JP2006038789A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】支持体に接合されたダイヤフラムの受圧面と支持体とステムとの接合面とが平行となっているために、ステムと支持体との熱膨張係数の違いによって生じる歪みがダイヤフラムに加わり、ダイヤフラム型圧力センサの温度特性を劣化させる。
【解決手段】ダイヤフラム１１を有する圧電基板１２と圧力導入路１６を備えたステム１７とを、Ｌ字型の貫通路１４を有する支持体１５を介して、圧力導入路１６、貫通路１４及びダイヤフラム１１受圧部とが連通するように接合することによって、圧電基板１２と支持体１５、支持体１５とステム１７との接合面がそれぞれ直交するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関し、特にピエゾ抵抗やＳＡＷ電極を付設したダイヤフラムを有する半導体あるいは圧電体基板を備え、圧力によって生じるダイヤフラムの変形を抵抗値や周波数の変化に変換してその圧力を検出する圧カセンサに関する。

従来、ダイヤフラム型圧カセンサは、シリコン等に形成されたダイヤフラムに印加される外部圧力によって生じるダイヤフラムの撓みを、ダイヤフラムに付設されたピエゾ抵抗等の検出素子の電気的特性の変化として取り出すことによって、ダイヤフラムに加わる圧力を検出するものである。
図２は、従来例としての特開２００１−５９７８９号公報に開示されているダイヤフラム型の半導体圧力検出器の構造図である。
同図に示されるように、本例の半導体圧力検出器２０は、外部圧力によって撓みを生じるダイヤフラム２１を形成した半導体基板２２と、ダイヤフラム２１に付設されその撓みの量を検出するピエゾ抵抗２３と、貫通孔２４を有して前記半導体基板２２を支持する支持体２５と、外部圧力を導入する圧力導入路２６を備えたステム２７より構成される。

前記支持体２５は貫通孔２４がダイヤフラム２１に連通するように接合され、ステム２７は圧力導入路２６と前記貫通孔２４が連通するように接合される。
このように構成された圧力検出器２０は、図示しない圧力導入孔を備えたパッケージに収容されて使用される。
特開２００１−５９７８９号公報

前記構造の半導体圧力検出器２０においては、ステム２７は金属材料が用いられ、支持体２５はダイヤフラム２１（半導体基板２２）と同一材料が用いられるのが一般的である。そして、半導体基板２２を支持体２５を介してステム２７に接合することによって、ダイヤフラム２１とステム２７を直接接合した場合に生じる熱膨張係数の違いによる歪みを緩和し、圧力検出器２０の温度特性の改善に寄与している。
しかしながら、上記構造にあっては、ピエゾ抵抗２３が付設されたダイヤフラム２１の受圧面がステム２７と支持体２５との接合面と平行となっているために、前述した熱膨張係数の違いによって生じる歪みを完全に除去することが不可能である。このため、ダイヤフラムの材料として水晶材を用いた水晶圧力センサなどのように高精度のセンサにおいては、充分に性能を実現できないという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、精度の高いダイヤフラム型の圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の圧カセンサにおいては、圧力による変形量を検出する検出素子を備えたダイヤフラムを形成した基板に、貫通路を有する支持体を前記貫通路がダイヤフラム受圧部に連通するように接合し、圧力を導入する圧力導入路を有するステムを前記圧力導入路と貫通路が連通するように前記支持体に接合して構成される圧力センサであって、前記基板と支持体との接合面と前記ステムと支持体との接合面とが直交するように接合されていることを特徴とする。
また、請求項２の圧カセンサにおいては、請求項１に記載の圧カセンサであって、前記基板が前記支持体と同一の材質からなることを特徴とする。
請求項３の圧カセンサにおいては、請求項１または請求項２に記載の圧力センサであって、前記基板が圧電基板であり、前記検出素子が圧電基板上に少なくとも一つ以上のＩＤＴ電極を備えたＳＡＷデバイスであることを特徴とする。
さらに、請求項４の圧カセンサにおいては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧力センサであって、前記基板が水晶基板であることを特徴とする。

本発明のダイヤフレム型圧力センサにおいては、ダイヤフラムを有する圧電基板と支持体との接合面と、前記支持体とステムとの接合面とが直交するように構成した。その結果、ダイヤフラムと同一素材の支持体とステムの材料の熱膨張係数の違いによって生じる歪みがダイヤフラム受圧部および検出素子の付設面に伝達されること防止でき、ダイヤフラム型の圧力センサの温度特性を大幅に改善できる。
したがって、本発明は精度の高いダイヤフラム型の圧力センサを提供する上で顕著な効果を有する。

本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。図１は、本発明に係わるダイヤフラム型の水晶圧力センサの実施の一形態例を示す縦断面図である。
図１に示されるように、本ダイヤフラム型の水晶圧カセンサ（以下、単に圧力センサという）１０は、外部圧力によって撓みを生じるダイヤフラム１１を有する水晶基板１２と、ダイヤフラム１１に付設されその撓みの量を検出するＳＡＷデバイス１３と、貫通路１４を有して前記水晶基板１２を支持する水晶材による支持体１５と、外部圧力を導入する圧力導入路１６を備えた金属製のステム１７より構成される。

本発明の特徴は、前記支持体１５と水晶基板１２との接合形態にあって、ステム１７、支持体１５、水晶基板１２は次のように接合される。
まず、圧力導入路１６を備えたステム１７とＬ字型に形成された貫通路１４を有する支持体１５とが、支持体１５の貫通路１４の一端と前記圧力導入路１６とが連通するように接合される。
次に、水晶薄板にエッチングによってダイヤフラム１１を形成し、エッチング面の裏面に少なくとも一つ以上のＩＤＴ電極より構成されるＳＡＷデバイス１３を付設した水晶基板１２が、前記支持体１５の貫通路１４の他端にダイヤフラム１１の受圧面と前記支持体１５の貫通路１４とが連通するように接合される。
このように構成された圧力センサ１０は、図示しない圧力導入孔を備えたパッケージに収容されて使用される。

前記支持体１５の貫通路１４はＬ字型に構成されているため、支持体１５とステム１７、及び支持体１５と水晶基板１２のそれぞれの接合面は、互いに直交して接合されることになる。
上記のように構成することにより、支持体１５とステム１７の材料熱膨張係数の違いによって生じる応力歪みは、その応力が支持体１５とステム１７との接合面に水平方向の応力となるため、それと直交方向に接合されたダイヤフラム１１の受圧部及び検出素子のＳＡＷデバイス１３の付設面には直接伝達されることを防止できる。そのため、周囲温度変化によって生じる特性劣化を防止して、温度特性を大幅に改善することができる。
また、本圧力センサ１０の検出素子をＳＡＷデバイスとしたことによって、ピエゾ抵抗等を検出素子とした場合と比して、検出信号をディジタル信号処理する上で極めて有利であり、圧力センサ１０の精度向上に貢献できる。

本実施例においては、支持体１５は、ダイヤフラムと同一素材の水晶材で構成したが、ダイヤフラムが他の圧電基板や半導体基板で構成された場合は、それと同一の素材で支持体を構成すれば良いことは当然であり、また、ダイヤフラムに付設される検出素子がピエゾ抵抗のような他の検出素子であっても良いことは言うまでもない。

本発明に係わるダイヤフラム型圧力センサの実施の一形態例を示す縦断面図。 従来例としての特開２００１−５９７８９号公報に開示されているダイヤフラム型の半導体圧力検出器の構造図。

符号の説明

１０・・ダイヤフラム型圧カセンサ、 １１・・ダイヤフラム、１２・・水晶基板、
１３・・ＳＡＷデバイス、 １４・・貫通路、 １５・・支持体、 １６・・圧力導入路、
１７・・ステム、 ２０・・圧力検出器、 ２１・・ダイヤフラム、２２・・半導体基板、
２３・・ピエゾ抵抗、 ２４・・貫通孔、 ２５・・支持体、 ２６・・圧力導入路、
２７・・ステム、

Claims (4)

1. 圧力による変形量を検出する検出素子を備えたダイヤフラムを形成した基板に、貫通路を有する支持体を前記貫通路がダイヤフラム受圧部に連通するように接合し、圧力を導入する圧力導入路を有するステムを前記圧力導入路と貫通路が連通するように前記支持体に接合して構成される圧力センサであって、
   前記基板と支持体との接合面と前記ステムと支持体との接合面とが直交するように接合されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記基板が前記支持体と同一の材質からなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記基板が圧電基板であり、前記検出素子が圧電基板上に少なくとも一つ以上のＩＤＴ電極を備えたＳＡＷデバイスであ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。
4. 前記基板が水晶基板であ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。
   

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