JP2020201134A - Elastic surface wave sensor and measurement system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、弾性表面波(Surface Acoustic Wave:SAW)素子を用いた弾性表面波センサおよびそれを用いた計測システムに関する。 The present invention relates to a surface acoustic wave sensor using a surface acoustic wave (SAW) element and a measurement system using the same.
弾性表面波を発生させることができるSAW素子は、温度、圧力、応力等の物理量の変化を検出するセンサとして利用することができる。この種のSAW素子は、圧電基板上に弾性表面波を励振するための櫛形電極(IDT:Interdigital Transducer)が形成されており、SAW素子が設置されている周囲環境の物理量に応じて弾性表面波の共振周波数や反射信号、遅延時間が変化することを利用し、周囲環境の物理量の変化を応答信号の変化としてセンシングしている。 A SAW element capable of generating surface acoustic waves can be used as a sensor for detecting changes in physical quantities such as temperature, pressure, and stress. In this type of SAW element, a surface acoustic wave (IDT) for exciting an elastic surface wave is formed on a piezoelectric substrate, and the surface acoustic wave depends on the physical quantity of the surrounding environment in which the SAW element is installed. The change in the physical quantity of the surrounding environment is sensed as the change in the response signal by utilizing the change in the resonance frequency, the reflected signal, and the delay time.
例えば特許文献1には、−55℃〜150℃の温度範囲で精度良くセンシングできるSAW温度センサが開示されている。この種の温度センサを測定対象に接触させる形態は、測定対象に載置したり、センサと測定対象の接合面に凹凸を形成して嵌合する構成とする例が特許文献2に開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a SAW temperature sensor capable of accurately sensing in a temperature range of −55 ° C. to 150 ° C. Patent Document 2 discloses an example in which a form in which this type of temperature sensor is brought into contact with a measurement target is placed on the measurement target or the joint surface between the sensor and the measurement target is fitted with irregularities. There is.
またSAW素子は、専用の電源を必要とせず、アンテナから受信した電力のみで動作可能で、パッシブ型のワイヤレスセンサとして利用されている。無給電ワイヤレスセンサとそれを用いた計測システムは、特許文献3に開示されている。 Further, the SAW element does not require a dedicated power supply and can operate only with the electric power received from the antenna, and is used as a passive wireless sensor. A non-powered wireless sensor and a measurement system using the sensor are disclosed in Patent Document 3.
弾性表面波センサは無給電ワイヤレスセンサであり、電源配線等を必要としないことから設置場所を選ばないセンサとして利用の拡大が期待されている。しかしながら現状は、利用拡大が進んでいるとは言い難い。利用が拡大しない理由の一つは、ワイヤレスセンサとしての利点を生かせる設置場所が大きく振動する場所や高温の場所などで、従来の弾性表面波センサの構造では長期間の使用に耐えられなかったためである。そこで本発明は、大きな振動が発生する場所や高温の場所等での使用に耐えることができる弾性表面波センサおよびそれを用いた計測システムを提供することを目的とする。 The surface acoustic wave sensor is a non-feeding wireless sensor, and since it does not require power supply wiring or the like, it is expected to be widely used as a sensor that can be installed anywhere. However, at present, it cannot be said that the usage is expanding. One of the reasons why the use does not expand is that the installation place where the advantage as a wireless sensor can be utilized is a place where the installation place vibrates greatly or a place with high temperature, and the structure of the conventional surface acoustic wave sensor cannot withstand long-term use. is there. Therefore, an object of the present invention is to provide a surface acoustic wave sensor capable of withstanding use in a place where a large vibration is generated, a place where a high temperature is generated, and the like, and a measurement system using the same.
上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、検知素子としてSAW素子を備えた弾性表面波センサにおいて、前記SAW素子は、本体部と蓋部とで構成された無機材料からなるパッケージの前記本体部に一方の端部側のみ接合して実装されていることと、前記パッケージは、取付部材に接合していることと、前記SAW素子と前記本体部との接合、前記本体部と前記蓋部との接合、および前記本体部と前記取付部材との接合が、焼結層を介した接合であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present application is a surface acoustic wave sensor provided with a SAW element as a detection element, wherein the SAW element is a package made of an inorganic material composed of a main body portion and a lid portion. The package is mounted on the main body by joining only one end side, the package is joined to the mounting member, the SAW element and the main body are joined, and the main body and the main body are joined. The joining with the lid portion and the joining between the main body portion and the mounting member are characterized by joining through a sintered layer.
本願請求項2に係る発明は、請求項1記載の弾性表面波センサにおいて、前記取付部材は、変形して設置位置に密着接合する取付部を有することを特徴とする。 The invention according to claim 2 of the present application is characterized in that, in the surface acoustic wave sensor according to claim 1, the mounting member has a mounting portion that is deformed and tightly joined to the mounting position.
本願請求項3に係る発明は、電気信号を出力する送信機と、該送信機から送信された電気信号を受信し、応答信号を出力する弾性表面波センサと、該弾性表面波センサから出力される応答信号を受信する受信機とを備えた計測システムにおいて、前記弾性表面波センサは、検知素子としてSAW素子を備え、該SAW素子は、本体部と蓋部とで構成された無機材料からなるパッケージの前記本体部に一方の端部側のみ接合して実装されていることと、前記パッケージは、取付部材に接合していることと、前記SAW素子と前記本体部との接合、前記本体部と蓋部との接合、および前記本体部と前記取付部材との接合が、焼結層を介した接合であることを特徴とする。 The invention according to claim 3 of the present application is a transmitter that outputs an electric signal, a surface acoustic wave sensor that receives an electric signal transmitted from the transmitter and outputs a response signal, and a surface acoustic wave sensor that is output from the surface acoustic wave sensor. In a measurement system including a receiver that receives a response signal, the surface acoustic wave sensor includes a SAW element as a detection element, and the SAW element is made of an inorganic material composed of a main body and a lid. It is mounted by joining only one end side to the main body of the package, the package is joined to the mounting member, the SAW element and the main body are joined, and the main body is joined. The joint between the lid and the lid and the main body and the mounting member are joined via a sintered layer.
本発明の弾性表面波センサは、SAW素子とパッケージの本体部との接合、パッケージの本体部と蓋部との接合、パッケージの本体部と取付部材との接合を、いずれも焼結層を介した接合とすることで、相互に強固な接合を形成することを可能とした。その結果、大きな振動が発生している場所に設置することが可能となる。さらに、従来より高温領域でもセンシングが可能となり、利用の拡大が期待できる。 In the surface acoustic wave sensor of the present invention, the SAW element and the main body of the package are joined, the main body of the package and the lid are joined, and the main body of the package and the mounting member are joined via a sintered layer. It was possible to form a strong bond with each other by making the bond. As a result, it can be installed in a place where a large vibration is generated. Furthermore, sensing is possible even in a higher temperature region than before, and it is expected that the use will expand.
また本発明の弾性表面波センサは、パッケージに取付部材を接合し、この取付部材に変形可能な取付部を備える構成とすることで、設置場所に密着させ、あるいは確実に接合することを可能とした。このような取付部材を備える構成によっても設置位置の制約を緩和することが可能となり、利用の拡大が期待できる。 Further, the surface acoustic wave sensor of the present invention has a structure in which a mounting member is joined to a package and the mounting member is provided with a deformable mounting portion, so that the mounting member can be brought into close contact with the installation location or can be securely joined. did. It is possible to relax the restrictions on the installation position even with the configuration provided with such a mounting member, and it is expected that the use will be expanded.
特に取付部を変形可能とし、設置位置に密着させることができるので、設置場所から取付部を介して熱が効果的に伝導し、温度センサとしての利用が期待できる。 In particular, since the mounting portion can be deformed and can be brought into close contact with the installation position, heat is effectively conducted from the mounting location through the mounting portion, and it can be expected to be used as a temperature sensor.
本発明の弾性表面波センサを用いた計測システムは、無給電の計測システムを構成することができるので、給電のための配線が不要となり、常に動いている場所や振動の大きな場所、温度の高い場所への設置が可能となり、センサの設置場所を選ばない計測システムとして利用の拡大が期待できる。 Since the measurement system using the surface acoustic wave sensor of the present invention can be configured as a non-power supply measurement system, wiring for power supply is not required, and the place is constantly moving, has a large vibration, and has a high temperature. It can be installed in any place, and it can be expected to be widely used as a measurement system that can be installed anywhere.
本発明の弾性表面波センサおよびそれを用いた計測システムは、検知素子であるSAW素子を無機材料のパッケージに実装し、SAW素子とパッケージの本体部とを、パッケージの本体部と蓋部とを、さらにパッケージの本体部と取付部材とを焼結層を介した接合としている。このように構成することで、振動の大きい場所や、高温となる場所でのセンシングが可能となる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。 In the surface acoustic wave sensor of the present invention and the measurement system using the same, the SAW element, which is a detection element, is mounted on a package made of an inorganic material, and the SAW element and the main body of the package are separated from each other. Furthermore, the main body of the package and the mounting member are joined via a sintered layer. With this configuration, sensing can be performed in a place with large vibration or a place with high temperature. Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail.
本発明の第1の実施例について、弾性表面波センサとして温度センサを構成した場合を例にとり詳細に説明する。まず、SAW素子を用意する。図1は、本発明の温度センサに利用可能なSAW素子10Aを模式的に示している。図1に示すように、SAW素子10Aは、水晶、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などからなる圧電基板1上に、第1の櫛形電極2aと第2の櫛形電極2bが形成されている。第1の櫛形電極2aに接続する第1の引出電極3aと、第2の櫛形電極2bに接続する第2の引出電極3bは、圧電基板1の一方の端部側に配置する。圧電基板1の他方の端部側には、反射器4が配置されている。なお、第1および第2の引出電極3a、3bを圧電基板1の一方の端部側に配置することを除けば、櫛形電極や反射器の形状、配置等は適宜変更することが可能である。
A first embodiment of the present invention will be described in detail by taking a case where a temperature sensor is configured as a surface acoustic wave sensor as an example. First, a SAW element is prepared. FIG. 1 schematically shows a
SAW素子10Aは、パッケージ内に実装される。このパッケージは、金属、ガラス、セラミック等焼結層による接合が可能な無機材料で形成することができる。特に耐熱性、耐久性、加工性の観点から、汎用的にはセラミックパッケージが選択できる。例えばセラミックパッケージは、SAW素子を搭載する本体部と蓋部とで構成することができる。
The
図2および図3に、セラミックパッケージ内に図1で説明したSAW素子10Aを実装した弾性表面波センサ20Aを示す。図2はセラミックパッケージの蓋部6を接合しない状態の平面図を、図3は蓋部6を接合した状態の断面図をそれぞれ示す。図2に示すようにパッケージの本体部5上にSAW素子10Aが実装される。ここで図3に示すようにSAW素子10Aは、その一端部側だけが接合材7に接触して本体部5と接合する片持ち梁構造で実装されている。図3に示す例では、パッケージの本体部5の底部の一部を高くするように段差を付け、この段差により接合材7を堰き止め、比較的高さの高い接合材7を形成している。接合材7とパッケージの本体部5との接着性を向上させるため本体部5の表面(底面)に選択的に金属膜を形成しておいても良い。なお、段差の形成は必ずしも必須ではなく、接合材7が所望の場所に形成できれば、種々変更可能である。
2 and 3 show a surface
図3に示すようにSAW素子10Aの一方の端部側の接合材7とSAW素子10Aとの接合部上に、SAW素子10Aの第1の引出電極3aおよび第2の引出電極3bを配置することで、第1の引出電極3aおよび第2の引出電極3bは、ワイヤ8によりパッケージ側電極9と接続することが可能となる。
As shown in FIG. 3, the
このようなワイヤ8による接続を形成するためには、接合材7としてかたい接合層を形成する材料を選択するのが好ましい。例えば、金、銅、銀のような金属微粒子を含有する金属粉焼結ペーストを用いて、接合層として焼結層を形成するのが好ましい。300℃程度の高温領域の温度センサとして使用する場合には、金属微粒子の含有量が70wt%以上、好ましくは85wt%含み、その他の成分である有機物の量が少ない金属粉焼結ペーストを選択し、焼結層とするのが好ましい。これは、金属微粒子の含有量が70wt%未満となると有機物の含有量が多くなり、300℃程度の高温での長期信頼性が低下するおそれがあるからである。
In order to form such a connection by the
なお金属粉焼結ペーストは、窒素または大気雰囲気下で加熱処理されることにより金属粒子が融着し焼結が進行し、生成した焼結層により接合を形成するものである。 In the metal powder sintered paste, metal particles are fused by heat treatment in nitrogen or an air atmosphere, and sintering proceeds, and a bond is formed by the generated sintered layer.
パッケージ側電極9は、図示しない貫通孔等によりパーケージの外部に形成される外部電極と接続する構造としている。このパッケージの外部電極は、後述する計測システムを構成する際、所望の電位を接続したり、電気信号を送受信するためのアンテナを接続することになる。
The
パッケージの本体部5は、蓋部6と接合して密閉される。ここで、本体部5と蓋部6との接合も本体部5とSAW素子10Aとの接合に使用した接合材7を用いることができる。先に説明したように、高温での長期信頼性を確保するためである。接着性を向上させるため、それぞれの接合部の表面には、選択的に金属膜を形成しておいても良い。
The
このように形成した弾性表面波センサ20Aを所望の設置位置に固定するため、パッケージに取付部材30Aを接合する。図4は、図2に示した蓋部を外した状態の弾性表面波センサ20Aを取付部材30Aに接合した平面図を示す。取付部材30Aは、弾性表面波センサ20Aを接合する搭載部31と、設置位置に固定するための取付部32を備えている。図4に示す例では、取付部32には固定のためのねじ等を取り付ける貫通孔33が形成されている。
In order to fix the surface
図5は、図3に示す蓋部をつけた状態の弾性表面波センサ20Aを取付部材30Aに接合した断面図を示す。弾性表面波センサ20Aの底面が接合材7を介して取付部材30Aに接合している。この接合材7も、パッケージの本体部と蓋部との接合、本体部とSAW素子との接合に使用した接合材7を用いることができる。先に説明したように、高温での長期信頼性を確保するためである。それぞれの接合部の表面には、選択的に金属膜を形成しておいても良い。パッケージの本体部5と蓋部6との接合と、本体部5と取付部材30Aとの接合のため、焼結層を形成する工程は同時に行うことも可能である。
FIG. 5 shows a cross-sectional view in which the surface
取付部材30Aを金属板で形成すると、熱伝導性が良く好ましい。また、弾性表面波センサ20Aを接合した状態では、セラミックパッケージに接合した搭載部31は変形しないものの、取付部32は変形可能となる。取付部32を変形可能とすることは、後述する計測システムを構成する際、測定位置に密着させて取り付けることができ好適である。
It is preferable that the mounting
取付部材30Aを構成する金属板は、例えば通常の半導体装置の製造工程で使用されるリードフレームを用いることができる。リードフレームを用いると、複数の取付部材30Aの集合体上に、弾性表面波センサ20Aを実装し、その後リードフレームを切断して個片化することで、取付部材30Aが接合した弾性表面波センサ20Aを簡便に形成することができる。
As the metal plate constituting the mounting
このような構造の本実施例の弾性表面波センサ20Aは、SAW素子10Aがパッケージ内に確実に接着、実装され、動きのある設置位置、あるいは振動の大きな設置場所での使用が可能となる。また、300℃程度の比較的高温領域でも使用が可能となり、従来の温度センサより高温領域のセンシングが可能となる。具体的な計測システムについては、第2の実施例として以下に詳述する。
In the surface
次に、本発明の第2の実施例について、ワイヤレスの温度センサとして使用可能な計測システムを構成した場合を例にとり詳細に説明する。図6は、本実施例の計測システムの概略説明図である。上記第1の実施例で説明した取付部材30Aを接合した弾性表面波センサ20Aを被測定物の所定の設置位置に取り付ける。この取付けは、図4で説明した貫通孔33内にネジ等を貫入させ、被測定物表面に固定すれば良い。被測定物が、例えば配管やエンジン等の場合、その表面は平坦でない場合が多い。その際には、取付部32を変形させることで、少なくとも取付部32は、被測定物の表面に沿うように取り付けるようにする。
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail by taking as an example a case where a measurement system that can be used as a wireless temperature sensor is configured. FIG. 6 is a schematic explanatory view of the measurement system of this embodiment. The surface
弾性表面波センサ20Aの一対の櫛形電極のうち第1の櫛形電極2aにアンテナ61aを接続する。その場合、第2の櫛形電極2bには接地電位が接続する。逆の接続でも良い。被測定物から離れた位置には、送受信機40Aを配置する。送受信機40Aにもアンテナ61bが接続されている。送受信機40Aと弾性表面波センサ20Aとの間のワイヤレス通信は通常のSAW素子を用いた通信と同様となる。
The
即ち、送受信機40Aのアンテナ61bから電気信号を送信する。この電気信号はアンテナ61aが受信し、一対の櫛形電極によって表面弾性波に変換される。この表面弾性波は、圧電基板1上を伝搬し、反射器4で櫛形電極に向かって反射する。櫛形電極に伝搬した表面弾性波は、応答信号に変換される。この応答信号はアンテナ61aから送信され、アンテナ61bで受信された応答信号は送受信機40Aで信号処理され、被測定物の温度が検知される。
That is, an electric signal is transmitted from the
図7は、送信信号と応答信号の位相差から被測定物の温度を検知する例を示している。図7に示すように、25℃から280℃程度の広い温度範囲で、温度検知が可能となる結果が得られている。 FIG. 7 shows an example of detecting the temperature of the object to be measured from the phase difference between the transmission signal and the response signal. As shown in FIG. 7, the result that the temperature can be detected in a wide temperature range of about 25 ° C. to 280 ° C. has been obtained.
このような構成の本実施例の計測システムは、SAW素子10Aがパッケージ内に確実に接合し、このパッケージが接合部材30Aに確実に接続し、さらに接合部材30Aが被測定物に確実に接合するため、動きのある設置場所、あるいは振動の大きな設置場所での使用が可能となる。また、300℃程度の比較的高温領域でも使用が可能となり、従来の温度センサより高温領域のセンシングが可能となる。
In the measurement system of this embodiment having such a configuration, the
以上本発明の実施例について説明したが、本発明の弾性表面波センサは温度センサに限定されるものではなく、圧力等の物理量センサに適用可能である。また上記実施例では、接合材7を同一の金属粉焼結ペーストを用いて焼結層を形成する旨説明したが、確実な接合が形成可能な範囲で、異なる種類の焼結層により接合を形成してもよい。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the surface acoustic wave sensor of the present invention is not limited to the temperature sensor, and can be applied to a physical quantity sensor such as pressure. Further, in the above embodiment, it has been described that the
本発明の弾性表面波センサを製造する際、取付部材30Aとパッケージの本体部5との接合は、SAW素子1を接合する前のパッケージの本体部5を取付部材30A(リードフレーム)に接合しても良い。
When manufacturing the surface acoustic wave sensor of the present invention, the mounting
1: 圧電基板、2a:第1の櫛形電極、2b:第2の櫛形電極、3a:第1の引出電極、3b:第2の引出電極、4:反射器、5:本体部、6:蓋部、7:接合材、8:ワイヤ、9:パッケージ側電極、31:搭載部、32:取付部、33:貫通孔、61:アンテナ、10A:SAW素子、20A:弾性表面波センサ、30A:取付部材、40A:送受信機 1: Piezoelectric substrate, 2a: First comb-shaped electrode, 2b: Second comb-shaped electrode, 3a: First lead-out electrode, 3b: Second pull-out electrode, 4: Reflector, 5: Main body, 6: Lid Part, 7: Bonding material, 8: Wire, 9: Package side electrode, 31: Mounting part, 32: Mounting part, 33: Through hole, 61: Antenna, 10A: SAW element, 20A: Surface acoustic wave sensor, 30A: Mounting member, 40A: Transmitter / receiver
Claims (3)
前記SAW素子は、本体部と蓋部とで構成された無機材料からなるパッケージの前記本体部に一方の端部側のみ接合して実装されていることと、
前記パッケージは、取付部材に接合していることと、
前記SAW素子と前記本体部との接合、前記本体部と前記蓋部との接合、および前記本体部と前記取付部材との接合が、焼結層を介した接合であることを特徴とする弾性表面波センサ。 In a surface acoustic wave sensor equipped with a SAW element as a detection element,
The SAW element is mounted on the main body of a package made of an inorganic material composed of a main body and a lid by joining only one end side.
The package must be joined to the mounting member and
Elasticity characterized in that the joining between the SAW element and the main body, the joining between the main body and the lid, and the joining between the main body and the mounting member are through a sintered layer. Surface wave sensor.
前記取付部材は、変形して設置位置に密着接合する取付部を有することを特徴とする弾性表面波センサ。 In the surface acoustic wave sensor according to claim 1,
The surface acoustic wave sensor is characterized in that the mounting member has a mounting portion that is deformed and closely joined to the installation position.
前記弾性表面波センサは、検知素子としてSAW素子を備え、該SAW素子は、本体部と蓋部とで構成された無機材料からなるパッケージの前記本体部に一方の端部側のみ接合して実装されていることと、
前記パッケージは、取付部材に接合していることと、
前記SAW素子と前記本体部との接合、前記本体部と蓋部との接合、および前記本体部と前記取付部材との接合が、焼結層を介した接合であることを特徴とする計測システム。 A transmitter that outputs an electric signal, an elastic surface wave sensor that receives an electric signal transmitted from the transmitter and outputs a response signal, and a receiver that receives a response signal output from the elastic surface wave sensor. In the measurement system equipped with
The surface acoustic wave sensor includes a SAW element as a detection element, and the SAW element is mounted by joining only one end side to the main body of a package made of an inorganic material composed of a main body and a lid. What has been done and
The package must be joined to the mounting member and
A measurement system characterized in that the joining between the SAW element and the main body, the joining between the main body and the lid, and the joining between the main body and the mounting member are through a sintered layer. ..
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