JPH09243656A - Accelerometer and its manufacture - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、加速度の測定及び
振動の検知等に用いられる加速度センサ及びその製造方
法に関する。さらに詳細には、小型で高性能な加速度セ
ンサ及びその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration sensor used for measuring acceleration and detecting vibration, and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a small and high-performance acceleration sensor and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、電子機器の小型化が進み、ノート
型パソコン等の携帯用電子機器が普及してきた。これら
の電子機器の衝撃に対する信頼性を確保し向上させるた
めに、小型で表面実装可能な高性能加速度センサへの需
要が高まっている。2. Description of the Related Art In recent years, miniaturization of electronic devices has progressed, and portable electronic devices such as notebook computers have become widespread. In order to secure and improve the reliability of these electronic devices against impacts, there is an increasing demand for small-sized, surface-mountable high-performance acceleration sensors.
【０００３】例えば、高密度なハードディスクへの書き
込み動作中に衝撃が加わると、ヘッドの位置ずれが生
じ、データの書き込みエラーやヘッドの破損を引き起こ
す可能性がある。このため、ハードディスクに加わった
衝撃を検出し、書き込み動作を停止させたり、ヘッドを
安全な位置に退避させる技術が必要となる。For example, if a shock is applied during a write operation to a high-density hard disk, the head may be displaced, which may cause a data write error or a head damage. For this reason, there is a need for a technique for detecting the impact applied to the hard disk, stopping the writing operation, and retracting the head to a safe position.
【０００４】また、自動車の衝突時の衝撃から搭乗者を
保護するためのエアバック装置の衝撃検知用加速度セン
サなどの需要も高まっている。In addition, there is an increasing demand for an acceleration sensor for impact detection of an air bag device for protecting an occupant from the impact of a vehicle collision.
【０００５】従来、加速度センサとしては、圧電セラミ
ック等の圧電材料を用いたものが知られている。これら
の加速度センサは、圧電材料の電気−機械変換特性を利
用することによって、高い検出感度を実現することがで
きる。圧電型の加速度センサは、加速度や振動による力
を圧電効果により電圧に変換して出力する。Conventionally, as an acceleration sensor, one using a piezoelectric material such as a piezoelectric ceramic is known. These acceleration sensors can realize high detection sensitivity by utilizing the electromechanical conversion characteristics of the piezoelectric material. A piezoelectric acceleration sensor converts a force due to acceleration or vibration into a voltage by a piezoelectric effect and outputs the voltage.
【０００６】このような加速度センサとしては、特開平
２−２４８０８６号公報に開示されているような片持ち
梁構造の矩形状バイモルフ型圧電振動子がある。バイモ
ルフ型圧電振動子は、電極を形成した圧電セラミックを
エポキシ樹脂等の接着剤により貼り合わせて形成され
る。片持ち梁構造は、バイモルフ型圧電振動子の一端を
導電性接着剤などによって固定部材に接着固定したもの
である。片持ち梁構造のバイモルフ型圧電振動子は、そ
の共振周波数が低いために、比較的低い周波数成分を有
する加速度を測定するのに用いられる。また、高い周波
数領域の加速度を測定する場合には、その両端を接着剤
等によって固定部材に接着固定した両持ち梁構造のバイ
モルフ型圧電振動子が用いられる。圧電振動子の両端を
固定することにより、共振周波数を比較的高くすること
ができる。As such an acceleration sensor, there is a rectangular bimorph type piezoelectric vibrator having a cantilever structure as disclosed in JP-A-2-248086. The bimorph type piezoelectric vibrator is formed by bonding piezoelectric ceramics having electrodes formed thereon with an adhesive such as an epoxy resin. The cantilever structure is one in which one end of a bimorph type piezoelectric vibrator is adhesively fixed to a fixing member with a conductive adhesive or the like. The bimorph type piezoelectric vibrator having a cantilever structure has a low resonance frequency, and thus is used for measuring acceleration having a relatively low frequency component. Further, when measuring acceleration in a high frequency region, a bimorph piezoelectric vibrator having a doubly supported beam structure is used in which both ends thereof are adhesively fixed to a fixing member with an adhesive or the like. By fixing both ends of the piezoelectric vibrator, the resonance frequency can be made relatively high.
【０００７】以上のような加速度センサは、いずれも圧
電セラミックの接着、圧電振動子の支持にエポキシ樹脂
等からなる接着剤を用いているが、圧電セラミックのヤ
ング率１５×１０-12 ｍ2 ／Ｎに比べてエポキシ樹脂の
ヤング率は２００×１０-12ｍ2 ／Ｎと大きいため、加
速度が加わることによる圧電振動子の振動をエポキシ樹
脂が吸収し、感度を低下させる原因となる。また、接着
層を均一にして接着することは困難であるため、圧電振
動子の特性にばらつきが生じるといった問題点があっ
た。In all of the acceleration sensors described above, an adhesive made of epoxy resin or the like is used for bonding the piezoelectric ceramic and supporting the piezoelectric vibrator, but the Young's modulus of the piezoelectric ceramic is 15 × 10 -12 m 2 / Since the Young's modulus of the epoxy resin is as large as 200 × 10 −12 m 2 / N as compared with N, the epoxy resin absorbs the vibration of the piezoelectric vibrator due to the application of acceleration, which causes a decrease in sensitivity. Further, since it is difficult to make the adhesive layer uniform and adhere, there is a problem in that the characteristics of the piezoelectric vibrator vary.
【０００８】この問題を解決する方法の１つとして、接
着剤を用いることなく、圧電体と支持体及び圧電振動子
を収納する容器を直接接合技術によって接合する方法が
提案されている（特開平７−２６１２４０号公報）。As one of the methods for solving this problem, a method has been proposed in which a container for accommodating a piezoelectric body, a support body and a piezoelectric vibrator is joined by a direct joining technique without using an adhesive (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 10-1999) 7-261240).
【０００９】加速度センサとしては、他にシリコンを用
いたものが知られている。シリコンは、機械的性質が良
好で、かつ、微細加工を施し易いといった優れた特性を
有している。As the acceleration sensor, another one using silicon is known. Silicon has excellent mechanical properties and has excellent characteristics that it is easy to perform fine processing.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
直接接合技術を用いた加速度センサは、加速度を検出す
る梁部が圧電体のみで構成されているために、十分な機
械的強度が得られず、大きな衝撃に耐えられずに破損し
てしまう虞れがあった。このため、上記のような直接接
合技術を用いた加速度センサは、測定可能な加速度の大
きさが制限されるといった問題点を有していた。However, the acceleration sensor using the direct bonding technique as described above has sufficient mechanical strength because the beam portion for detecting acceleration is composed of only a piezoelectric material. There is a risk that it may not be able to withstand a large impact and may be damaged. Therefore, the acceleration sensor using the above-described direct bonding technique has a problem that the measurable acceleration is limited.
【００１１】圧電型の加速度センサにおいては、一般
に、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなる増幅器を
用いて電圧が検出される。図１４に示すように、加速度
センサは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲートに
抵抗Ｒと並列に接続される。この回路を用いた場合、低
周波数側の測定範囲は、加速度センサの静電容量Ｃと抵
抗Ｒとによって決まるカットオフ周波数ｆ＝１／２πＲ
Ｃで規定される。このため、抵抗Ｒ又は加速度センサの
静電容量Ｃが大きいほど、低い周波数まで応答すること
が可能となる。加速度センサの静電容量Ｃは、材料が同
一の場合、圧電体の厚さが薄いほど大きくなる。低周波
数まで測定可能とするためには、圧電体の厚さを薄くす
ればよいが、圧電体の厚さが薄くなれば、それだけ機械
的強度が低下して割れ易くなると共に、工程上での取り
扱いも困難になる。In a piezoelectric acceleration sensor, a voltage is generally detected using an amplifier composed of a field effect transistor (FET). As shown in FIG. 14, the acceleration sensor is connected to the gate of a field effect transistor (FET) in parallel with the resistor R. When this circuit is used, the measurement range on the low frequency side is the cutoff frequency f = 1 / 2πR determined by the capacitance C and the resistance R of the acceleration sensor.
Specified by C. Therefore, the larger the resistance R or the capacitance C of the acceleration sensor, the lower the frequency that can be responded. The electrostatic capacitance C of the acceleration sensor increases as the thickness of the piezoelectric body decreases when the materials are the same. In order to be able to measure up to low frequencies, it is sufficient to reduce the thickness of the piezoelectric body, but the thinner the thickness of the piezoelectric body, the lower the mechanical strength and the easier it is to break, It also becomes difficult to handle.
【００１２】これらの問題点を解決するために、「シ
ム」と呼ばれる弾性体に圧電体を接着して、圧電振動子
の機械的強度を高めるという方法が採られる。しかし、
接着剤を用いて圧電体とシムを接着すると、加速度が加
わることによる圧電振動子の振動を接着剤が吸収し、感
度を低下させる原因となる。また、接着層を均一にして
接着することは困難であるため、圧電振動子の特性にば
らつきが生じるといった問題点がある。In order to solve these problems, a method of adhering a piezoelectric body to an elastic body called "shim" to increase the mechanical strength of the piezoelectric vibrator is adopted. But,
If the piezoelectric body and the shim are bonded using an adhesive, the adhesive absorbs the vibration of the piezoelectric vibrator due to the application of acceleration, which causes a decrease in sensitivity. Further, since it is difficult to make the adhesive layer uniform and adhere, there is a problem in that the characteristics of the piezoelectric vibrator vary.
【００１３】また、矩形状のバイモルフ型圧電素子の感
度を安定させるためには、その共振周波数を安定にする
ことが必要である。この場合、圧電素子の固定状態を安
定なものとすることが必要であるが、実際には、機械的
にあるいは温度変化などによって発生する応力に起因し
て、金属等の支持部又は固定部材で支持又は固定してい
る部分にずれが生じる。例えば、接着剤を用いて固定す
る場合には、接着剤の塗布範囲によって固定位置が変わ
ってしまい、圧電振動子の共振周波数がばらついてしま
う。また、接着剤の温度変化によって固定状態が変動
し、安定な固定状態を実現することは困難である。In order to stabilize the sensitivity of the rectangular bimorph type piezoelectric element, it is necessary to stabilize its resonance frequency. In this case, it is necessary to make the fixed state of the piezoelectric element stable, but in reality, due to the stress generated mechanically or due to temperature change, etc., a supporting portion or a fixing member such as a metal is used. Misalignment occurs in the part that is supported or fixed. For example, when fixing with an adhesive, the fixing position changes depending on the application range of the adhesive, and the resonance frequency of the piezoelectric vibrator varies. In addition, the fixed state changes due to the temperature change of the adhesive, and it is difficult to realize a stable fixed state.
【００１４】また、圧電体のみで圧電振動子を構成した
場合には、圧電体自身が支持されることになり、支持部
付近では、加速度が加わった場合の変位を大きくとるこ
とができないため、高い感度が得られないといった問題
点がある。Further, when the piezoelectric vibrator is composed of only the piezoelectric body, the piezoelectric body itself is supported, and a large displacement cannot be taken near the supporting portion when acceleration is applied. There is a problem that high sensitivity cannot be obtained.
【００１５】また、１つ１つの圧電振動子を別個に作製
して、容器に収納する場合には、製造工程上ハンドリン
グなどが困難となり、加速度センサの小型化が妨げられ
ると共に、量産性の低下を招くといった問題点がある。When each piezoelectric vibrator is separately manufactured and housed in a container, handling becomes difficult in the manufacturing process, the miniaturization of the acceleration sensor is hindered, and the mass productivity is deteriorated. There is a problem that invites.
【００１６】また、シリコンは機械的性質や加工性に優
れる反面、圧電性が小さい。このため、歪抵抗膜等を形
成するが、加速度に対する十分高い感度が得られないと
いった問題点がある。Silicon is excellent in mechanical properties and workability, but has low piezoelectricity. Therefore, although a strain resistance film or the like is formed, there is a problem that a sufficiently high sensitivity to acceleration cannot be obtained.
【００１７】本発明は、従来技術における前記課題を解
決するためになされたものであり、対衝撃性に優れ、大
きな加速度に対しても測定可能で、広い周波数領域にわ
たって高感度を有し、しかも感度等の特性のばらつきの
極めて小さい小型の加速度センサを提供することを目的
とする。The present invention has been made to solve the above problems in the prior art, is excellent in impact resistance, can measure even large acceleration, has high sensitivity over a wide frequency range, and An object of the present invention is to provide a small-sized acceleration sensor in which variations in characteristics such as sensitivity are extremely small.
【００１８】[0018]
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る加速度センサの第１の構成は、シムに
圧電体が直接接合されてなる圧電素子と、前記圧電素子
の主面に形成された電極とからなる圧電振動子と、前記
圧電振動子を支持する支持体とを備えたものである。In order to achieve the above object, the acceleration sensor according to the first aspect of the present invention comprises a piezoelectric element having a piezoelectric body directly bonded to a shim, and a main surface of the piezoelectric element. The piezoelectric vibrator includes a formed electrode and a support that supports the piezoelectric vibrator.
【００１９】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、シムの材料がシリコン及びガラスから
なる群から選ばれる１つであるのが好ましい。Further, in the first structure of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the material of the shim is one selected from the group consisting of silicon and glass.
【００２０】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、圧電体の材料がニオブ酸リチウム、タ
ンタル酸リチウム及び水晶からなる群から選ばれる１つ
であるのが好ましい。Further, in the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the material of the piezoelectric body is one selected from the group consisting of lithium niobate, lithium tantalate and quartz.
【００２１】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、圧電振動子が支持体に直接接合される
ことによって支持されているのが好ましい。In addition, in the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the piezoelectric vibrator is supported by being directly bonded to the support.
【００２２】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、圧電振動子の一端が支持体に支持され
ているのが好ましい。Further, in the first structure of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that one end of the piezoelectric vibrator is supported by the support.
【００２３】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、圧電振動子の両端が支持体に支持され
ているのが好ましい。Further, in the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that both ends of the piezoelectric vibrator are supported by the support.
【００２４】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、圧電振動子が容器に収納され、支持体
が前記容器に直接接合されることによって固定されてい
るのが好ましい。Further, in the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the piezoelectric vibrator is housed in a container and the support is fixed by being directly bonded to the container.
【００２５】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、シムが支持体に直接接合されることに
より、圧電振動子が支持体に支持されているのが好まし
い。Further, in the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the piezoelectric vibrator is supported by the support by directly bonding the shim to the support.
【００２６】また、本発明に係る加速度センサの第２の
構成は、シム基板に形成された梁と、前記梁の少なくと
も一方の面に圧電基板が直接接合されてなる圧電素子
と、前記圧電素子の主面に形成された電極とからなる圧
電振動子と、前記圧電振動子を収納する容器とを備え、
前記圧電振動子と前記容器とが直接接合されていること
を特徴とする。A second configuration of the acceleration sensor according to the present invention is a beam formed on a shim substrate, a piezoelectric element in which a piezoelectric substrate is directly bonded to at least one surface of the beam, and the piezoelectric element. A piezoelectric vibrator including an electrode formed on the main surface of the piezoelectric vibrator, and a container for housing the piezoelectric vibrator,
The piezoelectric vibrator and the container are directly joined to each other.
【００２７】また、前記本発明の加速度センサの第２の
構成においては、シム基板の材料がシリコン及びガラス
からなる群から選ばれる１つであるのが好ましい。Further, in the second structure of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the material of the shim substrate is one selected from the group consisting of silicon and glass.
【００２８】また、前記本発明の加速度センサの第２の
構成においては、圧電基板の材料がニオブ酸リチウム、
タンタル酸リチウム及び水晶からなる群から選ばれる１
つであるのが好ましい。In the second structure of the acceleration sensor of the present invention, the material of the piezoelectric substrate is lithium niobate.
1 selected from the group consisting of lithium tantalate and quartz
Preferably three.
【００２９】また、前記本発明の加速度センサの第２の
構成においては、シム基板に形成された梁が片持ち梁で
あるのが好ましい。Further, in the second structure of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the beam formed on the shim substrate is a cantilever beam.
【００３０】また、前記本発明の加速度センサの第２の
構成においては、シム基板に形成された梁が両片持ち梁
であるのが好ましい。Further, in the second structure of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the beam formed on the shim substrate is a double cantilever beam.
【００３１】また、前記本発明の加速度センサの第２の
構成においては、シム基板が容器に直接接合されること
により、圧電振動子が容器に支持されているのが好まし
い。Further, in the second structure of the acceleration sensor of the present invention, it is preferable that the piezoelectric vibrator is supported by the container by directly bonding the shim substrate to the container.
【００３２】また、本発明に係る加速度センサの製造方
法は、シム及び圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素
子の主面に形成された電極とからなる圧電振動子と、前
記圧電振動子を支持する支持体とを備えた加速度センサ
の製造方法であって、シムに圧電体を直接接合すること
によって圧電素子を形成することを特徴とする。Further, in the method of manufacturing an acceleration sensor according to the present invention, a piezoelectric vibrator including a piezoelectric element including a shim and a piezoelectric body, an electrode formed on a main surface of the piezoelectric element, and the piezoelectric vibrator are provided. A method of manufacturing an acceleration sensor having a supporting body for supporting, wherein a piezoelectric element is formed by directly bonding a piezoelectric body to a shim.
【００３３】また、前記本発明方法の構成においては、
圧電体の材料がニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム
及び水晶からなる群から選ばれる１つであるのが好まし
い。Further, in the constitution of the method of the present invention,
The material of the piezoelectric body is preferably one selected from the group consisting of lithium niobate, lithium tantalate and quartz.
【００３４】また、前記本発明方法の構成においては、
シムの材料がシリコン及びガラスからなる群から選ばれ
る１つであるのが好ましい。Further, in the constitution of the method of the present invention,
The shim material is preferably one selected from the group consisting of silicon and glass.
【００３５】また、前記本発明方法の構成においては、
シムの一部を支持体に直接接合することにより、圧電振
動子を支持体に支持するのが好ましい。Further, in the constitution of the method of the present invention,
It is preferable to support the piezoelectric vibrator on the support by directly bonding a part of the shim to the support.
【００３６】また、前記本発明方法の構成においては、
圧電振動子を収納する容器をさらに備え、前記容器にシ
ムの一部を直接接合するのが好ましい。Further, in the constitution of the method of the present invention,
It is preferable that a container for accommodating the piezoelectric vibrator is further provided and a part of the shim is directly bonded to the container.
【００３７】前記本発明の加速度センサの第１の構成に
よれば、シムに圧電体が直接接合されてなる圧電素子
と、前記圧電素子の主面に形成された電極とからなる圧
電振動子と、前記圧電振動子を支持する支持体とを備え
たものであるので、以下の作用を奏することができる。
すなわち、接着剤などの接着層を用いることなく、圧電
体をシムに直接接合することによって圧電素子を形成す
るようにしたので、従来のように圧電振動子の振動を接
着剤が吸収し、感度を低下させることはない。また、シ
ムと圧電体の接合状態が均一となるので、特性にばらつ
きが生じることもない。また、十分な機械的強度が得ら
れるので、高い対衝撃性を有する加速度センサを実現す
ることができる。According to the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, a piezoelectric vibrator including a piezoelectric element in which a piezoelectric body is directly bonded to the shim, and an electrode formed on the main surface of the piezoelectric element. Since it has a support for supporting the piezoelectric vibrator, the following effects can be achieved.
That is, the piezoelectric element is formed by directly bonding the piezoelectric body to the shim without using an adhesive layer such as an adhesive. Does not reduce. Moreover, since the bonding state between the shim and the piezoelectric body is uniform, there is no variation in characteristics. Further, since sufficient mechanical strength can be obtained, an acceleration sensor having high impact resistance can be realized.
【００３８】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成において、圧電振動子が支持体に直接接合されるこ
とによって支持されているという好ましい例によれば、
以下の作用を奏することができる。すなわち、接着剤を
用いることなく、圧電振動子を支持体に直接接合するよ
うにしたので、圧電振動子の位置合わせを高精度に行う
ことができる。その結果、梁部の長さや支持状態にばら
つきが生じることはないので、安定性が高く、特性のば
らつきの極めて小さい加速度センサを実現することがで
きる。According to a preferred example of the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, in which the piezoelectric vibrator is supported by being directly bonded to the support,
The following effects can be achieved. That is, since the piezoelectric vibrator is directly bonded to the support without using an adhesive, the piezoelectric vibrator can be aligned with high accuracy. As a result, since there is no variation in the length and supporting state of the beam portion, it is possible to realize an acceleration sensor having high stability and extremely small variation in characteristics.
【００３９】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成において、圧電振動子の一端が支持体に支持されて
いるという好ましい例によれば、片持ち梁構造の加速度
センサを実現することができる。Further, in the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, according to a preferable example in which one end of the piezoelectric vibrator is supported by the support, an acceleration sensor having a cantilever structure can be realized. it can.
【００４０】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成において、圧電振動子の両端が支持体に支持されて
いるという好ましい例によれば、両持ち梁構造の加速度
センサを実現することができる。そして、同じ長さ、厚
さの圧電振動子であっても、片持ち梁構造の場合より共
振周波数が高くなるので、さらに高い周波数領域の加速
度を測定することが可能となる。Further, in the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, according to a preferable example in which both ends of the piezoelectric vibrator are supported by the support body, an acceleration sensor having a doubly supported beam structure can be realized. it can. Further, even with piezoelectric vibrators having the same length and thickness, the resonance frequency becomes higher than that in the case of the cantilever structure, so that it is possible to measure acceleration in a higher frequency region.
【００４１】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成において、圧電振動子が容器に収納され、支持体が
前記容器に直接接合されることによって固定されている
という好ましい例によれば、圧電振動子の位置合わせを
高精度に行うことができる。その結果、梁部の長さや支
持状態にばらつきが生じることはないので、安定性が高
く、特性のばらつきの極めて小さい加速度センサを実現
することができる。According to a preferred example of the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, in which the piezoelectric vibrator is housed in the container and the support is fixed by being directly bonded to the container, The piezoelectric vibrator can be aligned with high accuracy. As a result, since there is no variation in the length and supporting state of the beam portion, it is possible to realize an acceleration sensor having high stability and extremely small variation in characteristics.
【００４２】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成において、シムが支持体に直接接合されることによ
り、圧電振動子が支持体に支持されているという好まし
い例によれば、圧電体をも含めて支持体に直接接合され
ている場合に比べ、同じ加速度に対して大きな変位が得
られる。また、圧電体は支持体に支持されていないた
め、支持部付近をも含めて圧電振動子の長さ方向の全域
で変位が得られる。その結果、高い感度を有する加速度
センサを実現することができる。Further, in the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, according to a preferable example in which the piezoelectric vibrator is supported by the support by directly bonding the shim to the support, A large displacement can be obtained with respect to the same acceleration as compared with the case of being directly joined to the support body including. Further, since the piezoelectric body is not supported by the support body, displacement can be obtained over the entire area of the piezoelectric vibrator in the length direction including the vicinity of the support portion. As a result, an acceleration sensor having high sensitivity can be realized.
【００４３】また、前記本発明の加速度センサの第２の
構成によれば、シム基板に形成された梁と、前記梁の少
なくとも一方の面に圧電基板が直接接合されてなる圧電
素子と、前記圧電素子の主面に形成された電極とからな
る圧電振動子と、前記圧電振動子を収納する容器とを備
え、前記圧電振動子と前記容器とが直接接合されている
ことを特徴とするので、圧電振動子の位置合わせを高精
度に行うことができるので、梁部の長さや支持状態にば
らつきが生じることはない。その結果、安定性が高く、
特性のばらつきの極めて小さい加速度センサを実現する
ことができる。また、本構成によれば、１枚の基板に多
数の加速度センサを一度に作製することが可能となるの
で、量産性に優れた加速度センサを実現することができ
る。According to the second structure of the acceleration sensor of the present invention, the beam formed on the shim substrate and the piezoelectric element in which the piezoelectric substrate is directly bonded to at least one surface of the beam, A piezoelectric vibrator including an electrode formed on a main surface of a piezoelectric element, and a container that houses the piezoelectric vibrator are provided, and the piezoelectric vibrator and the container are directly bonded. Since the piezoelectric vibrators can be aligned with high accuracy, the length of the beam portion and the supporting state do not vary. As a result, the stability is high,
It is possible to realize an acceleration sensor with extremely small variation in characteristics. Further, according to this configuration, a large number of acceleration sensors can be manufactured at one time on one substrate, so that an acceleration sensor excellent in mass productivity can be realized.
【００４４】また、前記本発明の加速度センサの第２の
構成において、シム基板が容器に直接接合されることに
より、圧電振動子が容器に支持されているという好まし
い例によれば、圧電基板をも含めて容器に直接接合され
ている場合に比べ、同じ加速度に対して大きな変位が得
られる。また、圧電基板は容器に支持されていないた
め、支持部付近をも含めて圧電振動子の長さ方向の全域
で変位が得られる。その結果、高い感度を有する加速度
センサを実現することができる。Further, in the second configuration of the acceleration sensor of the present invention, according to a preferable example in which the piezoelectric vibrator is supported by the container by directly bonding the shim substrate to the container, A large displacement can be obtained for the same acceleration as compared with the case where it is directly joined to the container including the above. Further, since the piezoelectric substrate is not supported by the container, displacement can be obtained over the entire area of the piezoelectric vibrator in the length direction including the vicinity of the supporting portion. As a result, an acceleration sensor having high sensitivity can be realized.
【００４５】また、前記本発明方法の構成によれば、シ
ム及び圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素子の主面
に形成された電極とからなる圧電振動子と、前記圧電振
動子を支持する支持体とを備えた加速度センサの製造方
法であって、シムに圧電体を直接接合することによって
圧電素子を形成することを特徴とするので、以下の作用
を奏することができる。すなわち、接着剤などの接着層
を用いることなく、圧電体をシムに直接接合することに
よって圧電素子を形成するようにしたので、従来のよう
に圧電振動子の振動を接着剤が吸収し、感度を低下させ
ることはない。また、シムと圧電体の接合状態が均一と
なるので、特性にばらつきが生じることもない。また、
十分な機械的強度が得られるので、高い対衝撃性を有す
る加速度センサが得られる。Further, according to the configuration of the method of the present invention, the piezoelectric vibrator including the piezoelectric element including the shim and the piezoelectric body, the electrode formed on the main surface of the piezoelectric element, and the piezoelectric vibrator are supported. A method of manufacturing an acceleration sensor including a supporting body for forming a piezoelectric element by directly bonding a piezoelectric body to a shim, and thus the following action can be achieved. That is, the piezoelectric element is formed by directly bonding the piezoelectric body to the shim without using an adhesive layer such as an adhesive. Does not reduce. Moreover, since the bonding state between the shim and the piezoelectric body is uniform, there is no variation in characteristics. Also,
Since sufficient mechanical strength can be obtained, an acceleration sensor having high impact resistance can be obtained.
【００４６】[0046]
【発明の実施の形態】以下、実施の形態を用いて本発明
をさらに具体的に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to embodiments.
【００４７】〈第１の実施の形態〉図１は本発明の第１
の実施の形態の圧電振動子を示す斜視図である。図１に
示すように、シリコン（Ｓｉ）からなるシム３０の両面
には、直接接合によってニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ
3 ）からなる圧電基板２ａ、２ｂがそれぞれ形成されて
いる。また、圧電基板２ａ、２ｂの外側面には、電極３
ａ、３ｂがそれぞれ形成されている。以上により、バイ
モルフ型の圧電振動子１が構成されている。<First Embodiment> FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
3 is a perspective view showing the piezoelectric vibrator of the embodiment of FIG. As shown in FIG. 1, lithium niobate (LiNbO 3) is directly bonded to both surfaces of a shim 30 made of silicon (Si).
Piezoelectric substrates 2a and 2b made of 3 ) are respectively formed. The electrodes 3 are formed on the outer surfaces of the piezoelectric substrates 2a and 2b.
a and 3b are formed respectively. The bimorph type piezoelectric vibrator 1 is configured as described above.
【００４８】以下に、上記のような構成を有する圧電振
動子の製造方法の一例について説明する。An example of a method of manufacturing the piezoelectric vibrator having the above structure will be described below.
【００４９】図２は本発明の第１の実施の形態の圧電振
動子の製造方法における直接接合の各段階の基板界面状
態を示す説明図である。図２中、Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 は基
板間の距離を示している。まず、圧電基板２ａ、２ｂで
あるＬｉＮｂＯ3 基板とシム３０であるＳｉ基板の接合
面を鏡面研磨した。次いで、これらの基板を、アンモニ
アと過酸化水素と水の混合液（アンモニア水：過酸化水
素水：水＝１：１：６（容量比））で洗浄し、親水化処
理を施した。図２（ａ）に示すように、この薬品で洗浄
された圧電基板２ａ、２ｂ（２ｂについては図示せず）
とシム３０の表面は−ＯＨ基で終端され、親水性になる
（接合前の状態）。FIG. 2 is an explanatory view showing a substrate interface state at each stage of direct bonding in the method of manufacturing a piezoelectric vibrator according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, L 1 , L 2 , and L 3 indicate distances between the substrates. First, the bonding surfaces of the LiNbO 3 substrates that are the piezoelectric substrates 2a and 2b and the Si substrate that is the shim 30 were mirror-polished. Next, these substrates were washed with a mixed solution of ammonia, hydrogen peroxide and water (ammonia water: hydrogen peroxide water: water = 1: 1: 6 (volume ratio)) and subjected to a hydrophilic treatment. As shown in FIG. 2A, the piezoelectric substrates 2a and 2b washed with this chemical (2b is not shown).
The surface of the shim 30 is terminated with -OH group and becomes hydrophilic (state before bonding).
【００５０】次いで、図２（ｂ）に示すように、親水化
処理を施した２枚の圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２
ｂを、分極軸の向きが逆方向となるようにシム（Ｓｉ基
板）３０の両面に接合させた（Ｌ1 ＞Ｌ2 ）。これによ
り、脱水が起こり、圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２
ｂとシム（Ｓｉ基板）３０の表面は−ＯＨ基で終端さ
れ、両基板は−ＯＨ重合や水素結合などの引力により引
き合って接合された。Next, as shown in FIG. 2B, two piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a, 2a, 2a and 2b which have been hydrophilized.
b was bonded to both sides of the shim (Si substrate) 30 so that the directions of the polarization axes were opposite (L 1 > L 2 ). This causes dehydration, and the piezoelectric substrate (LiNbO 3 ) 2a, 2
The surfaces of b and the shim (Si substrate) 30 were terminated with an -OH group, and both substrates were attracted to each other and joined by an attractive force such as -OH polymerization or hydrogen bond.
【００５１】次いで、上記のようにして接合させた圧電
基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂとシム（Ｓｉ基板）３
０に、２５０℃の温度で熱処理を施した。これにより、
図２（ｃ）に示すように、圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２
ａ、２ｂとシム（Ｓｉ基板）３０との間が酸素（Ｏ）を
介して共有結合した状態となり（Ｌ2 ＞Ｌ3 ）、圧電基
板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂとシム（Ｓｉ基板）３０
とが原子レベルで強固に直接接合された。すなわち、接
合の界面に中間層が存在しない結合状態が得られた。
尚、ＬｉＮｂＯ3 のキュリー点は１２１０℃であり、こ
れに近い温度履歴により特性が劣化するため、熱処理温
度はキュリー点以下であるのが望ましい。Next, the piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a and 2b and the shims (Si substrate) 3 bonded as described above.
0 was subjected to heat treatment at a temperature of 250 ° C. This allows
As shown in FIG. 2C, the piezoelectric substrate (LiNbO 3 ) 2
a, 2b and the shim (Si substrate) 30 are covalently bonded via oxygen (O) (L 2 > L 3 ), and the piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2 a, 2 b and the shim (Si substrate) 30
And were strongly bonded directly at the atomic level. That is, a bonded state was obtained in which no intermediate layer was present at the bonding interface.
Incidentally, the Curie point of LiNbO 3 is 1210 ° C., and the temperature history close to this causes the characteristics to deteriorate, so the heat treatment temperature is preferably below the Curie point.
【００５２】接合したいものの鏡面研磨された面同士を
表面処理して、接触させることにより、接着剤などの接
着層を介さずに界面間に直接生ずる接合を「直接接合」
と呼ぶ。一般的に、熱処理を施すことにより、分子間力
による接合から共有結合やイオン結合などの原子レベル
の強力な結合となる。ウェハ材料によっては、直接接合
の処理中に接合界面に酸化膜が形成されて、バッファ層
となる場合もある。ＬｉＮｂＯ3 とＳｉとの直接接合は
異種基板間の接合であり、同種基板間に比べて直接接合
させるのは困難であるが、表面に薄い酸化シリコン膜を
形成し、この酸化シリコン膜を介して直接接合を行うこ
ともできる。“Direct bonding” means that the mirror-polished surfaces of the objects to be bonded are surface-treated and brought into contact with each other to directly cause the bonding between the interfaces without using an adhesive layer such as an adhesive.
Call. In general, when heat treatment is performed, the bonding due to the intermolecular force is changed to a strong bond at the atomic level such as a covalent bond or an ionic bond. Depending on the wafer material, an oxide film may be formed at the bonding interface during the process of direct bonding to serve as a buffer layer. The direct bonding of LiNbO 3 and Si is a bonding between different kinds of substrates, and it is more difficult to make a direct bonding than between the same kinds of substrates. Direct joining can also be performed.
【００５３】次いで、シム（Ｓｉ基板）３０に接合した
圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂの外側面に、真空
蒸着法を用いてクロム−金を蒸着し、電極３ａ、３ｂを
形成した（図１参照）。最後に、ダイシングソーを用い
て所定の大きさの短冊状に切断加工し、バイモルフ型の
圧電振動子１を作製した。Then, chromium-gold is vapor-deposited by vacuum vapor deposition on the outer surfaces of the piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a, 2b bonded to the shim (Si substrate) 30 to form the electrodes 3a, 3b (Fig. 1). Finally, a dimorph saw was used to cut into strips of a predetermined size, and a bimorph type piezoelectric vibrator 1 was produced.
【００５４】バイモルフ型の圧電振動子１は、一端又は
両端を支持部材に支持させることにより、片持ち梁構造
又は両持ち梁構造とすることができる。The bimorph type piezoelectric vibrator 1 can have a cantilever structure or a cantilever structure by supporting one end or both ends by a supporting member.
【００５５】図３に、本発明の第１の実施の形態の片持
ち梁構造のバイモルフ型圧電振動子の断面図を示す。図
３に示すように、シム（Ｓｉ基板）３０の両面には、直
接接合によって圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂが
それぞれ形成されている。ここで、圧電基板（ＬｉＮｂ
Ｏ3 ）２ａと圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ｂは、分極軸
の向きが逆方向となるようにシム（Ｓｉ基板）３０の両
面に接合されている。この圧電素子の一端は、ＬｉＮｂ
Ｏ3 からなる支持体４ａ、４ｂに挟持された状態で固定
されている。ここで、圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、
２ｂは、それぞれ支持体４ａ、４ｂに直接接合されてい
る。圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂの外側面に
は、支持体４ａ、４ｂに挟持されていない部分に電極３
ａ、３ｂがそれぞれ形成されている。以上により、片持
ち梁構造のバイモルフ型圧電振動子１が構成されてい
る。FIG. 3 is a sectional view of a bimorph type piezoelectric vibrator having a cantilever structure according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a and 2b are formed on both surfaces of the shim (Si substrate) 30 by direct bonding. Here, the piezoelectric substrate (LiNb
The O 3 ) 2a and the piezoelectric substrate (LiNbO 3 ) 2b are bonded to both sides of the shim (Si substrate) 30 so that the directions of the polarization axes are opposite to each other. One end of this piezoelectric element is LiNb
It is fixed while being sandwiched between supports 4a and 4b made of O 3 . Here, the piezoelectric substrate (LiNbO 3 ) 2a,
2b are directly joined to the supports 4a and 4b, respectively. Electrodes 3 are formed on the outer surfaces of the piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a, 2b at portions not sandwiched by the supports 4a, 4b.
a and 3b are formed respectively. As described above, the bimorph piezoelectric vibrator 1 having the cantilever structure is configured.
【００５６】図４は本発明の第１の実施の形態の加速度
センサの一例を示す分解斜視図である。図４に示すよう
に、図３に示す構造を備えた片持ち梁構造の圧電振動子
１は、中央部にエッチングなどの方法によって陥没部が
形成されたＬｉＮｂＯ3 からなる容器１０ｂ内に収納さ
れ、支持体４ａ、４ｂ（図３参照）は容器１０ｂの内側
壁に直接接合されている。そして、容器１０ｂには、同
じくＬｉＮｂＯ3 からなる容器１０ａが接合されてい
る。容器１０ａ、１０ｂの両端面には、圧電振動子１か
らの出力信号を外部に取り出すための外部電極９ａ、９
ｂが形成されている。これにより、加速度センサ１００
が構成されている。FIG. 4 is an exploded perspective view showing an example of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the piezoelectric vibrator 1 having a cantilever structure having the structure shown in FIG. 3 is housed in a container 10b made of LiNbO 3 having a recess formed in the center by a method such as etching. The supports 4a and 4b (see FIG. 3) are directly joined to the inner wall of the container 10b. The container 10a is also joined to the container 10a made of LiNbO 3 . External electrodes 9a, 9a for extracting an output signal from the piezoelectric vibrator 1 to the outside are provided on both end surfaces of the containers 10a, 10b.
b is formed. Thereby, the acceleration sensor 100
Is configured.
【００５７】図５は本発明の第１の実施の形態の速度セ
ンサの他の例を示す断面図である。図５に示すように、
図３に示す構造を備えた片持ち梁構造の圧電振動子１
は、上面と一側面が開口したＬｉＮｂＯ3 からなる容器
１０ｄ内に収納され、支持体４ａ、４ｂは容器１０ｄの
内側壁に直接接合されている。電極３ａ、３ｂには、支
持体４ａ、４ｂと容器１０ｄを這わせた状態で導電層７
ａ、７ｂが接続されており、導電層７ａ、７ｂの他端部
は容器１０ｄの端部に露出している。容器１０ｄには、
同じくＬｉＮｂＯ3 からなる容器１０ｄと同じ形状の容
器１０ｃが接合されている。容器１０ｃ、１０ｄの外側
面には外部電極９ｃ、９ｄが形成されており、外部電極
９ｃ、９ｄは導電層７ａ、７ｂにそれぞれ導通してい
る。これにより、圧電振動子１からの出力信号を外部に
取り出すことができるようにされている。以上により、
加速度センサ１００が構成されている。FIG. 5 is a sectional view showing another example of the speed sensor according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG.
Piezoelectric vibrator 1 having a cantilever structure having the structure shown in FIG.
Is housed in a container 10d made of LiNbO 3 having an open upper surface and one side surface, and the supports 4a and 4b are directly bonded to the inner wall of the container 10d. The conductive layers 7 are formed on the electrodes 3a and 3b while the supports 4a and 4b and the container 10d are laid on each other.
a and 7b are connected, and the other ends of the conductive layers 7a and 7b are exposed at the end of the container 10d. In the container 10d,
A container 10c having the same shape as the container 10d also made of LiNbO 3 is joined. External electrodes 9c and 9d are formed on the outer surfaces of the containers 10c and 10d, and the external electrodes 9c and 9d are electrically connected to the conductive layers 7a and 7b, respectively. As a result, the output signal from the piezoelectric vibrator 1 can be taken out to the outside. From the above,
The acceleration sensor 100 is configured.
【００５８】図５の加速度センサ１００において、上下
方向に加速度が生じた場合には、圧電振動子１が上下方
向に振動し、撓み振動が発生する。撓み振動が発生する
と、圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂの一方は伸び
るように歪み、他方は縮むように歪む。ここで、圧電基
板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａと圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２
ｂは、分極軸が互いに逆方向となるようにシム（Ｓｉ基
板）３０の両面に接合されているので、電極２ａ、２ｂ
には同じ極性の電荷が発生する。従って、加速度の大き
さを反映した信号を得ることができる。In the acceleration sensor 100 of FIG. 5, when acceleration is generated in the vertical direction, the piezoelectric vibrator 1 vibrates in the vertical direction, and bending vibration is generated. When the flexural vibration occurs, one of the piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a and 2b is distorted so as to expand and the other is contracted so as to contract. Here, the piezoelectric substrate (LiNbO 3 ) 2a and the piezoelectric substrate (LiNbO 3 ) 2
Since b is bonded to both sides of the shim (Si substrate) 30 so that the polarization axes thereof are opposite to each other, the electrodes 2a and 2b.
Charges of the same polarity are generated. Therefore, a signal reflecting the magnitude of acceleration can be obtained.
【００５９】図５に示す加速度センサは、シム（Ｓｉ基
板）３０の両面に圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂ
を接合することによって構成されているため、圧電基板
（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂの厚さを薄くすることがで
きる。これにより、大きな静電容量を得ることができる
ので、低周波数の加速度まで測定することが可能とな
る。また、圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂを薄く
しても、シムを用いることなく圧電基板（ＬｉＮｂ
Ｏ3 ）を２枚直接接合したものに比べて対衝撃性が向上
するので、大きな加速度まで測定することが可能とな
る。The acceleration sensor shown in FIG. 5 has piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a, 2b on both sides of a shim (Si substrate) 30.
The piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a and 2b can be thinned because they are bonded to each other. As a result, a large capacitance can be obtained, so that even low-frequency acceleration can be measured. Even if the piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a and 2b are thinned, the piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) can be formed without using shims.
Since the shock resistance is improved as compared with the case where two sheets of O 3 ) are directly bonded, it is possible to measure even a large acceleration.
【００６０】圧電振動子１の長さ、厚さ及び幅とシム３
０の厚さは、測定対象となる加速度の周波数範囲を考慮
して決定される。測定する加速度の周波数が圧電振動子
１の共振周波数に近づくほど、加速度センサの感度は大
きくなる。測定周波数範囲において、加速度センサの感
度が周波数に大きく依存しないようにするためには、共
振周波数を測定周波数範囲から十分に離すことが必要で
ある。このためには、例えば、共振周波数が最高測定周
波数の２倍の周波数となるように、圧電振動子１を設計
すればよい。The length, thickness and width of the piezoelectric vibrator 1 and the shim 3
The thickness of 0 is determined in consideration of the frequency range of acceleration to be measured. The sensitivity of the acceleration sensor increases as the frequency of the measured acceleration approaches the resonance frequency of the piezoelectric vibrator 1. In the measurement frequency range, the resonance frequency needs to be sufficiently separated from the measurement frequency range so that the sensitivity of the acceleration sensor does not largely depend on the frequency. For this purpose, for example, the piezoelectric vibrator 1 may be designed so that the resonance frequency is twice the highest measurement frequency.
【００６１】以上のように、本実施の形態によれば、接
着剤などの接着層を用いることなく、圧電基板２ａ、２
ｂをシム３０に強固に直接接合することによって圧電振
動子１を形成したので、特性のばらつきや振動の減衰な
どが無く、かつ、高い対衝撃性を有する加速度センサを
実現することができる。また、接着剤を用いることな
く、圧電振動子１を支持体４ａ、４ｂに直接接合するよ
うにしたので、圧電振動子１の位置合わせを高精度に行
うことができる。その結果、片持ち梁部の長さや支持状
態にばらつきがなく、しかも安定性が高く、特性のばら
つきの極めて小さい加速度センサを実現することができ
る。As described above, according to this embodiment, the piezoelectric substrates 2a, 2a and 2a can be formed without using an adhesive layer such as an adhesive.
Since the piezoelectric vibrator 1 is formed by directly bonding b to the shim 30 firmly, it is possible to realize an acceleration sensor having high impact resistance without variations in characteristics and damping of vibration. Moreover, since the piezoelectric vibrator 1 is directly joined to the supports 4a and 4b without using an adhesive, the piezoelectric vibrator 1 can be aligned with high accuracy. As a result, it is possible to realize an acceleration sensor in which the length and supporting state of the cantilever portion do not vary, the stability is high, and the variation in characteristics is extremely small.
【００６２】尚、本実施の形態においては、圧電基板２
ａ、２ｂをシム３０の両面に接合しているが、必ずしも
この構成に限定されるものではなく、シム３０のいずれ
か一方の面に圧電基板２ａ（又は２ｂ）を接合してもよ
い。In the present embodiment, the piezoelectric substrate 2
Although a and 2b are bonded to both surfaces of the shim 30, the configuration is not limited to this, and the piezoelectric substrate 2a (or 2b) may be bonded to either surface of the shim 30.
【００６３】また、本実施の形態においては、圧電基板
２ａ、２ｂの材料としてＬｉＮｂＯ 3 を用いているが、
必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、タン
タル酸リチウムや水晶を用いてもよい。Further, in the present embodiment, the piezoelectric substrate
LiNbO as a material for 2a and 2b ThreeIs used,
It is not necessarily limited to this.
Lithium tartrate or quartz may be used.
【００６４】また、本実施の形態においては、電極３
ａ、３ｂの材料としてクロム−金を用いているが、必ず
しもこれに限定されるものではなく、例えば、金、クロ
ム、銀又は合金材料を用いてもよい。In this embodiment, the electrode 3
Although chromium-gold is used as the material of a and 3b, the material is not necessarily limited to this, and gold, chromium, silver or an alloy material may be used, for example.
【００６５】また、本実施の形態においては、容器１０
ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの材料としてＬｉＮｂＯ3
を用いているが、必ずしもこれに限定されるものではな
く、例えば、ガラス、セラミックス又は樹脂などを用い
てもよい。Further, in the present embodiment, the container 10
LiNbO 3 as a material for a, 10b, 10c and 10d
However, the present invention is not limited to this, and for example, glass, ceramics or resin may be used.
【００６６】また、本実施の形態においては、シム３０
の材料としてＳｉを用いているが、必ずしもこれに限定
されるものではなく、例えば、ガラスなどを用いてもよ
い。In the present embodiment, the shim 30 is used.
Although Si is used as the material of the above, the material is not limited to this, and for example, glass or the like may be used.
【００６７】また、本実施の形態においては、片持ち梁
の支持体４ａ、４ｂの容器１０ｂ（又は１０ｄ）内への
固定手段及び容器１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの固
定手段として直接接合を用いているが、必ずしもこの方
法に限定されるものではなく、接着剤を用いて固定して
も同様の特性を発揮させることができる。Further, in the present embodiment, direct joining is used as the fixing means of the cantilever supports 4a, 4b in the container 10b (or 10d) and the fixing means of the containers 10a, 10b, 10c, 10d. However, the method is not necessarily limited to this method, and the same characteristics can be exhibited even when fixed with an adhesive.
【００６８】また、本実施の形態においては、圧電振動
子１を片持ち梁構造としているが、必ずしもこの構造に
限定されるものではなく、圧電振動子１の両端を支持体
に直接接合して両持ち梁構造としてもよく、圧電振動子
１の中心を支持体に直接接合して中心支持構造としても
よい。Further, in the present embodiment, the piezoelectric vibrator 1 has a cantilever structure, but the structure is not necessarily limited to this structure, and both ends of the piezoelectric vibrator 1 are directly bonded to the support. A double-supported beam structure may be used, or the center of the piezoelectric vibrator 1 may be directly joined to a support body to form a center support structure.
【００６９】〈実施の形態２〉次に、図４、図５と同様
の片持ち梁構造を有する加速度センサ及びその製造方法
について説明する。図６、図７、図８は本発明の第２の
実施の形態の加速度センサの製造方法を示す工程図であ
る。<Second Embodiment> Next, an acceleration sensor having a cantilever structure similar to that shown in FIGS. 4 and 5 and a method of manufacturing the same will be described. 6, 7 and 8 are process diagrams showing a method of manufacturing an acceleration sensor according to the second embodiment of the present invention.
【００７０】まず、図６（ａ）に示すように、圧電基板
１２ａ、１２ｂとしてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ3 ）基板を用い、フォトレジストパターンをマスキン
グ材としたサンドブラスト法により、片持ち梁部１１
ａ、１１ｂを形成した。First, as shown in FIG. 6A, lithium niobate (LiNb) was used as the piezoelectric substrates 12a and 12b.
O 3 ) substrate is used, and the cantilever portion 11 is formed by the sandblast method using a photoresist pattern as a masking material.
a and 11b were formed.
【００７１】また、図６（ｂ）に示すように、シム３１
としてシリコン（Ｓｉ）基板を用い、フォトレジストパ
ターンをマスキング材とした異方性エッチング法によ
り、片持ち梁部３２を形成した。Further, as shown in FIG. 6B, the shim 31
A cantilever portion 32 was formed by an anisotropic etching method using a silicon (Si) substrate as a mask and a photoresist pattern as a masking material.
【００７２】次いで、図６（ｃ）に示すように、Ｓｉ基
板（図６（ｂ））の両面に、片持ち梁部１１ａを形成し
た圧電基板１２ａと片持ち梁部１１ｂを形成した圧電基
板１２ｂをそれぞれ直接接合によって接合した。これに
より、バイモルフ型振動子が得られた。直接接合は、上
記したように親水化処理を施した後、加熱して行った。
この場合、２枚の圧電基板１２ａ、１２ｂの分極軸の向
きが互いに逆方向となるように接合した。Next, as shown in FIG. 6 (c), a piezoelectric substrate 12a having cantilevered beam portions 11a and a piezoelectric substrate having cantilevered beam portions 11b formed on both sides of a Si substrate (FIG. 6 (b)). 12b were joined by direct joining. As a result, a bimorph type vibrator was obtained. The direct bonding was performed by heating after performing the hydrophilic treatment as described above.
In this case, the two piezoelectric substrates 12a and 12b were bonded so that the directions of the polarization axes were opposite to each other.
【００７３】次いで、図７に示すように、片持ち梁部の
両面に、真空蒸着法によりクロム−金を蒸着して電極１
３ａ、１３ｂを形成した。これにより、片持ち梁構造の
バイモルフ型圧電振動子１５が得られた。圧電振動子１
５は、圧電基板１２ａ、１２ｂとシム３１の開口周辺を
支持体として支持されている。また、圧電基板１２ａの
電極１３ａと同じ側の面に、導電層１４ａを形成した。
この導電層１４ａは、電極１３ａに発生した電荷を外部
電極２０ａ（図８（ｂ）、（ｃ））に取り出すためのも
のである。さらに、圧電基板１２ｂの電極１３ｂと同じ
側の面に、片持ち梁部と圧電基板１２ｂの開口の反対側
（図の右側）に導通するように導電層１４ｂを形成し
た。Then, as shown in FIG. 7, the electrodes 1 are formed by vapor-depositing chromium-gold on both surfaces of the cantilever portion by vacuum vapor deposition.
3a and 13b were formed. As a result, the bimorph type piezoelectric vibrator 15 having a cantilever structure was obtained. Piezoelectric vibrator 1
The piezoelectric substrates 5a and 5b are supported around the openings of the piezoelectric substrates 12a and 12b and the shim 31 as a support. Further, the conductive layer 14a was formed on the surface of the piezoelectric substrate 12a on the same side as the electrode 13a.
The conductive layer 14a is for taking out the charges generated in the electrode 13a to the external electrode 20a (FIGS. 8B and 8C). Further, a conductive layer 14b was formed on the surface of the piezoelectric substrate 12b on the same side as the electrode 13b so as to be electrically connected to the opposite side of the opening of the piezoelectric substrate 12b (right side in the drawing).
【００７４】次いで、図８（ａ）に示すように、別のＬ
ｉＮｂＯ3 基板に、フォトレジストパターンをマスキン
グ材としたサンドブラスト法を用いて、凹部１７を形成
し、容器１６ａ、１６ｂを作製した。また、この容器１
６ａ、１６ｂに、圧電基板１２ａ、１２ｂ上の導電層１
４ａ、１４ｂと電気的に接続するための貫通孔１８を同
時に形成した。Then, as shown in FIG. 8A, another L
The recesses 17 were formed on the iNbO 3 substrate by the sandblast method using a photoresist pattern as a masking material, and the containers 16a and 16b were manufactured. Also, this container 1
6a and 16b, the conductive layer 1 on the piezoelectric substrates 12a and 12b
Through holes 18 for electrically connecting with 4a and 14b were simultaneously formed.
【００７５】次いで、図８（ｂ）に示すように、圧電振
動子１５が形成されている圧電基板１２ａ、１２ｂと容
器１６ａ、１６ｂを直接接合によって接合した。これに
より、圧電振動子１５を容器１６ａ、１６ｂ内に封じ込
めた。圧電基板（ＬｉＮｂＯ 3 ）１２ａ、１２ｂと容器
（ＬｉＮｂＯ3 ）１６ａ、１６ｂとの接合部分には、導
電層（クロム−金）１４ａ、１４ｂが形成されているた
め、圧電基板１２ａ、１２ｂと容器１６ａ、１６ｂを直
接接合するのは困難であるが、圧電基板１２ａ、１２ｂ
と容器１６ａ、１６ｂの接合面積を導電層１４ａ、１４
ｂの面積に比べて十分大きくとれば、強固に接合するこ
とができる。次いで、容器１６ａ、１６ｂの貫通孔１８
に、導電層１４ａ、１４ｂと電気的に接続されるように
導電性ペーストを流し込み、焼成してスルーフォール導
電部１９ａ、１９ｂを形成した。さらに、容器１６ａ、
１６ｂの上面に、スルーフォール導電部１９ａ、１９ｂ
と導通するように銀パラジウムを印刷し、外部電極２０
ａ、２０ｂを形成した。これにより、圧電振動子１５上
の電極１３ａ、１３ｂと外部電極２０ａ、２０ｂとが電
気的に接続された。Next, as shown in FIG.
The piezoelectric substrate 12a, 12b on which the pendulum 15 is formed
The vessels 16a and 16b were joined by direct joining. to this
Seals the piezoelectric vibrator 15 in the containers 16a and 16b.
I did. Piezoelectric substrate (LiNbO Three) 12a, 12b and container
(LiNbOThree) At the joint with 16a and 16b,
Electrode layers (chrome-gold) 14a, 14b were formed
The piezoelectric substrates 12a and 12b and the containers 16a and 16b directly.
It is difficult to make contact bonding, but the piezoelectric substrates 12a and 12b
And the containers 16a and 16b are bonded to each other with conductive layers 14a and 14
If it is sufficiently larger than the area of b, a strong bond can be obtained.
Can be. Then, the through holes 18 of the containers 16a and 16b
To be electrically connected to the conductive layers 14a and 14b.
Conductive paste is poured in and fired to conduct through fall.
The electric portions 19a and 19b are formed. Further, the container 16a,
On the upper surface of 16b, through-fall conductive portions 19a, 19b
Silver palladium is printed so as to be electrically connected to the external electrode 20.
a and 20b were formed. As a result, on the piezoelectric vibrator 15
Of the electrodes 13a, 13b and the external electrodes 20a, 20b
Physically connected.
【００７６】次いで、図８（ｃ）に示すように、ダイシ
ングソーを用いて、基板を個々の加速度センサ１０１に
切断した。圧電振動子１５は、シム３１の両面に強固に
接合された２枚の圧電基板１２ａ、１２ｂからなる片持
ち梁構造を有し、容器１６ａ、１６ｂに強固に接合され
ている。Next, as shown in FIG. 8C, the substrate was cut into individual acceleration sensors 101 using a dicing saw. The piezoelectric vibrator 15 has a cantilever structure composed of two piezoelectric substrates 12a and 12b firmly bonded to both sides of the shim 31, and is firmly bonded to the containers 16a and 16b.
【００７７】図８（ｃ）の加速度センサ１０１におい
て、上下方向に加速度が生じた場合には、圧電振動子１
５が上下に振動し、撓み振動が発生する。撓み振動が発
生すると、圧電基板１２ａ、１２ｂの一方は伸びるよう
に歪み、他方は縮むように歪む。ここで、圧電基板１２
ａ、１２ｂは、分極軸が互いに逆方向となるようにシム
３１の両面に接合されているので、電極１３ａ、１３ｂ
には同じ極性の電荷が発生する。これにより、加速度の
大きさを反映した信号を得ることができる。In the acceleration sensor 101 of FIG. 8 (c), when acceleration is generated in the vertical direction, the piezoelectric vibrator 1
5 vibrates up and down, and bending vibration occurs. When flexural vibration occurs, one of the piezoelectric substrates 12a and 12b is distorted so as to stretch and the other is contracted so as to contract. Here, the piezoelectric substrate 12
Since a and 12b are bonded to both sides of the shim 31 so that the polarization axes are opposite to each other, the electrodes 13a and 13b.
Charges of the same polarity are generated. As a result, a signal that reflects the magnitude of acceleration can be obtained.
【００７８】圧電振動子１５の長さ、厚さ、幅及びシム
３１の厚さは、測定対象となる加速度の周波数範囲を考
慮して決定される。測定する加速度の周波数が圧電振動
子１５の共振周波数に近づくほど、加速度センサ１０１
の感度は大きくなる。測定周波数範囲において、加速度
センサ１０１の感度が周波数に対して大きく依存しない
ためには、共振周波数を測定周波数範囲から十分に離す
ことが必要である。このためには、例えば、共振周波数
が最高測定周波数の２倍の周波数となるように圧電振動
子を設計すればよい。The length, thickness and width of the piezoelectric vibrator 15 and the thickness of the shim 31 are determined in consideration of the frequency range of acceleration to be measured. As the frequency of the measured acceleration gets closer to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator 15, the acceleration sensor 101
The sensitivity of is increased. In the measurement frequency range, in order that the sensitivity of the acceleration sensor 101 does not largely depend on the frequency, it is necessary to sufficiently separate the resonance frequency from the measurement frequency range. For this purpose, for example, the piezoelectric vibrator may be designed so that the resonance frequency is twice the highest measurement frequency.
【００７９】以上のように、本実施の形態によれば、接
着剤を用いることなく、圧電基板１２ａ、１２ｂがシム
３１に強固に直接接合されるので、機械的強度の強い圧
電振動子１５を有する加速度センサ１０１を実現するこ
とができ、工程上でも薄い圧電体を扱うことができる。
また、接着剤などの接着層を用いることなく、圧電基板
１２ａ、１２ｂをシム３１に強固に直接接合することに
よって圧電振動子１５を形成したので、特性のばらつき
や振動の減衰などが無く、かつ、高い対衝撃性を有する
加速度センサ１０１を実現することができる。また、圧
電振動子１５が圧電基板からパターン形成されているた
め、形状と支持のばらつきが小さい。また、圧電振動子
１５が支持部と同時に形成され、接着剤を用いることな
く、支持部材に極めて安定に直接接合されているので、
支持状態のばらつきが少なく、位置合わせの精度が高
い。また、片持ち梁の長さにばらつきがないので、共振
周波数などの特性ばらつきが極めて小さく、かつ、振動
に対して高い感度を有する加速度センサを実現すること
ができる。また、圧電振動子１５と支持部材及び容器１
６ａ、１６ｂを同一の材料で形成することができるの
で、温度による歪みなどの影響を受けることがなく、安
定性に優れた加速度センサを実現することができる。ま
た、１枚の基板に多数の加速度センサを一度に作製し得
る量産性に優れた小型の加速度センサの製造方法を提供
することができる。As described above, according to this embodiment, since the piezoelectric substrates 12a and 12b are firmly bonded directly to the shims 31 without using an adhesive, the piezoelectric vibrator 15 having high mechanical strength can be obtained. The acceleration sensor 101 provided can be realized, and a thin piezoelectric body can be handled even in the process.
Further, since the piezoelectric vibrator 15 is formed by directly bonding the piezoelectric substrates 12a and 12b to the shim 31 directly without using an adhesive layer such as an adhesive, there is no variation in characteristics or attenuation of vibration, and Therefore, the acceleration sensor 101 having high impact resistance can be realized. Further, since the piezoelectric vibrator 15 is patterned from the piezoelectric substrate, variations in shape and support are small. Moreover, since the piezoelectric vibrator 15 is formed at the same time as the supporting portion and is directly bonded to the supporting member extremely stably without using an adhesive,
There is little variation in the support state, and the alignment accuracy is high. Further, since there is no variation in the length of the cantilever, it is possible to realize an acceleration sensor having extremely small variation in characteristics such as resonance frequency and having high sensitivity to vibration. In addition, the piezoelectric vibrator 15, the support member, and the container 1
Since 6a and 16b can be formed of the same material, an acceleration sensor excellent in stability can be realized without being affected by distortion due to temperature. Further, it is possible to provide a method for manufacturing a small-sized acceleration sensor which is capable of manufacturing a large number of acceleration sensors on one substrate at one time and which is excellent in mass productivity.
【００８０】尚、本実施の形態においては、圧電基板１
２ａ、１２ｂをシム３１の両面に接合しているが、必ず
しもこの構造に限定されるものではなく、シム３１のい
ずれか一方の面に圧電基板１２ａ（又は１２ｂ）を接合
してもよい。In the present embodiment, the piezoelectric substrate 1
Although 2a and 12b are bonded to both surfaces of the shim 31, the structure is not limited to this, and the piezoelectric substrate 12a (or 12b) may be bonded to either surface of the shim 31.
【００８１】また、本実施の形態においては、圧電基板
１２ａ、１２ｂの材料としてＬｉＮｂＯ3 を用いている
が、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、
タンタル酸リチウムや水晶を用いてもよい。In the present embodiment, LiNbO 3 is used as the material for the piezoelectric substrates 12a and 12b, but the material is not limited to this.
Lithium tantalate or quartz may be used.
【００８２】また、本実施の形態においては、容器１６
ａ、１６ｂの材料としてＬｉＮｂＯ 3 を用いているが、
必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、タン
タル酸リチウム、水晶、シリコン、ガラスなどを用いて
もよい。最適には圧電振動子１５を構成する圧電基板１
２ａ、１２ｂと同じ材料がよく、好適には圧電振動子１
５の材料と熱膨張係数の近いものが望ましい。Further, in the present embodiment, the container 16
LiNbO as a material for a and 16b ThreeIs used,
It is not necessarily limited to this.
Using lithium tartrate, crystal, silicon, glass, etc.
Is also good. Optimally, the piezoelectric substrate 1 that constitutes the piezoelectric vibrator 15
The same material as 2a and 12b is preferable, and the piezoelectric vibrator 1 is preferable.
A material having a thermal expansion coefficient close to that of the material of 5 is desirable.
【００８３】また、本実施の形態においては、電極１３
ａ、１３ｂの材料としてクロム−金を用いているが、必
ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、金、ク
ロム、銀又は合金材料を用いてもよい。Further, in the present embodiment, the electrode 13
Although chromium-gold is used as the material of a and 13b, it is not necessarily limited to this, and gold, chromium, silver or an alloy material may be used, for example.
【００８４】また、本実施の形態においては、スルーフ
ォール導電部１９ａ、１９ｂの材料として導電性ペース
トを用いているが、必ずしもこれに限定されるものでは
なく、例えば、半田や銀鑞などを用いてもよい。In this embodiment, the conductive paste is used as the material for the through-fall conductive portions 19a and 19b, but the material is not necessarily limited to this and, for example, solder or silver brazing is used. May be.
【００８５】また、本実施の形態においては、シム３１
の材料としてＳｉを用いているが、必ずしもこれに限定
されるものではなく、例えば、ガラスなどを用いてもよ
い。In addition, in the present embodiment, the shim 31
Although Si is used as the material of the above, the material is not limited to this, and for example, glass or the like may be used.
【００８６】また、本実施の形態においては、圧電基板
１２ａ、１２ｂ及びシム３１に片持ち梁部を形成した
後、これらを直接接合することによりバイモルフ型圧電
振動子１５を形成しているが、必ずしもこの順番に限定
されるものではなく、２枚の圧電基板１２ａ、１２ｂを
シム３１に直接接合した後、片持ち梁部を形成してもよ
い。Further, in the present embodiment, the bimorph type piezoelectric vibrator 15 is formed by forming the cantilever portion on the piezoelectric substrates 12a and 12b and the shim 31 and then directly joining them. The order is not necessarily limited to this order, and the cantilever portion may be formed after the two piezoelectric substrates 12a and 12b are directly bonded to the shim 31.
【００８７】また、本実施の形態においては、片持ち梁
部１１ａ、１１ｂ、３２を形成した後、電極１３ａ、１
３ｂを形成しているが、必ずしもこの順番に限定される
ものではなく、電極１３ａ、１３ｂを形成した後に、片
持ち梁部１１ａ、１１ｂ、３２を形成してもよい。Further, in this embodiment, the electrodes 13a, 1 are formed after the cantilever portions 11a, 11b, 32 are formed.
Although 3b is formed, it is not necessarily limited to this order, and the cantilever portions 11a, 11b, 32 may be formed after the electrodes 13a, 13b are formed.
【００８８】また、本実施の形態においては、圧電基板
１２ａ、１２ｂへの片持ち梁部１１ａ、１１ｂの加工方
法や容器１６ａ、１６ｂへの貫通孔１８の加工方法とし
てサンドブラスト法を用いているが、必ずしもこの方法
に限定されるものではなく、例えば、ドライエッチン
グ、ウエットエッチング、レーザ加工、イオンビーム加
工、ダイシングやワイヤーソなどの機械加工、ウオータ
ージェット加工、放電加工などを用いてもよい。Further, in the present embodiment, the sandblast method is used as the method of processing the cantilever portions 11a and 11b on the piezoelectric substrates 12a and 12b and the method of processing the through holes 18 in the containers 16a and 16b. However, the method is not necessarily limited to this method, and, for example, dry etching, wet etching, laser processing, ion beam processing, mechanical processing such as dicing or wire saw, water jet processing, and electric discharge processing may be used.
【００８９】また、本実施の形態においては、電極１３
ａ、１３ｂの形成方法として真空蒸着法を用いている
が、必ずしもこの方法に限定されるものではなく、例え
ば、スパッタ法、ＣＶＤ法などの気相成膜法や、メッ
キ、印刷などの方法を用いてもよい。Further, in the present embodiment, the electrode 13
Although the vacuum deposition method is used as the method for forming a and 13b, the method is not necessarily limited to this method, and for example, a vapor phase film forming method such as a sputtering method or a CVD method, or a method such as plating or printing may be used. You may use.
【００９０】また、本実施の形態においては、シム３１
への片持ち梁部３２の加工方法としてエッチング法を用
いているが、必ずしもこの方法に限定されるものではな
く、例えば、ドライエッチング、レーザ加工、イオンビ
ーム加工、ダイシングやワイヤーソなどの機械加工、ウ
オータージェット加工、放電加工、サンドブラスト加工
などを用いてもよい。In addition, in the present embodiment, the shim 31
Although the etching method is used as a method for processing the cantilever portion 32 to the above, it is not necessarily limited to this method. For example, dry etching, laser processing, ion beam processing, mechanical processing such as dicing and wire saw, Water jet machining, electric discharge machining, sandblasting, etc. may be used.
【００９１】また、本実施の形態においては、外部電極
２０ａ、２０ｂを容器１６ａ、１６ｂの上面に設けてい
るが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、容
器１６ａ、１６ｂの側面あるいは側面と上面にまたがる
ように設けてもよい。Further, in the present embodiment, the external electrodes 20a, 20b are provided on the upper surfaces of the containers 16a, 16b, but the present invention is not necessarily limited to this structure, and the side surfaces or the side surfaces of the containers 16a, 16b are not limited thereto. It may be provided so as to straddle the upper surface.
【００９２】また、本実施の形態においては、導電層１
４ａ、１４ｂと外部電極２０ａ、２０ｂとの接続を、容
器１６ａ、１６ｂに貫通孔１８を設けることにより行っ
ているが、必ずしもこの方法に限定されるものではな
く、容器１６ａ、１６ｂに切り欠き等を設けることによ
り行ってもよい。Further, in the present embodiment, the conductive layer 1
4a, 14b and the external electrodes 20a, 20b are connected by providing the through holes 18 in the containers 16a, 16b, but the method is not necessarily limited to this method, and the containers 16a, 16b may be provided with notches or the like. May be provided.
【００９３】また、導電層１４ａ、１４ｂの存在によ
り、圧電振動子１５を形成する圧電基板１２ａ、１２ｂ
とシム３１、又は圧電振動子１５を形成する圧電基板１
２ａ、１２ｂと容器１６ａ、１６ｂが十分な強度を持っ
て接合されない場合には、接合面に酸化シリコン膜をバ
ッファ層として形成し、これを介して接合すれば、強い
接合強度を得ることができる。Further, due to the presence of the conductive layers 14a and 14b, the piezoelectric substrates 12a and 12b forming the piezoelectric vibrator 15 are formed.
And the shim 31 or the piezoelectric substrate 1 forming the piezoelectric vibrator 15
When the 2a, 12b and the containers 16a, 16b are not joined together with sufficient strength, a strong bonding strength can be obtained by forming a silicon oxide film as a buffer layer on the joint surface and joining through this. .
【００９４】〈実施の形態３〉図９は本発明の第３の実
施の形態の加速度センサを示す分解斜視図である。図９
に示すように、ＬｉＮｂＯ3 からなる容器２７ｂには、
バイモルフ型の圧電振動子２１がその両端を支持された
状態で設けられている（両持ち梁構造）。バイモルフ型
の圧電振動子２１は、シム（Ｓｉ基板）３０の両面に圧
電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２２ａ、２２ｂが直接接合され
ることによって構成されている。そして、容器２７ｂに
は、同じくＬｉＮｂＯ3 からなる容器２７ａが直接接合
されている。また、容器２７ａ、２７ｂの外面には、そ
れぞれ外部電極２６ａ、２６ｂ（２６ｂは図示せず）が
形成されている。これにより、圧電振動子２１上の電極
２３ａ、２３ｂ（２３ｂは図示せず）に発生した電荷を
外部に取り出すことができるようにされている。以上に
より、加速度センサ２００が構成されている。<Third Embodiment> FIG. 9 is an exploded perspective view showing an acceleration sensor according to a third embodiment of the present invention. FIG.
As shown in, the container 27b made of LiNbO 3 contains
A bimorph type piezoelectric vibrator 21 is provided with both ends thereof supported (double-supported beam structure). The bimorph type piezoelectric vibrator 21 is configured by directly bonding piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 22a and 22b to both surfaces of a shim (Si substrate) 30. Then, the container 27b, the container 27a similarly made of LiNbO 3 is directly bonded. External electrodes 26a and 26b (26b is not shown) are formed on the outer surfaces of the containers 27a and 27b, respectively. Thereby, the electric charges generated in the electrodes 23a and 23b (23b is not shown) on the piezoelectric vibrator 21 can be taken out to the outside. The acceleration sensor 200 is configured as described above.
【００９５】本実施の形態の両持ち梁構造の加速度セン
サ２００も、上記第２の実施の形態と同様の方法によっ
て製造することができる。すなわち、図１０に示すよう
に、まず、２枚の圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２２ａ、２
２ｂとシム（Ｓｉ基板）３０に、両持ち梁部を形成し
て、圧電基板２２ａ、２２ｂをシム３０の両面に直接接
合することにより、バイモルフ型圧電素子を作製する。
次いで、両持ち梁部の上に電極２３ａ、２３ｂを形成
し、バイモルフ型の圧電振動子２１を作製する。次い
で、外部電極２６ａ、２６ｂ（図９）と電極２３ａ、２
３ｂを接続するための導電層２４ａ、２４ｂ（２４ｂは
図示せず）を形成する。この両持ち梁構造の圧電振動子
２１は、上記第２の実施の形態と同じく、基板上に同時
に多数形成して量産性を高めることができる。圧電振動
子２１を形成した圧電基板２２ａ、２２ｂに、上記第２
の実施の形態と同様の工程を用いて凹部と貫通孔を形成
したＬｉＮｂＯ3 基板を直接接合して、容器２７ａ、２
７ｂを形成する。最後に、外部電極２６ａ、２６ｂなど
を設け、加速度センサ２００を作製する。The double-ended beam acceleration sensor 200 of the present embodiment can also be manufactured by the same method as in the second embodiment. That is, as shown in FIG. 10, first, two piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 22a, 2
A bimorph type piezoelectric element is manufactured by forming a doubly supported beam portion on the 2b and the shim (Si substrate) 30 and directly bonding the piezoelectric substrates 22a and 22b to both surfaces of the shim 30.
Next, the electrodes 23a and 23b are formed on the both-supported beam portions, and the bimorph type piezoelectric vibrator 21 is manufactured. Then, the external electrodes 26a and 26b (FIG. 9) and the electrodes 23a and 2
Conductive layers 24a and 24b (24b is not shown) for connecting 3b are formed. As in the second embodiment, a large number of piezoelectric vibrators 21 having a doubly supported beam structure can be simultaneously formed on a substrate to improve mass productivity. On the piezoelectric substrates 22a and 22b on which the piezoelectric vibrator 21 is formed, the second
The LiNbO 3 substrate in which the recess and the through hole are formed is directly bonded using the same process as in the embodiment of
7b is formed. Finally, the external electrodes 26a and 26b are provided, and the acceleration sensor 200 is manufactured.
【００９６】両持ち梁構造を用いた場合には、同じ長
さ、厚さの圧電振動子であっても、片持ち梁構造の場合
より共振周波数が高くなるので、さらに高い周波数範囲
まで測定可能となる。圧電振動子２１の長さ、厚さ、幅
及びシム３０の厚さは、測定対象となる加速度の周波数
範囲を考慮して決定される。測定する加速度の周波数が
圧電振動子２１の共振周波数に近づくほど、加速度セン
サ２００の感度は大きくなる。測定周波数範囲におい
て、加速度センサ２００の感度が周波数に大きく依存し
ないようにするためには、共振周波数を測定周波数範囲
から十分に離すことが必要である。このためには、例え
ば、共振周波数が最高測定周波数の２倍の周波数となる
ように圧電振動子を設計すればよい。When the double-supported beam structure is used, even the piezoelectric vibrators having the same length and thickness have a higher resonance frequency than in the case of the cantilever structure, so that it is possible to measure up to a higher frequency range. Becomes The length, thickness and width of the piezoelectric vibrator 21 and the thickness of the shim 30 are determined in consideration of the frequency range of acceleration to be measured. The sensitivity of the acceleration sensor 200 increases as the frequency of the measured acceleration approaches the resonance frequency of the piezoelectric vibrator 21. In the measurement frequency range, the resonance frequency needs to be sufficiently separated from the measurement frequency range so that the sensitivity of the acceleration sensor 200 does not largely depend on the frequency. For this purpose, for example, the piezoelectric vibrator may be designed so that the resonance frequency is twice the highest measurement frequency.
【００９７】本実施例の加速度センサ２００は、圧電基
板２２ａ、２２ｂをシム３０に直接接合することによっ
て構成されるため、圧電基板２２ａ、２２ｂであるＬｉ
ＮｂＯ3 の厚さを薄くすることが可能となる。その結
果、大きな静電容量を得ることができるので、低周波数
まで測定可能となる。ＬｉＮｂＯ3 を薄くしても、シム
を用いることなくＬｉＮｂＯ3 を２枚直接接合したもの
に比べて対衝撃性が向上し、大きな加速度まで測定する
ことが可能となる。Since the acceleration sensor 200 of this embodiment is constructed by directly bonding the piezoelectric substrates 22a and 22b to the shim 30, the piezoelectric substrates 22a and 22b, which are Li, are formed.
It is possible to reduce the thickness of NbO 3 . As a result, a large capacitance can be obtained, so that low frequencies can be measured. Even if the thickness of LiNbO 3 is thin, the impact resistance is improved and it is possible to measure a large acceleration as compared with the case where two LiNbO 3 are directly bonded without using a shim.
【００９８】以上のように、本実施の形態によれば、接
着剤などの接着層を用いることなく、圧電基板２２ａ、
２２ｂをシム３０に強固に直接接合させることによって
圧電振動子２１を形成したので、対衝撃性が高く、特性
のばらつきや振動の減衰などの無い加速度センサを実現
することができる。また、圧電振動子２１を容器２７
ａ、２７ｂに直接接合するようにしたので、圧電振動子
２１の位置合わせの精度が高く、両持ち梁部の長さや支
持状態がばらつくことはない。その結果、安定性が高
く、特性のばらつきが極めて小さい加速度センサを実現
することができる。As described above, according to this embodiment, the piezoelectric substrate 22a, the piezoelectric substrate 22a,
Since the piezoelectric vibrator 21 is formed by directly bonding 22b firmly to the shim 30, it is possible to realize an acceleration sensor that has high impact resistance and does not have characteristic variations or vibration damping. In addition, the piezoelectric vibrator 21 is attached to the container 27.
Since the piezoelectric vibrator 21 is directly joined to the a and 27b, the alignment accuracy of the piezoelectric vibrator 21 is high, and the lengths and supporting states of the both-supported beam portions do not vary. As a result, it is possible to realize an acceleration sensor having high stability and extremely small variation in characteristics.
【００９９】尚、本実施の形態においては、圧電基板２
２ａ、２２ｂをシム３０の両面に接合しているが、必ず
しもこの構成に限定されるものではなく、シム３０のい
ずれか一方の面に圧電基板２２ａ（又は２２ｂ）を接合
してもよい。In the present embodiment, the piezoelectric substrate 2
Although 2a and 22b are bonded to both surfaces of the shim 30, the configuration is not necessarily limited to this, and the piezoelectric substrate 22a (or 22b) may be bonded to either surface of the shim 30.
【０１００】また、本実施の形態においては、圧電基板
２２ａ、２２ｂの材料としてＬｉＮｂＯ3 を用いている
が、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、
タンタル酸リチウムや水晶を用いてもよい。Further, although LiNbO 3 is used as the material of the piezoelectric substrates 22a and 22b in the present embodiment, the material is not necessarily limited to this, and for example,
Lithium tantalate or quartz may be used.
【０１０１】また、本実施の形態においては、シム３０
の材料としてＳｉを用いているが、必ずしもこれに限定
されるものではなく、例えば、ガラスを用いてもよい。In the present embodiment, the shim 30 is used.
Although Si is used as the material of the above, the material is not necessarily limited to this, and for example, glass may be used.
【０１０２】また、本実施の形態においては、容器２７
ａ、２７ｂの材料としてとしてＬｉＮｂＯ3 を用いてい
るが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例え
ば、タンタル酸リチウム、水晶、シリコン、ガラスなど
を用いてもよい。最適には圧電振動子２１を構成する圧
電基板２２ａ、２２ｂと同じ材料がよく、好適には圧電
振動子２１の材料と熱膨張係数の近いものが望ましい。In this embodiment, the container 27
Although LiNbO 3 is used as the material of a and 27b, the material is not necessarily limited to this, and lithium tantalate, quartz, silicon, glass or the like may be used. Optimally, the same material as that of the piezoelectric substrates 22a and 22b forming the piezoelectric vibrator 21 is preferable, and a material having a thermal expansion coefficient close to that of the material of the piezoelectric vibrator 21 is preferable.
【０１０３】〈実施の形態４〉図１１は本発明の第４の
実施の形態の圧電振動子を示す断面図である。図１１に
示すように、支持体４ａ、４ｂには、ガラス基板からな
るシム３０の一端が挟持されている。ここで、支持体４
ａ、４ｂとシム３０とは直接接合されている。シム３０
の両面には、ＬｉＮｂＯ3 からなる２枚の圧電基板２
ａ、２ｂが直接接合によって形成されている。ここで、
圧電基板２ａ、２ｂは、シム３０の全面に直接接合せ
ず、支持体４ａ、４ｂとの間に若干の間隙を置いて接合
した。また、圧電基板２ａ、２ｂの外側面には、それぞ
れクロム−金からなる電極３ａ、３ｂが形成されてい
る。これにより、片持ち梁構造のバイモルフ型圧電振動
子１が構成されている。このように、本実施の形態の加
速度センサに用いる圧電振動子１は、シム３０の一部が
露出した構造となっている。尚、支持体４ａ、４ｂとし
ては、シム３０と熱膨張率の差が小さい材料が好まし
く、本実施の形態では、シム３０と同じガラスを用い
た。<Fourth Embodiment> FIG. 11 is a sectional view showing a piezoelectric vibrator according to a fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, one end of a shim 30 made of a glass substrate is held between the supports 4a and 4b. Here, the support 4
The a and 4b and the shim 30 are directly joined. Sim 30
Two piezoelectric substrates 2 made of LiNbO 3 on both sides of
a and 2b are formed by direct bonding. here,
The piezoelectric substrates 2a and 2b were not directly bonded to the entire surface of the shim 30, but were bonded to the supports 4a and 4b with a slight gap. Further, electrodes 3a and 3b made of chromium-gold are formed on the outer surfaces of the piezoelectric substrates 2a and 2b, respectively. Thus, the bimorph type piezoelectric vibrator 1 having a cantilever structure is configured. As described above, the piezoelectric vibrator 1 used for the acceleration sensor according to the present embodiment has a structure in which a part of the shim 30 is exposed. As the supports 4a and 4b, a material having a small difference in coefficient of thermal expansion from the shim 30 is preferable, and in the present embodiment, the same glass as the shim 30 was used.
【０１０４】図１１の加速度センサの圧電振動子１は、
図３に示した加速度センサの圧電振動子と異なり、圧電
基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂが支持されず、シム３
０が直接接合されることによって支持されている。加速
度センサの出力感度は、加速度によって圧電振動子１に
生じた撓み振動による変位を電荷に変換することによっ
て得られる。図３に示した圧電振動子の場合には、圧電
基板も支持されているので、大きな変位を得ることは困
難である。また、図３に示した圧電振動子の場合には、
支持端付近の変位の傾きがゼロに近く、支持端付近の変
位は小さくなる。一方、図１１に示した本実施の形態の
圧電振動子１は、シム３０のみが支持されているので、
同じ加速度に対して大きな変位が得られる。また、圧電
基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂは支持体４ａ、４ｂに
支持されていないため、長さ方向の全域で変位が得られ
る。従って、図１１の構造の圧電振動子１を用いた加速
度センサは高い感度を得ることができる。The piezoelectric vibrator 1 of the acceleration sensor shown in FIG.
Unlike the piezoelectric vibrator of the acceleration sensor shown in FIG. 3, the piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a and 2b are not supported and the shim 3
It is supported by the direct bonding of 0. The output sensitivity of the acceleration sensor is obtained by converting the displacement due to the flexural vibration generated in the piezoelectric vibrator 1 due to the acceleration into an electric charge. In the case of the piezoelectric vibrator shown in FIG. 3, it is difficult to obtain a large displacement because the piezoelectric substrate is also supported. Further, in the case of the piezoelectric vibrator shown in FIG. 3,
The displacement gradient near the support end is close to zero, and the displacement near the support end is small. On the other hand, in the piezoelectric vibrator 1 of the present embodiment shown in FIG. 11, since only the shim 30 is supported,
Large displacement can be obtained for the same acceleration. Further, since the piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a, 2b are not supported by the supports 4a, 4b, displacement can be obtained in the entire length direction. Therefore, the acceleration sensor using the piezoelectric vibrator 1 having the structure of FIG. 11 can obtain high sensitivity.
【０１０５】図１１に示した加速度センサは、シム３０
に圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）２ａ、２ｂを接合するもの
であるため、ＬｉＮｂＯ3 の厚さを薄くすることが可能
となる。これにより、大きな静電容量を得ることができ
るので、低周波数まで測定可能となる。ＬｉＮｂＯ3 を
薄くしても、シムを用いることなくＬｉＮｂＯ3 を２枚
直接接合したものに比べて対衝撃性が向上し、大きな加
速度まで測定することが可能となる。The acceleration sensor shown in FIG.
Since the piezoelectric substrates (LiNbO 3 ) 2a and 2b are bonded to the substrate, it is possible to reduce the thickness of LiNbO 3 . As a result, a large capacitance can be obtained, and it is possible to measure even low frequencies. Even if the thickness of LiNbO 3 is thin, the impact resistance is improved and it is possible to measure a large acceleration as compared with the case where two LiNbO 3 are directly bonded without using a shim.
【０１０６】以上のように、本実施の形態によれば、接
着剤などの接着層を用いることなく、圧電基板２ａ、２
ｂをシム３０に強固に接合させることによって圧電振動
子１を構成したので、特性のばらつきや振動の減衰など
が無く、かつ、高い対衝撃性を有する加速度センサを実
現することができる。また、接着剤を用いることなく、
圧電振動子１が支持体４ａ、４ｂに直接接合されている
ので、圧電振動子１の位置合わせを高精度に行うことが
でき、片持ち梁部の長さや支持状態がばらつくことはな
い。その結果、安定で特性ばらつきが極めて小さく、し
かも高感度の加速度センサを実現することができる。As described above, according to the present embodiment, the piezoelectric substrates 2a, 2a, 2a and 2a can be formed without using an adhesive layer such as an adhesive.
Since the piezoelectric vibrator 1 is configured by firmly joining the b to the shim 30, it is possible to realize an acceleration sensor having no characteristic variations and vibration damping and having high impact resistance. Also, without using an adhesive
Since the piezoelectric vibrator 1 is directly bonded to the supports 4a and 4b, the piezoelectric vibrator 1 can be aligned with high accuracy, and the length of the cantilever portion and the supporting state do not vary. As a result, it is possible to realize an acceleration sensor which is stable, has a very small characteristic variation, and has high sensitivity.
【０１０７】尚、本実施の形態においては、圧電基板２
ａ、２ｂをシム３０の両面に接合しているが、必ずしも
この構成に限定されるものではなく、シム３０のいずれ
か一方の面に圧電基板２ａ（又は２ｂ）を接合してもよ
い。In the present embodiment, the piezoelectric substrate 2
Although a and 2b are bonded to both surfaces of the shim 30, the configuration is not limited to this, and the piezoelectric substrate 2a (or 2b) may be bonded to either surface of the shim 30.
【０１０８】また、本実施の形態においては、圧電振動
子１の支持方法として片持ち梁構造を用いているが、必
ずしもこの構造に限定されるものではなく、圧電振動子
１の両端にシム３０を露出し、支持体４ａ、４ｂを直接
接合して両持ち梁構造としてもよく、圧電振動子１の中
心にシム３０を露出し、支持体４ａ、４ｂをシム３０に
直接接合して中心支持構造としてもよい。Further, in the present embodiment, the cantilever structure is used as the method for supporting the piezoelectric vibrator 1, but the structure is not necessarily limited to this structure, and the shims 30 are provided at both ends of the piezoelectric vibrator 1. The support 4a, 4b may be directly joined to form a doubly supported beam structure. The shim 30 is exposed at the center of the piezoelectric vibrator 1 and the support 4a, 4b is directly joined to the shim 30 to support the center. It may be a structure.
【０１０９】また、本実施の形態においては、圧電基板
２ａ、２ｂの材料としてＬｉＮｂＯ 3 を用いているが、
必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、タン
タル酸リチウムや水晶を用いてもよい。In the present embodiment, the piezoelectric substrate
LiNbO as a material for 2a and 2b ThreeIs used,
It is not necessarily limited to this.
Lithium tartrate or quartz may be used.
【０１１０】また、本実施の形態においては、シム３０
の材料としてガラスを用いているが、必ずしもこれに限
定されるものではなく、例えば、シリコンを用いてもよ
い。Further, in this embodiment, the shim 30 is used.
Although glass is used as the material of the above, the material is not necessarily limited to this, and silicon may be used, for example.
【０１１１】また、本実施の形態においては、支持体４
ａ、４ｂの材料としてガラスを用いているが、必ずしも
これに限定されるものではなく、例えば、ニオブ酸リチ
ウム、タンタル酸リチウム、水晶、シリコンなどを用い
てもよい。最適には圧電振動子１を構成するシム３０と
同じ材料がよく、好適には圧電振動子１の材料と熱膨張
係数の近いものが望ましい。Further, in the present embodiment, the support 4
Although glass is used as the material of a and 4b, the material is not limited to this, and for example, lithium niobate, lithium tantalate, quartz, silicon or the like may be used. Optimally, the same material as the shim 30 forming the piezoelectric vibrator 1 is preferable, and a material having a thermal expansion coefficient close to that of the material of the piezoelectric vibrator 1 is preferable.
【０１１２】また、本実施の形態においては、電極３
ａ、３ｂの材料としてクロム−金を用いているが、必ず
しもこれに限定されるものではなく、例えば、金、クロ
ム、銀又は合金材料を用いてもよい。Further, in the present embodiment, the electrode 3
Although chromium-gold is used as the material of a and 3b, the material is not necessarily limited to this, and gold, chromium, silver or an alloy material may be used, for example.
【０１１３】〈実施の形態５〉次に、図１１と同様の片
持ち梁構造を有する加速度センサ及びその製造方法につ
いて説明する。図１２は本発明の第５の実施の形態の加
速度センサの製造方法を示す工程図である。<Fifth Embodiment> Next, an acceleration sensor having a cantilever structure similar to that of FIG. 11 and a method of manufacturing the same will be described. FIG. 12 is a process drawing showing the method of manufacturing the acceleration sensor according to the fifth embodiment of the present invention.
【０１１４】まず、図１２（ａ）に示すように、シム３
１としてシリコン（Ｓｉ）基板を用い、フォトレジスト
パターンをマスキング材とした異方性エッチング法によ
って片持ち梁部１１を形成した。First, as shown in FIG.
A silicon (Si) substrate was used as 1, and the cantilever portion 11 was formed by an anisotropic etching method using a photoresist pattern as a masking material.
【０１１５】次いで、図１２（ｂ）に示すように、シム
３１の片持ち梁部１１の片面に、ＬｉＮｂＯ3 からなる
圧電基板１２を直接接合によって接合し、圧電素子を作
製した。直接接合は、上記したように、親水化処理を施
した後、加熱して行った。図６と異なり、片持ち梁部１
１以外には、圧電基板１２は接合されていない。Next, as shown in FIG. 12B, the piezoelectric substrate 12 made of LiNbO 3 was directly bonded to one surface of the cantilever portion 11 of the shim 31 to manufacture a piezoelectric element. As described above, the direct bonding was performed by heating after performing the hydrophilic treatment. Unlike FIG. 6, the cantilever beam 1
Other than 1, the piezoelectric substrate 12 is not bonded.
【０１１６】次いで、図１２（ｃ）に示すように、片持
ち梁部１１の支持部付近に酸化珪素からなる絶縁膜３３
を形成し、絶縁膜３３上と圧電基板１２の主面に電極１
３を形成した。これにより、圧電振動子１５を作製し
た。次いで、圧電振動子１５に、上記第２の実施の形態
と同様の工程を用いて凹部と貫通孔を形成したガラス基
板を直接接合して、容器１６ａ、１６ｂを形成した。次
いで、容器１６ａ、１６ｂの貫通孔に、電極１３及び開
口の反対側（図の右側）のＳｉ基板と電気的に接続され
るように導電性ペーストを流し込み、焼成してスルーフ
ォール導電部１９ａ、１９ｂを形成した。さらに、容器
１６ａ、１６ｂの上面に、スルーフォール導電部１９
ａ、１９ｂと導通するように銀パラジウムを印刷し、外
部電極２０ａ、２０ｂを形成した。これにより、圧電振
動子１５上の電極１３と外部電極２０ａとが電気的に接
続され、開口の反対側（図の右側）のＳｉ基板と外部電
極２０ｂとが電気的に接続された。Ｓｉ基板からなるシ
ム３１は低抵抗であり、圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）１２
の一方の面の電極を兼ねている。以上により、加速度セ
ンサ１０１が作製された。Next, as shown in FIG. 12C, an insulating film 33 made of silicon oxide is formed near the supporting portion of the cantilever portion 11.
To form an electrode 1 on the insulating film 33 and on the main surface of the piezoelectric substrate 12.
3 was formed. Thereby, the piezoelectric vibrator 15 was manufactured. Then, the glass substrate having the recesses and the through holes formed therein was directly bonded to the piezoelectric vibrator 15 by using the same process as in the second embodiment to form the containers 16a and 16b. Then, a conductive paste is poured into the through holes of the containers 16a and 16b so as to be electrically connected to the electrode 13 and the Si substrate on the opposite side of the opening (on the right side of the drawing), and the paste is fired to form the through-fall conductive portion 19a. 19b was formed. Further, the through-fall conductive portion 19 is provided on the upper surfaces of the containers 16a and 16b.
Silver-palladium was printed so as to be electrically connected to a and 19b to form external electrodes 20a and 20b. As a result, the electrode 13 on the piezoelectric vibrator 15 and the external electrode 20a were electrically connected, and the Si substrate on the opposite side of the opening (right side in the drawing) and the external electrode 20b were electrically connected. The shim 31 made of a Si substrate has a low resistance, and the shim 31 is made of a piezoelectric substrate (LiNbO 3 ) 12
It also serves as an electrode on one surface. Through the above steps, the acceleration sensor 101 was manufactured.
【０１１７】図１２（ｃ）の加速度センサは、図１１と
同様に圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）１２が支持されず、シ
ム（Ｓｉ基板）３１のみが支持されているため、加速度
に対する変位が大きく、高い感度が得られる。In the acceleration sensor of FIG. 12 (c), the piezoelectric substrate (LiNbO 3 ) 12 is not supported and only the shim (Si substrate) 31 is supported as in FIG. High sensitivity can be obtained.
【０１１８】図１２（ｃ）に示した加速度センサは、シ
ムを用いることなくＬｉＮｂＯ3 基板を２枚直接接合し
て作製したものに比べて対衝撃性が向上し、大きな加速
度まで測定することができる。また、静電容量を大きく
とることができるので、低周波でも高い感度を得ること
ができる。The acceleration sensor shown in FIG. 12C has improved impact resistance and is capable of measuring even large accelerations as compared with one manufactured by directly bonding two LiNbO 3 substrates without using a shim. it can. Moreover, since a large capacitance can be obtained, high sensitivity can be obtained even at low frequencies.
【０１１９】図１３は上記と同様の工程で作製し得る本
発明の第５の実施の形態の両持ち梁構造の圧電振動子を
示す斜視図である。シム３０の材料としてＳｉを用い、
Ｓｉ上に両持ち梁部を形成した。この両持ち梁部の片面
のみに、圧電基板（ＬｉＮｂＯ3 ）１２を直接接合によ
って接合した。これにより、圧電基板１２は支持され
ず、シム３０のみが支持された両持ち梁構造の圧電素子
が得られた。また、圧電基板１２の上には電極２３が形
成されており、これにより圧電振動子２１が得られた。
この構造を用いることにより、高い周波数の加速度まで
高感度に検出することができ、かつ、対衝撃性に優れた
加速度センサが得られる。FIG. 13 is a perspective view showing a piezoelectric vibrator having a doubly supported beam structure according to a fifth embodiment of the present invention, which can be manufactured by the same process as the above. Si is used as the material of the shim 30,
A doubly supported beam portion was formed on Si. The piezoelectric substrate (LiNbO 3 ) 12 was directly bonded to only one surface of the both-supported beam portion. As a result, a piezoelectric element having a doubly supported beam structure in which the piezoelectric substrate 12 was not supported but only the shim 30 was supported was obtained. Further, the electrode 23 is formed on the piezoelectric substrate 12, and the piezoelectric vibrator 21 is obtained by this.
By using this structure, it is possible to obtain an acceleration sensor that can detect even high-frequency acceleration with high sensitivity and is excellent in impact resistance.
【０１２０】以上のように、本実施の形態によれば、接
着剤を用いることなく、シム３０、３１に圧電基板１２
を強固に直接接合することによって圧電振動子１５、２
１を構成したので、機械的強度の強い圧電振動子１５、
２１を有し、しかも振動の減衰などが無い加速度センサ
を実現することができる。また、圧電振動子１５、２１
が圧電基板１２からパターン形成されているので、形状
と支持のばらつきが小さくなる。また、片持ち梁部が支
持部と同時に形成され、圧電基板１２が支持部材に接着
剤を用いることなく極めて安定に直接接合されているの
で、片持ち梁部の長さのばらつきが無くなると共に、支
持状態のばらつきが小さくなり、しかも片持ち梁部の位
置合わせを高精度に行うことができるようになる。その
結果、共振周波数などの特性ばらつきが極めて小さく、
かつ、振動に対して高い感度を有する加速度センサを実
現することができる。また、圧電振動子と支持部材及び
容器を同一の材料で作製することができるので、温度に
よる歪みなどの影響を受けることがなく、高感度で安定
性に優れた加速度センサを実現することができる。ま
た、１枚の基板に多数の加速度センサを一度に作製し得
る量産性に優れた加速度センサの製造方法を提供するこ
とができる。As described above, according to this embodiment, the piezoelectric substrate 12 is formed on the shims 30 and 31 without using an adhesive.
The piezoelectric vibrators 15 and 2
1, the piezoelectric vibrator 15, which has high mechanical strength,
It is possible to realize an acceleration sensor that has 21 and has no vibration damping. In addition, the piezoelectric vibrators 15 and 21
Is patterned from the piezoelectric substrate 12, the variation in shape and support is reduced. Further, since the cantilever portion is formed at the same time as the supporting portion and the piezoelectric substrate 12 is directly and directly bonded to the supporting member in an extremely stable manner without using an adhesive, variations in the length of the cantilever portion are eliminated, and The variation in the supporting state is reduced, and the cantilever portion can be aligned with high accuracy. As a result, characteristic variations such as resonance frequency are extremely small,
In addition, it is possible to realize an acceleration sensor having high sensitivity to vibration. Further, since the piezoelectric vibrator, the supporting member, and the container can be made of the same material, it is possible to realize an acceleration sensor having high sensitivity and excellent stability without being affected by temperature distortion or the like. . Further, it is possible to provide a method of manufacturing an acceleration sensor which is capable of manufacturing a large number of acceleration sensors on one substrate at one time and has excellent mass productivity.
【０１２１】尚、本実施の形態においては、圧電基板１
２の材料としてＬｉＮｂＯ3 を用いているが、必ずしも
これに限定されるものではなく、例えば、タンタル酸リ
チウムや水晶を用いてもよい。In the present embodiment, the piezoelectric substrate 1
Although LiNbO 3 is used as the material of No. 2, it is not necessarily limited to this, and for example, lithium tantalate or quartz may be used.
【０１２２】また、本実施の形態においては、シム３
０、３１の材料としてＳｉを用いているが、必ずしもこ
れに限定されるものではなく、例えば、ガラスを用いて
もよい。Further, in this embodiment, the shim 3
Although Si is used as the material of 0 and 31, the material is not necessarily limited to this, and for example, glass may be used.
【０１２３】また、本実施の形態においては、電極１
３、２３の材料としてクロム−金を用いているが、必ず
しもこれに限定されるものではなく、例えば、金、クロ
ム、銀又は合金材料を用いてもよい。In addition, in the present embodiment, the electrode 1
Although chromium-gold is used as the material of 3, 23, it is not necessarily limited to this, and gold, chromium, silver or an alloy material may be used, for example.
【０１２４】また、本実施の形態においては、容器１６
ａ、１６ｂの材料としてガラスを用いているが、必ずし
もこれに限定されるものではなく、例えば、タンタル酸
リチウム、水晶、シリコンなどを用いてもよい。最適に
は圧電振動子１５を構成する圧電基板１２と同じ材料が
よく、好適には圧電振動子１５の材料と熱膨張係数の近
いものが望ましい。Further, in this embodiment, the container 16
Although glass is used as the material of a and 16b, the material is not necessarily limited to this, and for example, lithium tantalate, quartz, silicon, or the like may be used. Optimally, the same material as the piezoelectric substrate 12 forming the piezoelectric vibrator 15 is preferable, and a material having a thermal expansion coefficient close to that of the material of the piezoelectric vibrator 15 is preferable.
【０１２５】[0125]
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る加速
度センサの第１の構成によれば、シムに圧電体が直接接
合されてなる圧電素子と、前記圧電素子の主面に形成さ
れた電極とからなる圧電振動子と、前記圧電振動子を支
持する支持体とを備えたものであるので、以下の作用を
奏することができる。すなわち、接着剤などの接着層を
用いることなく、圧電体をシムに直接接合することによ
って圧電素子を形成するようにしたので、従来のように
圧電振動子の振動を接着剤が吸収し、感度を低下させる
ことはない。また、シムと圧電体の接合状態が均一とな
るので、特性にばらつきが生じることもない。また、十
分な機械的強度が得られるので、高い対衝撃性を有する
加速度センサを実現することができる。As described above, according to the first configuration of the acceleration sensor of the present invention, the piezoelectric element in which the piezoelectric body is directly bonded to the shim and the main surface of the piezoelectric element are formed. Since the piezoelectric vibrator including the electrodes and the support for supporting the piezoelectric vibrator are provided, the following effects can be achieved. That is, the piezoelectric element is formed by directly bonding the piezoelectric body to the shim without using an adhesive layer such as an adhesive. Does not reduce. Moreover, since the bonding state between the shim and the piezoelectric body is uniform, there is no variation in characteristics. Further, since sufficient mechanical strength can be obtained, an acceleration sensor having high impact resistance can be realized.
【０１２６】また、本発明に係る加速度センサの第２の
構成によれば、シム基板に形成された梁と、前記梁の少
なくとも一方の面に圧電基板が直接接合されてなる圧電
素子と、前記圧電素子の主面に形成された電極とからな
る圧電振動子と、前記圧電振動子を収納する容器とを備
え、前記圧電振動子と前記容器とが直接接合されている
ことを特徴とするので、圧電振動子の位置合わせを高精
度に行うことができるので、梁部の長さや支持状態にば
らつきが生じることはない。その結果、安定性が高く、
特性のばらつきの極めて小さい加速度センサを実現する
ことができる。また、本構成によれば、１枚の基板に多
数の加速度センサを一度に作製することが可能となるの
で、量産性に優れた加速度センサを実現することができ
る。According to the second structure of the acceleration sensor of the present invention, the beam formed on the shim substrate and the piezoelectric element in which the piezoelectric substrate is directly bonded to at least one surface of the beam, A piezoelectric vibrator including an electrode formed on a main surface of a piezoelectric element, and a container that houses the piezoelectric vibrator are provided, and the piezoelectric vibrator and the container are directly bonded. Since the piezoelectric vibrators can be aligned with high accuracy, the length of the beam portion and the supporting state do not vary. As a result, the stability is high,
It is possible to realize an acceleration sensor with extremely small variation in characteristics. Further, according to this configuration, a large number of acceleration sensors can be manufactured at one time on one substrate, so that an acceleration sensor excellent in mass productivity can be realized.
【０１２７】また、前記本発明方法の構成によれば、シ
ム及び圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素子の主面
に形成された電極とからなる圧電振動子と、前記圧電振
動子を支持する支持体とを備えた加速度センサの製造方
法であって、シムに圧電体を直接接合することによって
圧電素子を形成することを特徴とするので、以下の作用
を奏することができる。すなわち、接着剤などの接着層
を用いることなく、圧電体をシムに直接接合することに
よって圧電素子を形成するようにしたので、従来のよう
に圧電振動子の振動を接着剤が吸収し、感度を低下させ
ることはない。また、シムと圧電体の接合状態が均一と
なるので、特性にばらつきが生じることもない。また、
十分な機械的強度が得られるので、高い対衝撃性を有す
る加速度センサが得られる。Further, according to the structure of the method of the present invention, the piezoelectric vibrator including the piezoelectric element including the shim and the piezoelectric body, the electrode formed on the main surface of the piezoelectric element, and the piezoelectric vibrator are supported. A method of manufacturing an acceleration sensor including a supporting body for forming a piezoelectric element by directly bonding a piezoelectric body to a shim, and thus the following action can be achieved. That is, the piezoelectric element is formed by directly bonding the piezoelectric body to the shim without using an adhesive layer such as an adhesive. Does not reduce. Moreover, since the bonding state between the shim and the piezoelectric body is uniform, there is no variation in characteristics. Also,
Since sufficient mechanical strength can be obtained, an acceleration sensor having high impact resistance can be obtained.
【図１】本発明の第１の実施の形態の圧電振動子を示す
斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a piezoelectric vibrator according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第１の実施の形態の圧電振動子の製造
方法における直接接合の各段階の基板界面状態を示す説
明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a substrate interface state at each stage of direct bonding in the method for manufacturing a piezoelectric vibrator according to the first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第１の実施の形態の片持ち梁構造のバ
イモルフ型圧電振動子を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a bimorph type piezoelectric vibrator having a cantilever structure according to a first embodiment of the present invention.
【図４】本発明の第１の実施の形態の加速度センサの一
例を示す分解斜視図である。FIG. 4 is an exploded perspective view showing an example of the acceleration sensor according to the first embodiment of the invention.
【図５】本発明の第１の実施の形態の加速度センサの他
の例を示す断面図である。FIG. 5 is a sectional view showing another example of the acceleration sensor according to the first embodiment of the invention.
【図６】本発明の第２の実施の形態の加速度センサの製
造方法を示す工程図である。FIG. 6 is a process drawing showing the manufacturing method of the acceleration sensor according to the second embodiment of the invention.
【図７】本発明の第２の実施の形態の加速度センサの製
造方法を示す工程図である。FIG. 7 is a process drawing showing the manufacturing method of the acceleration sensor according to the second embodiment of the invention.
【図８】本発明の第２の実施の形態の加速度センサの製
造方法を示す工程図である。FIG. 8 is a process drawing showing the manufacturing method of the acceleration sensor according to the second embodiment of the invention.
【図９】本発明の第３の実施の形態の加速度センサを示
す分解斜視図である。FIG. 9 is an exploded perspective view showing an acceleration sensor according to a third embodiment of the present invention.
【図１０】本発明の第３の実施の形態の圧電振動子を示
す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing a piezoelectric vibrator according to a third embodiment of the present invention.
【図１１】本発明の第４の実施の形態の圧電振動子を示
す断面図である。FIG. 11 is a sectional view showing a piezoelectric vibrator according to a fourth embodiment of the present invention.
【図１２】本発明の第５の実施の形態の加速度センサの
製造方法を示す工程図である。FIG. 12 is a process drawing showing the manufacturing method of the acceleration sensor according to the fifth embodiment of the invention.
【図１３】本発明の第５の実施の形態の両持ち梁構造の
圧電振動子を示す斜視図である。FIG. 13 is a perspective view showing a piezoelectric vibrator having a doubly supported beam structure according to a fifth embodiment of the present invention.
【図１４】圧電型加速度センサに使用する回路図であ
る。FIG. 14 is a circuit diagram used in a piezoelectric acceleration sensor.
１、１５、２１・・・圧電振動子 ２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ・・・圧電基板 ３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ、２３・・・電極 ４ａ、４ｂ・・・支持体 ７ａ、７ｂ、１４ａ、１４ｂ・・・導電層 ９ａ、９ｂ、２０ａ、２０ｂ、２６・・・外部電極 １０ａ、１０ｂ、１６ａ、１６ｂ、２７ａ、２７ｂ・・
・容器 １１、３２・・・片持ち梁部 １７・・・凹部 １８・・・貫通孔 １９ａ、１９ｂ・・・スルーホール導電部 ３０、３１・・・シム ３３・・・絶縁膜 １００、１０１、２００・・・加速度センサ1, 15, 21 ... Piezoelectric vibrators 2a, 2b, 12a, 12b ... Piezoelectric substrates 3a, 3b, 13a, 13b, 23 ... Electrodes 4a, 4b ... Supports 7a, 7b, 14a, 14b ... Conductive layers 9a, 9b, 20a, 20b, 26 ... External electrodes 10a, 10b, 16a, 16b, 27a, 27b ...
-Container 11, 32 ... Cantilever portion 17 ... Recessed portion 18 ... Through hole 19a, 19b ... Through hole conductive portion 30, 31 ... Shim 33 ... Insulating film 100, 101, 200 ... Acceleration sensor
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨田 佳宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 川崎 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Yoshihiro Tomita 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Claims (19)
素子と、前記圧電素子の主面に形成された電極とからな
る圧電振動子と、前記圧電振動子を支持する支持体とを
備えた加速度センサ。1. A piezoelectric vibrator comprising a piezoelectric element having a shim directly bonded to a shim, an electrode formed on a main surface of the piezoelectric element, and a support for supporting the piezoelectric vibrator. Acceleration sensor.
る群から選ばれる１つである請求項１に記載の加速度セ
ンサ。2. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the material of the shim is one selected from the group consisting of silicon and glass.
タル酸リチウム及び水晶からなる群から選ばれる１つで
ある請求項１に記載の加速度センサ。3. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the material of the piezoelectric body is one selected from the group consisting of lithium niobate, lithium tantalate and quartz.
とによって支持されている請求項１に記載の加速度セン
サ。4. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is supported by being directly bonded to a support.
いる請求項１に記載の加速度センサ。5. The acceleration sensor according to claim 1, wherein one end of the piezoelectric vibrator is supported by a support.
いる請求項１に記載の加速度センサ。6. The acceleration sensor according to claim 1, wherein both ends of the piezoelectric vibrator are supported by supports.
前記容器に直接接合されることによって固定されている
請求項１に記載の加速度センサ。7. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is housed in a container, and the support is fixed by being directly bonded to the container.
り、圧電振動子が支持体に支持されている請求項１に記
載の加速度センサ。8. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is supported by the support by directly bonding the shim to the support.
なくとも一方の面に圧電基板が直接接合されてなる圧電
素子と、前記圧電素子の主面に形成された電極とからな
る圧電振動子と、前記圧電振動子を収納する容器とを備
え、前記圧電振動子と前記容器とが直接接合されている
加速度センサ。9. A piezoelectric vibration comprising a beam formed on a shim substrate, a piezoelectric element in which a piezoelectric substrate is directly bonded to at least one surface of the beam, and an electrode formed on a main surface of the piezoelectric element. An acceleration sensor comprising a child and a container accommodating the piezoelectric vibrator, wherein the piezoelectric vibrator and the container are directly joined.
からなる群から選ばれる１つである請求項９に記載の加
速度センサ。10. The acceleration sensor according to claim 9, wherein the material of the shim substrate is one selected from the group consisting of silicon and glass.
タンタル酸リチウム及び水晶からなる群から選ばれる１
つである請求項９に記載の加速度センサ。11. The material of the piezoelectric substrate is lithium niobate,
1 selected from the group consisting of lithium tantalate and quartz
The acceleration sensor according to claim 9, wherein
ある請求項９に記載の加速度センサ。12. The acceleration sensor according to claim 9, wherein the beam formed on the shim substrate is a cantilever beam.
である請求項９に記載の加速度センサ。13. The acceleration sensor according to claim 9, wherein the beam formed on the shim substrate is a cantilever beam.
により、圧電振動子が容器に支持されている請求項９に
記載の加速度センサ。14. The acceleration sensor according to claim 9, wherein the piezoelectric vibrator is supported by the container by directly bonding the shim substrate to the container.
前記圧電素子の主面に形成された電極とからなる圧電振
動子と、前記圧電振動子を支持する支持体とを備えた加
速度センサの製造方法であって、シムに圧電体を直接接
合することによって圧電素子を形成することを特徴とす
る加速度センサの製造方法。15. A piezoelectric element comprising a shim and a piezoelectric body,
A method of manufacturing an acceleration sensor, comprising: a piezoelectric vibrator including an electrode formed on a main surface of the piezoelectric element; and a support body supporting the piezoelectric vibrator, wherein the piezoelectric body is directly bonded to a shim. A method for manufacturing an acceleration sensor, comprising forming a piezoelectric element by using
ンタル酸リチウム及び水晶からなる群から選ばれる１つ
である請求項１５に記載の加速度センサの製造方法。16. The method for manufacturing an acceleration sensor according to claim 15, wherein the material of the piezoelectric body is one selected from the group consisting of lithium niobate, lithium tantalate, and quartz.
なる群から選ばれる１つである請求項１５に記載の加速
度センサの製造方法。17. The method of manufacturing an acceleration sensor according to claim 15, wherein the material of the shim is one selected from the group consisting of silicon and glass.
とにより、圧電振動子を支持体に支持する請求項１５に
記載の加速度センサの製造方法。18. The method of manufacturing an acceleration sensor according to claim 15, wherein the piezoelectric vibrator is supported on the support by directly bonding a part of the shim to the support.
え、前記容器にシムの一部を直接接合する請求項１５に
記載の加速度センサの製造方法。19. The method of manufacturing an acceleration sensor according to claim 15, further comprising a container that houses the piezoelectric vibrator, and directly bonding a part of the shim to the container.
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|---|---|---|---|
| JP04936796A JP3428803B2 (en) | 1996-03-06 | 1996-03-06 | Acceleration sensor and method of manufacturing the same |
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