CN1675555A - 加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种加速度传感器，包括：用于产生基于应力的电荷的压电振子(2)；和形成在压电振子(2)上的配重部(1)，其中，该压电振子(2)在其正面和背面上具有多对检测电极(3a、3b)和(4a、4b)，并且检测电极(3a、3b)和(4a、4b)分别被并联连接，使得由这些检测电极构成的电容(Cd1和Cd2)可以被并联连接。由此可以在保持电压灵敏度的同时使电荷灵敏度加倍。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于检测施加给物体的冲击和加速度的压电加速度传感器，更具体来说，涉及用于检测由内力产生的特征量的加速度传感器，该内力是由加速度引起的。
背景技术
近年来，硬盘驱动器(以下简称为HDD)的存储密度快速地变高。针对这种高存储密度，对磁头定位的精确控制是执行读取/写入过程中的重要因素之一。
例如，在HDD的机壳在受到安装在个人计算机(以下简称为PC)上的另一电子装置(如DVD、CD-ROM等)的影响时还产生旋转振动的情况下，应当检测该旋转振动并使其停止，以保持对磁头定位的控制。
加速度传感器通常用于检测旋转振动。具体来说，使用两个加速度传感器根据它们的输出差异来检测旋转振动。
此外，在近年来已广泛应用的便携式电子装置中，需要检测并停止冲击，以便即使在对便携式电子装置施加了意外冲击的情况下也可以保持可靠性。上述加速度传感器被广泛用于诸如笔记本大小的PC、台式PC等的便携式电子装置中，以在装入上述便携式电子装置中的HDD被施加了意外冲击的情况下防止读取/写入中的差错。
随着装有加速度传感器的电子装置的发展，必需降低这些电子装置的噪声。已提出一种用于对电荷进行放大的放大器来降低噪声。该用于对电荷进行放大的放大器能够降低线路噪声，并置于信号放大电路上。因此，要求加速度传感器具有对电荷的高灵敏度，以提高与电荷放大电路的匹配能力。
图1示出一种常规压电加速度传感器100。参照图1A，压电加速度传感器100包括压电振子102和电路板103。压电振子102置于电路板103上。在压电振子102上设有配重部101。在图1A中的Z方向上对压电振子102进行极化。配重部101的重心在压电振子102之外。
参照图1B，压电振子102包括由电极103a和103b构成的电容Cd1。图1C示出图1B所示的压电振子102的等效电路。根据该结构，当将振动或冲击施加到加速度传感器100(具体来说，施加到配重部101)时，将在压电振子102上产生电荷(产生电荷Q1)。
因此，在常规技术1中，基于依赖于电容Cd1的电压灵敏度(见公式1)或者电荷灵敏度SQ(见公式2)，将加速度传感器100的压电振子102上的产生电荷Q1检测为电压值或电荷值。由此检测出已施加了振动或冲击。
SV＝Q1/Cd1 (公式1)
SQ＝SV*Cd1 (公式2)
作为加速度传感器的电荷灵敏度的改进技术，日本专利申请公报No.2000-121661公开了一种电荷敏感加速度传感器200。图2示出作为常规技术2的加速度传感器200。
参照图2A，加速度传感器200包括具有双层结构的压电振子202。图2B示出压电振子202的等效电路。根据该结构，并联连接压电材料的检测电极以调节极化方向。电容变得更大，由此提高了对电荷的检测灵敏度。
然而，对于如在常规技术2中描述的使用分层压电材料的加速度传感器，要求：压电材料是多层的，调节每层压电材料的极化轴，并精致地连接多个检测电极。这将产生结构复杂和制造繁杂的问题。这些问题导致了降低成本方面的另一问题。此外，根据常规技术2的结构，电压灵敏度降低了。这进一步导致难以将检测信号与噪声分开的另一问题。
本发明正是鉴于上述情况而提出的，并提供了一种加速度传感器，其结构简单，同时保持了电压灵敏度并提高了电荷灵敏度。
发明内容
为解决上述问题，如权利要求1所述，本发明包括一种加速度传感器，该加速度传感器的特征在于包括根据应力产生电荷的振子和置于该振子上的配重部，该振子具有位于正面和背面上的多对检测电极，并且由这些检测电极形成的电容被并联连接。这使得可以并联连接电容而不具有复杂结构。可以实现在保持电压敏感度的同时提高电荷敏感度的加速度传感器。
附图说明
图1A、1B以及1C是示出常规技术1的常规加速度传感器100的图。
图1A是加速度传感器100的立体图。
图1B是该加速度传感器的结构的截面图。
图1C是图1B的等效电路。
图2A和2B示出常规技术2的加速度传感器的构成。
图2A是常规技术2的加速度传感器的截面图。
图2B是其等效电路。
图3A、3B以及3C示出根据本发明第一实施例的加速度传感器。
图3A是其截面图。
图3B是压电振子的截面图。
图3C是图3B的等效电路。
图4是示出在本发明第一实施例的加速度传感器的电压灵敏度和电荷灵敏度与常规技术1的加速度传感器的电压灵敏度和电荷灵敏度之间进行对比的曲线图。
图5A和5B是示出根据本发明第一实施例的加速度传感器的连接示例的图。
图5A是截面图。
图5B是俯视图。
图6是根据本发明第二实施例的压电振子的等效电路。
图7示出根据本发明第三实施例的电极布置和连接。
图8示出根据本发明第四实施例的电极布置和连接。
图9是根据本发明第五实施例的配重部的截面图。
图10A、10B以及10C示出根据本发明第六实施例的电极布置和连接。
图10A示出第一示例。
图10B示出第二示例。
图10C示出第三示例。以及
图11是封装有根据本发明的加速度传感器的加速度传感器封装20的截面图。
具体实施方式
(第一实施例)
以下参照附图对本发明第一实施例进行描述。图3A和3B示出根据本发明第一实施例的加速度传感器10的结构。图3A是加速度传感器10的截面图。
参照图3A，加速度传感器10包括压电振子2。该压电振子2置于电路板3上。在压电振子2上设有配重部1。配重部1的重心位于偏离压电振子2上方的区域的位置处。在以下描述中，正面表示压电振子2的其上设有配重部的表面，而背面表示其上设有电路板3的表面。
如图3B所示，在压电振子2的正面和背面上，设有两对检测电极3a和3b以及4a和4d。根据上述结构，检测电极3a和3b形成电容Cd1，而检测电极4a和4d形成电容Cd2。
如图3B所示，在电路板3上，检测电极3a和4a并联连接，并且检测电极3b和4b并联连接。由此，在置于压电振子2(其为单层板)的正面和背面上的多个检测电极3a、3b、4a及4b中，将隔着压电振子2的厚度斜对的两个检测电极并联连接起来(并联连接电极结构)。这使得可以使用由配重部1的振动在相对于压电振子2呈对角关系的这些电极上产生的同性电荷。图3C示出图3B的等效电路。
如上所述，电容Cd1与Cd2并联连接，而整个压电振子2的电容Cd表示为以下公式3。如在公式3中所示，本发明的电容Cd是常规技术1的压电振子102的电容的两倍。
Cd＝Cd1+Cd2＝2Cd1 (公式3)
(其中，Cd1＝Cd2)
因此，根据本发明的该实施例，如以下公式4所示，产生电荷Q是常规技术1中的两倍。这是因为，在电容Cd1上检测到了产生电荷Q1，并且在电容Cd2上检测到了产生电荷Q2。
Q＝Q1+Q2＝2Q1 (公式4)
(其中，Q1＝Q2)
根据上述公式3和公式4，由以下公式5和公式6给出加速度传感器10的电压灵敏度SV’和电荷灵敏度SQ’。
SV’＝Q/Cd＝2Q1/2Cd＝SV (公式5)
SQ’＝SV’×Cd＝SV×2Cd1＝2SQ (公式6)
如上所述，根据本发明该实施例的加速度传感器10具有与常规技术2的电压灵敏度相等的电压灵敏度，并具有常规技术2的电荷灵敏度两倍大的电荷灵敏度。图4示出本发明该实施例的电压灵敏度和电荷灵敏度(实际测量和计算)与常规技术1的电压灵敏度和电荷灵敏度(实际测量和计算)之间的对比。
图5A到5B示出检测电极3a、3b、4a及4d与电路板3之间的连接的示例。在图5所示的示例中，如图5A所示，检测电极3b和4a置于直接与电路板3相接触的表面(背面)上，并且通过直接与由金、铝等制成的金属凸起(bump)7和8或导电树脂或各向异性导电树脂接合在一起来连接到电路板3。
与之对照，置于压电振子2的正面上的检测电极3a和4b是通过经由去除配重部1的侧壁之后露出的槽(切口部15和16)与由金、铝等制成的金属线5和6接合在一起，来连接到检测电极4a和3b的。由此获得了图5B所示的结构。换句话说，根据上述连接结构，并联连接的检测电极3a和4a连接到并联连接的检测电极3b和4b。此外，换句话说，根据上述连接结构，在隔着压电振子2斜对设置的多个检测电极之间实现了并联连接。
利用上述结构，根据本发明的该实施例，可以在保持电压灵敏度的同时利用简单的结构来实现具有改进电荷灵敏度的加速度传感器。
(第二实施例)
下面参照附图对本发明第二实施例进行详细描述。图6示出根据本发明该实施例的检测电极3a、3b、4a以及4b的连接结构。
参照图6，由设置在压电振子2b中的通孔11和12来连接并联连接的检测电极(3a和4a、3b和4b)。换句话说，隔着压电振子2b斜对布置的检测电极3a和4a、4b和3b由在压电振子2b中沿厚度方向斜向设置的通孔11和12来连接。通孔11和12按不在压电振子2b内互连的方式在空间上交叉。
通过喷沙处理在压电振子2b上直接形成通孔11和12。通过在通孔11和12内填充或溅射诸如金、铝等的导电体来形成互连(未示出)。由此，分别并联连接了两对检测电极3a和4a、4b和3b。
其它构成与本发明第一实施例中的相同，这里略去其描述。
(第三实施例)
下面参照附图对本发明第三实施例进行详细描述。根据本发明的该实施例，将描述与本发明第一实施例中不同的检测电极和连接结构的另一构成。
图7A和7B示出根据本发明该实施例的检测电极和连接结构的构成。参照图7A和7B，在本发明中，当两个电容Cd1和Cd2相等时，可以以任何方式改变电容Cd1和Cd2的检测电极(例如，13a和14b或23a和24b)的形状。
其它构成与本发明第一实施例中的相同，这里略去其描述。
(第四实施例)
接下来，参照附图对本发明第四实施例进行详细描述。在本发明的上述第一到第三实施例中，所述两对检测电极3a和4a以及3b和4b由金属线5和6连接。根据本发明的该实施例，由导电树脂来替换金属线5和6。
图8A、8B以及8C是示出本发明该实施例的连接结构的俯视图。图8A示出由导电树脂5a和6a来替换图5B中所示的连接的情况。图8B示出由导电树脂5a和6a来替换图7A中所示的连接的情况。图8C示出由导电树脂5a和6a来替换图7B中所示的连接的情况。
其它构成与在本发明第一实施例中的相同，这里略去其描述。
(第五实施例)
接下来，参照附图对本发明第五实施例进行详细描述。在上述本发明第一实施例中，将诸如陶瓷、玻璃等的绝缘材料用于配重部1。在本发明的该实施例中使用了其它材料。
图9A是在配重部1a中使用涂覆有绝缘材料的金属材料的情况的示例。可以把与上述多个实施例中相同的连接结构应用于本发明的该实施例。
图9B是在配重部1b中使用未涂覆绝缘材料的金属材料的情况的示例。当在配重部1b中使用导电材料时，在配重部1b与压电振子2之间设有绝缘性层(绝缘层)9。由此可以避免置于压电振子2正面上的检测电极3a和4b与配重部1b之间的电连接。使用具有直径等于或大于配重部1b和压电振子2的表面粗糙度的无机填料的环氧树脂等来形成绝缘层9。
其它构成与本发明第一实施例中的相同，这里略去其描述。
(第六实施例)
接下来，参照附图对本发明第六实施例进行详细描述。在上述本发明第一实施例中，利用通过去除配重部1的侧壁形成的切口部15和16来连接并联连接的检测电极3a和4a以及3b和4b。与之对照的是，根据本发明的该实施例，在配重部1内形成了多个通孔，以获得与上述多个实施例中相同的连接结构。
图10A是根据本发明该实施例的配重部1和连接结构的第一示例的截面图和俯视图。如从图10A所见，在第一示例中，在配重部1内形成有通孔5b和6b以连接置于配重部1上的电极13和14和压电振子2。通孔5b和6b在空间上交叉，以连接斜对设置的电极。通孔5b和6b不在配重部1内互连。通过连接电极13和4a以及14和3b来实现检测电极3a、4a与敏感电极3b、4b之间的连接。
图10B是根据本发明该实施例的配重部1和连接结构的第二示例的截面图和俯视图。如从图10B所见，在第二示例中，在配重部1内形成了通孔5c和6c以连接置于配重部1上的电极13和14和压电振子2。通孔5c和6c形成在与配重部1的顶面和底面相垂直的方向上，以穿过配重部1来连接位于顶面和底面上的电极。置于配重部1的顶面上的电极13和14与检测电极3b和4a之间的互连相交叉，以被并联连接。通过连接电极13和4a以及电极14和3b来实现检测电极3a、4a与3b、4b之间的连接。
在图10A所示的连接结构中，如图10C所示，金属线5和6例如可以由导电树脂5b和6b来替换。
其它构成与在本发明第一实施例中的相同，这里略去其描述。
(第七实施例)
可以使用盖21等来封装根据本发明实施例的加速度传感器10，以提供为加速度传感器封装20。
(其它实施例)
本发明并不限于上述多个实施例，而是可以在不脱离本发明范围的情况下提出其它实施例、变型例和修改例。
如上所述，根据本发明，可以利用单层压电振子的简单结构来实现一种可以提高电荷灵敏度同时保持高电压灵敏度的加速度传感器。
Claims (14)
1、一种加速度传感器，其特征在于包括：根据应力产生电荷的振子；和置于该振子上的配重部，
其中，所述振子具有位于正面和背面上的多对检测电极；并且
由所述检测电极形成的多个电容被并联连接。
2、如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：所述多对检测电极中斜对设置的多个检测电极被隔着所述振子连接，并且所述多个电容被并联连接。
3、如权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于：所述振子是压电材料制成的单层基板。
4、如权利要求1到3中的任何一项所述的加速度传感器，其特征在于：所述配重部的重心在所述振子之外。
5、如权利要求1到4中的任何一项所述的加速度传感器，其特征在于：所述振子具有用于连接隔着所述振子斜对设置的多个检测电极的多个通孔。
6、如权利要求1到4中的任何一项所述的加速度传感器，其特征在于：所述配重部具有露出置于所述振子的正面上的多个检测电极的多条槽。
7、如权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于：隔着所述振子斜对设置的多个检测电极由金属线或导电树脂来连接。
8、如权利要求1到5中的任何一项所述的加速度传感器，其特征在于：所述配重部具有置于其正面上的多个电极和用于连接该多个电极与所述振子的多个检测电极的多个通孔，其中，隔着所述振子斜对设置的多个检测电极是经由所述多个电极和所述多个通孔来连接的。
9、如权利要求8所述的加速度传感器，其特征在于：置于所述振子的背面上的多个检测电极和置于所述配重部的正面上的多个电极由金属线或导电树脂来连接。
10、如权利要求1到9中的任何一项所述的加速度传感器，其特征在于：所述配重部是由绝缘材料制成的。
11、如权利要求1到9中的任何一项所述的加速度传感器，其特征在于：所述配重部是由带有绝缘涂覆的金属制成的。
12、如权利要求1到9中的任何一项所述的加速度传感器，其特征在于：所述配重部是由金属制成的，并且在所述配重部与置于所述振子的正面上的多个检测电极之间布置有绝缘层。
13、如权利要求1到12中的任何一项所述的加速度传感器，其特征在于还包括置于所述振子下的电路板，其中，置于所述振子的背面上的多个检测电极与该电路板被接合起来。
14、一种加速度传感器封装，其特征在于：其封装有如权利要求1到13中的任何一项所述的加速度传感器。
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