JP2011013063A - Pressure sensor and pressure-detecting method for pressure sensor - Google Patents
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Abstract
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).
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.
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
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
The
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
For the
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。
The
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
The
Thereby, the mounting
The
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
The
The
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
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
First, a dynamic model of the vibration of the quartz
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
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
The inert gas moves between the surface of the
u = U × y / h (1)
The force to move the surface of the vibrating
The force τ0 acting per unit area on the surface of the vibrating
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
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
Therefore, the inventors of the present application can detect a change in the CI value that is the resistance value of the
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
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 (
As a result, in the
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
It is assumed that the correlation between the pressure applied to the
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
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
The
The
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
The terminal of the resistor RC, which is the other terminal of the resistor R1, is connected to the output terminal of the
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
As a result, the
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
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
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
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
The
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
The
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
The resistor R6 has one terminal connected to the ground potential and the other terminal connected to the minus terminal of the
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
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
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
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
In the present embodiment, an example in which the amplifier of the
Further, since the
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
The
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
Thereby, since the
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
Thereby, the
In addition, the
From this, the
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
Thereby, the material of the
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
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
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
From this, the
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
The quartz
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
(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
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
The double
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
The
The
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
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
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
Claims (6)
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.
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.
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:
Priority Applications (1)
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