JP2007333500A - 圧力センサの製造方法および圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ感度の悪化を防止し、低コストで得られる圧力センサの製造方法および圧力センサを提供する。
【解決手段】圧力センサ１０は、圧電基板１４の主面にＩＤＴ１６を設けたＳＡＷ素子片と、圧電基板１４の主面１４ａに接合し、ＩＤＴ１６に対向した箇所に凹陥部４２を備え、熱膨張係数が圧電基板１４と異なっている第１固定基板４０と、圧電基板１４の裏面１４ｂに接合し、熱膨張係数が圧電基板１４と異なり、圧入口５４を備えた第２固定基板５０とを備えた構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は圧力センサの製造方法および圧力センサに係り、特に、弾性表面波（ＳＡＷ）素子片を利用した圧力センサの製造方法および圧力センサに関するものである。

圧力センサには、ＳＡＷ素子片を利用したものがある。従来技術に係る圧力センサには、圧電基板の主面にすだれ状電極（ＩＤＴ）を形成したＳＡＷ素子片と、圧電基板の裏面にスペーサを介して接合した固定基板を備えたものが提案されている。このような圧力センサは、ＳＡＷ素子片に圧力を受けると圧電基板が撓むので、ＩＤＴの電極間隔、すなわちライン−スペースが変化し、これに伴って圧電基板に励起されるＳＡＷの周波数が変化する。そして圧力センサは、この周波数変化を計測することにより、圧力変化として検知している。

ところで、このような圧力センサは、ＩＤＴが外部環境（外気）に曝されるので、汚染・劣化（腐食）が早期に進行し、圧力センサとしての機能が早期に悪化する。このためＩＤＴと圧電基板を対向させた圧力センサが提案されている。具体的には、圧力センサは、圧電基板の主面にスペーサを介して固定基板を接合し、ＩＤＴを気密封止している。なお特許文献１ないし３には、ＩＤＴと固定基板を対向させた構成の圧力センサが記載されている。

なお特許文献４に記載された発明は、本願発明と技術分野が異なり、しかも解決しようとする課題が異なるものであるが、参考として挙げる。この特許文献４には、枠付きの音叉型水晶振動片と蓋を陽極接合した後、音叉型水晶振動片とケースを陽極接合して、音叉型水晶振動片を蓋とケースで挟み込んだ構成の水晶振動子が記載されている。
特開２００５−１８１２９２号公報 特開２００５−１８１３０３号公報 特開２００５−２０８０３１号公報 特許第３３９０３４８号公報

前述したＳＡＷ素子片の一方の面に固定基板を接合すると、圧電基板と固定基板の熱膨張係数が異なるので、圧電基板に反りが生じてしまう。すなわち圧電基板と固定基板を接合するときに、スペーサを加熱したり、圧電基板と固定基板の全体を加熱したりすると、圧電基板が反った状態で固定基板に接合してしまう。このような状態で圧電基板と固定基板を接合した圧力センサは、ＳＡＷ素子片（圧電基板）に圧力がかかっても撓み難く、ＩＤＴのライン−スペースの変化が起こり難い。このため、このような圧力センサは、周波数変化の計測感度が悪化するので、圧力測定の感度が低下してしまう。

また前述した圧力センサは、スペーサを介してＳＡＷ素子片（圧電基板）と固定基板を接合しているので、スペーサとなる材料分の製造コストが増加し、スペーサを設ける工程も必要となり製造工程が多くなってしまう。

なお特許文献４では、音叉型水晶振動片と蓋、音叉型水晶振動片とケースを２回にわけて接合しているので、音叉型水晶振動片に反りが生じた状態で蓋やケースと接合してしまう。また蓋やケースを水晶で形成した場合は、これらと音叉型水晶振動片とを陽極接合することはできない。

本発明は、センサ感度の悪化を防止し、低コストで得られる圧力センサの製造方法および圧力センサを提供することを目的とする。

本発明に係る圧力センサの製造方法は、圧電基板の主面にＩＤＴを形成してＳＡＷ素子片とし、熱膨張係数が圧電基板と異なっている第２固定基板に圧入口を形成し、熱膨張係数が圧電基板と異なっている第１固定基板の一方の面に圧電基板の主面を重ねるとともに、圧電基板の裏面に第２固定基板を重ね、第１固定基板と圧電基板と、および圧電基板と第２固定基板とを同時に接合することを特徴とする。これにより圧電基板と第１，２固定基板とを接合する場合、圧電基板は、熱膨張係数の異なる固定基板によって両面から拘束されるので、反りが生じることはない。そして反りが生じていない圧電基板を有する圧力センサは、周波数変化の計測感度が悪化することはなく、圧力測定の感度の低下を防止でき、圧力を確実に測定できる。また第１固定基板と圧電基板とは直接に接合できるとともに、圧電基板と第２固定基板とは直接に接合できるので、第１固定基板によってＩＤＴを気密封止でき、ＩＤＴが外気に曝されて早期に劣化するのを防止できる。よって圧力センサは、長期にわたって圧力を測定できる。

また本発明に係る圧力センサの製造方法は、圧電基板の主面および裏面の各周縁部に金属膜を形成し、第１固定基板の一方の面におけるＩＤＴと対向する位置に凹陥部を形成し、第１固定基板、圧電基板および第２固定基板を重ねた後、金属膜にプラス電圧を印加するとともに、第１固定基板の他方の面と第２固定基板の一方の面にマイナス電圧を印加して、陽極接合により第１固定基板と圧電基板と、および圧電基板と第２固定基板とを同時に接合することを特徴としている。これにより圧電基板と第１，２固定基板を直接に接合できるので、従来のようにスペーサを必要とせず、製造コストを低減でき、製造工程が多くなることもない。また凹陥部によってＩＤＴを気密封止できる。また凹陥部を、圧力基準室にすることができる。

また本発明に係る圧力センサの製造方法は、圧電基板の裏面におけるＩＤＴと対向する位置に凹部を形成し、この凹部と圧入口を連通することを特徴としている。これにより圧電基板は外部の圧力に応じて撓み易くなるので、圧力センサの感度を向上できる。また圧電基板に厚肉部が形成されるので強度を向上できる。

そして本発明に係る圧力センサは、圧電基板の主面にＩＤＴを設けたＳＡＷ素子片と、圧電基板の主面に接合し、ＩＤＴに対向した箇所に凹陥部を備え、熱膨張係数が圧電基板と異なっている第１固定基板と、前記圧電基板の裏面に接合し、熱膨張係数が前記圧電基板と異なり、圧入口を備えた第２固定基板とを備えたことを特徴としている。これにより圧電基板は、熱膨張係数の異なる固定基板によって両面から拘束されるので、接合時に反りが生じることはない。そして反りが生じていない圧電基板を有する圧力センサは、周波数変化の計測感度が悪化することはなく、圧力測定の感度の低下を防止でき、圧力を確実に測定できる。またＩＤＴは凹陥部によって気密封止されるので、ＩＤＴが外気に曝されて早期に劣化するのを防止できる。よって圧力センサは、長期にわたって圧力を測定できる。

また前述した圧電基板は、その裏面におけるＩＤＴと対向した箇所に凹部を備えたことを特徴としている。これにより圧電基板は撓み易くなるので、圧力センサの感度を向上できる。また圧電基板に厚肉部を設けているので強度を向上できる。

また本発明に係る圧力センサは、圧電基板の裏面に接続パッドを設けるとともに、この接続パッドとＩＤＴとの導通部を設け、第２固定基板における接続パッドに対向する位置
に貫通孔を設けたことを特徴としている。これにより接続パッドが圧力センサの外部に露出するので、貫通孔を通して電気的な接続を取ることができる。

また本発明に係る圧力センサは、圧電基板の主面および裏面の各周縁部に金属膜を設け、第１固定基板および第２固定基板はガラス基板であることを特徴としている。これにより圧電基板と第１，２固定基板を陽極接合できるので、これらを直接に接合できる。そして従来のようにスペーサを必要としないので、製造コストを低減でき、製造工程が多くなることもない。

また本発明に係る圧力センサは、導通部を介して、圧電基板の主面と裏面とに設けた金属膜を導通したことを特徴としている。これにより主面と裏面に設けた金属膜のうちいずれか一方にプラス電圧を印加すればよく、主面と裏面に設けた金属膜のそれぞれにプラス電圧を印加する必要はない。このため金属膜にプラス電極を接続する手間を省くことができる。

以下に、本発明に係る圧力センサの製造方法および圧力センサの最良の実施形態について説明する。図１は圧力センサの概略断面図である。圧力センサ１０は、ＳＡＷ素子片１２の主面１４ａに第１固定基板４０を接合するとともに、ＳＡＷ素子片１２の裏面１４ｂに第２固定基板５０を接合した構成である。

図２はＳＡＷ素子片の説明図である。ここで図２（Ａ）はＳＡＷ素子片の平面図、図２（Ｂ）は同図（Ｃ）のＡ−Ａ線における断面図、図２（Ｃ）は底面図である。なお図２では反射器の記載を省略している。前述したＳＡＷ素子片１２は、圧電基板１４の主面１４ａにＩＤＴ１６および反射器を備えている。ＩＤＴ１６は櫛部１８を有し、櫛部１８は電極指２０の基端をバスバー２２で接続している。そしてＩＤＴ１６は一対の櫛部１８を対向させるとともに、互いの電極指２０を噛み合せて形成している。

また圧電基板１４の裏面１４ｂに接続パッド２４が設けてあり、この接続パッド２４とＩＤＴ１６の櫛部１８とが導通部を介して１対１に導通している。具体的には、圧電基板１４の主面１４ａから裏面１４ｂにかけてスルーホール２６（導通部）を設け、このスルーホール２６を介して接続パッド２４とＩＤＴ１６が導通している。なおスルーホール２６は、導電性の材料で埋められていてもよい。また圧電基板１４の主面１４ａの周縁部と裏面１４ｂの周縁部に金属膜（封止用パターン２８）を設けている。そして、これらの封止用パターン２８は、複数のスルーホール２６のうちいずれか１つを介して導通している。この封止用パターン２８は、ＩＤＴ１６や前記反射器と同じ材料で形成されていてもよい。

また圧電基板１４の裏面１４ｂには、少なくともＩＤＴ１６の一部と対向した位置に凹部３０を設けている。そしてＳＡＷ素子片１２を平面視すると、少なくともＩＤＴ１６の一部と凹部３０が重なっている。なお図２に示す場合では、ＩＤＴ１６の全体と凹部３０が平面視して重なっている。これによりＩＤＴ１６が形成されている部分の圧電基板１４の厚さは、他の部分よりも薄くなっている。すなわち圧電基板１４の縁が厚くなっており、強度が高くなっている。

図３は第１固定基板の説明図である。ここで図３（Ａ）は第１固定基板の平面図、図３（Ｂ）は断面図である。第１固定基板４０は、ＳＡＷ素子片１２の主面１４ａに接合している。この第１固定基板４０の上面４０ａ（一方の面）には、少なくともＳＡＷ素子片１２のＩＤＴ１６と対向した位置に凹陥部４２を設けている。そしてＳＡＷ素子片１２のＩＤＴ１６、すなわち圧電基板１４に励起するＳＡＷの伝搬面は、凹陥部４２によって気密
封止されている。なお凹陥部４２の内部は、窒素やアルゴン等の不活性ガスが満たされていたり、真空になっていたりすればよい。このような第１固定基板４０は、圧電基板１４と熱膨張係数が異なるものであり、例えばガラス基板であればよい。そして第１固定基板４０をガラス基板とした場合には、ナトリウムやリチウム等のアルカリ金属をガラスに含んでいればよい。

図４は第２固定基板の説明図である。ここで図４（Ａ）は第２固定基板の平面図、図４（Ｂ）は断面図である。第２固定基板５０は、ＳＡＷ素子片１２の裏面１４ｂに接合している。この第２固定基板５０には、平面視して少なくともＩＤＴ１６の一部と重なる位置に圧入口５４を設けている。すなわち第２固定基板５０は、上面５０ａから下面５０ｂに貫通した圧入口５４を有している。そして圧入口５４は、ＳＡＷ素子片１２に設けた凹部３０の上方の位置に形成しているので、凹部３０で囲まれる空間と圧入口５４で形成される空間とが接続（連通）する（図１参照）。このような構成にすることにより、圧力センサ１０の外部の圧力が変化すると、圧入口５４を介して凹部３０に圧力変化が伝わり、圧電基板１４が延びたり縮んだりする。

また第２固定基板５０には、平面視して接続パッド２４と重なる位置に貫通孔５２を設けている。すなわち第２固定基板５０は、上面５０ａから下面５０ｂに貫通した孔（貫通孔５２）を有している。そして貫通孔５２は、ＳＡＷ素子片１２に設けた接続パッド２４と対向する位置に形成してあるとともに、接続パッド２４にワイヤ６０を接合できる程度の径を有している。このような第２固定基板５０は、圧電基板１４と熱膨張係数が異なるものであり、例えばガラス基板であればよい。そして第２固定基板５０をガラス基板とした場合には、ナトリウムやリチウム等のアルカリ金属をガラスに含んでいればよい。

なお図２（Ａ）、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示す一点鎖線は、ＳＡＷ素子片１２と第１，２固定基板４０，５０とを積層して圧力センサ１０としたときの、図１に示す断面部分となっている。

次に、圧力センサ１０の製造方法について説明する。圧力センサ１０は、ＳＡＷ素子片１２や第１，２固定基板４０，５０をウエハ状態で製造した後、これらを接合し、最後に切断することにより製造される。具体的には、以下のようになっている。なお圧電ウエハを切断すると圧電基板１４になり、第１，２固定ウエハを切断すると第１，２固定基板４０，５０になる。

まずＳＡＷ素子片１２の製造方法を説明する。最初に、圧電ウエハの裏面に第１のマスクを形成する。この第１のマスクは、圧電ウエハにおける各ＳＡＷ素子片１２が得られる部分において、スルーホール２６を形成する位置が開口し、これ以外の部分を覆ったものである。そして第１のマスクが開口している部分の圧電ウエハをエッチングまたはブラスト処理して、スルーホール２６を形成する。この後、第１のマスクを除去する。

第２に、圧電ウエハの裏面に第２のマスクを形成する。この第２のマスクは、圧電ウエハにおける各ＳＡＷ素子片１２が得られる部分において、凹部３０を形成する部分が開口し、これ以外の部分を覆ったものである。そして第２のマスクが開口している部分の圧電ウエハをエッチングまたはブラスト処理して、凹部３０を形成する。この後、第２のマスクを除去する。

第３に、圧電ウエハの主面や裏面にアルミニウムまたはアルミニウム合金を成膜する。そしてリソグラフィ技術を利用して、圧電ウエハにおける各ＳＡＷ素子片１２が得られる部分において、圧電ウエハの主面にＩＤＴ１６や反射器、封止用パターン２８等の電極パターンを得るための第３のマスクを形成するとともに、裏面に接続パッド２４や封止用パ
ターン２８等の電極パターンを得るための第３のマスクを形成する。そして第３のマスクで覆われていない部分のアルミニウム膜等をエッチングした後、第３のマスクを除去する。このような方法によりウエハ状態のＳＡＷ素子片１２を得る。

また第１固定ウエハの製造方法は次のようになる。まず第１固定ウエハの上面にマスクを形成する。このマスクは、第１固定ウエハにおける各第１固定基板４０が得られる部分において、凹陥部４２を形成する部分が開口し、これ以外の部分を覆ったものである。すなわちマスクは、各第１固定基板４０の周縁部となる部分を覆っている。そしてマスクが開口している部分の第１固定ウエハをエッチングまたはブラスト処理して凹陥部４２を形成した後、マスクを除去する。このような方法によりウエハ状態の第１固定基板４０を得る。

また第２固定ウエハの製造方法は次のようになる。まず第２固定ウエハの上面にマスクを形成する。このマスクは、第２固定ウエハにおける各第２固定基板５０が得られる部分において、貫通孔５２および圧入口５４を形成する部分が開口し、これ以外の部分を覆ったものである。そしてマスクが開口している部分の第２固定ウエハをエッチングまたはブラスト処理して貫通孔５２および圧入口５４を形成した後、マスクを除去する。このような方法によりウエハ状態の第２固定基板５０を得る。

次に、前述した工程によって得られた圧電ウエハ、第１固定ウエハおよび第２固定ウエハを積層する。すなわち圧電ウエハの主面と第１固定ウエハの上面とを位置決めして重ねるとともに、圧電ウエハの裏面と第２固定ウエハの下面とを位置決めして重ねる。そして積層した圧電ウエハ等を真空中または不活性ガス雰囲気中に配置するとともに、圧電ウエハに形成した封止用パターン２８に直流電源のプラス電極を接続する。また第１固定ウエハの下面および第２固定ウエハの上面に、前記直流電源のマイナス電極を配置する。そして圧電ウエハ等の全体を数百度の温度に保持し、前記プラス電極と前記マイナス電極の間に数百ないし数千ボルトの電圧を印加する。すると、第１固定ウエハおよび第２固定ウエハに含まれるアルカリ金属の陽イオンが前記マイナス電極に引き寄せられて、第１固定ウエハと圧電ウエハとの界面付近および第２固定ウエハと圧電ウエハとの界面付近に空間電荷層ができる。これにより静電引力が生じて、第１固定ウエハと圧電ウエハ、第２固定ウエハと圧電ウエハが同時に接合する。このとき圧電ウエハの主面は第１固定ウエハが支え、裏面は第２固定ウエハが支えるので、圧電ウエハが反った状態で第１，２固定ウエハと接合することはない。

この後、積層したウエハを切断して個別化すると、圧力センサ１０が得られる。そして圧力センサ１０を保持器に搭載し、第２固定基板５０の貫通孔５２を通してＳＡＷ素子片１２の接続パッド２４にワイヤ６０を接合し、圧力センサ１０と前記保持器を導通すると圧力センサ装置が得られる。

このような圧力センサ１０およびこれの製造方法によれば、圧力センサ１０の製造時は、熱膨張係数が圧電基板１４と異なっている第１固定基板４０および第２固定基板５０がＳＡＷ素子片１２に同時に接合するので、主面１４ａと裏面１４ｂの両側からＳＡＷ素子片１２が拘束され、ＳＡＷ素子片１２に反りが生じることはない。そして圧力センサ１０を製造した後は、ＳＡＷ素子片１２に圧力が加わるとこれに応じて撓むので、ＩＤＴ１６のライン−スペースの変化が起こる。よって圧力センサ１０は、周波数変化の計測感度が悪化することはなく、圧力測定の感度の低下を防止できるので、圧力を確実に測定できる。

またＳＡＷ素子片１２に設けたＩＤＴ１６を凹陥部４２によって気密封止しているので、ＩＤＴ１６が外気に曝されて早期に劣化するのを防止できる。よって圧力センサ１０は
、長期にわたって圧力を測定できる。

またＳＡＷ素子片１２と第１，２固定基板４０，５０は、陽極接合を行うことによって直接に接合している。またＳＡＷ素子片１２に設ける封止用パターン２８は、ＩＤＴ１６等と同時に形成できる。このため本実施形態に係る圧力センサ１０は、従来のようにスペーサを必要としないので、製造コストを低減でき、製造工程が多くなることはない。

次に、前述した圧力センサの変形例について説明する。図５は変形例に係る圧力センサの概略断面図である。第１変形例に係る圧力センサ１０は、図５（Ａ）に示すように、ＳＡＷ素子片１２の全体が薄型になっていてもよい。なおこの場合、ＳＡＷ素子片１２と第２固定基板５０が接触することが無いようにしておく。例えば、第２固定基板５０の下面５０ｂにも凹陥部を設ける等により、ＳＡＷ素子片１２の裏面１４ｂと第２固定基板５０の下面５０ｂとの距離を適宜確保しておけばよい。このように、ＳＡＷ素子片１２に凹部を設けることなく全体を薄型にしても、ＳＡＷ素子片１２の主面１４ａと裏面１４ｂに第１，２固定基板４０，５０が同時に接合するので、ＳＡＷ素子片１２を両面から拘束して反りを防止できる。よって、このような圧力センサ１０であっても圧力を確実に測定でき、ＳＡＷ素子片１２を形成している圧電基板１４が薄くなった分だけ材料のコストを低くできる。

また第２変形例に係る圧力センサ１０は、図５（Ｂ）に示すように、第１固定基板４０の下面４０ｂ（他方の面）に外部端子６２を設けてもよい。このような第１固定基板４０は、メタライズ等を行うことにより外部端子６２を形成してもよく、また金属板を接合して外部端子６２としてもよい。なお前記金属板は、例えば、陽極接合により第１固定基板４０に配設すればよい。また外部端子６２と第１固定基板４０の上面４０ａとの導通方法は、前述した実施形態で説明したように、ＳＡＷ素子片に設けたスルーホールと同様なものであればよい。また第２固定基板５０には圧入口５４を設けてあり、貫通孔を設けていない。

そしてＳＡＷ素子片１２と第１，２固定基板４０，５０の接合方法は、前述した実施形態と同様に行えばよく、ＳＡＷ素子片１２の主面１４ａに設けた封止用パターン２８と、裏面１４ｂに設けた封止用パターン２８とを直流電源のプラス電極に接続し、第１固定基板４０の下面４０ｂと第２固定基板５０の上面５０ａにマイナス電極を配置して、それぞれに同時に電圧を印加すればよい。これにより表面実装型の圧力センサ１０が得られる。また、このような圧力センサ１０であっても、前述した実施形態と同じ効果が得られる。

圧力センサの概略断面図である。 ＳＡＷ素子片の説明図である。 第１固定基板の説明図である。 第２固定基板の説明図である。 変形例に係る圧力センサの概略断面図である。

符号の説明

１０………圧力センサ、１２………ＳＡＷ素子片、１４………圧電基板、１４ａ………主面、１４ｂ………裏面、１６………ＩＤＴ、２４………接続パッド、２８………封止用パターン、３０………凹部、４０………第１固定基板、４２………凹陥部、５０………第２固定基板、５２………貫通孔、５４………圧入口。

Claims (8)

1. 圧電基板の主面にＩＤＴを形成し、
   熱膨張係数が前記圧電基板と異なる第２固定基板に圧入口を形成し、
   熱膨張係数が前記圧電基板と異なる第１固定基板の一方の面に前記圧電基板の主面を重ねるとともに、前記圧電基板の裏面に前記第２固定基板を重ね、
   前記第１固定基板と前記圧電基板と、および前記圧電基板と前記第２固定基板とを同時に接合する、
   ことを特徴とする圧力センサの製造方法。
2. 前記圧電基板の主面および裏面の各周縁部に金属膜を形成し、
   前記第１固定基板の一方の面における前記ＩＤＴと対向する位置に凹陥部を形成し、
   前記接合を陽極接合により行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの製造方法。
3. 前記圧電基板の裏面における前記ＩＤＴと対向する位置に凹部を形成し、この凹部と前記圧入口を連通することを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサの製造方法。
4. 圧電基板の主面にＩＤＴを設けたＳＡＷ素子片と、
   前記圧電基板の主面に接合し、前記ＩＤＴに対向した箇所に凹陥部を備え、熱膨張係数が前記圧電基板と異なる第１固定基板と、
   前記圧電基板の裏面に接合し、熱膨張係数が前記圧電基板と異なり、圧入口を備えた第２固定基板と、
   を備えたことを特徴とする圧力センサ。
5. 前記圧電基板は、その裏面における前記ＩＤＴと対向した箇所に凹部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記圧電基板の裏面に接続パッドを設けるとともに、この接続パッドと前記ＩＤＴとの導通部を設け、
   前記第２固定基板における前記接続パッドに対向する位置に貫通孔を設けた、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の圧力センサ。
7. 前記圧電基板の主面および裏面の各周縁部に金属膜を設け、前記第１固定基板および前記第２固定基板はガラス基板であることを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の圧力センサ。
8. 前記導通部を介して、前記圧電基板の主面と裏面とに設けた金属膜を導通したことを特徴とする請求項６または７に記載の圧力センサ。

Images