JP2006300784A - Saw pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SAW素子を用い周波数変動により圧力を検知するSAW圧力センサに関する。 The present invention relates to a SAW pressure sensor that uses a SAW element to detect pressure based on frequency fluctuations.
近年、弾性表面波(SAW)デバイスは通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を有することから、携帯電話等の通信機器におけるフィルタとして利用する以外に、圧力センサとしても利用されてきている。 In recent years, surface acoustic wave (SAW) devices have been widely used in the communication field and have excellent characteristics such as high performance, small size, and mass productivity. Therefore, in addition to being used as filters in communication devices such as mobile phones, pressure sensors It has been used as.
図5(a)は特開昭60−20134号公報にて開示されているSAW圧力センサの断面図を示している。ケース51は一端が開口したケースであり、そのケース内側面には段差52と貫通孔53が設けられている。表面波基板54はPZTなどの圧電セラミックス、LiNbO3などの単結晶、或いはZnOなどの圧電薄膜を形成したガラス基板などで構成されている。この表面波基板54上には図5(b)に示すように、櫛形電極55、56が所定の間隔をあけて配置されており、櫛型電極55、56の一方の電極間には増幅器7が挿入されると共に他方の電極は接地される。表面波基板54はケース51内の段差52上に固定され、ケース51との間に密閉空間58を構成し、貫通孔53を通して密閉空間58内の圧力が一定値に設定した後、シール部材59が取り付けられる。そして、ケース51の開口端には多数の孔を有する蓋60が取り付けられる。
FIG. 5A shows a sectional view of the SAW pressure sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-20134. The case 51 is a case having one end opened, and a
次に、図6は特開昭61−80024号公報に開示されているSAW圧力センサの断面図を示している。このSAW圧力センサは、厚肉部71と薄肉のダイヤフラム部72とからなる基体73を備え、ダイヤフラム部72上に櫛型電極74が形成されている。なお、基体73は、エッチング加工等により基板を凹状に形成しており、ダイヤフラム部72と肉厚部73とが一体となっている。
Next, FIG. 6 shows a sectional view of the SAW pressure sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 61-80024. This SAW pressure sensor includes a
以上説明したSAW圧力センサは、圧電基板に圧力を受けると、圧電基板の撓みにより櫛型電極の電極指間の間隔が変化し、それに伴い発振周波数が変化し、この周波数変化量により圧力を検知している仕組みである。 In the SAW pressure sensor described above, when pressure is applied to the piezoelectric substrate, the distance between the electrode fingers of the comb-shaped electrode changes due to the bending of the piezoelectric substrate, and the oscillation frequency changes accordingly, and the pressure is detected by the amount of frequency change. It is a mechanism that does.
また、前記SAW圧力センサは、図7に示すように外部のセンシング装置81のアンテナ82から発信される駆動信号をSAW圧力センサ83に接続されたアンテナ84で受信しSAW素子を駆動させている。そして、SAW素子で検出した周波数変化は再びアンテナ84を介してセンシング装置81へ送信される。従って、SAW圧力センサは動作に外部電源を必要とせず、ワイヤレスで信号を送受信することができるという利点を有している。
ところで、前記SAW圧力センサにおいて、センサとアンテナとを別々に設けているのでセンサ側の装置が大型になってしまうという問題があった。また、アンテナもケース等でパッケージングする必要があるので、大量生産するためにはコストが高くなるという問題もあった。前記問題を解決するために、本発明ではSAW素子を用いたSAW圧力センサにおいて、小型化、低コスト化を図ることを目的とする。 By the way, in the SAW pressure sensor, since the sensor and the antenna are provided separately, there is a problem that the device on the sensor side becomes large. In addition, since the antenna needs to be packaged in a case or the like, there is a problem that the cost becomes high for mass production. In order to solve the above problems, an object of the present invention is to reduce the size and cost of a SAW pressure sensor using a SAW element.
上記課題を解決するために本発明に係るSAW圧力センサの請求項1に記載の発明は、 一方の主面に櫛型電極を形成した圧電基板と、天井部が開口し内底部の中央に貫通孔を形成したケース部材と、前記貫通孔を取り囲むように前記圧電基板と前記ケース部材とを接合する接着部材と、前記ケース部材を封止するための蓋体とを備えたSAW圧力センサにおいて、前記圧電基板上に外部のセンシング装置と送受信を行うアンテナをストリップラインにより形成することを特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to
請求項2に記載の発明は、前記ケース部材、又は前記圧電基板は、前記貫通孔を取り囲むように環状の枠体を設けられていることを特徴としている。
The invention described in
請求項3に記載の発明は、前記圧電基板は、櫛型電極周辺がエッチング加工により薄肉になっていることを特徴としている。
The invention described in
請求項1に記載の発明によれば、SAW素子の周波数変化により圧力を検知するSAW圧力センサにおいて、圧電基板上にストリップラインでアンテナを形成し、センサとアンテナを一体にしたので、センサ装置の小型化、低コスト化を実現できる。 According to the first aspect of the present invention, in the SAW pressure sensor that detects the pressure by changing the frequency of the SAW element, the antenna is formed on the piezoelectric substrate by the stripline, and the sensor and the antenna are integrated. Miniaturization and cost reduction can be realized.
請求項2に記載の発明によれば、ケース部材、又は圧電基板に貫通孔を取り囲むように枠体を設けることにより、圧電基板とケース部材との接合部分における支点間距離を正確に制御できるので、センサ感度のばらつきを抑圧することができ、再現性の良いセンサを実現できる。 According to the second aspect of the present invention, since the frame member is provided so as to surround the through hole in the case member or the piezoelectric substrate, the distance between the fulcrums at the joint portion between the piezoelectric substrate and the case member can be accurately controlled. Thus, variations in sensor sensitivity can be suppressed, and a sensor with good reproducibility can be realized.
請求項3に記載の発明によれば、圧電基板の櫛型電極周辺をエッチング加工により薄肉にして凹状にすることにより、平板状の圧電基板と比較して機械的強度を損ねることなく基板の厚みを薄くすることができるので、良好なセンサ感度が得られる。また、圧電基板とケース部材との接合部分における支点間距離を正確に制御できるので、センサ感度のばらつきを抑圧することができ再現性の良いセンサを実現できる。更に、圧電基板をケースに実装する際に精度を必要としないので製造効率を改善できる。 According to the third aspect of the present invention, the thickness of the substrate is reduced without deteriorating the mechanical strength as compared with the flat plate-shaped piezoelectric substrate by making the periphery of the comb-shaped electrode of the piezoelectric substrate thin by etching and making it concave. Can be made thin, so that good sensor sensitivity can be obtained. Further, since the distance between the fulcrums at the joint portion between the piezoelectric substrate and the case member can be accurately controlled, variations in sensor sensitivity can be suppressed, and a sensor with good reproducibility can be realized. Furthermore, since the accuracy is not required when the piezoelectric substrate is mounted on the case, the manufacturing efficiency can be improved.
以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。図1(a)は本発明に係るSAW圧力センサの断面図を示している。ケース部材1は天井部が開口しており、裏面に外部に接続するための接続用端子2を設け、内底部の中央に貫通孔3を形成している。また、圧電基板10は、一方の主面にSAW素子11を形成している。そして、貫通孔3を取り囲むように、圧電基板10のSAW素子11が形成されている面の裏面とケース部材1とを接着部材4により接合することにより受圧ダイヤフラムを構成している。圧電基板10をケース部材1上に実装した後、ケース部材1の天井部の開口を蓋体20でシーム溶接で封止することにより一定の圧力に保たれた密閉空間21を形成する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. FIG. 1A shows a cross-sectional view of a SAW pressure sensor according to the present invention. The
図1(b)は前記圧電基板のSAW素子が形成されている面を示しており、SAW素子11は互いに間挿し合う一対の櫛型電極12、13と、その両側に配置した反射器14と、アンテナ15とから構成されている。なお、アンテナ15は櫛型電極12及び13を短絡し、且つSAW素子部を取り囲むように圧電基板の外周に沿ってストリップラインを形成することにより構成されている。
FIG. 1B shows the surface of the piezoelectric substrate on which the SAW element is formed. The SAW element 11 includes a pair of comb-
本発明の特徴は、外部のセンシング装置のアンテナから送信された駆動信号を受信し、検出結果を送信するアンテナを、SAW素子と同じ圧電基板上に設けたことである。このような構成とすることで、センサとアンテナとを一体に形成することができ、小型化、低コスト化を実現できる。 A feature of the present invention is that an antenna that receives a drive signal transmitted from an antenna of an external sensing device and transmits a detection result is provided on the same piezoelectric substrate as the SAW element. With such a configuration, the sensor and the antenna can be integrally formed, and downsizing and cost reduction can be realized.
前記SAW圧力センサは、貫通孔から圧電基板に圧力を受けると、その圧力により圧電基板が撓み、櫛型電極の電極指間の間隔が変化する。電極指間の間隔が変化すると共振周波数が変化し、この周波数の変化により圧力を検出する仕組みである。従って、センサ感度を上げるためには、圧電基板の厚さtを機械的強度が劣化しない程度に極力薄くするのが望ましい。また、圧電基板とケース部材との支点間距離Lや接合部分の形状がばらつくと、圧電基板の撓み量が変化し、周波数変化量から圧力を算出する際に誤差が生じてしまい再現性が悪くなる。従って、支点間距離Lや接合部分の形状を正確に制御する必要がある。 When the SAW pressure sensor receives pressure from the through hole to the piezoelectric substrate, the piezoelectric substrate is bent by the pressure, and the interval between the electrode fingers of the comb-shaped electrode changes. When the distance between the electrode fingers changes, the resonance frequency changes, and the pressure is detected by the change in the frequency. Therefore, in order to increase the sensor sensitivity, it is desirable to make the thickness t of the piezoelectric substrate as thin as possible so that the mechanical strength does not deteriorate. In addition, if the distance L between the fulcrum between the piezoelectric substrate and the case member or the shape of the joining portion varies, the amount of deflection of the piezoelectric substrate changes, and an error occurs when calculating pressure from the amount of frequency change, resulting in poor reproducibility. Become. Therefore, it is necessary to accurately control the distance L between the fulcrums and the shape of the joint portion.
支点間距離Lや接合部分の形状を正確に制御するためには、圧電基板の実装前に例えばAuや半田等の下地電極を予め圧電基板やケース部材に形成し、下地電極間を接着部材により接合するのが望ましい。また、図2に示すように貫通孔3を取り囲むように枠体5を設け、該枠体5の上面と圧電基板10とを接着部材4により接合しても良い。枠体を設けることにより、圧電基板の実装位置を固定できるので、支点間距離Lを正確に制御することができる。なお、前記枠体は圧電基板側に設けても良い。
In order to accurately control the distance L between the fulcrums and the shape of the joining portion, for example, a base electrode such as Au or solder is previously formed on the piezoelectric substrate or the case member before mounting the piezoelectric substrate, and the base electrode is bonded with an adhesive member. It is desirable to join. Further, as shown in FIG. 2, a
更には、図3に示すように圧電基板10をエッチング加工することによりSAW素子11の周辺を薄肉部16とし、薄肉部16の外周の厚肉部17とケース部材1とを接着部材4で接合しても良い。このような構造とすることで、図1の平板状の圧電基板と比較して機械的強度を損ねることなくSAW素子周辺の基板厚みを薄くすることができるので、センサ感度を大幅に向上することができる。また、支点間距離Lや接合部分の形状を正確に制御できるので、センサ感度のばらつきを抑圧することができ、再現性の良いセンサを実現できる。更に、圧電基板をケース部材に実装する際に精度を必要としないので製造効率を改善できる。
Furthermore, as shown in FIG. 3, the periphery of the SAW element 11 is made into a
また、図4に示すようにエッチング加工により掘り込んだ圧電基板31の凹部側にSAW素子32を形成し、且つ、SAW素子32と実装基板30とが対向するように実装基板30と圧電基板31とを接着部材33により接合しても良い。このような構造とすることで、圧電基板をケースの一部として利用でき、また部品点数を減らすことができるので小型化、低コスト化に寄与できる。なお、圧電基板の形状は平板状としても良い。
Further, as shown in FIG. 4, the
前述の圧電基板の材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ホウ酸リチウム、ランガサイト、或いはZnOなどの圧電薄膜を形成したガラス基板等が適用される。また、SAW素子部を構成するIDT、反射器及びアンテナを形成する材料としては、電気抵抗が小さく、電極形成が容易なAl又はAlを主成分とする合金が望ましいが、Cu、Ti、Cr、Au、Ag及びそれらを主成分とする合金としても良い。また、上述ではSAW素子に1端子対SAW共振子を用いたが、2端子対SAW共振子やそれ以外の構造としても良い。 As the material of the above-described piezoelectric substrate, a glass substrate on which a piezoelectric thin film such as quartz, lithium tantalate, lithium niobate, lithium tetraborate, langasite, or ZnO is formed is applied. In addition, as a material for forming the IDT, reflector and antenna constituting the SAW element portion, Al or an alloy containing Al as a main component, which has a small electric resistance and is easy to form an electrode, is desirable, but Cu, Ti, Cr, Au, Ag, and alloys containing them as main components may be used. In the above description, the one-terminal-pair SAW resonator is used as the SAW element, but a two-terminal-pair SAW resonator or other structures may be used.
1:ケース部材
2:接続用端子
3:貫通孔
4:接着部材
5:枠体
10:圧電基板
11:SAW素子
12:櫛歯状電極
13:櫛歯状電極
14:反射器
15:アンテナ
16:薄肉部
17:厚肉部
20:蓋体
21:密閉空間
30:実装基板
31:圧電基板
32:SAW素子
33:接着部材
1: Case member 2: Connection terminal 3: Through hole 4: Adhesive member 5: Frame body 10: Piezoelectric substrate 11: SAW element 12: Comb electrode 13: Comb electrode 14: Reflector 15: Antenna 16: Thin portion 17: Thick portion 20: Lid 21: Sealed space 30: Mounting substrate 31: Piezoelectric substrate 32: SAW element 33: Adhesive member
Claims (3)
The SAW pressure sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric substrate is thinned around the comb-shaped electrode by etching.
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Cited By (4)
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CN101620018B (en) * | 2009-08-06 | 2010-10-20 | 浙江大学 | Surface acoustic wave pressure sensor |
JP2012042487A (en) * | 2011-11-30 | 2012-03-01 | Seiko Epson Corp | Force detection unit, method for manufacturing piezoelectric substrate, and acceleration sensor |
WO2019207943A1 (en) * | 2018-04-24 | 2019-10-31 | 曙ブレーキ工業株式会社 | Sensor element |
CN111749681A (en) * | 2019-03-28 | 2020-10-09 | 中国石油天然气股份有限公司 | Pressure sensor for monitoring oil well pressure |
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- 2005-04-21 JP JP2005124301A patent/JP2006300784A/en active Pending
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