DE19712789A1 - Acceleration sensor for impact applications and method of production - Google Patents
Acceleration sensor for impact applications and method of productionInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Be schleunigungssensoren, die beispielsweise zum Erfassen eines Stoßes, der an Festplattenlaufwerke angelegt wird, verwendet werden, und ebenfalls auf ein Herstellungsverfahren für sol che Sensoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Struktur einer bimorphen Erfassungseinrichtung, die bei dem obigen Beschleunigungssensor verwendet wird, und eben falls auf ein Herstellungsverfahren für solche Einrichtun gen.The present invention relates generally to Be acceleration sensors, for example for detecting a Bump applied to hard drives is used be, and also on a manufacturing process for sol che sensors. In particular, the invention relates to a structure of a bimorph detector, which at the above acceleration sensor is used, and just if on a manufacturing process for such equipment gene.
Bisher waren Stoß-erfassende Beschleunigungssensoren unter Verwendung bekannter bimorpher Erfassungseinrichtungen (in dieser Anmeldung einfach als "Erfassungseinrichtungen" bezeichnet) verfügbar, wobei ein typischer Beschleunigungs sensor dieses Typs in der ungeprüften japanischen Patentver öffentlichung Nr. 6-273439 offenbart ist. Dieser Sensor weist, wie es in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, ein Paar von piezoelektrischen Keramikschichten 3 und 4 auf, die in einer rechteckigen planaren Form gebildet sind. Eine Dünnfilmelektrode 1 zum Extrahieren von Signalen und eine Dünnfilmzwischenelektrode 2 sind ferner auf den Hauptober flächen jeder Keramikschicht 3 und 4 gebildet. Die Zwischen elektroden 2, die auf den inneren Hauptoberflächen der je weiligen Blätter 3 und 4 gebildet sind, sind verbunden, um sich gegenüberzuliegen, wodurch die Keramikschichten 3 und 4 integriert sind, um eine Erfassungseinrichtung 5 zu bilden. Dabei sind nur beide Randoberflächen der longitudinalen Erfassungseinrichtung durch ein Gehäuse 6 sicher getragen, das von der Seite aus gesehen in einer "U"-Form gebildet ist.Previously, shock-sensing acceleration sensors using known bimorph detectors (simply referred to as "detectors" in this application) were available, a typical acceleration sensor of this type being disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-273439. As shown schematically in FIG. 3, this sensor has a pair of piezoelectric ceramic layers 3 and 4 which are formed in a rectangular planar shape. A thin film electrode 1 for extracting signals and a thin film intermediate electrode 2 are further formed on the main surfaces of each ceramic layer 3 and 4 . The intermediate electrodes 2 , which are formed on the inner main surfaces of the respective leaves 3 and 4 , are connected to face each other, whereby the ceramic layers 3 and 4 are integrated to form a detection device 5 . Only both edge surfaces of the longitudinal detection device are securely supported by a housing 6 , which is formed in a "U" shape when viewed from the side.
Die longitudinalen piezoelektrischen Keramikschichten 3 und 4 sind in Mittelabschnitte 3a und 4a und in Randabschnitte 3b und 4b durch ein Paar von Grenzlinien L0 getrennt, an denen sich Belastungen, die durch die Wirkung einer Be schleunigung erzeugt werden, ändern. Der Mittelabschnitt 3a und die Randabschnitte 3b der Keramikschicht 3 sind jeweils in den Richtungen A und B zueinander entgegengesetzt entlang der Dicke der Schicht 3 polarisiert, während der Mittelab schnitt 4a und die Randabschnitte 4b der Schicht 4 jeweils in den Richtungen C und D zueinander entgegengesetzt entlang der Dicke der Schicht 4 polarisiert sind. Die Schichten 3 und 4 sind derart gegenüberliegend angeordnet, daß die Rich tungen der Polarisation A und C in den jeweiligen Mittelab schnitten 3a und 4a entgegengesetzt sind, wobei ebenfalls die Richtungen der Polarisationen B und D in den jeweiligen Randabschnitten 3b und 4b entgegengesetzt sind. Insbesondere sind bei den piezoelektrischen Keramikschichten 3 und 4 die entgegengesetzten Polarisationsrichtungen A und C nach innen ausgerichtet, um in dem Mittelabschnitten 3a und 4a zueinan der hin gerichtet zu sein, während die entgegengesetzten Polarisationsrichtungen B und D nach außen gerichtet sind, um in den Randabschnitten 3b und 4b voneinander weg gerich tet zu sein. Die Signalextraktionselektroden 1, die auf den äußeren Hauptoberflächen der jeweiligen Keramikschichten 3 und 4 angeordnet sind, sind mit externen Anschlußelektroden 7 und 8 elektrisch verbunden, die auf jeweiligen Randober flächen des Gehäuses 6 gebildet sind. Zum Polarisieren der Keramikschichten 3 und 4 sind Elektroden, die zum Polarisie ren verwendet werden, mit Größen, die den jeweiligen Mittel abschnitten 3a und 4a und den Randabschnitten 3b und 4b entsprechen, allgemein gebildet, obwohl sie nicht gezeigt sind. Nach diesem Polarisationsverfahren werden die Signal extraktionselektroden 1 im allgemeinen auf diesen Polarisa tionselektroden laminiert.The longitudinal piezoelectric ceramic layers 3 and 4 are separated in middle sections 3 a and 4 a and in edge sections 3 b and 4 b by a pair of boundary lines L0, at which loads generated by the effect of an acceleration change. The central portion 3 a and the edge portions 3b of the ceramic layer 3 are respectively in the directions A and B opposite to each other polarized along the thickness of the layer 3, while the cash out section 4a and the edge portions 4b of the layer 4 in the directions C and D are polarized opposite to each other along the thickness of layer 4 . The layers 3 and 4 are arranged opposite one another in such a way that the directions of the polarization A and C in the respective Mittelab sections 3 a and 4 a are opposite, the directions of the polarizations B and D in the respective edge sections 3 b and 4 b are opposite. Specifically, in the piezoelectric ceramic layers 3 and the opposite polarization directions A and C aligned inward 4 in order in the central portions 3 a and 4 a zueinan the to be directed towards, while the opposite polarization directions B and D are directed outwardly in the Edge sections 3 b and 4 b from each other to be tet. The signal extraction electrodes 1 , which are arranged on the outer main surfaces of the respective ceramic layers 3 and 4 , are electrically connected to external connection electrodes 7 and 8 , which are formed on the respective upper surfaces of the housing 6 . To polarize the ceramic layers 3 and 4 electrodes are used for polarizing, with sizes corresponding to the respective central sections 3 a and 4 a and the edge sections 3 b and 4 b, generally formed, although they are not shown. After this polarization process, the signal extraction electrodes 1 are generally laminated on these polarization electrodes.
Der Grund für die Verwendung der wie oben beschrieben aufge bauten Erfassungseinrichtung 5 ist im Nachfolgenden be schrieben. Durch die Wirkung einer Beschleunigung, die auf den Beschleunigungssensor ausgeübt wird, werden die Mittel abschnitte 3a und 4a und die Randabschnitte 3b und 4b der Keramikschichten 3 und 4 aufgrund einer Trägheitskraft ver formt, derart, daß eine Zugspannung oder eine Druckspannung in denselben erzeugt wird. Dies erhöht die Menge von elek trischen Ladungen in den oberen Abschnitten 3a, 3b und 4b aufgrund eines Synergieeffekts zwischen den jeweiligen Po larisationsrichtungen A bis D und einer Zugspannung oder Druckspannung, wodurch der Betrag an Ladungen in der gesam ten Erfassungseinrichtung entsprechend erhöht wird. Somit kann die Erfassungsempfindlichkeit des Beschleunigungssen sors verbessert werden.The reason for using the detection device 5 constructed as described above is described below. By the action of an acceleration applied to the acceleration sensor, the central portions 3 a and 4 a and the edge portions 3 b and 4 b of the ceramic layers 3 and 4 ver formed due to an inertia force, so that a tensile stress or a compressive stress in the same is generated. This increases the amount of electric charges in the upper sections 3 a, 3 b and 4 b due to a synergy effect between the respective polarization directions A to D and a tensile or compressive stress, whereby the amount of charges in the entire detection device is increased accordingly . Thus, the detection sensitivity of the acceleration sensor can be improved.
Bei dem obigen bekannten Beschleunigungssensortyp werden die Positionen der Grenzlinien L0 zum Teilen der longitudinalen Regionen der Keramikschichten 3 und 4, die die Erfassungs-Einrichtung 5 bilden, in die Mittelabschnitte 3a und 4a und die Randabschnitte 3b und 4b bestimmt, um einen erforder lichen Grad an Erfassungsempfindlichkeit des Beschleuni gungssensors zu erfüllen, der durch die erhöhten elektrisch en Ladungen aufgrund des Erzeugens einer Zugspannung oder einer Druckspannung in den Mittelabschnitten 3a und 3b und den Randabschnitten 4a und 4b erreicht wird. Insbesondere sind die Positionen der Grenzlinien L0 durch eine Berechnung gemäß einer numerischen Analysetechnik, wie z. B. dem Ver fahren der finiten Elemente, eingestellt.In the above known type of acceleration sensor, the positions of the boundary lines L0 for dividing the longitudinal regions of the ceramic layers 3 and 4 , which form the detection device 5 , into the central sections 3 a and 4 a and the peripheral sections 3 b and 4 b are determined by one Necessary degree of detection sensitivity of the acceleration sensor to meet, which is achieved by the increased electrical charges due to the generation of a tensile or compressive stress in the central sections 3 a and 3 b and the edge sections 4 a and 4 b. In particular, the positions of the boundary lines L0 are determined by a calculation according to a numerical analysis technique such as e.g. B. the United drive the finite elements, set.
Es ist jedoch schwierig, einen erforderlichen Grad an Erfas sungempfindlichkeit für alle Beschleunigungssensoren zu schaffen, und zwar aufgrund kleiner Materialunterschiede der Keramikschichten 3 und 4 zwischen den einzelnen Chargen oder sogar innerhalb derselben Charge. Ebenfalls können aufgrund von Bearbeitungsfehlern unterschiedliche Erfassungsempfind lichkeitsgrade eingeführt werden. Somit variieren die Grade der Erfassungsempfindlichkeit, die die einzelnen Beschleu nigungssensoren aufweisen, nachteilhaft. Wenn nämlich die Positionen der Grenzlinien L0 in der Erfassungseinrichtung 5 nur so bestimmt sind, daß der Erfassungsgrad an einen Ziel wert angepaßt werden kann, werden unvermeidbar fehlerhafte Sensoren außerhalb der Toleranz des Zielwertes hergestellt, wodurch Ausschuß oder ernsthafte Verluste auftreten.However, it is difficult to provide a required level of detection sensitivity for all acceleration sensors due to small material differences in the ceramic layers 3 and 4 between the individual batches or even within the same batch. Different degrees of detection sensitivity can also be introduced due to processing errors. Thus, the degrees of detection sensitivity that the individual acceleration sensors have vary disadvantageously. Namely, if the positions of the boundary lines L0 in the detector 5 are only determined so that the degree of detection can be adapted to a target value, inevitable faulty sensors are produced outside the tolerance of the target value, whereby rejects or serious losses occur.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Beschleunigungssensor zu schaffen, dessen Erfassungsempfind lichkeit innerhalb der Toleranz eines vorbestimmten Ziel werts gehalten werden kann.The object of the present invention is a To create acceleration sensor, its detection sensitivity ability within the tolerance of a predetermined target value can be maintained.
Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Herstellen eines Be schleunigungssensors gemäß Anspruch 4 gelöst.This task is accomplished by an acceleration sensor Claim 1 and by a method for producing a Be Accelerometer solved according to claim 4.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie einen Beschleunigungssensor schafft, der das oben be schriebene Problem nicht aufweist, wobei seine Erfassungs empfindlichkeit innerhalb der Toleranz eines vorbestimmten Zielwerts gehalten werden kann, und daß sie ferner ein Herstellungsverfahren für Beschleunigungssensoren schafft, deren Erfassungsempfindlichkeiten sicher innerhalb der Toleranz eines vorgeschriebenen Zielwerts gehalten werden können.An advantage of the present invention is that it creates an acceleration sensor that be the above does not have written problem, being its capture sensitivity within the tolerance of a predetermined Target value can be kept and that it is also a Creates manufacturing processes for acceleration sensors, whose detection sensitivities are safe within the Tolerance of a prescribed target value can.
Um die obige Aufgabe zu erreichen, wird gemäß einer Form der vorliegenden Erfindung ein Beschleunigungssensor mit folgen den Merkmalen geschaffen: einer bimorphen Erfassungsein richtung, die longitudinal in einen Mittelabschnitt und in Randabschnitte geteilt ist, wobei die Polarisationsrichtung in dem Mittelabschnitt zu der Polarisationsrichtung in den Randabschnitten umgekehrt ist, wobei das Verhältnis (Y/X) der Gesamtlänge (Y) des Mittelabschnitts zu der frei ablenk baren Länge (X) der bimorphen Erfassungseinrichtung in der longitudinalen Richtung von 44% zu 73% reicht.In order to achieve the above task, according to a form of present invention to follow an acceleration sensor the characteristics created: a bimorph detection direction which is longitudinal in a central section and in Edge sections is divided, the direction of polarization in the middle section to the polarization direction in the Edge sections is reversed, where the ratio (Y / X) the total length (Y) of the middle section to the free deflect baren length (X) of the bimorph detection device in the longitudinal direction ranges from 44% to 73%.
Bei dem obigen Beschleunigungssensortyp kann die bimorphe Erfassungseinrichtung ein Paar von piezoelektrischen Kera mikschichten umfassen, von denen jede in einer rechteckigen planaren Form gebildet ist und in einen Mittelabschnitt und in die Randabschnitte longitudinal geteilt ist, wobei die Polarisationsrichtung in dem Mittelabschnitt zu der Polari sationsrichtung in den Randabschnitten umgekehrt ist. Die Keramikschichten können jeweils eine Elektrode zum Extra hieren von Signalen auf der äußeren Hauptoberfläche und eine Zwischenelektrode auf der inneren Hauptoberfläche haben. Ferner können die piezoelektrischen Keramikschichten durch Verbinden der Zwischenelektroden miteinander integriert werden, derart, daß die Polarisationsrichtungen der Keramik schichten zueinander entgegengesetzt sein können.In the above type of acceleration sensor, the bimorph Detector a pair of piezoelectric Kera include microlayers, each in a rectangular planar shape is formed and in a central section and is divided longitudinally into the edge sections, the Direction of polarization in the central section to the polar direction is reversed in the edge sections. The Ceramic layers can each have an electrode as an extra here of signals on the outer main surface and one Have an intermediate electrode on the inner main surface. Furthermore, the piezoelectric ceramic layers can be Connecting the intermediate electrodes integrated together be such that the directions of polarization of the ceramic layers can be opposite to each other.
Gemäß einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zum Herstellen eines Produktionsbeschleu
nigungssensors geschaffen, welcher eine bimorphe Produk
tionserfassungseinrichtung aufweist, die longitudinal in
einen Mittelabschnitt und in Randabschnitte geteilt ist,
Wobei die Polarisationsrichtung in dem Mittelabschnitt zu
der Polarisationsrichtung in den Randabschnitten umgekehrt
ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Erzeugen einer bimorphen Mustererfassungseinrichtung nach
dem Positionieren von Grenzlinien zum longitudinalen Teilen
der Einrichtung in den Mittelabschnitt und die Randabschnit
te; Messen der Erfassungsempfindlichkeit eines Musterbe
schleunigungssensors, der als ein Musterprodukt durch Inte
grieren der bimorphen Mustererfassungseinrichtung in ein
Mustergehäuse hergestellt wird; Erzeugen einer bimorphen
Produktionserfassungseinrichtung durch Korrigieren der
Positionen der Grenzlinien zu dem Mittelabschnitt oder zu
den Randabschnitten hin, basierend auf der Erfassungsemp
findlichkeit des Musterbeschleunigungssensors; und Her
stellen eines Produktionsbeschleunigungssensors durch
Integrieren der bimorphen Produktionserfassungseinrichtung
in ein Produktionsgehäuse.According to a further form of the present invention, a method for producing a production acceleration sensor is provided which has a bimorph production production device which is divided longitudinally into a central section and into peripheral sections, the polarization direction in the central section being reversed to the polarization direction in the peripheral sections, the method comprising the following steps:
Creating a bimorph pattern detection device after positioning boundary lines for longitudinally dividing the device into the center portion and the edge portions; Measuring the detection sensitivity of a pattern acceleration sensor made as a pattern product by integrating the bimorph pattern detector into a pattern housing; Creating a bimorph production detector by correcting the positions of the boundary lines toward the center portion or the edge portions based on the detection sensitivity of the pattern acceleration sensor; and manufacturing a production acceleration sensor by integrating the bimorph production detector into a production housing.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are referred to below with reference to the attached drawing nations explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Wegschnittansicht, die den Auf bau eines Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführ ungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; Fig. 1 is a perspective cutaway view showing the construction of an acceleration sensor according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 2 das Herstellungsverfahren für den in Fig. 1 gezeigten Beschleunigungssensor; und FIG. 2 shows the manufacturing method for the acceleration sensor shown in FIG. 1; and
Fig. 3 eine perspektivische Wegschnittansicht, die den Auf bau eines bekannten Typs eines Beschleunigungssensors darstellt. Fig. 3 is a perspective cutaway view showing the construction of a known type of an acceleration sensor.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend bezugnehmend auf die Zeichnungen beschrieben.An embodiment of the present invention will described below with reference to the drawings.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2, die einen Beschleuni gungssensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel darstellen, sind eine Erfassungseinrichtung 10 und ein Paar von piezo elektrischen Keramikschichten 11 und 12 gezeigt. Der Gesamt aufbau dieses Sensors ist grundsätzlich zu dem des in Fig. 3 gezeigten herkömmlichen Sensors ähnlich, weshalb die glei chen Elemente wie in Fig. 3 mit gleichen Bezugszeichen ver sehen sind.Referring to FIGS. 1 and 2, which represent a Accelerati supply sensor according to this embodiment, detecting means 10 and a pair of piezoelectric ceramic layers 11 and 12 are shown. The overall structure of this sensor is fundamentally similar to that of the conventional sensor shown in FIG. 3, which is why the same elements as in FIG. 3 are seen with the same reference numerals.
Zuerst sei auf Fig. 1 Bezug genommen. Der Beschleunigungs sensor, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung aufgebaut ist, weist ein Paar von rechteckigen planaren piezoelektrischen Keramikschichten 11 und 12 auf. Eine Elektrode 1 zum Extrahieren von Signalen und eine Zwi schenelektrode 2 sind auf den Hauptoberflächen jeder Schicht 11 und 12 gebildet. Die Zwischenelektroden 2, die auf den inneren Hauptoberflächen der Schichten 11 und 12 angeordnet sind, sind verbunden, um sich gegenüberzuliegen, wodurch die Schichten 11 und 12 integriert sind, um die Erfassungsein richtung 10 zu bilden. Nur beide Randoberflächen der longi tudinalen Erfassungseinrichtung 10 werden durch ein Gehäuse 6 festgehalten, das von der Seite gesehen in einer "U"-Form gebildet ist. Die longitudinalen Regionen der Keramikschich ten 11 und 12 sind in Mittelabschnitte 11a und 12a und Rand abschnitte 11b und 12b durch ein Paar von Grenzlinien L1 ge teilt, deren Position gemäß dem folgenden Verfahren bestimmt wird. Die longitudinale Länge der Erfassungseinrichtung 10 mit Ausnahme der seitlichen Ränder, die durch das Gehäuse 6 getragen werden, d. h. die Länge, in der die Erfassungsein richtung 10 frei ablenkbar ist, wird als eine frei ablenk bare Länge X bestimmt. Die Gesamtlänge der Mittelabschnitte 11a und 12a ist dagegen durch Y bezeichnet. Das Verhältnis Y/X der Gesamtlänge Y zu der frei ablenkbaren Länge X wird eingestellt, um von 44% zu 73% zu reichen.First, reference is made to FIG. 1. The acceleration sensor, which is constructed according to this exemplary embodiment of the present invention, has a pair of rectangular planar piezoelectric ceramic layers 11 and 12 . An electrode 1 for extracting signals and an intermediate electrode 2 are formed on the main surfaces of each layer 11 and 12 . The intermediate electrodes 2 disposed on the inner major surfaces of the layers 11 and 12 are connected to face each other, whereby the layers 11 and 12 are integrated to form the detection device 10 . Only both edge surfaces of the longi tudinal detection device 10 are held by a housing 6 , which is formed in a "U" shape when viewed from the side. The longitudinal regions of the ceramic layers 11 and 12 are divided into central portions 11 a and 12 a and edge portions 11 b and 12 b by a pair of boundary lines L1, the position of which is determined according to the following method. The longitudinal length of the detection device 10 with the exception of the lateral edges which are carried by the housing 6 , ie the length in which the detection device 10 is freely deflectable, is determined as a freely deflectable length X. The total length of the middle sections 11 a and 12 a is denoted by Y, however. The ratio Y / X of the total length Y to the freely deflectable length X is set to range from 44% to 73%.
Wenn beispielsweise die Keramikschichten 11 und 12 jeweils eine longitudinale Gesamtlänge von 6,4 mm und eine Dicke von 0,12 mm haben, und wenn die longitudinale frei ablenkbare Länge x der Erfassungseinrichtung 10 5,4 mm beträgt, wird die Gesamtlänge Y der Mittelabschnitte 11a und 12a einge stellt, um von 2,4 mm (Y/X ≈ 44,4%) bis 3,9 mm (Y/X ≈ 72,2%) zu reichen. Die oben aufgebauten Beschleunigungssensoren wurden von den vorliegenden Erfindern getestet, und es wurde herausgefunden, daß die Erfassungsempfindlichkeitsgrade aller Beschleunigungssensoren in der Toleranz des Zielwertes gehalten werden können, der von 1,95 bis 2,25 mV/G reicht.For example, if the ceramic layers 11 and 12 each have an overall longitudinal length of 6.4 mm and a thickness of 0.12 mm, and if the longitudinal freely deflectable length x of the detection device 10 is 5.4 mm, the total length Y of the central sections 11 a and 12 a are set to range from 2.4 mm (Y / X ≈ 44.4%) to 3.9 mm (Y / X ≈ 72.2%). The acceleration sensors constructed above have been tested by the present inventors and it has been found that the detection sensitivity levels of all the acceleration sensors can be kept within the tolerance of the target value ranging from 1.95 to 2.25 mV / G.
Ferner sind der Mittelabschnitt 11a und die Randabschnitte 11b der Keramikschicht 11 entlang der Dicke der Schicht 11 in den umgekehrten Polarisationsrichtungen A und B polari siert, während der Mittelabschnitt 12a und die Randabschnit te 12b der Schicht 12 entlang der Dicke der Schicht 12 in den umgekehrten Polarisationsrichtungen C und D polarisiert sind. Ferner sind die Schichten 11 und 12 miteinander inte griert, derart, daß die Polarisationsrichtungen A und C in den jeweiligen Mittelabschnitten 11a und 12a entgegengesetzt sind, während die Polarisationsrichtungen B und D in den jeweiligen Randabschnitten 11b und 12b entgegengesetzt sind. Insbesondere sind die Polarisationsrichtungen A und C in den Keramikschichten 11 und 12 ausgerichtet, um in den Mittel abschnitten 11a und 12a zueinander hin nach innen ausgerich tet zu sein, während die Polarisationsrichtungen B und D in den Randabschnitten 11b und 12b nach außen voneinander weg gerichtet sind. Die Signalextraktionselektroden 1, die auf den äußeren Hauptoberflächen der jeweiligen Keramikschichten 11 und 12 angeordnet sind, sind mit externen Leitungselek troden 7 bzw. 8 elektrisch verbunden, die auf den anderen seitlichen Oberflächen des Gehäuses 6 gebildet sind. Es sollte angemerkt werden, daß die Richtungen A bis D, in denen die Mittel- und die Randabschnitte 11a, 11b, 12a und 12b der Keramikschichten 11 und 12 polarisiert sind, zu den oben bezeichneten umgekehrt ausgerichtet sein können. Ein solcher alternativer Aufbau des Beschleunigungssensors ist selbstverständlich ebenfalls im Bereich der vorliegenden Erfindung.Further, the central portion 11 a and the edge portions 11b of the ceramic layer 11 along the thickness of the layer 11 in the reverse polarization directions A and B polari Siert, while the central portion 12 a and the Randabschnit te 12 b of the layer 12 along the thickness of the layer 12 are polarized in the reverse polarization directions C and D. Furthermore, the layers 11 and 12 are inte grated with one another such that the polarization directions A and C in the respective central sections 11 a and 12 a are opposite, while the polarization directions B and D in the respective edge sections 11 b and 12 b are opposite. In particular, the polarization directions A and C in the ceramic layers 11 and 12 are aligned in order to be aligned inwards in the middle sections 11 a and 12 a towards one another, while the polarization directions B and D in the edge sections 11 b and 12 b outwards are directed away from each other. The signal extraction electrodes 1 , which are arranged on the outer main surfaces of the respective ceramic layers 11 and 12 , are electrically connected to external line electrodes 7 and 8 , which are formed on the other side surfaces of the housing 6 . It should be noted that the directions A to D, in which the central and edge portions 11 a, 11 b, 12 a and 12 b of the ceramic layers 11 and 12 are polarized, can be oriented in the opposite direction to those described above. Such an alternative construction of the acceleration sensor is of course also within the scope of the present invention.
Der wie in Fig. 1 aufgebaute Beschleunigungssensor wird gemäß dem nachfolgend beschriebenen Verfahren der vorliegen den Erfindung aufgebaut. Bevor die Produktion von Beschleu nigungssensoren in die Praxis umgesetzt wird, werden zu Anfang Musterprodukte produziert.The acceleration sensor constructed as in FIG. 1 is constructed according to the method of the present invention described below. Before the production of acceleration sensors is put into practice, sample products are initially produced.
Insbesondere wird ein Paar von unpolarisierten piezoelek trischen Keramikschichten, d. h. die, die zu den Keramik schichten 3 und 4, die bei dem Beispiel für die oben be schriebenen herkömmlichen Beschleunigungssensoren verwendet werden, äquivalent sind, als Muster aus den einzelnen Pro duktionschargen oder aus einer einzigen Charge entnommen. Die Grenzlinien L0, die dazu dienen, um die longitudinalen Regionen der Schichten 3 und 4 in drei Abschnitte zu teilen, werden dann positioniert und durch Berechnung beispielsweise gemäß dem Verfahren der finiten Elemente positioniert. Maskenstrukturen mit Größen, die den Mittelabschnitt 3a und 4a und den Randabschnitten 3b und 4b der Keramikschichten 3 und 4 entsprechen, welche durch das Paar von Grenzlinien L0 geteilt sind, wie es in Fig. 2 zu sehen ist, werden bereit gestellt. Unter Verwendung dieser Maskenstrukturen werden Elektronen, die zur Polarisation 13 verwendet werden, auf den äußeren Hauptoberflächen der Schichten 3 und 4 gebildet. Folglich werden die Zwischenelektroden 2 auf den inneren Hauptoberflächen der jeweiligen Schichten 3 und 4 ange ordnet. Bei dieser Anordnung werden an den Keramikschichten 3 und 4 über die obigen Elektroden Hochspannungen angelegt, derart, daß die Polarisationsrichtungen in dem Mittelab schnitt 3a und in den Randabschnitten 3b der Schicht 3 zu einander entgegengesetzt sind, und derart, daß die Polarisa tionsrichtungen in dem Mittelabschnitt 4a und in dem Randab schnitt der Schicht 4 zueinander entgegengesetzt sind. Es sollte angemerkt werden, daß in Fig. 2 nur die Keramik schicht 3 gezeigt ist. Ferner werden die Signalextraktions elektroden 1 schichtmäßig auf den jeweiligen Polarisierungs elektroden 13, die auf den polarisierten Keramikschichten 3 und 4 gebildet sind, aufgebracht bzw. laminiert, wonach die Zwischenelektroden 2, die auf den inneren Hauptoberflächen der Schichten 3 und 4 angeordnet sind, integriert werden, um sich gegenüberzuliegen. Die Erfassungseinrichtung 5 kann somit produziert werden. Somit werden nur beide Randober flächen der longitudinalen Einrichtung 5 durch das Gehäuse 6 festgehalten, wobei die Signalextraktionselektroden 1 mit den externen Leitungselektroden 7 bzw. 8 elektrisch verbun den sind, die auf unterschiedlichen seitlichen Randober flächen des Gehäuses 5 angeordnet sind. Auf diese Art und Weise kann eine Mehrzahl von Beschleunigungssensoren mit einer in dem Gehäuse 6 eingebauten Erfassungseinrichtung 5, d. h. von Beschleunigungssensoren, die auf eine Art und Weise aufgebaut sind, die zu dem beispielhaften bekannten in Fig. 3 gezeigten Sensor ähnlich ist, als Musterprodukte hergestellt werden.In particular, a pair of unpolarized piezoelectric ceramic layers, that is, the layers 3 and 4 of the ceramic used in the example for the conventional acceleration sensors described above, are equivalent, as a pattern from each production batch or from a single one Batch removed. The boundary lines L0, which serve to divide the longitudinal regions of layers 3 and 4 into three sections, are then positioned and positioned by calculation, for example according to the finite element method. Provided mask structures with sizes of 3 b and 4 of the ceramic layers b 3 and 4 correspond, which are divided by the pair of boundary lines L0, as is seen in Fig. 2, the central portion 3 a and 4 a and the edge portions . Using these mask structures, electrons that are used for polarization 13 are formed on the outer main surfaces of layers 3 and 4 . Consequently, the intermediate electrodes 2 are arranged on the inner major surfaces of the respective layers 3 and 4 . In this arrangement, high voltages are applied to the ceramic layers 3 and 4 via the above electrodes, such that the polarization directions in the section 3 a and in the edge sections 3 b of the layer 3 are opposite to each other, and such that the polarization directions in the middle section 4 a and in the Randab section of the layer 4 are opposite to each other. It should be noted that only the ceramic layer 3 is shown in FIG. 2. Further, the signal extraction electrodes are 1 layer moderately on the respective polarizing electrodes 13, which are formed on the polarized ceramic layers 3 and 4, applied or laminated, after which the intermediate electrode 2, which are arranged on the inner major surfaces of the layers 3 and 4 are integrated, to face each other. The detection device 5 can thus be produced. Thus, only both edge top are surfaces of the longitudinal device held by the housing 6 5, wherein the signal extraction electrodes 1 with the external lead electrodes 7 and 8 electrically-jointed are that are on different side edge upper surfaces of the housing 5 is arranged. In this way, a plurality of acceleration sensors with a detection device 5 built into the housing 6 , ie acceleration sensors, which are constructed in a manner similar to the exemplary known sensor shown in FIG. 3, can be produced as sample products will.
Durch Messen der Erfassungsempfindlichkeitsgrade, die die einzelnen Musterbeschleunigungssensoren aufweisen, können Variationen der Erfassungsempfindlichkeit der Muster erfaßt werden, wodurch es möglich wird, die Anwesenheit von Mater ialunterschieden der piezoelektrischen Keramikschichten der einzelnen Chargen oder innerhalb derselben Charge und eben falls die Anwesenheit von Bearbeitungsfehlern der Schichten zu identifizieren. Im Hinblick auf die Messungen der Erfas sungsempfindlichkeit der obigen Musterprodukte wird die Erfassungseinrichtung 10 neu produziert. Insbesondere werden die Positionen der Grenzlinien L1 zum Aufteilen der longi tudinalen Regionen der Keramikschichten 11 und 12 in die Mittelabschnitte 11a und 12a und die Randabschnitte 11b und 12b korrigiert, um eher zu den Mittelabschnitten 11a und 12a oder eher zu den Randabschnitten 11b und 12b hin verschoben zu werden.By measuring the degrees of detection sensitivity that the individual pattern acceleration sensors have, variations in the detection sensitivity of the patterns can be detected, making it possible to detect the presence of material differences in the piezoelectric ceramic layers of the individual batches or within the same batch and also the presence of machining errors in the layers identify. In view of the measurements of the detection sensitivity of the above sample products, the detection device 10 is newly produced. In particular, the positions of the boundary lines L1 for dividing the longi tudinal regions of the ceramic layers 11 and 12 into the central sections 11 a and 12 a and the peripheral sections 11 b and 12 b are corrected in order to move towards the central sections 11 a and 12 a or rather towards the Edge sections 11 b and 12 b to be moved.
Insbesondere, wenn die Erfassungsempfindlichkeitsgrade der Musterprodukte etwas höher sind, werden die Grenzlinien L1 korrigiert, um zu den Mittelabschnitten 11a und 12a hin positioniert zu werden, wodurch die Erfassungsempfindlich keit des Beschleunigungssensors zu einem niedrigeren Grad hin eingestellt wird. Wenn dagegen die Erfassungsempfind lichkeitsgrade der Musterprodukte etwas niedriger sind, werden die Grenzlinien L1 korrigiert, um zu den Randab schnitten 11b und 12b hin positioniert zu werden, wodurch die Erfassungsempfindlichkeit des Sensors zu einem höheren Grad hin geregelt wird. Anschließend werden Maskenstrukturen mit Größen, die den Mittelabschnitten 11a und 12a und den Randabschnitten 11b und 12b der Keramikschichten 11 und 12 entsprechen, die aus den einzelnen Chargen oder innerhalb der gleichen Charge extrahiert wurden, und die mit dem Paar von korrigierten Grenzlinien L1, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, versehen sind, bereitgestellt. Durch Verwenden der Maskenstrukturen werden die Polarisationselektroden 13 auf den äußeren Hauptoberflächen der Keramikschichten 11 und 12 angeordnet, wobei die Zwischenelektroden 2 auf den inneren Hauptoberflächen der Schichten 11 und 12 gebildet werden. Anschließend werden Hochspannungen an die Schichten 11 und 12 durch die Polarisationselektroden 13 und die Zwischen elektroden 2 angelegt, um die Keramikschichten 11 und 12 derart zu polarisieren, daß die Polarisationsrichtungen in dem Mittelabschnitt 11a und in den Randabschnitten 11b der Schicht 11 zueinander entgegengesetzt sind, und daß die Polarisationsrichtungen in dem Mittelabschnitt 12a und in den Randabschnitten 12b der Schicht 12 ebenfalls entgegen gesetzt sind. Es sollte angemerkt werden, daß in Fig. 2 nur die Keramikschicht 11 gezeigt ist. In particular, when the detection sensitivity levels of the sample products are slightly higher, the boundary lines L1 are corrected to be positioned toward the central portions 11 a and 12 a, whereby the detection sensitivity of the acceleration sensor is adjusted to a lower level. Conversely, if the Erfassungsempfind lichkeitsgrade the sample products are somewhat lower, the boundary lines L1 to be corrected to the Randab cut 11 b and 12 is controlled so that the detection sensitivity of the sensor to a higher degree toward b to be positioned out. Then mask structures with sizes that correspond to the central sections 11 a and 12 a and the edge sections 11 b and 12 b of the ceramic layers 11 and 12 , which were extracted from the individual batches or within the same batch, and with the pair of corrected boundary lines L1 as shown in FIG. 2 are provided. By using the mask patterns of polarizing electrodes 13 are arranged on the outer main surfaces of the ceramic layers 11 and 12, wherein the intermediate electrode 2 are formed on the inner major surfaces of the layers 11 and 12. FIG. Then, high voltages to the layers 11 and 12 by the polarization electrodes 13 and the applied between electrode 2 to the ceramic layers 11 and 12 to polarize such a way are that the polarization directions in the center portion 11 a and the edge portions 11b of the layer 11 opposite to each other and that the polarization directions in the center portion 12 a and the edge portions 12 of the layer B 12 are also opposed. It should be noted that only the ceramic layer 11 is shown in FIG .
Ferner werden die Signalextraktionselektroden auf den Po larisationselektroden 13, die auf den äußeren Hauptober flächen der Keramikschichten 11 und 12 gebildet sind, lami niert. Obwohl bei dem obigen Fall die Polarisationselektro den 13 auf den Keramikschichten 11 und 12 angeordnet sind, kann die Signalextraktionselektrode 1, die mit den äußeren Hauptoberflächen der Keramikschichten 11 und 12 integriert ist, gebildet werden. Ferner können die Zwischenelektroden 2 in Abschnitte geteilt werden, die den Mittelabschnitten 11a und 12a bzw. den Randabschnitten 11b und 12b zugeordnet sind. Diese Modifikationen sind ebenfalls auf die Musterpro dukte anwendbar.Furthermore, the signal extraction electrodes on the polarization electrodes 13 , which are formed on the outer main surfaces of the ceramic layers 11 and 12 , are laminated. In the above case, although the polarization electrodes 13 are arranged on the ceramic layers 11 and 12 , the signal extraction electrode 1 integrated with the main outer surfaces of the ceramic layers 11 and 12 can be formed. Furthermore, the intermediate electrodes 2 can be divided into sections which are assigned to the central sections 11 a and 12 a or the edge sections 11 b and 12 b. These modifications are also applicable to the sample products.
Die Zwischenelektroden 2, die auf den inneren Hauptober flächen der Schichten 11 und 12 gebildet sind, sind ver bunden, um sich gegenüber zu liegen, um eine integrierte Erfassungseinrichtung 10 zu bilden. Ferner werden nur die Randoberflächen der longitudinalen Erfassungseinrichtung 10 fest von dem Gehäuse 6 getragen, wobei die Signalextrak tionselektroden 1 mit den äußeren Leitungselektroden 7 bzw. 8 elektrisch verbunden sind, die auf den unterschiedlichen seitlichen Oberflächen des Gehäuses 6 angeordnet sind. Daher kann ein Beschleunigungssensor mit einer integrierten Erfas sungseinrichtung 10 in dem Gehäuse 6, der wie in Fig. 1 auf gebaut ist, hergestellt werden.The intermediate electrodes 2 , which are formed on the inner main surfaces of the layers 11 and 12 , are connected to lie opposite each other to form an integrated detection device 10 . Furthermore, only the edge surfaces of the longitudinal detection device 10 are firmly supported by the housing 6 , the signal extraction electrodes 1 being electrically connected to the outer lead electrodes 7 and 8, respectively, which are arranged on the different lateral surfaces of the housing 6 . Therefore, an acceleration sensor with an integrated detection device 10 can be manufactured in the housing 6 , which is constructed as in FIG. 1.
Auf eine Art und Weise, die zu dem Beispiel der herkömmlich en Beschleunigungssensoren ähnlich ist, werden beim Anlegen einer Beschleunigung an den Sensor gemäß diesem Ausführungs beispiel die Mittelabschnitte 11a und 12a und die Randab schnitte 11b und 12b der piezoelektrischen Keramikschichten 11 und 12, die die Erfassungseinrichtung 10 bilden, aufgrund einer Trägheitskraft verformt, derart, daß eine Zugspannung oder eine Druckspannung in diesen Abschnitten 11a, 12a, 11b und 12b erzeugt wird. Als Konsequenz wird die Menge an elek trischen Ladungen in den Keramikschichten 11 und 12 aufgrund eines Synergieeffekts zwischen den Polarisationsrichtungen A bis D in den einzelnen Abschnitten und einer Zug- oder Druckspannung, die in denselben erzeugt werden, erhöht.In a manner that is similar to the example of the conventional acceleration sensors, when applying an acceleration to the sensor according to this embodiment, for example, the central sections 11 a and 12 a and the Randab sections 11 b and 12 b of the piezoelectric ceramic layers 11 and 12 , which form the detection device 10 , deformed due to an inertial force, such that a tensile stress or a compressive stress is generated in these sections 11 a, 12 a, 11 b and 12 b. As a consequence, the amount of electric charges in the ceramic layers 11 and 12 is increased due to a synergistic effect between the polarization directions A to D in the individual sections and a tensile or compressive stress generated therein.
Wie es aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich offen sichtlich ist, liefert die vorliegende Erfindung folgende Vorteile. Die Erfassungsempfindlichkeit der Beschleunigungs sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung kann in der Tole ranz eines vorgeschriebenen Zielwerts gehalten werden, ohne ungünstig durch Materialunterschiede von piezoelektrischen Keramikschichten, die aus einzelnen Produktchargen oder aus derselben Charge ausgewählt sind, und durch Bearbeitungs fehler der Schichten ungünstig beeinflußt zu werden. Dies verhindert die Produktion von fehlerhaften Produkten, welche außerhalb der Toleranz eines Zielwerts liegen, wobei eine Produktion dieser Produkte anderenfalls Verluste mit sich bringen würde. Zusätzlich kann gemäß dem Herstellungsver fahren der vorliegenden Erfindung die Erfassungsempfindlich keit der Beschleunigungssensoren zuverlässig in der Toleranz eines Zielwerts gehalten werden.As is clearly evident from the previous description As can be seen, the present invention provides the following Advantages. The detection sensitivity of the acceleration sensors according to the present invention can in the tole a prescribed target value can be met without unfavorable due to material differences from piezoelectric Ceramic layers that consist of individual product batches or same batch are selected, and by machining errors of the layers to be adversely affected. This prevents the production of defective products, which are outside the tolerance of a target value, where a Otherwise, production of these products entails losses would bring. In addition, according to the manufacturing ver drive the present invention sensitive to detection acceleration sensors reliably in tolerance of a target value.
Claims (7)
einer bimorphen Erfassungseinrichtung (11, 12) mit einer frei ablenkbaren Länge (X) in einer longitudinalen Rich tung, die longitudinal in einen Mittelabschnitt (11a, 12a) mit einer Länge (Y) in der longitudinalen Richtung und in Randabschnitte (11b, 12b) geteilt ist, wobei die Polarisationsrichtung (A, C) in dem Mittelabschnitt (11a, 12a) zu der Polarisationsrichtung (B, D) in den Randab schnitten (11b, 12b) umgekehrt ist,
wobei das Verhältnis (Y/X) der Gesamtlänge (Y) des Mit telabschnitts (11a, 12a) zu der frei ablenkbaren Länge (X) der bimorphen Erfassungseinrichtung (11, 12) in einem Bereich von 44% bis 73% liegt.1. Accelerometer with
a bimorph detection device ( 11 , 12 ) with a freely deflectable length (X) in a longitudinal direction, the longitudinal in a central portion ( 11 a, 12 a) with a length (Y) in the longitudinal direction and in edge portions ( 11 b , 12 b) is divided, the polarization direction (A, C) in the central section ( 11 a, 12 a) being cut to the polarization direction (B, D) in the Randab ( 11 b, 12 b) is reversed,
wherein the ratio (Y / X) of the total length (Y) of the middle section ( 11 a, 12 a) to the freely deflectable length (X) of the bimorph detection device ( 11 , 12 ) is in a range from 44% to 73%.
ein Paar von piezoelektrischen Keramikschichten (11, 12), die in einer rechteckigen planaren Form gebildet sind und longitudinal in den Mittelabschnitt (11a, 12a) und in die Randabschnitte (11b, 12b) geteilt sind, wobei die Polari sationsrichtung (A, C) in dem Mittelabschnitt (11a, 12a) zu der Polarisationsrichtung (B, D) in den Randabschnit ten (11b, 12b) umgekehrt ist, wobei die Keramikschichten (11, 12) jeweils eine Elektrode (1) zum Extrahieren von Signalen auf der äußeren Hauptoberfläche und eine Zwi schenelektrode (2) auf der inneren Hauptoberfläche auf weisen, und wobei die piezoelektrischen Keramikschichten (11, 12) durch Verbinden der Zwischenelektroden (2) mit einander integriert sind, derart, daß die Polarisations richtungen (A, B, C, D) der Keramikschichten (11, 12) zueinander entgegengesetzt sind. 2. Acceleration sensor according to claim 1, wherein the bi-morphic detection device ( 11 , 12 ) has the following feature:
a pair of piezoelectric ceramic layers ( 11 , 12 ) which are formed in a rectangular planar shape and are longitudinally divided into the central portion ( 11 a, 12 a) and the edge portions ( 11 b, 12 b), the polarization direction ( A, C) in the central section ( 11 a, 12 a) to the polarization direction (B, D) in the edge sections ( 11 b, 12 b) is reversed, the ceramic layers ( 11 , 12 ) each having an electrode ( 1 ) for extracting signals on the outer main surface and an inter mediate electrode ( 2 ) on the inner main surface, and wherein the piezoelectric ceramic layers ( 11 , 12 ) are integrated by connecting the intermediate electrodes ( 2 ) with each other, such that the polarization directions (A, B, C, D) of the ceramic layers ( 11 , 12 ) are opposite to each other.
Produzieren einer bimorphen Mustererfassungseinrichtung (11, 12) nach dem Positionieren von Grenzlinien (L0) zum longitudinalen Teilen der Einrichtung (11, 12) in den Mittelabschnitt (11a, 12a) und die Randabschnitte (11b, 12b);
Messen der Erfassungsempfindlichkeit eines Musterbe schleunigungssensors, der als Musterprodukt hergestellt ist, durch Integrieren der bimorphen Erfassungsein richtung (11, 12) in ein Mustergehäuse (6);
Produzieren der bimorphen Produktionserfassungsein richtung (11, 12) durch Korrigieren der Positionen der Grenzlinien (L0) zu dem Mittelabschnitt (11a, 12a) oder zu den Randabschnitten (11b, 12b) hin, basierend auf Messungen der Erfassungsempfindlichkeit des Musterbe schleunigungssensors; und
Herstellen des Produktionsbeschleunigungssensors durch Integrieren der bimorphen Produktionserfassungsein richtung (11, 12) in ein Produktionsgehäuse (6). 4. A method for producing a production acceleration sensor which has a bimorphous production detection device ( 11 , 12 ) which is divided longitudinally into a central section ( 11 a, 12 a) and into edge sections ( 11 b, 12 b), the direction of polarization ( A, C) in the middle section ( 11 a, 12 a) to the polarization direction (B, D) in the edge sections ( 11 b, 12 b) is reversed, the method comprising the following steps:
Producing a bimorph pattern detection device ( 11 , 12 ) after positioning boundary lines (L0) for longitudinally dividing the device ( 11 , 12 ) into the central section ( 11 a, 12 a) and the edge sections ( 11 b, 12 b);
Measuring the detection sensitivity of a sample acceleration sensor manufactured as a sample product by integrating the bimorph detection device ( 11 , 12 ) into a sample housing ( 6 );
Produce the bimorphic production detection device ( 11 , 12 ) by correcting the positions of the boundary lines (L0) towards the middle section ( 11 a, 12 a) or towards the edge sections ( 11 b, 12 b) based on measurements of the detection sensitivity of the pattern acceleration sensor ; and
Manufacture of the production acceleration sensor by integrating the bimorphic production detection device ( 11 , 12 ) in a production housing ( 6 ).
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