JP2013217719A - 圧力センサー及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性を向上させることが可能な圧力センサー、及びこの圧力センサーを備えた電子機器の提供。
【解決手段】圧力センサー1は、振動梁部13、振動梁部13の両端に連結されている一対の基部14、及び一対の基部14に設けられている端子電極15a,15b、を有する双音叉素子10と、可撓性を有する可撓部21、可撓部21の一方の主面21aから突出して設けられ、双音叉素子10の基部14が固定されている一対の支持部22、及び一対の支持部22に設けられている電極パッド24a,24b、を有するダイヤフラム20と、を含み、端子電極15a,15bと電極パッド24a,24bとが、金属ワイヤー41によって互いに接続されている。
【選択図】図1
【解決手段】圧力センサー1は、振動梁部13、振動梁部13の両端に連結されている一対の基部14、及び一対の基部14に設けられている端子電極15a,15b、を有する双音叉素子10と、可撓性を有する可撓部21、可撓部21の一方の主面21aから突出して設けられ、双音叉素子10の基部14が固定されている一対の支持部22、及び一対の支持部22に設けられている電極パッド24a,24b、を有するダイヤフラム20と、を含み、端子電極15a,15bと電極パッド24a,24bとが、金属ワイヤー41によって互いに接続されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、圧力センサー及びこの圧力センサーを備えている電子機器に関する。
従来、圧力を検出する圧力センサーとして、一方の主面に第1の凹陥部、他方の主面に第1及び第2の肉厚部と端子部とを有する第2の凹陥部が形成された第1のダイヤフラムと、一方の主面に第3の凹陥部が形成された第2のダイヤフラムと、双音叉型圧電振動素子と、を備え、双音叉型圧電振動素子の両基端部が、第1及び第2の肉厚部に結合され、両基端部の端子電極と、第1のダイヤフラムの端子部とがボンディングワイヤーで接続された構成の絶対圧センサー(以下、圧力センサーという)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の圧力センサーは、受圧時(外部から圧力が加わるとき)に変位する双音叉型圧電振動素子の基端部と、受圧時に殆ど変位しない第1のダイヤフラムの外周部の端子部とに、ボンディングワイヤーが跨って設けられている。
これにより、特許文献1の圧力センサーは、受圧の度にボンディングワイヤーに曲げ、圧縮、引張りなどの応力が生じ得ることから、間欠的または連続的に発生する応力によってボンディングワイヤーの基端部及び端子部との接続部分などが経時的に劣化する虞がある。
この結果、特許文献1の圧力センサーは、信頼性が低下する虞がある。
これにより、特許文献1の圧力センサーは、受圧の度にボンディングワイヤーに曲げ、圧縮、引張りなどの応力が生じ得ることから、間欠的または連続的に発生する応力によってボンディングワイヤーの基端部及び端子部との接続部分などが経時的に劣化する虞がある。
この結果、特許文献1の圧力センサーは、信頼性が低下する虞がある。
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例にかかる圧力センサーは、感圧部、前記感圧部の両端に連結されている一対の基部、及び前記一対の基部の少なくとも一方に設けられている端子電極、を有する感圧素子と、可撓性を有する可撓部、前記可撓部の一方の主面から突出して設けられ、前記感圧素子の前記基部が固定されている一対の支持部、及び前記一対の支持部の少なくとも一方に設けられている電極パッド、を有するダイヤフラムと、を含み、前記端子電極と前記電極パッドとが、金属ワイヤーによって互いに電気的に接続されていることを特徴とする。
これによれば、圧力センサーは、感圧素子(双音叉型圧電振動素子に相当)と、ダイヤフラム(第1のダイヤフラムに相当)と、を含み、感圧素子の基部(基端部に相当)には、端子電極が設けられ、ダイヤフラムの支持部には、電極パッド(端子部に相当)が設けられ、端子電極と電極パッドとが、金属ワイヤー(ボンディングワイヤーに相当)によって互いに電気的に接続されている。
これにより、圧力センサーは、受圧時に同方向に変位する感圧素子の基部とダイヤフラムの支持部とに、金属ワイヤーが跨って設けられていることとなる。
これにより、圧力センサーは、受圧時に同方向に変位する感圧素子の基部とダイヤフラムの支持部とに、金属ワイヤーが跨って設けられていることとなる。
この結果、圧力センサーは、相対的に見れば互いに殆ど変位しない感圧素子の基部と、ダイヤフラムの支持部とに、金属ワイヤーが跨って設けられていることから、金属ワイヤーには、受圧時に曲げ、圧縮、引張りなどの応力が生じ難くなる。
したがって、圧力センサーは、金属ワイヤーの基部及び支持部との接続部分などにおける受圧時の応力に伴う経時的な劣化が抑制されることから、従来技術(例えば、特許文献1の圧力センサー)よりも信頼性を向上させることができる。
したがって、圧力センサーは、金属ワイヤーの基部及び支持部との接続部分などにおける受圧時の応力に伴う経時的な劣化が抑制されることから、従来技術(例えば、特許文献1の圧力センサー)よりも信頼性を向上させることができる。
[適用例2]上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記電極パッドから延在され、前記ダイヤフラムに設けられている配線パターンを含むことが好ましい。
これによれば、圧力センサーは、電極パッドから延在され、ダイヤフラムに設けられている配線パターンを含むことから、感圧素子からの検出信号を、電極パッド、配線パターンを介して外部に出力することが可能となる。
[適用例3]上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記感圧部には、前記感圧部を励振し、前記端子電極と電気的に接続されている励振電極が配置されていることが好ましい。
これによれば、圧力センサーは、感圧部を励振し端子電極と電気的に接続されている励振電極が、感圧部に配置されていることから、受圧時における感圧部の振動周波数(共振周波数)の変化によって圧力を検出する構成が可能となる。
[適用例4]上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記感圧素子の前記基部は、前記ダイヤフラムの前記支持部に直接接合されていることが好ましい。
これによれば、圧力センサーは、感圧素子の基部がダイヤフラムの支持部に直接接合されていることから、上記接合時に、例えば、クロム/金を用いてスパッタ法により形成された端子電極及び電極パッドが、他の接合方法よりも高温になり難い。
この結果、圧力センサーは、端子電極及び電極パッドのクロム成分が金成分中に拡散することを抑制できることから、例えば、ワイヤーボンディング法を用いた金属ワイヤーによる端子電極と電極パッドとの接続を確実に行うことができる。
この結果、圧力センサーは、端子電極及び電極パッドのクロム成分が金成分中に拡散することを抑制できることから、例えば、ワイヤーボンディング法を用いた金属ワイヤーによる端子電極と電極パッドとの接続を確実に行うことができる。
[適用例5]上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記金属ワイヤーは、平面視で、前記感圧素子の前記基部同士を結んだ方向と交差する方向に沿って延びていることが好ましい。
これによれば、圧力センサーは、金属ワイヤーが、平面視で感圧素子の基部同士を結んだ方向と交差する方向に沿って延びている。圧力センサーは、ダイヤフラムの特性から感圧素子の基部同士を結んだ方向の方が、感圧素子の基部同士を結んだ方向と交差する方向よりも、感圧素子の基部とダイヤフラムの支持部との変位差が大きくなる。
したがって、本構成の圧力センサーは、金属ワイヤーが感圧素子の基部同士を結んだ方向に沿って延びている場合と比較して、受圧時に金属ワイヤーに生じる応力を低減することができる。
したがって、本構成の圧力センサーは、金属ワイヤーが感圧素子の基部同士を結んだ方向に沿って延びている場合と比較して、受圧時に金属ワイヤーに生じる応力を低減することができる。
[適用例6]上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記ダイヤフラムの前記支持部には、前記感圧素子の前記基部を搭載可能な段差部が設けられていることが好ましい。
これによれば、圧力センサーは、ダイヤフラムの支持部に感圧素子の基部を搭載可能な段差部が設けられていることから、感圧素子の基部に設けられている端子電極と、ダイヤフラムの支持部に設けられている電極パッドとの段差を少なくすることが可能となる。
この結果、圧力センサーは、例えば、ワイヤーボンディング法を用いた金属ワイヤーによる端子電極と電極パッドとの接続を、容易且つ確実に行うことができる。
加えて、圧力センサーは、一対の段差部によって感圧素子の位置決めをすることが可能となる。
この結果、圧力センサーは、例えば、ワイヤーボンディング法を用いた金属ワイヤーによる端子電極と電極パッドとの接続を、容易且つ確実に行うことができる。
加えて、圧力センサーは、一対の段差部によって感圧素子の位置決めをすることが可能となる。
[適用例7]上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記感圧部は、少なくとも1つ以上の振動梁を有していることが好ましい。
これによれば、圧力センサーは、感圧素子の感圧部が、少なくとも1つ以上の振動梁を有していることから、振動梁の特性によって圧力の変化を直線的に振動周波数(共振周波数)の変化に変換することができる。
この結果、圧力センサーは、他の感圧素子を用いる場合と比較して、圧力の検出精度が高い特性を有し、圧力センサーの検出精度を向上させることができる。
この結果、圧力センサーは、他の感圧素子を用いる場合と比較して、圧力の検出精度が高い特性を有し、圧力センサーの検出精度を向上させることができる。
[適用例8]本適用例にかかる電子機器は、上記適用例のいずれかに記載の圧力センサーを備えていることを特徴とする。
これによれば、本構成の電子機器は、上記適用例のいずれかに記載の圧力センサーを備えていることから、上記適用例のいずれかに記載の効果が反映された、信頼性に優れた電子機器を提供することができる。
以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の圧力センサーの概略構成を示す模式斜視図である。図2は、図1の圧力センサーの模式平断面図である。図2(a)は、基台側から見た模式平面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A線での模式断面図であり、図2(c)は、図2(a)のB−B線での模式断面図である。なお、図1では、説明の便宜上、基台を上方に展開してある。また、以下の各図において、分かり易くするために、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。
図1は、第1実施形態の圧力センサーの概略構成を示す模式斜視図である。図2は、図1の圧力センサーの模式平断面図である。図2(a)は、基台側から見た模式平面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A線での模式断面図であり、図2(c)は、図2(a)のB−B線での模式断面図である。なお、図1では、説明の便宜上、基台を上方に展開してある。また、以下の各図において、分かり易くするために、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。
図1、図2に示すように、圧力センサー1は、感圧素子としての双音叉素子(双音叉型圧電振動素子ともいう)10と、双音叉素子10が固定されているダイヤフラム20と、双音叉素子10を覆いダイヤフラム20に接合(固定)されている基台30と、を備えている。
圧力センサー1は、ダイヤフラム20と基台30とが、平面視において輪郭が互いに重なり合うように積層されることにより、略直方体形状に形成されている。
圧力センサー1の双音叉素子10、ダイヤフラム20、基台30は、例えば、複数個取りが可能なウエハー状の水晶基板を基材として、フォトエッチング(フォトリソグラフィー及びウエットエッチング)、サンドブラストなどの加工方法により所定の形状に形成されている。
圧力センサー1は、ダイヤフラム20と基台30とが、平面視において輪郭が互いに重なり合うように積層されることにより、略直方体形状に形成されている。
圧力センサー1の双音叉素子10、ダイヤフラム20、基台30は、例えば、複数個取りが可能なウエハー状の水晶基板を基材として、フォトエッチング(フォトリソグラフィー及びウエットエッチング)、サンドブラストなどの加工方法により所定の形状に形成されている。
双音叉素子10は、感圧部としての互いに略平行な角柱状の一対の振動梁部13と、振動梁部13の両端に連結されている一対の略矩形状の基部14とを有している。
双音叉素子10の一対の基部14には、一方に端子電極15a、他方に端子電極15bが設けられている。端子電極15a,15bは、それぞれ基部14の主面14aに略矩形状に設けられている。
双音叉素子10の一対の振動梁部13には、一対の振動梁部13を短辺方向(一対の振動梁部13の配列方向)に屈曲振動するように励振し、端子電極15a,15bと電気的に接続されている図示しない励振電極が配置されている。なお、端子電極15a,15b、励振電極は、例えば、クロム/金(クロム層の上に金層が積層されている)などの金属膜からなる。
双音叉素子10の一対の基部14には、一方に端子電極15a、他方に端子電極15bが設けられている。端子電極15a,15bは、それぞれ基部14の主面14aに略矩形状に設けられている。
双音叉素子10の一対の振動梁部13には、一対の振動梁部13を短辺方向(一対の振動梁部13の配列方向)に屈曲振動するように励振し、端子電極15a,15bと電気的に接続されている図示しない励振電極が配置されている。なお、端子電極15a,15b、励振電極は、例えば、クロム/金(クロム層の上に金層が積層されている)などの金属膜からなる。
ダイヤフラム20は、平面視において外形形状が略矩形状に形成されている。
ダイヤフラム20は、可撓性を有する比較的薄い平板状の可撓部21と、可撓部21の一方の主面21aから突出して設けられ、双音叉素子10の一対の基部14が固定されている略直方体状の一対の支持部22と、可撓部21の外周にあって、可撓部21の一方の主面21aから突出して設けられ、一対の支持部22を囲む枠部23とを一体で有している。
ダイヤフラム20の一対の支持部22には、一方に電極パッド24a、他方に電極パッド24bが設けられている。電極パッド24a,24bは、支持部22における双音叉素子10の基部14を固定する面に略矩形状に設けられている。
ダイヤフラム20は、可撓性を有する比較的薄い平板状の可撓部21と、可撓部21の一方の主面21aから突出して設けられ、双音叉素子10の一対の基部14が固定されている略直方体状の一対の支持部22と、可撓部21の外周にあって、可撓部21の一方の主面21aから突出して設けられ、一対の支持部22を囲む枠部23とを一体で有している。
ダイヤフラム20の一対の支持部22には、一方に電極パッド24a、他方に電極パッド24bが設けられている。電極パッド24a,24bは、支持部22における双音叉素子10の基部14を固定する面に略矩形状に設けられている。
ダイヤフラム20の電極パッド24a,24bからは、支持部22、可撓部21の一方の主面21a及び枠部23を経由して配線パターン25a,25bが延在されている。
配線パターン25a,25bは、可撓部21の他方の主面21bの外周部に設けられている外部接続電極26a,26bと電気的に接続されている。
これにより、電極パッド24aは、外周部の一方の端部に設けられている外部接続電極26aと電気的に接続され、電極パッド24bは、外周部の他方の端部に設けられている外部接続電極26bと電気的に接続されていることとなる。なお、電極パッド24a,24b、配線パターン25a,25b、外部接続電極26a,26bは、例えば、クロム/金などの金属膜からなる。
配線パターン25a,25bは、可撓部21の他方の主面21bの外周部に設けられている外部接続電極26a,26bと電気的に接続されている。
これにより、電極パッド24aは、外周部の一方の端部に設けられている外部接続電極26aと電気的に接続され、電極パッド24bは、外周部の他方の端部に設けられている外部接続電極26bと電気的に接続されていることとなる。なお、電極パッド24a,24b、配線パターン25a,25b、外部接続電極26a,26bは、例えば、クロム/金などの金属膜からなる。
基台30は、平面視において外形形状が略矩形状に形成されている。基台30は、双音叉素子10との間に空間を形成するための凹部31が、ダイヤフラム20側に形成されている。
基台30は、双音叉素子10を覆うように配置され、凹部31を囲む外周枠部32がダイヤフラム20の枠部23と接合されるように構成されている。
基台30には、ダイヤフラム20と同材料、または線膨張係数が近似する材料を用いることが、周囲の温度変化に伴う両者間の熱応力を抑制する上で好ましい。
基台30は、双音叉素子10を覆うように配置され、凹部31を囲む外周枠部32がダイヤフラム20の枠部23と接合されるように構成されている。
基台30には、ダイヤフラム20と同材料、または線膨張係数が近似する材料を用いることが、周囲の温度変化に伴う両者間の熱応力を抑制する上で好ましい。
基台30には、ダイヤフラム20との接合後に、圧力センサー1の内部空間を減圧して(真空度の高い状態にして)、気密に封止するための封止部33が設けられている。
封止部33は、例えば、基台30の凹部31に設けられた外部側の直径が内部空間側の直径よりも大きい貫通孔34に、例えば、金/ゲルマニウム合金などの封止材35(加熱前は球状)を投入し、加熱溶融させて固化させることで、圧力センサー1の内部空間を気密に封止するように構成されている。
封止部33は、例えば、基台30の凹部31に設けられた外部側の直径が内部空間側の直径よりも大きい貫通孔34に、例えば、金/ゲルマニウム合金などの封止材35(加熱前は球状)を投入し、加熱溶融させて固化させることで、圧力センサー1の内部空間を気密に封止するように構成されている。
圧力センサー1は、ダイヤフラム20の一対の支持部22に、双音叉素子10の一対の基部14が、例えば、低融点ガラス40を介して固定されている。
そして、圧力センサー1は、双音叉素子10の端子電極15a,15bと、ダイヤフラム20の電極パッド24a,24bとが、例えば、ワイヤーボンディング法などを用い、金属ワイヤー41によって互いに電気的に接続されている。
金属ワイヤー41は、平面視において、双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向と交差する方向に沿って延びているように配置されている。
金属ワイヤー41には、例えば、金やアルミニウムなどの線材が用いられている。
そして、圧力センサー1は、双音叉素子10の端子電極15a,15bと、ダイヤフラム20の電極パッド24a,24bとが、例えば、ワイヤーボンディング法などを用い、金属ワイヤー41によって互いに電気的に接続されている。
金属ワイヤー41は、平面視において、双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向と交差する方向に沿って延びているように配置されている。
金属ワイヤー41には、例えば、金やアルミニウムなどの線材が用いられている。
なお、双音叉素子10の基部14の支持部22への固定方法としては、互いの接合面をプラズマ照射などにより親水化処理して表面を活性化させ、接合面同士を貼り合わせることで水素結合させるなどの直接接合方法や、アルコキシド、オルガノシロキシ基などを含む接合部材を用い、紫外線やプラズマ照射により接合する接合方法、金錫合金被膜などの金属被膜を接合部材に用いた共晶接合方法などを用いることができる。
なお、上記直接接合方法を用いる場合には、ダイヤフラム20の電極パッド24a,24bは、平面視において双音叉素子10の基部14と重ならないように設けられていることが、ダイヤフラム20の支持部22を構成する水晶と、双音叉素子10の基部14を構成する水晶との、水晶同士の直接接合を確実に行う上で好ましい。
なお、上記直接接合方法を用いる場合には、ダイヤフラム20の電極パッド24a,24bは、平面視において双音叉素子10の基部14と重ならないように設けられていることが、ダイヤフラム20の支持部22を構成する水晶と、双音叉素子10の基部14を構成する水晶との、水晶同士の直接接合を確実に行う上で好ましい。
圧力センサー1は、ダイヤフラム20に双音叉素子10を固定し、金属ワイヤー41で双音叉素子10の端子電極15a,15bと、ダイヤフラム20の電極パッド24a,24bとを電気的に接続後、ダイヤフラム20の枠部23に、基台30の外周枠部32を、例えば、低融点ガラス40によって気密に接合(固定)する。なお、ダイヤフラム20と基台30との接合には、低融点ガラス40以外にも、絶縁性を有し、気密に接合可能で、加熱時にガスの発生が少ない接合部材を用いることができる。
この後、圧力センサー1は、真空チャンバーなどを用いて、内部空間を所定の真空度まで減圧した状態で、封止部33の貫通孔34に、例えば、金/ゲルマニウム合金などの封止材35を投入し、封止材35にレーザービームや電子ビームを照射して、加熱溶融させて固化させることにより貫通孔34を閉塞し、内部空間を気密に封止する。
上記の構成により、圧力センサー1は、ダイヤフラム20と双音叉素子10の振動梁部13との間、及び双音叉素子10と基台30との間に空間が形成された状態で、双音叉素子10の一対の基部14が、ダイヤフラム20の一対の支持部22に接合されている。
これにより、圧力センサー1は、双音叉素子10が一対の支持部22間に架け渡された状態となっている。
以上のように構成された圧力センサー1は、内部空間が気密に封止され、且つ所定の真空度に保持されており、絶対圧を検出する圧力センサーとして機能する。
これにより、圧力センサー1は、双音叉素子10が一対の支持部22間に架け渡された状態となっている。
以上のように構成された圧力センサー1は、内部空間が気密に封止され、且つ所定の真空度に保持されており、絶対圧を検出する圧力センサーとして機能する。
ここで、圧力センサー1の基本動作について、図面を参照して概略を説明する。
図3は、圧力センサーの基本動作を説明する模式断面図である。
圧力センサー1は、基台30側が外部部材の搭載面50などに搭載されるように構成されている。また、圧力センサー1は、外部からの圧力を双音叉素子10の振動梁部13の共振周波数の変化によって検出する構成となっている。
図3は、圧力センサーの基本動作を説明する模式断面図である。
圧力センサー1は、基台30側が外部部材の搭載面50などに搭載されるように構成されている。また、圧力センサー1は、外部からの圧力を双音叉素子10の振動梁部13の共振周波数の変化によって検出する構成となっている。
図3に示すように、圧力センサー1は、外部からの圧力を受けるとダイヤフラム20の可撓部21が、可撓性により2点鎖線で示すように矢印C方向に撓む(変位する)。
このとき、圧力センサー1は、このダイヤフラム20の可撓部21の撓みにより、ダイヤフラム20の一対の支持部22が、互いの間隔が広がる矢印D方向に変位する。
これにより、一対の支持部22間に架け渡された状態で固定されている双音叉素子10は、矢印D方向に引張力が加わり変位する。
この結果、双音叉素子10は、例えば、巻き上げられた弦楽器の弦のように、振動梁部13の共振周波数が高くなる方に変化する。
このとき、圧力センサー1は、このダイヤフラム20の可撓部21の撓みにより、ダイヤフラム20の一対の支持部22が、互いの間隔が広がる矢印D方向に変位する。
これにより、一対の支持部22間に架け渡された状態で固定されている双音叉素子10は、矢印D方向に引張力が加わり変位する。
この結果、双音叉素子10は、例えば、巻き上げられた弦楽器の弦のように、振動梁部13の共振周波数が高くなる方に変化する。
なお、仮に、外部の圧力が内部空間の圧力よりも低い場合(より真空度が高い場合)には、圧力センサー1は、ダイヤフラム20の可撓部21が、破線で示すように矢印E方向に撓み、一対の支持部22が、互いの間隔が狭まる矢印F方向に変位する。
これにより、双音叉素子10は、矢印F方向に圧縮力が加わって変位し、例えば、巻き戻された弦楽器の弦のように、振動梁部13の共振周波数が低くなる方に変化する。
圧力センサー1は、この共振周波数の変化を検出している。外部からの圧力は、この検出された共振周波数の変化の割合に応じて、ルックアップテーブルなどによって定められた数値に変換することで導出される。
これにより、双音叉素子10は、矢印F方向に圧縮力が加わって変位し、例えば、巻き戻された弦楽器の弦のように、振動梁部13の共振周波数が低くなる方に変化する。
圧力センサー1は、この共振周波数の変化を検出している。外部からの圧力は、この検出された共振周波数の変化の割合に応じて、ルックアップテーブルなどによって定められた数値に変換することで導出される。
ここで、従来の圧力センサーの構成では、図3に1点鎖線で示す金属ワイヤー141が、基部14の端子電極15a,15bとダイヤフラム20の枠部23の配線パターン25a,25bとに跨って設けられていることになる。これにより、従来の圧力センサーの構成では、受圧時の基部14の矢印D方向や矢印F方向への変位によって、金属ワイヤー141が連動して変位し(撓み)、金属ワイヤー141には、曲げ、圧縮、引張りなどの応力が生じることとなる。
このことから、従来の圧力センサーの構成では、間欠的または連続的に発生する応力によって金属ワイヤー141の端子電極15a,15b及び配線パターン25a,25bとの接続部分などが経時的に劣化する虞があった。
このことから、従来の圧力センサーの構成では、間欠的または連続的に発生する応力によって金属ワイヤー141の端子電極15a,15b及び配線パターン25a,25bとの接続部分などが経時的に劣化する虞があった。
これに対して、上述したように、第1実施形態の圧力センサー1は、双音叉素子10と、ダイヤフラム20と、を含み、双音叉素子10の一対の基部14には、端子電極15a,15bが設けられ、ダイヤフラム20の一対の支持部22には、電極パッド24a,24bが設けられている。そして、圧力センサー1は、端子電極15a,15bと電極パッド24a,24bとが、金属ワイヤー41によって互いに電気的に接続されている。
これにより、圧力センサー1は、受圧時に同方向に変位する双音叉素子10の基部14と、ダイヤフラム20の支持部22とに、金属ワイヤー41が跨って設けられていることとなる。
これにより、圧力センサー1は、受圧時に同方向に変位する双音叉素子10の基部14と、ダイヤフラム20の支持部22とに、金属ワイヤー41が跨って設けられていることとなる。
この結果、圧力センサー1は、受圧時において、相対的に見れば互いに殆ど変位しない双音叉素子10の基部14と、ダイヤフラム20の支持部22とに、金属ワイヤー41が跨って設けられていることから、金属ワイヤー41には、受圧時に曲げ、圧縮、引張りなどの応力が生じ難くなる。
したがって、圧力センサー1は、金属ワイヤー41の基部14及び支持部22との接続部分などにおける受圧時の応力に伴う経時的な劣化が抑制されることから、従来技術(例えば、特許文献1の圧力センサー)よりも信頼性を向上させることができる。
また、配線パターン25a,25bは、ダイヤフラム20の撓み領域である可撓部21の外縁に設けられている。これにより、圧力センサー1は、受圧時において当該外縁に撓みがほとんど生じないため、配線パターン25a,25bの受圧時のストレスによるダイヤフラム20からの剥離などの劣化が発生する虞はない。
したがって、圧力センサー1は、金属ワイヤー41と配線パターン25a,25bとで、電気的な接続を確実なものとすることができる。
したがって、圧力センサー1は、金属ワイヤー41の基部14及び支持部22との接続部分などにおける受圧時の応力に伴う経時的な劣化が抑制されることから、従来技術(例えば、特許文献1の圧力センサー)よりも信頼性を向上させることができる。
また、配線パターン25a,25bは、ダイヤフラム20の撓み領域である可撓部21の外縁に設けられている。これにより、圧力センサー1は、受圧時において当該外縁に撓みがほとんど生じないため、配線パターン25a,25bの受圧時のストレスによるダイヤフラム20からの剥離などの劣化が発生する虞はない。
したがって、圧力センサー1は、金属ワイヤー41と配線パターン25a,25bとで、電気的な接続を確実なものとすることができる。
また、圧力センサー1は、ダイヤフラム20の電極パッド24a,24bから延在され、ダイヤフラム20に設けられている配線パターン25a,25bを含むことから、双音叉素子10からの検出信号を、電極パッド24a,24b、配線パターン25a,25bを介して外部接続電極26a,26bから外部に出力することが可能となる。
また、圧力センサー1は、振動梁部13を励振し端子電極15a,15bと電気的に接続されている励振電極が、振動梁部13に配置されていることから、外部から加わる圧力に伴う振動梁部13の共振周波数の変化によって圧力を検出する構成が可能となる。
また、圧力センサー1は、双音叉素子10の感圧部が、2つの振動梁を有する振動梁部13で構成されていることから、圧力の変化を直線的に共振周波数の変化に変換することができる。
この結果、圧力センサー1は、他の感圧素子を用いる場合と比較して、圧力の検出精度が高い特性を有し、圧力センサー1の検出精度を向上させることができる。
なお、振動梁部13における振動梁の数は、圧力の検出に支障がない範囲で、1つまたは3つ以上としてもよい。
この結果、圧力センサー1は、他の感圧素子を用いる場合と比較して、圧力の検出精度が高い特性を有し、圧力センサー1の検出精度を向上させることができる。
なお、振動梁部13における振動梁の数は、圧力の検出に支障がない範囲で、1つまたは3つ以上としてもよい。
また、圧力センサー1は、双音叉素子10の一対の基部14がダイヤフラム20の一対の支持部22に直接接合されている場合には、この直接接合時に、例えば、クロム/金を用いてスパッタ法により形成された端子電極15a,15b及び電極パッド24a,24bが、他の接合方法の場合よりも高温になり難い。
この結果、圧力センサー1は、端子電極15a,15b及び電極パッド24a,24bのクロム成分が金成分中に拡散することを抑制できることから、例えば、ワイヤーボンディング法を用いた金属ワイヤー41による端子電極15a,15bと電極パッド24a,24bとの接続をより確実に行うことができる。
この結果、圧力センサー1は、端子電極15a,15b及び電極パッド24a,24bのクロム成分が金成分中に拡散することを抑制できることから、例えば、ワイヤーボンディング法を用いた金属ワイヤー41による端子電極15a,15bと電極パッド24a,24bとの接続をより確実に行うことができる。
また、圧力センサー1は、双音叉素子10及びダイヤフラム20が水晶基板を基材としていることから、双音叉素子10及びダイヤフラム20の線膨張率が略同一である。
このことから、圧力センサー1は、周囲の温度変化に伴う両者の伸縮が発生した際に、両者の伸縮の度合いが略同一であることにより、両者の伸縮の差に起因する応力(熱応力)の発生が殆どない。
これにより、圧力センサー1は、周囲の温度変化に起因する検出感度、検出精度などの圧力検出特性の変化を抑制できる。
このことから、圧力センサー1は、周囲の温度変化に伴う両者の伸縮が発生した際に、両者の伸縮の度合いが略同一であることにより、両者の伸縮の差に起因する応力(熱応力)の発生が殆どない。
これにより、圧力センサー1は、周囲の温度変化に起因する検出感度、検出精度などの圧力検出特性の変化を抑制できる。
また、圧力センサー1は、平面視において、金属ワイヤー41が双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向と交差する方向に沿って延びている。
圧力センサー1は、ダイヤフラム20の特性から双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向の方が、双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向と交差する方向よりも、双音叉素子10の基部14とダイヤフラム20の支持部22との変位差が大きくなる。
したがって、圧力センサー1は、金属ワイヤー41が双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向と交差する方向に沿って延びていることから、金属ワイヤー41が双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向に沿って延びている場合と比較して、受圧時に金属ワイヤー41に生じる応力を低減することができる。
なお、圧力センサー1は、受圧時に金属ワイヤー41に生じる応力が、信頼性に支障がない程度であれば、金属ワイヤー41が双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向に沿って延びている構成としてもよい。
圧力センサー1は、ダイヤフラム20の特性から双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向の方が、双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向と交差する方向よりも、双音叉素子10の基部14とダイヤフラム20の支持部22との変位差が大きくなる。
したがって、圧力センサー1は、金属ワイヤー41が双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向と交差する方向に沿って延びていることから、金属ワイヤー41が双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向に沿って延びている場合と比較して、受圧時に金属ワイヤー41に生じる応力を低減することができる。
なお、圧力センサー1は、受圧時に金属ワイヤー41に生じる応力が、信頼性に支障がない程度であれば、金属ワイヤー41が双音叉素子10の基部14同士を結んだ方向に沿って延びている構成としてもよい。
(変形例1)
ここで、第1実施形態の圧力センサー1の変形例1について説明する。
図4は、第1実施形態の変形例1の圧力センサーの概略構成を示す模式要部斜視図である。
ここで、第1実施形態の圧力センサー1の変形例1について説明する。
図4は、第1実施形態の変形例1の圧力センサーの概略構成を示す模式要部斜視図である。
図4に示すように、変形例1の圧力センサー2は、ダイヤフラム20の支持部22に双音叉素子10の基部14を搭載可能な段差部(凹部)22aが設けられている。
これによれば、圧力センサー2は、双音叉素子10の基部14に設けられている端子電極15a,15bと、ダイヤフラム20の支持部22に設けられている電極パッド24a,24bとの段差を少なくすることが可能となる。
この結果、圧力センサー2は、第1実施形態の効果に加えて、例えば、ワイヤーボンディング法を用いた金属ワイヤー41による端子電極15a,15bと電極パッド24a,24bとの接続を、容易且つ確実に行うことができる。
加えて、圧力センサー2は、一対の段差部22aによって双音叉素子10の位置決めをすることができる。
なお、上記支持部22の構成は、以下の実施形態及び変形例にも適用可能である。
これによれば、圧力センサー2は、双音叉素子10の基部14に設けられている端子電極15a,15bと、ダイヤフラム20の支持部22に設けられている電極パッド24a,24bとの段差を少なくすることが可能となる。
この結果、圧力センサー2は、第1実施形態の効果に加えて、例えば、ワイヤーボンディング法を用いた金属ワイヤー41による端子電極15a,15bと電極パッド24a,24bとの接続を、容易且つ確実に行うことができる。
加えて、圧力センサー2は、一対の段差部22aによって双音叉素子10の位置決めをすることができる。
なお、上記支持部22の構成は、以下の実施形態及び変形例にも適用可能である。
(変形例2)
図5は、第1実施形態の変形例2の圧力センサーの概略構成を示す模式斜視図である。
図5に示すように、変形例2の圧力センサー3は、感圧素子として厚みすべり振動モードで振動する略矩形状の圧電振動片110を用いている。圧電振動片110は、感圧部としての厚みすべり振動が励起される振動部113と、振動部113の両端に連結されている一対の基部114と、を備えている。
一対の基部114には、振動部113に配置され、振動部113を励振する励振電極116a,116bから引き出された端子電極115a,115bが設けられ、金属ワイヤー41により、ダイヤフラム20の支持部22の電極パッド24a,24bと電気的に接続されている。なお、本変形例では、圧電振動片110の基材に、ATカットの水晶基板が用いられている。
図5は、第1実施形態の変形例2の圧力センサーの概略構成を示す模式斜視図である。
図5に示すように、変形例2の圧力センサー3は、感圧素子として厚みすべり振動モードで振動する略矩形状の圧電振動片110を用いている。圧電振動片110は、感圧部としての厚みすべり振動が励起される振動部113と、振動部113の両端に連結されている一対の基部114と、を備えている。
一対の基部114には、振動部113に配置され、振動部113を励振する励振電極116a,116bから引き出された端子電極115a,115bが設けられ、金属ワイヤー41により、ダイヤフラム20の支持部22の電極パッド24a,24bと電気的に接続されている。なお、本変形例では、圧電振動片110の基材に、ATカットの水晶基板が用いられている。
圧力センサー3は、第1実施形態の圧力センサー1と同様に、外部から加わる圧力によりダイヤフラム20が撓み、圧電振動片110に引張力や圧縮力が加わり、圧電振動片110の共振周波数が変化することによって、圧力を検出する構成となっている。
圧力センサー3は、圧電振動片110の使用により、圧力センサー1よりも低コスト化を図ることが可能であり、比較的要求精度が低い市場向けとして用いることができる。
なお、感圧素子として圧電振動片110を用いる構成は、上記変形例1や、以下の実施形態及び変形例にも適用可能である。
圧力センサー3は、圧電振動片110の使用により、圧力センサー1よりも低コスト化を図ることが可能であり、比較的要求精度が低い市場向けとして用いることができる。
なお、感圧素子として圧電振動片110を用いる構成は、上記変形例1や、以下の実施形態及び変形例にも適用可能である。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態の圧力センサーについて説明する。
図6は、第2実施形態の圧力センサーの模式平断面図である。図6(a)は、基台側から見た模式平面図であり、図6(b)は、図6(a)のA−A線での模式断面図であり、図6(c)は、図6(a)のB−B線での模式断面図である。なお、第1実施形態との共通部分には、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
次に、第2実施形態の圧力センサーについて説明する。
図6は、第2実施形態の圧力センサーの模式平断面図である。図6(a)は、基台側から見た模式平面図であり、図6(b)は、図6(a)のA−A線での模式断面図であり、図6(c)は、図6(a)のB−B線での模式断面図である。なお、第1実施形態との共通部分には、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図6に示すように、第2実施形態の圧力センサー4は、双音叉素子10の端子電極15a,15bが、一方の基部14にまとめて設けられている。これに対応して、圧力センサー4は、ダイヤフラム20の電極パッド24a,24bが一方の支持部22にまとめて設けられている。
詳述すると、圧力センサー4は、図6(a)において、端子電極15aが一方の基部14の紙面下側に設けられ、端子電極15bが一方の基部14の紙面上側に設けられている。一方、電極パッド24aは、端子電極15aに対応して、一方の支持部22の紙面下側に設けられ、電極パッド24bは、端子電極15bに対応して、一方の支持部22の紙面上側に設けられている。
詳述すると、圧力センサー4は、図6(a)において、端子電極15aが一方の基部14の紙面下側に設けられ、端子電極15bが一方の基部14の紙面上側に設けられている。一方、電極パッド24aは、端子電極15aに対応して、一方の支持部22の紙面下側に設けられ、電極パッド24bは、端子電極15bに対応して、一方の支持部22の紙面上側に設けられている。
圧力センサー4は、上記電極パッド24a,24bの配置に伴い、外部接続電極26a,26bが、ダイヤフラム20における紙面右側の一方の端部にまとめて設けられ、電極パッド24a,24bから延在された配線パターン25a,25bを介して電極パッド24a,24bと電気的に接続されている。
これによれば、圧力センサー4は、第1実施形態の効果に加えて外部接続電極26a,26bが、ダイヤフラム20の一方の端部に設けられていることから、電子機器などの外部部材への実装に際して、実装スペースを一箇所にまとめることができる。
この結果、圧力センサー4は、電子機器などの外部部材へ効率的に実装することができる。
この結果、圧力センサー4は、電子機器などの外部部材へ効率的に実装することができる。
(変形例)
ここで、第2実施形態の圧力センサー4の変形例について説明する。
図7は、第2実施形態の変形例の圧力センサーの概略構成を示す模式要部斜視図である。
ここで、第2実施形態の圧力センサー4の変形例について説明する。
図7は、第2実施形態の変形例の圧力センサーの概略構成を示す模式要部斜視図である。
図7に示すように、変形例の圧力センサー5は、ダイヤフラム20の枠部23の外面側(外部側)に段差部23aが設けられ、この段差部23aに外部接続電極26a,26bが設けられている。
これによれば、圧力センサー5は、電子機器などの外部部材へ実装する際に、例えば、2点鎖線で示す金属ワイヤー42を用いる場合には、段差部23aがない場合と比較して、金属ワイヤー42を含めた実装高さを低くすることができる。
なお、この構成は、第1実施形態及び第1実施形態の各変形例にも適用可能である。
これによれば、圧力センサー5は、電子機器などの外部部材へ実装する際に、例えば、2点鎖線で示す金属ワイヤー42を用いる場合には、段差部23aがない場合と比較して、金属ワイヤー42を含めた実装高さを低くすることができる。
なお、この構成は、第1実施形態及び第1実施形態の各変形例にも適用可能である。
(電子機器)
上述した圧力センサー(1ないし5のいずれか)は、例えば、圧力計、気圧計、真空計、高度計、多機能電子時計、ゲーム機、ナビゲーション装置、ヘルスケアー用機器、車載用各種機器(例えば、燃焼ガス混合比調整器、タイヤ空気圧計測器など)、セキュリティー機器(例えば、室内の圧力変化によりドアの開閉を検知する機器など)などの電子機器(電子デバイスを含む)に好適に用いることができる。
これらの電子機器は、信頼性の高い圧力センサー(1ないし5のいずれか)を備えていることから、信頼性が高く優れた性能を発揮することができる。
上述した圧力センサー(1ないし5のいずれか)は、例えば、圧力計、気圧計、真空計、高度計、多機能電子時計、ゲーム機、ナビゲーション装置、ヘルスケアー用機器、車載用各種機器(例えば、燃焼ガス混合比調整器、タイヤ空気圧計測器など)、セキュリティー機器(例えば、室内の圧力変化によりドアの開閉を検知する機器など)などの電子機器(電子デバイスを含む)に好適に用いることができる。
これらの電子機器は、信頼性の高い圧力センサー(1ないし5のいずれか)を備えていることから、信頼性が高く優れた性能を発揮することができる。
図8は、上記電子機器(ヘルスケアー用機器)の一例としての特定保健指導用の活動量計を示す模式斜視図である。
活動量計200は、上述した圧力センサー(1ないし5のいずれか)を備え、測定対象となる装着者の腰などに装着され、装着者が動く(移動する)ことで、例えば、気圧の僅かな変化から平坦な道路と坂道との判別や、立位と座位との判別などが可能となることから、従来の歩数計測のみの活動量計と比較して、装着者の動作をより詳細に検出することができる。
この結果、活動量計200は、正確な強度(METs)算出により、装着者の活動量(消費エネルギー)をより正確に把握し、的確なメタボリック対策指導に資することができる。
活動量計200は、上述した圧力センサー(1ないし5のいずれか)を備え、測定対象となる装着者の腰などに装着され、装着者が動く(移動する)ことで、例えば、気圧の僅かな変化から平坦な道路と坂道との判別や、立位と座位との判別などが可能となることから、従来の歩数計測のみの活動量計と比較して、装着者の動作をより詳細に検出することができる。
この結果、活動量計200は、正確な強度(METs)算出により、装着者の活動量(消費エネルギー)をより正確に把握し、的確なメタボリック対策指導に資することができる。
なお、圧力センサー(1ないし5のいずれか)は、双音叉素子10、圧電振動片110などの感圧素子を駆動する発振回路、感圧素子の共振周波数の変化を圧力の変化に換算する演算回路などを更に備えた圧力センサーモジュールとして、これらの電子機器に備えられていてもよい。
なお、上記各実施形態及び各変形例においては、ダイヤフラム20に線膨張係数が水晶基板に近似するガラス基板、セラミック基板などを用いてもよい。
また、双音叉素子10及び圧電振動片110の基材は、水晶基板に限定されるものではなく、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)などの圧電性を有する基板、またはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)などの圧電膜が形成されたシリコン基板でもよい。
また、双音叉素子10及び圧電振動片110の基材は、水晶基板に限定されるものではなく、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)などの圧電性を有する基板、またはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)などの圧電膜が形成されたシリコン基板でもよい。
1,2,3,4,5…圧力センサー、10…感圧素子としての双音叉素子、13…感圧部としての振動梁部、14…基部、14a…主面、15a,15b…端子電極、20…ダイヤフラム、21…可撓部、21a…一方の主面、21b…他方の主面、22…支持部、22a…段差部、23…枠部、23a…段差部、24a,24b…電極パッド、25a,25b…配線パターン、26a,26b…外部接続電極、30…基台、31…凹部、32…外周枠部、33…封止部、34…貫通孔、35…封止材、40…低融点ガラス、41,42…金属ワイヤー、50…搭載面、110…感圧素子としての圧電振動片、113…感圧部としての振動部、114…基部、115a,115b…端子電極、116a,116b…励振電極、141…金属ワイヤー、200…電子機器としての活動量計。
Claims (8)
- 感圧部、前記感圧部の両端に連結されている一対の基部、及び前記一対の基部の少なくとも一方に設けられている端子電極、を有する感圧素子と、
可撓性を有する可撓部、前記可撓部の一方の主面から突出して設けられ、前記感圧素子の前記基部が固定されている一対の支持部、及び前記一対の支持部の少なくとも一方に設けられている電極パッド、を有するダイヤフラムと、
を含み、
前記端子電極と前記電極パッドとが、金属ワイヤーによって互いに電気的に接続されていることを特徴とする圧力センサー。 - 請求項1において、
前記電極パッドから延在され、前記ダイヤフラムに設けられている配線パターンを含むことを特徴とする圧力センサー。 - 請求項1または2において、
前記感圧部には、前記感圧部を励振し、前記端子電極と電気的に接続されている励振電極が配置されていることを特徴とする圧力センサー。 - 請求項1ないし3のいずれか一項において、
前記感圧素子の前記基部は、前記ダイヤフラムの前記支持部に直接接合されていることを特徴とする圧力センサー。 - 請求項1ないし4のいずれか一項において、
前記金属ワイヤーは、平面視で、前記感圧素子の前記基部同士を結んだ方向と交差する方向に沿って延びていることを特徴とする圧力センサー。 - 請求項1ないし5のいずれか一項において、
前記ダイヤフラムの前記支持部には、前記感圧素子の前記基部を搭載可能な段差部が設けられていることを特徴とする圧力センサー。 - 請求項1ないし6のいずれか一項において、
前記感圧部は、少なくとも1つ以上の振動梁を有していることを特徴とする圧力センサー。 - 請求項1ないし7のいずれか一項に記載の圧力センサーを備えていることを特徴とする電子機器。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015141107A (ja) * | 2014-01-29 | 2015-08-03 | セイコーエプソン株式会社 | 物理量センサー、物理量センサーの製造方法、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体 |
-
2012
- 2012-04-06 JP JP2012087121A patent/JP2013217719A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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