JP2005181303A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】大きなセンサ感度を得ることができる圧力センサを提供する。
【解決手段】圧電基板１０の上面にインターデジタルトランスデューサ２１を形成するとともに、このインターデジタルトランスデューサ２１に対して弾性表面波の伝搬方向両側に反射器２２を配置させてなり、インターデジタルトランスデューサ２１の直下に位置する圧電基板１０の変形によって圧力変動を検出するようにした圧力センサ１であって、インターデジタルトランスデューサ２１の直下に位置する圧電基板１０の厚みを反射器２２の直下に位置する圧電基板１０の厚みよりも薄くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばタイヤ状態監視装置（ＴＰＭＳ）等に用いられる圧力センサに関するものである。

弾性表面波の伝搬特性を利用した弾性表面波共振器や弾性表面波フィルタ等の弾性表面波装置は、マイクロ波帯を利用する各種無線通信機器や車載用機器、医療用機器等に幅広く用いられている。また、弾性表面波の伝搬特性を利用した別の応用例として、弾性表面波の伝搬時間の遅延差により圧力や温度等を検知する弾性表面波センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

かかる弾性表面波センサを圧力センサに適用した従来例を図７に示す。

同図に示す圧力センサ１０１は、一定の厚みを有する水晶等から成る圧電基板１０１ａ上に一対の反射器１０１ｂを有するとともに、反射器１０１ｂ間に一対のくし歯状電極をインターデジタルに組み合わせたすだれ状電極１０１ｃを有している。

このような圧力センサによれば、圧電基板１０１ａに応力が加えられると、基板の弾性係数の変化に伴う表面弾性波の伝搬速度の変化と、すだれ状電極１０１ｃの電極指の配列ピッチの変化が起こり、共振周波数が変化し、この変化を測定することにより圧力の変化を測定することができるというものである。
特開昭５９−１７１２７号公報

しかしながら、上述の圧力センサは、加えられた応力によって圧電基板１０１ａの弾性係数を変化させて表面弾性波の伝搬速度を変化させているが、圧電基板１０１ａとして用いられる水晶等は硬度が高いのでその弾性係数の変化率は小さく、センサとしての感度が低いという問題点を有していた。また、例えば走行中のタイヤの空気圧を測定するような場合には、車の走行中に発生するノイズも大きくこのノイズにより誤動作する危険性もあり、より感度の高いセンサが求められるようになってきている。

本発明は上述の課題に鑑み案出されたもので、その目的は、感度の良好な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、圧電基板の上面にインターデジタルトランスデューサを形成するとともに、該インターデジタルトランスデューサに対して弾性表面波の伝搬方向両側に反射器を配置させてなり、前記インターデジタルトランスデューサの直下に位置する圧電基板の変形によって圧力変動を検出するようにした圧力センサであって、前記インターデジタルトランスデューサの直下に位置する圧電基板の厚みが他の領域よりも薄いことを特徴とするものである。

また、前記インターデジタルトランスデューサの直下の圧電基板の底面には凹部が形成されているとともに、該凹部の底面と内壁面との角部に曲面をなしていることを特徴とする。

本発明の圧力センサによれば、インターデジタルトランスデューサの直下に位置する圧電基板の厚みが他の領域よりも薄くなっている。これによって、圧力の変化に応じてインターデジタルトランスデューサ直下の圧電基板が良好にたわむことにより、弾性表面波の伝搬速度が変化すると共に、インターデジタルトランスデューサの電極指の配列ピッチが変化して、それにより共振周波数が変化する。その結果、この変化量を測定することにより圧力の変化を容易に検出することができる。

また本発明の圧力センサによれば、圧電基板として水晶のような硬度の高い基板を用いたとしても、圧電基板のインターデジタルトランスデューサの直下に位置する領域の厚みを調整することにより圧力が印加される際のたわみ量を容易に大きくして、共振周波数の変化量を大きくすることが可能できるので、感度の高い圧力センサとすることができる。

以下、本発明の圧力センサを添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態にかかる圧力センサを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（a）のＡ―Ａ’線断面図である。

図１に示す圧力センサ１は、大略的に、圧電基板１０と、この上面に形成されたインターデジタルトランスデューサ２１および反射器２２からなる圧力検出用共振器２０と、インターデジタルトランスデューサ３１及び反射器３２からなる局部発振用共振器３０とから構成されている。

また、本実施形態の圧力センサ１は、インターデジタルトランスデューサ２１の直下に位置する圧電基板１０に凹部４０を形成することにより、インターデジタルトランスデューサ２１の直下に位置する圧電基板１０の厚みを反射器２２の直下に位置する圧電基板１０の厚みよりも薄くした構造を有している。

このような圧電基板１０は、例えば、水晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム単結晶、四ホウ酸リチウム単結晶等の圧電性の単結晶、あるいはチタン酸鉛、ジルコン酸鉛等の圧電セラミックスから成り、圧力検出用共振器２０を介して圧電基板１０に電力が印加されると、その一主面で所定の弾性表面波を発生させる作用を為す。

また、圧力検出用共振器２０は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金等の金属材料から成り、弾性表面波を励振するインターデジタルトランスデューサ２１、弾性表面波の伝搬方向に沿ってインターデジタルトランスデューサ２１の両側に配置される反射器２２、インターデジタルトランスデューサ２１に電気的に接続される外部接続用のパッド電極２３等によって構成される。

圧力検出用共振器２０を構成するインターデジタルトランスデューサ２１は、各々が帯状の共通電極とこの共通電極に対し直交する方向に延びる複数の電極指とで形成されている一対の櫛歯状電極２１ａ、２１ｂを、その共通電極同士が平行に配置され、かつ両共通電極の対向領域内で櫛歯状電極２１ａ、２１ｂの電極指が弾性表面波の伝搬方向に交互に配置されるようにかみ合わせた状態で対向配置させて構成される。

このようなインターデジタルトランスデューサ２１は、外部から所定の電力が印加されると、圧電基板１０の上面に電極指の配列ピッチに対応した所定の弾性表面波、具体的には、電極指の配列ピッチを１／２波長とする弾性表面波を発生する作用を為す。

他方、反射器２２は、インターデジタルトランスデューサ２１の形成領域内で発生する弾性表面波のエネルギーを一対の反射器２２ａ、２２ｂの間に閉じ込めて定在波を効果的に発生させる作用を為す。

そして、この一対の反射器２２ａ、２２ｂと、その間に配置されるインターデジタルトランスデューサ２１とで一端子対共振器が構成されている。

また、圧電基板１０の表面には、一般的にはインターデジタルトランスデューサ２１と電気的に接続するようにパッド電極２３が形成されており、この電極パッド２３は、外部との電気的接続をなす金属細線やバンプが接合され、インターデジタルトランスデューサ２１に外部からの所定の電力を印加する機能を有する。

更に、圧電基板１０の表面には、圧力検出用共振器２０や局部発振用共振器３０などを囲繞するように環状電極５１が形成されており、圧力センサ１が搭載される基板に形成される環状導体と半田などを介して接続することによって、振動空間を形成する作用を為す。

なお、局部発振用共振器３０は、先に述べた圧力検出用共振器２０と同様の構成を有する。

このような圧力センサ１は以下に述べる方法によって製作される。

まず、水晶等からなる単結晶の母基板（ウェハ）を用意し、これに従来周知の蒸着法やスパッタリング法によってウェハ上に電極膜を形成する。次に、この電極膜上にレジストをスピンコートし、さらにステッパー装置等を用いて露光・現像した後に、ＲＩＥ装置等を用いてエッチングしてウェハ上にインターデジタルトランスデューサや反射器等の電極パターンを形成する。これによって、ウェハの表面の縦横に多数の圧力検出用共振器２０や局部発振用共振器３０などが形成される。

次に、このウェハの圧力検出用共振器２０等の電極形成面をダイシングテープに貼り付け、この状態でエッチングまたはサンドブラスト法により、インターデジタルトランスデューサ２１の直下に位置する圧電基板１０の厚みが他の領域よりも薄くなるように加工を行なう。そしてしかる後、ウェハをダイシングカットすることにより、圧力センサの個片が完成する。

なお、圧力センサ１のチップサイズは用いる共振器の共振周波数によって異なるが、共振周波数３００ＭＨｚ程度で用いる場合、チップサイズ（長さ×幅×厚み）は１０ｍｍ×５ｍｍ×０．３ｍｍ程度である。

また、圧電基板１０のインターデジタルトランスデューサ２１直下の厚みは、所望のセンサ感度と圧力検出用共振器２０の共振周波数の関係により１０μｍ〜１００μｍの範囲に設定することが好ましい。厚みが１０μｍ以下であると圧電基板１０の強度が脆くなり、その部分から割れる等の不具合が発生する傾向がある。また、厚みが１００μｍ以上であると、圧力によるたわみ量が減少するため感度が劣化する傾向がある。

次に、本発明の圧力センサ１の圧力を検知する圧力検出用共振器２０についてその動作および実際の圧力測定方法について説明する。本発明においては、圧力検出用共振器２０での圧力変動前後の共振周波数の変化により圧力を検知している。また、局部発振用共振器３０については、圧力変動前後の共振周波数の変動がないように、圧力検出用共振器２０から距離を隔てて配置されている。ここで、局部発振用共振器３０は、圧力検出用共振器２０と弾性表面波の伝搬方向が同一方向となるように圧電基板１０上にインターデジタルトランスデューサ３１、反射器３２が形成されている。

図２は、本発明の圧力センサ１を基板６０に実装した状態を示す図である。

図２において、圧電基板１０の表面に形成された環状電極５１と、基板６０に形成された環状導体６１とが、半田６２を介して接続されることによって、気密性を有する振動空間６３が形成されており、更にその外側は樹脂５０によって被覆されている。

尚、図示していないが、パッド電極２３及び３３は基板６０上に形成された接続電極と半田バンプにより電気的に接続されている。

図３は実際の圧力測定系を模式的に示したものである。この図において、圧力センサ１はガスチャンバー９０内で窒素ボンベ９１から注入される窒素により加圧される。そして、圧力計９２で圧力上昇を確認しながら、圧力検出用共振器２０の共振周波数をネットワークアナライザ９３で測定する。これら図２、図３に示す圧力センサ１において、圧電基板１０と基板６０間は大気圧に保持されて気密封止されており、この大気圧と加圧された圧力との差圧を測定することで圧力を測定している。

ここで、本実施形態の圧力センサ１において、圧電基板１０上面に形成された圧力検出用共振器２０の拡大図とこの圧力変動前（大気圧状態）と変動後（加圧状態）の共振特性を図４に示す。図４（ａ）は本発明にかかる圧力センサ１の主要部である圧力検出用共振器２０断面の拡大図、図４（ｂ）は圧力検出用共振器２０の圧力変動前後の共振特性を示す図であり、図４（ｂ）の縦軸は挿入損失（ｄＢ）、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示す。

なお、この実験では、共振器としてＲＫＥ（Remote Keyless Entry Security）用の弾性表面波共振器（共振周波数：３１５．０ＭＨｚ）を用いた。

ここで、図４（ｂ）に示す点線の共振特性は圧力変動前（大気圧状態）であり、実線の共振特性は圧力変動後（加圧時）である。図４（ｂ）に示されているように、圧力変動前後の共振特性を比較すると圧力変動後（加圧時）の共振特性は共振周波数が低周波側にシフトしている。これは圧力変動により、圧力検出用共振器２０のインターデジタルトランスデューサ２１の直下に位置する圧電基板１０が凸状に変形したためである。即ち、圧電基板１０の歪みが生じた部分の弾性表面波の伝搬速度が変化すると共に、インターデジタルトランスデューサ２１の電極指の配列ピッチが変化し、この２つの作用によって共振周波数がシフトしたことになる。

そして共振周波数の変化量と圧力の関係を事前に求めておくことにより、共振周波数の変化を測定することで、圧力に換算することができる。

そして本発明にかかる圧力センサにとって特徴的な点は、図４（ｂ）に示すように圧力変動前後の共振周波数の変化量が大きいことである。

以上の実験結果より明らかであるように、圧力検出用共振器２０のインターデジタルトランスデューサ２１直下に位置する圧電基板１０の厚みを反射器２２の直下に位置する圧電基板１０の厚みよりも薄くなしたことから、圧力変動によるインターデジタルトランスデューサ２１直下に位置する圧電基板１０のたわみ量を大きくできるため圧力変動前後の共振周波数の変化量を大きくでき、感度の高い圧力センサを得ることができる。

このような本発明の圧力センサの用途としてはタイヤ状態監視装置（ＴＰＭＳ）等がある。その送信系ブロック図を図５に示す。図５においては、本発明の圧力センサを圧力検出用回路７０と局発・リファレンス回路８０に応用した例である。すなわち、圧力検出用共振器２０は圧力検出用回路７０の共振器として、また、局部発振用共振器３０は局発・リファレンス回路８０の共振器として使用される。

ここで局部発振用共振器３０は図１（ａ）に示すように、圧電基板１０とこの上面に形成されたインターデジタルトランスデューサ３１、反射器３２、パッド電極３３から構成される。そして、局部発振用共振器としての機能の他に、圧力検出用共振器の温度変化による影響を補正する為のリファレンスとして機能させることも可能である。

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６を用いて説明する。尚、本実施形態においては先に述べた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。

図６は本実施形態の圧力センサ２を模式的に示す断面図である。本実施形態の圧力センサ２が先に述べた圧力センサ１と異なる点は、圧電基板１０に形成された凹部４０の内壁面と底面との交差する角部が曲面（凹曲面）４１となっていることである。これによって、凹部４０に圧力が印加された際に、内壁面と底面との接続部への応力集中を防止し、機械的強度を向上させることが出来る。また、凹部４０の内壁面と底面（天井面）とが交差する接続部に凹曲面４１が形成されていることにより、この部分によるバルク波の反射方向が分散されることになる。そして、インターデジタルトランスデューサ２１において弾性表面波の他にバルク波も発生し、それが圧電基板１０の底面で反射し、再びインターデジタルトランスデューサ２１に達するとバルク波スプリアスとなって、電気特性を悪化させるが、上述のようにバルク波の反射方向が分散されることにより、電気特性の変化を抑制することもできる。

さらに、圧電基板１０のインターデジタルトランスデューサ２１直下の領域の厚みから反射器２２の直下の領域の厚みへと連続的に変化するようになることにより、境界部における弾性表面波の散乱を抑制する効果も奏することができる。

なお、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・改良などが可能である。

例えば、上述した実施形態においては、圧電基板１０の上に圧力検出用共振器２０と局部発振用共振器３０を形成した例を示したが、圧力検出用共振器２０のみを形成するようにしても構わない。

また、上述した実施形態においては、インターデジタルトランスデューサ２１の形成領域付近のみに凹部４０を形成したが、凹部４０の形成領域を弾性表面波の伝搬方向に対して垂直な方向に拡張しても良く、その方向において圧電基板１０の端部に達するようにしても構わない。これにより、圧電基板１０のインターデジタルトランスデューサ２１の直下の領域における、圧力による変形量を大きくし、圧力に対する感度を高めることが出来る。

更に、上述した実施形態においては、環状電極５１と、環状導体６１と、両者を接続する半田６２とによって振動空間６３を気密封止するようにしたが、これらには樹脂の流入を防ぐダムとしての機能のみを持たせ、樹脂５０によって気密封止するようにしても構わない。

また更に、上述の実施形態においては、本発明を一端子対共振器に適用した例について説明したが、本発明と同様に弾性表面波のエネルギー閉じ込め効果を利用した設計手法を用いた共振器やフィルタ等に適用可能である。例えば、二端子対共振器や多重モードフィルタ等にも本発明を適用可能である。

（ａ）は本発明の一実施形態にかかる圧力センサの上面図、（ｂ）は（ａ）の圧力センサの断面図である。 本発明の一実施形態にかかる圧力センサを基板上に実装した状態を示す断面図である。 本発明の圧力センサの圧力測定系を示す図である。 （ａ）は本発明の一実施形態にかかる圧力センサの主要部である圧力検出用共振器の断面図、（ｂ）は（ａ）の圧力検出用共振器の共振特性を示す図である。 本発明の圧力センサをタイヤ状態監視装置（ＴＰＭＳ）に使用した場合の送信系のブロック図である。 本発明の他の実施形態にかかる圧力センサを模式的に示す断面図である。 従来の弾性表面波センサを模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１、２・・・圧力センサ
１０・・・圧電基板
２０・・・圧力検出用共振器
２１・・・インターデジタルトランスデューサ
２１ａ、２１ｂ・・・櫛歯状電極
２２・・・反射器
２３・・・パッド電極
３０・・・局部発振用共振器
３１・・・インターデジタルトランスデューサ
３２・・・反射器
３３・・・パッド電極
４０・・・凹部
５０・・・樹脂
５１・・・環状電極
６０・・・基板
６１・・・環状導体
６２・・・半田
６３・・・振動空間
７０・・・圧力検出用回路
８０・・・局発・リファレンス回路
９０・・・ガスチャンバー
９１・・・窒素ボンベ
９２・・・圧力計
９３・・・ネットワークアナライザ

Claims (2)

1. 圧電基板の上面にインターデジタルトランスデューサを形成するとともに、該インターデジタルトランスデューサに対して弾性表面波の伝搬方向両側に反射器を配置させてなり、前記インターデジタルトランスデューサの直下に位置する圧電基板の変形によって圧力変動を検出するようにした圧力センサであって、前記インターデジタルトランスデューサの直下に位置する圧電基板の厚みが前記反射器の直下に位置する圧電基板の厚みよりも薄いことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記インターデジタルトランスデューサの直下の圧電基板の底面には凹部が形成されているとともに、該凹部の底面と内壁面との角部に曲面をなしていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。

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