JPS61288132A - 水晶温度計 - Google Patents

水晶温度計

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JPS61288132A
JPS61288132A JP60131091A JP13109185A JPS61288132A JP S61288132 A JPS61288132 A JP S61288132A JP 60131091 A JP60131091 A JP 60131091A JP 13109185 A JP13109185 A JP 13109185A JP S61288132 A JPS61288132 A JP S61288132A
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敏嗣 植田
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幸坂　扶佐夫
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/32—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using change of resonant frequency of a crystal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は水晶振動子を測温素子として用い、その振動周
波数を検出することにより温度を測定すろ水晶温度計に
関する。
〈従来の技術〉 水晶は結晶異方性を有しているので、切出し角を適当に
選択することにより、温度係数を零にすることもでき、
また、逆に温度係数を大きくすることもできる。この温
度係数の大きな水晶振動子を８１１１素子として用いた
ものが水晶温度計で、高分解能、高安定性を有している
。
〈発明が解決しようとする問題点〉 水晶温度計を製作する場合は、水晶から振動子を切出す
角度によってエツチングによる加工の容易性や温度特性
が大幅に異なるので、温度計としての最適条件を設定す
る必要がある。
く問題点を解決するための手段〉 本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、測温素子
としての水晶振動子の切出し角と形状について検討し、
エツチングによる加工が簡単で、大きい周波数温度係数
をもった水晶温度計を提供することを目的とするもので
、その構成上の特徴は、水晶振動子の温度による共振周
波数の変化から周囲温度を８１則する水晶温度計におい
て、Ｘ軸に対する回転角が一３０°〜−７０°の範囲か
ら厚さ０．０２〜０．　２ｍｍの水晶ウェハを切出し、
前記水晶ウェハの平面上における面内回転角がＺ′軸に
対して一１５°〜＋１５°の範囲にフォトリングラフィ
の技術と水晶の異方性エツチング技術を利用して音叉振
動子、屈曲振動子、１ｆｆｌ振動子のいずれかを形成し
たものである。
〈実施例〉 第１図は本発明の一実施例を示すもので、水晶から水晶
ウェハを切出す位置およびその水晶ウェハ上における振
動子の２′軸に対する回転角を示している。第１図にお
いて、Ｘ、Ｙ、Ｚは水晶の結晶軸である。１０は振動子
が形成される水晶ウェハであり、Ｘ軸に対してφ回転し
た位置にある。
このときの水晶ウェハの座標系をｘ、ｙ−、ｚ”と定義
する。１１はその水晶ウェハ１０上でＺ′軸に対する面
内回転角がψ回転した振動子の状態を示している。
第２図は第１図における水晶ウェハ１０をＸ１１１１１
に対してφ回転して切出した場合、８０℃の重弗化アン
モニウム（Ｎ８４　Ｆ−ＨＦ）飽和水溶液に対するエツ
チング速度と、面内回転角ψ−０°の振動子の一次の周
波数温度係数（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　Ｃｏｅｆｆ
ｉｃｉｅｎｔ　　ｏｆ　　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ・・・以
下、ＴＣＰという）の絶対値を角度φをパラメータとし
て極座標表示したものである。
図において、曲線Ａは一時間当たりのエツチング速度の
実験値＊をスプライン関数で結んだものを表わしく単位
μｍ／Ｈ）、曲線Ｂは一次ＴＣＦの計痺値（Ｏ印は実験
値）の絶対値（単位ｐｐｍ／１＜）を表わしている。
振動子を温度センサとして利用する場合、エツチング速
度が大きく加工が容易で、しかも−次ＴＣＦが大きく温
度センサとして充分な感度を持つことが必要である。こ
のような条件を満たすのは図によれば、φ−−３０”〜
−７０６の範囲である。更に、水晶ウェハをフォトリソ
グラフィと異方性エツチングによって加工する際には、
水晶ウェハが厚すぎると異方性エツチングによる加工が
不可能になるために実際上は０．２ｍｍが厚さの上限で
ある。また、水晶ウェハが博すぎると加工の際の取扱が
困難となる為に０．０２ｍｍが厚さの下限となる。
本発明ではこの範囲で切出した水晶ウェハを使用する。
水晶は圧電性を有するので振動子の表面に励振用の？４
極を例えばＡＵ、Ｏｒ簿躾パターンで形成するだけで発
振が可能であるが、圧電性にも異方性があるので励振を
容易に行うための条件を決める必要がある。この励振し
易さはＣＩ値（Ｃｒｙｓｔａｌ　　（ｍｐｅａｄａｎｃ
ｅ＝等価直列抵抗）で示され、切出し角φと切出した水
晶ウェハ上の面内回転角ψに依存し、ＣＩ値が小さいほ
ど振動子を励振しやすくなる。
第３図は切出し角φ＝−４０，２３°で切出した水晶ウ
ェハ上でＺ′軸に対する面内回転角ψをパラメータとし
、振動子のＣＩ値−一次ＴＣＰを極座標表示したもので
ある。
図において、曲線ＣはＣＩ値の計算値（＊印は実験値）
の逆数を表わしく単位μＳ）、曲線りは一次ＴＣＰの計
算値（Ｏ印は実験値）の絶対値を表わしている（単位１
）　ｐｍ／Ｋ　）。
図によれば、ｃｒｍが小さくて振動子を励振しやすく、
しかも−次ＴＣＰの絶対値が大きい値を示し温度計とし
ての感度が大きいのは面内回転角ψがＯ°近傍であるこ
とがわかる。
本発明ではこの面内回転角ψが一１５°〜＋１５°の範
囲でフォトリソグラフィとエツチングの技術により振動
子を加工する。
第４図はこのようにして製作した振動子に△Ｕ。
Ｃｕａ膜の励振用の電極を形成し、この振動子を真空状
態の容器に収納して励振させ、その状態における振動子
の時定数とＱのｆＩｍを１００％とし、この容器に不活
性ガス（この例ではＨｅガス）を徐々に封入していった
場合のＨｅガスの圧力と振動子の時定数とＱの関係を示
す図である。図では縦軸に時定数とＱを％で示し、横軸
に不活性ガスの圧力（Ｔｏ　ｒ　ｒ　）を対数目盛りで
示している。
図中、時定数を実線で、Ｑを点線で示す。
第４図によれば、不活性ガスの圧力が高くなると時定数
は短くなって熱応答が向上するが、周波数の安定度を示
すＱが下がってくることがわかる。
従って容器に封入する不活性ガスの圧力は適切に選ぶ必
要がある。
本発明では不活性ガスの圧力を０．０１〜１０７ｏｒｒ
の範囲で用いる。
第５図は第１図に示す音叉振動子１１の具体的寸法例を
示すもので、 Ｘ輪に対する切出し角ニー４０．２３゜Ｙ軸に対する回
転角　：Ｏ。
板厚　　　　　　　　：０．０７ｍｍ 全長　　　　　　　Ｂ　：　４．８ｍｍ。
音叉の切込み長さ　Ｄ：２．３ｒｎｍ 切込みの幅　　　　Ｅ：０．１１ｍｍ 音叉部の幅　　　　Ｄ：０．６３ｍｍ として製作した。
第６図は上記音叉振動子にくびれを設けた他の具体的実
施例を示すもので、この音叉振動子１２はくびれ２によ
り音叉部分３と二股状の固定端４に分かれている。
各部の寸法は次のとおりである。
全長　　　　　　　Ａ：６．Ｏｍｍ 音叉部３の長さ　　Ｂ：４．８ｍｍ 音叉部の幅　　　　Ｄ：０．６３ｍｍ 音叉の切込み長さ　Ｄ：２，３ｍｍ 切込みの幅　　　　Ｅ：０．１１ｍｍ クヒレ部２の幅　　Ｈ：０，２ｍｍ 固定端４の幅　　　［：１．７ｍｍ 固定端４の高さ　　Ｇ：１．０ｍｍ 上記振動子１２において、くびれ２は振動子１２の固定
端４の歪み、特に温度を与えた時に固定端４の水晶の線
膨張係数と固定端を接着する物質の線膨張係数の差によ
って生じる歪みが音叉３の部分に伝わって音叉の共振周
波数が変化するのを防ぐ為のものである。その結果温度
サイクルをかけることによって生じるヒステリシスを低
減することができる。
なお、振動子は上記寸法に限ることなく各種変形が可能
である。
第７図（イ）、（ロ）、（ハ）は音叉にくびれを設けな
い場合と音叉部３の幅の５０％のくびれを設けた場合に
おいて、固定端４の両側に圧縮力を加えた場合、音叉の
二股部Ｍ−Ｎ断面に生じる応力を有限要素法で計算し、
主応力σｘｘ、σｙｙの値をプロットしたものである。
図において、（イ）は音叉の固定端に矢印方向から圧力
を加えた状態を示す図、（ロ）、（ハ）は断面Ｍ−Ｎに
おける主応力σｘｘおよびσｙｙの関係を示すもので曲
線Ｅはくびれがない場合、曲線Ｆはくびれを設けた場合
の状態を示している。図によれば、くびれを設けた場合
は最大応力が１／４以下に減少していることが分る。
くびれは細いほど音叉部への固定端の影響が小さくなる
が、゛半面機械的強度が減少する。
本発明ではくびれの幅を音叉部の幅の１０〜５０％とし
たものを使用する。
なお、振動子の特性は音叉振動子以外の形状に加工して
も全く同じ事実があてはまり、第８図に示すように水晶
ウェハ１０の一部を取り除いて矩形状の板を形成し１、
この矩形状の板を相対する４箇所で支持して屈曲振動子
１４を形成してもよく、また、第９図に示すように水晶
ウェハ１０の一部を取り除いて矩形状の板を形成し、相
対する側の２箇所を支持して縦振動子１３を形成しても
よい。
このような形状によれば振動子を固定する場合、固定部
の歪みによる影響を減少させることができる。
〈発明の効果〉 以上、実施例とともに具体的に説明したように本発明に
よれば、エツチングによる加工が簡単で、大きい一次Ｔ
ＣＰをもった水晶温度計を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示すもので、水晶から水晶
ウェハを切出す位置およびその水晶ウェハ上における振
動子のＺ′軸に対する回転角を示す図、第２図は水晶ウ
ェハの切出し角に対するエツチングレートと一次ＴＣＰ
の関係を示す図、第３図は切出し角φ＝−４０，２３°
で切出した水晶ウェハ上で２′軸に対する面内回転角ψ
を変化させた場合のＣＩ値と一次ＴＣＰの関係を示す図
、第４図はＨｅガスを封入した容器内における振動子の
時定数とＱの関係を示す図、第５図は音叉振動子の具体
的寸法を示す図、第６図はくびれ部を設【プた音叉振動
子の具体的寸法を示す図、第７図（イ）、（ロ）、（ハ
）は音叉にくびれを設けない場合と音叉部の幅の５０％
のくびれを設けた場合において、固定端の両側に圧縮力
を加えた場合、音叉の二股部Ｍ−Ｎ断面に生じる応力を
示す図、第８図は屈曲振動子の他の形状を示す図、第９
図は縦振動子として形成した状態を示す図である。 １０・・・水晶ウェハ、２・・・くびれ、３・・・音叉
部分、４・・・固定端、１１．１２，１３．１４・・・
振動子Ｈｅ封入１−（Ｔｏｒｒ）

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）水晶振動子の温度による共振周波数の変化から周
    囲温度を計測する水晶温度計において、Ｘ軸に対する回
    転角が−３０°〜−７０°の範囲から切出した厚さ０．
    ０２〜０．２ｍｍの水晶ウェハに、その水晶ウェハの平
    面上における面内回転角がＺ′軸に対して−１５〜＋１
    ５°の範囲にフォトリソグラフィの技術と水晶の異方性
    エッチング技術を利用して水晶振動子を形成し、この水
    晶振動子の表面に励振用電極として金属の薄膜をフォト
    リソグラフィの技術で形成したことを特徴とする水晶温
    度計。
  2. （２）水晶振動子は屈曲振動子として形成したことを特
    徴とする特許請求の範囲第１項記載の水晶温度計。
  3. （３）屈曲振動子は音叉状に形成したことを特徴とする
    特許請求の範囲第２項記載の水晶湿度計。
  4. （４）音叉振動子は固定端と音叉部との間に固定端の歪
    みが音叉部に伝達することを防止する為に、音叉部の幅
    の１０〜５０％の幅を有するくびれを設けたことを特徴
    とする特許請求の範囲第３項記載の水晶温度計。
  5. （５）屈曲振動子は水晶ウェハの一部を取り除いて水晶
    ウェハ中に矩形状の板を形成し、相対する側の４箇所で
    支持したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
    水晶振動子。
  6. （６）水晶振動子は水晶ウェハの一部を取り除いて矩形
    状の板を形成し、相対する側の２箇所で支持し縦振動子
    としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の水
    晶温度計。
  7. （７）０．０１〜１０Ｔｏｒｒの不活性なガスを封入し
    たケースに水晶振動子を収納したことを特徴とする特許
    請求の範囲第１項記載の水晶温度計。
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