JP2005208031A - 圧力センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】基準信号を発振する発振回路に接続される共振子を圧力センサと一体化させることにより、小型化を可能にした圧力センサモジュールを提供する。
【解決手段】一主面に凹部が形成されているセンサ基板上で、前記凹部の形成領域内に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む圧力検出用弾性表面波素子を、前記凹部の形成領域外に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む参照用弾性表面波素子を設けたセンサ素子と、前記圧力検出用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数で発振する第１の発振回路と、前記参照用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数で発振する第２の発振回路と、前記第１の発振回路からの発振信号と前記第２の発振回路からの発振信号とを比較して変換信号を生成するとともに、該変換信号を出力する差分生成回路と、前記差分生成回路からの変換信号と前記第２の発振回路からの発振信号とを変調して外部に出力する変調回路と、によって圧力センサモジュールを構成する。
【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モジュールに関するものである。

従来より、気体や液体などの圧力変動を検出するのに圧力センサモジュールが用いられている。

かかる従来の圧力センサモジュールとしては、センサ素子を有した圧力センサと発振回路とを備えたものが知られており、前記圧力センサへの圧力印加によって得られた圧力変動情報を前記発振回路からの発振信号によって変調することにより所定の圧力変動データを生成し、これをアンテナを介して外部へ送信・出力することによって圧力センサモジュールとして機能する。

尚、上述した圧力センサのセンサ素子には例えば静電容量型のセラミック基体が、また発振回路には例えば弾性表面波素子からなる共振子が用いられていた。

しかしながら、上述した従来の圧力センサモジュールは、セラミック基体からなるセンサ素子を備えた圧力センサと、弾性表面波素子からなる共振子とが異なる材料によって形成されており、これらの部品がそれぞれ別個に搭載されているため、部品点数が多くなって組み立て工程が煩雑になり、圧力センサモジュールの生産性の低下を招くとともに、圧力センサモジュールの軽量化、小型化を図ることが困難であるという欠点を有していた。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、軽量化、小型化を可能とし、且つ生産性を高く維持することができる圧力センサモジュールを提供することにある。

本発明の圧力センサモジュールは、一主面に凹部が形成されているセンサ基板上で、前記凹部の形成領域内に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む圧力検出用弾性表面波素子を、前記凹部の形成領域外に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む参照用弾性表面波素子を設けたセンサ素子と、前記圧力検出用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数で発振する第１の発振回路と、前記参照用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数で発振する第２の発振回路と、前記第１の発振回路からの発振信号と前記第２の発振回路からの発振信号とを比較して変換信号を生成するとともに、該変換信号を出力する差分生成回路と、前記差分生成回路からの変換信号と前記第２の発振回路からの発振信号とを変調して外部に出力する変調回路と、を備えてなるものである。

また本発明の他の圧力センサモジュールは、一主面に凹部が形成されているセンサ基板上で、前記凹部の形成領域内に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む圧力検出用弾性表面波素子を、前記凹部の形成領域外に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む参照用弾性表面波素子を設けたセンサ素子と、前記圧力検出用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所定周波数で発振する第１の発振回路と、前記参照用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所定周波数で発振する第２の発振回路と、前記第１の発振回路からの発振信号と前記第２の発振回路からの発振信号とを比較して変換信号を生成するとともに、該変換信号を出力する差分生成回路と、前記差分生成回路からの変換信号と前記第２の発振回路からの発振信号とを変調して外部に出力する変調回路と、を備えてなるものである。

更に本発明の圧力センサモジュールは、前記第１の発振回路、前記第２の発振回路、前記差分生成回路及び前記変調回路が単一のＩＣチップ上に集積されており、該ＩＣチップと前記センサ素子とが共通の支持基板上に搭載さ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モジュールによれば、参照用弾性表面波素子を圧力検出用弾性表面波素子と同一のセンサ基板上に設け、参照用弾性表面波素子の共振周波数に基づく発振信号を、圧力検出用弾性表面波素子の共振周波数に基づく発振信号との差分をとることによって変換信号を生成するのに用いるとともに、該変換信号を変調するための基準信号として用いるようにしたことから、部品点数を少なくして構成及び組み立て工程を簡素化することができる。これにより、圧力センサモジュールの生産性を高く維持することができるとともに、圧力センサモジュールの軽量化及び小型化を図ることが可能となる。

また本発明の圧力センサモジュールによれば、圧力検出用弾性表面波素子及び参照用弾性表面波素子が同一のセンサ基板上に形成されているため、共振周波数の温度依存性は、双方の弾性表面波素子の共振周波数に基づく２つの発振信号の差分をとったときにキャンセルされる。即ち、差分生成回路で生成された変換信号が温度補正されるという利点もある。

一方、本発明の他の圧力センサモジュールによれば、参照用弾性表面波素子を圧力検出用弾性表面波素子と同一のセンサ基板上に設け、参照用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生成された発振信号を、圧力検出用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生成された発振信号との差分をとることによって変換信号を生成するのに用いるとともに、該変換信号を変調するための基準信号として用いるようにしたものであり、これによっても、圧力センサモジュールの部品点数を少なくして構成及び組み立て工程を簡素化することができ、圧力センサモジュールの生産性向上や軽量化、小型化に供することができる。

また本発明の他の圧力センサモジュールによれば、圧力検出用弾性表面波素子及び参照用弾性表面波素子は同一のセンサ基板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生成された２つの発振信号の差分をとったときにキャンセルされる。即ち、差分生成回路で生成された変換信号が温度補正されるという利点もある。

更に本発明の圧力センサモジュールによれば、前記第１の発振回路、前記第２の発振回路、前記差分生成回路及び前記変調回路を単一のＩＣチップ上に集積させたことから、ＩＣチップとセンサ素子とを共通の支持基板上に搭載することにより、圧力センサモジュールをより有効に軽量化し、小型化することができる。

以下、本発明の圧力センサモジュールを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モジュールの断面図、図２は図１の圧力センサモジュールに使用されるセンサ素子２０の斜視図であり、これらの図に示す圧力センサモジュールは、大略的に、センサ素子２０と、支持基板６と、封止材４、ＩＣチップ１２、アンテナ１３とで構成されている。

センサ素子２０を構成するセンサ基板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の直下領域に圧力検出用弾性表面波素子２が設けられ、凹部形成領域の外側には参照用弾性表面波素子３が設けられている。

このようなセンサ基板１の材質としては、圧力検出用弾性表面波素子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、四硼酸リチウム等の単結晶圧電材料が好適に使用される。

また、前記圧力検出用弾性表面波素子２は、例えば、圧電体とインターデジタルトランスデューサ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、インターデジタルトランスデューサ２ａには、支持基板６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。

同様に前記参照用弾性表面波素子３についても、圧電体とインターデジタルトランスデューサ３ａとその両側に配される一対の反射器３ｂとで構成される弾性表面波素子から成り、インターデジタルトランスデューサ３ａには、支持基板６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。

このような圧力検出用弾性表面波素子２及び参照用弾性表面波素子３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インターデジタルトランスデューサ２ａ、３ａ及び反射器２ｂ、３ｂ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、圧力検出用弾性表面波素子２及び参照用弾性表面波素子３を構成するインターデジタルトランスデューサ２ａ、３ａ及び反射器２ｂ、３ｂ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はインターデジタルトランスデューサ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、先に述べたインターデジタルトランスデューサ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６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６の上面には、センサ基板１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１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。

また支持基板６の下面には、複数個の端子電極（図示せず）が形成されており、これらの端子電極は支持基板６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１下面の圧力検出用弾性表面波素子２及び参照用弾性表面波素子３等と電気的に接続される。

尚、このような支持基板６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。

そして、上述したセンサ基板１と支持基板３との間には、圧力検出用弾性表面波素子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、上述した圧力検出用弾性表面波素子２や参照用弾性表面波素子３等を、センサ基板１、支持基板６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インターデジタルトランスデューサ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、センサ素子２０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る。

また、センサ基板１の電極パッド７と支持基板６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。

そして、支持基板６の下面の端子電極には、後述する第１の発振回路、第２の発信回路、差分生成回路及び変調回路を集積したＩＣチップ１２、アンプ１５及びアンテナ１３が接続され、更に、これらを覆うように樹脂１４がモールド形成されている。

このように、第１の発振回路、第２の発振回路、差分生成回路及び変調回路を単一のＩＣチップ１２上に集積することにより、ＩＣチップ１２とセンサ素子２０とを共通の支持基板６上に搭載することによって、圧力センサモジュールを軽量化し、小型化することができる。尚、差分生成回路としては、例えばミキサーを用いることができる。

次に、上述した圧力センサモジュールの回路構成について図３を用いて説明する。

圧力検出用弾性表面波素子２は、その共振周波数に基づいて所定周波数で発振する第１の発振回路と接続しており、かかる発振回路からの発振信号を差分生成回路に出力する。本実施形態の圧力検出用弾性表面波素子２は、凹部５の直下領域（以下、肉薄部という。）に形成されているので、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、圧力検出用弾性表面波素子２が圧力の強さに応じて上記肉薄部と共に変形し、その共振周波数を変化させることにより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３は、その共振周波数に基づいて所定周波数で発振する第２の発振回路と接続しており、上述した圧力検出用弾性表面波素子２と同様に、発信回路からの発振信号を差分生成回路に出力する。また、参照用弾性表面波素子３は、その共振周波数に基づく出力信号を、圧力検出用弾性表面波素子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３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、第２の発振回路を介して所定周波数で発振することができる。

そして本実施形態の圧力センサモジュールは、圧力が印加されない状態において圧力検出用弾性表面波素子２と参照用弾性表面波素子３の共振周波数が同じとなるように設計されているので、双方の弾性表面波素子の共振周波数に基づく２つの発振信号の差分をとることによって変換信号を生成することにより、センサ基板１の上方より印加される外部からの圧力変動を検出するようになっている。

またこのとき、上述した圧力検出用弾性表面波素子２及び参照用弾性表面波素子３は同一のセンサ基板１上に形成されているので、共振周波数の温度依存性は、双方の弾性表面波素子の共振周波数に基づく２つの発振信号の差分をとったときにキャンセルされる。即ち、差分生成回路で生成された変換信号が温度補正される。

そして、差分生成回路で生成された変換信号は、上述した第２の発振回路からの発振信号を基準信号として変調回路によって変調され、得られた圧力変動データが、アンプ等により増幅されてアンテナを介して外部へ送信・出力されるようになっており、かくして、本実施形態の圧力センサモジュールは、気体や液体などの圧力の変動を検出した圧力変動データを送信する圧力センサモジュールとして機能する。

このように本実施形態の圧力センサモジュール１０によれば、参照用弾性表面波素子３を圧力検出用弾性表面波素子２と同一のセンサ基板１上に設けており、参照用弾性表面波素子３の共振周波数に基づく発振信号を、圧力検出用弾性表面波素子２の共振周波数に基づく発振信号との差分をとることによって変換信号を生成するのに用いるとともに、該変換信号と変調する基準信号としても用いたことから、部品点数を少なくして構成及び組み立て工程を簡素化することができる。これにより、圧力センサモジュールの生産性を高く維持することができるとともに、圧力センサモジュールの軽量化及び小型化を図ることができる。

次に本発明の他の実施形態に係る圧力センサモジュールについて図４及び図５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モジュールが先に述べた図１、図２の圧力センサモジュールと異なる点は、圧力検出用弾性表面波素子２２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インターデジタルトランスデューサ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３３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インターデジタルトランスデューサ３ａと、その間の弾性表面波の伝搬路３ｃ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の凹部５は、圧力検出用弾性表面波素子２２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、表面圧力検出用弾性表面波素子２２と参照用弾性表面波素子３３の両側、具体的には、弾性表面波の伝播方向に係る各素子２２，３３の両側には、弾性表面波を減衰させ、センサ基板1の端部などで弾性表面波が多重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、圧力検出用弾性波素子２２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。

すなわち、本実施形態における圧力検出用弾性表面波素子２２も図１、図２の実施形態における圧力検出用弾性表面波素子２と同様に圧力検出素子として機能し、本実施形態におけるセンサ素子５０も図１、図２の実施形態におけるセンサ素子２０と同様にセンサ素子として機能する。

以上のような図４、図５の圧力センサモジュールは、参照用弾性表面波素子３３を圧力検出用弾性表面波素子２２と同一のセンサ基板１上に設け、参照用弾性表面波素子３３で生じた電気信号の遅延時間に基づいて生成された発振信号を、圧力検出用弾性表面波素子２２で生じた電気信号の遅延時間に基づいて生成された発振信号の差分をとることによって変換信号を生成するのに用いるとともに、該変換信号を変調するための基準信号として用いるようにしたものであり、これによっても、圧力センサモジュールの部品点数を少なくして構成及び組み立て工程を簡素化することができ、圧力センサモジュールの生産性向上や軽量化、小型化に供することができる。

またこの場合も、圧力検出用弾性表面波素子２２及び参照用弾性表面波素子３３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２２，３３で生じた電気信号の遅延時間に基づいて生成された２つの発振信号の差分をとったときにキャンセルされる。即ち、差分生成回路で生成された変換信号が温度補正されるようになっている。

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、封止領域内の圧力検出用弾性表面波素子２を外部からのノイズに影響されることなく安定して動作させることが可能となる。

また上述した図４、図５の実施形態においては、凹部５を圧力検出用弾性表面波素子２２の配設領域全域にわたり設けるようにしたが、これに代えて、凹部５を圧力検出用弾性表面波素子２２の配設領域の一部、例えば、伝搬路２ｃの直下にのみ設けたり、或いは、伝搬路２ｃの直下からインターデジタルトランスデューサ２ａの中央付近にかけて部分的に設けても構わない。

本発明の一実施形態にかかる圧力センサモジュールの断面図である。 図１の圧力センサモジュールに用いられるセンサ素子を下方からみた斜視図である。 図１の圧力センサモジュールの回路構成を説明するブロック図である。 本発明の他の実施形態にかかる圧力センサモジュールの断面図である。 図４の圧力センサモジュールに用いられるセンサ素子を下方からみた斜視図である。

符号の説明

１・・・・・・・センサ基板
２、２２・・・・圧力検出用弾性表面波素子
２ａ・・・・・・圧力検出用弾性表面波素子のインターデジタルトランスデューサ
２ｂ・・・・・・圧力検出用弾性表面波素子の反射器
２ｃ・・・・・・圧力検出用弾性表面波素子の弾性表面波の伝搬路
３、３３・・・・参照用弾性表面波素子
３ａ・・・・・・参照用弾性表面波素子のインターデジタルトランスデューサ
３ｂ・・・・・・参照用弾性表面波素子の反射器
３ｃ・・・・・・参照用弾性表面波素子の弾性表面波の伝搬路
４・・・・・・・封止材
５・・・・・・・凹部
６・・・・・・・支持基板
７・・・・・・・電極パッド
８、９・・・・・接合用導体
１０、４０・・・圧力センサモジュール
１２・・・・・・ＩＣチップ
１３・・・・・・アンテナ
１４・・・・・・樹脂
１５・・・・・・アンプ
１７・・・・・・ダンピング材
２０、５０・・・センサ素子

Claims (3)

1. 一主面に凹部が形成されているセンサ基板上で、前記凹部の形成領域内に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む圧力検出用弾性表面波素子を、前記凹部の形成領域外に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む参照用弾性表面波素子を設けたセンサ素子と、
   前記圧力検出用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数で発振する第１の発振回路と、
   前記参照用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数で発振する第２の発振回路と、
   前記第１の発振回路からの発振信号と前記第２の発振回路からの発振信号とを比較して変換信号を生成するとともに、該変換信号を出力する差分生成回路と、
   前記差分生成回路からの変換信号と前記第２の発振回路からの発振信号とを変調して外部に出力する変調回路と、を備えてなる圧力センサモジュール。
2. 一主面に凹部が形成されているセンサ基板上で、前記凹部の形成領域内に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む圧力検出用弾性表面波素子を、前記凹部の形成領域外に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む参照用弾性表面波素子を設けたセンサ素子と、
   前記圧力検出用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所定周波数で発振する第１の発振回路と、
   前記参照用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所定周波数で発振する第２の発振回路と、
   前記第１の発振回路からの発振信号と前記第２の発振回路からの発振信号とを比較して変換信号を生成するとともに、該変換信号を出力する差分生成回路と、
   前記差分生成回路からの変換信号と前記第２の発振回路からの発振信号とを変調して外部に出力する変調回路と、を備えてなる圧力センサモジュール。
3. 前記第１の発振回路、前記第２の発振回路、前記差分生成回路及び前記変調回路が単一のＩＣチップ上に集積されており、該ＩＣチップと前記センサ素子とが共通の支持基板上に搭載されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサモジュール。

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