JPS61288132A - 水晶温度計 - Google Patents
水晶温度計Info
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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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- JP
- Japan
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- crystal
- resonator
- vibrator
- tuning fork
- wafer
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- Granted
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-
- G—PHYSICS
- 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
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- 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。
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。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 )。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
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)
- (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)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)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)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)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)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)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。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP60131091A JPS61288132A (ja) | 1985-06-17 | 1985-06-17 | 水晶温度計 |
US06/869,103 US4772130A (en) | 1985-06-17 | 1986-05-30 | Quartz thermometer |
GB8613426A GB2176892B (en) | 1985-06-17 | 1986-06-03 | Quartz thermometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP60131091A JPS61288132A (ja) | 1985-06-17 | 1985-06-17 | 水晶温度計 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61288132A true JPS61288132A (ja) | 1986-12-18 |
JPH0362208B2 JPH0362208B2 (ja) | 1991-09-25 |
Family
ID=15049766
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP60131091A Granted JPS61288132A (ja) | 1985-06-17 | 1985-06-17 | 水晶温度計 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4772130A (ja) |
JP (1) | JPS61288132A (ja) |
GB (1) | GB2176892B (ja) |
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