的压电型加速度传感器的制造工序的说明图
【图17】表示实施形态4的压电型加速度传感器的制造工序的说明图
【图18】表示实施形态4的压电型加速度传感器的制造工序的说明图
【图19】表示实施形态4的压电型加速度传感器的制造工序的说明图
下面，参照附图，就本发明的压电型加速度传感器及其制造方法的实施形态进行说明。
(实施形态1)
加速度传感器101的构成如图1和图2所示，在由底102a和盖102b形成的盒子102的内部设置具有纵向效应型检测部103和横向效应型检测部104的底板(传感器底板)105。底板105由金属杆106支持。
上述纵向效应型检测部103是将不锈钢摆锤112粘接在纵向效应型压电元件111的上部形成。上述纵向效应型压电元件111是在作为PZT(钛酸锆酸铅)等烧结体的压电体111a的两面形成由金形成的电极111b、111c并进行极化处理形成的。
此外，横向效应型检测部104在底板105上形成的沟状凹部105a的上方附近设置横向效应型压电元件113，形成悬臂支持结构。上述横向效应型压电元件113分别在其两面形成由金形成的电极113b、113b’、113c、113c’，具有贴合了使极化方向相反的压电体113a、113a’的串联双压电晶片的结构。
上述纵向效应型压电元件111的电极111b、111c和横向效应型压电元件113的电极113b、113c分别经接合线114与底板105上形成的中继端子115连接。中继端子115进而与设在底板105的里侧的包含有场效应晶体管和电阻等的检测电路116连接。
检测电路116例如如图3所示，构成为包括：阻抗变换电路(缓冲放大器)151、152；用来对纵向效应型检测部103的检测灵敏度和横向效应型检测部104的检测灵敏度进行调整的乘法电路153；对纵向效应型检测部103和横向效应型检测部104的检测信号进行加减运算的加法电路154和减法电路155；和选择纵向效应型检测部103或横向效应型检测部104的检测信号的选择电路156。
在上述那样构成的加速度传感器101中，能够正确地判别图1和图2所示的Z轴方向的加速度成分以及X轴和Y轴方向的加速度分量并检测出来。即，在横向效应型压电元件113中，因为只按照Z轴方向的加速度分量产生横向效应输出电压，所以由此可检测出Z轴方向的加速度分量。另一方面，在纵向效应型压电元件111中，在按照Z轴方向的加速度分量产生纵向效应输出电压的同时，还按照X轴方向和Y轴方向的加速度分量产生剪切效应输出电压。因此，利用减法电路155从纵向效应型压电元件111的检测信号中减去横向效应型压电元件113的检测信号，由此可检测出XY平面内方向的加速度分量。
再有，也可以或者不使用与加速度分量的大小对应的检测信号、或者在使用这种检测信号的同时，将纵向效应型压电元件111的检测信号与横向效应型压电元件113的检测信号进行比较，输出表示究竟是哪个方向的加速度起了作用的信号。即，当用横向效应型压电元件113检测出了加速度时，可以判定至少Z轴方向的加速度起了作用。进而，当用纵向效应型压电元件111检测出的加速度比用横向效应型压电元件113检测出的加速度还大时，可以判定Z轴方向的加速度和XY平面内方向的加速度都起作用，此外，若相等时，可以判定只有Z轴方向的加速度起了作用。另一方面，当只有用纵向效应型压电元件111检测出了加速度时，可以判定只有XY平面内方向的加速度起了作用。(当只需要进行该判定时，不必对纵向效应型压电元件111和横向效应型压电元件113的检测灵敏度进行调整，所以也可以不设乘法电路。)
此外，若按照上述加速度传感器101，对于Z轴方向的加速度，可以以宽频带和大动态范围检测出加速度。即，因为纵向效应型压电元件111的机械共振频率高，而横向效应型压电元件113的机械共振频率低，所以，通过利用加法电路154将两者的检测输出信号合成，就可以检测出从低频振动到高频振动(从变化缓慢的加速度到变化剧烈的加速度)的宽频带的加速度。此外，因为纵向效应型压电元件111能够检测出较大的加速度，而横向效应型压电元件113能够检测出微小的加速度，所以，通过利用选择电路156与加速度的大小对应在两者之中进行切换，可以在大动态范围内检测出加速度。
再有，为了检测出上述各方向的加速度成分或谋求大动态范围，纵向效应型压电元件111的共振频率与横向效应型压电元件113的共振频率最好接近，另一方面，为了谋求宽频带，两者的共振频率最好相差很大。因此，各压电元件的共振频率可以在考虑将重点放在提高加速度分量的检测精度、实现宽频带上还是放在实现大动态范围上之后再进行设定。也可以设置多个共振频率互不相同的同一种压电元件，得以同时实现提高加速度分量的检测精度、宽频带和大动态范围。
下面，就上述加速度传感器101的制造方法进行说明。
(1)首先，在作为PZT(钛酸锆酸铅)等烧结体的压电体111a的两面例如用真空蒸镀法形成金属膜后形成电极111b、111c，进行极化处理，形成纵向效应型压电元件111。利用例如环氧树脂粘接剂在该纵向效应型压电元件111的一侧粘接不锈钢摆锤112，形成纵向效应型检测部103。再有，也可以利用电镀法等使其附着镍等金属去代替粘接摆锤112。这时，能够容易降低因纵向效应型压电元件111和摆锤112的粘接状态的不一致而引起的灵敏度的离散。
(2)其次，如图4所示那样，将分别在其两侧形成了电极113b、113b’、113c、113c’的压电体113a、113a’贴合在一起，使其极化方向互相相反，形成横向效应型压电元件113，作为横向效应型检测部104。
(3)如图5所示，利用环氧树脂粘接剂将上述纵向效应型检测部103和横向效应型检测部104粘接在经金属杆106支撑在底部件102a上的底板105上。更详细地说，纵向效应型检测部103粘接在底板105的平坦部分，另一方面，横向效应型检测部104粘接在其一端，呈悬臂形支撑在底板105的凹部105a的上方附近。
(4)利用屏蔽线114将纵向效应型检测部103和横向效应型检测部104的电极111b、111c、113b、113c和设在底板105上的中继端子115连接起来。
(5)如上述图1所示那样，例如利用焊接将底102a和盖102b接合起来，并密封纵向效应型检测部103。
如上所述，可以得到具有上述那样的检测加速度的指向性、宽频带和大动态范围而且是小型轻便的加速度传感器101。
再有，在上述例子中，示出了使用双压电晶片结构作为横向效应压电元件113的例子，但并不局限于此，也可以采用使用了单一极化方向的压电体的单压电晶片结构。
此外，示出了将横向效应压电元件113做成悬臂粱结构，但也可以做成两端固定梁结构，或压电元件支撑在中央部分的双悬臂梁结构，进而，还可以做成平板状的压电元件在其周围支撑的薄膜结构。
(实施形态2)
说明作为压电元件使用了在MgO(氧化镁)单结晶底板上结晶生长成的元件的加速度传感器的例子。再有，在下面的实施形态中，对于具有与别的实施形态相同的结构或相同的功能的结构部件，附加相同或对应的符号并适当地省略其说明。
加速度传感器201如图6和图7所示，包括一体形成的2个纵向效应型检测部203和1个横向效应型检测部204。这里，纵向效应型检测部203不一定必须设置2个，通过设置多个可以容易提高检测灵敏度。
上述纵向效应型检测部203由成膜底板221和纵向效应型压电元件211构成。成膜底板221由厚度为500μm、结晶方位由(100)的MgO形成。纵向效应型压电元件211的形成是在成膜底板221的两端附近的表面(图6的下面侧)形成由白金薄膜形成的电极211b、由下述(表1)例示的压电体薄膜材料形成的压电体211a、和由白金薄膜形成的电极211c。这里，上述成膜底板221是形成上述那样的纵向效应型压电元件211的各薄膜的底板，同时还起纵向效应型检测部203的摆锤的作用。
此外，横向效应型检测部204由横向效应型压电元件213和振动板薄膜222构成。上述横向效应型压电元件213的形成与纵向效应型压电元件211一样，形成由白金薄膜形成的电极213b、由压电体薄膜材料形成的压电体213a、和由白金薄膜形成的电极213c。振动板薄膜222由镍铬(NiCr)薄膜形成，具有与压电体213a相同的厚度。该横向效应型检测部204通过在底板105和成膜底板221上形成凹部105a、221a，成为悬臂支撑结构。
【表1】【表1】 压电体薄膜的成膜条件
1)所有材料都用高频磁控管溅射法制成(频率为13.56MHZ)2)PLT=Pb0.9La0.1Ti0.975O33)PZT=PbZr0.50Ti0.50O34)PLZT=Pb0.9La0.1(Zr0.1Ti0.9)0.975O3
| 压电体材料 | 目标组成 | 底板温度 | 溅射气体 | 气压 | 高频功率密度 | 膜厚 |
| BaTiO3 | BaTiO3烧结体 | 600～800℃ | Ar/O2=50/50～98/2％ | 0.1～5.0Pa | 1～5W/cm2 | 0.5μm |
| PLT | PbO,La2O3,TiO2粉末的混合(20mol％的PbO过剩) | 570～720℃ | Ar/O2=50/50～98/2％ | 0.1～5.0Pa | 1～5W/cm2 | 2.0μm |
| PbTiO3 | PbO,TiO2粉末的混合(20mol％的PbO过剩) | 570～720℃ | Ar/O2=50/50～98/2％ | 0.1～5.0Pa | 1～5W/cm2 | 2.0μm |
| PZT | PZT烧结体(20mol％的PbO过剩) | 570～720℃ | Ar/O2=50/50～98/2％ | 0.1～5.0Pa | 1～5W/cm2 | 2.0μm |
| PLZT | PLZT烧结体(20mol％的PbO过剩) | 570～720℃ | Ar/O2=50/50～98/2％ | 0.1～5.0Pa | 1～5W/cm2 | 2.0μm |
在上述那样构成的加速度传感器201中，与上述实施形态1的加速度传感器101一样，能够检测出各方向的加速度分量，同时，能够以宽频带和大动态范围检测加速度。而且，由于起摆锤作用的成膜底板221和纵向效应型压电元件211的结合以及横向效应型压电元件213和振动板薄膜的结合不是使用粘接而是利用薄膜形成技术进行的，所以，能够降低灵敏度的离散，还可以提高可靠性。此外，由于纵向效应型检测部203和横向效应型检测部204是一体形成的，所以，减少了部件个数，可以降低制造成本。
下面，说明上述加速度传感器201的制造方法。
(1)如图8所示，在由厚度为500μm、结晶方位为(100)的MgO形成的成膜底板221的表面，依次成膜电极薄膜231、压电体薄膜232和电极薄膜233。详细的步骤是，
(1-1)首先，在由厚度为500μm、结晶方位为(100)的MgO形成的成膜底板221上，利用高频磁控管溅射法，在以下的溅射成膜条件下使由白金形成的厚度为0.15μm的电极薄膜231成膜。
(a)底板温度： 500～700℃
(b)溅射气体： 氩(50～98％)和氧(50～2％)的混合气体
(c)气压： 0.1～3pa
(d)接入高频功率密度：1～5W/cm2(13.56MHz)
(e)成膜时间： 1小时
(1-2)根据前面(表1)示出的材料和成膜条件成膜压电体薄膜232。通过在这样的条件下成膜，使压电体薄膜232在整个区域具有正方晶格的结晶结构，形成c轴取向的单结晶膜，极化轴优先取向垂直于成膜底板221的表面的方向。
(1-3)与上述(1-1)一样，使由白金形成的厚度为0.15μm的电极薄膜233成膜。
(2)如图9所示，利用蚀刻使电极薄膜233、压电体薄膜232和电极薄膜231形成图形，形成纵向效应型压电元件211和横向效应型压电元件213的电极211c、213c、压电体211a、213a、和电极211b、213b。详细步骤如下，
(2-1)首先，在电极薄膜233上形成规定的掩膜图形，在下述条件下进行溅射蚀刻，形成电极211c、213c。
(a)真空度： 0.01～1.0乇
(b)氢气流量： 1～20sccm
(c)等离子体功率： 100～300W
(d)蚀刻时间： 15分
(2-20)其次，根据下述(表2)例示的处理条件蚀刻压电体薄膜232，形成压电体211a、213a。
(2-3)进而，与上述(2-1)一样在电极薄膜231上蚀刻图形，形成电极211b、213b。
【表2】【表2】 压电体薄膜的图形蚀刻方法
1)PLT=Pb0.9La0.1Ti0.975O32)PZT=PbZr0.50Ti0.50O33)PLZT=Pb0.9La0.1(Zr0.1Ti0.9)0.975O34)RIE=reactive ion etching；反应性离子蚀刻5)Chemical=chemical etching；化学蚀刻
| 压电体材料 | 蚀刻方法 | 处理条件 | 膜厚 | 处理时间 |
| BaTiO3 | RIE | Cl2=10sccm,1mTorr,200W | 0.5μm | 30分 |
| PLT | Chemical | HF/HNO3/H2O=5/1/15～5/20/15蚀刻剂温度=25℃ | 2.0μm | 2分 |
| PbTiO3 | Chemical | HF/HNO3/H2O=5/1/15～5/20/15蚀刻剂温度=25℃ | 2.0μm | 2分 |
| PZT | Chemical | HF/HNO3/H2O=5/1/15～5/20/15蚀刻剂温度=25℃ | 2.0μm | 3分 |
| PLZT | Chemical | HF/HNO3/H2O=5/1/15～5/20/15蚀刻剂温度=25℃ | 2.0μm | 3分 |
(3)在电极213c上形成厚度与压电体薄膜232相同的振动板薄膜222。更详细一点说，例如，利用高频磁控管溅射法，在下述条件下形成镍铬(NiCr)薄膜。
(a)底板温度： 25～300℃
(b)溅射气体： 氩气
(c)气压： 0.1～2.0pa
(d)接入高频功率密度：1～5W/cm2(13.56MHz)
再有，作为振动板薄膜222，除了上述NiCr之外，白金(Pt)、铬(Cr)、铝(Al)等扬氏弹性模量高的金属材料较合适，但也可以使用二氧化硅(SiO2)、树脂膜或光致抗蚀膜等绝缘材料。此外，作为成膜方法，不限于利用真空装置的物理方法，象电镀那样的化学方法也能适用。此外，通过上述那样形成振动板薄膜222，能够容易降低横向效应型压电元件213的扭曲等影响，容易将其设定到所要的固有振动频率和强度上，但是，在横向效应型压电元件213单体具有充分的刚度和强度或使用两端固定梁结构等情况下，不一定必须要形成振动板薄膜222，进而，也可以使电极213b、213c具有振动板薄膜222的功能。
(4)如图10所示，当从上述电极薄膜231形成电极211b和213b时在电极211b和213b之间形成的狭缝状的蚀刻腔231a，利用使用了加热到80℃的磷酸氢溶液的化学蚀刻方法，经过该蚀刻腔231a、在成膜底板221上将横向效应型压电元件213的一端除外的横向效应型压电元件213的下方部分除去，形成凹部221a。这里，为了使成膜底板221上的上述横向效应型压电元件213一端的部分不被蚀刻，将该部分的蚀刻腔231a掩蔽起来即可。
(5)如图11所示，将在成膜底板221上形成的纵向效应型压电元件211和横向效应型压电元件213粘接到底板105上并固定下来。这时，横向效应型压电元件213大致位于底板105的凹部105A和成膜底板221的凹部221a之间，其一端的部分夹在底板105和成膜底板221之间呈悬臂支持状态。再有，还可以这样，使振动板薄膜222形成为具有与横向效应型压电元件213相同的长度，使振动板薄膜222也呈悬臂支持状态，如此等等。此外，也可以不象上述那样使横向效应型压电元件213一端的部分夹在底板105和成膜底板221之间，只要将其任何一方牢固地固定即可。
(6)利用屏蔽线114将电极211b、211c、213b、213c与设在底板105上的中继端子115连接。
(7)如上述图6所示，例如利用焊接将底部件102a和盖102b接合起来，并密封纵向效应型检测部203等。
如上所述那样，能够容易制造出上述那样的灵敏度离散小、可靠性高、制造成本低的加速度传感器。而且，由于使用蚀刻图形形成纵向效应型压电元件211和横向效应型压电元件213，所以，能够形成微小的纵向效应型压电元件211和横向效应型压电元件213并制造出小型加速度传感器，还容易制造出将多个压电元件按一维或二维配置并集成化的加速度传感器。进而，由于能够容易形成各种各样形状和大小的压电元件，所以，能够容易设定各种不同的机械共振频率和灵敏度(具体地说，对纵向效应型压电元件设定各种不同的横截面积和厚度，对横向效应型压电元件设定各种不同的长度、宽度和厚度)，此外，将它们组合起来能够容易实现更宽的频带和更大的动态范围。
再有，在上述例子中，示出了使用单压电晶片结构作为横向效应压电元件213的例子，但也可以和上述实施形态1一样，采用使极化方向互相相反的压电体贴合在一起的双压电晶片结构。
此外，与在实施形态1中已说明过的一样，也可以使横向效应压电元件213做成两端固定粱结构、双悬臂梁结构或薄膜结构。
此外，上面举例示出了将在成膜底板221上形成的纵向效应型压电元件211粘接在底板上并固定下来、使上述成膜底板221起到纵向效应型检测部203的摆锤的作用的结构，但也可以采用别的方法，将摆锤设在纵向效应型压电元件211上，使成膜底板221与底板105固定，或使成膜底板221兼用作为底板105。
(实施形态3)
实施形态3的加速度传感器301如图12和图13所示，与上述实施形态2的加速度传感器相比有以下不同点。
(a)使用硅(Si)单结晶底板作为成膜底板321。
(b)横效应型检测部304上设置两端固定粱结构的横效应型压电元件313。
(c)使用具有菱面体结晶结构的钛酸锆酸铅(PZT)作为构成纵向效应型检测部303和横向效应型检测部304的纵向效应型压电元件311和横向效应型压电元件313的压电体311a、313a。
其他方面与实施形态2一样。
即，使用结晶方位为(100)的硅单结晶底板(4英寸晶片)作为成膜底板321。此外，形成成膜底板321和底板105的凹部321a、105a使其比横效应型压电元件313短。这里，成膜底板321的凹部321a可以通过使用例如硝酸/氟酸的混合溶液作为蚀刻剂形成。通过形成上述凹部321a、105a，横向效应型压电元件313变成两端固定的两端固定梁结构。这时，与同样长度的悬臂梁相比，机械共振频率提高了。此外，虽然灵敏度降低了，但因强度提高了故容易检测出大的加速度。
此外，构成压电体311a、313a的菱面晶格PZT例如除了目标组成是(0.8PbZr0.56Ti0.44O3+0.2PbO)之外，可以在与上述(表1)同样的条件下成膜。因此，可以形成极化轴优先取向于与成膜底板321的表面垂直的方向的(111)面取向PZT膜。再有，(111)面取向PZT膜能够得到与成膜底板321的结晶面方位无关的效果。
上述那样构成的加速度传感器301与上述实施形态1和实施形态2的加速度传感器101、201一样，能够检测出各方向上的加速度分量，同时，能够以宽频带和大动态范围检测出加速度。此外，与实施形态2的加速度传感器201一样，能够得到降低灵敏度的离散、提高可靠性、降低制造成本、实现小型化等效果。
再有，成膜底板321和压电体311a、313a不限于上述材料，也可以使用例如与上述实施形态2所示的材料一样的材料。此外，也可以适用于实施形态1和实施形态2所示的种种变形例。
(实施形态4)
实施形态4的加速度传感器401如图14、图15所示，在成膜底板421上形成比横效应型压电元件413的外形还小的孔421a，横效应型压电元件413构成为其周围被支撑的薄膜结构。其余的结构与上述实施形态3相同。当为上述那样的薄膜结构时，横效应型压电元件413容易将其机械共振频率设定得比悬臂梁或两端固定梁高。这时，灵敏度虽然降低了，但强度提高了，所以容易检测出大的加速度。
下面说明上述加速度传感器401的制造方法。
(1)如图16所示，在由结晶方位是(100)的单结晶底板(4英寸晶片)形成的成膜底板421的两面，成膜氮化硅膜421，其掩膜材料的膜厚为2000埃。进而，在其一个面上依次成膜电极薄膜431、压电体薄膜432和电极薄膜433。上述氮化硅膜425例如可以在700℃的成膜温度下，使用硅烷(SiH4)和氨(NH3)的混合气体作为反应气体，利用低压化学气相成长法(LPCVD)成膜。另一方面，电极薄膜431、压电体薄膜432和电极薄膜433的材料和成膜方法和上述实施形态2一样。
(2)与实施形态2一样，如图17所示，利用蚀刻使电极薄膜431、压电体薄膜432和电极薄膜433形成图形，形成构成纵向效应型检测部403和横向效应型检测部404的纵向效应型压电元件411和横向效应型压电元件413的电极411c、413c、压电体411a、413a、和电极411b、413b。还形成振动板薄膜222。
进而，在一方的氮化硅膜425(图17的下方侧)上，使用未图示的掩蔽图形，将四氟化碳(CF4)作为反应气体，利用反应式活性离子蚀刻法形成蚀刻腔425a。
(3)如图18所示，利用氢氧化钾(KOH)等碱性溶液的各向异性化学蚀刻方法，经上述蚀刻腔425a，在与成膜底板421中的横向效应型压电元件413对应的位置上形成孔421a。
(4)如图19所示，将在成膜底板421上形成的纵向效应型压电元件411和横向效应型压电元件413粘接到底板105上并固定下来。
(5)利用屏蔽线114将电极411b、411c、413b、413c与设在底板105上的中继端子115连接。
(6)如上述图14所示，例如利用焊接将底102a和盖102b接合起来，并密封纵向效应型检测部403。
上述那样构成的加速度传感器401与上述实施形态1至实施形态3的加速度传感器101～301一样，能够得到可以检测出各方向上的加速度分量等同样的效果。
再有，本实施形态能够适用于上述实施形态1至实施形态3所示的种种变形例，例如，使用双压电晶片结构作为横向效应型压电元件413，将多个薄膜结构的压电元件按一维或二维形状配置后再集成。
此外，在上述实施形态2～4中，示出了将各自规定的横向效应型压电元件的结构(悬臂梁结构、两端固定结构、薄膜结构)等和规定的材料以及成膜方法等进行组合的例子，但并不限于此，可以进行各种各样的组合。即，例如，也可以使用MgO单结晶底板作为成膜底板，形成两端固定粱结构或薄膜结构的横向效应型压电元件等。此外，例如，也可以不象实施形态2、3中那样在成膜底板上的压电元件一侧形成凹部，而是进而进行蚀刻并形成孔，也可以和实施形态4一样使用掩膜材料从成膜底板的里面一侧蚀刻出孔状或带状。
此外，虽然从灵敏度的观点出发最好象实施形态2～4那样使压电体的极化轴方向对底板垂直，但若使压电体的极化轴方向相对底板倾斜，也可以得到上述那样的本发明的效果。
此外，实施形态1～4的压电体和电极等以及实施形态2～4的成膜底板等也不限于上述材料和成膜方法等，可以适用于种种材料和成膜方法。
此外，在实施形态1～4中，示出了为了形成悬臂粱结构等的横向效应型压电元件而在底板上形成沟状凹部的例子，但并不限于此，例如，也可以在底板上形成孔等，能适当地获得压电体的位置。
此外，检测电路并不限于象上述那样设在底板的里面、即加速度传感器的内部，也可以将其全部或一部分设在外部。此外，也可以根据压电元件的静电容量省略阻抗变换电路等。进而，检测电路的构成也不限于图3所示的电路，例如，也可以在对检出信号进行模/数变换之后经过数字运算算出各方向的加速度分量等，实质上能够进行与上述情况等效的检测。此外，检测方法也不限于上述方法，也可以根据上述那样的纵向效应型检测部和横向效应型检测部的特性(共振频率和检测灵敏度)的不同进行各种各样检测。
此外，为了检测各方向的加速度分量，不限于设置上述那样的纵向效应型压电元件和横向效应型压电元件这样2种压电元件，例如，为了检测3方向的加速度分量，也可以设置3个电轴互相正交的纵向效应型压电元件。即，由于在纵向效应型压电元件中，相对与电轴平行方向上的加速度的灵敏度和相对与电轴垂直方向上的加速度的灵敏度不同，所以，根据上述那样配置的3个压电元件的输出来进行运算，就可以求出作为未知数的3个方向上的加速度分量。进而，也可以将由纵向效应型压电元件和横向效应型压电元件构成的压电元件组同样地配置成3个方向，这样，能够以更高的精度检测出各方向的加速度分量，同时，能够实现宽频带和大动态范围。
此外，通过将上述那样的多个压电元件设在1个盒子内，能够容易使加速度传感器小型化，但如果将多个加速度传感器分别设在不同的盒子内来使用，根据同样的原理，也可以实现各方向的加速度分量的检测、宽频带和大动态范围。
Claims (30)
1、一种压电型加速度传感器，其特征在于，包括：
具有第1压电体并与上述第1压电体的伸缩和剪切变形对应输出电压的纵向效应型压电元件；
具有第2压电体并与上述第2压电体的挠曲变形对应输出电压的横向效应型压电元件；
固定上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的传感器底板。
2、权利要求1记载的压电型加速度传感器，其特征在于，上述横向效应型压电元件是一端固定的悬臂梁结构、两端固定的两端固定梁结构、中央固定的双悬臂粱结构或周围固定的薄膜结构中的任何一种结构。
3、权利要求1记载的压电型加速度传感器，其特征在于，还具有成膜底板，上述第1压电体和上述第2压电体是在上述成膜底板上成膜的压电体薄膜。
4、权利要求3记载的压电型加速度传感器，其特征在于，上述纵向效应型压电元件使上述压电体薄膜固定在上述传感器底板上并面向上述传感器底板，上述成膜底板起摆锤的作用，与外加的加速度对应，使构成上述纵向效应型压电元件的上述压电体薄膜伸缩。
5、权利要求3记载的压电型加速度传感器，其特征在于，上述横向效应型压电元件设有使上述压电体薄膜具有刚性的振动板。
6、权利要求1记载的压电型加速度传感器，其特征在于，还具有检测装置，根据上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的输出、与外加的加速度对应输出检测信号。
7、权利要求6记载的压电型加速度传感器，其特征在于，上述检测装置构成为，通过生成与上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的输出的差对应的信号，输出与使上述纵向效应型压电元件产生剪切变形的方向的加速度分量对应的检测信号。
8、权利要求6记载的压电型加速度传感器，其特征在于，上述检测装置构成为，通过将上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的输出进行比较来判别外加加速度的方向。
9、权利要求8记载的压电型加速度传感器，其特征在于，上述检测装置构成为，当上述纵向效应型压电元件的输出比与上述横向效应型压电元件的输出对应规定的大小还大时，则判定外加使上述纵向效应型压电元件产生剪切变形方向的加速度。
10、权利要求8记载的压电型加速度传感器，其特征在于，上述检测装置构成为，当只通过上述纵向效应型压电元件检测出加速度时，则判定只外加使上述纵向效应型压电元件产生剪切变形方向的加速度。
11、权利要求6记载的压电型加速度传感器，其特征在于，上述检测装置构成为，通过将上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的输出合成，能够以将上述纵向效应型压电元件的频率特性和上述横向效应型压电元件的频率特性合成后的频率特性进行加速度的检测。
12、权利要求6记载的压电型加速度传感器，其特征在于，上述检测装置构成为，通过有选择地切换上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的输出，能够以将上述纵向效应型压电元件的检测灵敏度和上述横向效应型压电元件的检测灵敏度合成后的检测灵敏度进行加速度的检测。
13、一种加速度检测方法，是使用了具有第1压电体并与上述第1压电体的伸缩和剪切变形对应输出电压的纵向效应型压电元件、具有第2压电体并与上述第2压电体的挠曲变形对应输出电压的横向效应型压电元件的压电型加速度传感器的加速度检测方法，其特征在于：
根据上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的输出检测出外加的加速度。
14、权利要求13记载的加速度检测方法，其特征在于，按照上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的输出的差分检测使上述纵向效应型压电元件产生剪切变形方向的加速度分量。
15、权利要求13记载的加速度检测方法，其特征在于，通过将上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的输出进行比较来判别外加加速度的方向。
16、权利要求15记载的加速度检测方法，其特征在于，当上述纵向效应型压电元件的输出比与上述横向效应型压电元件的输出对应的规定的大小还大时，则判定外加使上述纵向效应型压电元件产生剪切变形方向的加速度。
17、权利要求15记载的加速度检测方法，其特征在于，当只通过上述纵向效应型压电元件检测出加速度时，则判定只外加使上述纵向效应型压电元件产生剪切变形方向的加速度。
18、权利要求13记载的加速度检测方法，其特征在于，通过将上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的输出合成，能够以将上述纵向效应型压电元件的频率特性和上述横向效应型压电元件的频率特性合成后的频率特性进行加速度的检测。
19、权利要求13记载的加速度检测方法，其特征在于，通过有选择地切换上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的输出，能够以将上述纵向效应型压电元件的检测灵敏度和上述横向效应型压电元件的检测灵敏度合成后的检测灵敏度进行加速度的检测。
20、一种压电型加速度传感器的制造方法，其特征在于，具有：
在成膜底板上形成第1电极薄膜、压电体薄膜和第2电极薄膜、从而形成输出与上述压电体薄膜的伸缩和剪切变形对应的电压的纵向效应型压电元件和输出与上述压电体薄膜的挠曲变形对应的电压的横向效应型压电元件的工序；
在上述成膜底板上除去与上述横向效应型压电元件相接的的部分中的一部分使上述横向效应型压电元件能够产生挠曲变形的工序。
21、权利要求20记载的压电型加速度传感器的制造方法，其特征在于，还具有将形成上述纵向效应型压电元件和上述横向效应型压电元件的成膜底板固定在上述传感器底板上使上述压电体薄膜面向传感器底板，从而使上述成膜底板起摆锤的作用，使构成上述纵向效应型压电元件的上述压电体薄膜与外加的加速度对应产生伸缩。
22、权利要求20记载的压电型加速度传感器的制造方法，其特征在于，除去上述成膜底板的上述一部分的工序是利用蚀刻从上述成膜底板的上述横向效应型压电元件的周围除去上述成膜底板的上述一部分的工序。
23、权利要求22记载的压电型加速度传感器的制造方法，其特征在于，除去上述成膜底板的上述一部分的工序是使上述横向效应型压电元件形成一端固定的悬臂梁结构、两端固定的两端固定梁结构和中央固定的双悬臂梁结构中的任何一种结构那样除去上述成膜底板的上述一部分的工序。
24、权利要求20记载的压电型加速度传感器的制造方法，其特征在于，除去上述成膜底板的上述一部分的工序是利用蚀刻从上述成膜底板的与形成上述横向效应型压电元件一侧相反的一侧除去上述成膜底板的上述一部分的工序。
25、权利要求24记载的压电型加速度传感器的制造方法，其特征在于，除去上述成膜底板的上述一部分的工序是使上述横向效应型压电元件形成一端固定的悬臂粱结构、两端固定的两端固定梁结构、中央固定的双悬臂梁结构或周围固定的薄膜结构中的任何一种结构那样来除去上述成膜底板的上述一部分的工序。
26、权利要求20记载的压电型加速度传感器的制造方法，其特征在于，还具有在上述横向效应型压电元件上设置使上述压电体薄膜具有刚性的振动板的工序。
27、一种压电型加速度传感器，其特征在于，包括在加速度分量的检测方向上具有各向异性的多个压电元件，上述多个压电元件配置在相互不同的方向上。
28、权利要求27记载的压电型加速度传感器，其特征在于，进而包括检测装置，根据上述多个压电元件的输出，与外加加速度的规定方向上的加速度分量对应输出检测信号。
29、一种压电型加速度传感器，其特征在于，包括加速度检测的频率特性各不相同的多个压电元件和检测装置，上述检测装置根据上述多个压电元件的输出以将上述各压电元件的频率特性合成后的频率特性进行加速度的检测。
30、一种压电型加速度传感器，其特征在于，包括加速度的检测灵敏度各不相同的多个压电元件和检测装置，上述检测装置根据上述多个压电元件的输出以将上述各压电元件的检测灵敏度合成后的检测灵敏度进行加速度的检测。
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