JP2010096654A - Pressure sensor, and method for manufacturing same - Google Patents
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Description
本発明は圧力センサに関し、特に圧力センサ素子と接続された回路からの熱の影響を低減し、且つ圧力センサの容積を小さくする技術、及びその製造技術に関する。 The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a technique for reducing the influence of heat from a circuit connected to a pressure sensor element and reducing the volume of the pressure sensor, and a manufacturing technique thereof.
近年、圧力センサは小型化のみならず高精度化が要求されている。このような要求に対応するため特許文献1において静電容量変化型の圧力センサ素子と、この圧力センサ素子を収納するとともに、内部に測定圧を導入するための圧力導入路が設けられたケースと、前記圧力センサ素子の静電容量を所定の電気信号に変換する信号処理回路とを備えた気体用圧力センサが開示されている。図10(図10(a)は全体図、図10(b)は部分詳細図)に示すように、特許文献1に係る圧力センサ201には、被測定圧力を受圧して変位する半導体から形成されたダイアフラム231と、ダイアフラム231を両側から挟持するガラス等の絶縁物232、233と、絶縁物232、233の対向する面に設けられ、ダイアフラム231の変位を静電容量に変換するための電極とから構成された静電容量型の圧力センサ素子230が、合成樹脂製(プラスチック)ケース210(210Aと210Bで構成)内のコバール(ニッケル合金)製シールド材216上であって、圧力導入路214に連通した連通孔217にダイアフラム231が対向するように搭載され、ケース210内のプリント基板221上には、信号処理をするための回路を構成するICチップ220が搭載されている。このような構成により、圧力センサ素子が、ケースに設けられる圧力導入孔の位置から外れた位置に配置され、ケースの残りの部分に信号処理回路を構成する回路部品が配置されることから、圧力センサ素子と信号処理回路とがケース内に併設されるようになるので、積み重ね構造であった従来の圧力センサと異なり、組み立て手順に自由度が生じ、組み立て工程数の削減が可能となって組み立てが容易となり、その生産性が向上する上、ケースの高さ寸法を小さくすることができる。 In recent years, pressure sensors are required to have high accuracy as well as downsizing. In order to meet such requirements, Patent Document 1 discloses a capacitance change type pressure sensor element, a case in which the pressure sensor element is housed and a pressure introduction path for introducing a measurement pressure is provided. A gas pressure sensor is disclosed that includes a signal processing circuit that converts a capacitance of the pressure sensor element into a predetermined electrical signal. As shown in FIG. 10 (FIG. 10A is an overall view and FIG. 10B is a partial detail view), the pressure sensor 201 according to Patent Document 1 is formed of a semiconductor that receives and displaces a pressure to be measured. Diaphragm 231, insulators 232 and 233 made of glass or the like that sandwich diaphragm 231 from both sides, and electrodes facing insulators 232 and 233, and electrodes for converting displacement of diaphragm 231 into capacitance Is formed on a shield material 216 made of Kovar (nickel alloy) in a synthetic resin (plastic) case 210 (consisting of 210A and 210B), and a pressure introduction path The diaphragm 231 is mounted so as to face the communication hole 217 communicating with 214, and signal processing is performed on the printed circuit board 221 in the case 210. IC chip 220 constituting the circuit are mounted. With such a configuration, the pressure sensor element is disposed at a position deviated from the position of the pressure introduction hole provided in the case, and the circuit components constituting the signal processing circuit are disposed in the remaining portion of the case. Since the sensor element and signal processing circuit will be installed in the case, unlike the conventional pressure sensor, which has a stacked structure, the assembly procedure is more flexible and the number of assembly steps can be reduced. As a result, the productivity is improved and the height of the case can be reduced.
特許文献1の圧力センサを構成する圧力センサ素子に替わって搭載可能な圧力センサとして特許文献2においては、図11に示すように、一方の主面に半導体素子303が搭載される搭載部を有する絶縁基体301と、前記絶縁基体301の表面及び内部に配設され、前記半導体素子303の各電極が電気的に接続される複数の配線導体305、305a、305bと、前記絶縁基体301の他方の主面の中央部に被着され、前記配線導体305、305a、305bの一つに電気的に接続された静電容量形成用の電極307と、前記他方の主面に、前記中央部との間に密閉空間を形成するように前記電極307と対向して可撓な状態で接合され、前記配線導体の他の一つに電気的に接続された静電容量形成用の金属板302を具備した圧力検出装置用パッケージが開示されている。この構成により、半導体素子を収容するパッケージに感圧素子が一体に形成され、その結果、圧力検出装置を小型化することができるとともに、圧力検出用の電極と半導体素子とを接続する配線を短いものとして、これらの配線間に発生する不要な静電容量を小さなものとしている。なお特許文献2と同様の静電容量型の圧力センサは特許文献3においても開示されている。
ところで、特許文献1乃至3においては、静電容量形成領域とICチップ等の半導体素子が近接して形成されている。よってこのような状態で特許文献1に係る圧力センサモジュールを圧力測定環境下で稼動させた状態を保つと、半導体素子は発熱し少なくとも35〜40℃程度まで上昇するため、ケース210内は常温25℃から温度が上昇するので、圧力センサは高温環境にさらされることになり、圧力センサで検出される圧力値には温度上昇に伴う変位が含まれてしまうという問題がある。 In Patent Documents 1 to 3, a capacitance forming region and a semiconductor element such as an IC chip are formed close to each other. Therefore, if the state where the pressure sensor module according to Patent Document 1 is operated in the pressure measurement environment in such a state, the semiconductor element generates heat and rises to at least about 35 to 40 ° C. Since the temperature rises from 0 ° C., the pressure sensor is exposed to a high temperature environment, and there is a problem that the pressure value detected by the pressure sensor includes a displacement accompanying the temperature rise.
そこで、さらなる高精度化を図るため、上述の静電容量型の圧力センサに替わって、特許文献4に示すような圧電素子を用いた圧力センサを搭載することが提案されている。図12(図12(a)は正面図、図12(b)は図12(a)のA−A線断面図)に示すように、特許文献4においては、双音叉型圧電振動片408を用いた圧力センサ400であって、パッケージベース402と、ダイアフラム406を中央部に有するリッド404と、パッケージベース402、およびリッド404が形成する真空封止された内部空間402aにおいてダイアフラム406の内壁に形成された凸部406aに双音叉型圧電振動片408の両端にある基部408aを接着した圧力センサ400の構成が開示されている。これにより被測定圧力を受圧したダイアフラムが撓むことによって凸部406aを介して双音叉型圧電振動片408に引張力が伝達されるので双音叉型圧電振動片が変形し引張応力が生じることとなり共振周波数に変化が生じるため、これによる双音叉型圧電振動片408の振動腕408bの共振周波数の変化を圧力変化として検出している。さらに、特許文献4に係る圧力センサに対して温度補償回路等の回路を搭載することによって、温度変化に伴う圧力誤差を補正することが可能となる。しかし、温度補償回路は、圧力測定環境の熱と温度補償回路が発生する熱による温度と基準温度との差を補償することになるので、温度補償を有効に行う温度範囲が制限されることになる。 Therefore, in order to achieve higher accuracy, it has been proposed to mount a pressure sensor using a piezoelectric element as shown in Patent Document 4 instead of the above-described capacitance type pressure sensor. As shown in FIG. 12 (FIG. 12A is a front view and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 12A), in Patent Document 4, a double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 408 is provided. The pressure sensor 400 used is formed on the inner wall of the diaphragm 406 in a package base 402, a lid 404 having a diaphragm 406 in the center, and a vacuum sealed internal space 402a formed by the package base 402 and the lid 404. A configuration of a pressure sensor 400 is disclosed in which base portions 408a at both ends of a double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 408 are bonded to the projected portion 406a. As a result, when the diaphragm receiving the pressure to be measured is bent, a tensile force is transmitted to the double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 408 via the convex portion 406a, so that the double tuning fork type piezoelectric vibrating piece is deformed and a tensile stress is generated. Since a change occurs in the resonance frequency, a change in the resonance frequency of the vibrating arm 408b of the double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 408 is detected as a pressure change. Furthermore, by mounting a circuit such as a temperature compensation circuit on the pressure sensor according to Patent Document 4, it is possible to correct a pressure error accompanying a temperature change. However, since the temperature compensation circuit compensates for the difference between the temperature of the pressure measurement environment and the temperature generated by the temperature compensation circuit and the reference temperature, the temperature range in which the temperature compensation is effectively performed is limited. Become.
一方、圧力の測定は、圧力センサの消費電力を削減するため、一定時刻ごとに行われる。よって圧力測定環境の圧力を測定する場合、一定時刻ごとに圧力測定環境が形成する閉空間と、特許文献1に示されるような圧力センサのケースが形成する閉空間とをドッキングさせることにより行うことになる。圧力測定環境の閉空間が、ケースが形成する閉空間に対して十分な大きさを有しない場合において、この2つの閉空間をドッキングさせた場合、圧力測定環境の閉空間の圧力と温度が変動し、これに伴いケース内の温度も変動するため、正確に圧力測定環境の圧力を測定することが困難となるといった問題がある。 On the other hand, the pressure is measured at regular time intervals in order to reduce the power consumption of the pressure sensor. Therefore, when the pressure of the pressure measurement environment is measured, it is performed by docking the closed space formed by the pressure measurement environment at a certain time and the closed space formed by the case of the pressure sensor as shown in Patent Document 1. become. When the closed space of the pressure measurement environment does not have a sufficient size with respect to the closed space formed by the case, when the two closed spaces are docked, the pressure and temperature of the closed space of the pressure measurement environment fluctuate. However, since the temperature in the case also varies with this, there is a problem that it is difficult to accurately measure the pressure in the pressure measurement environment.
そこで、本発明は、上記問題点に着目し、圧力センサと接続する回路からの熱の影響を削減し、圧力測定時の圧力測定環境の圧力変化、温度変化、及び圧力センサの温度変化を抑制した圧電素子を用いた圧力センサ、及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention pays attention to the above-mentioned problems, reduces the influence of heat from the circuit connected to the pressure sensor, and suppresses pressure change, temperature change, and pressure sensor temperature change in the pressure measurement environment during pressure measurement. It is an object of the present invention to provide a pressure sensor using the piezoelectric element and a manufacturing method thereof.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following application examples.
[適用例1]一方の面に第1凹部を有し、他方の面に第2凹部を有するパッケージと、前記第1凹部に配置され、圧電振動片を感圧素子とした圧力センサ素子と、前記第2凹部に配置され、前記圧力センサ素子と電気的に接続され、温度変化に伴う前記圧力センサの圧力測定誤差を補償する温度補償回路と、を有し、前記温度補償回路は、前記第2凹部の底部の周縁に設けられたスペーサに接着され、前記底部から離間して配置されたことを特徴とする圧力センサ。 Application Example 1 A package having a first recess on one surface and a second recess on the other surface, a pressure sensor element disposed in the first recess and using a piezoelectric vibrating piece as a pressure sensitive element, A temperature compensation circuit disposed in the second recess, electrically connected to the pressure sensor element, and compensating for a pressure measurement error of the pressure sensor accompanying a temperature change, wherein the temperature compensation circuit comprises the first 2. A pressure sensor, which is adhered to a spacer provided at a peripheral edge of a bottom of a recess and is spaced apart from the bottom.
上記構成により、一つのパッケージにおいて圧力センサ素子と、最も発熱する温度補償回路とをパッケージ材の厚み方向で互いに対向して形成された凹部に別々に配置し、かつ温度補償回路を凹部から浮かせた状態で配置することにより、圧力センサ全体の外形をコンパクトにまとめつつ、温度補償回路からの熱が圧力センサ素子に伝達することを防止する圧力センサとなる。 With the above configuration, the pressure sensor element and the temperature compensation circuit that generates the most heat in one package are separately disposed in the recesses that are formed to face each other in the thickness direction of the package material, and the temperature compensation circuit is floated from the recesses. By arranging in a state, it becomes a pressure sensor that prevents the heat from the temperature compensation circuit from being transmitted to the pressure sensor element while keeping the outer shape of the entire pressure sensor compact.
[適用例2]前記圧力センサ素子を発振させる発振回路を前記第1凹部に配置しつつ、前記圧力センサ素子に接続したことを特徴とする適用例1に記載の圧力センサ。
これにより、圧力センサの製造途中において圧力センサ素子を駆動可能となるので、パッケージに実装された圧力センサ素子ごとに温度補償回路に必要な所定の定数を算出して温度補償回路に書き込むことが可能となり、温度補償精度の高い圧力センサとなる。
Application Example 2 The pressure sensor according to Application Example 1, wherein an oscillation circuit that oscillates the pressure sensor element is disposed in the first recess and connected to the pressure sensor element.
As a result, the pressure sensor element can be driven during the manufacture of the pressure sensor, so that a predetermined constant required for the temperature compensation circuit can be calculated and written to the temperature compensation circuit for each pressure sensor element mounted on the package. Thus, a pressure sensor with high temperature compensation accuracy is obtained.
[適用例3]前記第1凹部には温度センサ素子を配置し、前記温度補償回路に接続したことを特徴とする適用例1に記載の圧力センサ。
これにより、圧力センサ素子近傍の温度情報を温度補償回路に出力することができるので、温度変化による圧力測定誤差を軽減した圧力センサとなる。
Application Example 3 The pressure sensor according to Application Example 1, wherein a temperature sensor element is disposed in the first recess and connected to the temperature compensation circuit.
As a result, temperature information in the vicinity of the pressure sensor element can be output to the temperature compensation circuit, so that the pressure sensor with reduced pressure measurement error due to temperature change is obtained.
[適用例4]前記圧力センサ素子は、前記第1凹部の底部の周縁に設けられた第2スペーサを介して配置したことを特徴とする適用例1乃至3のいずれか1例に記載の圧力センサ。
これにより、圧力センサ素子は、温度補償回路からの熱の影響をさらに小さくすることができる。
[Application Example 4] The pressure according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein the pressure sensor element is disposed via a second spacer provided at a peripheral edge of the bottom of the first recess. Sensor.
Thereby, the pressure sensor element can further reduce the influence of heat from the temperature compensation circuit.
[適用例5]前記圧力センサ素子の受圧面を前記第1凹部の底部側に向けたことを特徴とする適用例4に記載の圧力センサ。
これにより、圧力センサ素子の受圧面が、被圧力測定領域から飛来する粒子等により汚染されることを回避して、圧力センサ素子の感度を維持することができる。
[Application Example 5] The pressure sensor according to Application Example 4, wherein the pressure receiving surface of the pressure sensor element is directed to the bottom side of the first recess.
Thereby, it can avoid that the pressure receiving surface of a pressure sensor element is contaminated with the particle | grains etc. which fly from a to-be-pressure-measured area | region, and can maintain the sensitivity of a pressure sensor element.
[適用例6]前記圧力センサ素子と前記第1凹部の底部との間の隙間を樹脂で埋め込んだことを特徴とする適用例4に記載の圧力センサ。
空気の熱伝導率はその圧力によって変動し得るため、上述の隙間を有した状態で空気の圧力が変化した場合は、温度補償回路からの圧力センサに対する熱の影響が変動することになる。そこで、本適用例のように熱伝導率が低い樹脂で隙間を埋めることにより、温度補償回路からパッケージを介して圧力センサ素子に向かう熱を遮蔽して適用例3と同様に温度補償回路からの熱の影響をさらに小さくすることができるとともに、温度補償回路からの熱の影響が空気の圧力によらず一定となるため、温度補償回路による温度補償量の変動を抑制し、より高精度に圧力を測定することができる。
Application Example 6 The pressure sensor according to Application Example 4, wherein a gap between the pressure sensor element and the bottom of the first recess is filled with resin.
Since the thermal conductivity of air can vary depending on the pressure, when the pressure of air changes with the above-mentioned gap, the influence of heat on the pressure sensor from the temperature compensation circuit varies. Therefore, as in this application example, by filling the gap with a resin having low thermal conductivity, heat from the temperature compensation circuit to the pressure sensor element through the package is shielded, and from the temperature compensation circuit as in Application Example 3. The effect of heat can be further reduced, and the effect of heat from the temperature compensation circuit is constant regardless of the air pressure. Can be measured.
[適用例7]前記第1凹部をリッドで覆うとともに、前記リッドに圧力導入口を設けたことを特徴とする適用例1乃至6のいずれか1例に記載の圧力センサ。
これにより、第1凹部がパッケージ内で形成する内部空間が被圧力測定領域とともに閉空間を形成することになる。よって圧力センサ側の体積を小さくすることが可能となるため、前記内部空間と被圧力測定領域をドッキングさせた場合の圧力変化及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させた圧力センサとなる。特に適用例6に本適用例を適用することにより第1凹部が形成する内部空間の体積をさらに小さくすることができる。また第1凹部において温度センサを設けない場合は第1凹部をさらに小さく設計することが可能となるので、ドッキング時の圧力変化、及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。
Application Example 7 The pressure sensor according to any one of Application Examples 1 to 6, wherein the first recess is covered with a lid, and a pressure introduction port is provided in the lid.
Thereby, the internal space formed by the first recess in the package forms a closed space together with the pressure measurement region. Therefore, since the volume on the pressure sensor side can be reduced, a pressure sensor in which the measurement error is reduced by suppressing the pressure change and the temperature change when the internal space and the pressure measurement region are docked is obtained. In particular, by applying this application example to Application Example 6, the volume of the internal space formed by the first recess can be further reduced. Further, when the temperature sensor is not provided in the first recess, the first recess can be designed to be smaller, so that a pressure error and a temperature change during docking can be suppressed to reduce a measurement error.
[適用例8]前記圧力センサ素子を発振させる発振回路を前記第2凹部に配置しつつ、前記圧力センサ素子に接続したことを特徴とする適用例7に記載の圧力センサ。
発振回路も、温度補償回路ほどではないにしろ熱を発生している。よって第1凹部において熱の発生をさらに抑制することができるため、温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。
Application Example 8 The pressure sensor according to Application Example 7, wherein an oscillation circuit that oscillates the pressure sensor element is disposed in the second recess and connected to the pressure sensor element.
The oscillation circuit also generates heat if not as much as the temperature compensation circuit. Therefore, since heat generation can be further suppressed in the first recess, the temperature change can be suppressed and the measurement error can be reduced.
[適用例9]前記リッドの前記第1凹部の底部側に凸部を儲け、前記圧力導入口は、前記リッド及び前記凸部に連通されたことを特徴とする適用例7または8に記載の圧力センサ。
これにより、第1凹部が形成する空間の容積をさらに小さくすることができ、圧力変化及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。
Application Example 9 According to Application Example 7 or 8, wherein a convex portion is provided on a bottom side of the first concave portion of the lid, and the pressure introducing port is communicated with the lid and the convex portion. Pressure sensor.
As a result, the volume of the space formed by the first recess can be further reduced, and the measurement error can be reduced by suppressing the pressure change and the temperature change.
[適用例10]パッケージ材の一方の面に第1凹部を形成し、他方の面に第2凹部を形成し、前記第2凹部の底部の周縁にスペーサを形成し、前記第1凹部及び前記第2凹部との間を電気的に導通する貫通部材を貫通させ、圧電振動片を感圧素子とした圧力センサ素子を第1凹部に配置して前記貫通部材に接続し、前記貫通部材の前記第2凹部側から圧力センサ素子の共振周波数の温度依存性を測定して温度変化に伴う前記圧力センサ素子の圧力測定誤差を補償する温度補償回路の所定の定数を算出して、前記温度補償回路に前記所定の定数を書き込み、前記温度補償回路を、前記貫通部材に接続して前記スペーサに接着して前記底部から離間して配置したことを特徴とする圧力センサの製造方法。 Application Example 10 A first recess is formed on one surface of a package material, a second recess is formed on the other surface, a spacer is formed on a peripheral edge of the bottom of the second recess, and the first recess and the A penetrating member that is electrically connected to the second recess is passed through, a pressure sensor element having a piezoelectric vibrating piece as a pressure-sensitive element is disposed in the first recess, and is connected to the penetrating member. Measuring the temperature dependence of the resonance frequency of the pressure sensor element from the second recess side to calculate a predetermined constant of a temperature compensation circuit for compensating for the pressure measurement error of the pressure sensor element accompanying a temperature change; The pressure sensor is written, and the temperature compensation circuit is connected to the penetrating member, bonded to the spacer, and arranged away from the bottom.
これにより、パッケージに実装された圧力センサ素子ごとの特性を考慮した所定の定数を算出して温度補償回路に書き込むことが可能となり、適用例1乃至9に係る圧力センサの温度補償の精度を高めることができる。 As a result, it becomes possible to calculate a predetermined constant in consideration of the characteristics of each pressure sensor element mounted on the package and write it in the temperature compensation circuit, thereby improving the temperature compensation accuracy of the pressure sensors according to Application Examples 1 to 9. be able to.
以下、本発明に係る圧力センサ、及びその製造方法を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, a pressure sensor according to the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail using embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .
図1に第1実施形態に係る圧力センサの模式図を示す。図1(a)は正面図、図1(b)は平面図、図1(c)は底面図である。
第1実施形態に係る圧力センサ10は、パッケージ12、圧力センサ素子26、温度センサ素子36、温度補償回路52、貫通部材40、42、リッド44等から構成される。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a pressure sensor according to the first embodiment. 1A is a front view, FIG. 1B is a plan view, and FIG. 1C is a bottom view.
The pressure sensor 10 according to the first embodiment includes a package 12, a pressure sensor element 26, a temperature sensor element 36, a temperature compensation circuit 52, penetrating members 40 and 42, a lid 44, and the like.
パッケージ12は、セラミック等の絶縁体による矩形の部材から形成されたものであり、上面に第1凹部14が形成され、下面には第2凹部16が形成されている。第1凹部14及び第2凹部16は、平面視して矩形に形成され、互いにその底部14a、16aを対向させる態様で形成されている。第2凹部16の底部16aの周縁(角の4箇所)にはスペーサ18が形成されている。同様に、第1凹部14の底部14aの周縁にも第2スペーサ20が形成されている。温度補償回路を載せた第1基板22はスペーサ18の下端に接着剤等により接着されている。同様に、圧力センサ素子26、温度センサ素子36、及び発振回路38を載せた第2基板24は、第2スペーサ20の上端に接着剤等により接着されている。よって各基板と各凹部の底部との間には隙間14b、16bが形成されている。なお第2基板24は平面視して第1凹部14の外形よりも小さな寸法を有しているので、隙間14bは第1凹部14内において空間的に隔離されてはいない。
第1凹部14に配置された第2基板24の上面に、圧力センサ素子26及び温度センサ素子36が配置され、その下面に発振回路38が配置されている。
The package 12 is formed from a rectangular member made of an insulator such as ceramic, and has a first recess 14 formed on the upper surface and a second recess 16 formed on the lower surface. The first recess 14 and the second recess 16 are formed in a rectangular shape in plan view, and are formed in such a manner that the bottom portions 14a and 16a face each other. Spacers 18 are formed on the periphery (four corners) of the bottom 16 a of the second recess 16. Similarly, the second spacer 20 is also formed on the periphery of the bottom 14 a of the first recess 14. The first substrate 22 on which the temperature compensation circuit is mounted is bonded to the lower end of the spacer 18 with an adhesive or the like. Similarly, the second substrate 24 on which the pressure sensor element 26, the temperature sensor element 36, and the oscillation circuit 38 are mounted is bonded to the upper end of the second spacer 20 with an adhesive or the like. Therefore, gaps 14b and 16b are formed between each substrate and the bottom of each recess. Since the second substrate 24 has a size smaller than the outer shape of the first recess 14 in plan view, the gap 14 b is not spatially separated in the first recess 14.
The pressure sensor element 26 and the temperature sensor element 36 are disposed on the upper surface of the second substrate 24 disposed in the first recess 14, and the oscillation circuit 38 is disposed on the lower surface thereof.
図2に第1実施形態を構成する圧力センサ素子26の模式図を示す。図2(a)は正面図、図2(b)は平面図を示す。
圧力センサ素子26は、例えば図2に示すように、素子パッケージ28、ダイアフラム30を中央部に有する素子リッド32、双音叉型圧電振動片34により形成されている。図2において、素子パッケージ28、およびダイアフラム30は矩形に描かれているが、平面視して円形となる形状でもよい。圧力センサ素子26は素子パッケージ28及び素子リッド32により、双音叉型圧電振動片34が存在する内部空間を真空に封止した絶対圧を測定するものである。
FIG. 2 shows a schematic diagram of the pressure sensor element 26 constituting the first embodiment. 2A is a front view, and FIG. 2B is a plan view.
For example, as shown in FIG. 2, the pressure sensor element 26 is formed by an element package 28, an element lid 32 having a diaphragm 30 at the center, and a double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 34. In FIG. 2, the element package 28 and the diaphragm 30 are drawn in a rectangular shape, but may have a circular shape in plan view. The pressure sensor element 26 measures an absolute pressure in which the internal space where the double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 34 exists is sealed in a vacuum by the element package 28 and the element lid 32.
ダイアフラム30は圧力センサ素子26の外部から図2(a)に示す矢印の方向から圧力を受けて撓み変形し、双音叉型圧電振動片34に応力を伝達するものである。圧力センサ素子26は真空を基準としているので、ダイアフラム30は外部が真空のときは平坦であるが、外部が気圧を有する場合は、内部空間側に撓み変形することになる。 The diaphragm 30 receives pressure from the outside of the pressure sensor element 26 in the direction of the arrow shown in FIG. 2A and bends and deforms to transmit the stress to the double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 34. Since the pressure sensor element 26 is based on vacuum, the diaphragm 30 is flat when the outside is vacuum, but when the outside has atmospheric pressure, the diaphragm 30 is bent and deformed toward the inner space.
双音叉型圧電振動片34は水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料から形成され、両端部に基部34aを有し、この2つの基部34aの間に双音叉形状を成す振動腕34bを有する。振動腕34bには励振電極(不図示)が、基部34aには励振電極(不図示)の引き出し電極(不図示)が形成され、発振回路38と電気的に接続されている。この発振回路38から交流電圧が入力されることにより所定の共振周波数で振動腕34bが図示する矢印の方向に振動することになる。 The double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 34 is made of a piezoelectric material such as quartz, lithium niobate, lithium tantalate, etc., and has a base portion 34a at both ends, and a vibrating arm 34b having a double tuning fork shape between the two base portions 34a. Have An excitation electrode (not shown) is formed on the vibrating arm 34 b, and an extraction electrode (not shown) of the excitation electrode (not shown) is formed on the base 34 a and is electrically connected to the oscillation circuit 38. When an AC voltage is input from the oscillation circuit 38, the vibrating arm 34b vibrates in the direction of the arrow shown in the figure at a predetermined resonance frequency.
双音叉型圧電振動片34は、振動腕34bに与える張力を変化させることで、その振動状態、すなわち共振周波数を変化させるという特徴をもつ。具体的には、振動腕34bに引っ張りの力が加えられた場合は周波数が高くなり、圧縮の力が加えられた場合には周波数が低くなる。両端の基部34aはそれぞれダイアフラム30の内部空間側に形成された凸部30aに接続される。よってダイアフラム30の撓み変形により、双音叉型圧電振動片34はダイアフラム30から曲げ応力を受けて振動腕34bも撓み変形するので、この変形に起因する共振周波数の変動によりダイアフラム30に掛かる圧力を測定することができる。また、共振周波数は圧力だけではなく、温度によっても変動するため後述の温度補償回路により圧力誤差を補正することにより、更に高精度に圧力を検出することが可能となる。 The double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 34 has a feature that the vibration state, that is, the resonance frequency is changed by changing the tension applied to the vibrating arm 34b. Specifically, the frequency increases when a pulling force is applied to the vibrating arm 34b, and the frequency decreases when a compression force is applied. The base portions 34a at both ends are respectively connected to convex portions 30a formed on the inner space side of the diaphragm 30. Therefore, due to the bending deformation of the diaphragm 30, the double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 34 receives bending stress from the diaphragm 30 and the vibrating arm 34b also bends and deforms. Therefore, the pressure applied to the diaphragm 30 due to the fluctuation of the resonance frequency caused by the deformation is measured. can do. Further, since the resonance frequency varies depending not only on the pressure but also on the temperature, the pressure can be detected with higher accuracy by correcting the pressure error by a temperature compensation circuit described later.
温度センサ素子36は、例えば、上述同様に圧電素子を材料とした音叉型圧電振動片(不図示)を熱伝導性の良い金属製の素子パッケージ内に搭載したものが好適である。音叉型圧電振動片(不図示)も、その振動腕(不図示)の共振周波数が温度により変動するので、逆に共振周波数の変動量から温度を算出することができる。温度センサ素子36は圧力センサ素子26とともに第2基板24上に搭載されているが、圧力センサ素子26の温度をより正確に測定するため、圧力センサ素子26に近接して搭載する、あるいは接触させて搭載することが望ましい。なお、温度センサ素子36の共振周波数と温度との関係は既知であり、温度センサ素子36は自己の共振周波数を温度に変換して温度補償回路52に出力するものとする。 As the temperature sensor element 36, for example, a tuning fork type piezoelectric vibrating piece (not shown) made of a piezoelectric element as a material is mounted in a metal element package having good thermal conductivity, as described above. In the tuning fork type piezoelectric vibrating piece (not shown), the resonance frequency of the vibrating arm (not shown) fluctuates depending on the temperature, so that the temperature can be calculated from the fluctuation amount of the resonance frequency. The temperature sensor element 36 is mounted on the second substrate 24 together with the pressure sensor element 26. However, in order to measure the temperature of the pressure sensor element 26 more accurately, the temperature sensor element 36 is mounted close to or in contact with the pressure sensor element 26. It is desirable to install. Note that the relationship between the resonance frequency of the temperature sensor element 36 and the temperature is known, and the temperature sensor element 36 converts its resonance frequency into a temperature and outputs it to the temperature compensation circuit 52.
発振回路38は貫通電極38a、38bを通じて圧力センサ素子26、及び温度センサ素子36に接続され、双音叉型圧電振動片34、及び音叉型圧電振動片(不図示)を励振する交流電圧を出力している。なお、発振回路38は外部電源(不図示)と接続され、前記交流電圧が出力可能であるものとする。また第2基板24には貫通孔24a、24bが形成され、貫通孔24a、24bにはそれぞれ貫通部材40、42が貫通されている。また第2基板24上に形成され、圧力センサ素子26と接続した接続電極24cは貫通孔24aにまで延びている。同様に温度センサ素子36と接続した接続電極24dも貫通孔24bにまで延びている。接続電極24cと貫通部材40、および接続電極24dと貫通部材42との電気的接続は、接続部位がパッケージの外側を向いているため半田付けで行うことができる。 The oscillation circuit 38 is connected to the pressure sensor element 26 and the temperature sensor element 36 through the through electrodes 38a and 38b, and outputs an alternating voltage for exciting the double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 34 and the tuning fork type piezoelectric vibrating piece (not shown). ing. It is assumed that the oscillation circuit 38 is connected to an external power source (not shown) and can output the AC voltage. Further, through holes 24a and 24b are formed in the second substrate 24, and through members 40 and 42 are passed through the through holes 24a and 24b, respectively. A connection electrode 24c formed on the second substrate 24 and connected to the pressure sensor element 26 extends to the through hole 24a. Similarly, the connection electrode 24d connected to the temperature sensor element 36 also extends to the through hole 24b. Electrical connection between the connection electrode 24c and the penetrating member 40, and between the connection electrode 24d and the penetrating member 42 can be performed by soldering because the connection portion faces the outside of the package.
貫通部材40、42(本実施形態では4つ用いられる)は金属等の導通部材により形成され、第1凹部14と第2凹部16との間のパッケージ部材を貫通し、その端部を第1凹部14の底部14a、第2凹部16の底部16aにそれぞれ露出した態様でパッケージ12に固定されている。よって圧力センサ素子は接続電極24c、貫通部材40を介して、温度センサ素子は、接続電極24d、貫通部材42を介してそれぞれ第2凹部16側に電気的に接続される。 The penetrating members 40 and 42 (four are used in the present embodiment) are formed of a conductive member such as a metal, and penetrate the package member between the first concave portion 14 and the second concave portion 16, and end portions of the penetrating members 40 and 42 are first. It is being fixed to the package 12 in the aspect exposed to the bottom part 14a of the recessed part 14, and the bottom part 16a of the 2nd recessed part 16, respectively. Therefore, the pressure sensor element is electrically connected to the second recess 16 side via the connection electrode 24c and the penetrating member 40, and the temperature sensor element is respectively connected to the second recess 16 side via the connection electrode 24d and the penetrating member 42.
また第1凹部14を封止するようにリッド44がパッケージ12の上面に接続されている。リッド44の上面にはバルブ46の取り付けられた配管48が接続され、リッド44の配管48の接続された領域には圧力導入口50が形成されている。なお、図示しないが、配管48の先は被圧力測定領域の閉空間と接続されている。よって第1凹部14が形成する閉空間はバルブ46の開閉により被圧力測定領域の閉空間と接続・分離することができる。 A lid 44 is connected to the upper surface of the package 12 so as to seal the first recess 14. A pipe 48 to which a valve 46 is attached is connected to the upper surface of the lid 44, and a pressure inlet 50 is formed in a region where the pipe 48 of the lid 44 is connected. Although not shown, the tip of the pipe 48 is connected to the closed space of the pressure measurement region. Therefore, the closed space formed by the first recess 14 can be connected and separated from the closed space of the pressure measurement region by opening and closing the valve 46.
一方、第2凹部16に配置された第1基板22には温度補償回路52と、温度補償回路52に接続した接続電極22c、22dが形成されている。第1基板22には第2基板24同様に貫通孔22a、22bが形成され、接続電極22cは貫通孔22aにまで延び、接続電極22dは貫通孔22bにまで延びて形成されるとともに、貫通孔22aには貫通部材40が貫通し、貫通孔22bには貫通部材42が貫通している。第2基板24と同様に第1基板22においても接続電極22cと貫通部材40との電気的接続、及び接続電極22dと貫通部材42との電気的接続は半田付けにより行うことができる。よって温度補償回路52は第1凹部14にある圧力センサ素子26及び温度センサ素子36と電気的に接続されることになる。 On the other hand, a temperature compensation circuit 52 and connection electrodes 22 c and 22 d connected to the temperature compensation circuit 52 are formed on the first substrate 22 disposed in the second recess 16. Through holes 22a and 22b are formed in the first substrate 22 like the second substrate 24, the connection electrode 22c extends to the through hole 22a, the connection electrode 22d extends to the through hole 22b, and the through hole The penetrating member 40 penetrates through 22a, and the penetrating member 42 penetrates through the through hole 22b. Similarly to the second substrate 24, the electrical connection between the connection electrode 22 c and the penetrating member 40 and the electrical connection between the connection electrode 22 d and the penetrating member 42 can also be performed by soldering on the first substrate 22. Therefore, the temperature compensation circuit 52 is electrically connected to the pressure sensor element 26 and the temperature sensor element 36 in the first recess 14.
ICチップ等により形成された温度補償回路52は、温度センサ素子36から入力される温度情報から圧力センサ素子26の共振周波数の温度による変化分、すなわち温度変化に伴う圧力センサ10の圧力測定誤差を補償するものである。 The temperature compensation circuit 52 formed by an IC chip or the like calculates a change due to the temperature of the resonance frequency of the pressure sensor element 26 from the temperature information input from the temperature sensor element 36, that is, a pressure measurement error of the pressure sensor 10 due to the temperature change. To compensate.
温度補償回路52は温度補償を行うための関数([数1])が内蔵されているが、この関数の係数であり、圧力センサ素子26、及び温度センサ素子36の温度特性に整合する定数(温度係数)を外部から入力する必要がある。そこで、温度補償回路52には書き込み端子52aとグランド端子52bが配設され、これらを書き込み装置56(図3参照)に接続することにより、温度補償回路52には温度補償に必要な定数(温度係数)を書き込み装置から入力され、温度補償回路52内の記憶媒体(不図示)に格納されることになる。 The temperature compensation circuit 52 has a built-in function ([Equation 1]) for performing temperature compensation, which is a coefficient of this function and is a constant (matching the temperature characteristics of the pressure sensor element 26 and the temperature sensor element 36). It is necessary to input the temperature coefficient from the outside. Therefore, the temperature compensation circuit 52 is provided with a write terminal 52a and a ground terminal 52b, and these are connected to the writing device 56 (see FIG. 3), whereby the temperature compensation circuit 52 has a constant (temperature) necessary for temperature compensation. The coefficient is input from the writing device and stored in a storage medium (not shown) in the temperature compensation circuit 52.
温度係数を算出するためには、まず常温(25℃、基準温度)にて圧力を制御できるチャンバー内に圧力センサ素子26を配置して、圧力測定範囲における圧力センサ素子26の共振周波数の圧力依存性をプロットし、その後いくつかの温度設定において同様の測定を行い、圧力P及び温度Tに依存する共振周波数fPTを、
そして、温度補償回路52においては、温度センサ素子36から入力された温度Tと、温度係数Ckを用いて、圧力センサ素子26から入力され、温度Tで測定された共振周波数を、基準温度で測定した共振周波数に換算して、共振周波数を圧力に変換する変換回路(不図示)に出力する。変換回路(不図示)においては基準温度における共振周波数と圧力との関係は、入力済みで既知であるため、その入力された共振周波数に対応した圧力値を出力すればよい。 Then, in the temperature compensation circuit 52 includes a temperature T input from the temperature sensor element 36, using a temperature coefficient C k, are inputted from the pressure sensor element 26, the measured resonance frequency at temperature T, at a reference temperature It converts into the measured resonance frequency, and outputs it to the conversion circuit (not shown) which converts a resonance frequency into a pressure. In the conversion circuit (not shown), since the relationship between the resonance frequency and the pressure at the reference temperature is already input and known, a pressure value corresponding to the input resonance frequency may be output.
したがって、温度補償回路52は演算処理を行うため大きな熱を発生する。しかし温度補償回路52はスペーサ18を介してパッケージ12に接続され、温度補償回路52を搭載する第1基板22とパッケージ12との間には、スペーサ18により形成された隙間16bが形成され、温度補償回路52は第2凹部16の底部16aから離間して配置されたるため、温度補償回路52からの熱をパッケージに伝達することを防いでいる。さらに圧力センサ素子26等を搭載する第2基板24とパッケージ12との間も、第2スペーサ20より形成された隙間14bが形成され、圧力センサ10は第1凹部14の底部14aから離間して配置される、パッケージ12からの熱を圧力センサ素子26等が受けることを防いでいる。 Therefore, the temperature compensation circuit 52 generates a large amount of heat for performing the arithmetic processing. However, the temperature compensation circuit 52 is connected to the package 12 via the spacer 18, and a gap 16 b formed by the spacer 18 is formed between the first substrate 22 on which the temperature compensation circuit 52 is mounted and the package 12. Since the compensation circuit 52 is disposed away from the bottom 16a of the second recess 16, heat from the temperature compensation circuit 52 is prevented from being transferred to the package. Further, a gap 14b formed by the second spacer 20 is also formed between the second substrate 24 on which the pressure sensor element 26 and the like are mounted and the package 12, and the pressure sensor 10 is separated from the bottom 14a of the first recess 14. The pressure sensor element 26 and the like are prevented from receiving heat from the package 12 that is disposed.
図3に第1実施形態に係る圧力センサ10の製造工程を示す。図3に示すように、圧力センサ10を形成するためには、まず(a)矩形のパッケージ部材54に第1凹部14、第2スペーサ20、第2凹部16、スペーサ18を形成してパッケージ12を形成し、(b)貫通部材40、42を挿通させる貫通孔40a、42aをパッケージ12の第1凹部14及び第2凹部16の所定位置に形成して前記貫通孔40a、42aに貫通部材40、42を挿通させ、(c)第1凹部14において、圧力センサ素子26等を搭載した第2基板24の所定位置に形成した貫通孔24a、24bに貫通部材40、42を挿通して半田付けし、第2基板24の下面と第2スペーサ20の上面とを接着剤等で接着するとともに、第2凹部16において圧力センサ素子26、に接続した貫通部材40の第2凹部16に露出した部分を書き込み装置56の入力側に接続して、圧力センサ素子26の共振周波数の圧力依存性及び温度依存性を測定して、温度補償回路に必要な温度係数を算出し、(d)第2凹部16において、第1基板22の所定位置に形成された貫通孔22a、22bに貫通部材40、42を挿通して半田付けし、温度補償回路52を搭載した第1基板22の上面とスペーサ18の下面とを接着剤等で接着するとともに、書き込み装置の出力側と温度補償回路52の書き込み端子52a、グランド端子52bとを接続して温度補償回路52中の記憶媒体(不図示)に温度補償に必要な上述の温度係数を書き込み、(e)第1凹部14にリッド44等を接続する、という工程を経ることになる。 FIG. 3 shows a manufacturing process of the pressure sensor 10 according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, in order to form the pressure sensor 10, first, the first recess 14, the second spacer 20, the second recess 16, and the spacer 18 are formed in a rectangular package member 54, and the package 12 is formed. And (b) through holes 40a and 42a through which the through members 40 and 42 are inserted are formed at predetermined positions of the first concave portion 14 and the second concave portion 16 of the package 12, and the through members 40 are inserted into the through holes 40a and 42a. (C) In the first recess 14, the penetrating members 40 and 42 are inserted into the through holes 24a and 24b formed at predetermined positions of the second substrate 24 on which the pressure sensor element 26 and the like are mounted and soldered. Then, the lower surface of the second substrate 24 and the upper surface of the second spacer 20 are bonded with an adhesive or the like, and exposed to the second recess 16 of the penetrating member 40 connected to the pressure sensor element 26 in the second recess 16. And the temperature coefficient necessary for the temperature compensation circuit is calculated by measuring the pressure dependence and temperature dependence of the resonance frequency of the pressure sensor element 26, and (d) the second 2 In the recess 16, the penetration members 40 and 42 are inserted and soldered into the through holes 22 a and 22 b formed at predetermined positions of the first substrate 22, and the upper surface of the first substrate 22 on which the temperature compensation circuit 52 is mounted and the spacer 18 is bonded with an adhesive or the like, and the output side of the writing device is connected to the write terminal 52a and the ground terminal 52b of the temperature compensation circuit 52, so that the temperature is stored in a storage medium (not shown) in the temperature compensation circuit 52. The above-described temperature coefficient necessary for compensation is written, and (e) the lid 44 and the like are connected to the first recess 14.
ここで、バルブ46が閉じた状態において、被圧力測定領域の閉空間の体積をV1、第1凹部14が形成する内部空間14cの体積をV2とする。簡単のためバルブ46を開く前はV2の内部は真空であるとする。このとき被圧力測定領域の状態方程式は次のようになる。
よって、V2をゼロに近づけるほどT1−T0の値がゼロに近づくため、V2は極力小さくしたほうが望ましいことになる。とくに被圧力測定領域の体積V1が小さい場合はなおさらV2が小さくなるように設計することが必要となる。第1実施形態においては圧力センサ素子26を配置した第1凹部14をリッド44で封止することにより上述のV2を小さくすることが可能となっている。このV2をさらに小さくする構成については後段の実施形態において説明する。 Therefore, the value of T 1 -T 0 closer the V 2 to zero to approach zero, V 2 will be where it is preferred to minimize. In particular, when the volume V 1 of the pressure measurement region is small, it is necessary to design so that V 2 becomes even smaller. It is possible to reduce the V 2 described above by sealing the first recess 14 arranged a pressure sensor element 26 in the lid 44 in the first embodiment. A configuration for further reducing the V 2 will be described in the following embodiment.
したがって第1実施形態に係る圧力センサ10によれば、一つのパッケージ12において圧力センサ素子26と、最も発熱する温度補償回路52とをパッケージ材の厚み方向で互いに対向して形成された凹部(第1凹部14、第2凹部16)に別々に配置し、かつ温度補償回路52を凹部(第2凹部16)から浮かせた状態で配置することにより、圧力センサ10全体の外形をコンパクトにまとめつつ、温度補償回路52からの熱が圧力センサ素子26に伝達することを防止することができるとともに、圧力センサ素子26近傍の温度情報を温度補償回路52に出力することができるので、温度変化による圧力測定誤差を軽減することができる。 Therefore, according to the pressure sensor 10 according to the first embodiment, the pressure sensor element 26 and the temperature compensation circuit 52 that generates the most heat in one package 12 are formed in a concave portion (first shape) facing each other in the thickness direction of the package material. 1 separately disposed in the recessed portion 14 and the second recessed portion 16), and by arranging the temperature compensation circuit 52 in a state of floating from the recessed portion (second recessed portion 16), Heat from the temperature compensation circuit 52 can be prevented from being transmitted to the pressure sensor element 26, and temperature information in the vicinity of the pressure sensor element 26 can be output to the temperature compensation circuit 52, so that pressure measurement due to a temperature change is performed. The error can be reduced.
また、第1凹部14がパッケージ12に対して形成する内部空間14cが被圧力測定領域とともに閉空間を形成することになる。よって圧力センサ10側の容積をリッド44により小さくすることが可能となるため、前記内部空間14cと被圧力測定領域をドッキングさせた場合の圧力変化及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。さらに、第1実施形態の製造工程において、パッケージ12に実装された圧力センサ素子26ごとの特性を考慮した所定の定数を温度補償回路52に書き込むことが可能となるため、圧力センサ10の温度補償の精度を高めることができる。 Further, the internal space 14c formed by the first recess 14 with respect to the package 12 forms a closed space together with the pressure measurement region. Therefore, since the volume on the pressure sensor 10 side can be reduced by the lid 44, the measurement error can be reduced by suppressing the pressure change and the temperature change when the internal space 14c and the pressure measurement region are docked. Can do. Furthermore, in the manufacturing process of the first embodiment, a predetermined constant considering the characteristics of each pressure sensor element 26 mounted on the package 12 can be written in the temperature compensation circuit 52, so that the temperature compensation of the pressure sensor 10 can be performed. Can improve the accuracy.
図4に第2実施形態に係る圧力センサ60の模式図を示す。図4(a)は正面図、図4(b)は平面図である。第2実施形態に係る圧力センサ60は基本的には第1実施形態と同様であるが、第2基板62をひっくり返した状態で貫通部材40、42に接続したものであり、発振回路38が第2基板62の上面に配置されている。第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、接続電極64、66は第2基板62の上面に形成されているため、圧力センサ素子26、及び温度センサ素子36は貫通電極62a、62bによりそれぞれ、接続電極64、66と接続されている。このとき圧力センサ素子26のダイアフラムは下向きにとなり、受圧面が第1凹部14の底部14a側に向けられた形となる。しかし隙間14bは上述のように内部空間14cにおいて完全に仕切られた状態ではないため圧力測定において何ら支障はない。 FIG. 4 shows a schematic diagram of a pressure sensor 60 according to the second embodiment. 4A is a front view, and FIG. 4B is a plan view. The pressure sensor 60 according to the second embodiment is basically the same as that of the first embodiment, except that the second substrate 62 is turned over and connected to the penetrating members 40 and 42, and the oscillation circuit 38 is The second substrate 62 is disposed on the upper surface. Also in the second embodiment, as in the first embodiment, since the connection electrodes 64 and 66 are formed on the upper surface of the second substrate 62, the pressure sensor element 26 and the temperature sensor element 36 are through electrodes 62a and 62b. Are connected to the connection electrodes 64 and 66, respectively. At this time, the diaphragm of the pressure sensor element 26 is directed downward, and the pressure receiving surface is directed to the bottom 14a side of the first recess 14. However, since the gap 14b is not completely partitioned in the internal space 14c as described above, there is no problem in the pressure measurement.
このように第2実施形態のような圧力センサ60とすることにより、圧力センサ素子の受圧面が、被圧力測定領域から飛来する粒子等により汚染されることを回避して、圧力センサ素子の感度を維持することができる。 Thus, by using the pressure sensor 60 as in the second embodiment, the pressure receiving surface of the pressure sensor element is prevented from being contaminated by particles flying from the pressure measurement region, and the sensitivity of the pressure sensor element. Can be maintained.
図5、図6に第3実施形態に係る圧力センサ70、100の模式図を示す。第3実施形態の圧力センサ70、は発振回路72がパッケージ74の第2凹部76に配置されたものであり、2つのタイプがある。図5はタイプ1、図6はタイプ2であり、図5(a)は正面図、図5(b)は平面図、図5(c)は底面図、図6(a)は正面図、図6(b)は平面図、図6(c)は底面図である。 5 and 6 are schematic views of pressure sensors 70 and 100 according to the third embodiment. In the pressure sensor 70 of the third embodiment, the oscillation circuit 72 is disposed in the second recess 76 of the package 74, and there are two types. 5 is type 1, FIG. 6 is type 2, FIG. 5 (a) is a front view, FIG. 5 (b) is a plan view, FIG. 5 (c) is a bottom view, and FIG. 6 (a) is a front view. FIG. 6B is a plan view and FIG. 6C is a bottom view.
図5に示すように、タイプ1の圧力センサ70は、パッケージ74の第2凹部76側において、スペーサ78が2段構造となっており、スペーサの上段78aには発振回路72を搭載した第3基板80、下段78bには温度補償回路82を搭載した第1基板84がそれぞれ接着されている。このとき、発振回路72と第2基板94に搭載された圧力センサ素子86とは、発振回路72と接続する接続電極80a、貫通部材88、及び圧力センサ素子86と接続する接続電極94aを介して接続され、発振回路72と温度センサ素子92とは、発振回路72と接続する接続電極80b、貫通部材90、及び温度センサ素子92と接続する接続電極94bを介して接続されることになる。 As shown in FIG. 5, in the type 1 pressure sensor 70, a spacer 78 has a two-stage structure on the second recess 76 side of the package 74, and a third stage in which an oscillation circuit 72 is mounted on the upper stage 78a of the spacer. A first substrate 84 on which a temperature compensation circuit 82 is mounted is bonded to the substrate 80 and the lower stage 78b. At this time, the oscillation circuit 72 and the pressure sensor element 86 mounted on the second substrate 94 are connected via the connection electrode 80 a connected to the oscillation circuit 72, the penetrating member 88, and the connection electrode 94 a connected to the pressure sensor element 86. The oscillation circuit 72 and the temperature sensor element 92 are connected to each other via the connection electrode 80 b connected to the oscillation circuit 72, the penetrating member 90, and the connection electrode 94 b connected to the temperature sensor element 92.
タイプ1の圧力センサ70の製造は、第1実施形態の場合と同様であるが、圧力センサ素子86が搭載された第2基板94と、発振回路が搭載された第3基板80とを貫通部材40、42、88、90に接続したのちに、圧力センサ素子の共振周波数の圧力依存性、および温度依存性を測定する。 The manufacture of the type 1 pressure sensor 70 is the same as in the case of the first embodiment. However, the second substrate 94 on which the pressure sensor element 86 is mounted and the third substrate 80 on which the oscillation circuit is mounted are passed through. After connecting to 40, 42, 88, 90, the pressure dependence and temperature dependence of the resonance frequency of the pressure sensor element are measured.
タイプ2の圧力センサ100は、図6に示すように、発振回路102が温度補償回路104とともに第1基板上106に搭載されている。このとき、発振回路102と圧力センサ素子108とは、発振回路102と接続する接続電極106a、貫通部材110a、及び圧力センサ素子108と接続する接続電極112aを介して接続され、発振回路102と温度センサ素子114とは、発振回路102と接続する接続電極106b、貫通部材110b、及び温度センサ素子114と接続する接続電極112bを介して接続されることになる。また圧力センサ素子108と温度補償回路104とは、圧力センサ素子108と接続された接続電極112c、貫通部材110c、温度補償回路104と接続した接続電極106cを介して接続され、温度センサ素子と温度補償回路104とは、温度センサ素子114と接続された接続電極112d、貫通部材110d、温度補償回路と接続された接続部材106dを介して接続されている。 As shown in FIG. 6, the type 2 pressure sensor 100 includes an oscillation circuit 102 mounted on a first substrate 106 together with a temperature compensation circuit 104. At this time, the oscillation circuit 102 and the pressure sensor element 108 are connected via the connection electrode 106a connected to the oscillation circuit 102, the penetrating member 110a, and the connection electrode 112a connected to the pressure sensor element 108, and the oscillation circuit 102 and the temperature sensor element 108 are connected to the temperature sensor element 108. The sensor element 114 is connected via the connection electrode 106b connected to the oscillation circuit 102, the penetrating member 110b, and the connection electrode 112b connected to the temperature sensor element 114. The pressure sensor element 108 and the temperature compensation circuit 104 are connected via the connection electrode 112c connected to the pressure sensor element 108, the penetrating member 110c, and the connection electrode 106c connected to the temperature compensation circuit 104. The compensation circuit 104 is connected via a connection electrode 112d connected to the temperature sensor element 114, a penetrating member 110d, and a connection member 106d connected to the temperature compensation circuit.
第3実施形態(タイプ1、タイプ2)に係る圧力センサ70、100によれば、発振回路72、102も、温度補償回路82、104ほどではないにしろ熱を発生している。よって第1凹部96において熱の発生をさらに抑制することができるため、温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。 According to the pressure sensors 70 and 100 according to the third embodiment (type 1 and type 2), the oscillation circuits 72 and 102 also generate heat, if not as much as the temperature compensation circuits 82 and 104. Therefore, since heat generation in the first recess 96 can be further suppressed, a temperature error can be suppressed and a measurement error can be reduced.
図7に第4実施形態に係る圧力センサ120の模式図を示す。図7においては第1実施形態に付加したものを示しているが、第4実施形態は第1実施形態乃至第3実施形態に外的に構成要件を付加することが可能なものである。第4実施形態においてはリッド44の第1凹部122側に凸部124を設け、圧力導入口126はリッド44及び凸部124を連通する形態を有している。第4実施形態に係る圧力センサ120によれば、第1凹部122が形成する空間の容積をさらに小さくすることができ、圧力変化及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。 FIG. 7 is a schematic diagram of a pressure sensor 120 according to the fourth embodiment. Although what was added to 1st Embodiment is shown in FIG. 7, 4th Embodiment can add an external component to 1st Embodiment thru | or 3rd Embodiment. In the fourth embodiment, a convex portion 124 is provided on the first concave portion 122 side of the lid 44, and the pressure introduction port 126 has a form in which the lid 44 and the convex portion 124 are communicated with each other. According to the pressure sensor 120 according to the fourth embodiment, the volume of the space formed by the first recess 122 can be further reduced, and the measurement error can be reduced by suppressing the pressure change and the temperature change.
図8に第5実施形態に係る圧力センサ130、131の模式図を示す。図8(a)は第1実施形態に適用した場合、図8(b)は第3実施形態に適用した場合を示す。いずれも場合であっても、第5実施形態に係る圧力センサ130、131は圧力センサ素子132aと第1凹部134の底部134aの間の隙間、即ち、圧力センサ素子132aを搭載した第2基板132と第1凹部134の底部134aとの間に隙間を熱伝導率の低い樹脂136で埋めた構成となっている。図8(a)においては、発振回路132bが樹脂136に埋め込まれた形となり、発振回路132bの短絡防止が可能である。樹脂136で埋め込まれた分、第1凹部134が形成する内部空間134aの体積をさらに小さくすることができるため、内部空間134aと被圧力測定領域をドッキングさせた場合の圧力変化及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させた圧力センサ130、131となる。また、空気の熱伝導率はその圧力によって変動し得るため、上述の隙間を有した状態で空気の圧力が変化した場合は、温度補償回路からの圧力センサに対する熱の影響が変動することになる。そこで、本実施形態のように熱伝導率が低い樹脂136で隙間を埋めることにより、温度補償回路からパッケージを介して圧力センサ素子132aに向かう熱を遮蔽して温度補償回路からの熱の影響をさらに小さくすることができるとともに、温度補償回路からの熱の影響が空気の圧力によらず一定となるため、温度補償回路による温度補償量の変動を抑制し、より高精度に圧力を測定することができる。 FIG. 8 shows a schematic diagram of pressure sensors 130 and 131 according to the fifth embodiment. FIG. 8A shows a case where it is applied to the first embodiment, and FIG. 8B shows a case where it is applied to the third embodiment. In either case, the pressure sensors 130 and 131 according to the fifth embodiment have a gap between the pressure sensor element 132a and the bottom part 134a of the first recess 134, that is, the second substrate 132 on which the pressure sensor element 132a is mounted. And a bottom portion 134a of the first recess 134, a gap is filled with a resin 136 having a low thermal conductivity. In FIG. 8A, the oscillation circuit 132b is embedded in the resin 136, and the oscillation circuit 132b can be prevented from being short-circuited. Since the volume of the internal space 134a formed by the first concave portion 134 can be further reduced by the amount embedded with the resin 136, pressure change and temperature change when the internal space 134a and the pressure measurement region are docked are suppressed. Thus, pressure sensors 130 and 131 with reduced measurement errors are obtained. In addition, since the thermal conductivity of air can vary depending on the pressure, when the pressure of air changes with the above gap, the influence of heat on the pressure sensor from the temperature compensation circuit will vary. . Therefore, as in this embodiment, by filling the gap with the resin 136 having low thermal conductivity, the heat from the temperature compensation circuit to the pressure sensor element 132a through the package is shielded, and the influence of the heat from the temperature compensation circuit is affected. In addition to being able to make it smaller, the effect of heat from the temperature compensation circuit is constant regardless of the air pressure, so fluctuations in the amount of temperature compensation by the temperature compensation circuit are suppressed, and pressure can be measured with higher accuracy. Can do.
なお第5実施形態は第1実施形態、第3実施形態、第4実施形態に適用することができる。さらに第2実施形態に適用する場合には、受圧面が第1凹部14の底部14a側に向けられているため、受圧面が樹脂136に埋まらない程度の厚みで、第1凹部14の底部14aとの隙間を樹脂136で埋めることになる。 The fifth embodiment can be applied to the first embodiment, the third embodiment, and the fourth embodiment. Furthermore, when applied to the second embodiment, since the pressure receiving surface is directed to the bottom 14a side of the first recess 14, the bottom 14a of the first recess 14 is thick enough to prevent the pressure receiving surface from being buried in the resin 136. Is filled with the resin 136.
図9に第6実施形態に係る圧力センサ140の模式図を示す。第6実施形態に係る圧力センサ140は温度センサ素子(不図示)を第1凹部142に配置しない(代わりに、例えば被圧力測定領域に温度センサ素子を配置する)構成である。これにより第1凹部142そのものを小さく設計することが可能となる。図9においては、第6実施形態に第4実施形態、及び第5実施形態を付加している。すなわち、第5実施形態を構成する樹脂で隙間を埋め、第4実施形態に係る凸部124を設計変更し、凸部124の下面に圧力センサ素子144の外形に倣った形状の第3凹部146を形成し、圧力センサ素子144を第3凹部146で覆う態様で、凸部124をリッド44に設けることができる。これにより第1凹部142が形成する内部空間142aをかなり小さくすることができる。なお、第6実施形態は第1実施形態乃至第5実施形態に適用することができる。 FIG. 9 shows a schematic diagram of a pressure sensor 140 according to the sixth embodiment. The pressure sensor 140 according to the sixth embodiment has a configuration in which a temperature sensor element (not shown) is not disposed in the first recess 142 (in place, for example, a temperature sensor element is disposed in a pressure measurement region). As a result, the first recess 142 itself can be designed to be small. In FIG. 9, the fourth embodiment and the fifth embodiment are added to the sixth embodiment. That is, the gap is filled with the resin constituting the fifth embodiment, the design of the convex portion 124 according to the fourth embodiment is changed, and the third concave portion 146 having a shape following the outer shape of the pressure sensor element 144 is formed on the lower surface of the convex portion 124. The convex portion 124 can be provided on the lid 44 in such a manner that the pressure sensor element 144 is covered with the third concave portion 146. Thereby, the internal space 142a which the 1st recessed part 142 forms can be made quite small. Note that the sixth embodiment can be applied to the first to fifth embodiments.
10………圧力センサ、12………パッケージ、14………第1凹部、16………第2凹部、18………スペーサ、20………第2スペーサ、22………第1基板、24………第2基板、26………圧力センサ素子、28………素子パッケージ、30………ダイアフラム、32………素子リッド、34………双音叉型圧電振動片、36………温度センサ素子、38………発振回路、40………貫通部材、42………貫通部材、44………リッド、46………バルブ、48………配管、50………圧力導入口、52………温度補償回路、54………パッケージ部材、56………書き込み装置、60………圧力センサ、62………第2基板、64………接続電極、66………接続電極、68………圧力センサ素子、70………圧力センサ、72………発振回路、74………パッケージ、76………第2凹部、78………スペーサ、80………第3基板、82………温度補償回路、84………第1基板、86………圧力センサ素子、88………貫通部材、90………貫通部材、92………温度センサ素子、94………第2基板、96………第1凹部、100………圧力センサ、102………発振回路、104………温度補償回路、106………第1基板、108………圧力センサ素子、110………貫通部材、112………接続電極、114………温度センサ素子、120………圧力センサ、122………第1凹部、124………凸部、126………圧力導入口、130………圧力センサ、132………第2基板、134………第1凹部、136………樹脂、140………圧力センサ、142………第1凹部、144………圧力センサ素子、146………第3凹部、201………圧力センサ、210………ケース、214………圧力導入路、217………連通孔、220………ICチップ、221………プリント基板、230………圧力センサ素子、231………ダイアフラム、232………絶縁物、233………絶縁物、301………絶縁基体、302………金属板、303………半導体素子、305………配線導体、307………電極、400………圧力センサ、402………パッケージベース、404………リッド、406………ダイアフラム、408………双音叉型圧電振動片。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ......... Pressure sensor, 12 ......... Package, 14 ......... First recess, 16 ......... Second recess, 18 ......... Spacer, 20 ......... Second spacer, 22 ......... First substrate 24 ......... Second substrate 26 ......... Pressure sensor element 28 ......... Element package 30 ......... Diaphragm 32 ......... Element lid 34 ......... Double tuning fork type piezoelectric vibrating piece 36 ... ...... Temperature sensor element 38 ......... Oscillation circuit 40 ......... Penetration member 42 ......... Penetration member 44 ......... Lid 46 ......... Valve 48 ......... Piping 50 ......... Pressure Introduction port 52... Temperature compensation circuit 54... Package member 56... Writing device 60... Pressure sensor 62 62 Second substrate 64 64 Connection electrode 66 ... Connecting electrode, 68 ... Pressure sensor element, 70 ... Pressure sensor, 72 ... ... Oscillator circuit 74 ... Package 76 ... Second recess 78 ... Spacer 80 ... Third substrate 82 ... Temperature compensation circuit 84 ... First substrate 86 ...... Pressure sensor element, 88 ......... Penetration member, 90 ......... Penetration member, 92 ......... Temperature sensor element, 94 ......... Second substrate, 96 ......... First recess, 100 ......... Pressure sensor , 102... Oscillation circuit 104... Temperature compensation circuit 106... First substrate 108 108 Pressure sensor element 110 Penetration member 112 Connection electrode 114 Temperature sensor element 120 ... Pressure sensor 122 ... First recess 124 ... Projection 126 ... Pressure inlet 130 ... Pressure sensor 132 ... Second substrate 134 ......... First recess, 136 ......... Resin, 140 ......... Pressure sensor, 1 2 ......... First recess, 144 ......... Pressure sensor element, 146 ......... Third recess, 201 ......... Pressure sensor, 210 ......... Case, 214 ......... Pressure introduction path, 217 ......... Communication Hole 220, ... IC chip, 221 ... Printed circuit board, 230 ... Pressure sensor element, 231 ... Diaphragm, 232 ... Insulator, 233 ... Insulator, 301 ... Insulation substrate 302 ......... Metal plate 303 ... Semiconductor element 305 ... Wiring conductor 307 ... Electrode 400 ... Pressure sensor 402 ... Base package 404 ... Lid 406 ... …… Diaphragm, 408 ……… Double tuning fork type piezoelectric vibrating piece.
Claims (10)
前記第1凹部に配置され、圧電振動片を感圧素子とした圧力センサ素子と、
前記第2凹部に配置され、前記圧力センサ素子と電気的に接続され、温度変化に伴う前記圧力センサの圧力測定誤差を補償する温度補償回路と、を有し、
前記温度補償回路は、前記第2凹部の底部の周縁に設けられたスペーサに接着され、前記底部から離間して配置されたことを特徴とする圧力センサ。 A package having a first recess on one side and a second recess on the other side;
A pressure sensor element disposed in the first recess and having a piezoelectric vibrating piece as a pressure sensitive element;
A temperature compensation circuit disposed in the second recess, electrically connected to the pressure sensor element, and compensating for a pressure measurement error of the pressure sensor accompanying a temperature change,
The pressure sensor, wherein the temperature compensation circuit is bonded to a spacer provided at a peripheral edge of the bottom of the second recess, and is spaced apart from the bottom.
他方の面に第2凹部を形成し、
前記第2凹部の底部の周縁にスペーサを形成し、
前記第1凹部及び前記第2凹部との間を電気的に導通する貫通部材を貫通させ、
圧電振動片を感圧素子とした圧力センサ素子を第1凹部に配置して前記貫通部材に接続し、
前記貫通部材の前記第2凹部側から圧力センサ素子の共振周波数の温度依存性を測定して温度変化に伴う前記圧力センサ素子の圧力測定誤差を補償する温度補償回路の所定の定数を算出して、前記温度補償回路に前記所定の定数を書き込み、
前記温度補償回路を、前記貫通部材に接続して前記スペーサに接着して前記底部から離間して配置したことを特徴とする圧力センサの製造方法。 Forming a first recess on one surface of the package material;
Forming a second recess on the other surface;
Forming a spacer on the periphery of the bottom of the second recess,
Penetrating a penetrating member electrically conducting between the first recess and the second recess,
A pressure sensor element having a piezoelectric vibrating piece as a pressure sensitive element is disposed in the first recess and connected to the penetrating member;
Measuring a temperature dependency of a resonance frequency of the pressure sensor element from the second recess side of the penetrating member to calculate a predetermined constant of a temperature compensation circuit that compensates for a pressure measurement error of the pressure sensor element accompanying a temperature change; , Write the predetermined constant into the temperature compensation circuit,
A method of manufacturing a pressure sensor, wherein the temperature compensation circuit is connected to the penetrating member, adhered to the spacer, and spaced apart from the bottom.
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CN110207865A (en) * | 2019-07-05 | 2019-09-06 | 北京中硕众联智能电子科技有限公司 | A kind of plantar pressure sensor that amendment temperature influences and corresponding modification method |
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2008
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CN110207865B (en) * | 2019-07-05 | 2024-02-02 | 北京中硕众联智能电子科技有限公司 | Plantar pressure sensor for correcting temperature influence and corresponding correction method |
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