JP2005181289A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ部を外部環境から保護することにより、信頼性を向上させることができる圧力センサを提供する。
【解決手段】下面にセンサ部２を有し、該センサ部２の変形によって圧力変動を検出するセンサ基板１を、前記センサ部２を囲繞する封止材４を介して支持基板３上に載置せるとともに、前記センサ基板１、前記支持基板３及び前記封止材４で囲まれる封止領域内に前記センサ部２を気密封止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タイヤ内の空気圧の監視など、気体や液体などの圧力変動を検出するのに用いられる圧力センサに関するものである。

従来より、気体や液体などの圧力の変動を検出する圧力センサとして、センサ部に印加される圧力の変動を発振周波数の変化として検出する圧力センサが知られている。

かかる従来の圧力センサとしては、例えば図５に示す如く、圧電材料から成るセンサ基板１００の下面に凹部１０１を形成するとともに、該凹部１０１上に位置するセンサ基板１００の上面にインターデジタルトランスデューサ（以下、ＩＤＴ電極と略記する。）１０２を形成した構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このような圧力センサにおいては、ＩＤＴ電極１０２とその直下に位置するセンサ基板１００の肉薄部（凹部上方の部位）とで弾性表面波素子が構成されるようになっており、この部分に外部からの圧力が印加されると、表面応力の変化に伴ってＩＤＴ電極１０２を構成する電極指の間隔が変化して弾性表面波素子の共振周波数が変化し、弾性表面波素子と外部の増幅回路とが電気的に接続されて構成される発振回路より出力される電気信号の発振周波数も変化する。このようにして得られる発振周波数の変動状態をモニタリングすることにより圧力の検出が行われる。
特公平５−８２５３７号公報

しかしながら、上述した従来の圧力センサにおいては、センサ基板１００上に形成されているＩＤＴ電極１０２がセンサ基板１００の表面に露出した状態で設けられており、これを保護するものが何ら存在していないことから、この圧力センサをセンサ基板１００の上面側より圧力が印加される形で使用する場合、ＩＤＴ電極１０２は水分等を含んだ空気に晒されることとなり、アルミニウム等から成るＩＤＴ電極１０２の酸化腐食、変質等が誘発される。このような場合、ＩＤＴ電極１０２の電気的特性が著しく変化してしまうため、圧力センサとして正常に機能させることが不可となる欠点を有していた。

また上述した従来の圧力センサにおいては、その使用に際して外気に晒されるＩＤＴ電極１０２の表面に異物等が付着する恐れがある。その場合、ＩＤＴ電極１０２の電極指間が異物を介し電気的に短絡する等して正常な共振特性が得られなくなり、これによっても圧力センサとして正常に機能させることが不可となる欠点を有していた。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、センサ部を外部環境より良好に保護することにより、信頼性を飛躍的に向上させることができる圧力センサを提供することにある。

本発明の圧力センサは、下面にセンサ部を有し、該センサ部の変形によって圧力変動を検出するセンサ基板を、前記センサ部を囲繞する封止材を介して支持基板上に載置させるとともに、前記センサ基板、前記支持基板及び前記封止材で囲まれる封止領域内に前記センサ部を気密封止してなることを特徴とするものである。

また本発明の圧力センサは、前記センサ部が、圧電体とＩＤＴ電極とを含む弾性表面波素子から成ることを特徴とするものである。

更に本発明の圧力センサは、前記封止領域内に不活性ガスが充填されていることを特徴とするものである。

また更に本発明の圧力センサは、前記センサ基板が圧電材料から成り、前記圧電体が前記センサ基板の一部によって形成されていることを特徴とするものである。

更にまた本発明の圧力センサは、前記センサ基板の下面で、前記封止材の内側に、前記センサ部に電気的に接続される電極パッドが設けられ、前記支持基板の上面で、前記封止材の内側に、前記電極パッドに導電性接合材を介して電気的に接続される接続パッドが設けられていることを特徴とするものである。

また更に本発明の圧力センサは、前記封止材が導体材料から成り、且つ該封止材が支持基板下面のグランド端子に電気的に接続されていることを特徴とするものである。

更にまた本発明の圧力センサは、前記センサ基板の上面で、前記センサ部の上方に凹部が形成されていることを特徴とするものである。

また更に本発明の圧力センサは、前記封止材の囲繞領域内で、前記凹部の形成領域外に位置するセンサ基板の下面に、センサ部を構成する弾性表面波素子と出力信号の周波数を比較するための参照用弾性表面波素子が設けられていることを特徴とするものである。

本発明の圧力センサによれば、下面にセンサ部を有したセンサ基板を、前記センサ部を囲繞する封止材を介して支持基板上に載置させるとともに、センサ基板、支持基板及び封止材で囲まれる封止領域内に前記センサ部を気密封止するようにしたことから、センサ部を水分を含んだ外気と遮断して、ＩＤＴ電極等の酸化腐食や変質等による電気的特性の変化を有効に防止することができる。

また本発明の圧力センサによれば、上述した如く、センサ部が外気と良好に遮断されており、センサ部を構成するＩＤＴ電極等に異物等が付着することは殆どないことから、常に所望する共振特性が得られるようになり、圧力センサを長期にわたって正常に機能させることができる。

よって、圧力センサの信頼性を飛躍的に向上させることが可能となる。

更に本発明の圧力センサによれば、前記封止領域内に不活性ガスを充填しておくことにより、封止領域内に配置されるセンサ部等の酸化腐食が更に有効に防止される利点もある。

また更に本発明の圧力センサによれば、センサ基板の下面で、封止材の内側に、センサ部に電気的に接続される電極パッドを設けるとともに、支持基板の上面で、封止材の内側に電極パッドに接続される接続パッドを設けておくことにより、両基板の接続部についても外部環境より良好に保護することができる利点もある。

更にまた本発明の圧力センサによれば、封止材を導体材料で形成するとともに、該封止材を支持基板下面のグランド端子に電気的に接続させておくことにより、封止材をシールド材として機能させることができ、これによって封止領域内部のセンサ部を外部からのノイズに影響されにくくし、より安定して動作させることが可能となる。

以下、本発明の圧力センサを図面に基づいて詳細に説明する。

尚、以下に述べる実施の形態においては、弾性表面波素子を用いてセンサ部を構成した圧力センサを例にとって説明するものとする。

図１は本発明の一実施形態にかかる圧力センサの断面図、図２は図１の圧力センサに使用されるセンサ基板の斜視図である。

同図に示す圧力センサは、大略的に、センサ基板１と、支持基板３と、封止材４とで構成されている。

前記センサ基板１は、その上面に凹部５を有しており、その下面には、凹部５の直下領域（以下、肉薄部という）にセンサ部２が設けられ、肉薄部の外側に参照用弾性表面波素子６が設けられている。

かかるセンサ基板１は、肉薄部にセンサ基板１の上方より外部からの圧力が印加されると、圧力の強さに応じてセンサ部２の肉薄部が変形し、それに応じてセンサ部２を構成するセンサ用弾性表面波素子の共振周波数が変化することによって、弾性表面波素子と外部の増幅回路とが電気的に接続されて構成される発振回路の発振周波数が変化して、圧力変動を検出するようになっている。

また、参照用弾性表面波素子６は、その共振周波数に基づく出力信号を、センサ部２を構成するセンサ用弾性表面波素子の共振周波数に基づく出力信号と比較するためのものであり、かかる参照用弾性表面波素子６は凹部の形成領域外、即ち、センサ基板１の肉厚部に設けられているため、センサ基板１の上方より外部からの圧力が印加されても殆ど変形することはなく、圧力が印加されているか否かにかかわらず、参照用弾性表面波素子６と外部の増幅回路とが電気的に接続されて構成される発振回路より所定周波数の発振信号を出力することができる。

従って、双方の弾性表面波素子の共振周波数に基づく２つの出力信号を比較することにより、その比較結果を温度補正等に利用することができる。例えば、前記２つの出力信号をミキサー等の差分生成回路に入力して両者の差分をとることにより、温度変化による影響を低減することができる。

このようなセンサ基板１の材質としては、センサ部２と一体的に形成することができ、外部からの圧力（図１の上方からの圧力）を受けると比較的容易に変形し得るものが好ましく、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料が好適に使用される。

また、前記センサ部２は、例えば、圧電体とＩＤＴ電極２ａとその両側に配される一対の反射器２ｂとで構成される弾性表面波素子から成り、ＩＤＴ電極２ａには、後述する支持基板３の接続パッドに導電性接合材を介して接合される電極パッド７が接続されている。

また、前記参照用弾性表面波素子６は、例えば、圧電体とＩＤＴ電極６ａとその両側に配される一対の反射器６ｂとで構成されており、ＩＤＴ電極６ａには、後述する支持基板３の接続パッドに導電性接合材を介して接合される電極パッド７が接続されている。

このようなセンサ部２及び参照用弾性表面波素子６を構成する圧電体の材質としては、例えば、センサ基板１と同様の材料、即ち、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料が用いられ、かかる圧電体の表面に、アルミニウムや金等の金属材料を従来周知のスパッタリングや蒸着等の薄膜形成技術、フォトリソグラフィー技術等を採用し、例えば２０００Å程度の厚みにてパターン形成することによりＩＤＴ電極２ａ及び６ａ、反射器２ｂ及び６ｂ、電極パッド７等が形成される。

そして、上述したセンサ基板１の下面には、センサ部２や電極パッド７，参照用弾性表面波素子６を囲繞するようにして環状の接合用導体８が設けられている。この接合用導体８はＩＤＴ電極２ａ等と同様の金属材料から成り、その表面にはＮｉメッキやＡｕメッキ等が施され、後述する封止材４が接合されるようになっている。尚、接合用導体８は、先に述べたＩＤＴ電極２ａ等と同様の形成方法、例えば、薄膜形成技術やフォトリソグラフィー技術等を採用することによってセンサ基板１の下面に形成される。

一方、支持基板３には、十分な強度を有し、外部からの圧力を受けても変形しにくいといった機械的特性が求められ、例えば、ガラス−セラミック材料などのセラミック材料を用いた多層回路基板等が好適に用いられる。

このような支持基板３の上面には、センサ基板下面の電極パッド７に導電性接合材を介して電気的に接続される接続パッド（図示せず）と、センサ基板下面の接合用導体８と対向する部位に該接合用導体８に封止材４を介して接合される環状の接合用導体９が設けられている。

また前記支持基板３の下面には、複数個の外部端子電極（図示せず）が形成されており、これらの外部端子電極は支持基板３やセンサ基板１の配線パターンやビアホール導体等を介してセンサ基板下面のＩＤＴ電極２ａ、６ａ等と電気的に接続される。

尚、このような支持基板３は、例えば、従来周知のグリーンシート積層法、具体的には、配線パターンやビアホール導体となる導体ペーストが所定パターンに印刷・塗布されたグリーンシートを複数枚、積層・圧着させた上、これらを一体焼成することによって製作される。

また、上述したセンサ基板１のセンサ部２を構成するセンサ用弾性表面波素子及び参照用弾性表面波素子６には、それぞれ所定の増幅回路が接続されるようになっており、弾性表面波素子と外部の増幅回路によって構成される発振回路より所定周波数の発振信号が出力される。尚、このような増幅回路はＩＣチップ等の形態で上述した支持基板３上に搭載するようにしても良いし、支持基板３の外部に配置させ、支持基板３の外部端子電極と電気的に接続するようにしても良い。

そして、上述したセンサ基板１と支持基板３との間には、センサ部２を囲繞するようにして環状の封止材４が介在されている。

前記封止材４は、例えば、半田やＡｕ−Ｎｉ合金等の導体材料から成り、かかる封止材４を双方の基板（センサ基板１、支持基板３）の接合用導体８，９に対して接合させておくことにより、上述したセンサ部２や参照用弾性表面波素子６等を、センサ基板１、支持基板３及び封止材４で囲まれる封止領域内で気密封止するようになっている。

そして、このような封止領域の内部には、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが充填され、これによって封止領域内に配置されるＩＤＴ電極２ａ等の酸化腐食等が有効に防止されるようになっている。

尚、このような封止材４として、半田等の導体材料を用いる場合、これを支持基板下面のグランド端子に接続させておくようにすれば、圧力センサ１の使用時、封止材４はグランド電位に保持されることとなるため、封止材４によるシールド効果が期待でき、外部からの不要なノイズを封止材４でもって良好に低減することができる。

また、センサ基板１の電極パッド７と支持基板３の接続パッドを接続する導電性接合材としては、例えば、半田や導電性樹脂等が用いられるが、外部からの圧力による肉薄部の変形を妨げないために、センサ基板下面の電極パッド７と支持基板３の上面の接続パッドとの接続は肉厚部で行うことが望ましい。また、センサ基板下面の電極パッド７と支持基板３の上面の接続パッドとの接続を肉薄部で行う際は、この接続に使用する導電性接合材としては、変形が容易な導電性樹脂などを用いるのが望ましい。

以上のような圧力センサは、センサ基板１に対して印加される外部からの圧力によって、センサ部２、即ち、センサ用の弾性表面波素子が変形する。その結果、弾性表面波の伝搬速度及び弾性表面波素子を形成するＩＤＴ電極２ａの電極指の間隔が変化して、弾性表面波素子の共振周波数が変化する。その結果、弾性表面波素子と増幅回路とが電気的に接続されて構成される発振回路からの発振周波数も変化するため、センサ基板１に加わる圧力変動は最終的に発振回路の発振周波数の変化として検出される。

ここで、本実施形態の圧力センサにおいては、上述したように、センサ部２や参照用弾性表面波素子６がセンサ基板１、支持基板３及び封止材４にて囲まれる封止領域内に配置されていることから、外部環境の影響を受けることは殆どなく、圧力センサの信頼性を飛躍的に向上させることができる。

次に本発明の他の実施形態に係る圧力センサについて図３及び図４を用いて説明する。尚、本実施形態においては先に述べた図１、図２の実施形態と異なる点についてのみ説明し、同様の構成要素については同一の参照符を用いて重複する説明を省略するものとする。

本実施形態の圧力センサが先に述べた図１、図２の圧力センサと異なる点は、センサ部２２を構成するセンサ用弾性表面波素子が、センサ基板１の表面に間隔をあけて配置された一対のＩＤＴ電極２ａと、その間の弾性表面波の伝搬路２ｃとで構成される弾性表面波遅延線とされており、参照用弾性表面波素子６６も同様に、センサ基板１の表面に所定の間隔をあけて配置された一対のＩＤＴ電極６ａと、その間の弾性表面波の伝搬路６ｃとで構成される弾性表面波遅延線とされていることである。

ここでセンサ基板１の肉薄部はセンサ部２２を構成するセンサ用弾性表面波素子の配設領域全域にわたって設けられており、またセンサ基板１の表面で、センサ部２２を構成するセンサ用弾性表面波素子２２と参照用弾性表面波素子６６の両側、具体的には、弾性表面波の伝播方向に係る各素子２２、６６の両側には、弾性表面波を減衰させ、センサ基板1の端部で弾性表面波が反射するのを防止するために、シリコン樹脂などから成るダンピング材１７が形成されている。

このような弾性表面波遅延線を増幅回路に接続すると、弾性表面波遅延線によって生じる電気信号の遅延時間に対応した周波数で発振する発振回路を構成することができる。そして、センサ基板１の肉薄部に外部からの圧力が上方より印加され、センサ部２２を構成するセンサ用弾性表面波素子の弾性表面波の伝搬路２ｃに応力が加わると、弾性表面波の伝搬速度の変化及び伝搬線路長の変化が生じ、それによって、電気信号の遅延時間が変化し、それに対応して発振回路の発振周波数が変化する。よって、本実施形態におけるセンサ部２２を構成するセンサ用弾性表面波素子も図１、図２の実施形態におけるセンサ部２を構成するセンサ用弾性表面波素子と同様に圧力検出素子として機能する。

またこの場合も、センサ部２２を構成するセンサ用弾性表面波素子及び参照用弾性表面波素子６６が同一のセンサ基板１上に形成されているため、遅延時間の温度依存性は、双方の弾性表面波素子で生じた電気信号の遅延時間に基づいてそれぞれ生成される２つの発振信号の差分をとることでキャンセルされ、温度補正をすることができる。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。

例えば、上述した実施形態においては参照用弾性表面波素子６、６６を設けた例を示したが、センサ部２、２２を構成する弾性表面波素子の温度特性の改善や、他の温度補正手段を用いることにより、必ずしも参照用弾性表面波素子６，６６を設ける必要はない。

また上述した図３及び図４の実施形態においては、センサ基板1の端部で弾性表面波が反射するのを防止するために、センサ用弾性表面波素子２２と参照用弾性表面波素子６６の両側にダンピング材１７を配設するようにしたが、センサ基板1の端部で反射する弾性表面波の強さが許容される程度のものであれば、必ずしもダンピング材１７を設ける必要はない。

更に上述した図３、図４の実施形態においては、センサ部２２を構成するセンサ用弾性表面波素子の配設領域全域が肉薄部に位置するようにしたが、これに代えて、センサ部２２を構成するセンサ用弾性表面波素子の配設領域の一部、例えば、伝搬路２ｃのみが肉薄部に位置するようにしたり、或いは、伝搬路２ｃと、ＩＤＴ電極２ａの一部とが、肉薄部に位置するようにしても構わない。

同様に、図１、図２の実施形態においても、センサ部２を構成するセンサ用弾性表面波素子の配設領域全域が肉薄部に位置するようにしたが、これに代えて、センサ部２を構成するセンサ用弾性表面波素子の配設領域の一部、例えば、ＩＤＴ電極２ａのみが肉薄部に位置するようにしたり、或いは、ＩＤＴ電極２ａと、反射器２ｂの一部とが、肉薄部に位置するようにしても構わない。

また更に上述した実施形態においては半田等の導体材料を用いて封止材４を形成するようにしたが、これに代えて、エポキシ樹脂等の封止性に優れた樹脂材料を用いて封止材４を形成するようにしても構わない。この場合、センサ基板１の下面や支持基板３の上面に接合用導体８，９等を設ける必要はない。また、封止材４を樹脂材料によって形成する場合、その中に金属微粒子等の導電性フィラを所定量添加して封止材４に導電性を付与した上、これを支持基板下面のグランド端子に電気的に接続させておくようにすれば、上述した実施形態と同様に、封止材４をシールド材として機能させることができ、封止領域内のセンサ部２、２２を構成する弾性表面波素子を外部からのノイズに影響されにくくし、安定して動作させることが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる圧力センサの断面図である。 図１の圧力センサに用いられるセンサ基板の斜視図である。 本発明の別の実施形態にかかる圧力センサの断面図である。 図３の圧力センサに用いられるセンサ基板の斜視図である。 従来の圧力センサを示す説明図である。

符号の説明

１・・・・・・・センサ基板
２、２２・・・・センサ部
２ａ、６ａ・・・ＩＤＴ電極
２ｂ、６ｂ・・・反射器
３・・・・・・・支持基板
４・・・・・・・封止材
５・・・・・・・凹部
６、６６・・・・参照用弾性表面波素子
７・・・・・・・電極パッド
８、９・・・・・接合用導体
１７・・・・・・ダンピング材

Claims (8)

1. 下面にセンサ部を有し、該センサ部の変形によって圧力変動を検出するセンサ基板を、前記センサ部を囲繞する封止材を介して支持基板上に載置させるとともに、前記センサ基板、前記支持基板及び前記封止材で囲まれる封止領域内に前記センサ部を気密封止してなる圧力センサ。
2. 前記センサ部が、圧電体とインターデジタルトランスデューサとを含む弾性表面波素子から成ることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記封止領域内に不活性ガスが充填されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記センサ基板が圧電材料から成り、前記圧電体が前記センサ基板の一部によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧力センサ。
5. 前記センサ基板の下面で、前記封止材の内側に、前記センサ部に電気的に接続される電極パッドが設けられ、
   前記支持基板の上面で、前記封止材の内側に、前記電極パッドに導電性接合材を介して電気的に接続される接続パッドが設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧力センサ。
6. 前記封止材が導体材料から成り、且つ該封止材が支持基板下面のグランド端子に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧力センサ。
7. 前記センサ基板の上面で、前記センサ部の上方に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧力センサ。
8. 前記封止材の囲繞領域内で、前記凹部の形成領域外に位置するセンサ基板の下面に、センサ部を構成する弾性表面波素子と出力信号の周波数を比較するための参照用弾性表面波素子が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の圧力センサ。

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