JP2008070241A - 圧力センサ、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電材料から成る応力感応素子２０を同様の圧電材料から成るダイヤフラム２により支持し、且つダイヤフラムと基台１０を接合することによって形成した真空室Ｓ内に応力感応素子を封止した構造の周波数変換型の圧力センサにおいて、種々の不具合をもたらす原因となる接着剤を用いずにダイヤフラムと容易に接合することができ、しかもダイヤフラムを構成する圧電材料の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有した基台材料を備えた圧力センサを提供する。
【解決手段】第１の材料から成るダイヤフラム２と、該ダイヤフラムと接続されてダイヤフラムとの間に真空室Ｓを形成する第２の材料から成る基台１０と、圧電振動基板上に励振電極膜を備えた構成を有し且つダイヤフラムによって支持された応力感応素子２０と、を備え、第２の材料は金属である。
【選択図】図１

Description

本発明は絶対圧測定用のダイヤフラム式応力感応素子の改良に関する。

従来より圧電振動素子（例えば、水晶振動素子）に応力を加えることによって共振周波数が変化する性質を利用した圧力センサが実用化されている。
特許文献１には、双音叉型振動素子と水晶で製作したダイヤフラムを兼ねたハウジングを有した周波数変化型の絶対圧測定用圧力センサが開示されている。即ち、図７はこの圧力センサの構造を示した概略図であり、この圧力センサ１００は、下側ダイヤフラム１０１の上面に設けた凹所１０１ａと、上側ダイヤフラム１１０の下面に設けた凹所１１０ａによって気密空間（真空室）Ｓを形成するように両ダイヤフラムの外周縁に位置する厚肉部１１５を接合すると共に、上側ダイヤフラムの凹所内に設けた２つの突起１１１により双音叉型振動素子（応力感応素子）１１７を支持し、更に上下のダイヤフラムの凹所間を図示しない力伝達用柱部により連結した構成を備えている。両ダイヤフラムの接合面には引出し導体膜１２０、１２１が配置されており、各引出し導体膜は双音叉型振動素子１１７を構成する２つの電極膜に対してワイヤ等の接続手段１２５を介して接続されている。

この従来例にあっては、応力感応素子１１７を支持する上側ダイヤフラム１１０を応力感応素子１１７と同じ水晶材料により構成することにより、両者の熱膨張係数差に起因した感度の低下という不具合を解消することができる一方で、下側ダイヤフラム１０１をも水晶材料としているため、水晶製のダイヤフラム同士の接合が難しいという問題を生じている。即ち、水晶材料同士は陽極接合することができないため、接着剤による接合を選択せざるを得ないが、接着剤により接合した場合には真空封止した後に接着剤からアウターガスが経時的に発生し、このアウターガスが応力感応素子の共振周波数を変動させる原因となる等の問題をもたらす。更に接着剤により接合すると必ず余剰接着剤が気密空間内に流入するためこれを受入れて保持するための凹所を何れかのダイヤフラムの内壁に設ける必要があり、その結果当該ダイヤフラムを厚肉化する必要を生じ、圧力センサの大型化をもたらす。また、接着後に真空雰囲気中において封止工程を行う必要が生じる。

このようなところから応力感応素子を支持しない側のダイヤフラムとして、ガラスの基台を使用することも行われている。例えば、ソーダガラスは水晶材料との陽極接合が容易である。しかし、ソーダガラスの熱膨張係数が８０であるのに対して水晶材料の熱膨張係数は１４０であり、しかも前者の熱膨張係数を後者に合わせることは極めて困難である。仮にソーダガラスの熱膨張係数を水晶材料と近づけるためにアルカリ成分を添加するとすればガラス基台は使用に耐え得ない程度に脆くなる。このようにガラス材料から成る基台を水晶材料からダイヤフラムと接合すると、熱膨張係数の異なる両部材の接合面に熱変化によって発生する応力がダイヤフラムを介して応力感応素子に伝達されてその感度に影響を与えることとなる。
しかし、ダイヤフラム式の周波数変換型の圧力センサにおいて、これまで水晶材料から成るダイヤフラムとの接合に適した材料から成る基台は提案されていない。
特開２００４−１３２９１３公報

以上のように水晶材料等の圧電材料から成る応力感応素子を同様の圧電材料から成るダイヤフラムにより支持し、且つダイヤフラムと基台を接合することによって形成した真空室内に応力感応素子を封入した構造の周波数変換型の圧力センサにおいては、接着剤を用いずにダイヤフラムと容易に接合することができ、しかもダイヤフラムを構成する圧電材料の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有した基台材料を得ることは難しかった。即ち、従来はダイヤフラムと基台との間に大きな熱膨張係数差があることによって、周辺温度環境の変化に起因して両部材間に発生する応力がダイヤフラムを経由して応力感応素子に伝達されることにより、応力感応素子の感度が変動することを防止することができなかった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、圧電材料から成る応力感応素子を同様の圧電材料から成るダイヤフラムにより支持し、且つダイヤフラムと基台を接合することによって形成した真空室内に応力感応素子を封止した構造の周波数変換型の圧力センサにおいて、種々の不具合をもたらす原因となる接着剤を用いずにダイヤフラムと容易に接合することができ、しかもダイヤフラムを構成する圧電材料の熱膨張係数（線膨張係数）に近似した熱膨張係数を有した材料から成る基台を備えた圧力センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、第１の本発明に係る圧力センサは、第１の材料から成るダイヤフラムと、該ダイヤフラムと接続されてダイヤフラムとの間に真空室を形成する第２の材料から成る基台と、圧電振動基板上に励振電極膜を備えた構成を有し且つ前記ダイヤフラムによって支持された応力感応素子と、を備えた圧力センサであって、前記第２の材料は金属であることを特徴とする。
弾性材料から成るダイヤフラムに対して基台を接合する際に、基台の材質としてダイヤフラムの熱膨張係数に近いものを選択する必要があるが、金属は選択の範囲が広いために、基台を金属材料により構成することによりダイヤフラムの熱膨張係数に近似させることが容易である。

第２の本発明に係る圧力センサは、前記第２の材料の熱膨張係数は、前記第１の材料の熱膨張係数と近いことを特徴とする。
基台の材料として金属を選定し、その熱膨張係数をダイヤフラムの熱膨張係数に近似させることにより、両者の接合部に熱に起因して発生した歪みが応力感応素子に伝達されてその特性を変動させる虞を解消できる。
第３の本発明に係る圧力センサは、前記第１の材料は圧電材料であり、前記応力感応素子を構成する圧電振動基板と結晶方位が一致していることを特徴とする。
このように構成することにより、感圧センサの感度を高めることができる。
第４の本発明に係る圧力センサは、前記圧電材料は、水晶であることを特徴とする。
圧電材料として種々の材料を使用できるが、例えば水晶材料も有用である。

第５の本発明に係る圧力センサは、前記基台は、椀形状の金属キャップであることを特徴とする。
ダイヤフラムとの間に任意のサイズの空間を形成するためには基台の形状を椀形状の金属キャップとすることが好ましい。
第６の本発明に係る圧力センサでは、前記金属キャップは、前記真空室内に負圧を導入するための穴と、負圧導入後に該穴を封止する封止部材と、を備えていることを特徴とする。
空間を真空にするために金属キャップに設けた穴を利用することが便利である。
第７の本発明に係る圧力センサでは、前記金属キャップは、前記空間内に負圧を導入するための穴と、前記穴の周縁に一体化されて外方へ突出したパイプと、該パイプの一部を潰し切断することにより形成した封止部と、を備えていることを特徴とする。
金属キャップに設けた負圧導入用の穴から外側へ向けて同材質のパイプを突出させた構成とすることにより、負圧導入作業を非真空中にて実施することが可能となり、工程の簡略化、量産が可能となる。

第８の本発明に係る圧力センサの製造方法は、前記基台となる部分と、該基台となる部分の適所に形成された負圧導入用の穴と、該穴の周縁に連接一体化されて外側へ突出する負圧導入及び潰し切断用のパイプと、を有した金属キャップ部品を製造する工程と、複数の前記金属キャップ部品の各パイプの端部間を連結管体により連通連結することにより金属キャップ部品連結体を製造する工程と、複数の前記ダイヤフラムを連接一体化したダイヤフラムウェハを製造する工程と、前記ダイヤフラムウェハの各個片領域に前記応力感応素子を搭載する工程と、前記ダイヤフラムウェハの各個片領域に前記金属キャップ部品連結体を構成する前記金属キャップ部品の基台となる部分を接合する工程と、前記連結管体、及び前記各パイプを経由して負圧を前記ダイヤフラム個片と金属キャップ部品との間に形成された空間内に導入する工程と、前記各パイプの適所を切断しつつ潰して封止する工程と、前記ダイヤフラムウェハを個片毎に切断する工程と、を備えたことを特徴とする。
金属キャップに設けた負圧導入用の穴から外側へ向けて同材質のパイプを突出させた構成とした上で、この製造工程を実施することにより、負圧導入作業を非真空中にて実施することが可能となり、工程の簡略化、量産が可能となる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る周波数変化型の絶対圧測定用の圧力センサの構成を示す外観図であり、（ｂ）はその縦断面図である。
圧力センサ１は、弾性材料としての第１の材料から成るダイヤフラム２と、ダイヤフラム２と接続されてダイヤフラムとの間に真空室（気密空間）Ｓを形成する第２の材料から成る基台１０と、ダイヤフラム２によって支持され且つ圧電材料を主材として構成された応力感応素子２０と、を備えている。
ダイヤフラム２と基台１０はハウジングを構成している。このハウジングは例えば縦横寸法が５ｍｍ、厚みが１ｍｍ程度である。
更に詳細には、圧力センサ１は、基台１０との間に真空室Ｓを形成する変形領域（薄肉部）３、及び変形領域３の外周縁を一体的に支持し且つ基台面に接合される接合領域（厚肉部＝接合部）４を有した弾性材料から成るダイヤフラム２と、ダイヤフラム２の変形領域３の内壁に形成された支持部５によって両端部を夫々支持された応力感応素子２０と、を備えている。ダイヤフラム２はフォトリソグラフィー技術によって製造される。

応力感応素子（圧電振動素子）２０は、水晶等の圧電材料から成る圧電振動基板と、圧電振動基板面に形成された複数の励振電極膜と、各励振電極膜から夫々圧電振動基板端縁に引き出されたリード電極膜と、を備えた圧電振動素子である。
応力感応素子２０を構成する圧電振動基板材料として水晶を使用する場合には、ダイヤフラム２の材料としても同じ水晶材料を使用することにより、熱膨張係数差に起因して両者の接続部に発生する応力により応力感応素子２０に発生する歪みを防止することができる。即ち、ダイヤフラム２を構成する材料（第１の材料）は、例えば水晶等の圧電材料であり、応力感応素子２０を構成する圧電振動基板の材料と同じ材質とし、両者の結晶方位を一致させた支持構造とすることにより、両者の熱膨張係数差に起因したセンサ特性の悪化（感度のばらつき）を防止するように配慮している。
ダイヤフラム２の下面適所には、引出し導体膜３０、３１が配置され、各引出し導体膜３０、３１はボンディングワイヤ（接続部材）３２を用いて応力感応素子２０上の各リード電極膜と導通されている。各引出し導体膜３０、３１は、真空室外部に配置された図示しない発振回路と接続されている。

ダイヤフラムの製造においては、まず水晶基板の両面に、エッチングする領域を開けたパターンのレジストや耐食性金属膜を形成する。次に、ウェットエッチングによって、水晶基板をハーフエッチングすることで、所望の厚さに形成する。また、ダイヤフラム２を所望の形状にするため、レジストや耐食性金属膜のパターンを複数用いて２回以上に分けてエッチングを行っても良い。
以上のように、ダイヤフラム２の変形領域３を形成するが、変形領域３内の薄肉部に、厚み方向に交流電界を印加して、共振周波数を測定することで、薄肉部の厚みを測定することが出来る。
さらに、ダイヤフラム２として水晶を用い、Ｙ軸をＺ軸方向に約３５°傾けた軸を法線とする面をダイヤフラム２の表面および裏面とすることで、厚みすべり振動モードによる共振周波数を測定することができる。また、厚みすべり振動モードは、振動もれが少なくエネルギーの閉じ込め効果があるため、電界を印加した領域毎の厚みを正確に求めることができる。測定結果に基づいて、エッチング時間などのエッチング条件を調整することができる。
なお、ダミー基板用いてエッチングレートを測定し、エッチング時間を調整することもできるが、ダイヤフラム２そのものを測定したほうが、製品のばらつきを抑えることができる。

応力感応素子２０は、外部からの応力Ｐによって軸方向への機械的応力を受けて変形し、固有の共振周波数が変動する。ハウジング内の適所に気密状態で配置した発振回路と、応力感応素子２０を構成する圧電振動基板上の励振電極膜とを接続した状態で、励振電極膜に通電することによって圧電振動基板を励振させ、この時の出力周波数に基づいて応力Ｐの発生源である圧力を算出する。
本実施形態では、応力感応素子２０として２本の振動ビームを備えた双音叉型圧電振動素子を用いている。双音叉振動子は引張り応力に対する感度と圧縮感度が良好であり、高度計用、或いは深度計用の応力感応素子として使用した場合には分解能力が優れるために僅かな気圧差から高度差、深度差を知ることができる。

双音叉型圧電振動素子の特性、即ち外力Ｆを加えたときの共振周波数は以下の如くである。
外力Ｆを２本の振動ビームに加えたときの共振周波数

を求めると、

但し Ｋ：基本波モードによる定数（＝０．０４５８）で表され、断面２次モーメント

より、（１）式は、次式のように変形することができる。

但し

以上から双音叉振動子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、引張り方向を正としたとき、力Ｆと共振周波数

の関係は、図２に示すように力Ｆが圧縮で共振周波数

が減少し、引張りでは増加する。また応力感度

は振動ビームの

の２乗に比例する。
ここでは、双音叉振動子を用いたが、引張・圧縮の力に応答するその他の素子を用いることもできる。

次に、本発明の圧力センサ１の特徴的な構成は、基台１０を構成する材料（第２の材料）として金属を用いた構成にある。
基台１０を構成する材料（第２の材料）として金属材料を用いる理由は、材料の選択範囲が広く、水晶材料の熱膨張係数（線膨張係数）に近い値の材料を選定し易いために部材間の熱膨張係数差に起因してダイヤフラムに歪みが残留し難い構造を得やすいからである。例えば、金属材料としてキュプロニッケル、ステンレス等を用いることにより水晶材料の熱膨張係数である１４０に近づけやすくなる。また、金属材料から成る基台１０は水晶から成るダイヤフラム２に対しても、陽極接合、直接接合、低融点ガラス接合等によって接合することが容易となる。
この実施形態における基台１０は、金属材料をプレス加工（絞り加工）によってキャップ状（椀状）に形成した金属キャップである。キャップ状の基台とし、その裾部をダイヤフラムの接合領域４と接合することによって両者間に空間を形成することができる。

次に、図３（ａ）及び（ｂ）は図１の圧力センサを製造するために使用する特徴的な構成を備えた金属キャップ部品をダイヤフラムに接合した状態を示す外観斜視図、及び縦断面図である。
金属キャップ部品１１は、基台１０となる部分と、基台１０となる部分の適所に形成されてダイヤフラム２との間に形成される空間Ｓ’内に負圧を導入して真空室Ｓとするための穴１２と、穴１２の周縁に連接一体化されて外側へ突出する負圧導入及び潰し切断用のパイプ１３と、を有している。

図４（ａ）及び（ｂ）はこの金属キャップ部品１１を用いてバッチ処理により圧力センサを量産する際の工程を説明する正面図、及び底面図である。
符号４０は、複数のダイヤフラムを縦横に連接一体化したダイヤフラムウェハであり、個々のダイヤフラム２に対するエッチングによる加工と、応力感応素子２０の搭載は終了している。
一方、符号４５は複数の金属キャップ部品１１を連接一体化した金属キャップ部品連結体であり、金属キャップ部品連結体４５は、各金属キャップ部品１１のパイプ１３の端部間を連結管体４６により連通連結したものであり、連結管体４６は真空ポンプ４７と接続されている。各金属キャップ部品１１はダイヤフラムウェハ４０を構成する各ダイヤフラム２の面と一対一で対応した位置関係となるように連結されており、全ての金属キャップ部品の基台１０となる部分を対応するダイヤフラムに対して接合する。その後、真空ポンプ４７からの負圧を各パイプ１３を介して各空間内に供給することにより、ダイヤフラムと基台との間の空間を真空室Ｓとする。この作業は真空雰囲気中にて行う必要がないため、生産性を高めることができる。
次に、各パイプ１３の適所を所要の治具を用いて潰し切断して封止部１３ａとすることにより気密化した真空室Ｓを形成してから、ダイシングソーにより各個片間を切断する。

以上のように本発明に係る圧力センサの製造方法は、基台１０となる部分と、基台となる部分の適所に形成された負圧導入用の穴１２と、穴１２の周縁に連接一体化されて外側へ突出する負圧導入及び潰し切断用のパイプ１３と、を有した金属キャップ部品１１を製造する工程と、複数の金属キャップ部品１１の各パイプ１３の端部間を連結管体４６により連通連結することにより金属キャップ部品連結体４５を製造する工程と、複数のダイヤフラム２を連接一体化したダイヤフラムウェハ４０を製造する工程と、ダイヤフラムウェハの各個片領域に応力感応素子２０を搭載する工程と、ダイヤフラムウェハの各個片領域に金属キャップ部品連結体４５を構成する金属キャップ部品の基台となる部分を接合する工程と、連結管体４６、及び各パイプ１３を経由して負圧をダイヤフラム個片と金属キャップ部品との間に形成された空間Ｓ’内に導入する工程と、各パイプ１３の適所を切断しつつ潰して封止する工程と、ダイヤフラムウェハを個片毎に切断する工程と、から構成される。
この製造方法を実施する結果、水晶からなる圧電振動基板を含んだ応力感応素子を支持した水晶からなるダイヤフラム２と、基台１０とを接合することにより真空室Ｓを形成した圧力センサ個片を量産することができる。
なお、本製造方法では、パイプ１３を潰して封止することにより空間Ｓ’内の真空を保つ工程を経ることから、基台を構成する金属材料としては加工が容易な銅合金（例えば、りん青銅等）を使用することが好ましい。

次に、図５は本発明の他の実施形態に係る圧力センサの構成を示す断面図であり、この圧力センサ１は、真空室Ｓ内に位置するダイヤフラム面の適所にスルーホール６を形成すると共に、このスルーホール６を所要量のろう材７、例えばＡｕ−Ｇｅ合金により封止した構成を有している。Ａｕ−Ｇｅ合金をスルーホールの外側開口内に添設した状態でレーザー光を照射することにより溶融した後で固化させてスルーホールを封止することができる。
なお、スルーホール６は一方の引出し電極膜をダイヤフラム外面の電極膜と導通するためと、真空雰囲気中において空間Ｓ’内を真空化するための負圧導入穴として利用される。

次に、図６は本発明の他の実施形態に係る圧力センサの構成を示す断面図であり、この圧力センサ１は、基台の適所に負圧導入用の穴１２を形成すると共に、この穴１２をろう材１５、例えばＡｕ−Ｇｅ合金により封止した構成を有している。Ａｕ−Ｇｅ合金は、穴１２の外側開口内に充填された後でレーザー光を照射されることにより溶融した後で固化させて穴を封止することができる。このように穴１２は、真空雰囲気中において空間Ｓ’内を真空化するための負圧導入穴として利用される。

以上のように、ダイヤフラム式圧力センサにおいては、圧電材料から成る応力感応素子と、これを支持するダイヤフラムとを同じ材質により構成している。ダイヤフラムと応力感応素子との間の熱膨張係数差を可能な限りゼロに近づける必要があるからである。一方、ダイヤフラムの熱膨張係数と、ダイヤフラムとの間で真空室を形成する基台を構成する材料の熱膨張係数との差についても可能な限り小さくする必要があるが、両者の接合性を考慮すると、基台を圧電材料にて構成することは難しい。そこで、材料の選択範囲が広く、熱膨張係数を圧電材料の熱膨張係数に近似した値に調整し易い金属材料を基台材料として使用することにより、ガラス等の他の基台材料に比して、熱膨張係数差を大幅に低減することが可能となる。仮に、ダイヤフラムと金属基台との間に僅かな熱膨張係数差が存在していたとしても、両者の接合部と応力感応素子の支持部との間には十分な距離があるため、熱膨張係数差に起因した歪みが応力感応素子に加わってその感度バラツキを起こす虞はない。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る周波数変化型の絶対圧測定用の圧力センサの構成を示す外観図、（ｂ）はその縦断面図である。 双音叉振動子に作用する力Ｆを圧縮方向のとき負、引張り方向を正としたとき、力Ｆと共振周波数ｆ_Fの関係を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は図１の圧力センサを製造するために使用する特徴的な構成を備えた金属キャップ部品をダイヤフラムに接合した状態を示す外観斜視図、及び縦断面図である。 （ａ）及び（ｂ）はこの金属キャップ部品を用いてバッチ処理により圧力センサを量産する際の工程を説明する正面図、及び底面図である。 本発明の他の実施形態に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 従来の圧力センサの構造を示した概略図である。

符号の説明

１…圧力センサ、２…ダイヤフラム、３…変形領域、４…接合領域、５…支持部、６…スルーホール、１０…基台、１１…金属キャップ部品、１２…穴、１３…パイプ、１３ａ…封止部、２０…応力感応素子、３０、３１…導体膜、４０…ダイヤフラムウェハ、４５…金属キャップ部品連結体、４６…連結管体、４７…真空ポンプ

Claims (8)

1. 第１の材料から成るダイヤフラムと、該ダイヤフラムと接続されてダイヤフラムとの間に真空室を形成する第２の材料から成る基台と、圧電振動基板上に励振電極膜を備えた構成を有し且つ前記ダイヤフラムによって支持された応力感応素子と、を備えた圧力センサであって、
   前記第２の材料は金属であることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記第２の材料の熱膨張係数は、前記第１の材料の熱膨張係数と近いことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記第１の材料は圧電材料であり、前記応力感応素子を構成する圧電振動基板と結晶方位が一致していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記圧電材料は、水晶であることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
5. 前記基台は、椀形状の金属キャップであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧力センサ。
6. 前記金属キャップは、前記真空室内に負圧を導入するための穴と、負圧導入後に該穴を封止する封止部材と、を備えていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
7. 前記金属キャップは、前記真空室内に負圧を導入するための穴と、前記穴の周縁に一体化されて外方へ突出したパイプと、該パイプの一部を潰し切断することにより形成した封止部と、を備えていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の圧力センサの製造方法であって、
   前記基台となる部分と、該基台となる部分の適所に形成された負圧導入用の穴と、該穴の周縁に連接一体化されて外側へ突出する負圧導入及び潰し切断用のパイプと、を有した金属キャップ部品を準備する工程と、
   複数の前記金属キャップ部品の各パイプの端部間を連結管体により連通連結することに形成した金属キャップ部品連結体を準備する工程と、
   複数の前記ダイヤフラムを連接一体化したダイヤフラムウェハの各個片領域に前記応力感応素子を搭載する工程と、
   前記ダイヤフラムウェハの各個片領域に前記金属キャップ部品連結体を構成する前記金属キャップ部品の基台となる部分を接合する工程と、
   前記連結管体、及び前記各パイプを経由して負圧を前記ダイヤフラム個片と金属キャップ部品との間に形成された空間内に導入する工程と、
   前記各パイプの適所を切断しつつ潰して封止する工程と、
   前記ダイヤフラムウェハを個片毎に切断する工程と、
   を備えたことを特徴とする圧力センサの製造方法。

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