DE69829941T2

DE69829941T2 - Bilaminares piezoelektrisches bauelement für beschleunigungsmessaufnehmer sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69829941T2
Application number: DE69829941T
Authority: DE
Inventors: Kazunari Nishihara; Kiyotomo Kubota; Hirohumi Tajika; Koji Nomura; Tetsuro Shimamura; Yukinori Sasaki; Masako Yamaguchi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2018-07-11
Also published as: KR100380517B1; US6246155B1; EP0932044A1; EP0932044B1; JPH1130628A; KR20000068111A; DE69829941D1; WO1999002995A1; EP0932044A4

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein bimorphes piezoelektrisches Element für Beschleunigungssensor, das zur Schwingungserfassung verschiedener Mechanismen, wie eine Festplatte, CD-ROM und Ähnliches, verwendet wird, und betrifft im Besonderen ein piezoelektrisches Element für Beschleunigungssensor und dessen Herstellverfahren.
Hintergrund der Erfindung
Da tragbare Personalcomputer immer breitere Anwendung finden, gilt eine Stoßfestigkeit einer Festplattenspeicher-Vorrichtung (nachfolgend als HDD bezeichnet) als wichtig. Zum tatsächlichen Gebrauch wurden viele Verfahren zum Erfassen mechanischer Stöße, wie Beschleunigung, eingesetzt und solche Erfassungseinrichtungen müssen von einer kleinen und dünnen oberflächenmontierten Ausführung sein, die in die HDD eingebaut werden kann. Zum Erfüllen der vorgenannten Anforderung findet ein Beschleunigungssensor, der piezoelektrische Keramik verwendet, breite Anwendung. Der Grund, warum piezoelektrische Keramik als Beschleunigungssensor verwendet werden kann, besteht darin, dass eine angewendete Kraft F, die im Verhältnis zu der Beschleunigung (mechanischer Stoß) α erzeugt wird, das Auftreten von Verzerrung in der piezoelektrischen Keramik verursacht, und die Verzerrung als elektrische Ladung (Spannung) abgegriffen werden kann. Dies kann durch eine Gleichung wie folgt ausgedrückt werden: F = k1 × α (1) Q(V) = k2 × F (2),wobei k1 und k2 Konstanten sind.
12 zeigt Strukturbeispiele für die Beschleunigungssensoren, die piezoelektrische Keramik verwenden. 12(a) zeigt einen bimorphen Beschleunigungssensor einer an einem Ende gestützten Trägerstruktur (Ausleger) und 12(b) zeigt einen bimorphen Beschleunigungssensor einer an zwei Enden gestützten Trägerstruktur. 13 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des bimorphen Beschleunigungssensors mit Auslegerstruktur von 12(a) und 14 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des bimorphen Beschleunigungssensors der an zwei Enden gestützten Trägerstruktur.
Bei den vorgenannten Zeichnungen zeigen die Bezugssymbole 1a bis 1d piezoelektrische Keramik an, die Bezugssymbole 2a bis 2d zeigen auf der piezoelektrischen Keramik ausgebildete Elektroden an, die Bezugssymbole 7h und 7j zeigen bimorphe piezoelektrische Elemente an, die Bezugssymbole 3a, 3c und 3d zeigen Klebemittel zum Verbinden der bimorphen piezoelektrischen Keramik an und die Bezugssymbole 4a, 4c und 4d zeigen Tragelemente zum Tragen bzw. Befestigen der bimorphen piezoelektrischen Elemente an. Bei der Auslegerstruktur von 12(a) bildet ein Abschnitt (L1) des bimorphen piezoelektrischen Elements (7h), wobei der Abschnitt (L1) nicht an dem Tragelement (4a) befestigt ist, einen frei schwingenden Teil zur Schwingungserfassung, bei dem Verzerrung im Verhältnis zu Beschleunigung auftritt und elektrische Ladung entsprechend dem Ausmaß der Verzerrung erzeugt wird, und die so erzeugte elektrische Ladung wird als Indikator für die Größe der Beschleunigung erfasst. Außerdem bildet bei der an zwei Enden gestützten Trägerstruktur von 12(b) ein Abschnitt (L2) des bimorphen piezoelektrischen Elements (7j), wobei der Abschnitt (L2) nicht an den Tragelementen (4c und 4d) befestigt ist, einen frei schwingenden Teil zur Schwingungserfassung auf dieselbe Weise wie in 12(a).
Das Verfahren zum Herstellen dieser Beschleunigungssensoren lautet wie folgt:
Paare piezoelektrischer Keramik (1a bis 1d), wobei bei jedem einzelnen Paar davon die Polarisation zwischen den einender gegenüberliegenden Stücken der piezoelektrischen Keramik umgekehrt ist, werden mit einem Klebemittel oder im Zustand grüner Folie (Green Sheet) zusammengesetzt und als einteilige Konstruktion gebrannt, wodurch bimorphe piezoelektrische Elemente (7h und 7j) erzeugt werden, die dann mit Tragelementen (4a, 4c und 4d) unter Verwendung von Klebemitteln (3a, 3c und 3d) zum jeweiligen Befestigen angebracht werden, um eine Auslegerstruktur oder eine an zwei Enden gestützten Trägerstruktur fertig zu stellen.
Das Verfahren nach dem Stand der Technik, ein piezoelektrisches Element durch Ankleben an einem Tragelement oder Tragelementen zu befestigen, neigt jedoch dazu, ein frei schwingendes Teil des piezoelektrischen Elements dazu zu veranlassen, Maßabweichungen aufzuweisen, was zu einem inkonstanten Verankerungszustand führt, wodurch das Problem schwankender Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigung verursacht wird. Wird Beschleunigung α auf ein bimorphes piezoelektrisches Element mit einem frei schwingenden Teil mit einer Länge L ausgeübt, wird die in dem bimorphen piezoelektrischen Element erzeugte elektrische Ladung (Spannung) Q(V) aus der folgenden Gleichung abgeleitet: Q(V) = k3 × L2 × α (3),wobei k3 eine Konstante ist.
Da die erzeugte elektrische Ladung die Empfindlichkeit des Sensors darstellt, zeigt die Gleichung (3) auf, dass die Empfindlichkeit des Sensors zum Quadrat der Länge L des frei schwingenden Teils proportional ist.
Des Weiteren setzt das Herstellverfahren nach dem Stand der Technik ein Verfahren ein, bei dem jedes einzelne piezoelektrische Element durch ein Klebemittel mit einem Tragelement verbunden wird, wodurch eine Kostenverringerung schwer zu verwirklichen war.
Das Dokument EP 0768532 A2 offenbart ein piezoelektrisches Element, das durch Verbinden von zwei Hauptflächen von rechteckigen piezoelektrischen LiNbO₃-Substraten, bei denen die Polarisationsachsen entgegengesetzt ausgerichtet sind, ausgebildet wird. LiNbO₃ umfassende Träger werden direkt mit einem Ende des piezoelektrischen Elements verbunden. Elektroden aus Chrom-Gold mit 0,2 μm Dicke werden nacheinander mit den beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Elements und mit den Trägern verbunden, um einen bimorphen elektromechanischen Umformer mit Auslegerstruktur zu erzeugen.
Das Dokument US 4.494.409 offenbart einen Motorschwingungssensor zum Erfassen der Motorschwingung als elektrisches Signal, der einen Schwinger umfasst, der dazu eingestellt ist, mit einer speziellen Schwingungsfrequenz eines Motors, an dem er angebracht ist, mitzuschwingen. Der Schwinger besteht aus wenigstens einer piezoelektrischen Platte und besitzt einen Fuß und ein Schwingelement.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit den oben beschriebenen Problemen mit dem Ziel, ein bimorphes piezoelektrisches Element für einen Beschleunigungssensor, das kleine Größe, hohe Empfindlichkeit und verringerte Empfindlichkeitsschwankungen aufweist, und das Herstellverfahren davon bereitzustellen.
Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein bimorphes piezoelektrisches Element für einen Beschleunigungssensor bereit, das einen frei schwingenden Teil und ein Tragelement enthält, umfassend:

– eine erste piezoelektrische Einkristallplatte; und
– eine zweite piezoelektrische Einkristallplatte, die mit der Fläche des ersten piezoelektrischen Einkristallelements verbunden ist; wobei:

Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements bereit, das Folgendes umfasst:

(a) einen ersten Schritt des Bereitstellens einer ersten piezoelektrischen Einkristallplatte mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche;
(b) einen zweiten Schritt des Bereitstellens einer zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte mit einer dritten Fläche und einer vierten Fläche;
(c) einen dritten Schritt des direkten Verbindens der dritten Fläche der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte mit der ersten Fläche der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte ohne Verwendung von Klebemitteln;
(d) einen vierten Schritt des Ausbildens eines frei schwingenden Teils durch Abschleifen der zweiten Fläche der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte bis zu einer ersten Tiefe und mit einem ersten Abstand; und
(e) einen fünften Schritt des Erzeugens eines Elements mit einem Tragelement und dem frei schwingenden Teil durch Schneiden der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte und der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte einschließlich des in dem vierten Schritt vorbereiteten frei schwingenden Teils mit einem vorgegebenen Abstand und in wenigstens einer der Richtungen von Reihen und Spalten.

Bei bevorzugten Ausführungen betrifft diese Erfindung ein bimorphes piezoelektrisches Element für Beschleunigungssensoren des oben beschriebenen Typs und ermöglicht die kostengünstige Produktion solcher Sensoren, die kleine Größe, hohe Empfindlichkeit und verringerte Empfindlichkeitsschwankungen aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1(a) ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei einer ersten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung und 1(b) ist eine Perspektivansicht des bimorphen piezoelektrischen Elements von 1(a).
2(a) ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei einer zweiten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung und 2(b) ist eine Perspektivansicht des bimorphen piezoelektrischen Elements von 2(a).
3 zeigt perspektivische Prozessansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei einer dritten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung, 4 ist eine Fortsetzung von 3 und 5 zeigt als Querschnitte ausgeführte Ansichten der Herstellschritte von 3 und 4.
6 zeigt perspektivische Prozessansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei einer vierten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung, 7 ist eine Fortsetzung von 6 und 8 zeigt als Querschnitte ausgeführte Ansichten der Herstellprozesse von 6 und 7.
9 zeigt perspektivische Prozessansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei einer fünften beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung, 10 ist eine Fortsetzung von 9 und 11 zeigt als Querschnitte ausgeführte Ansichten der Herstellprozesse von 9 und 10.
12(a) ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor nach dem Stand der Technik (Auslegerstruktur) und 12(b) ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor (an zwei Enden gestützte Trägerstruktur) mit einer Struktur nach dem Stand der Technik.
13 zeigt als Querschnitt ausgeführte Prozessansichten eines typischen Verfahrens zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor (Auslegerstruktur) nach einem Prozess nach dem Stand der Technik.
14 zeigt als Querschnitt ausgeführte Prozessansichten eines typischen Verfahrens zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor (an zwei Enden gestützte Trägerstruktur) nach einem Prozess nach dem Stand der Technik.
Bevorzugte beispielhafte Ausführungen der Erfindung
(Erste beispielhafte Ausführung)
Es erfolgt eine ausführliche Erläuterung eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei einer ersten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 1. 1(a) ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor mit einer Auslegerstruktur und 1(b) ist eine Perspektivansicht desselben.
Das Bezugssymbol 32a zeigt einen frei schwingenden Teil an, der durch Abschleifen ausgebildet wurde und einen Beschleunigungserfassungssensor ergibt, und das Bezugssymbol 33a zeigt ein Tragelement an, das zur gleichen Zeit, als der frei schwingende Teil ausgebildet wurde, aus dem Teil, das nicht abgeschliffen wurde, ausgebildet wurde, wodurch es mit dem frei schwingenden Teil (32a) integral gemacht wird. Der frei schwingende Teil (32a) wurde so hergestellt, dass er 0,1 mm dick, 2 mm lang (L3) und 0,5 mm breit war. Die Dicke des Tragelements (33a) wurde auf 0,4 mm eingerichtet. Der frei schwingende Teil (32a) ist aus zwei Einkristallplatten aus LiNbO₃ (Lithiumniobat, hier nachfolgend als LN bezeichnet) ausgebildet, die ohne Verwendung von Klebemitteln direkt so miteinander verbunden werden, dass die positiv gepolte Fläche von jeder einzelnen Einkristallplatte, die eine der einander gegenüberliegenden Hauptflächen bildet, mit der anderen Fläche an Fläche zusammengesetzt wird.
Die beiden LN-Einkristallplatten werden durch Direktverbinden vollständig miteinander integral gemacht und die Verbindungsfläche, bei der die Polarisationsrichtungen umgekehrt sind, wird durch eine gepunktete Linie (A) in 1 angezeigt.
Jede der beiden LN-Einkristallplatten, die direkt miteinander verbunden sind, wobei die Polarisationsumkehrgrenze (A) eine Grenzfläche ergibt, wird auf dieselbe Dicke von 0,05 mm abgeschliffen. Die Erfassungsempfindlichkeit (S) des Sensors wird ausgedrückt durch eine Ungleichung: S ∝ > d/ε·ρ·L1·α,wobei d: piezoelektrische Konstante, ε: dielektrische Konstante, ρ: Massendichte, L1: Länge des frei schwingenden Teils und β: Konstante.
Eine LN-Einkristallplatte ist ein anisotropes Material, das je nach Schneidebene zu einer unterschiedlichen piezoelektrischen Konstante d und einer unterschiedlichen dielektrischen Konstante ε führt. Daher wird vorab durch eine Simulation eine Y-Platte mit 120° bis 150° Drehung erzielt, um d/ε zu maximieren und dadurch hohe Erfassungsempfindlichkeit zu verwirklichen. Des Weiteren wird dadurch, dass das Verbinden der Einkristallplatten so durchgeführt wird, dass die Polarisationsrichtungen dazwischen umgekehrt werden, die Erzeugung elektrischer Ladungen in dem frei schwingenden Teil (32a) auf Grund eines Temperaturanstiegs aufgehoben, was zu einer Verwirklichung von Temperatureigenschaften für ausgezeichnete Sensorempfindlichkeit führt.
Die Bezugssymbole 31a und 31b zeigen Elektroden zum Abgreifen elektrischer Ladungen an, die zum Zeitpunkt der Beschleunigungserfassung erzeugt werden. Cr/Au oder Ti/Au und Ähnliches sind in Anbetracht der Haftfestigkeit an der darunter liegenden LN-Einkristallplatte und der Stabilität der Elektrodenschicht als Material für die Elektroden wünschenswert. Wird Beschleunigung auf die gesamte Baueinheit ausgeübt, wenn das Tragelement (33a) an seinem Platz befestigt ist, wird eine Verzerrung in dem frei schwingenden Teil (32a) erzeugt und elektrische Ladungen, die im Verhältnis zu der Verzerrung erzeugt werden, werden durch die Elektroden (31a und 31b) abgegriffen, wodurch die ausgeübte Beschleunigung erfasst wird. Durch Ausbilden eines Tragelements integral mit einem frei schwingenden Teil (32a), so dass es wie eine Stufe aus sieht und eine Auslegerstruktur als Ganzes ohne Verwendung von Klebemitteln oder Ähnlichem, das verwendet wurde, ausbildet, und außerdem durch Auswählen der Schneidebene der LN-Einkristallplatte, so dass die piezoelektrische Konstante d und der elektromechanische Kopplungsfaktor k maximiert werden, wurde ermöglicht, hohe Empfindlichkeit von 6 mV/G zu erzielen, die dem Zwei- bis Dreifachen der Empfindlichkeit eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor unter Verwendung keramischer piezoelektrischer Elemente entspricht.
(Zweite beispielhafte Ausführung)
Es erfolgt eine ausführliche Erläuterung eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei einer zweiten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 2. 2(a) ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor mit einer an zwei Enden gestützten Trägerstruktur und 2(b) ist eine Perspektivansicht desselben.
Das Bezugssymbol 32b zeigt einen frei schwingenden Teil an, der durch Abschleifen ausgebildet wurde und einen Beschleunigungserfassungssensor ergibt, und die Bezugssymbole 33b und 33c zeigen Tragelemente an, die zur gleichen Zeit, als der frei schwingende Teil ausgebildet wurde, aus dem Teil, das nicht abgeschliffen wurde, ausgebildet wurden, wodurch sie mit dem frei schwingenden Teil (32b) integral gemacht wurden. Der frei schwingende Teil (32b) wurde so hergestellt, dass er 0,1 mm dick, 2 mm lang (L4) und 0,5 mm breit war. Die Dicke von jedem der Tragelemente (33b und 33c) wurde auf 0,4 mm eingerichtet. Der frei schwingende Teil (32b) ist aus zwei Einkristallplatten aus LN ausgebildet, die ohne Verwendung von Klebemitteln direkt so miteinander verbunden werden, dass die positiv gepolte Fläche von jeder einzelnen Einkristallplatte, die eine gegenüberliegende Hauptfläche bildet, mit der anderen Fläche an Fläche zusammengesetzt wird.
Die beiden LN-Einkristallplatten werden durch Direktverbinden vollständig integral miteinander hergestellt und die Verbindungsfläche, bei der die Polarisationsrichtungen umgekehrt sind, wird durch eine gepunktete Linie (B) in 2 angezeigt.
Jede der beiden LN-Einkristallplatten, die direkt miteinander verbunden sind, wobei die Polarisationsumkehrgrenze (B) zu der Schwelle dazwischen gemacht wird, wird auf dieselbe Dicke von 0,05 mm abgeschliffen. Die Erfassungsempfindlichkeit (S) des Sensors wird ausgedrückt durch eine Ungleichung: S ∝ > d/ε·ρ·L1·α,wobei d: piezoelektrische Konstante, ε: dielektrische Konstante, ρ: Massendichte, L1: Länge des frei schwingenden Teils und β: Konstante.
Eine LN-Einkristallplatte ist ein anisotropes Material, das je nach Schneidebene zu einer unterschiedlichen piezoelektrischen Konstante d und einer unterschiedlichen dielektrischen Konstante ε führt. Daher wird vorab durch eine Simulation eine Y-Platte mit 120° bis 150° Drehung erzielt, um d/ε zu maximieren und dadurch hohe Erfassungsempfindlichkeit zu verwirklichen. Des Weiteren wird dadurch, dass das Verbinden der Einkristallplatten so durchgeführt wird, dass die Polarisationsrichtung umgekehrt wird, die Erzeugung elektrischer Ladungen in dem frei schwingenden Teil (32b) auf Grund eines Temperaturanstiegs aufgehoben, was zu einer Verwirklichung von Temperatureigenschaften für ausgezeichnete Sensorempfindlichkeit führt.
Die Bezugssymbole 31c und 31d zeigen Elektroden zum Abgreifen elektrischer Ladungen, die zum Zeitpunkt der Beschleunigungserfassung erzeugt werden. Cr/Au oder Ti/Au und Ähnliches sind in Anbetracht der Haftfestigkeit an der darunter liegenden LN-Einkristallplatte und der Stabilität der Elektrodenschicht als Material für die Elektroden wünschenswert. Wird Beschleunigung auf die gesamte Baueinheit ausgeübt, wenn die Tragelemente (33b und 33c) an ihrem Platz befestigt sind, wird eine Verzerrung in dem frei schwingenden Teil (32b) erzeugt und elektrische Ladungen, die im Verhältnis zu der Verzerrung erzeugt werden, werden durch die Elektroden (31c und 31d) abgegriffen, wodurch die ausgeübte Beschleunigung erfasst wird. Durch Ausbilden von Tragelementen integral mit einem frei schwingenden Teil (32b), wobei jedes einzelne Tragelement wie eine Stufe aussieht und eine an zwei Enden gestützte Trägerstruktur als Ganzes ohne Verwendung von Klebemitteln oder Ähnlichem ausbildet, und außerdem durch Auswählen der Schneidebene der LN-Einkristallplatte, so dass die piezoelektrische Konstante d und der elektromechanische Kopplungsfaktor k maximiert werden, wurde er möglicht, hohe Empfindlichkeit zu erzielen, die dem Zwei- bis Dreifachen der Empfindlichkeit eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor unter Verwendung keramischer piezoelektrischer Elemente entspricht.
(Dritte beispielhafte Ausführung)
Es erfolgt eine ausführliche Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei einer dritten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 3 bis 5. 3 und 4 zeigen perspektivische Prozessansichten des vorgenannten Herstellverfahrens und 5 zeigt als Querschnitt ausgeführte Ansichten der Herstellschritte von 3 und 4. Die Bezugssymbole 6e und 6f zeigen jeweils eine LN-Einkristallplatte an und die Bezugssymbole 5a und 5b zeigen jeweils Polarisationsrichtungen der LN-Einkristallplatten an. Die gepunkteten Linien in den Zeichnungen zeigen eine Polarisationsumkehrgrenze (A) an, an der zwei LN-Einkristallplatten direkt miteinander verbunden sind, wobei die Polarisationsrichtungen davon zueinander umgekehrt sind. Das Bezugssymbol 7c zeigt einen frei schwingenden Teil (durch Abschleifen ausgebildet) an und das Bezugssymbol 8c zeigt ein Tragelement (ohne Anwendung von Abschleifen hergestellt) an. Das Bezugssymbol 12c zeigt zum Abschleifen verwendete Schleifsteine an und das Bezugssymbol 13c zeigt Abstandshalter zum Befestigen der Position der Schleifsteine (12c) mit einem dazwischen bereitgestellten vorgegebenen Abstand an. Das Bezugssymbol 9 zeigt eine Elektrode an, die auf der Hauptfläche der beiden direkt miteinander verbundenen LN-Einkristallplatten ausgebildet wurde, und die Bezugssymbole 17a bis 17f und 16a bis 16p zeigen Schneidrichtungen an.
Das Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei der vorliegenden beispielhaft dargestellten Ausführung beginnt mit dem Zusammensetzen der beiden LN-Einkristallplatten (6e und 6f), wobei, nachdem jede jeweilige Fläche davon gereinigt wurde, Wärme auf die beiden kombinierten Platten angewendet wird, um die beiden Platten direkt miteinander zu verbinden. (Schritte a bis b)
Die Dicke von jeder einzelnen LN-Einkristallplatte wird unter Berücksichtigung der endgültigen Gestaltung bestimmt. In diesem Fall werden beispielsweise zwei LN-Einkristall platten, die jeweils 0,35 mm Dicke aufweisen, direkt miteinander verbunden. Die Schritte des Reinigens und Zusammensetzens der beiden Platten werden vorzugsweise in einem sauberen Raum durchgeführt, um zu vermeiden, dass Staub zwischen die beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen der direkt miteinander zu verbindenden Platten gerät. Zusätzlich erhalten die beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen der LN-Einkristallplatten beide eine positive Polarität. Die Erfassungsempfindlichkeit des Sensors wird ausgedrückt durch eine Ungleichung: S ∝ > d/ε·ρ·L1·α,wobei d: piezoelektrische Konstante, ε: dielektrische Konstante, ρ: Massendichte, L1: Länge des frei schwingenden Teils und β: Konstante.
Eine LN-Einkristallplatte ist ein anisotropes Material, das je nach Schneidebene zu einer unterschiedlichen piezoelektrischen Konstante d und einer unterschiedlichen dielektrischen Konstante ε führt. Daher wird vorab durch eine Simulation eine Y-Platte mit 120° bis 150° Drehung erzielt, um d/ε zu maximieren und dadurch hohe Erfassungsempfindlichkeit zu verwirklichen. Des Weiteren wird dadurch, dass das Verbinden der Einkristallplatten so durchgeführt wird, dass die beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen beide eine positive Polarität erhalten, die Erzeugung elektrischer Ladungen auf Grund eines Temperaturanstiegs aufgehoben, was zu einer Verwirklichung von Temperatureigenschaften für ausgezeichnete Sensorempfindlichkeit führt. Zusätzlich kann, wenn bei der Durchführung des Verbindens das Ausmaß der Verschiebung jeder einzelnen Platte von der X-Achse oder der Z-Achse auf ±1° begrenzt wird, die Bindungsfestigkeit verbessert werden, was zu einer Verbesserung der Stoßfestigkeit eines Beschleunigungssensors führt. Als Ergebnis von Zugfestigkeitsprüfungen wird die Temperatur der Wärme, die nach Zusammensetzen der beiden Platten angewendet wird, auf 275°C oder höher gesetzt, wobei in dem Verbindungsgrenzbereich kein Zerstörungsmodus erfolgt, aber das Eintreten von Volumenzerstörung verursacht wird. Die Obergrenze der Erhitzungstemperatur kann auf nahezu 1150°C erweitert werden, was der Curie-Temperatur von LN entspricht. Die Kosten für die daran beteiligte Ausrüstung können durch Durchführen des Erhitzens im Vakuum oder in der Atmosphäre verringert werden. Bei Abschluss des Erhitzens ist das Paar LN-Einkristallplatten (6e und 6f), die miteinander verbunden wurden, vollständig integral miteinander, auch wenn die Polaritätsumkehr grenze (A), die eine Verbindungsebene bildet, durch eine gepunktete Linie in den Zeichnungen angezeigt wird.
Nächstfolgend wird eine der direkt verbundenen LN-Einkristallplatten mit Hilfe von einem Überlappungsverfahren, einem Flächenabschleifverfahren oder Ähnlichem zu einem Ausmaß von 0,3 mm abgeschabt, bis die Dicke t1 zu der Polaritätsumkehrgrenze 0,05 mm erreicht. (Schritt c) Wird für das Direktverbinden eine LN-Einkristallplatte von 0,05 mm Dicke verwendet, kann dieser Schritt c weggelassen werden.
Dann wird die andere Fläche der durch Direktverbinden ausgebildeten LN-Einkristallplatte unter Verwendung des Schleifsteins (12c) mit einer Dicke von W1 abgeschliffen, um die frei schwingenden Teile (7c) zu erzeugen, von denen jedes ein Sensorelement ergibt und gleichzeitig und integral mit dem Tragelement (8c) hergestellt wird, das ohne Anwenden von Abschleifen angefertigt wird und zum Tragen eines Auslegerträgers bestimmt ist. (Schritt d) Wenigstens einer oder mehrere der Schleifsteine (12c) werden beim Abschleifen verwendet und die Breite W1 des Schleifsteins und die Breite W2 eines Abstandshalters zum Befestigen von Schleifsteinen werden unter Berücksichtigung der Länge des frei schwingenden Teils (7c) und der Länge des Tragelements (8c) bestimmt. In diesem Fall wird W1 auf 2 mm eingerichtet, W2 wird auf 0,5 mm eingerichtet, die Länge des frei schwingenden Teils (7c) wird auf 2 mm eingerichtet und die Länge des Tragelements (8c) wird auf 0,5 mm eingerichtet. Durch Einrichten des Ausmaßes des Abschleifens von der Fläche auf das Maß 0,3 mm und der Dicke des frei schwingenden Teils (7c) auf das Maß 0,1 mm wird das Abschleifen so durchgeführt, dass die Dicken t2 und t3 jeweiliger LN-Einkristallplatten, die direkt miteinander verbunden werden, wobei die Polaritätsumkehrgrenze (A) als die Schwelle dazwischen dient, auf dieselben 0,05 mm eingerichtet werden. Dadurch, dass die Dicken t2 und t3 zueinander gleich eingerichtet werden, wird hohe Empfindlichkeit verwirklicht.
Nächstfolgend werden Elektroden (9) zum Erfassen elektrischer Ladungen sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der durch einen Abschleifprozess erzeugten LN-Einkristallplatte ausgebildet. (Schritt e) In diesem Fall werden die Elektroden (9) durch Aufdampfen oder stromloses Plattieren ausgebildet und es wird bevorzugt, in Anbetracht der Haftfestigkeit an der LN-Einkristallplatte Cr/Au oder Ti/Au als das Elektrodenmaterial einzusetzen.
Dann wird die LN-Einkristallplatte durch Zerschneiden oder durch die Verwendung einer Plättchenschneidevorrichtung, wie durch die Bezugssymbole 17a bis 17f und 16a bis 16p angezeigt, in ein Matrixformat geschnitten, um bimorphe piezoelektrische Elemente für Beschleunigungssensor zu erzeugen, wobei jedes eine Auslegerträgerstruktur aufweist, die mit einem Tragelement (8c) und einem frei schwingenden Teil (7c) ausgestattet ist. (Schritt f) Beim Durchführen des vorgenannten Schneideprozesses müssen wenigstens eine oder mehrere Schneidkanten verwendet werden und der Abstand zwischen den Kanten muss unter Berücksichtigung der Gestaltung des zu erzeugenden Sensors bestimmt werden. In diesem besonderen Fall wurde ein bimorphes piezoelektrisches Element für Beschleunigungssensor einer extrem kleinen Größe von 2,5 mm Länge, 0,5 mm Breite und 0,4 mm Dicke durch Einsatz eines Abstands von 2,5 mm zwischen den jeweils benachbarten Bezugssymbolen 17a bis 17f und eines Abstands von 0,5 mm zwischen den jeweils benachbarten Bezugssymbolen 16a bis 16p verwirklicht. Da die Länge des frei schwingenden Teils (7c) anhand der Genauigkeit der eingesetzten Schleifsteine (12c) und der zum Zeitpunkt des Abschleifens und Schneidens geltenden Bearbeitungsgenauigkeit bestimmt wird, wurde im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren, bei dem das Tragelement unter Verwendung von Klebemitteln befestigt wird, wodurch die Schwankungen bei der Sensorempfindlichkeit bis zu ±20 % betrugen, bei der vorliegenden Erfindung bei den Schwankungen der Sensorempfindlichkeit eine sehr gute Genauigkeit von ±3 % erreicht. In Bezug auf die zum Befestigen eines Tragelements erforderliche durchschnittliche Zeit sind nach dem herkömmlichen Verbindungsverfahren pro Baueinheit des Tragelements 5 Minuten erforderlich, während dies bei der vorliegenden Erfindung lediglich 0,01 Minuten beansprucht, was einer großen Verringerung auf 1/50 der Zeit entspricht, die bei dem herkömmlichen Verbindungsverfahren (selbst wenn bei dem Abschleifprozess ein Schleifstein benutzt wird) benötigt wird. Somit kann die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements mit Auslegerträgerstruktur für Beschleunigungssensor bereitstellen, das eine enge Schwankungsbreite bei der Empfindlichkeit aufweist und außerdem niedrige Kosten erzielt.
(Vierte beispielhafte Ausführung)
Es erfolgt eine ausführliche Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei einer vierten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 6 bis 8. 6 und 7 zeigen perspektivische Prozessansichten des vorgenannten Herstellverfahrens und 8 zeigt als Querschnitt ausgeführte Ansichten der Herstellschritte von 6 und 7. Die Bezugssymbole 6c und 6d zeigen jeweils eine LN-Einkristallplatte an und die Bezugssymbole 5a und 5b zeigen jeweils Polarisationsrichtungen der LN-Einkristallplatten an. Die gepunkteten Linien in den Zeichnungen zeigen eine Polarisationsumkehrgrenze (B) an, an der zwei LN-Einkristallplatten direkt miteinander verbunden sind, wobei die Polarisationsrichtungen davon zueinander umgekehrt sind. Das Bezugssymbol 7b zeigt einen frei schwingenden Teil (durch Abschleifen ausgebildet) an und das Bezugssymbol 8b zeigt ein Tragelement (ohne Anwendung von Abschleifen hergestellt) an. Das Bezugssymbol 12b zeigt zum Abschleifen verwendete Schleifsteine an und das Bezugssymbol 13b zeigt Abstandshalter zum Befestigen der Position der Schleifsteine (12b) mit einem dazwischen bereitgestellten vorgegebenen Abstand an. Das Bezugssymbol 9 zeigt eine Elektrode an, die auf der Hauptfläche der beiden direkt miteinander verbundenen LN-Einkristallplatten ausgebildet wurde, und die Bezugssymbole 14a bis 14c und 15a bis 15k zeigen Schneidrichtungen an.
Das Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei der vorliegenden beispielhaft dargestellten Ausführung beginnt mit dem Zusammensetzen der beiden LN-Einkristallplatten (6c und 6d), wobei, nachdem jede jeweilige Fläche davon gereinigt wurde, Wärme auf die beiden kombinierten Platten angewendet wird, um die beiden Platten direkt miteinander zu verbinden. (Schritte a bis b)
Die Dicke von jeder einzelnen LN-Einkristallplatte wird unter Berücksichtigung der endgültigen Gestaltung bestimmt. In diesem Fall werden beispielsweise zwei LN-Einkristallplatten, die jeweils 0,35 mm Dicke aufweisen, direkt miteinander verbunden. Die Schritte des Reinigens und Zusammensetzens der beiden Platten werden vorzugsweise in einem sauberen Raum durchgeführt, um zu vermeiden, dass Staub zwischen die beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Platten, die direkt miteinander verbunden werden, gerät. Zusätzlich erhalten die beiden einander gegenüberliegenden Haupt flächen der LN-Einkristallplatten beide eine positive Polarität. Die Erfassungsempfindlichkeit des Sensors wird ausgedrückt durch eine Ungleichung: S ∝ > d/ε·ρ·L1·α,wobei d: piezoelektrische Konstante, ε: dielektrische Konstante, ρ: Massendichte, L1: Länge des frei schwingenden Teils und β: Konstante.
Eine LN-Einkristallplatte ist ein anisotropes Material, das je nach Schneidebene zu einer unterschiedlichen piezoelektrischen Konstante d und einer unterschiedlichen dielektrischen Konstante ε führt. Daher wird vorab durch eine Simulation eine Y-Platte mit 120° bis 150° Drehung erzielt, um d/ε zu maximieren und dadurch eine hohe Erfassungsempfindlichkeit zu verwirklichen. Des Weiteren wird dadurch, dass das Verbinden der Einkristallplatten so durchgeführt wird, dass die beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen beide eine positive Polarität erhalten, die Erzeugung elektrischer Ladungen auf Grund eines Temperaturanstiegs aufgehoben, was zu einer Verwirklichung von Temperatureigenschaften für ausgezeichnete Sensorempfindlichkeit führt. Zusätzlich kann, wenn bei der Durchführung des Verbindens das Ausmaß der Verschiebung jeder einzelnen Platte von der X-Achse oder der Z-Achse auf ±1° begrenzt wird, die Bindungsfestigkeit verbessert werden, wodurch eine Verbesserung der Stoßfestigkeit eines resultierenden Beschleunigungssensors erzielt wird. Als Ergebnis von Zugfestigkeitsprüfungen wird die Temperatur der Wärme, die nach Zusammensetzen der beiden Platten angewendet wird, auf 275°C oder höher gesetzt, wobei in dem Verbindungsgrenzbereich kein Zerstörungsmodus erfolgt, aber das Eintreten von Volumenzerstörung verursacht wird. Die Obergrenze der Erhitzungstemperatur kann auf nahezu 1150°C erweitert werden, was der Curie-Temperatur von LN entspricht. Die Kosten für die daran beteiligte Ausrüstung können durch Durchführen des Erhitzens im Vakuum oder in der Atmosphäre verringert werden. Bei Abschluss des Erhitzens ist das Paar LN-Einkristallplatten (6c und 6d), die miteinander verbunden wurden, vollständig integral miteinander, auch wenn die Polaritätsumkehrgrenze (B), die eine Verbindungsebene bildet, durch eine gepunktete Linie in den Zeichnungen angezeigt wird.
Nächstfolgend wird eine der Flächen der durch Direktverbinden ausgebildeten LN-Einkristallplatte mit Hilfe von einem Überlappungsverfahren, einem Flächenabschleifverfah ren oder Ähnlichem zu einem Ausmaß von 0,3 mm abgeschabt, bis die Dicke t1 zu der Polaritätsumkehrgrenze 0,05 mm erreicht. (Schritt c) Wird für das Direktverbinden eine LN-Einkristallplatte von 0,05 mm Dicke verwendet, kann dieser Schritt c weggelassen werden.
Dann wird die andere Fläche der durch Direktverbinden ausgebildeten LN-Einkristallplatte unter Verwendung des Schleifsteins (12c) mit einer Dicke von W1 abgeschliffen, um die frei schwingenden Teile (7c) zu erzeugen, von denen jedes ein Sensorelement ergibt und gleichzeitig und integral mit dem Tragelement (8b) hergestellt wird, das ohne Anwenden von Abschleifen angefertigt wird und für ein Tragelement mit einem an zwei Enden gestützten Träger bestimmt ist. (Schritt d) Wenigstens einer oder mehrere der Schleifsteine (12b) werden beim Abschleifen verwendet und die Breite W1 des Schleifsteins und die Breite W2 eines Abstandshalters zum Befestigen von Schleifsteinen werden unter Berücksichtigung der Länge des frei schwingenden Teils (7b) und der Länge des Tragelements (8b) bestimmt. In diesem Fall wird W1 auf 2 mm eingerichtet, W2 wird auf 0,5 mm eingerichtet, die Länge des frei schwingenden Teils (7b) wird auf 2 mm eingerichtet und die Länge des Tragelements (8b) wird auf 0,5 mm eingerichtet. Durch Einrichten des Ausmaßes des Abschleifens von der Fläche auf das Maß 0,3 mm und der Dicke des frei schwingenden Teils (7b) auf das Maß 0,1 mm wird das Abschleifen so durchgeführt, dass die Dicken t2 und t3 jeweiliger LN-Einkristallplatten, die direkt miteinander verbunden werden, wobei die Polaritätsumkehrgrenze (A) als die Schwelle dazwischen dient, auf dieselben 0,05 mm eingerichtet werden. Dadurch, dass die Dicken t2 und t3 zueinander gleich eingerichtet werden, wird hohe Empfindlichkeit verwirklicht.
Nächstfolgend werden Elektroden (9) zum Erfassen elektrischer Ladungen sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der durch einen Abschleifprozess erzeugten LN-Einkristallplatte ausgebildet. (Schritt e) In diesem Fall werden die Elektroden (9) durch Aufdampfen oder stromloses Plattieren ausgebildet und es wird bevorzugt, in Anbetracht der Haftfestigkeit an der LN-Einkristallplatte Cr/Au oder Ti/Au als das Elektrodenmaterial einzusetzen.
Dann wird die LN-Einkristallplatte durch Zerschneiden oder durch die Verwendung einer Plättchenschneidevorrichtung, wie durch die Bezugssymbole 14a bis 14c und 15a bis 15k angezeigt, in ein Matrixformat geschnitten, um bimorphe piezoelektrische Elemente für Beschleunigungssensor zu erzeugen, wobei jede eine an zwei Enden gestützte Trägerstruktur aufweist, die mit einem Tragelement (8b) und einem frei schwingenden Teil (7b) ausgestattet ist. (Schritt f) Beim Durchführen des vorgenannten Schneideprozesses müssen wenigstens eine oder mehrere Schneidkanten verwendet werden und der Abstand zwischen den Kanten muss unter Berücksichtigung der Gestaltung des zu erzeugenden Sensors bestimmt werden. In diesem besonderen Fall wurde ein bimorphes piezoelektrisches Element für Beschleunigungssensor einer extrem kleinen Größe von 2,5 mm Länge, 0,5 mm Breite und 0,4 mm Dicke durch Einsatz eines Abstands von 2,5 mm zwischen den jeweils benachbarten Bezugssymbolen 14a bis 14c und eines Abstands von 0,5 mm zwischen den jeweils benachbarten Bezugssymbolen 15a bis 15k verwirklicht. Da die Länge des frei schwingenden Teils (7b) anhand der Genauigkeit der eingesetzten Schleifsteine (12b) und außerdem der zum Zeitpunkt des Abschleifens und Schneidens geltenden Bearbeitungsgenauigkeit bestimmt wird, wurde im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren, bei dem das Tragelement unter Verwendung von Klebemitteln befestigt wird, wodurch die Schwankungen bei der Sensorempfindlichkeit bis zu ±20 % betrugen, bei der vorliegenden Erfindung bei den Schwankungen der Sensorempfindlichkeit eine sehr gute Genauigkeit von ±3 % erreicht. In Bezug auf die zum Befestigen eines Tragelements erforderliche durchschnittliche Zeit sind nach dem herkömmlichen Verbindungsverfahren pro Baueinheit des Tragelements 5 Minuten erforderlich, während dies bei der vorliegenden Erfindung lediglich 0,01 Minuten beansprucht, was einer großen Verringerung auf 1/50 der Zeit entspricht, die bei dem herkömmlichen Verbindungsverfahren (selbst wenn bei dem Abschleifprozess ein Schleifstein benutzt wird) benötigt wird. Somit kann die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements mit an zwei Enden gestützter Trägerstruktur für Beschleunigungssensor bereitstellen, das eine enge Schwankungsbreite bei der Empfindlichkeit aufweist und außerdem niedrige Kosten erzielt.
(Fünfte beispielhafte Ausführung)
Es erfolgt eine ausführliche Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei einer fünften beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 9 bis 11. 9 und 10 zeigen perspektivische Prozessansichten des vorgenannten Herstellverfahrens und 11 zeigt als Querschnitt ausgeführte Ansichten der Herstellschritte von 9 und 10. Die Bezugssymbole 6a und 6b zeigen jeweils eine LN-Einkristallplatte an und die Bezugssymbole 5a und 5b zeigen jeweils Polarisationsrichtungen der LN-Einkristallplatten an. Die gepunkteten Linien in den Zeichnungen zeigen eine Polarisationsumkehrgrenze (C) an, an der zwei LN-Einkristallplatten direkt miteinander verbunden sind, wobei die Polarisationsrichtungen davon zueinander umgekehrt sind. Das Bezugssymbol 7a zeigt einen frei schwingenden Teil (durch Abschleifen ausgebildet) an und das Bezugssymbol 8a zeigt ein Tragelement (ohne Anwenden von Abschleifen hergestellt) an. Das Bezugssymbol 12a zeigt zum Abschleifen verwendete Schleifsteine an und das Bezugssymbol 13a zeigt Abstandshalter zum Befestigen der Position der Schleifsteine (12a) mit einem dazwischen bereitgestellten vorgegebenen Abstand an. Das Bezugssymbol 9 zeigt eine Elektrode an, die auf der Hauptfläche der beiden direkt miteinander verbundenen LN-Einkristallplatten ausgebildet wurde, und die Bezugssymbole 10a bis 10f und 11a bis 11k zeigen Schneidrichtungen an.
Das Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für Beschleunigungssensor bei der vorliegenden beispielhaft dargestellten Ausführung beginnt mit dem Zusammensetzen der beiden LN-Einkristallplatten 6a und 6b, wobei, nachdem jede jeweilige Fläche davon gereinigt wurde, Wärme auf die beiden kombinierten Platten angewendet wird, um die beiden Platten direkt miteinander zu verbinden. (Schritte a bis b)
Die Dicke von jeder einzelnen LN-Einkristallplatte wird unter Berücksichtigung der endgültigen Gestaltung bestimmt. In diesem Fall werden beispielsweise zwei LN-Einkristallplatten, die jeweils 0,35 mm Dicke aufweisen, direkt miteinander verbunden. Die Schritte des Reinigens und Zusammensetzens der beiden Platten werden vorzugsweise in einem sauberen Raum durchgeführt, um zu vermeiden, dass Staub zwischen die beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Platten, die direkt miteinander verbunden werden, gerät. Zusätzlich erhalten die beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen der LN-Einkristallplatten beide eine positive Polarität. Die Erfassungsempfindlichkeit des Sensors wird ausgedrückt durch eine Ungleichung: S ∝ > d/ε·ρ·L1·α, wobei d: piezoelektrische Konstante, ε: dielektrische Konstante, ρ: Massendichte, L1: Länge des frei schwingenden Teils und β: Konstante.
Eine LN-Einkristallplatte ist ein anisotropes Material, das je nach Schneidebene zu einer unterschiedlichen piezoelektrischen Konstante d und einer unterschiedlichen dielektrischen Konstante ε führt. Daher wird vorab durch eine Simulation eine Y-Platte mit 120° bis 150° Drehung erzielt, um d/ε zu maximieren und dadurch eine hohe Erfassungsempfindlichkeit zu verwirklichen. Des Weiteren wird dadurch, dass das Verbinden der Einkristallplatten so durchgeführt wird, dass die beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen beide eine positive Polarität erhalten, die Erzeugung elektrischer Ladungen auf Grund eines Temperaturanstiegs aufgehoben, was zu einer Verwirklichung von Temperatureigenschaften für ausgezeichnete Sensorempfindlichkeit führt. Zusätzlich kann, wenn bei der Durchführung des Verbindens das Ausmaß der Verschiebung jeder einzelnen Platte von der X-Achse oder der Z-Achse auf ±1° begrenzt wird, die Bindungsfestigkeit verbessert werden, wodurch eine Verbesserung der Stoßfestigkeit eines resultierenden Beschleunigungssensors erzielt wird. Als Ergebnis von Zugfestigkeitsprüfungen wird die Temperatur der Wärme, die nach Zusammensetzen der beiden Platten angewendet wird, auf 275°C oder höher gesetzt, wobei in dem Verbindungsgrenzbereich kein Zerstörungsmodus erfolgt, aber das Eintreten von Volumenzerstörung verursacht wird. Die Obergrenze der Erhitzungstemperatur kann auf nahezu 1150°C erweitert werden, was der Curie-Temperatur von LN entspricht. Die Kosten für die daran beteiligte Ausrüstung können durch Durchführen des Erhitzens im Vakuum oder in der Atmosphäre verringert werden. Bei Abschluss des Erhitzens ist das Paar LN-Einkristallplatten (6a und 6b), die miteinander verbunden wurden, vollständig integral miteinander, auch wenn die Polaritätsumkehrgrenze (C), die eine Verbindungsebene bildet, durch eine gepunktete Linie in den Zeichnungen angezeigt wird.
Nächstfolgend wird eine der Flächen der durch Direktverbinden ausgebildeten LN-Einkristallplatte mit Hilfe von einem Überlappungsverfahren, einem Flächenabschleifverfahren oder Ähnlichem zu einem Ausmaß von 0,3 mm abgeschabt, bis die Dicke t1 zu der Polaritätsumkehrgrenze 0,05 mm erreicht. (Schritt c) Wird für das Direktverbinden eine LN-Einkristallplatte von 0,05 mm Dicke verwendet, kann dieser Schritt c weggelassen werden.
Dann wird die andere Fläche der durch Direktverbinden ausgebildeten LN-Einkristallplatte unter Verwendung des Schleifsteins (12a) mit einer Dicke von W1 abgeschliffen, um die frei schwingenden Teile (7a) zu erzeugen, von denen jedes ein Sensorelement ergibt und gleichzeitig und integral mit dem Tragelement (8a) hergestellt wird, das ohne Anwenden von Abschleifen angefertigt wird und für ein Tragelement eines Auslegerträgers bestimmt ist. (Schritt d) Wenigstens einer oder mehrere der Schleifsteine (13a) werden beim Abschleifen verwendet und die Breite W1 des Schleifsteins und die Breite W2 eines Abstandshalters zum Befestigen von Schleifsteinen werden unter Berücksichtigung der Länge des frei schwingenden Teils (7a) und der Länge des Tragelements (8a) bestimmt. In diesem Fall wird W1 auf 4,0 mm eingerichtet, W2 wird auf 1,0 mm eingerichtet, die Länge des frei schwingenden Teils (7a) wird auf 4,0 mm eingerichtet und die Länge des Tragelements (8a) wird auf 1,0 mm eingerichtet. Durch Einrichten des Ausmaßes des Abschleifens von der Fläche auf das Maß 0,3 mm und der Dicke des frei schwingenden Teils (7a) auf das Maß 0,1 mm wird das Abschleifen so durchgeführt, dass die Dicken t2 und t3 jeweiliger LN-Einkristallplatten, die direkt miteinander verbunden werden, wobei die Polaritätsumkehrgrenze (C) als die Schwelle dazwischen dient, auf dieselben 0,05 mm eingerichtet werden. Dadurch, dass die Dicken t2 und t3 zueinander gleich eingerichtet werden, wird hohe Empfindlichkeit verwirklicht.
Nächstfolgend werden Elektroden (9) zum Erfassen elektrischer Ladungen sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der durch einen Abschleifprozess erzeugten LN-Einkristallplatte ausgebildet. (Schritt e) In diesem Fall werden die Elektroden (9) durch Aufdampfen oder stromloses Plattieren ausgebildet und es wird bevorzugt, in Anbetracht der Haftfestigkeit an der LN-Einkristallplatte Cr/Au oder Ti/Au als das Elektrodenmaterial einzusetzen.
Dann wird die LN-Einkristallplatte durch Zerschneiden oder durch die Verwendung einer Plättchenschneidevorrichtung, wie durch die Bezugssymbole 10a bis 10f und 11a bis 11k angezeigt, in ein Matrixformat geschnitten, um bimorphe piezoelektrische Elemente für Beschleunigungssensor zu erzeugen, wobei jede eine Auslegerträgerstruktur aufweist, die mit einem Tragelement (8a) und einem frei schwingenden Teil (7a) ausgestattet ist. (Schritt f) Beim Durchführen des vorgenannten Schneideprozesses müssen wenigstens eine oder mehrere Schneidkanten verwendet werden und der Abstand zwischen den Kanten muss unter Berücksichtigung der Gestaltung des zu erzeugenden Sensors bestimmt werden. In diesem besonderen Fall wurde ein bimorphes piezoelektrisches Element für Beschleunigungssensor einer extrem kleinen Größe von 2,5 mm Länge, 0,5 mm Breite und 0,4 mm Dicke durch Einsatz eines Abstands von 2,5 mm zwischen den jeweils benachbarten Bezugssymbolen 10a bis 10f und eines Abstands von 0,5 mm zwischen den jeweils benachbarten Bezugssymbolen 11a bis 11k verwirklicht. Da die Länge des frei schwingenden Teils (7a) anhand der Genauigkeit der eingesetzten Schleifsteine (12a) und außerdem der zum Zeitpunkt des Abschleifens und Schneidens geltenden Bearbeitungsgenauigkeit bestimmt wird, wurde im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren, bei dem das Tragelement unter Verwendung von Klebemitteln befestigt wird, wodurch die Schwankungen bei der Sensorempfindlichkeit bis zu ±20 % betrugen, bei der vorliegenden Erfindung bei den Schwankungen der Sensorempfindlichkeit eine sehr gute Genauigkeit von ±3 % erreicht. Durch Einsatz von Schleifsteinen (12a) für die frei schwingenden Teile (7a), wobei jeder eine Dicke von 4,0 mm aufweist, was dem Doppelten der bei der Dritten Beispielhaften Ausführung verwendeten Dicke entspricht, wird die beim Abschleifprozess benötigte Zeit auf die Hälfte der Zeit bei der Dritten Beispielhaften Ausführung verringert. In Bezug auf die zum Herstellen eines Tragelements erforderliche durchschnittliche Zeit sind pro Baueinheit des Tragelements nach der vorliegenden Erfindung 0,005 Minuten erforderlich, was einer großen Verringerung auf 1/100 der Zeit entspricht, die bei dem herkömmlichen Verbindungsverfahren (selbst wenn bei dem Abschleifprozess ein Schleifstein benutzt wird) benötigt wird. Somit kann die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements mit Auslegerträgerstruktur für Beschleunigungssensor bereitstellen, das eine enge Schwankungsbreite bei der Empfindlichkeit aufweist und außerdem niedrige Kosten erzielt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, betrifft die vorliegende Erfindung ein bimorphes piezoelektrisches Element für Beschleunigungssensor, das aus einem Paar piezoelektrischer Einkristallplatten, die durch Direktverbinden Fläche an Fläche zusammengesetzt werden, ausgebildet wird und dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Struktur mit einem frei schwingenden Teil, der an wenigstens einer des vorgenannten Paars piezoelektrischer Einkristallplatten durch teilweises Abschleifen ausgebildet ist, und außerdem ein Tragelement oder Tragelemente aufweist, die aus dem Teil, auf den kein Abschleifprozess angewendet wird, ausgebildet sind und mit dem vorgenannten frei schwingenden Teil an einem Ende oder beiden Enden davon integral hergestellt sind, und ein Herstellverfahren, das umfasst:
einen ersten Schritt des Direktverbindens, mit dem das vorgenannte Paar piezoelektrischer Einkristallplatten Fläche an Fläche zusammengesetzt und erhitzt wird;
einen zweiten Schritt des Ausbildens eines frei schwingenden Teils durch Abschleifen von wenigstens einer des direkt verbundenen Paars piezoelektrischer Einkristallplatten in der Richtung von Reihen oder Spalten mit einem vorgegebenen Abstand bis zu einer vorgegebenen Tiefe;
einen dritten Schritt des Ausbildens von Elektroden auf der abgeschliffenen Hauptfläche der vorgenannten piezoelektrischen Einkristallplatte; und
einen vierten Schritt des Ausbildens von Tragelementen durch Schneiden sowohl des abgeschliffenen frei schwingenden Teils als auch des Teils, auf den kein Abschleifprozess angewendet wird, mit einem vorgegebenen Abstand in der Richtung sowohl von Reihen als auch von Spalten.
Entsprechend kann ein bimorphes piezoelektrisches Element für Beschleunigungssensor, das kleine Größe, hohe Empfindlichkeit und verringerte Schwankungen bei der Empfindlichkeit aufweist, bei niedrigen Kosten hergestellt werden.

Claims

Bimorphes piezoelektrisches Element für einen Beschleunigungssensor, das einen frei schwingenden Teil (32a, b) und ein Tragelement (33a, b, c) enthält, umfassend: – eine erste piezoelektrische Einkristallplatte (6a, c, e); und – eine zweite piezoelektrische Einkristallplatte (6b, d, f), die mit der Fläche der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte verbunden ist; wobei: die erste piezoelektrische Einkristallplatte und die zweite piezoelektrische Einkristallplatte direkt miteinander verbunden sind; und das Tragelement wenigstens an einem Ende des frei schwingenden Teils (33a) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement integral mit dem frei schwingenden Teil (33b, c) hergestellt ist; der frei schwingende Teil durch Abschleifen eines Teils einer Fläche von wenigstens einem der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte und der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte ausgebildet wird; die oder jede Fläche eine Fläche von der piezoelektrischen Einkristallplatte ist, die der Fläche, mit der diese piezoelektrische Einkristallplatte mit der anderen piezoelektrischen Einkristallplatte verbunden ist, gegenüberliegt; und das Tragelement aus einem Teil der piezoelektrischen Einkristallplatte ausgebildet ist, auf den der Abschleifprozess nicht angewendet wird.
Bimorphes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei der frei schwingende Teil einen abgeschliffenen Abschnitt aufweist, der an einem Teil von wenigstens einem der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte und der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte ausgebildet ist und der abgeschliffene Abschnitt eine Dicke aufweist, die durch Anwenden eines Abschleifprozesses (5(d-2)) auf die erste piezoelektrische Einkristallplatte gesteuert wird.
Bimorphes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Tragelement an einem Ende des frei schwingenden Teils (33a) ausgebildet ist.
Bimorphes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Tragelement an beiden Enden des frei schwingenden Teils (33b, c) ausgebildet ist.
Bimorphes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine erste Dicke der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte des schwingenden Teils dieselbe wie eine zweite Dicke des zweiten piezoelektrischen Einkristalls ist.
Bimorphes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, des Weiteren umfassend – Elektroden, die auf beiden Flächen (31a, b, c, d) der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte und der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte, die miteinander verbunden wurden, angeordnet sind.
Bimorphes piezoelektrisches Element nach Anspruch 6, wobei die Elektroden aus wenigstens einem Material, das aus Cr/Au und Ti/Au ausgewählt wurde, ausgebildet sind.
Bimorphes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jede der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte und der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte jeweils aus Lithiumniobat-Einkristallen ausgebildet ist.
Bimorphes piezoelektrisches Element nach Anspruch 8, wobei jede jeweilige Verbindungsebene der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte und der zweiten pie zoelektrischen Einkristallplatte eine ausgeschnittene Ebene einer Y-Platte von 120° bis 150° Drehung bildet.
Bimorphes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jede jeweilige Verbindungsebene der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte und der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte eine positiv gepolte Ebene ist.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements für einen Beschleunigungssensor, umfassend: (a) einen ersten Schritt des Bereitstellens einer ersten piezoelektrischen Einkristallplatte mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche; (b) einen zweiten Schritt des Bereitstellens einer zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte mit einer dritten Fläche und einer vierten Fläche; (c) einen dritten Schritt des direkten Verbindens der dritten Fläche der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte mit der ersten Fläche der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte ohne Verwendung von Klebemitteln; (d) einen vierten Schritt des Ausbildens eines frei schwingenden Teils durch Abschleifen der zweiten Fläche der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte bis zu einer ersten Tiefe und mit einem ersten Abstand; und (e) einen fünften Schritt des Erzeugens eines Elements mit einem Tragelement und dem frei schwingenden Teil durch Schneiden der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte und der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte einschließlich des in dem vierten Schritt vorbereiteten frei schwingenden Teils mit einem vorgegebenen Abstand und in wenigstens einer der Richtungen von Reihen und Spalten.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach Anspruch 11, wobei die dritte Fläche durch ein Direktverbindungsverfahren mit der ersten Fläche verbunden wird.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach Anspruch 11 oder 12, wobei die dritte Fläche direkt mit der ersten Fläche verbunden wird, während die Flächen der piezoelektrischen Einkristallplatte und der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte erhitzt werden.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei das Tragelement ein Abschnitt ist, der bei dem vierten Schritt nicht abgeschliffen wurde.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 11 bis 14, des Weiteren umfassend: (d) einen sechsten Schritt des Ausbildens einer Elektrode auf der Fläche des schwingenden Teils.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach Anspruch 15, wobei der sechste Schritt zwischen dem vierten und dem fünften Schritt durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Elektrode durch wenigstens ein aus einem stromlosen Plattierungsverfahren und einem Aufdampfungsverfahren ausgewählten Verfahren ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei jede der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte und der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte jeweils aus Lithiumniobat-Einkristallen ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei bei dem vierten Schritt eine Vielzahl frei schwingender Teile mit einer solchen Gestaltung ausgebildet wird, dass eine Vielzahl von Nuten parallel zueinander verläuft; wobei bei dem fünften Schritt jede jeweilige Nut der Vielzahl von Nuten entlang der Richtung von Reihen in der Mitte von jeder jeweiligen Nut geschnitten wird und außerdem zu einer Vielzahl von senkrecht zu den Nuten verlaufenden Spalten geschnitten wird; und das erzielte Element ein Tragelement aufweist, das an einem der Enden des frei schwingenden Teils ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei bei dem vierten Schritt eine Vielzahl frei schwingender Teile mit einer Vielzahl von Nuten und Vorsprüngen, die parallel zueinander verlaufen, ausgebildet wird; wobei bei dem fünften Schritt jeder jeweilige Vorsprung der Vielzahl von Vorsprüngen bei dem fünften Schritt entlang der Richtung der parallel zu der Vielzahl von Vorsprüngen liegenden Reihen geschnitten wird und außerdem zu einer Vielzahl von senkrecht zu den Vorsprüngen verlaufenden Spalten geschnitten wird; und das erzielte Element Tragelemente aufweist, die an beiden Enden des frei schwingenden Teils ausgebildet sind.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei die erste Fläche der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte eine erste positiv gepolte Fläche aufweist; die dritte Fläche der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte eine zweite positiv gepolte Fläche aufweist; und die erste positiv gepolte Fläche und die zweite positiv gepolte Fläche miteinander verbunden werden.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 11 bis 21, wobei bei dem dritten Schritt die Heiztemperatur bei ungefähr 275°C oder höher liegt.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 11 bis 22, wobei bei dem vierten Schritt die erste piezoelektrische Einkristallplatte so abgeschliffen wird, dass die erste Dicke der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte und die zweite Dicke der zweiten piezoelektrischen Einkristallplatte bei dem frei schwingenden Teil einander entsprechen können.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 11 bis 23, wobei bei dem fünften Schritt die erste piezoelektrische Einkristallplatte und die zweite piezoelektrische Einkristallplatte unter Verwendung einer Vielzahl von Schneidkanten, die auf derselben Achse mit einem zwischen benachbarten Schneidkanten bereitgestellten vorgegebenen Abstand angeordnet sind, geschnitten werden.
Verfahren zum Herstellen eines bimorphen piezoelektrischen Elements nach einem der Ansprüche 11 bis 24, wobei bei dem vierten Schritt die erste Fläche der ersten piezoelektrischen Einkristallplatte unter Verwendung einer Vielzahl von auf derselben Achse befestigten Schleifsteinen abgeschliffen wird.