CN101634598B - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种减少伴随温度变化的压力测定值的误差的压力传感器。压力传感器(10)具有：外壳(12)；受压单元(膜片24)，其封闭所述外壳的开口部(22)，将外部压力传递到所述外壳(12)内部；以及感压元件(40)，其具有感压部(振动臂)(40c)和与所述感压部的两端连接的一对基部(第1基部40a、第2基部40b)，将力的检测方向作为检测轴，连接所述一对基部的直线和所述受压单元的位移方向平行配置，并且，将所述基部的一方(第1基部40a)连接到由于所述压力而位移的所述受压单元的中央区域(24a)，将所述基部的另一方(第2基部40b)经由连接部件(42)连接到所述受压单元的固定侧的周缘区域(24c)。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及使用了感压元件和膜片的压力传感器，特别涉及如下技术：减少由于组合不同种类的材料而导致的压力传感器的压力测定值的温度变化的误差、以及由于膜片的重力导致的挠曲而产生的压力测定值的误差。
背景技术
以往，公知有水压计、气压计、压力差计等使用压电振动元件作为感压元件的压力传感器。所述压电振动元件例如在板状的压电基板上形成电极图案，在力的检测方向上设定检测轴，当在所述检测轴的方向施加压力时，所述压电振子的谐振频率变化，根据所述谐振频率的变化来检测压力。在专利文献1中公开了第1现有技术的压力传感器。图21示出第1现有技术的压力传感器。第1现有技术的压力传感器201具有：气密壳体202，其内部为真空或具有非活性氛围气；第1压力输入口203a和第2压力输入口204a，其分别贯通形成在气密壳体202的对置的第1和第2壁面203、204上；圆筒型的第1波纹管210，其具有一端开口固定在第1壁面203上且与第1压力输入口203a连通的轴孔；圆筒型的第2波纹管211，其具有一端开口固定在第2壁面204上且与第2压力输入口204a连通的轴孔，并且与第1波纹管210呈串联状配置；振动元件粘接底座215，其固定配置在第1和第2波纹管210、211的各另一端210a、211a彼此之间；薄板状的压电振动元件220，其由振动元件粘接底座215支承；压电加强板221，其配置在之间隔着第2波纹管211而与压电振子220对置的位置上；以及振荡电路230，其与压电振动元件上的电极图案导通。压电振动元件220的一端固定在第2壁面204上，另一端固定在振动元件粘接底座215上。压电加强板221的两端部由第2壁面204和振动元件粘接底座215固定。并且，振动元件粘接底座215和气密壳体202的内壁利用加强板用弹簧固定，提高针对X轴方向的冲击的耐久性。
压电振动元件220例如具有在石英基板上形成电极的结构。振动元件粘接底座215具有：在由两个波纹管210、211的另一端部210a、211a夹持的状态下固定的基部215a；以及从基部215a的外周向第2壁面突出的支承片215b，压电振动元件220和压电加强板221的另一端部都与支承片215b连接。
各压力输入口203a、204a与各波纹管210、211内部的轴孔连通，另一方面，各波纹管内的轴孔彼此由振动元件粘接底座215的基部215a保持为非连通状态。因此，由于从两个压力输入口203a、204a输入的压力P1、P2的压力差造成的波纹管的伸缩，振动元件粘接底座215的位置在波纹管的轴方向上进退。一端固定在振动元件粘接底座215上且另一端固定在第2壁面204上的压电振动元件220由于从振动元件粘接底座215传递的压力，承受针对轴方向的机械应力而变形，固有的谐振频率变动。即，在连接了以气密状态配置在气密壳体202的适当部位的振荡电路230和构成压电振动元件220的压电基板上的激励电极的状态下，通过对激励电极通电来激励压电基板，根据此时的输出频率计算压力P1或P2。
根据第1现有技术的压力传感器201，在压力P1输入到第1压力输入口203a时，与该压力对应的力施加给压电振动元件220和压电加强板221。由于压电加强板221的存在，对压电振动元件220仅施加来自长边方向(石英振动元件的情况下为图中的Y轴方向)的力，压电振动元件本来的压力-频率特性示出二次曲线。因此，根据压力P1，压电振动元件220的谐振频率直线变化，能够得到高精度的压力传感器201。
并且，在专利文献2中公开了第2现有技术的压力传感器300。图22示出第2现有技术的压力传感器300。第2现有技术的压力传感器300构成为，在设置有由金属薄膜构成的电极307和以覆盖电极307的方式形成的电介体膜308的基体306上，在膜片309和电极307对置、且在膜片309和电介体膜308之间具有间隙310的状态下，接合硅构造体305，该硅构造体305设置有能够根据压力而变形的、具有导电性的膜片309。根据该结构，通过检测由于膜片309承受压力而与电介体膜308接触的接触面积的变化导致的静电容量的变化，由此，能够检测该压力。
【专利文献1】日本特开2007-57395号公报
【专利文献1】日本特开2002-214058号公报
但是，在专利文献1的发明中，压电振动元件220和气密壳体202难以使线膨胀系数一致。由此，当温度变化时，对压电振子施加的应力变化，基于该温度变化的应力变化是压力测定值的误差。但是，在专利文献1中，为了难以受到压力测定值的线膨胀系数的影响而使用波纹管，但是，波纹管无法使线膨胀系数的影响完全为零。
并且，在专利文献2的发明中，膜片309由于地球的重力，在接近基体306的方向上受力。并且，如果颠倒设置压力传感器300的上下，则膜片309由于地球的重力，在从基体306离开的方向上作用有力。由此，本来是仅以气体或液体的压力为目的的压力传感器300，但是，由于设置姿势而使压力测定值产生误差。
发明内容
因此，本发明着眼于上述问题点，其目的在于，提供如下的高精度的压力传感器：降低了由于使用不同线膨胀系数的材料而产生的压力测定值的误差、或由于重力加速度的施加方式的变化而产生的压力测定值的误差。
本发明正是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，能够作为下面的应用例来实现。
【应用例1】一种压力传感器，该压力传感器具有：外壳；受压单元，其封闭所述外壳的开口部，具有挠性部和所述挠性部外侧的周缘区域，所述挠性部的一个主面为受压面；以及双音叉型压电振子，其具有振动臂和分别与所述振动臂的两端连接的第1基部和第2基部，并且，所述第1基部和所述第2基部的排列方向与所述受压单元的位移方向平行，该压力传感器的特征在于，将所述第1基部连接到作为所述受压面的内侧的所述受压单元的中央区域，将所述第2基部经由连接单元连接到所述内侧的所述周缘区域，或者连接到所述外壳的内壁且所述受压单元一侧，所述连接单元具有隔着所述振动臂从所述第2基部延伸且形成为U字形的一对支承板，在所述U字形的鞍中与所述第2基部成为一体。
根据上述结构，位于感压元件的检测轴方向的一端的第1基部连接到由于来自外部的压力而位移的膜片的中央区域，位于所述一端的相反侧的另一端的第2基部经由连接单元连接到固定在外壳上且不会由于来自外部的压力而位移的膜片的周缘区域。由此，成为根据来自外部的压力来测定感压元件承受压缩应力的绝对压力的压力传感器。并且，感压元件的两端连接到膜片，所以，能够避免伴随由于感压元件的材料和外壳的材料的差异导致的线膨胀系数的不一致而引起的温度变化的压力测定值的误差。
并且，根据上述结构，感压元件的第1基部连接到由于来自外部的压力而位移的膜片的中央区域，第2基部经由连接单元连接到与第1基部对置的外壳的内壁、即不会由于来自外部的压力而位移的外壳的内壁的膜片侧。由此，感压元件的第2基部连接到外壳的膜片侧，所以，几乎不存在或完全不存在上述线膨胀系数的不一致导致的问题，并且，感压元件固定在刚性高的外壳上，在感压元件和外壳之间获得刚性，所以，成为能够可靠地从膜片向感压元件传递力且灵敏度稳定的压力传感器。
并且，根据上述结构，感压元件不会在连接单元侧弯曲，所以，能够阻止感压元件在检测轴方向以外的方向上运动，能够提高感压元件的检测轴方向的灵敏度，成为高精度的压力传感器。
【应用例2】根据应用例1所述的压力传感器，其特征在于，所述第1基部连接到设于所述挠性部的中央的固定部。
由此，能够将感压元件容易地固定在挠性部上，并且，感压元件的第2基部侧不会在形成有感压元件和连接单元的主面的法线方向上弯曲，所以，能够阻止感压元件在检测轴方向以外的方向上运动，能够提高感压元件的检测轴方向的灵敏度，成为高精度的压力传感器。
【应用例3】根据应用例1所述的压力传感器，其特征在于，所述第1基部经由加强部与所述连接单元连接。
由此，在一体形成感压元件和连接部件的情况下，能够避免感压元件在装配时等弯折，所以，能够提高成品率，实现压力传感器的成本降低。
【应用例4】根据应用例1～3中的任意一项所述的压力传感器，其特征在于，该压力传感器具有反作用力生成部，该反作用力生成部连接到所述受压单元，使用砝码，通过杠杆原理对所述受压单元施加与所述受压单元承受的重力相反方向的力，所述反作用力生成部是如下的压板结构：在力点配置所述砝码，将作用点连接到所述双音叉型压电振子的所述第1基部或所述受压单元的中央区域，将支点作为形成在所述连接单元上的突起而保持在所述突起上。
由此，伴随基于受压单元承受的重力的位移的应力通过砝码抵消。由此，感压元件不会从上述受压单元承受应力，所以，成为降低了由于重力加速度的施加方式的变化而产生的压力测定值的误差的高精度的压力传感器。
【应用例5】根据应用例4所述的压力传感器，其特征在于，所述反作用力生成部隔着所述双音叉型压电振子形成一对。由此，保持了感压元件的重力平衡，改善了压力传感器的测定误差的倾斜角依赖性。进而，一对反作用力生成部抵消对感压元件施加的检测轴方向以外的应力，所以，成为精度更高的压力传感器。
【应用例6】根据应用例4所述的压力传感器，其特征在于，在所述砝码表面配设有金属膜。由此，在砝码的构筑后配设金属膜，所以，能够增加调节砝码侧的重量的机会，并且，通过配设适量的金属膜来进行砝码侧的重量的微调，能够容易地进行砝码和受压单元的平衡调整。进而，在金属膜的配设后能够剥取金属膜，所以，能够进一步增加调整砝码侧的重量的机会，并且，金属膜能够利用激光等剥取，所以，如果外壳或膜片是透过激光的材料，则在压力传感器的构筑后也能够调整砝码侧的重量，所以，压力传感器的成品率提高。
【应用例7】根据应用例1～3中的任意一项所述的压力传感器，其特征在于，所述外壳通过金属拉伸加工而一体成型。
应用例1～4中的外壳在受压单元的周缘区域和外壳的受压单元侧的侧面以外不具有与上述结构要素的接点，所以，能够一体形成外壳，结构和制造工序被简化，所以，能够实现成本降低。
【应用例8】根据应用例1～3中的任意一项所述的压力传感器，其特征在于，所述外壳具有与所述开口部对置形成的第2开口部，所述第2开口部由第2受压单元封闭，并且所述受压单元和所述第2受压单元经由力传递轴连接。
由此，在第1受压单元侧的压力高的情况下，感压元件承受压缩应力，在第2受压单元侧的压力高的情况下，感压元件承受伸长应力。由此，能够将应用例1～7的测定绝对压力的压力传感器作为能够测定相对压力的压力传感器。
附图说明
图1是第1实施方式的压力传感器的立体图。
图2是第1实施方式的压力传感器的剖视图。
图3是示出第1实施方式的对膜片进行冲压加工时的工序的图。
图4是示出第1实施方式的对膜片进行影印石版蚀刻加工时的工序的图。
图5是膜片的影印石版蚀刻加工的变形例。
图6是示出第1实施方式的感压元件等的影印石版蚀刻加工的工序的图。
图7是示出第1实施方式的构成的单片的制图的图。
图8是第2实施方式的压力传感器的立体图。
图9是第2实施方式的压力传感器的剖视图和变形例。
图10是第3实施方式的压力传感器的剖视图。
图11是示出第3实施方式的感压元件等的影印石版蚀刻加工的工序的图。
图12是第4实施方式的压力传感器的剖视图。
图13是第5实施方式的压力传感器的立体图。
图14是第5实施方式的压力传感器的剖视图。
图15是第5实施方式的压力传感器的变形例。
图16是第5实施方式的对膜片进行冲压加工时的示意图。
图17是第5实施方式的对膜片进行影印石版蚀刻加工时的示意图。
图18是第5实施方式的压力传感器的装配时的示意图。
图19是第5实施方式的压力传感器的装配变形例。
图20是受压单元的变形例。
图21是第1现有技术的压力传感器的示意图。
图22是第2现有技术的压力传感器的示意图。
标号说明
10：压力传感器；12：外壳；14：凸缘部；16：密封端子部；18：支承轴；20：侧面部；22：开口部；24：膜片；24a：中央区域；24b：挠性区域；24c：周缘区域；26：固定部；28：固定部；30：金属母材；32：母基板；34：光致抗蚀膜；36：光掩模；38：密封端子；40：感压元件；42：连接部件；44：导电性粘接剂；46：加强部；48：母基板；50：光致抗蚀膜；52：光掩模；54：母基板；56：框体；58：折取部；60：单片；60：压力传感器；72：固定部；74：第2连接部件；76：感压元件；78：连接部件；80：膜片；82：密封端子；90：压力传感器；92：膜片；94：反作用力生成部；96：砝码；98：感压元件；100：连接部件；102：母基板；104：光致抗蚀膜；106：光掩模；108：金属膜；110：压力传感器；112：外壳；114：管；116：膜片；120：压力传感器；122：凸缘部；124：第2开口部；126：第1膜片；128：第2膜片；130：力传递轴；132：衬垫；134：力传递轴；136：力传递部；138：壳体；140：第1部件；142：O型密封圈；144：第2部件；146：凸缘部；148：密封端子部；150：波纹管；201：压力传感器；202：气密壳体；203：壁面；203a：压力输入口；204：壁面；204a：压力输入口；210：第1波纹管；211：第2波纹管；215：振动元件粘接底座；220：压电振动元件；230：振荡电路；250：加强板用弹簧；300：压力传感器；305：硅构造体；306：基体；307：电极；308：电介体膜；309：膜片；310：间隙。
具体实施方式
下面，使用图示的实施方式详细说明本发明的压力传感器。但是，该实施方式记载的结构要素、种类、组合、形状及其相对配置等只要没有特定记载，则不是将本发明的范围仅限定于其中的主旨，只不过是简单的说明例。
图1(将XZ面作为剖面)示出第1实施方式的压力传感器的立体图，图2(图2(a)将XZ面作为剖面，图2(b)将YZ面作为剖面)示出剖视图。另外，图1、2所示的ZYX形成直角坐标系，以后使用的附图也同样。第1实施方式的压力传感器10是具有外壳12、作为受压单元的膜片24、感压元件40、作为连接单元的连接部件42、以及加强部46(在图1中省略记载)，外壳12内部被真空密封，测定以真空为基准的绝对压力的压力传感器。
外壳12将内部真空密封并收纳后述的各结构要素。由此，压力传感器10能够提高感压元件的Q值，确保稳定的谐振频率，因此能够确保压力传感器10的长期稳定性。
外壳12具有圆形的凸缘部14、圆形的密封端子部16、支承轴18、以及圆筒形的侧面部20。在凸缘部14和密封端子部16相互对置的面的规定位置形成有嵌入支承轴18的细长孔14a、16a。并且，细长孔14a和细长孔16a形成在相互对置的位置上。由此，通过在细长孔14a、16a中嵌入支承轴18，凸缘部14和密封端子部16经由支承轴18连接。支承轴18是具有一定的刚性、且在±Z方向上具有长度方向的棒状的部件，其配置在外壳12的内部，支承轴18的一端嵌入凸缘部14的细长孔14a，另一端嵌入密封端子部16的细长孔16a，由此，在凸缘部14、支承轴18和密封端子部16之间获得一定的刚性。另外，支承轴18使用多根，但是，根据各细长孔的位置设计任意配置。
侧面部20密封外壳12的侧面，连接到凸缘部14的内侧的外周14b、以及密封端子部16的外周16b(与外周14b的直径相同)。凸缘部14、密封端子部16、侧面部20优选由不锈钢等金属形成，支承轴18优选使用具有一定刚性且热膨胀系数小的陶瓷等。
密封端子部16在中心具有圆形的开口部22，在开口部22上连接有膜片24以密封开口部22。
膜片24的面向外壳12的外部的一个主面为受压面，所述受压面具有承受被测定压力环境的压力而挠曲变形的挠性部，该挠性部向外壳12内部侧挠曲变形，由此向感压元件40传递压缩力或伸长力。并且，膜片24具有由中央区域24a和挠性区域24b构成的所述挠性部以及周缘区域24c，该中央区域24a由于来自外部的压力而位移，该挠性区域24b位于所述中央区域24a的外周且由于来自外部的压力而挠曲变形，该周缘区域24c位于所述挠性部的外侧、即所述挠性区域24b的外周，与在密封端子部14上形成的开口部22的内壁接合固定。在膜片24的中央区域24a的受压面的相反侧的面上连接有后述感压元件的长度方向(检测轴方向)的一端。进而，在中央区域24a的受压面的相反面上利用粘接剂等粘接有固定部26，在固定部26上经由粘接剂等固定后述感压元件40的一端(第1基部40a)。进而，在膜片24的周缘区域24c的受压面的相反面上利用粘接剂等连接有一对固定部28，固定部28以与后述连接部件42的上端部42c对应的间隔形成，经由粘接剂等固定上端部42c。另外，固定部26、固定部28优选为与膜片24相同的材料。
膜片24的材质可以是不锈钢这种金属、陶瓷等耐腐蚀性优良的材质，也可以是石英这种单结晶体及其他非结晶体。在利用金属形成的情况下，也可以对金属母材进行冲压加工来形成。
在利用金属形成膜片24的情况下，通过与膜片24的挠性区域24b对应的具有与波型的同心圆形状对应的凹部(未图示)的一对冲压板(未图示)，从金属母材(未图示)的两面进行冲压即可。
图3(a)～(e)示出利用金属形成膜片时的示意图。另外，图3(e)是图3(d)的仰视图。为了抑制膜片24由于感压元件40的振动而振动，可以将膜片24的中央区域24a形成为比其他区域厚。该情况下，准备金属母材30(图3(a))，残留中央区域24a进行半蚀刻(图3(b))，通过与中央区域24a、挠性区域24b、周缘区域24c的形状对应的一对冲压板(未图示)，对蚀刻后的金属母材30进行冲压，由此形成膜片24(图3(c))。然后，通过粘接剂等分别将固定部26、28粘接在膜片24的规定位置上(图3(d)、图3(e))。
图4示出利用石英形成膜片时的示意图。在利用石英形成膜片24的情况下，同样地，优选通过影印石版蚀刻加工来形成。该情况下，准备作为材料的母基板32，在母基板32的表面涂布阳型的光致抗蚀膜34(图4(a))，使用与中央区域24a、挠性区域24b、周缘区域(未图示)的配置和形状对应的光掩模36曝光，使所述光致抗蚀膜34感光(图4(b))，进行显影并去除感光后的光致抗蚀膜34a(图4(c))，通过对母基板32露出的区域进行半蚀刻，从而一体形成中央区域24a、挠性区域24b、周缘区域(未图示)(图4(d))，剥离光致抗蚀膜34(图4(e))，由此形成膜片24。
进而，作为膜片24的影印石版蚀刻加工的变形例，如图5(a)所示，优选对挠性区域24b进行仅单面的蚀刻加工，并且，如图5(b)所示，也优选在挠性区域24b的表里相互对置的位置进行蚀刻加工。
另外，也可以对膜片24的露出于外部的表面实施涂敷，以使其不会被液体或气体等腐蚀。例如，如果是金属制的膜片，则可以涂敷镍的化合物，如果膜片是石英这种压电结晶体，则只要涂敷硅即可。
如图1、图2所示，在面向外壳12的外侧的膜片24的周缘区域24c上安装有密封端子38。密封端子38安装在如下位置：密封端子38的前端部38a和固定部28之间的间隔为与后述连接部件(感压元件)的厚度相同的程度，能够利用固定部28和前端部38a夹入连接部件。该密封端子38能够电连接后述感压元件的电极部和位于外壳外部的感压元件的振荡电路(未图示)。
感压元件40能够通过石英、铌酸锂、钽酸锂等压电材料形成。感压元件40具有感压部和与感压部的两端连接的一对基部，将力的检测方向设定为检测轴，感压元件40的所述一对基部的排列方向成为与所述检测轴平行的关系。在双音叉型压电振子的情况下，作为振动臂发挥功能的梁(beam)的延伸方向和检测轴成为平行关系。
双音叉型振子在作为感压部的振动臂40c的两端部具有作为固定端的一对基部(第1基部40a、第2基部40b)，在这两个基部之间形成有2个振动梁(振动臂40c)。双音叉型振子具有如下特性：当对该感压部(振动臂40c)即所述2个振动梁施加拉伸应力(伸长应力)或压缩应力时，其谐振频率与所施加的应力大致成比例地变化。
感压元件40将其长度方向、即第1基部40a和第2基部40b的排列方向配置成与膜片24的位移方向同轴或平行，将其位移方向作为检测轴。感压元件40的第1基部40a固定在固定部26上，并且与膜片24的中央区域24a抵接，隔着振动臂40c位于第1基部40a的相反侧的第2基部40b与后述的连接部件42一体形成。另外，通过将第1基部40a固定在固定部26上，从而能够容易地将感压元件40固定在挠性部的中央区域24a，并且，感压元件40和后述的连接部件42的第2基部40b侧不会在形成有感压元件40和连接部件42的主面的法线方向(±Y方向)上弯曲，所以，能够阻止感压元件40在检测轴方向以外的方向上运动，能够提高感压元件40的检测轴方向的灵敏度，成为高精度的压力传感器。
感压元件40与上述振荡电路(未图示)电连接，通过从振荡电路(未图示)供给的交流电压，以固有的谐振频率振动。而且，感压元件40从其长度方向承受伸长应力或压缩应力，谐振频率变动。特别地，与厚度剪切振子等相比，双音叉型压电振动片的谐振频率相对于伸长/压缩应力的变化极大、且谐振频率的可变幅度大，所以，适用于检测微小的压力差这样的分解能力优良的压力传感器。双音叉型压电振子承受伸长应力时，振动臂(振动部)的振幅幅度减小，因而谐振频率变高，承受压缩应力时，振动臂(振动部)的振幅幅度增大，因而谐振频率降低。在本实施方式中，为了测定绝对压力，仅承受压缩应力。
并且，在本实施方式中(在以下的实施方式中也同样)，不仅能够应用具有2个振动梁的感压部，还能够应用由一根振动梁(单梁)构成的感压部。当通过单梁构成感压部(振动臂40c)时，在从长度方向(检测轴方向)承受同一应力的情况下，其位移为2倍，所以，与双音叉的情况相比，能够成为灵敏度更高的压力传感器。另外，作为双音叉型或单梁型的压电振子的压电基板，优选温度特性优良的石英。
连接部件42是连接位于感压元件40的长度方向(检测轴方向)的一端的第1基部40a和位于相反侧的另一端的第2基部40b(不直接与膜片24连接的基部)、以及配置在膜片24的周缘区域24c上的固定部28的部件。连接部件42隔着感压元件40对称地形成一对。即，连接部件42整体形成为U字型，在U字的鞍42a中，感压元件40的第2基部40b成为一体，将构成U字的一对支承板42b的上端部42c连接在固定部28上，并且，成为上端部42c与周缘区域24c抵接的形状。并且，在连接部件42上设有从形成在感压元件40的振动臂40c上的激励电极(未图示)延伸的引出布线42d，引出布线42d形成为延伸到所述上端部42c，进而，延伸到与密封端子的前端部38a抵接或接近的位置。而且，引出布线42d和前端部38a通过导电性粘接剂44粘接，相互电连接。由此，能够使来自位于外壳12外部的感压元件40的振荡电路(未图示)的布线(未图示)和引出布线42d电连接，感压元件40和振荡电路(未图示)电连接，从振荡电路(未图示)对振动臂40c的激励电极(未图示)施加交流电压，振动臂40c能够以规定的谐振频率振动。
并且，感压元件40的第1基部40a附近和连接部件42的上端部42c附近通过加强部46连接。加强部46用于防止感压元件40在制造时和装配时弯折，设计为比感压元件40和连接部件42细以不妨碍感压元件40针对应力的位移，进而，通过设计成钩形而具有弹簧性。该加强部46的目的在于防止装配时等感压元件40破损，所以，如图1所示，也可以在装配后折取。
在感压元件40、连接部件42以及加强部46分别利用石英形成的情况下，优选通过影印石版蚀刻加工将它们作为一体进行制造。
图6示出第1实施方式的感压元件等的影印石版蚀刻加工的工序图。在通过影印石版蚀刻加工一体形成感压元件40、连接部件42以及加强部46的情况下，如下所述进行工序[1]～[6]的工艺：首先如图6所示，[1]准备作为材料的母基板48，在母基板48的表面涂布阳型的光致抗蚀膜50(图6(a))，[2]使用与感压元件40、连接部件42以及加强部46的配置和形状对应的光掩模52曝光(图6(b))，[3]使光致抗蚀膜50感光(图6(c))，[4]进行显影并去除感光后的光致抗蚀膜50a(图6(d))，[5]通过对母基板48露出的区域进行蚀刻以贯通母基板48，从而一体形成感压元件40、连接部件42以及加强部46(图6(e))，[6]剥离光致抗蚀膜(图6(f))。
进而，在大量制造感压元件40、连接部件42以及加强部46的情况下，如图7所示，在母基板54上，以规定配置排列形成并列排列的框体56、形成在框体56上的多个折取部58、感压元件40、连接部件42以及加强部46，实施与连接在折取部58上的多个单片60对应的制图，残留所述制图对母基板54进行蚀刻，使折取部58断裂，由此进行从框体56上折取单片60的作业即可。
关于压力传感器10的组装，首先，在安装于密封端子部16上的膜片24的规定位置安装密封端子38，在膜片24的受压面的相反侧的面的中央区域24a的规定位置连接固定部26，在周缘区域24c的规定位置连接固定部28。然后，经由支承轴18连接凸缘部14和密封端子部38。进而，使用感压元件40、连接部件42以及加强部46成为一体的状态的单片60，将感压元件40的第1基部40a连接到固定在膜片24的外壳12内侧的中央区域24a上的固定部26，将连接部件42的2个上端部42c连接到固定在膜片24的外壳12内侧的周缘区域24c上的固定部28，利用导电性粘接剂粘接密封端子38的前端部38a和连接部件42的引出布线。粘接后，也可以折取加强部46。最后，在真空腔室内，将侧面部20粘接在凸缘部的外周14b和密封端子部16的外周16b，或者，在将侧面部20粘接在外周14b、外周16b上后，从形成在凸缘部14上的真空密封孔14d或形成在侧面部20上的真空密封孔(未图示)抽吸空气进行密封，由此，构筑第1实施方式的压力传感器10。
在如上所述构筑的压力传感器10中，位于感压元件40的检测轴方向的一端的第1基部40a连接到由于来自外部的压力而位移的固定部26(中央区域24a)，位于所述第1基部40a的相反侧的另一端的第2基部40b经由连接部件42连接到不会由于来自外部的压力而位移的固定部28(周缘区域24c)。由此，成为根据来自外部的压力来测定感压元件40承受压缩应力的绝对压力的压力传感器10。并且，感压元件40的两端连接到膜片24侧，所以，能够避免伴随由于感压元件40的材料和外壳12的材料的差异导致的线膨胀系数的不一致而引起的温度变化的压力测定值的误差。
并且，连接单元即连接部件42具有隔着感压部即振动臂40c从第2基部40b延伸的一对支承板42b。由此，感压元件40即使从膜片24承受应力，也不会在连接部件42侧(±X方向)弯曲，所以，能够阻止感压元件40在检测轴方向以外的方向上运动，能够提高感压元件40的检测轴方向的灵敏度，成为高精度的压力传感器10。
进而，感压元件40的一端即第1基部40a经由加强部46与连接部件42连接。由此，在一体形成感压元件40和连接部件42的情况下，能够避免感压元件40在装配时等弯折，所以，能够提高成品率，实现压力传感器10的成本降低。
图8、图9示出第2实施方式的压力传感器。图8是立体图，图9是剖视图。第2实施方式的压力传感器70在感压元件上连接有与第1实施方式相同的连接部件，这点是共同的，但是，是连接到与第1基部40a对置的外壳12的内壁(侧面部20)、即U字的连接部件42的上端部42c连接到外壳12的膜片侧。另外，在第2实施方式中，列举效果类似的以下3个方式。
首先，如图8、图9(a)所示，列举了如下结构：在外壳12的内壁、即侧面部20的内壁的膜片侧的规定位置安装一对固定部72，在固定部72上连接有连接部件42的上端部42c，而且，在膜片24的受压面的相反面的中央区域24a上，代替第1实施方式中使用的固定部26连接有第2连接部件74，感压元件40的第1基部40a通过粘接剂等粘接在第2连接部件74上，由此，第1基部40a经由第2连接部件74连接到中央区域24a。接着，如图9(b)所示，列举了如下结构：使感压元件76的第1基部76a在长度方向(±Z方向、检测轴方向)上延长，或者使连接部件78的支承板78b比感压元件76的长度方向的尺寸短，由此，将上端部78c连接到安装于侧面部20的内壁的固定部72，进而，与第1实施方式同样，经由固定部26将第1基部76a连接到中央区域24a。进而，如图9(c)所示，列举了如下结构：使膜片80的中央区域80a成为向外壳12的内侧凹陷的形状，与第1实施方式同样，经由固定部26连接其底部的下表面和感压元件40的第1基部40a。
在任何方式中，都以从侧面部20的外壁贯穿插入前端部82a的方式安装密封端子82，并安装成前端部82a与延伸到上端部的引出布线78d抵接。而且，前端部82a和引出布线78d通过导电性粘接剂44粘接，相互电连接。由此，感压元件40、76能够分别经由引出布线42d、78d和密封端子82与位于外壳12外部的振荡电路(未图示)电连接。另外，如图8所示，进行凸缘部14的细长孔14a、密封端子部16的细长孔16a的定位、即支承轴18的定位，以使支承轴18不与密封端子82发生干涉。
关于第2实施方式的压力传感器70的组装，首先，通过粘接剂等在侧面部20的内侧的规定位置连接固定部72，在凸缘部14的细长孔14a上连接支承轴，利用粘接剂等连接凸缘部的厚壁的区域的外周14b和侧面部20。然后，利用粘接剂等将连接部件42、78的上端部42c、78c连接在固定部72上。在图9(a)的情况下，通过粘接剂等在膜片24的中央区域24a上连接第2连接部件74，在感压元件40的第1基部40a的规定位置，在与第2连接部件74接触的面上涂布粘接剂，然后，将密封端子部14嵌入支承轴18进行连接，由此，连接第1基部40a和第2连接部件74。在图9(b)的情况下，通过粘接剂等在膜片24的中央区域24a的规定位置连接固定部26，在感压元件76的第1基部76a的与固定部26接触的面上涂布粘接剂，将密封端子部14嵌入支承轴18进行连接，由此，连接第1基部76a和固定部26。在图9(c)的情况下，通过粘接剂等在膜片80的中央区域80a的规定位置连接固定部26，在感压元件40的第1基部40a的与固定部26接触的面上涂布粘接剂，将密封端子部14嵌入支承轴18进行连接，由此，连接第1基部40a和固定部26。另外，真空密封的步骤与第1实施方式相同，因此省略说明。
当图9(a)中的第2连接部件74的材料与感压元件40的材料相同时，图9(a)的结构与图9(b)的结构大致相同。在图9(a)中，在第2连接部件74与支承轴18和密封端子部16的材料不同的情况下，认为由于两者的线膨胀系数的差异，在相当于第2连接部件74的中央区域24a和第1基部40a之间的±Z方向的间隙的部分、以及由支承轴18和密封端子部16形成的厚度与所述间隙的尺寸相同且在±Z方向上位于相同位置的区域75之间，产生伴随温度变化的膨胀/收缩量之差，压力测定值产生误差。但是，通过设计变更能够减小第2连接部件74的厚度。由此，几乎不产生由于线膨胀系数相互不同的不同种类的材料引起的伴随温度变化的施加给感压元件的检测轴方向的应力的变化。进而，在第2连接部件74与支承轴18和密封端子部16的材料相同的情况下，不产生所述膨胀/收缩量之差。在图9(c)的结构中，认为与形成于膜片80的中央区域80a的凹部81的深度成比例地，在凹部81和区域75之间产生伴随温度变化的膨胀/收缩量之差，压力测定值的误差变大，但是，与上述同样，通过减小凹部81的深度，从而几乎不产生由于线膨胀系数相互不同的不同种类的材料引起的伴随温度变化的施加给感压元件的检测轴方向的应力的变化。而且，上端部42c、78c分别具有一定的刚性，固定在安装于侧面部20上的固定部28上，所以，感压元件40、76以及连接部件42、78在与外壳12之间获得一定的刚性，能够可靠地捕捉检测轴方向的位移。
由此，根据第2实施方式，感压元件40、76的位于检测轴方向的一端的第1基部40a、76a连接到由于来自外部的压力而位移的膜片24、80的中央区域24a、80a，位于所述一端的相反侧的另一端的第2基部40b、82b经由连接部件42、78连接到不会由于来自外部的压力而位移的外壳12的膜片侧(侧面部20)。由此，成为根据来自外部的压力来测定感压元件40、76承受压缩应力的绝对压力的压力传感器70。并且，感压元件40、76连接到外壳12的膜片侧，所以，几乎不存在或完全不存在上述线膨胀系数的不一致导致的问题，并且，感压元件40、76固定在刚性高的外壳12(侧面部20)上，在感压元件40、76和外壳12之间获得刚性，所以，成为能够可靠地从膜片24、80向感压元件40、86传递力且灵敏度稳定的压力传感器。
图10示出第3实施方式的压力传感器。第3实施方式的压力传感器90的基本结构与第1实施方式(第2实施方式)相同，但是，该压力传感器90具有反作用力生成部94，该反作用力生成部94连接到膜片92，使用砝码96，通过杠杆原理对膜片92施加与膜片92承受的重力相反方向的力。在图10中图示出适用于第1实施方式的压力传感器。如图10所示，反作用力生成部94是如下的压板结构：在力点94b配置砝码96，将作用点94c连接到感压元件98的第1端部98a(或膜片92的中央区域92a)，将支点94a作为形成在连接部件100上的突起100a保持在突起100a上。此时能够发现，将第1实施方式的加强部46的一部分置换为反作用力生成部94和砝码96，剩余的加强部46a连接砝码96和连接部件100。
与第1实施方式同样，反作用力生成部94和砝码96能够与感压元件98、连接部件100、以及加强部46a一体形成。
图11示出第3实施方式的影印石版蚀刻加工的工序图。在通过影印石版蚀刻加工一体形成感压元件98、连接部件100、加强部46a、反作用力生成部94和砝码96的情况下，如下所述进行工序[1]～[6]的工艺：首先如图11(a)所示，[1]准备作为材料的母基板102，在母基板102的表面涂布阳型的光致抗蚀膜104(图11(a))，[2]使用与感压元件98、连接部件100、加强部46a、反作用力生成部94和砝码96的配置和形状对应的光掩模106曝光(图11(b))，[3]使所述光致抗蚀膜104感光(图11(c))，[4]进行显影并去除感光后的光致抗蚀膜104a(图11(d))，[5]在母基板102露出的区域中进行蚀刻以贯通母基板102，从而一体形成感压元件98、连接部件100、加强部46a、反作用力生成部94和砝码96(图11(e))，[6]剥离光致抗蚀膜104(图11(f))。进而，在大量制造它们的情况下，在母基板(未图示)上，对与感压元件98、连接部件100、加强部46a、反作用力生成部94和砝码96以规定配置成为一体的单片(未图示)对应的光致抗蚀膜进行制图，通过与第1实施方式相同的方法(参照图7)，对所述单片进行单片化即可。
在膜片92的外表面(受压面)向上的情况下，由于膜片92承受的重力，膜片92的挠性区域92b挠曲变形，中央区域92a向外壳12内部侧位移，对感压元件98赋予压缩应力，相反，在膜片92的外表面向下的情况下，中央区域92a向外壳12的外部侧位移，对感压元件98赋予伸长应力。
另一方面，反作用力生成部94经由支点94a使基于砝码96承受的重力的力反转，能够传递到膜片92。此时，砝码96的大小(重量)被设计成，砝码96对支点94a赋予的惯性力矩和膜片92对支点94a赋予的惯性力矩一致，成为压板结构的反作用力生成部94在支点94a中平衡的状态。由此，基于膜片92承受的重力的挠曲变形的应力通过砝码96抵消。由此，感压元件98不会承受基于膜片92承受的重力的挠曲变形的应力，所以，成为降低了由于重力加速度的施加方式的变化而产生的压力测定值的误差的高精度的压力传感器90。
进而，能够在砝码96表面配设Au等金属膜108。由此，在砝码96的构筑后配设金属膜108，所以，能够增加调节砝码96侧的重量的机会，并且，通过配设适量的金属膜108来进行砝码96侧的重量的微调，能够容易地进行砝码96和膜片92的平衡调整。进而，在金属膜108的配设后能够剥取金属膜108，所以，能够进一步增加调整砝码96侧的重量的机会，并且，金属膜108能够利用激光等剥取，所以，如果外壳12或膜片92是透过激光的材料，则在压力传感器90的构筑后也能够调整砝码96侧的重量，所以，压力传感器90的成品率提高。另外，第3实施方式在结构上不会与第1实施方式和第2实施方式发生干涉，所以，第3实施方式能够应用于第1实施方式和第2实施方式。
图12示出第4实施方式的压力传感器110。在第4实施方式的压力传感器110中，外壳112内部的结构要素与第1实施方式～第3实施方式相同，但是，外壳112通过金属拉伸加工一体成型。
作为外壳112的材料，如图12(a)所示，使用管114的内径和外形在前端区域114a中扩张的结构。利用安装了所述结构要素的膜片116封闭所述前端区域114a的开口部114b，从管114的前端区域114a的相反侧进行抽真空。而且，如图12(b)所示，通过板金加工弄碎管114来封闭管114的路径，由此，所述前端区域114a成为外壳112。第4实施方式能够应用于第1实施方式～第3实施方式。此时，将第2实施方式的固定部72安装在前端区域114a的内壁的开口部侧。在第1实施方式～第3实施方式中，外壳12在膜片24(80)的周缘区域24a和外壳12的膜片24(80)侧的侧面(侧面部20)以外不具有与上述结构要素的接点，所以，如第4实施方式所示，能够一体形成外壳112，结构和制造工序被简化，所以，能够实现成本降低。
图13(立体图)、图14(图14(a)、图14(b)都为剖视图)示出第5实施方式的压力传感器120。在第5实施方式的压力传感器120中，外壳内部的结构要素(感压元件、连接部件)与第1实施方式～第3实施方式相同，但是，与测定绝对压力的第1实施方式～第3实施方式不同，第5实施方式是能够测定相对压力的压力传感器。这里，以在第1实施方式中应用本实施方式的情况进行说明，但是，也能够应用于第2实施方式和第3实施方式。
在构成外壳12的密封端子部16的开口部22上安装有作为受压单元的第1膜片126。而且，凸缘部122具有与密封端子部16的开口部22对置形成的第2开口部124，第2开口部124被作为第2受压单元的第2膜片128封闭，并且，第1膜片126和第2膜片128具有经由力传递轴130连接的结构。第1膜片126具有：中央区域126a，其由于来自外部的压力而位移；挠性区域126b，其位于所述中央区域126a的外周，由于来自外部的压力而挠曲变形；以及周缘区域126c，其位于所述挠性区域126b的外周，与密封端子部16的开口部22接合。同样地，第2膜片128具有：中央区域128a，其由于来自外部的压力而位移；挠性区域128b，其位于所述中央区域128a的外周，由于来自外部的压力而挠曲变形；以及周缘区域128c，其位于所述挠性区域128b的外周，与凸缘部122的第2开口部124接合。
力传递轴130配设在外壳12的内部，长度方向的一端130a连接到第1膜片126的中央区域126a，所述一端130a的相反侧的另一端130b连接到第2膜片128的中央区域128a。力传递轴130为圆柱形的形状，但是，在力传递轴130和连接部件42等抵接的部位形成有锪孔130c，以使力传递轴130与感压元件40以及连接部件42等不发生干涉。由此，力传递轴130在第2膜片128侧剖面为圆柱形，但是，在第1膜片126侧剖面为半圆形。此时，不需要将在第1实施方式等中使用的固定部26连接到第1膜片126，将感压元件40的第1基部40a连接到锪孔130c，并且使第1基部40a与中央区域126a抵接。此时，经由衬垫132连接感压元件40的第1基部40a和锪孔130c，以使感压元件40的振动臂40c不与锪孔130c发生干涉。
并且，如图15(图15(a)、图15(b)都为剖视图)所示，也可以构成为具有连接在第1膜片126和第2膜片128上且比力传递轴130细长的力传递轴134、以及力传递轴134贯通而连接到力传递轴134的用于固定感压元件40的第1基部40a的力传递部136。该情况下，力传递轴134的一端134a连接到第1膜片126的中央区域126a，一端134a的相反侧的另一端134b连接到第2膜片128的中央区域128a。而且，不需要在力传递轴134上形成锪孔，所以制造容易。
在利用金属形成第1膜片126和第2膜片128的情况下，与第1实施方式同样，通过在金属母材(未图示)上具有波型的同心圆形状的一对冲压板(未图示)，从金属母材的两面进行冲压即可。图16示出利用金属形成的第1膜片和第2膜片的示意图。在一对冲压板(未图示)的一个冲压板的中心形成凸部(未图示)，在另一个冲压板(未图示)的中心形成凹部(未图示)，由此，在各膜片的中心形成凸部126d、128d。该凸部126d、128d嵌入在力传递轴130、134的两端形成的凹部130c、134c中。该情况下，如果使用低熔点玻璃或无机系粘接剂等粘接单元将凸部126d、128d粘接固定在凹部130c、134c上，则在第1膜片126和第2膜片128与力传递轴130、134连动工作时，凸部126d、128d和凹部130c、134c的连接部偏移，由此，能够防止应该传递的力泄漏而使压力检测精度劣化的问题。
并且，在利用石英形成第1膜片126和第2膜片128的情况下，与第1实施方式同样，通过影印石版蚀刻加工来形成。图17(a)示出利用石英形成的第1膜片和第2膜片的示意图。第1膜片126和第2膜片128的制造工序与图4所示的膜片24的制造工序相同，但是，在第1膜片126和第2膜片128上具有在中央区域126a、128a中嵌入力传递轴130、134的凹部126d、128d。由此，在图4(b)所示的工序[2]中，使用与凹部对应的光掩模(未图示)对光致抗蚀膜34进行曝光，在图4(c)所示的工序[3]中，去除感光后的光致抗蚀膜34a，由此，能够形成第1膜片126和第2膜片128。并且，对应于图5(a)、图5(b)所示的膜片24的形状，能够将第1膜片126和第2膜片128分别形成为图17(b)、图17(c)的形状。
力传递轴130(134)需要在一端130a(134a)和另一端130b(134b)之间可靠地相互传递力，所以，需要具有一定的刚性。进而，力传递轴130(134)优选为与构成外壳12的支承轴18相同的材料。由此，不会产生由于力传递轴130(134)和支承轴18的线膨胀系数的差异引起的、伴随温度变化的感压元件40的检测轴方向的两者的膨胀/收缩量之差，对第1膜片126和第2膜片128施加的来自力传递轴130(134)的力与温度变化无关而保持为一定，所以，能够防止压力传感器120的灵敏度由于温度而变动。
通过上述构成，在第1膜片126侧的压力高的情况下，力传递轴130、134进行向外壳12的外侧推出第2膜片128的中心区域128a的运动，并且，感压元件40承受压缩应力。另一方面，在第2膜片128侧的压力高的情况下，力传递轴130、134进行向外壳12的外侧推出第1膜片126的中心区域126a的运动，并且，感压元件40承受伸长应力。由此，能够将第1实施方式～第3实施方式的压力传感器10、70、80作为能够测定相对压力的压力传感器120。
进而，在第5实施方式中，优选装配在图18所示的压力传感器用的壳体138上。圆筒形的壳体138具有：第1部件140，其一端具有与凸缘部122的薄壁区域的外周122c相同程度的尺寸且具有从外壳12的凸缘部122侧导入的导入口140a，另一端设有使凸缘部122停止且形成开口部140d的环状的挡块140b；O型密封圈142(参照图13)，其与挡块140b配置成同心圆状，夹入挡块140b和凸缘部122之间；以及第2部件144，其具有与形成于第1部件140的开口部140a上的内螺纹部140c螺合的外螺纹部144a，使外螺纹部144a与内螺纹部140c螺合，同时将凸缘部14按压在O型密封圈142上，在壳体138中通过O型密封圈142在空间上分离导入口140a和开口部140d。由此，仅将第2部件144拧入第1部件140中，就能够进行压力传感器120的安装，能够容易且可靠地进行凸缘部122侧的被测定环境侧和密封端子部16侧的测定环境侧的空间遮断。
并且，如图19所示，也可以构成为在凸缘部146上设置外螺纹部146a，在第1部件140上设置内螺纹部140e，使外螺纹部146a和内螺纹部140e螺合，由此，进行凸缘部146侧的被测定环境侧和密封端子部148侧的测定环境侧的空间遮断。另外，在螺合时，在外螺纹部146a上卷绕密封带，可以防止外螺纹部146a和内螺纹部140e之间的空气或液体等的泄漏。同样，也可以构成为，在密封端子部148上设置内螺纹部148a，连接具有与内螺纹部148a螺合的外螺纹的连接器(未图示)。
另外，在将第5实施方式应用于第3实施方式中的情况下，需要调整砝码96的重量，以使砝码96对支点94a赋予的惯性力矩与合力对支点94a赋予的惯性力矩一致，该合力是基于第1膜片126和第2膜片128承受的重力的挠曲变形涉及的应力和基于力传递轴130、134承受的重力的荷重的合力。
并且，在任何实施方式中，受压单元都以膜片为前提进行了叙述，但是不限于此，作为受压单元，也能够使用波纹管150。图20示出在第1实施方式中应用波纹管150作为受压单元的变形例。波纹管150具有：由于外部的压力而位移的中央区域150a、与中央区域的外周连接且通过外部的压力伸缩的挠性区域150b、以及与挠性区域150b的外周连接且与开口部22连接的周缘区域150c。由于温度变化，膜片24的中央区域24a的位移不变化，但是，由于温度变化，波纹管150的伸缩方向的位移变化。因此，抑制伴随温度变化的压力误差的效果没有膜片那么大，但是，可以根据用途来变更受压单元的形状。

Claims (8)

1.一种压力传感器，该压力传感器具有：
外壳；
受压单元，其封闭所述外壳的开口部，具有挠性部和所述挠性部外侧的周缘区域，所述挠性部的一个主面为受压面；以及
双音叉型压电振子，其具有振动臂和分别与所述振动臂的两端连接的第1基部和第2基部，并且，所述第1基部和所述第2基部的排列方向与所述受压单元的位移方向平行，
该压力传感器的特征在于，
将所述第1基部连接到作为所述受压面的内侧的所述受压单元的中央区域，将所述第2基部经由连接单元连接到所述内侧的所述周缘区域，或者连接到所述外壳的内壁且所述受压单元一侧，
所述连接单元具有隔着所述振动臂从所述第2基部延伸且形成为U字形的一对支承板，在所述U字形的鞍中与所述第2基部成为一体。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述第1基部连接到设于所述挠性部的中央的固定部。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述第1基部经由加强部与所述连接单元连接。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的压力传感器，其特征在于，
该压力传感器具有反作用力生成部，该反作用力生成部连接到所述受压单元，使用砝码，通过杠杆原理对所述受压单元施加与所述受压单元承受的重力相反方向的力，
所述反作用力生成部是如下的压板结构：在力点配置所述砝码，将作用点连接到所述双音叉型压电振子的所述第1基部或所述受压单元的中央区域，将支点作为形成在所述连接单元上的突起而保持在所述突起上。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，
所述反作用力生成部隔着所述双音叉型压电振子形成一对。
6.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，
在所述砝码表面配设有金属膜。
7.根据权利要求1～3中的任意一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述外壳通过金属拉伸加工而一体成型。
8.根据权利要求1～3中的任意一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述外壳具有与所述开口部对置形成的第2开口部，所述第2开口部由第2受压单元封闭，并且
所述受压单元和所述第2受压单元经由力传递轴连接。
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