JP2011013063A - Pressure sensor and pressure-detecting method for pressure sensor - Google Patents

Pressure sensor and pressure-detecting method for pressure sensor Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pressure sensor and a pressure detecting method for the pressure sensor which suppress the degradation with time, of the accuracy of detection of pressure and also enable improvement in the characteristics, such as, the speed of detection of the pressure.SOLUTION: The pressure sensor 1 includes a crystal oscillation piece 10 which has oscillating arm portions 12; a base part 20 whereon the crystal oscillation piece 10 is mounted; a diaphragm part 40 which covers the crystal oscillation piece 10 being in parallel with main faces 12a of the oscillating arm portions 12 of the crystal oscillation piece 10 and having a prescribed interval h from the main faces 12a; and a package 70, which is so constituted as to include the base part 20 and the diaphragm part 40 and has an internal space 30 sealed airtightly. The crystal oscillation piece 10 is held together with inert gas in the internal space 30 of the package 70, while the diaphragm part 40 is displaced, according to the pressure applied from the outside, and the prescribed interval h from the main face 12a of the crystal oscillation piece 10 is changed.

Description

本発明は、感圧素子を用いた圧力センサーに関し、特にダイヤフラムを備えて構成された圧力センサー及び圧力センサーの圧力検出方法に関する。   The present invention relates to a pressure sensor using a pressure-sensitive element, and more particularly, to a pressure sensor configured with a diaphragm and a pressure detection method for the pressure sensor.

従来、ダイヤフラムと、容器と、ダイヤフラムに設けられた支持部に搭載された双音叉振動子(以下、双音叉素子という)などの感圧素子とを有して構成された圧力センサーが知られている(例えば、特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a pressure sensor that includes a diaphragm, a container, and a pressure sensitive element such as a double tuning fork vibrator (hereinafter referred to as a double tuning fork element) mounted on a support provided in the diaphragm. (For example, refer to Patent Document 1).

特開2007−333452号公報JP 2007-333452 A

上記圧力センサーは、外部から加わる圧力によるダイヤフラムの変位を、感圧素子に伝達し、感圧素子の共振周波数の変化量に基づいて圧力を検出する構成である。
このことから、上記圧力センサーは、ダイヤフラムの支持部に感圧素子の基部を接着剤などの接合部材で固定している固定部が、繰り返し加わる圧力に伴って発生する応力によって、次第に劣化することがある。
これにより、上記圧力センサーは、圧力の検出精度が経時的に劣化していく虞がある。
The pressure sensor is configured to transmit the displacement of the diaphragm due to the pressure applied from the outside to the pressure sensitive element and detect the pressure based on the amount of change in the resonance frequency of the pressure sensitive element.
For this reason, the pressure sensor gradually deteriorates due to the stress generated due to repeated pressure applied to the support part of the diaphragm with the fixing part that fixes the base part of the pressure sensitive element with a bonding member such as an adhesive. There is.
As a result, the pressure sensor may deteriorate in pressure detection accuracy over time.

また、上記圧力センサーは、圧力の検出に際して、感圧素子の共振周波数の変化量を把握するために、感圧素子の共振周波数を一定時間(ゲートタイム)カウントする必要があることから、検出結果を出力するまでに、タイムラグが発生することがある。
これにより、上記圧力センサーは、圧力の検出から検出結果の出力までに一定の時間を要することから、時々刻々と圧力が変化するような環境下では、圧力の検出速度に関して改善の余地がある。
In addition, when the pressure sensor detects pressure, it is necessary to count the resonance frequency of the pressure-sensitive element for a certain time (gate time) in order to grasp the amount of change in the resonance frequency of the pressure-sensitive element. There may be a time lag before outputting.
Thus, since the pressure sensor requires a certain time from detection of pressure to output of the detection result, there is room for improvement in the pressure detection speed in an environment where the pressure changes every moment.

また、上記圧力センサーは、感圧素子の両端にある一対の基部をダイヤフラムの支持部にリジッドに両端固定する構造であることから、感圧素子の振動が前記支持部を介して容器(以下、ダイヤフラムを含んでパッケージともいう)に漏洩しやすい。漏洩した振動に起因して前記容器自体が振動し始め、前記容器の固有振動に係わる共振周波数が前記感圧素子の共振周波数の近傍に存在する場合、前記感圧素子の共振周波数と前記容器の共振周波数とがカップリングしてしまい、それによって、前記感圧素子の共振周波数が変化することがある。
これにより、上記圧力センサーは、外部から加わる圧力に変化がない場合でも、共振周波数が変化し得ることから、圧力の検出精度が低下する虞がある。
In addition, the pressure sensor has a structure in which a pair of base portions at both ends of the pressure sensitive element are rigidly fixed to the diaphragm support portion at both ends rigidly. It is easy to leak into a package including a diaphragm. When the container itself starts to vibrate due to the leaked vibration and the resonance frequency related to the natural vibration of the container exists in the vicinity of the resonance frequency of the pressure-sensitive element, the resonance frequency of the pressure-sensitive element and the container The resonance frequency may be coupled, thereby changing the resonance frequency of the pressure sensitive element.
As a result, the pressure sensor may change the resonance frequency even when there is no change in the pressure applied from the outside, so that the pressure detection accuracy may be reduced.

また、上記圧力センサーは、感圧素子の両端にある一対の基部をダイヤフラムの支持部に固定する構造であることから、周囲の温度変化による感圧素子とダイヤフラムとの伸縮の違いに起因する応力(熱応力)の発生を抑制するために、ダイヤフラムの材質を感圧素子と線膨張率が近似する材質から選択しなければならないという制約がある。   In addition, since the pressure sensor has a structure in which a pair of bases at both ends of the pressure sensitive element are fixed to the support part of the diaphragm, stress caused by a difference in expansion and contraction between the pressure sensitive element and the diaphragm due to a change in ambient temperature. In order to suppress the occurrence of (thermal stress), there is a restriction that the material of the diaphragm must be selected from materials whose linear expansion coefficient approximates that of the pressure sensitive element.

本発明は、上記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、以下の形態または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 forms or application examples.

[適用例1]本適用例にかかる圧力センサーは、振動部を有する感圧素子と、前記感圧素子を搭載するベース部と、前記感圧素子の前記振動部の主面と平行に、前記主面から所定の間隔を有して前記感圧素子を覆うダイヤフラム部と、前記ベース部と前記ダイヤフラム部とを含んで構成され、内部空間が気密に封止されたパッケージとを備え、前記パッケージの前記内部空間に、前記感圧素子が気体と共に収容され、前記ダイヤフラム部が、外部から加わる圧力に応じて変位し、前記感圧素子の前記主面との前記所定の間隔が変化することを特徴とする。   Application Example 1 A pressure sensor according to this application example includes: a pressure-sensitive element having a vibration part; a base part on which the pressure-sensitive element is mounted; and a main surface of the vibration part of the pressure-sensitive element. A package that includes a diaphragm portion that covers the pressure-sensitive element at a predetermined distance from a main surface; and a package that includes the base portion and the diaphragm portion, and whose internal space is hermetically sealed. The pressure sensitive element is accommodated together with gas in the internal space, the diaphragm portion is displaced according to the pressure applied from the outside, and the predetermined distance from the main surface of the pressure sensitive element changes. Features.

これによれば、圧力センサーは、ベース部とダイヤフラム部(ダイヤフラムと同義)とを含んで構成され、内部空間が気密に封止されたパッケージの内部に、感圧素子が気体と共に収容され、ダイヤフラム部が、外部から加わる圧力に応じて変位し、ダイヤフラム部と感圧素子の振動面との所定の間隔が変化する。
この結果、圧力センサーは、ダイヤフラム部と感圧素子の主面との所定の間隔が変化することによって感圧素子の振動部に対する気体の粘性抵抗が変化する。
圧力センサーは、気体の粘性抵抗が大きくなるに連れて、感圧素子の振動が阻害される度合いが大きくなり、感圧素子の直列等価抵抗値(以下、CI(Crystal Impedance)値という)が大きくなる。
このことから、圧力センサーは、気体の粘性抵抗の変化を、感圧素子のCI値の変化として検出することによって、上記所定の間隔の変化量とCI値の変化量との相関関係、及びダイヤフラム部に加わる圧力とダイヤフラム部の変位量との相関関係に基づいて、外部から加わる圧力を検出することができる。
According to this, the pressure sensor includes a base portion and a diaphragm portion (synonymous with a diaphragm), and the pressure-sensitive element is accommodated together with the gas inside the package in which the internal space is hermetically sealed. The portion is displaced according to the pressure applied from the outside, and the predetermined distance between the diaphragm portion and the vibration surface of the pressure sensitive element changes.
As a result, in the pressure sensor, the gas viscous resistance with respect to the vibration part of the pressure-sensitive element changes as the predetermined distance between the diaphragm part and the main surface of the pressure-sensitive element changes.
In the pressure sensor, as the viscous resistance of the gas increases, the degree of inhibition of the vibration of the pressure sensitive element increases, and the series equivalent resistance value (hereinafter referred to as CI (Crystal Impedance) value) of the pressure sensitive element increases. Become.
From this, the pressure sensor detects a change in the viscous resistance of the gas as a change in the CI value of the pressure sensitive element, so that the correlation between the change amount of the predetermined interval and the change amount of the CI value, and the diaphragm The pressure applied from the outside can be detected based on the correlation between the pressure applied to the part and the amount of displacement of the diaphragm part.

また、圧力センサーは、感圧素子がベース部に搭載されており、外部から圧力が加わった場合、ダイヤフラム部が変位し、ベース部は殆ど変位しないことから、感圧素子の支持部分(固定部)に応力が発生することを抑制できる。
これにより、圧力センサーは、感圧素子の支持部分の劣化を抑制できることから、圧力の検出精度が経時的に劣化していく虞を回避できる。
The pressure sensor has a pressure-sensitive element mounted on the base part. When pressure is applied from the outside, the diaphragm part is displaced and the base part is hardly displaced. ) Can be prevented from generating stress.
Thereby, since the pressure sensor can suppress the deterioration of the support part of the pressure sensitive element, it is possible to avoid the possibility that the pressure detection accuracy deteriorates with time.

また、圧力センサーは、感圧素子がベース部に搭載されており、従来のような、ダイヤフラム部に支持(固定)されている場合と比較して、感圧素子の振動がパッケージに漏れ難いことから、感圧素子の振動漏れに起因するCI値などの変化を抑制することができる。
これにより、圧力センサーは、上記従来構成と比較して、圧力の検出精度を向上させることができる。
加えて、圧力センサーは、感圧素子のCI値の変化量を、例えば、電圧値の変化量として瞬時に把握できることから、感圧素子の共振周波数(発振周波数)をカウントする上記従来構成と比較して、外部から加わる圧力の検出速度を向上させることができる。
In addition, the pressure sensor has a pressure-sensitive element mounted on the base, and the vibration of the pressure-sensitive element is less likely to leak into the package compared to the conventional case where it is supported (fixed) on the diaphragm. Therefore, it is possible to suppress a change in CI value and the like due to vibration leakage of the pressure sensitive element.
Thereby, the pressure sensor can improve the pressure detection accuracy as compared with the conventional configuration.
In addition, since the pressure sensor can instantly grasp the amount of change in the CI value of the pressure sensitive element, for example, as the amount of change in the voltage value, the pressure sensor is compared with the conventional configuration that counts the resonance frequency (oscillation frequency) of the pressure sensitive element. Thus, the detection speed of the pressure applied from the outside can be improved.

また、圧力センサーは、感圧素子がベース部に搭載されていることから、ダイヤフラム部の材質の選択に際して、従来のような、感圧素子との線膨張率の近似という制約がなく、ダイヤフラム部の材質の選択肢を増加させることができる。   In addition, since the pressure sensor has a pressure-sensitive element mounted on the base part, there is no restriction of approximation of the linear expansion coefficient with the pressure-sensitive element when selecting the material of the diaphragm part. The choice of material can be increased.

[適用例2]上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記感圧素子の抵抗値によって前記圧力を検出することが好ましい。   Application Example 2 In the pressure sensor according to the application example, it is preferable that the pressure is detected by a resistance value of the pressure sensitive element.

これによれば、圧力センサーは、感圧素子の抵抗値によって圧力を検出することから、上記適用例に記載の効果を奏することができる。   According to this, since the pressure sensor detects the pressure based on the resistance value of the pressure-sensitive element, the effect described in the application example can be obtained.

[適用例3]上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記感圧素子の前記振動部が、前記主面に沿った方向に、屈曲振動モードで振動する少なくとも一以上の柱状ビームを有して構成されていることが好ましい。   Application Example 3 In the pressure sensor according to the application example, the vibration portion of the pressure-sensitive element includes at least one columnar beam that vibrates in a bending vibration mode in a direction along the main surface. It is preferable that

これによれば、圧力センサーは、感圧素子の振動部が、主面に沿った方向に屈曲振動モードで振動する少なくとも一以上の柱状ビームを有して構成されていることから、他の振動モードの感圧素子と比較して、気体の粘性抵抗の変化を、感圧素子のCI値の変化として感度よく検出することができる。   According to this, since the vibration part of the pressure-sensitive element has at least one columnar beam that vibrates in the bending vibration mode in the direction along the main surface, the other vibrations Compared with the mode pressure-sensitive element, a change in the viscous resistance of the gas can be detected with high sensitivity as a change in the CI value of the pressure-sensitive element.

[適用例4]上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記気体が不活性ガスであることが好ましい。   Application Example 4 In the pressure sensor according to the application example, it is preferable that the gas is an inert gas.

これによれば、圧力センサーは、パッケージの内部に収容されている気体が不活性ガスであることから、感圧素子などの構成要素との化学反応が発生し難い。
このことから、圧力センサーは、感圧素子などの構成要素の劣化を抑制できる。
According to this, since the gas accommodated in the inside of the package is an inert gas, a chemical reaction with a component such as a pressure sensitive element hardly occurs.
From this, the pressure sensor can suppress deterioration of components such as a pressure sensitive element.

[適用例5]上記適用例にかかる圧力センサーにおいて、前記感圧素子を発振させるための増幅器と、前記感圧素子の端子のうち、前記増幅器の入力端子側と接続された前記端子から出力された電流の一部を入力信号とし、該入力信号の直流成分を取り除くフィルター回路と、前記フィルター回路の出力信号を半波整流する整流回路と、前記整流回路の出力信号を積分した積分信号を出力する積分回路と、を含み、前記積分信号の電位を圧力検出信号としたことが好ましい。   Application Example 5 In the pressure sensor according to the application example described above, the amplifier is configured to oscillate the pressure sensitive element, and is output from the terminal connected to the input terminal side of the amplifier among the terminals of the pressure sensitive element. A filter circuit that removes a direct current component of the input signal, a rectifier circuit that half-wave rectifies the output signal of the filter circuit, and an integrated signal obtained by integrating the output signal of the rectifier circuit It is preferable that the potential of the integration signal is a pressure detection signal.

これによれば、圧力センサーは、気体の粘性抵抗の変化に起因する感圧素子のCI値の変化を、上記回路構成によって積分信号の電位の変化に置換し、圧力検出信号とすることから、感圧素子の共振周波数をカウントする上記従来構成と比較して、外部から加わる圧力の検出速度を、飛躍的に向上させることができる。   According to this, since the pressure sensor replaces the change in the CI value of the pressure-sensitive element due to the change in the viscous resistance of the gas with the change in the potential of the integration signal by the above circuit configuration, Compared with the conventional configuration in which the resonance frequency of the pressure sensitive element is counted, the detection speed of the pressure applied from the outside can be dramatically improved.

[適用例6]本適用例にかかる圧力センサーの圧力検出方法は、振動部を有する感圧素子と、前記感圧素子を搭載するベース部と、前記感圧素子の前記振動部の主面と平行に、前記主面から所定の間隔を有して前記感圧素子を覆うダイヤフラム部と、前記ベース部と前記ダイヤフラム部とを含んで構成され、内部空間が気密に封止されたパッケージとを備え、前記パッケージの前記内部空間に、前記感圧素子が気体と共に収容されている圧力センサーの圧力検出方法であって、前記ダイヤフラム部が、外部から加わる圧力に応じて変位し、前記感圧素子の前記主面との前記所定の間隔が変化する際の、前記感圧素子の抵抗値の変化に基づいて、前記圧力を検出することを特徴とする。   Application Example 6 A pressure detection method for a pressure sensor according to this application example includes a pressure-sensitive element having a vibration part, a base part on which the pressure-sensitive element is mounted, and a main surface of the vibration part of the pressure-sensitive element. A package that includes a diaphragm portion that covers the pressure-sensitive element at a predetermined interval from the main surface, and includes a base portion and the diaphragm portion, and an internal space is hermetically sealed. A pressure detection method of a pressure sensor in which the pressure sensitive element is accommodated together with gas in the internal space of the package, wherein the diaphragm portion is displaced according to a pressure applied from the outside, and the pressure sensitive element The pressure is detected based on a change in resistance value of the pressure-sensitive element when the predetermined distance from the main surface changes.

これによれば、圧力センサーの圧力検出方法は、ダイヤフラム部が、外部から加わる圧力に応じて変位し、感圧素子の主面との所定の間隔が変化する際の、感圧素子の抵抗値(CI値)の変化に基づいて、圧力を検出することから、適用例1に記載の効果を奏することができる。   According to this, the pressure detection method of the pressure sensor is based on the resistance value of the pressure sensitive element when the diaphragm portion is displaced according to the pressure applied from the outside and the predetermined distance from the main surface of the pressure sensitive element changes. Since the pressure is detected based on the change in (CI value), the effect described in Application Example 1 can be achieved.

本実施形態の圧力センサーの概略構成を示す模式図。The schematic diagram which shows schematic structure of the pressure sensor of this embodiment. ダイヤフラム部と水晶振動片との間隔の変化に対するCI値の変化の相関関係の一例について示すグラフ。The graph shown about an example of the correlation of the change of CI value with respect to the change of the space | interval of a diaphragm part and a quartz crystal vibrating piece. 圧力センサーの圧力検出回路の一例を示す模式回路図。The schematic circuit diagram which shows an example of the pressure detection circuit of a pressure sensor. 各回路における信号を示す模式図。The schematic diagram which shows the signal in each circuit. 感圧素子のバリエーションを示す模式斜視図。The model perspective view which shows the variation of a pressure sensitive element. 水晶振動片と流体とに係わる粘性抵抗を説明する模式図。The schematic diagram explaining the viscous resistance concerning a quartz crystal vibrating piece and a fluid.

以下、圧力センサー及び圧力センサーの圧力検出方法の実施形態について図面を参照して説明する。
(実施形態)
図1は、本実施形態の圧力センサーの概略構成を示す模式図である。図1(a)はダイヤフラム部側から見た平面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線での断面図である。
なお、平面図では、理解を容易にするためにダイヤフラム部を省略し、ダイヤフラム部の外形を2点鎖線で表している。また、回路素子類は省略してある。
Hereinafter, embodiments of a pressure sensor and a pressure detection method of the pressure sensor will be described with reference to the drawings.
(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the pressure sensor of the present embodiment. FIG. 1A is a plan view seen from the diaphragm side, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
In the plan view, the diaphragm portion is omitted for easy understanding, and the outer shape of the diaphragm portion is indicated by a two-dot chain line. Further, circuit elements are omitted.

図1に示すように、圧力センサー1は、感圧素子としての水晶振動片10と、水晶振動片10を搭載するベース部20と、水晶振動片10を覆いベース部20に接合されるダイヤフラム部40と、ベース部20とダイヤフラム部40とを含んで構成され、内部空間30が気密に封止されたパッケージ70とを備えている。   As shown in FIG. 1, the pressure sensor 1 includes a crystal vibrating piece 10 as a pressure sensitive element, a base portion 20 on which the crystal vibrating piece 10 is mounted, and a diaphragm portion that covers the crystal vibrating piece 10 and is joined to the base portion 20. 40, a base portion 20 and a diaphragm portion 40, and a package 70 in which the internal space 30 is hermetically sealed.

水晶振動片10は、平面形状が略矩形の基部11と、基部11の一端部から互いに略平行に延在した柱状ビームとしての角柱状の一対の振動腕部12(振動部)とを備えた音叉型水晶振動片である。なお、水晶振動片10には、図示しない励振電極が形成されている。
水晶振動片10は、駆動信号により振動腕部12が、振動腕部12の主面12aに沿った方向である矢印B方向と矢印C方向とに交互に変位する屈曲振動モードで振動する。
The quartz crystal resonator element 10 includes a base portion 11 having a substantially rectangular planar shape, and a pair of prismatic vibrating arm portions 12 (vibrating portions) as columnar beams extending substantially in parallel with each other from one end portion of the base portion 11. It is a tuning fork type crystal vibrating piece. Note that an excitation electrode (not shown) is formed on the crystal vibrating piece 10.
The crystal vibrating piece 10 vibrates in a flexural vibration mode in which the vibrating arm portion 12 is displaced alternately in the direction of the arrow B and the direction of the arrow C, which are directions along the main surface 12 a of the vibrating arm portion 12, according to the drive signal.

ベース部20は、平面形状が略矩形で平板状の底基板21と、底基板21に搭載された水晶振動片10を囲み、底基板21に積層される枠状の枠基板22とを備えている。
底基板21及び枠基板22には、セラミックグリーンシートを成形して焼成した酸化アルミニウム質焼結体などが用いられている。
The base portion 20 includes a flat bottom substrate 21 having a substantially rectangular planar shape, and a frame-shaped frame substrate 22 that surrounds the crystal vibrating piece 10 mounted on the bottom substrate 21 and is stacked on the bottom substrate 21. Yes.
For the bottom substrate 21 and the frame substrate 22, an aluminum oxide sintered body formed by firing a ceramic green sheet is used.

ベース部20の内底面21aには、内部電極21b,21cが形成され、エポキシ系、シリコン系、ポリイミド系などの導電性接着剤50を介して水晶振動片10の基部11が支持(固定)され、水晶振動片10が搭載されている。なお、水晶振動片10の搭載には、導電性接着剤50に代えて、はんだ、バンプなどの接合材を用いてもよい。
水晶振動片10は、励振電極と電気的に接続されている端子としてのマウント電極(不図示)が基部11に形成され、各マウント電極が内部電極21b,21cと重なるように搭載されている。これにより、圧力センサー1は、水晶振動片10の励振電極と内部電極21b,21cとが導通される。
Internal electrodes 21b and 21c are formed on the inner bottom surface 21a of the base portion 20, and the base portion 11 of the quartz crystal vibrating piece 10 is supported (fixed) via a conductive adhesive 50 such as epoxy, silicon, or polyimide. The crystal vibrating piece 10 is mounted. For mounting the crystal vibrating piece 10, a bonding material such as solder or bump may be used instead of the conductive adhesive 50.
The crystal vibrating piece 10 is mounted so that a mount electrode (not shown) as a terminal electrically connected to the excitation electrode is formed on the base 11, and each mount electrode is overlapped with the internal electrodes 21b and 21c. As a result, in the pressure sensor 1, the excitation electrode of the crystal vibrating piece 10 and the internal electrodes 21b and 21c are electrically connected.

ベース部20の外底面23には、圧力センサー1が基板などへ実装される際の端子となる実装端子24,25が設けられている。
内部電極21b,21cは、図示しない内部配線によりそれぞれ実装端子24,25と電気的に接続されている。例えば、内部電極21bは、実装端子24と接続され、内部電極21cは、実装端子25と接続されている。
これにより、実装端子24,25は、水晶振動片10と電気的に接続されている。
なお、内部電極21b,21c、実装端子24,25は、タングステンなどのメタライズ層にニッケル、金などの各被膜をメッキなどにより積層した金属被膜からなる。
On the outer bottom surface 23 of the base portion 20, mounting terminals 24 and 25 that are terminals when the pressure sensor 1 is mounted on a substrate or the like are provided.
The internal electrodes 21b and 21c are electrically connected to the mounting terminals 24 and 25 by internal wiring (not shown), respectively. For example, the internal electrode 21 b is connected to the mounting terminal 24, and the internal electrode 21 c is connected to the mounting terminal 25.
Thereby, the mounting terminals 24 and 25 are electrically connected to the crystal vibrating piece 10.
The internal electrodes 21b and 21c and the mounting terminals 24 and 25 are made of a metal film in which a film made of nickel, gold or the like is laminated on a metallized layer such as tungsten by plating or the like.

ダイヤフラム部40は、可撓性を有し、平面形状が略矩形で平板状の水晶基板などから形成されている。
ダイヤフラム部40は、水晶振動片10の振動腕部12の主面12aと平行に、主面12aから所定の間隔h(以下、単に間隔hともいう)を有して水晶振動片10を覆っている。
ダイヤフラム部40は、ベース部20の枠基板22の接合面22aに、低融点ガラス、ろう材などの接合部材60を介して接合されている。
The diaphragm portion 40 has flexibility, is formed from a flat crystal substrate having a substantially rectangular planar shape and the like.
The diaphragm portion 40 covers the crystal vibrating piece 10 with a predetermined interval h (hereinafter also simply referred to as an interval h) from the main surface 12a in parallel with the main surface 12a of the vibrating arm portion 12 of the crystal vibrating piece 10. Yes.
The diaphragm portion 40 is joined to the joining surface 22a of the frame substrate 22 of the base portion 20 via a joining member 60 such as low melting point glass or brazing material.

パッケージ70の内部は、気密に封止されている。そして、パッケージ70の内部空間30には、上記の水晶振動片10が、気体としての窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスと共に収容されている。   The interior of the package 70 is hermetically sealed. In the internal space 30 of the package 70, the crystal vibrating piece 10 is accommodated together with an inert gas such as nitrogen, argon, or helium as a gas.

次に、圧力センサー1の圧力検出方法としての動作について説明する。
まず、図6を用いて、不活性ガスが充填された前記内部空間30における水晶振動片10の振動と流体としての前記不活性ガスとの力学モデルについて解説する。
図6は、水晶振動片と流体とに係わる粘性抵抗を説明する模式図である。なお、図6は、図1(a)においてA−A線と直交する直線による圧力センサー1の断面を模式的に示している。
Next, the operation of the pressure sensor 1 as a pressure detection method will be described.
First, a dynamic model of the vibration of the quartz crystal vibrating piece 10 in the internal space 30 filled with an inert gas and the inert gas as a fluid will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the viscous resistance related to the quartz crystal vibrating piece and the fluid. FIG. 6 schematically shows a cross section of the pressure sensor 1 by a straight line orthogonal to the AA line in FIG.

図6において、固定面であるダイヤフラム部40に接している流体としての不活性ガスは、そのままの位置を保持しようとすることから、不活性ガスの速度は0である。それに対して、水晶振動片10の振動腕部12の表面に接している不活性ガスは速度Uで運動しようとする。
ダイヤフラム部40の表面と振動腕部12の表面との間において、不活性ガスは、ダイヤフラム部40の表面からの距離yに比例する速度uで運動をすることになる。
u=U×y/h・・・(1)
水晶振動片10の振動腕部12の表面を動かすのに逆らう力と、ダイヤフラム部40の表面を固定するのに必要な力とは等しく、いずれも速度Uに比例し、距離(間隔)hに反比例する。
不活性ガスが接している振動腕部12の表面の単位面積あたりに作用する力τ0は、次のように表すことができる。
τ0=μ×U/h・・・(2)
ここで、比例定数μを不活性ガス(流体)の粘度係数と呼ぶ。
従って、ダイヤフラム部40が圧力を受圧して撓むことによって、ダイヤフラム部40と水晶振動片10との距離(間隔)hが変化すると、式(2)によれば、力τ0が変化することとなる。
In FIG. 6, since the inert gas as the fluid in contact with the diaphragm portion 40 that is the fixed surface tries to maintain the position as it is, the velocity of the inert gas is zero. On the other hand, the inert gas in contact with the surface of the vibrating arm portion 12 of the crystal vibrating piece 10 tries to move at a velocity U.
The inert gas moves between the surface of the diaphragm part 40 and the surface of the vibrating arm part 12 at a speed u proportional to the distance y from the surface of the diaphragm part 40.
u = U × y / h (1)
The force to move the surface of the vibrating arm portion 12 of the quartz crystal vibrating piece 10 is equal to the force required to fix the surface of the diaphragm portion 40, both of which are proportional to the speed U and are at a distance (interval) h. Inversely proportional.
The force τ0 acting per unit area on the surface of the vibrating arm 12 in contact with the inert gas can be expressed as follows.
τ0 = μ × U / h (2)
Here, the proportionality constant μ is called the viscosity coefficient of the inert gas (fluid).
Therefore, when the distance (interval) h between the diaphragm 40 and the crystal vibrating piece 10 changes due to the diaphragm 40 receiving pressure and bending, the force τ0 changes according to the equation (2). Become.

ここでは、振動腕部12の表面に働く単位面積あたりの力τ0を粘性抵抗と呼び、当該粘性抵抗が水晶振動片10の振動腕部12の振動を抑制する(阻害する)ことになるため、水晶振動片10の電気的特性に変化が生じることとなる。
そこで、本願発明者らは、前記間隔hの変化により生じる水晶振動片10の表面に作用する粘性抵抗の変化を利用すれば、水晶振動片10の抵抗値であるCI値の変化を検出することにより被測定圧力や力を検出する検出装置を実現できることに想到したのである。
Here, the force τ0 per unit area acting on the surface of the vibrating arm portion 12 is referred to as viscous resistance, and the viscous resistance suppresses (inhibits) the vibration of the vibrating arm portion 12 of the crystal vibrating piece 10. A change occurs in the electrical characteristics of the crystal vibrating piece 10.
Therefore, the inventors of the present application can detect a change in the CI value that is the resistance value of the crystal vibrating piece 10 by using the change in the viscous resistance acting on the surface of the crystal vibrating piece 10 caused by the change in the interval h. This makes it possible to realize a detection device that detects the pressure and force to be measured.

図2は、ダイヤフラム部と水晶振動片との間隔の変化に対する水晶振動片の直列等価抵抗値であるCI(クリスタルインピーダンス)値の変化の相関関係の一例について示すグラフである。
図2に示すように、圧力センサー1は、外部から圧力が加わることにより、図1(b)に示すように、前記圧力を受圧したダイヤフラム部40が矢印D方向に変位すると(撓むと)、ダイヤフラム部40と水晶振動片10の振動腕部12の主面12aとの間隔hが狭くなるに連れて、CI値が大きくなる。
FIG. 2 is a graph showing an example of a correlation of a change in a CI (crystal impedance) value, which is a series equivalent resistance value of the crystal vibrating piece, with respect to a change in the distance between the diaphragm portion and the crystal vibrating piece.
As shown in FIG. 2, when pressure is applied from the outside, the pressure sensor 1 is displaced in the direction of arrow D (when it is bent) as shown in FIG. The CI value increases as the distance h between the diaphragm portion 40 and the main surface 12a of the vibrating arm portion 12 of the quartz crystal vibrating piece 10 decreases.

これは、振動腕部12の表面(主面12a)に働く流体(気体)としての窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスの粘性抵抗が、間隔hに反比例し、間隔hが狭くなるに連れて大きくなり、水晶振動片10の振動腕部12の屈曲振動が阻害される度合いが大きくなるからである。
これにより、圧力センサー1は、間隔hが狭くなるに連れて水晶振動片10の電気的特性が変化し、CI値が大きくなっていく(振動し難くなっていく)。
This is because the viscosity resistance of an inert gas such as nitrogen, argon or helium as a fluid (gas) acting on the surface (main surface 12a) of the vibrating arm 12 is inversely proportional to the interval h, and as the interval h becomes narrower. This is because the degree to which the bending vibration of the vibrating arm portion 12 of the crystal vibrating piece 10 is hindered increases.
As a result, in the pressure sensor 1, as the interval h becomes narrower, the electrical characteristics of the quartz crystal vibrating piece 10 change, and the CI value increases (it becomes difficult to vibrate).

圧力センサー1は、この現象を利用して、外部からの圧力に応じたダイヤフラム部40の変位(撓み)による間隔hの変化に対する水晶振動片10のCI値の変化に基づいて圧力を検出する。
なお、ダイヤフラム部40に加わる圧力と、ダイヤフラム部40の変位量との相関関係は、予め把握されているものとする。
なお、図2に示すように、この例の場合、間隔hについては、CI値との相関関係が成立する0μm<h<150μmに設定することが好ましい。
Using this phenomenon, the pressure sensor 1 detects the pressure based on the change in the CI value of the crystal vibrating piece 10 with respect to the change in the interval h due to the displacement (deflection) of the diaphragm portion 40 according to the pressure from the outside.
It is assumed that the correlation between the pressure applied to the diaphragm unit 40 and the amount of displacement of the diaphragm unit 40 is known in advance.
As shown in FIG. 2, in the case of this example, the interval h is preferably set to 0 μm <h <150 μm where the correlation with the CI value is established.

ここで、CI値の変化に基づいた圧力検出方法を回路構成上から説明する。
図3は、圧力センサーの圧力検出回路の一例を示す模式回路図である。
図3に示すように、圧力センサー1の圧力検出回路80は、発振回路81と、フィルター回路82と、整流回路83と、積分回路84と、直流増幅回路85とを備えている。
図4は、各回路における信号を示す模式図である。なお、図4の横軸は時間(T)、縦軸は電圧(V)を表す。
Here, a pressure detection method based on a change in the CI value will be described from the circuit configuration.
FIG. 3 is a schematic circuit diagram illustrating an example of a pressure detection circuit of the pressure sensor.
As shown in FIG. 3, the pressure detection circuit 80 of the pressure sensor 1 includes an oscillation circuit 81, a filter circuit 82, a rectification circuit 83, an integration circuit 84, and a DC amplification circuit 85.
FIG. 4 is a schematic diagram showing signals in each circuit. In FIG. 4, the horizontal axis represents time (T), and the vertical axis represents voltage (V).

発振回路81は、水晶振動片10を発振(共振)させるための増幅器としてのインバーター121,122,123と、抵抗RA,RB,RCを直列に接続した回路から成る抵抗R1と、コンデンサーC1,C2とを有している。
インバーター121,122,123は、水晶振動片10の両端子の間に直列に接続されている。
1段目のインバーター121は、入力端子が水晶振動片10の一方の端子に接続され、出力端子が2段目のインバーター122の入力端子に接続されている。2段目のインバーター122は、出力端子が3段目のインバーター123の入力端子に接続されている。3段目のインバーター123は、出力端子が水晶振動片10の他方の端子に接続されている。
The oscillation circuit 81 includes inverters 121, 122, and 123 as amplifiers for causing the crystal resonator element 10 to oscillate (resonate), a resistor R1 including a circuit in which resistors RA, RB, and RC are connected in series, and capacitors C1 and C2. And have.
The inverters 121, 122, and 123 are connected in series between both terminals of the crystal vibrating piece 10.
The first stage inverter 121 has an input terminal connected to one terminal of the crystal vibrating piece 10 and an output terminal connected to an input terminal of the second stage inverter 122. The output terminal of the second stage inverter 122 is connected to the input terminal of the third stage inverter 123. The third-stage inverter 123 has an output terminal connected to the other terminal of the crystal vibrating piece 10.

抵抗R1は、水晶振動片10の両端子の間に接続されている。そして抵抗R1の一方の端子である抵抗RAの端子は、インバーター121の入力端子に接続されている。
抵抗R1の他方の端子である抵抗RCの端子は、インバーター123の出力端子に接続されている。抵抗RAと抵抗RBとの接続中点は、インバーター121の出力端子に接続されている。抵抗RBと抵抗RCとの接続中点は、インバーター122の出力端子に接続されている。なお、抵抗R1の他方の端子である抵抗RCの端子と、水晶振動片10の他方の端子との間には、位相制御用の抵抗RDが接続されている。
The resistor R <b> 1 is connected between both terminals of the crystal vibrating piece 10. The terminal of the resistor RA, which is one terminal of the resistor R1, is connected to the input terminal of the inverter 121.
The terminal of the resistor RC, which is the other terminal of the resistor R1, is connected to the output terminal of the inverter 123. A connection midpoint between the resistor RA and the resistor RB is connected to the output terminal of the inverter 121. A connection midpoint between the resistor RB and the resistor RC is connected to the output terminal of the inverter 122. In addition, a resistor RD for phase control is connected between the terminal of the resistor RC, which is the other terminal of the resistor R1, and the other terminal of the crystal vibrating piece 10.

コンデンサーC1は、インバーター121の入力端子と接地電位との間に接続されている。コンデンサーC2は、インバーター123の出力端子と接地電位との間に接続されている。
これにより、発振回路81は、水晶振動片10を発振させた発振信号OUTをインバーター123の出力端子から出力する。
The capacitor C1 is connected between the input terminal of the inverter 121 and the ground potential. The capacitor C2 is connected between the output terminal of the inverter 123 and the ground potential.
As a result, the oscillation circuit 81 outputs an oscillation signal OUT obtained by oscillating the crystal vibrating piece 10 from the output terminal of the inverter 123.

フィルター回路82は、コンデンサーC3と抵抗R3とを有している。コンデンサーC3は、一方の端子がインバーター121の入力端子及び水晶振動片10の一方の端子に接続され、他方の端子が整流回路83の入力端子に接続されている。
抵抗R3は、コンデンサーC3の他方の端子と接地電位との間に接続されている。
The filter circuit 82 has a capacitor C3 and a resistor R3. One terminal of the capacitor C <b> 3 is connected to the input terminal of the inverter 121 and one terminal of the crystal vibrating piece 10, and the other terminal is connected to the input terminal of the rectifier circuit 83.
The resistor R3 is connected between the other terminal of the capacitor C3 and the ground potential.

フィルター回路82は、図4(a)に示すように、水晶振動片10の端子のうち、インバーター121の入力端子側に接続された端子から出力された電流としての振動子電流の一部である信号aを入力信号として入力する。
ここで、信号aは、直流成分が重畳された正弦波の交流信号である。信号aの振幅(電圧)Vpp1は、CI値の大きさに比例して変化し、CI値が大きければ(圧力が高ければ)振幅Vpp1は、大きく出力され、CI値が小さければ(圧力が低ければ)振幅Vpp1は、小さく出力される。
そして、フィルター回路82は、図4(b)に示すように、この信号aの直流成分を取り除き、信号(出力信号)bとして出力する。
As shown in FIG. 4A, the filter circuit 82 is a part of the vibrator current as the current output from the terminal connected to the input terminal side of the inverter 121 among the terminals of the crystal vibrating piece 10. The signal a is input as an input signal.
Here, the signal a is a sinusoidal AC signal on which a DC component is superimposed. The amplitude (voltage) Vpp1 of the signal a changes in proportion to the magnitude of the CI value. If the CI value is large (the pressure is high), the amplitude Vpp1 is output large, and if the CI value is small (the pressure is low). For example, the amplitude Vpp1 is output small.
Then, as shown in FIG. 4B, the filter circuit 82 removes the DC component of the signal a and outputs it as a signal (output signal) b.

整流回路83は、ダイオードD1を有している。ダイオードD1は、一方の端子がフィルター回路82のコンデンサーC3の他方の端子に接続され、他方の端子が積分回路84の抵抗R4の一方の端子に接続されている。
整流回路83は、フィルター回路82が出力した信号bを入力し、図4(c)に示すように、信号bを半波整流した信号(出力信号)cを出力する。
The rectifier circuit 83 has a diode D1. The diode D 1 has one terminal connected to the other terminal of the capacitor C 3 of the filter circuit 82 and the other terminal connected to one terminal of the resistor R 4 of the integrating circuit 84.
The rectifier circuit 83 receives the signal b output from the filter circuit 82, and outputs a signal (output signal) c obtained by half-wave rectifying the signal b as shown in FIG. 4C.

積分回路84は、抵抗R4とコンデンサーC4とを有している。抵抗R4は、一方の端子が整流回路83のダイオードD1の出力端子に接続され、他方の端子が直流増幅回路85の比較回路85aのプラス端子側に接続されている。コンデンサーC4は、抵抗R4の他方の端子と接地電位との間に接続されている。
積分回路84は、整流回路83が出力した信号cを入力し、図4(d)に示すように、信号cを積分した信号(積分信号)dを出力する。
The integrating circuit 84 has a resistor R4 and a capacitor C4. The resistor R4 has one terminal connected to the output terminal of the diode D1 of the rectifier circuit 83, and the other terminal connected to the plus terminal side of the comparison circuit 85a of the DC amplifier circuit 85. The capacitor C4 is connected between the other terminal of the resistor R4 and the ground potential.
The integration circuit 84 receives the signal c output from the rectification circuit 83 and outputs a signal (integration signal) d obtained by integrating the signal c as shown in FIG.

直流増幅回路85は、比較回路85aと抵抗R5,R6,R7とを有している。抵抗R5は、一方の端子が積分回路84の抵抗R4の他方の端子に接続され、他方の端子が比較回路85aのプラス端子に接続されている。
抵抗R6は、一方の端子が接地電位に接続され、他方の端子が比較回路85aのマイナス端子に接続されている。抵抗R7は、一方の端子が比較回路85aのマイナス端子に接続され、他方の端子が比較回路85aの出力端子に接続されている。
The DC amplification circuit 85 includes a comparison circuit 85a and resistors R5, R6, and R7. The resistor R5 has one terminal connected to the other terminal of the resistor R4 of the integrating circuit 84, and the other terminal connected to the plus terminal of the comparison circuit 85a.
The resistor R6 has one terminal connected to the ground potential and the other terminal connected to the minus terminal of the comparison circuit 85a. The resistor R7 has one terminal connected to the minus terminal of the comparison circuit 85a and the other terminal connected to the output terminal of the comparison circuit 85a.

直流増幅回路85は、積分回路84が出力した信号dを入力し、図4(e)に示すように、信号dの電位を増幅し、圧力検出信号として信号eを出力する(Vout)。
なお、信号dの電位の増幅の程度としては、例えば、外部からの圧力が、基準圧力(一例として100kpa)のときに、信号eの電位が圧力検出回路80の基準電圧の1/2程度になるように調整するのが、良好な圧力検出のために好ましい。
The DC amplification circuit 85 receives the signal d output from the integration circuit 84, amplifies the potential of the signal d, and outputs the signal e as a pressure detection signal (Vout), as shown in FIG.
For example, when the external pressure is a reference pressure (100 kpa as an example), the potential of the signal e is about ½ of the reference voltage of the pressure detection circuit 80. It is preferable to adjust so as to achieve good pressure detection.

圧力検出回路80は、上記のような回路構成によって、間隔h(図1参照)の変化に応じた水晶振動片10のCI値の変化に基づいた信号eの電位を検出することにより、外部からの圧力を検出することができる。
なお、信号eの電位の検出は、瞬時(例えば、数msecレベル)に行うことができる。
With the circuit configuration as described above, the pressure detection circuit 80 detects the potential of the signal e based on the change in the CI value of the quartz crystal vibrating piece 10 in accordance with the change in the interval h (see FIG. 1), thereby providing an external signal. Can be detected.
The potential of the signal e can be detected instantaneously (for example, at a level of several msec).

なお、圧力検出回路80は、水晶振動片10を除く上記回路素子が、パッケージ70の周囲に外付けされていてもよく、上記回路素子の少なくとも一部が、パッケージ70の内部空間30に収容されていてもよい。
なお、本実施形態では、発振回路81の増幅器が3段の例を用いて説明したが、これに限らず1段でもよく、段数は発振回路81の設計条件に応じて適宜設定すればよい。
また、圧力検出回路80は、基本的に積分回路84から出力される信号dの電位を検出することにより、外部からの圧力を検出できることから、直流増幅回路85は、なくてもよい。
In the pressure detection circuit 80, the circuit elements other than the crystal vibrating piece 10 may be externally attached around the package 70, and at least a part of the circuit elements is accommodated in the internal space 30 of the package 70. It may be.
In the present embodiment, an example in which the amplifier of the oscillation circuit 81 has three stages has been described. However, the number of stages is not limited to this and may be one, and the number of stages may be appropriately set according to the design conditions of the oscillation circuit 81.
Further, since the pressure detection circuit 80 can detect the pressure from the outside by basically detecting the potential of the signal d output from the integration circuit 84, the DC amplification circuit 85 may be omitted.

上述したように、圧力センサー1は、ダイヤフラム部40と水晶振動片10の振動腕部12の主面12aとの間隔hが変化することによって、水晶振動片10に対する不活性ガス(気体)の粘性抵抗が変化する。
圧力センサー1は、不活性ガスの粘性抵抗の変化を、水晶振動片10のCI値の変化として検出することによって、上記間隔hの変化量とCI値の変化量との相関関係、及びダイヤフラム部40に加わる圧力とダイヤフラム部40の変位量との相関関係に基づいて、外部から加わる圧力を検出することができる。
As described above, in the pressure sensor 1, the viscosity of the inert gas (gas) with respect to the crystal vibrating piece 10 is changed by changing the distance h between the diaphragm portion 40 and the main surface 12 a of the vibrating arm portion 12 of the crystal vibrating piece 10. Resistance changes.
The pressure sensor 1 detects the change in the viscous resistance of the inert gas as the change in the CI value of the quartz crystal vibrating piece 10, thereby correlating the change amount of the interval h and the change amount of the CI value, and the diaphragm portion. The pressure applied from the outside can be detected based on the correlation between the pressure applied to 40 and the amount of displacement of the diaphragm 40.

また、圧力センサー1は、水晶振動片10がベース部20に搭載されており、外部から圧力が加わった場合、ダイヤフラム部40が変位し、ベース部20は殆ど変位しないことから、水晶振動片10の支持部分に応力が発生することを抑制できる。
これにより、圧力センサー1は、水晶振動片10の支持部分の劣化を抑制できることから、圧力の検出精度が経時的に劣化していく虞を回避できる。
In the pressure sensor 1, the crystal vibrating piece 10 is mounted on the base portion 20. When pressure is applied from the outside, the diaphragm portion 40 is displaced and the base portion 20 is hardly displaced. It can suppress that a stress generate | occur | produces in the support part.
Thereby, since the pressure sensor 1 can suppress deterioration of the support part of the crystal vibrating piece 10, it can avoid the possibility that the pressure detection accuracy will deteriorate over time.

また、圧力センサー1は、水晶振動片10の一方の端部がベース部20に片持ち支持により搭載されており、他方の端部が開放され自由端となっているので、従来のような、ダイヤフラム部40に双音叉素子の一対の基部をリジッドに両端支持している場合と比較して、水晶振動片10の振動がパッケージ70に漏れ難いことから、水晶振動片10の振動漏れに起因するCI値などの変化を抑制することができる。
これにより、圧力センサー1は、上記従来構成と比較して、圧力の検出精度を向上させることができる。
加えて、圧力センサー1は、水晶振動片10のCI値の変化量を、圧力検出回路80によって、整流、積分、増幅されて圧力検出信号として出力された信号eの電位から瞬時(数msec)に把握できる。
このことから、圧力センサー1は、水晶振動片10の共振周波数を一定時間(ゲートタイムとして数100msec)カウントする上記従来構成と比較して、外部から加わる圧力の検出速度を飛躍的に向上させることができる。
Further, the pressure sensor 1 has one end portion of the crystal vibrating piece 10 mounted on the base portion 20 by cantilever support, and the other end portion is opened to be a free end. Compared to the case where a pair of base parts of a double tuning fork element are rigidly supported at the diaphragm 40 on both ends, the vibration of the crystal vibrating piece 10 is less likely to leak into the package 70, resulting in vibration leakage of the crystal vibrating piece 10. Changes in the CI value and the like can be suppressed.
Thereby, the pressure sensor 1 can improve the pressure detection accuracy as compared with the conventional configuration.
In addition, the pressure sensor 1 instantaneously (several msec) from the potential of the signal e output as a pressure detection signal by rectifying, integrating, and amplifying the change amount of the CI value of the quartz crystal vibrating piece 10 by the pressure detection circuit 80. Can grasp.
From this, the pressure sensor 1 dramatically improves the detection speed of the pressure applied from the outside as compared with the above-described conventional configuration in which the resonance frequency of the quartz crystal resonator element 10 is counted for a certain time (a few hundred msec as the gate time). Can do.

また、圧力センサー1は、水晶振動片10がベース部20に搭載されていることから、ダイヤフラム部40の材質の選択に際して、従来のような、水晶振動片10との線膨張率の近似という制約がなく、ダイヤフラム部40の材質の選択肢を増加させることができる。
これにより、ダイヤフラム部40の材質は、上記の水晶基板以外に、ガラス基板、セラミック基板、金属性の基板などを用いてもよい。
In addition, since the quartz vibrating piece 10 is mounted on the base portion 20 of the pressure sensor 1, when selecting the material of the diaphragm portion 40, there is a restriction of approximation of the linear expansion coefficient with the quartz vibrating piece 10 as in the prior art. Therefore, the choice of the material of the diaphragm 40 can be increased.
Thereby, the material of the diaphragm part 40 may use a glass substrate, a ceramic substrate, a metallic substrate, etc. other than said quartz substrate.

また、圧力センサー1は、水晶振動片10の一端部(基部11)のみでベース部20に搭載されていることから、水晶振動片10とベース部20との線膨張率の違いによる熱応力の発生を抑制できる。   Further, since the pressure sensor 1 is mounted on the base portion 20 only at one end portion (base portion 11) of the crystal vibrating piece 10, thermal stress due to a difference in linear expansion coefficient between the crystal vibrating piece 10 and the base portion 20 can be obtained. Generation can be suppressed.

また、圧力センサー1は、感圧素子としての水晶振動片10の振動腕部12が、主面12aに沿った方向に屈曲振動モードで振動する少なくとも一以上の柱状ビームから構成されていることから、他の振動モードの感圧素子と比較して、不活性ガスの粘性抵抗の変化を、水晶振動片10のCI値の変化として感度よく検出することができる。   Further, in the pressure sensor 1, the vibrating arm portion 12 of the quartz crystal vibrating piece 10 as the pressure sensitive element is composed of at least one columnar beam that vibrates in the bending vibration mode in the direction along the main surface 12a. Compared with other vibration mode pressure-sensitive elements, the change in the viscous resistance of the inert gas can be detected with high sensitivity as the change in the CI value of the quartz crystal vibrating piece 10.

また、圧力センサー1は、パッケージ70の内部空間30に収容されている気体が、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスであることから、水晶振動片10などの構成要素との化学反応が発生し難い。
このことから、圧力センサー1は、水晶振動片10などの構成要素の劣化を抑制できる。
Further, in the pressure sensor 1, since the gas accommodated in the internal space 30 of the package 70 is an inert gas such as nitrogen, argon, or helium, a chemical reaction occurs with a component such as the crystal vibrating piece 10. It is hard to do.
From this, the pressure sensor 1 can suppress deterioration of components such as the crystal vibrating piece 10.

また、圧力センサー1は、パッケージ70の内部空間30が気密に封止されていることから、気体中のみならず液体中でも用いることができる。
なお、水晶振動片10は、内部空間30に気密に封止され、気体や液体などの被測定対象物から隔離されており、水晶振動片10の振動腕部12の表面が汚染されることがないので、圧力センサー1の検出感度が劣化する虞はない。
The pressure sensor 1 can be used not only in a gas but also in a liquid because the internal space 30 of the package 70 is hermetically sealed.
The quartz crystal vibrating piece 10 is hermetically sealed in the internal space 30 and is isolated from an object to be measured such as gas or liquid, and the surface of the vibrating arm portion 12 of the quartz crystal vibrating piece 10 may be contaminated. Therefore, there is no possibility that the detection sensitivity of the pressure sensor 1 is deteriorated.

また、圧力センサー1の圧力検出方法は、ダイヤフラム部40が、外部から加わる圧力に応じて変位し、水晶振動片10の振動腕部12の主面12aとの所定の間隔hが変化する際の、水晶振動片10のCI値の変化に基づいて、圧力を検出することから、上述した効果を奏する圧力センサー1を提供することができる。   Further, the pressure detection method of the pressure sensor 1 is that the diaphragm portion 40 is displaced according to the pressure applied from the outside, and the predetermined distance h between the main surface 12a of the vibrating arm portion 12 of the crystal vibrating piece 10 changes. Since the pressure is detected based on the change in the CI value of the quartz crystal vibrating piece 10, the pressure sensor 1 having the above-described effects can be provided.

(変形例)
ここで、上記実施形態の変形例について説明する。
図5は、感圧素子のバリエーションを示す模式斜視図である。
圧力センサー1は、感圧素子として、例えば、図5(a)に示すような、振動部としての互いに略平行な角柱状の一対の振動腕部(柱状ビーム)112と、振動腕部112の両端に接続される一対の略矩形の基部111とを有する双音叉素子110を用いてもよい。
(Modification)
Here, the modification of the said embodiment is demonstrated.
FIG. 5 is a schematic perspective view showing variations of the pressure sensitive element.
The pressure sensor 1 includes, as pressure-sensitive elements, for example, a pair of prismatic vibrating arms (columnar beams) 112 that are substantially parallel to each other as vibrating portions, as shown in FIG. You may use the double tuning fork element 110 which has a pair of substantially rectangular base 111 connected to both ends.

双音叉素子110は、基部111の両方または一方が、ベース部20に支持(固定)されることにより、ベース部20に搭載される。双音叉素子110は、上記実施形態の水晶振動片10と同様に、振動腕部112が、振動腕部112の主面112aに沿った方向に屈曲振動モードで振動する。
なお、双音叉素子110は、ダイヤフラム部40の最も変位する部分が、平面視において、振動腕部112の略中心部と重なる位置に配置されている。
The double tuning fork element 110 is mounted on the base portion 20 by supporting (fixing) both or one of the base portions 111 on the base portion 20. In the double tuning fork element 110, the vibrating arm portion 112 vibrates in the bending vibration mode in the direction along the main surface 112a of the vibrating arm portion 112, similarly to the crystal vibrating piece 10 of the above embodiment.
The double tuning fork element 110 is disposed at a position where the most displaced portion of the diaphragm portion 40 overlaps with the substantially central portion of the vibrating arm portion 112 in a plan view.

また、圧力センサー1は、感圧素子として、例えば、図5(b)に示すような、振動部としての振動腕部212が一つの柱状ビーム(シングルビームともいう)からなり、振動腕部212の両端に接続される一対の基部211とを有する音叉素子210を用いてもよい。
音叉素子210は、基部211の両方または一方が、ベース部20に支持(固定)されることにより、ベース部20に搭載される。音叉素子210は、上記実施形態の水晶振動片10と同様に、振動腕部212が、振動腕部212の主面212aに沿った方向に屈曲振動モードで振動する。
なお、音叉素子210は、ダイヤフラム部40の最も変位する部分が、平面視において、振動腕部212の略中心部と重なる位置に配置されている。
Further, the pressure sensor 1 is a pressure-sensitive element, for example, as shown in FIG. 5B, a vibrating arm portion 212 as a vibrating portion is composed of one columnar beam (also referred to as a single beam). A tuning fork element 210 having a pair of base portions 211 connected to both ends of the same may be used.
The tuning fork element 210 is mounted on the base portion 20 by supporting (fixing) both or one of the base portions 211 on the base portion 20. In the tuning fork element 210, the vibrating arm portion 212 vibrates in the bending vibration mode in the direction along the main surface 212a of the vibrating arm portion 212, similarly to the crystal vibrating piece 10 of the above-described embodiment.
The tuning fork element 210 is disposed at a position where the most displaced portion of the diaphragm portion 40 overlaps with the substantially central portion of the vibrating arm portion 212 in plan view.

これらにより、上記変形例の感圧素子を用いた圧力センサー1は、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、上記変形例において、双音叉素子110及び音叉素子210のベース部20への支持を両方の基部で行えば、圧力センサー1は、移動時における双音叉素子110及び音叉素子210への加速度の影響を抑制できる。   As a result, the pressure sensor 1 using the pressure-sensitive element according to the modification can obtain the same effects as those of the embodiment. In the above modification, if the base part 20 of the double tuning fork element 110 and the tuning fork element 210 is supported by both bases, the pressure sensor 1 can measure the acceleration to the double tuning fork element 110 and the tuning fork element 210 during movement. The influence can be suppressed.

なお、上記実施形態において、ダイヤフラム部40と、水晶振動片10の振動腕部12の主面12aとの平行度については、完全な平行でなくてもよく、間隔hの変化量とCI値の変化量との相関関係に基づいて、外部から加わる圧力を検出できる範囲の誤差であれば許容される。これは、上記変形例についても同様である。   In the above embodiment, the parallelism between the diaphragm portion 40 and the main surface 12a of the vibrating arm portion 12 of the quartz crystal vibrating piece 10 may not be completely parallel, and the change amount of the interval h and the CI value Based on the correlation with the amount of change, any error within a range in which the pressure applied from the outside can be detected is allowed. The same applies to the modified example.

また、感圧素子の基材は、水晶に限定するものではなく、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電性を有する基板でもよい。   Further, the base material of the pressure sensitive element is not limited to quartz, and may be a piezoelectric substrate such as lithium tantalate or lithium niobate.

1…圧力センサー、10…感圧素子としての水晶振動片、11…基部、12…柱状ビームとしての振動腕部、12a…振動腕部の主面、20…ベース部、21…底基板、21a…内底面、21b,21c…内部電極、22…枠基板、22a…接合面、23…外底面、24,25…実装端子、30…内部空間、40…ダイヤフラム部、50…導電性接着剤、60…接合部材、70…パッケージ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pressure sensor, 10 ... Quartz vibrating piece as pressure-sensitive element, 11 ... Base part, 12 ... Vibrating arm part as columnar beam, 12a ... Main surface of vibrating arm part, 20 ... Base part, 21 ... Bottom substrate, 21a ... inner bottom surface, 21b, 21c ... internal electrode, 22 ... frame substrate, 22a ... bonding surface, 23 ... outer bottom surface, 24, 25 ... mounting terminal, 30 ... internal space, 40 ... diaphragm part, 50 ... conductive adhesive, 60 ... joining member, 70 ... package.

Claims (6)

振動部を有する感圧素子と、
前記感圧素子を搭載するベース部と、
前記感圧素子の前記振動部の主面と平行に、前記主面から所定の間隔を有して前記感圧素子を覆うダイヤフラム部と、
前記ベース部と前記ダイヤフラム部とを含んで構成され、内部空間が気密に封止されたパッケージとを備え、
前記パッケージの前記内部空間に、前記感圧素子が気体と共に収容され、
前記ダイヤフラム部が、外部から加わる圧力に応じて変位し、前記感圧素子の前記主面との前記所定の間隔が変化することを特徴とする圧力センサー。
A pressure-sensitive element having a vibrating part;
A base portion on which the pressure sensitive element is mounted;
A diaphragm portion that covers the pressure sensitive element at a predetermined distance from the principal surface in parallel with the principal surface of the vibration part of the pressure sensitive element;
A package including the base portion and the diaphragm portion, and having an internal space hermetically sealed;
In the internal space of the package, the pressure sensitive element is accommodated together with a gas,
The pressure sensor, wherein the diaphragm portion is displaced according to a pressure applied from the outside, and the predetermined distance from the main surface of the pressure sensitive element changes.
請求項1に記載の圧力センサーにおいて、前記感圧素子の抵抗値によって前記圧力を検出することを特徴とする圧力センサー。   The pressure sensor according to claim 1, wherein the pressure is detected by a resistance value of the pressure sensitive element. 請求項1または2に記載の圧力センサーにおいて、前記感圧素子の前記振動部が、前記主面に沿った方向に、屈曲振動モードで振動する少なくとも一以上の柱状ビームを有して構成されていることを特徴とする圧力センサー。   3. The pressure sensor according to claim 1, wherein the vibration part of the pressure-sensitive element includes at least one columnar beam that vibrates in a bending vibration mode in a direction along the main surface. A pressure sensor. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧力センサーにおいて、前記気体が不活性ガスであることを特徴とする圧力センサー。   The pressure sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas is an inert gas. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧力センサーにおいて、前記感圧素子を発振させるための増幅器と、
前記感圧素子の端子のうち、前記増幅器の入力端子側と接続された前記端子から出力された電流の一部を入力信号とし、該入力信号の直流成分を取り除くフィルター回路と、
前記フィルター回路の出力信号を半波整流する整流回路と、
前記整流回路の出力信号を積分した積分信号を出力する積分回路と、を含み、
前記積分信号の電位を圧力検出信号としたことを特徴とする圧力センサー。
The pressure sensor according to any one of claims 1 to 4, an amplifier for oscillating the pressure sensitive element;
Among the terminals of the pressure sensitive element, a filter circuit that removes a direct current component of the input signal, using a part of the current output from the terminal connected to the input terminal side of the amplifier as an input signal;
A rectifier circuit for half-wave rectifying the output signal of the filter circuit;
An integration circuit that outputs an integration signal obtained by integrating the output signal of the rectifier circuit,
A pressure sensor, wherein the potential of the integration signal is a pressure detection signal.
振動部を有する感圧素子と、
前記感圧素子を搭載するベース部と、
前記感圧素子の前記振動部の主面と平行に、前記主面から所定の間隔を有して前記感圧素子を覆うダイヤフラム部と、
前記ベース部と前記ダイヤフラム部とを含んで構成され、内部空間が気密に封止されたパッケージとを備え、
前記パッケージの前記内部空間に、前記感圧素子が気体と共に収容されている圧力センサーの圧力検出方法であって、
前記ダイヤフラム部が、外部から加わる圧力に応じて変位し、前記感圧素子の前記主面との前記所定の間隔が変化する際の、前記感圧素子の抵抗値の変化に基づいて、前記圧力を検出することを特徴とする圧力センサーの圧力検出方法。
A pressure-sensitive element having a vibrating part;
A base portion on which the pressure sensitive element is mounted;
A diaphragm portion that covers the pressure sensitive element at a predetermined distance from the principal surface in parallel with the principal surface of the vibration part of the pressure sensitive element;
A package including the base portion and the diaphragm portion, and having an internal space hermetically sealed;
A pressure detection method of a pressure sensor in which the pressure sensitive element is housed together with a gas in the internal space of the package,
Based on a change in the resistance value of the pressure sensitive element when the diaphragm portion is displaced according to the pressure applied from the outside and the predetermined distance from the main surface of the pressure sensitive element changes. A pressure detection method for a pressure sensor, characterized in that:
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