專利名稱：慣性傳感器的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及諸如加速度傳感器和陀螺儀傳感器的慣性傳感器，更具體地涉及一種具有優異靈敏性和耐沖擊性的慣性傳感器。
背景技術：
這些年來，由于在應用MEMS(微型機電系統)技術的精密加工技術方面的進步，使得諸如加速度傳感器和陀螺儀傳感器的慣性傳感器可同時實現小型化、高性能以及低價格。在這種背景下，出于汽車導航、自動氣囊控制、避免照相機或可攜式攝像機晃動、機器人姿勢控制、游戲的姿態輸入識別以及檢測HDD的轉動及施加于HDD上的振動的目的，期望將作為MEMS裝置的慣性傳感器安裝在用于感測運動的每種裝置上。要求安裝在上述裝置上的慣性傳感器具有較高的靈敏性。
圖1A和1B示出了具有基本結構的普通慣性傳感器的主要元件，其中配重為可運動部分并且用梁懸掛。圖1A是傳感部分的立體圖。圖1B是傳感部分的頂視圖。在圖1A和圖1B中，慣性傳感器包括襯底10、壓電電阻器11、配重12、多個梁13以及框架14。襯底10用于形成慣性傳感器的傳感部分。壓電電阻器11結合在襯底10中。配重12為傳感部分的可運動部分。多個梁設置為支撐配重12的運動。框架14保持配重12和梁13。W是梁13的寬度，T是梁13的厚度，而L是梁13的長度。當作為可運動部分的配重12運動時，所述運動變為扭轉或扭曲并且改變設置在梁13上的壓電電阻器11的電阻值。獲得如此改變的電阻值作為惠斯登電橋電路中的輸出電信號。
意外的大沖擊有時會施加在用于檢測運動的裝置上。因此，存在大沖擊施加于安裝在上述裝置上的慣性傳感器上的可能性。通用慣性傳感器具有包括配重的基本結構，所述配重為通過梁懸掛的可運動部分。在大沖擊意外施加于裝置上的情況下存在這樣一個公知問題，即，所述梁明顯變形或損壞并且所述裝置不能再用作傳感器，如日本專利申請公開No.2000-187041(在下文中稱之為文獻1)中所述。例如，如果汽車變形或傾翻，則在正常駕駛期間從來不會發生的大沖擊將可能會施加于用于汽車(例如，車輛氣囊)的慣性傳感器上。如果運動裝置被錯誤地停止，則可容易地想像出所述大沖擊。如果使用者動作粗暴地操縱游戲用的游戲操作臺，則極大的沖擊將施加于游戲操作臺上。我們認為上述意外的沒有預料到的沖擊為3000G或5000G，從而要求安裝在上述裝置上的慣性傳感器具有高耐沖擊性。
為了提高具有圖1中所示的普通結構的慣性傳感器的靈敏性，可以考慮使得梁13的寬度W更窄、厚度T更薄、長度L更長，或者使得配重12更重。然而，通常，傳感器靈敏性與耐沖擊性之間具有成反比的關系。因此，在通過上述方法提高傳感器靈敏性的情況下，會不可避免地降低耐沖擊性。與之相反，在梁13的形狀和配重12的重量設計成提高傳感器耐沖擊性的情況下，就降低了傳感器的靈敏性。如此說來，存在不能同時獲得慣性傳感器的高靈敏性和耐沖擊性的問題。
發明內容
考慮到上述情況作出了本發明，且本發明的基本目的是提供一種具有梁的慣性傳感器，通過該慣性傳感器可同時獲得高靈敏性和耐沖擊性。
根據本發明的一個方面，優選地，提供了這樣一種慣性傳感器，該慣性傳感器包括具有配重的傳感部分，所述配重由從框架處延伸的梁懸掛并且是可運動部分。所述梁包括部分地布置于其中的變形部分，并且所述變形部分布置成避開施加在所述梁上的應力集中在其上的邊緣。
根據本發明的另一方面，優選地，提供了這樣一種慣性傳感器，該慣性傳感器包括具有由梁懸掛的配重的傳感部分，所述配重為可運動部分。所述梁在其邊緣中具有給定區域，所述給定區域具有比直角寬的角度。
根據本發明，諸如凸狀部分、孔或窄寬度部分的變形部分布置成避開施加在所述梁上的應力集中在其上的邊緣。所述變形部分被適當地設置。因此，可在不降低傳感器的耐沖擊性的情況下增強傳感器的靈敏性。
另外，根據本發明，所述梁的根部沒有被形成為以直角與配重或框架相連接。所述梁的根部具有更寬的角度。因此，可分散應力集中在其上的區域，并且在不犧牲傳感器的靈敏性情況下增強耐沖擊性。根據本發明既可獲得高傳感器靈敏性，又可獲得耐沖擊性。
下面將參照附圖詳細地描述本發明的優選實施例，其中圖1A和1B示出了具有基本結構的普通慣性傳感器的主要元件，其中配重為可運動部分并且用梁懸掛；圖1A是傳感部分的立體圖；圖1B是傳感部分的頂視圖；圖2A和2B示出了當沖擊施加于慣性傳感器上時所述梁是如何變形的；圖2A是在沿x方向施加沖擊的情況下的傳感部分的立體圖；圖2B是在沿z方向施加沖擊的情況下的傳感部分的立體圖；圖3A到3C示出了設在根據本發明的慣性傳感器的傳感部分中的梁上的孔；圖3A是傳感部分的立體圖；圖3B是所述梁周圍的頂視圖，示出了所述梁上的孔；圖3C是具有窄寬度部分的梁周圍的頂視圖；圖4A到4D示出了所述梁中的根部的形狀；圖4A是第一示例；圖4B是第二示例；圖4C示出了常規根部形狀；圖4D示出了具有窄寬度部分的根部形狀；
圖5示出了設在所述梁中的具有錐形C的根部形狀和具有圓形R的孔；圖6A到6G示出了梁形狀的示例；圖7A到7C示出了包含在根據本發明的慣性傳感器中的配重止動件的示例；以及圖8是具有設在包裝的蓋罩上和包裝的底表面上的配重止動件的慣性傳感器的橫截面圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖給出本發明實施例的描述。
根據本發明的慣性傳感器中的傳感部分具有與圖1中所示的相同的結構。通過MEMS技術將所述傳感部分結合在硅襯底中。該傳感部分安裝在固定元件(例如，玻璃襯底)上，并且氣密地密封于包裝中以用作一裝置。
(第一實施例)為了提高慣性傳感器的靈敏性，將梁寬度制造得較小、厚度較薄、長度較長、并且配重的重量較重。另外，所述梁構成為具有孔以使得所述梁可容易地變形。然而，所述梁由于沖擊而變形，并且應力沒有均勻地分布。如果所述孔設在應力集中于其上的部分上，則會降低所述梁的機械強度。因此，變形部分設在根據本發明的慣性傳感器的傳感部分的梁中。變形部分(例如，被構成為較薄的凹入部分)被有效并適當地布置，因此，可同時獲得高靈敏性和耐沖擊性。
首先給出在施加沖擊時梁中所產生應力的描述。當所述沖擊施加于傳感部分時，由于沖擊使得所述梁大大變形并且在所述梁內部產生應力。
圖2A和2B示出了當沖擊施加于慣性傳感器上時所述梁是如何變形的。圖2A是在沿x方向施加沖擊的情況下的傳感部分的立體圖。圖2B是在沿z方向施加沖擊的情況下的傳感部分的立體圖。在沿x方向施加沖擊的情況下，配重12繞著作為軸線的梁13y擺動，并且沿x方向延伸的梁13x明顯彎曲。這里，在梁13x中，布置在框架14側上的根部R1和R4以及布置在配重12側上的根部R2和R3更明顯地彎曲，并且應力集中在那些根部上。在沿z方向施加沖擊的情況下，所有四個梁13都彎曲。布置在框架14側上的根部R1和R4以及布置在配重12側上的根部R2和R3最明顯地彎曲，并且應力集中在那些根部上。
如上所述，在從外部施加沖擊的情況下，應力集中在梁13的根部上。梁13的根部易于被所述沖擊折斷。因此，根據本發明的慣性傳感器包括變形部分，所述變形部分布置成避開應力集中于其上的區域。變形部分(例如，凹入部分)構成為在梁厚度方面局部較薄。在凹入部分設為變形部分的情況下，凹入部分的厚度如此確定，即，考慮包括梁的長度和寬度、待獲得的耐沖擊性以及凹入部分的寬度在內的條件。可在梁上設置孔。下面將給出孔設在梁中的情況的描述。
圖3A到3C示出了設在根據本發明的慣性傳感器的傳感部分中的梁中的孔。圖3A是傳感部分的立體圖。圖3B是所述梁周圍的頂視圖，示出了所述梁上的孔。梁13設在配重12和框架14之間。孔15布置成避開梁13的根部。因此，在不降低應力集中于其上的所述梁的機械強度的情況下可使得梁13變形。這可在不降低耐沖擊性的情況下增強傳感器性能。
上述孔設置為避開在梁13的總長度L上具有深度d的根部。優選地，相對于梁13的中心線A-A和B-B對稱地布置孔15。還優選地，考慮到增強傳感器的靈敏性，可將寬度d構成為盡可能地小。考慮到所需的耐沖擊性而可將寬度d確定為盡可能地小。布置在圖3A中的六個孔示出了布置的一個示例。可在考慮與設在梁13中的連接線路(interconnection)等之間的關系的情況下，進行孔的數量和形狀的設計并進行優化。
本發明人進行確定試驗并且確定出，與具有帶有和不帶有上述孔的傳感部分的慣性傳感器相比較，上述孔能夠提高傳感器靈敏性大約兩倍，并且具有或者不具有所述孔在耐沖擊性上沒有差異。尤其比較了用于檢測應力變化的壓電加速度傳感器。因此，在不降低耐沖擊性的情況下可獲得高靈敏性。如圖3C中所示，例如，在另外設置窄寬度部分15’或者窄寬度部分15’與所述梁中的孔一起設置的情況下，窄寬度部分15’可相對于沿梁13的中心延伸的方向對稱地設置并且相對于沿梁13的中心延伸的縱向以及垂直于縱向方向的另一個方向對稱，以避開應力集中于其上的邊緣。當加速度沿x軸方向施加時，由于具有窄寬度部分15’，使得所述梁易于沿y軸方向變形。因此，可增強靈敏性。
(第二實施例)已給出了與常規傳感部分的根部相同的傳感部分的根部的描述。由于耐沖擊性的提高，需要以確實的方式增強所述梁的機械強度。根據本發明的第二實施例，傳感部分中應力集中于其上的根部(邊緣)的形狀構成為用于提高傳感器的耐沖擊性。
圖4A到4D示出了所述梁中的根部的形狀。圖4A是所述根部的第一示例。圖4B是第二示例。圖4C示出了常規形狀。常規梁具有在配重12和框架14之間直角的根部形狀，如本發明第一實施例的圖3B中所示。然而，根據本發明的第二實施例，通過布置圖4A中所示的錐形或者通過形成圖4B中所示的成圓形的根部，而不是直角，梁13構成為具有比直角寬的角度。通過設置如上所述的根部形狀，可分散應力集中于其上的區域從而可增強耐沖擊性。
在如圖4A中所示的根部具有比直角寬的角度的情況下，可增強耐沖擊性。在如圖4B中所示的根部被成圓形地形成為具有圓形形狀的情況下，可更有效地提高耐沖擊性。
參照圖5，在根部具有錐形C(這里，C為50μm)并且梁具有孔R(這里，R為20μm)的情況下是更有效的。
可獨立于通過在所述梁中布置孔所獲得的傳感器靈敏性的提高效果，而獲得耐沖擊性中的提高效果。因此顯然，在沒有在梁中設置孔并且根部在其輪廓中的形狀具有小于直角的角度的情況下，可提高耐沖擊性。在如圖4D中所示的另外設置窄寬度部分15’或者與所述梁孔一起設置窄寬度部分15’的情況下，也可獲得上述效果。
(第三實施例)圖6A到6G示出了包含在根據本發明的慣性傳感器中的梁形狀的示例。孔15設置為相對于沿梁13的中心延伸的縱向方向和垂直于沿梁13的中心延伸的縱向方向的另一個方向對稱。壓電電阻器11以避開孔15的方式布置在梁13上。框架14包括電極21和連接線路22。壓電電阻器11與電極21以及連接線路22相連接，并且向惠斯登電橋電路(未示出)輸出由于配重12的運動所導致的電阻值變化。
(第四實施例)根據本發明的第四實施例，提供了配重止動件，用以限制配重在傳感部分中的可運動范圍，從而增強具有根據本發明第一到第三實施例的梁的慣性傳感器的耐沖擊性。
圖7A到7C示出了包含在根據本發明第四實施例的慣性傳感器中的配重止動件16。配重止動件16是通過MEMS技術加工的，并且以一定間隙布置在傳感部分附近。在設置了配重止動件16的情況下，如果配重12過度運動得大于相當于預定傳感范圍的變化量，則配重止動件16就能夠阻止配重12的運動。這可避免作為傳感器的梁13出故障的問題。所述問題是由于意外的大沖擊所導致的。
圖8是具有設在包裝的蓋罩19上和包裝的底表面上的配重止動件的慣性傳感器的橫截面圖。使用粘合劑將傳感部分17連接于包裝18的底表面上。蓋罩19安裝在包裝18上。配重止動件16設在包裝的蓋罩19上和包裝的底表面上。
配重12的傳感部分的頂表面和底表面可具有平表面，然而，其上可具有突起。在設置有突起的情況下，有效間隙是在突起的頂端表面與面對突起的配重止動件表面之間的間隙。因此，甚至在配重和配重止動件之間的距離設置為相對較大的情況下，也存在可提高耐沖擊性的這樣的優點。與之相反，也可將突起設置在面對配重的配重止動件上。
另外，狹窄地布置在配重止動件和傳感部分(配重)之間的間隙，可增強耐沖擊性。然而，配重的可運動范圍變窄并且傳感器的動態范圍變窄。與之相反，在較寬地布置間隙的情況下，配重的可運動范圍變寬并且傳感器的動態范圍變寬。然而，如果動態范圍變得太寬，則配重止動件就不能有效地發揮作用，并且也不能獲得期望的耐沖擊性。因此，包含在根據本發明的慣性傳感器中的傳感部分與配重止動件之間的間隙被確定為滿足傳感器的動態范圍和期望的耐沖擊性。優選地，將所述間隙布置得盡可能地窄。這是因為如果間隙布置得超過需要，則在配重止動件限制運動之前意外的沖擊會導致配重明顯加速。當撞擊配重止動件時，配重可能被損壞。
根據本發明，可在不降低傳感器的耐沖擊性的情況下增強傳感器的靈敏性。也可在不犧牲傳感器靈敏性的情況下，增強耐沖擊性。因此，可同時獲得高靈敏性和傳感器的耐沖擊性。
本發明并不限于上述實施例，并且在不脫離本發明的范圍的情況下可作出其它實施例、改變和修正。
本發明基于2004年3月30日申請的日本專利申請No.2004-099250，通過引用將所述專利申請的全部內容結合于此。
權利要求
1.一種慣性傳感器，該慣性傳感器包括具有配重的傳感部分，所述配重由從框架處延伸的梁懸掛并且是可運動部分，其中所述梁包括部分地布置于其中的變形部分；并且所述變形部分布置成避開施加在所述梁上的應力集中在其上的邊緣。
2.根據權利要求1所述的慣性傳感器，其特征在于，所述變形部分具有部分凹入的形狀。
3.根據權利要求1所述的慣性傳感器，其特征在于，所述變形部分包括形成在所述梁中的孔。
4.根據權利要求1所述的慣性傳感器，其特征在于，所述變形部分為布置在所述梁的給定區域中的窄寬度部分。
5.根據權利要求1所述的慣性傳感器，其特征在于，每個梁中的所述變形部分相對于沿所述梁的中心延伸的縱向方向和垂直于所述縱向方向的另一方向對稱地布置。
6.根據權利要求1所述的慣性傳感器，其特征在于，還包括配重止動件，該配重止動件設置在所述傳感部分的附近，用以將配重的可運動范圍限制在給定范圍內。
7.一種慣性傳感器，該慣性傳感器包括具有由梁懸掛的配重的傳感部分，所述配重為可運動部分，其中，所述梁在其邊緣中具有給定區域，所述給定區域具有比直角寬的角度。
8.根據權利要求7所述的慣性傳感器，其特征在于，所述梁的邊緣形成了彎曲輪廓。
9.根據權利要求7所述的慣性傳感器，其特征在于所述梁包括部分地布置于其中的變形部分；并且所述變形部分布置成避開施加在所述梁上的應力集中在其上的邊緣。
10.根據權利要求7所述的慣性傳感器，其特征在于，還包括配重止動件，該配重止動件設置在傳感部分的附近，用以將配重的可運動范圍限制在給定范圍內。
全文摘要
一種慣性傳感器，該慣性傳感器包括具有配重的傳感部分，所述配重由從框架處延伸的梁懸掛并且是可運動部分。所述梁包括部分地布置于其中的變形部分，并且所述變形部分布置成避開施加在所述梁上的應力集中在其上的邊緣。所述梁的根部沒有形成為以直角與配重或框架相連接。所述梁的根部具有更寬的角度。因此，可分散應力集中在其上的區域，并且在不犧牲傳感器的靈敏性情況下增強耐沖擊性。根據本發明既可獲得高傳感器靈敏性又可獲得耐沖擊性。
文檔編號G01P9/04GK1677055SQ20051005894
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月25日 優先權日2004年3月30日
發明者石川寬, 中村義孝, 德永博司, 永田憲治 申請人:富士通媒體部品株式會社, 富士通株式會社