JP4511206B2

JP4511206B2 - 圧力センサモジュール

Info

Publication number: JP4511206B2
Application number: JP2004021164A
Authority: JP
Inventors: 将史鎌田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005214769A

Description

本発明は、圧力の変動を検出して所定の電気信号を送信する圧力センサモジュールに関する。

従来、気体や液体などの圧力の変動を検出し、圧力変動データを外部に送信する圧力センサモジュールが用いられている。

このような圧力センサモジュールとしては、圧力センサと発振回路とを備え、圧力センサで検出した圧力変動データを外部へ送信する構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

かかる従来の圧力センサモジュールにおいて、圧力センサとしてはセラミックパッケージからなる静電容量型のセンサ素子（例えば、特許文献２参照。）が用いられ、この圧力センサに圧力が印加されることにより得られた圧力変動データと、弾性表面波素子からなる共振子の共振周波数に基づいて発振する基準信号としての電気信号とを変調して生成した送信信号をアンテナより出力するものであり、例えばタイヤ内の空気圧を監視する装置として用いられる。
特開２００３−３０３３８８号公報特開２００３−３１５１９０号公報

しかしながら、上述した圧力センサモジュールは、セラミックパッケージからなる圧力センサと、基準信号を発振する発振回路に接続されている弾性表面波素子からなる共振子とが、それぞれ別の材料からなるために個別の部品として搭載されており、このような従来の圧力センサモジュールでは、搭載する部品点数が多くなるので、モジュールの軽量・小型化を図ることが困難であるという問題点を有していた。

このような問題点を解決するために、本出願人は特願２００３−４３１５５９において、一主面に凹部が形成されているセンサ基板上で、凹部の形成領域内に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む圧力検出用弾性表面波素子を、凹部の形成領域外に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む参照用弾性表面波素子を設けたセンサ素子と、圧力検出用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数の電気信号を発振する第１の発振回路と、参照用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数の電気信号を発振する第２の発振回路と、第１の発振回路からの電気信号と第２の発振回路からの電気信号とを比較して変換信号を生成するとともに、この変換信号を出力するコンパレータと、コンパレータからの変換信号と第２の発振回路からの電気信号とを変調して外部に出力する変調回路とを備えてなる圧力センサモジュールを提案した。

この圧力センサモジュールによれば、参照用弾性表面波素子を圧力検出用弾性表面波素子と同一のセンサ基板上に設けており、参照用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて発振する電気信号を、圧力検出用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて発振する電気信号と比較して変換信号を生成するために用いるとともに、この変換信号と変調する基準信号としても用いたことから、搭載する部品点数が少なくなり、圧力センサモジュールの軽量・小型化を図ることが可能となるというものである。

しかしながら、参照用弾性表面波素子を圧力検出用弾性表面波素子と同一のセンサ基板上に設けていることから、圧力センサモジュールを小型化するために参照用弾性表面波素子と圧力検出用弾性表面波素子とを、それぞれの弾性表面波の搬送波が同一ライン上を進行するように隣接して配置した場合、互いの反射器で反射しきれなかったモレ搬送波が隣接する参照用弾性表面波素子あるいは圧力検出用弾性表面波素子の搬送波と干渉して、正確な圧力測定が困難となることがあるという可能性を有していた。

本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、その目的は、基準信号を発振する発振回路に接続される共振子を圧力センサと一体化させることにより圧力センサモジュールを小型化した場合においても、モレ搬送波が隣接する参照用弾性表面波素子あるいは圧力検出用弾性表面波素子の搬送波と干渉することがなく、圧力測定を正確に行うことができる圧力センサモジュールを提供することにある。

本発明の圧力センサモジュールは、上面に凹部が形成されているセンサ基板の下面の、前記凹部直下の前記凹部の形成領域内に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む圧力検出用弾性表面波素子が、前記凹部の形成領域外に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む参照用弾性表面波素子がそれぞれ設けられたセンサ素子と、前記圧力検出用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数の電気信号を発振する第１の発振回路と、前記参照用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数の電気信号を発振する第２の発振回路と、前記第１の発振回路からの電気信号と前記第２の発振回路からの電気信号とを比較して変換信号を生成するとともに、該変換信号を出力するコンパレータと、該コンパレータからの前記変換信号で前記第２の発振回路からの電気信号を変調して外部に出力する変調回路と、を備えてなる圧力センサモジュールであって、前記センサ基板上の前記圧力検出用弾性表面波素子と前記参照用弾性表面波素子との間から前記圧力検出用弾性表面波素子および前記参照用弾性表面波素子の両方を囲むように、弾性表面波の伝達を遮断もしくは弾性表面波の強度を低減せしめる、導体材料から成るダンピング材が配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の圧力センサモジュールは、上記構成において、前記第１の発振回路、前記第２の発振回路、前記コンパレータ及び前記変調回路が単一のＩＣチップ上に集積されており、このＩＣチップと前記センサ素子とが共通の支持基板上に搭載されていることを特徴とするものである。

本発明の圧力センサモジュールによれば、センサ基板表面の圧力検出用弾性表面波素子と参照用弾性表面波素子との間に弾性表面波の伝達を遮断もしくは弾性表面波の強度を低減せしめるダンピング材を配置したことから、それぞれの弾性表面波の搬送波が同一ライン上を進行するように隣接して配置して圧力センサモジュールを小型化した場合においても、互いの反射器で反射しきれなかったモレ搬送波が圧力検出用弾性表面波素子と参照用弾性表面波素子との間に位置するダンピング材によって吸収されるので、モレ搬送波と隣接する参照用弾性表面波素子あるいは圧力検出用弾性表面波素子の搬送波とが互いに干渉することはなく、その結果、圧力測定を正確に行なうことができる。

また、本発明の圧力センサモジュールによれば、上記構成において、第１の発振回路、第２の発振回路、コンパレータ及び変調回路が単一のＩＣチップ上に集積されており、このＩＣチップとセンサ素子とが共通の支持基板上に搭載されている場合には、ＩＣチップとセンサ素子とを共通の支持基板上に搭載することによって圧力センサモジュールをより軽量化・小型化することが可能となる。

以下、本発明の圧力センサモジュールを添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態にかかる圧力センサモジュール１０の断面図であり、図２は図１の圧力センサモジュール１０に使用されるセンサ素子２０の斜視図である。同図に示す圧力センサモジュール１０は、主にセンサ素子２０と支持基板６、封止材４、ＩＣチップ１２、アンテナ１３とで構成されている。

センサ素子２０を構成するセンサ基板１は、その上面に凹部５を有しており、その下面には、凹部５直下の凹部５形成領域内に圧力検出用弾性表面波素子２が設けられ、凹部５の形成領域外には参照用弾性表面波素子３が設けられている。

なお、圧力検出用弾性表面波素子２を凹部５直下の凹部５形成領域内に設けているのは、後述するように、圧力センサモジュール１０に外部からの圧力が加わった際に圧力検出用弾性表面波素子２が形成された領域を変形し易くするためであり、この変形が大きい程圧力センサモジュール１０の感度を高めることができる。

このようなセンサ基板１の材料としては、圧力検出用弾性表面波素子２と一体的に形成することができ、外部からの圧力（図１の上方からの圧力）を受けると比較的容易に変形し得るものが好ましく、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、四硼酸リチウム等の単結晶圧電材料が好適に使用される。

また、圧力検出用弾性表面波素子２は、例えば、圧電体とインターデジタルトランスデューサ２ａとその両側に配される一対の反射器２ｂとで構成される弾性表面波素子から成り、インターデジタルトランスデューサ２ａには、支持基板６の接続パッドに導電性接合材を介して接合される電極パッド７が接続されている。

同様に参照用弾性表面波素子３も、圧電体とインターデジタルトランスデューサ３ａとその両側に配される一対の反射器３ｂとで構成される弾性表面波素子から成り、インターデジタルトランスデューサ３ａには、支持基板６の接続パッドに導電性接合材を介して接合される電極パッド７が接続されている。

このような圧力検出用弾性表面波素子２及び参照用弾性表面波素子３を構成する圧電体の材質としては、例えば、センサ基板１と同様の材料、即ち、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が用いられ、かかる圧電体の表面に、アルミニウムや金等の金属材料を従来周知のスパッタリング法や蒸着法等の薄膜形成技術、フォトリソグラフィー技術等を採用し、例えば２０００Å程度の厚みにてパターン形成することによりインターデジタルトランスデューサ２ａ、３ａ及び反射器２ｂ、３ｂ等が形成される。

なお、通常、圧力検出用弾性表面波素子２及び参照用弾性表面波素子３を構成する圧電体は、センサ基板１表面の一部が使用される。

そして、上述したセンサ基板１の下面には、圧力検出用弾性表面波素子２及び参照用弾性表面波素子３を構成するインターデジタルトランスデューサ２ａ、３ａ及び反射器２ｂ、３ｂを囲繞するようにして環状の接合用導体８が設けられている。この接合用導体８はインターデジタルトランスデューサ２ａ等と同様の金属材料から成り、その表面にはＮｉメッキやＡｕメッキ等が施され、後述する封止材４が接合されるようになっている。尚、接合用導体８は、先に述べたインターデジタルトランスデューサ２ａ等と同様の形成方法、例えば、薄膜形成技術やフォトリソグラフィー技術等を採用することによってセンサ基板１の下面に形成される。

一方、支持基板６には、十分な強度を有し、外部からの圧力を受けても変形しにくいといった機械的特性が求められ、例えば、ガラス−セラミック材料やセラミック材料を用いた多層回路基板等が好適に用いられる。

このような支持基板６の上面には、センサ基板１下面の電極パッド７に導電性接合材を介して電気的に接続される接続パッド（図示せず）と、センサ基板１下面の接合用導体８と対向する部位にこの接合用導体８に封止材４を介して接合される環状の接合用導体９が設けられている。

また支持基板６の下面には、複数個の端子電極（図示せず）が形成されており、これらの端子電極は支持基板６やセンサ基板１の配線パターンやビアホール導体等（図示せず）を介してセンサ基板１下面の圧力検出用弾性表面波素子２及び参照用弾性表面波素子３等と電気的に接続される。

なお、このような支持基板６は、例えば、従来周知のグリーンシート積層法、具体的には、配線パターンやビアホール導体となる導体ペーストが所定パターンに印刷・塗布されたグリーンシートを複数枚、積層・圧着させた上、これらを一体焼成することによって製作される。

そして、上述したセンサ基板１と支持基板３との間には、圧力検出用弾性表面波素子２を囲繞するようにして環状の封止材４が介在されている。

封止材４は、例えば、半田やＡｕ−Ｎｉ合金等の導体材料から成り、かかる封止材４を双方の基板（センサ基板１、支持基板６）の接合用導体８，９に対して接合させておくことにより、上述した圧力検出用弾性表面波素子２や参照用弾性表面波素子３等を、センサ基板１、支持基板６及び封止材４で囲まれる封止領域内で気密封止するようになっている。

そして、このような封止領域の内部には、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが充填され、これによって封止領域内に配置されるインターデジタルトランスデューサ等の酸化腐食等が有効に防止されるようになっている。

なお、このような封止材４として半田等の導体材料を用いる場合、これを支持基板６下面のグランド端子に接続させておくようにすれば、センサ素子２０の使用時、封止材４はグランド電位に保持されることとなるため、封止材４によるシールド効果が期待でき、外部からの不要なノイズを封止材４でもって良好に遮断することができる。

また、センサ基板１の電極パッド７と支持基板６の接続パッドとを接続する導電性接合材としては、例えば、半田や導電性樹脂等が用いられる。なお、支持基板６の下面の端子電極には、後述する第１の発振回路、第２の発振回路、コンパレータ及び変換回路を集積したＩＣチップ１２、アンプ１５及びアンテナ１３が接続され、更に、これらを覆うように樹脂１４がモールド形成されている。

このように、第１の発振回路、第２の発振回路、コンパレータ及び変調回路が単一のＩＣチップ１２上に集積されており、ＩＣチップ１２とセンサ素子とを共通の支持基板６上に搭載することによって、圧力センサモジュール１０を軽量化・小型化することが可能となる。

そして、本発明の圧力センサモジュール１０において重要な点は、センサ基板１上の圧力検出用弾性表面波素子２と参照用弾性表面波素子３との間に弾性表面波の伝達を遮断もしくは弾性表面波の強度を低減せしめるダンピング材１６が配置されていることである。

本発明の圧力センサモジュール１０によれば、センサ基板１表面の圧力検出用弾性表面波素子２と参照用弾性表面波素子３との間に弾性表面波の伝達を遮断もしくは弾性表面波の強度を低減せしめるダンピング材１６を配置するようにしたことから、それぞれの弾性表面波の搬送波が同一ライン上を進行するように隣接して配置して圧力センサモジュール１０を小型化した場合においても、互いの反射器で反射しきれなかったモレ搬送波が圧力検出用弾性表面波素子２と参照用弾性表面波素子３との間に位置するダンピング材１６によって良好に吸収されるので、モレ搬送波と隣接する参照用弾性表面波素子２あるいは圧力検出用弾性表面波素子３の搬送波とが互いに干渉することは殆どなく、その結果、圧力測定を正確に行なうことができる。

このようなダンピング材１６としては、樹脂や金属等の搬送波をダンピングできる材料であれば使用することが可能であり、好適にはシリコーンゴムに代表されるゴム等の弾力性を有する材料が用いられる。なお、ダンピング材の配置は、例えばダンピング材がシリコーンゴムである場合は、センサ基板１表面に従来周知のスクリーン印刷法を用いて印刷することによって行なわれる。

なお、ダンピング材１６は、隣接する反射器２ｂ、３ｂの間で、少なくとも一方の対向する端部の間から他方の対向する端部の間までの領域に連続して配置されていれば、モレ搬送波をダンピングする効果を得ることができる。また、ダンピング材１６の幅は、隣接する反射器２ｂ、３ｂの間隔により適宜決定され、通常は数μｍ〜数１０ｍｍ程度である。さらに、ダンピング材１６を支持基板６と接触するように形成することにより、モレ搬送波をよりダンピングする効果を得ることができる。

また、ダンピング材１６を、図４（ａ）に示すように、圧力検出用弾性表面波素子２および参照用弾性表面波素子３をそれぞれ囲むように形成してもよい。さらに、図４（ｂ）に示すように、圧力検出用弾性表面波素子２および参照用弾性表面波素子３を一つの大きなダンピング材１６で囲むと同時に、圧力検出用弾性表面波素子２および参照用弾性表面波素子３間にもダンピング材１６を配するように形成してもよい。この場合、ダンピング材１６を半田や導電性樹脂等の導体材料とすることにより、封止材４の機能を兼ねることができ、工程を増加することもない。

次に、本実施形態にかかる圧力センサモジュールの回路構成について説明する。

圧力検出用弾性表面波素子２は、図３に示すように、その共振周波数に基づいて所定周波数の電気信号を発振する第１の発振回路と接続しており、この発振した電気信号をコンパレータに出力する。本実施形態の圧力検出用弾性表面波素子２は、センサ基板１の凹部５の直下領域（以下、肉薄部という。）に形成されているので、センサ基板１の上方より外部からの圧力が印加されると、圧力検出用弾性表面波素子２が圧力の強さに応じて上記肉薄部と共に変形し、その共振周波数を変化させることにより圧力変動を検出するようになっている。

参照用弾性表面波素子３は、図３に示すように、その共振周波数に基づいて所定周波数の電気信号を発振する第２の発振回路と接続しており、同じくこの発振した電気信号をコンパレータに出力する。また、参照用弾性表面波素子３は、その共振周波数に基づく出力信号を、圧力検出用弾性表面波素子２を構成するセンサ用弾性表面波素子の共振周波数に基づく出力信号と比較するためのものであり、かかる参照用弾性表面波素子３は凹部５の形成領域外、即ち、センサ基板１の肉厚部に設けられているため、センサ基板１の上方より外部からの圧力が印加されても殆ど変形することはなく、圧力が印加されているか否かにかかわらず、第２の発振回路を介して所定周波数の電気信号を発振することができる。

そして本実施形態の圧力センサモジュールは、圧力検出用弾性表面波素子２と参照用弾性表面波素子３とは共振周波数が同じとなるように設計されているので、双方の弾性表面波素子の共振周波数に基づく２つの電気信号をコンパレータで比較し変換信号を生成することにより、センサ基板１の上方より印加される外部からの圧力変動を検出するようになっている。

またこのとき、上述した圧力検出用弾性表面波素子２及び参照用弾性表面波素子３は同一のセンサ基板１上に形成されているので、共振周波数の温度依存性は、双方の弾性表面波素子の共振周波数に基づく２つの電気信号をコンパレータで比較したときにキャンセルされ、コンパレータで比較された変換信号が温度補正されたものとなる。

そして、コンパレータで比較して生成された変換信号で、図３に示すように、上述した第２の発振回路からの電気信号が変調回路によって変調され、得られた圧力変動データが、アンプ等により増幅されてアンテナ１３から外部に出力されることとなり、かくして、本実施形態の圧力センサモジュール１０は、気体や液体などの圧力の変動を検出した圧力変動データを送信する圧力センサモジュールとして機能するようになる。

このように本実施形態の圧力センサモジュール１０によれば、参照用弾性表面波素子３を圧力検出用弾性表面波素子２と同一のセンサ基板１上に設けており、参照用弾性表面波素子３の共振周波数に基づいて発振する電気信号を、圧力検出用弾性表面波素子２の共振周波数に基づいて発振する電気信号と比較して変換信号を生成するのに用いるとともに、該変換信号で変調する信号としても用いたことから、搭載する部品点数が少なくなり、圧力センサモジュール１０の軽量・小型化を図ることが可能となる。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。

例えば、上述した実施形態においては半田等の導体材料を用いて封止材４を形成するようにしたが、これに代えて、エポキシ樹脂等の封止性に優れた樹脂材料を用いて封止材４を形成するようにしても構わない。この場合、センサ基板１の下面や支持基板３の上面に接合用導体８，９等を設ける必要はない。また、封止材４を樹脂材料によって形成する場合、その中に金属微粒子等の導電性フィラを所定量添加して封止材４に導電性を付与した上、これを支持基板下面のグランド端子に電気的に接続させておくようにすれば、上述した実施形態と同様に、封止材４をシールド材として機能させることができ、封止領域内の圧力検出用弾性表面波素子２を外部からのノイズに影響されることなく安定して動作させることが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる圧力センサモジュールの断面図である。図１の圧力センサモジュールに用いられるセンサ素子の斜視図である。本発明の一実施形態にかかる圧力センサモジュールの回路構成を説明する図である。（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の他の実施例におけるセンサ素子の斜視図である。

符号の説明

１・・・センサ基板
２・・・圧力検出用弾性表面波素子
２ａ・・・圧力検出用弾性表面波素子のインターデジタルトランスデューサ
２ｂ・・・圧力検出用弾性表面波素子の反射器
３・・・参照用弾性表面波素子
３ａ・・・参照用弾性表面波素子のインターデジタルトランスデューサ
３ｂ・・・参照用弾性表面波素子の反射器
４・・・封止材
５・・・凹部
６・・・支持基板
７・・・電極パッド
８，９・・・接合用導体
１０・・・圧力センサモジュール
１２・・・ＩＣチップ
１３・・・アンテナ
１４・・・樹脂
１５・・・アンプ
１６・・・ダンピング材

Claims

上面に凹部が形成されているセンサ基板の下面の、前記凹部直下の前記凹部の形成領域内に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む圧力検出用弾性表面波素子が、前記凹部の形成領域外に、圧電体及びインターデジタルトランスデューサを含む参照用弾性表面波素子がそれぞれ設けられたセンサ素子と、
前記圧力検出用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数の電気信号を発振する第１の発振回路と、
前記参照用弾性表面波素子の共振周波数に基づいて所定周波数の電気信号を発振する第２の発振回路と、
前記第１の発振回路からの電気信号と前記第２の発振回路からの電気信号とを比較して変換信号を生成するとともに、該変換信号を出力するコンパレータと、
該コンパレータからの前記変換信号で前記第２の発振回路からの電気信号を変調して外部に出力する変調回路と、を備えてなる圧力センサモジュールであって、
前記センサ基板上の前記圧力検出用弾性表面波素子と前記参照用弾性表面波素子との間から前記圧力検出用弾性表面波素子と前記参照用弾性表面波素子をそれぞれ囲むように、弾性表面波の伝達を遮断もしくは弾性表面波の強度を低減せしめる、導体材料から成るダンピング材が配置されていることを特徴とする圧力センサモジュール。
前記第１の発振回路、前記第２の発振回路、前記コンパレータ及び前記変調回路が単一のＩＣチップ上に集積されており、該ＩＣチップと前記センサ素子とが共通の支持基板上に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサモジュール。