JP4867858B2 - SAW sensor - Google Patents

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Description

本発明は、弾性表面波を用いて、振動、加速度などを検出可能とするSAWセンサおよびSAWセンサ素子に関する。   The present invention relates to a SAW sensor and a SAW sensor element that can detect vibration, acceleration, and the like using surface acoustic waves.

従来から、弾性表面波(Surface Acoustic Wave:SAW)を利用して、様々な物理量などを検出するSAWセンサが提案されている。
特許文献1では、振動により厚み方向に曲がる弾性表面波素子(SAW素子)を用い、この曲がりによるSAW素子の表面に形成された入力側電極対と出力側電極対における電極間の拡縮変動に応じて周波数変調動作を起こさせ、この変調周波数から振動を検出するSAWセンサが開示されている。
また、特許文献2ではSAW共振子の裏面どうしを対面接合してバイモルフ型加速度検出素子を構成し、加速度の印加によって加速度検出素子が撓み、SAW共振子の周波数変化またはインピーダンス変化を差動的に検出することで温度変化などの影響を受けない加速度の検出を可能とするSAWセンサが開示されている。
Conventionally, SAW sensors that detect various physical quantities using surface acoustic waves (SAW) have been proposed.
In Patent Document 1, a surface acoustic wave element (SAW element) that bends in the thickness direction due to vibration is used, and according to the expansion / contraction variation between the electrodes in the input side electrode pair and the output side electrode pair formed on the surface of the SAW element due to this bending A SAW sensor that causes a frequency modulation operation and detects vibration from the modulation frequency is disclosed.
Further, in Patent Document 2, a bimorph type acceleration detecting element is configured by facing the back surfaces of SAW resonators face to face, and the acceleration detecting element is deflected by application of acceleration to differentially change the frequency change or impedance change of the SAW resonator. A SAW sensor that can detect an acceleration that is not affected by a temperature change or the like is disclosed.

特開2000−234954号公報JP 2000-234594 A 特開2002−122614号公報JP 2002-122614 A

しかしながら、平板状のSAW素子の曲がりに対応するSAW素子の周波数の変化は微小である。このため、特許文献1のSAWセンサにおいて、小さな振動ではSAW素子の曲がりは少なく、感度良く振動を検出できないという不具合がある。
また、同様に特許文献2では、SAW共振子の裏面どうしを対面接合してバイモルフ型加速度検出素子を構成していることから、素子の厚みが厚くなって素子を板厚方向に撓ませることが難しい。このことから、小さな加速度においてはSAW共振子の周波数の変化が小さく、感度良く加速度を検出できないという不具合がある。
However, the change in the frequency of the SAW element corresponding to the bending of the planar SAW element is very small. For this reason, the SAW sensor of Patent Document 1 has a problem that the SAW element is not bent with a small vibration and the vibration cannot be detected with high sensitivity.
Similarly, in Patent Document 2, since the bimorph type acceleration detection element is configured by facing the back surfaces of the SAW resonator face to face, the element may be thick and bend the element in the plate thickness direction. difficult. For this reason, there is a problem that the change in the frequency of the SAW resonator is small at a small acceleration, and the acceleration cannot be detected with high sensitivity.

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]本適用例のSAWセンサであって、一つの水晶基板に第1のSAW共振子と第2のSAW共振子とが振動の結合領域を挟んで並列に配置されたSH波を利用する横結合型の2重モードSAW共振子を有し、かつ前記結合領域の前記水晶基板に、前記第1のSAW共振子および前記第2のSAW共振子の電極指に略直交する方向に溝部が形成されたSAWセンサ素子を備え、前記SAWセンサ素子の前記溝部に略平行な辺を有する端部において前記SAWセンサ素子が支持され、前記2重モードSAW共振子の基本波対称モードS0における共振周波数と基本波斜対称モードA0における共振周波数との差を検出することで前記SAWセンサ素子に加わる外力を検出することを特徴とするSAWセンサ。また、他の態様では、基板に第1のSAW共振子と第2のSAW共振子とが振動の結合領域を挟んで第1方向に並列に配置された横結合型の2重モードSAW共振子を有し、かつ前記結合領域に溝部が設けられたSAWセンサ素子を備え、前記基板の前記第1方向の端部の少なくとも一方において前記SAWセンサ素子が支持され、前記2重モードSAW共振子の基本波対称モードS0における共振周波数と基本波斜対称モードA0における共振周波数との差を検出することを特徴とする。
[Application Example 1] In the SAW sensor of this application example, an SH wave in which a first SAW resonator and a second SAW resonator are arranged in parallel on one quartz substrate with a vibration coupling region interposed therebetween. A laterally coupled dual-mode SAW resonator to be used, and on the quartz substrate in the coupling region, in a direction substantially orthogonal to the electrode fingers of the first SAW resonator and the second SAW resonator A SAW sensor element having a groove formed therein, the SAW sensor element being supported at an end portion having a side substantially parallel to the groove of the SAW sensor element, and in the fundamental wave symmetric mode S0 of the dual mode SAW resonator. A SAW sensor that detects an external force applied to the SAW sensor element by detecting a difference between a resonance frequency and a resonance frequency in a fundamental wave oblique symmetry mode A0. In another aspect, a laterally coupled double-mode SAW resonator in which a first SAW resonator and a second SAW resonator are arranged in parallel in a first direction with a vibration coupling region interposed therebetween. And a SAW sensor element provided with a groove in the coupling region, wherein the SAW sensor element is supported on at least one end of the substrate in the first direction, and the dual mode SAW resonator A difference between the resonance frequency in the fundamental wave symmetric mode S0 and the resonance frequency in the fundamental wave oblique symmetric mode A0 is detected.

このようにSAWセンサ素子は、水晶基板に2つのSAW共振子が並列に配置された横結合型の2重モードSAW共振子を有し、各SAW共振子間における振動の結合領域の水晶基板に、SAW共振子の電極指に略直交する方向に溝部が形成されている。そして、SAWセンサ素子の溝部に略平行な辺を有する端部においてSAWセンサ素子が支持されている。
この構成によれば、SAWセンサ素子の板厚方向に振動または加速度などの外力が加わった場合、SAWセンサ素子の板厚方向に薄くなった溝部に応力が集中して、SAWセンサ素子を大きく撓ませることができ、SAW共振子の大きな周波数変化として検知することが可能である。
詳しくは、この溝部は2つのSAW共振子における振動の結合領域に形成されていることから、横結合型の2重モードSAW共振子において励振される基本波対称モードS0と基本波斜対称モードA0において、基本波斜対称モードA0の周波数の変化が少ないのに対して、基本波対称モードS0の周波数は大きく変化する。
このように、基本波対称モードS0と基本波斜対称モードA0とにおける共振周波数の差を検出することで、SAWセンサ素子に加わる振動、加速度などの外力を感度良く検出することができる。
As described above, the SAW sensor element has a laterally coupled double mode SAW resonator in which two SAW resonators are arranged in parallel on a quartz substrate, and the quartz substrate in a vibration coupling region between the SAW resonators. A groove is formed in a direction substantially perpendicular to the electrode fingers of the SAW resonator. The SAW sensor element is supported at an end portion having a side substantially parallel to the groove portion of the SAW sensor element.
According to this configuration, when an external force such as vibration or acceleration is applied in the plate thickness direction of the SAW sensor element, stress is concentrated in the groove portion thinned in the plate thickness direction of the SAW sensor element, and the SAW sensor element is greatly bent. It can be detected as a large frequency change of the SAW resonator.
Specifically, since the groove is formed in the vibration coupling region of the two SAW resonators, the fundamental wave symmetric mode S0 and the fundamental wave oblique symmetric mode A0 excited in the laterally coupled double mode SAW resonator. In FIG. 5, the frequency of the fundamental wave symmetric mode S0 changes greatly, while the frequency change of the fundamental wave symmetric mode A0 is small.
Thus, by detecting the difference in resonance frequency between the fundamental wave symmetric mode S0 and the fundamental wave oblique symmetry mode A0, it is possible to detect external forces such as vibration and acceleration applied to the SAW sensor element with high sensitivity.

[適用例2]適用例1のSAWセンサであって、前記SAWセンサ素子の一方の前記端部が自由端であることを特徴とするSAWセンサ。   Application Example 2 The SAW sensor according to Application Example 1, wherein one end of the SAW sensor element is a free end.

このようにSAWセンサ素子の支持構造が、一方の端部が自由端で、他方の端部が固定された片持ち支持構造である。SAWセンサ素子が片持ち支持されることで、SAWセンサ素子の板厚方向に振動または加速度などの外力が加わった場合、SAWセンサ素子の変位量を大きくとることができ、周波数の変化量が増加する。さらに、SAWセンサ素子が片持ち支持されていることから、接着剤などの固着によってSAW共振子へかかる応力を極力抑えることができ、さらに固着部の経時変化によるSAWセンサの周波数変化を少なくすることができる。   Thus, the support structure of the SAW sensor element is a cantilever support structure in which one end is a free end and the other end is fixed. By supporting the SAW sensor element in a cantilevered manner, when an external force such as vibration or acceleration is applied in the thickness direction of the SAW sensor element, the amount of displacement of the SAW sensor element can be increased, and the amount of change in frequency increases. To do. Furthermore, since the SAW sensor element is cantilevered, the stress applied to the SAW resonator due to adhesion of an adhesive or the like can be suppressed as much as possible, and the frequency change of the SAW sensor due to the secular change of the adhesion portion can be reduced. Can do.

[適用例3]適用例1または適用例2のSAWセンサであって、前記2重モードSAW共振子の前記基本波対称モードS0における共振周波数と前記基本波斜対称モードA0における共振周波数との差の検出において、2モード発振回路とアップアンドダウンカウンタとが用いられることを特徴とするSAWセンサ。
Application Example 3 In the SAW sensor of application example 1 or 2, the difference between the resonance frequency of the fundamental wave anti-symmetric mode A0 and the resonance frequency in the fundamental symmetric mode S0 of the double mode SAW resonator A SAW sensor, wherein a two-mode oscillation circuit and an up-and-down counter are used for detection of noise.

この構成によれば、1個の発振器を切り替えてSAW共振子を発振させるため、回路構成が少なく、消費電流を少なくすることが可能である。   According to this configuration, the SAW resonator is oscillated by switching one oscillator, so that the circuit configuration is small and the current consumption can be reduced.

[適用例4]適用例1乃至3のSAWセンサであって、前記水晶基板が、オイラー角表示(φ,θ,ψ)で、まず光軸であるZ軸の回りに反時計方向にφが0°±1°の範囲であり、つぎに電気軸であるX軸の回りに反時計方向にθが29.2°以上40.7°以下の範囲であり、つぎに前記X軸と新たに生成されるZ’軸とで構成される面を主面とする前記水晶基板において、前記Z’軸の回りに反時計方向に面内回転して、ψが90°±2°の範囲である方向が前記弾性表面波の位相伝搬方位であることを特徴とするSAWセンサ。   Application Example 4 In the SAW sensor of Application Examples 1 to 3, the crystal substrate is Euler angle display (φ, θ, ψ), and φ is first counterclockwise around the optical axis Z axis. It is in the range of 0 ° ± 1 °. Next, θ is in the range of 29.2 ° or more and 40.7 ° or less in the counterclockwise direction around the X axis which is an electric axis. In the quartz crystal substrate whose main surface is a plane composed of the generated Z ′ axis, the surface rotates in the counterclockwise direction around the Z ′ axis, and ψ is in the range of 90 ° ± 2 °. A SAW sensor characterized in that a direction is a phase propagation direction of the surface acoustic wave.

この構成によれば、周波数温度特性に優れたオイラー角表示で(0°±1°,29.2°≦θ≦40.7°,90°±2°)の水晶基板(SHカット基板)を使用することにより、小型で高精度なSAWセンサが実現できる。   According to this configuration, a quartz substrate (SH cut substrate) of Euler angle display excellent in frequency temperature characteristics (0 ° ± 1 °, 29.2 ° ≦ θ ≦ 40.7 °, 90 ° ± 2 °) can be obtained. By using it, a small and highly accurate SAW sensor can be realized.

[適用例5]一つの水晶基板に第1のSAW共振子と第2のSAW共振子とが振動の結合領域を挟んで並列に配置されたSH波を利用する横結合型の2重モードSAW共振子を有し、かつ前記結合領域の前記水晶基板に、前記第1のSAW共振子および前記第2のSAW共振子の電極指に略直交する方向に溝部が形成されたことを特徴とするSAWセンサ素子。   Application Example 5 A laterally coupled double mode SAW using SH waves in which a first SAW resonator and a second SAW resonator are arranged in parallel across a vibration coupling region on one quartz substrate. And a groove portion is formed in the quartz substrate in the coupling region in a direction substantially orthogonal to the electrode fingers of the first SAW resonator and the second SAW resonator. SAW sensor element.

この構成によれば、SAWセンサ素子の板厚方向に振動または加速度などの外力が加わった場合、SAWセンサ素子の板厚方向に薄くなった溝部に応力が集中して、SAWセンサ素子を大きく撓ませることができ、SAW共振子の大きな周波数変化として検知することが可能である。
詳しくは、この溝部は2つのSAW共振子の結合領域に形成されていることから、横結合型の2重モードSAW共振子において励振される基本波対称モードS0と基本波斜対称モードA0において、基本波斜対称モードA0の周波数の変化が少ないのに対して、基本波対称モードS0の周波数は大きく変化する。
このように、基本波対称モードS0と基本波斜対称モードA0とにおける共振周波数の差を検出することで、感度良く振動、加速度などを検出することができる。
また、弾性表面波としてSH波を利用することで、レイリー波に比べて電気機械結合係数が大きく、かつ反射係数が大きい特性を活用でき、SAWセンサ素子の小型化を図ることができる。
According to this configuration, when an external force such as vibration or acceleration is applied in the plate thickness direction of the SAW sensor element, stress is concentrated in the groove portion thinned in the plate thickness direction of the SAW sensor element, and the SAW sensor element is greatly bent. It can be detected as a large frequency change of the SAW resonator.
Specifically, since the groove is formed in the coupling region of the two SAW resonators, in the fundamental wave symmetric mode S0 and the fundamental wave oblique symmetric mode A0 excited in the laterally coupled double mode SAW resonator, The frequency of the fundamental wave symmetric mode S0 changes greatly while the frequency change of the fundamental wave symmetric mode A0 is small.
Thus, by detecting the difference in resonance frequency between the fundamental wave symmetric mode S0 and the fundamental wave oblique symmetric mode A0, vibration, acceleration, and the like can be detected with high sensitivity.
In addition, by using the SH wave as the surface acoustic wave, it is possible to utilize the characteristic that the electromechanical coupling coefficient and the reflection coefficient are large compared to the Rayleigh wave, and the SAW sensor element can be downsized.

[適用例6]適用例5のSAWセンサ素子であって、前記水晶基板が、オイラー角表示(φ,θ,ψ)で、まず光軸であるZ軸の回りに反時計方向にφが0°±1°の範囲であり、つぎに電気軸であるX軸の回りに反時計方向にθが29.2°以上40.7°以下の範囲であり、つぎに前記X軸と新たに生成されるZ’軸とで構成される面を主面とする前記水晶基板において、前記Z’軸の回りに反時計方向に面内回転して、ψが90°±2°の範囲である方向が前記SH波の位相伝搬方位であることを特徴とするSAWセンサ素子。   Application Example 6 The SAW sensor element according to Application Example 5 in which the quartz crystal substrate is Euler angle display (φ, θ, ψ), and φ is zero counterclockwise around the optical axis Z. It is in the range of ± 1 °. Next, θ is in the range of 29.2 ° or more and 40.7 ° or less counterclockwise around the X axis, which is the electric axis. In the quartz crystal substrate whose main surface is a plane constituted by the Z ′ axis to be rotated in a plane counterclockwise around the Z ′ axis, and ψ is in a range of 90 ° ± 2 ° Is a phase propagation azimuth of the SH wave.

この構成によれば、周波数温度特性に優れたオイラー角表示で(0°±1°,29.2°≦θ≦40.7°,90°±2°)の水晶基板(SHカット基板)を使用することにより、小型で高精度なSAWセンサ素子を提供できる。   According to this configuration, a quartz substrate (SH cut substrate) of Euler angle display excellent in frequency temperature characteristics (0 ° ± 1 °, 29.2 ° ≦ θ ≦ 40.7 °, 90 ° ± 2 °) can be obtained. By using it, a small and highly accurate SAW sensor element can be provided.

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。以下の実施形態ではSAWセンサの一例として加速度を検出する加速度センサについて説明する。
(実施形態)
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, an acceleration sensor that detects acceleration will be described as an example of a SAW sensor.
(Embodiment)

図1は本実施形態のSAWセンサとしての加速度センサの構成を示し、図1(a)は概略平面図、図1(b)は同図(a)のA−A断線に沿う概略断面図である。   FIG. 1 shows a configuration of an acceleration sensor as a SAW sensor of the present embodiment, FIG. 1 (a) is a schematic plan view, and FIG. 1 (b) is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG. is there.

加速度センサ1は、パッケージ20と、パッケージ20に収納されるSAWセンサ素子30およびICチップ60と、パッケージ20内を気密に封止する蓋体25とを備えている。
パッケージ20は、複数のセラミックグリーンシートを積層後、焼成して形成されている。パッケージ20には凹部が形成され、この凹部に接続端子21,22が形成され、それぞれの接続端子21,22がパッケージ20内部でそれぞれが配線接続されている。また、パッケージ20の外周部には外部接続端子23が形成され、接続端子21,22の一部と接続されるように構成されている。さらに、パッケージ20における凹部の周縁にはコバールなどの金属製のシームリング24が固着されている。
The acceleration sensor 1 includes a package 20, a SAW sensor element 30 and an IC chip 60 housed in the package 20, and a lid 25 that hermetically seals the inside of the package 20.
The package 20 is formed by laminating a plurality of ceramic green sheets and firing them. A recess is formed in the package 20, and connection terminals 21 and 22 are formed in the recess, and the connection terminals 21 and 22 are connected to each other inside the package 20. An external connection terminal 23 is formed on the outer periphery of the package 20 and is configured to be connected to a part of the connection terminals 21 and 22. Further, a metal seam ring 24 such as Kovar is fixed to the periphery of the recess in the package 20.

ICチップ60は、パッケージ20の凹部底面に固着され、金線などの金属ワイヤ26により接続端子22に接続されている。ICチップ60には、SAWセンサ素子30を励振させる発振回路および加速度信号を検出する加速度検出回路などを備えている。
ICチップ60の上方にはSAWセンサ素子30が配置されている。SAWセンサ素子30は、水晶基板10に第1のSAW共振子41および第2のSAW共振子42が近接配置して形成された横結合型の2重モードSAW共振子43を備えている。また、第1のSAW共振子41と第2のSAW共振子42との間の水晶基板10には溝部40が形成されている。溝部40は水晶基板10のIDT31,33(図2参照)が形成された面とは反対側の面に形成されている。そしてSAWセンサ素子30は、その一方の端部にてパッケージ20の凹部の段部に接着剤27で固定されている。このように、SAWセンサ素子30は端部の片側を自由端とする片持ち支持されている。さらに、SAWセンサ素子30のそれぞれの第1のSAW共振子41および第2のSAW共振子42は接続パッド35,36,37,38に接続され、接続パッド35,36,37,38は金線などの金属ワイヤ28により接続端子21に接続されている。
The IC chip 60 is fixed to the bottom surface of the recess of the package 20 and connected to the connection terminal 22 by a metal wire 26 such as a gold wire. The IC chip 60 includes an oscillation circuit that excites the SAW sensor element 30 and an acceleration detection circuit that detects an acceleration signal.
The SAW sensor element 30 is disposed above the IC chip 60. The SAW sensor element 30 includes a laterally coupled double-mode SAW resonator 43 formed by arranging a first SAW resonator 41 and a second SAW resonator 42 in proximity to the quartz substrate 10. In addition, a groove 40 is formed in the quartz substrate 10 between the first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42. The groove 40 is formed on the surface of the quartz substrate 10 opposite to the surface on which the IDTs 31 and 33 (see FIG. 2) are formed. The SAW sensor element 30 is fixed to the stepped portion of the recess of the package 20 with an adhesive 27 at one end thereof. In this way, the SAW sensor element 30 is cantilevered with one end of the end being a free end. Further, the first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42 of the SAW sensor element 30 are connected to connection pads 35, 36, 37, and 38, and the connection pads 35, 36, 37, and 38 are gold wires. It is connected to the connection terminal 21 by a metal wire 28 such as.

そして、パッケージ20の凹部の周縁に形成されたシームリング24の上方には蓋体25が配置され、シームリング24と蓋体25とをシーム溶接することでパッケージ20の凹部内が気密に封止されている。   A lid 25 is disposed above the seam ring 24 formed at the periphery of the recess of the package 20, and the inside of the recess of the package 20 is hermetically sealed by seam welding the seam ring 24 and the lid 25. Has been.

つぎに、SAWセンサ素子30について詳細に説明する。図2は、本実施形態のSAWセンサ素子の構成を示し、図2(a)は概略平面図、図2(b)は同図(a)のB−B断線に沿う概略断面図である。
SAWセンサ素子30は、水晶基板10に第1のSAW共振子41および第2のSAW共振子42が形成されている。第1のSAW共振子41は、逆極性を構成する電極指31a,31bが交互に挿間されて形成されたIDT(Interdigital Transducer)31と、IDT31の両側に金属導体32aからなる反射器32を備えている。そして、電極指31aは接続パッド35に接続され、電極指31bは接続パッド36に接続されている。
また、第2のSAW共振子42は、逆極性を構成する電極指33a,33bが交互に挿間されて形成されたIDT33と、IDT33の両側に金属導体34aからなる反射器34を備えている。そして、電極指33aは接続パッド37に接続され、電極指33bは接続パッド38に接続されている。
接続パッド35,36,37,38はSAWセンサ素子30の1つの端面付近に集められて配置されている。
なお、IDT31,33、反射器32,34、接続パッド35,36,37,38はアルミニウム(Al)にて形成されている。なお、これらは、銅(Cu)、金(Au)、タングステン(W)、タンタル(Ta)などの金属膜で形成してもよい。
Next, the SAW sensor element 30 will be described in detail. 2A and 2B show the configuration of the SAW sensor element of the present embodiment. FIG. 2A is a schematic plan view, and FIG. 2B is a schematic cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
In the SAW sensor element 30, a first SAW resonator 41 and a second SAW resonator 42 are formed on the quartz substrate 10. The first SAW resonator 41 includes an IDT (Interdigital Transducer) 31 formed by alternately interposing electrode fingers 31a and 31b having opposite polarities, and a reflector 32 made of a metal conductor 32a on both sides of the IDT 31. I have. The electrode finger 31 a is connected to the connection pad 35, and the electrode finger 31 b is connected to the connection pad 36.
The second SAW resonator 42 includes an IDT 33 formed by alternately interposing electrode fingers 33a and 33b having opposite polarities, and a reflector 34 made of a metal conductor 34a on both sides of the IDT 33. . The electrode finger 33 a is connected to the connection pad 37, and the electrode finger 33 b is connected to the connection pad 38.
The connection pads 35, 36, 37 and 38 are collected and arranged near one end face of the SAW sensor element 30.
The IDTs 31, 33, the reflectors 32, 34, and the connection pads 35, 36, 37, 38 are made of aluminum (Al). Note that these may be formed of a metal film such as copper (Cu), gold (Au), tungsten (W), or tantalum (Ta).

第1のSAW共振子41および第2のSAW共振子42の弾性表面波(SH波)の伝搬方向は電極指31a,31b,33a,33bに略直交する方向であり、両者の弾性表面波の伝搬方向が略平行になるように第1のSAW共振子41および第2のSAW共振子42が並列に近接配置されている。並列に配置された第1のSAW共振子41と第2のSAW共振子42に挟まれた領域が弾性表面波の振動の結合領域44である。この近接配置では、例えば向かい合う電極指31bと電極指33bにおいて、その先端から先端の距離がおよそ30〜50μmに設定されている。
この第1のSAW共振子41および第2のSAW共振子42から横結合型の2重モードSAW共振子43が構成され、このように第1のSAW共振子41と第2のSAW共振子42を近接配置することで、2つのSAW共振子間に音響結合を生じさせて、2つの異なる共振周波数を得ることができる。
The propagation directions of the surface acoustic waves (SH waves) of the first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42 are substantially orthogonal to the electrode fingers 31a, 31b, 33a, 33b, The first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42 are arranged close to each other in parallel so that the propagation directions are substantially parallel. A region sandwiched between the first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42 arranged in parallel is a coupling region 44 of surface acoustic wave vibration. In this proximity arrangement, for example, the distance between the tip of the electrode finger 31b and the electrode finger 33b facing each other is set to about 30 to 50 μm.
The first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42 constitute a laterally coupled double-mode SAW resonator 43. Thus, the first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42 are formed. By arranging them closely, acoustic coupling is generated between the two SAW resonators, and two different resonance frequencies can be obtained.

結合領域44の水晶基板10には電極指31a,31b,33a,33bに略直交する方向に溝部40が形成されている。溝部40は水晶基板10のIDT31,33が形成された面とは反対側の面に形成され、溝部40の幅Wおよび深さHは水晶基板10の板厚、検出する加速度の大きさ、結合領域44の大きさなどを考慮して適宜決定される。
SAWセンサ素子30の溝部40に略平行な辺45を有する片側の端部46には接続パッド35,36,37,38が配置され、この接続パッド35,36,37,38が形成された面の裏面を接着剤などでパッケージに固定することで、SAWセンサ素子30支持されている。このように、SAWセンサ素子30は、他方の端部47が自由端となる片持ち支持構造となっている。このような構造であることから、IDT31,33の裏面に接着剤が配置されて固定されることがない。
また、SAWセンサ素子30には、第2のSAW共振子42から水晶基板10が延長されて他方の端部47が形成されている。この端部47は、SAWセンサ素子30の一方の端部46を支持し、加速度がかかったときに溝部40に応力が集中して撓む際の、錘として働く。さらに、この端部47に金属などの膜を形成することで、錘の効果を増すことも可能である。
A groove portion 40 is formed in the crystal substrate 10 in the coupling region 44 in a direction substantially orthogonal to the electrode fingers 31a, 31b, 33a, and 33b. The groove 40 is formed on the surface of the quartz substrate 10 opposite to the surface on which the IDTs 31 and 33 are formed. The width W and the depth H of the groove 40 are the thickness of the quartz substrate 10, the magnitude of the detected acceleration, and the coupling It is determined appropriately in consideration of the size of the region 44 and the like.
Connection pads 35, 36, 37, 38 are arranged on one end 46 having a side 45 substantially parallel to the groove 40 of the SAW sensor element 30, and the surface on which the connection pads 35, 36, 37, 38 are formed. The SAW sensor element 30 is supported by fixing the back surface of the substrate to the package with an adhesive or the like. Thus, the SAW sensor element 30 has a cantilever support structure in which the other end 47 is a free end. Since it is such a structure, an adhesive agent is not arrange | positioned and fixed to the back surface of IDT31,33.
In the SAW sensor element 30, the quartz substrate 10 is extended from the second SAW resonator 42 to form the other end 47. This end portion 47 supports one end portion 46 of the SAW sensor element 30 and functions as a weight when stress is concentrated in the groove portion 40 when the acceleration is applied. Further, the effect of the weight can be increased by forming a film of metal or the like on the end portion 47.

つぎに、本実施形態に用いる水晶基板のカット面について説明する。図3は本実施形態における水晶基板のカット面を説明する模式図である。
水晶単結晶からなる水晶基板10は、水晶結晶の基本軸において、X軸(電気軸)とY軸(機械軸)、Z軸(光軸)を備え、右手系の直交座標系を構成している。
水晶基板10は、オイラー角表示(φ,θ,ψ)で、まずZ軸の回りに反時計方向にφが0°±1°の範囲であり、つぎにX軸の回りに反時計方向にθが29.2°〜40.7°の範囲であり、X軸と新たに生成したY’軸とで形成される面を主面としている。そして、この水晶基板10内において、新たに生成されたZ’軸の回りに反時計方向に面内回転して、X軸からY’軸方向にψが90°±2°範囲である方向X’がSH波の位相伝搬方位である。このような水晶基板10をSHカットと呼ぶことにする。このSHカットの水晶基板10を用いSH波を励振させた場合、周波数温度特性に優れた弾性表面波共振子を構成できることが知られている。
Next, the cut surface of the quartz crystal substrate used in this embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a cut surface of a quartz crystal substrate in the present embodiment.
A quartz crystal substrate 10 made of a quartz single crystal has an X axis (electrical axis), a Y axis (mechanical axis), and a Z axis (optical axis) as basic axes of the quartz crystal, and constitutes a right-handed orthogonal coordinate system. Yes.
The quartz substrate 10 is displayed with Euler angles (φ, θ, ψ). First, φ is in the range of 0 ° ± 1 ° counterclockwise around the Z axis, and then counterclockwise around the X axis. θ is in the range of 29.2 ° to 40.7 °, and the surface formed by the X axis and the newly generated Y ′ axis is the main surface. Then, in this quartz substrate 10, the in-plane rotation in the counterclockwise direction around the newly generated Z ′ axis, and the direction X in which ψ is in the range of 90 ° ± 2 ° from the X axis to the Y ′ axis direction 'Is the phase propagation direction of the SH wave. Such a quartz substrate 10 is referred to as SH cut. It is known that when an SH wave is excited using this SH-cut quartz substrate 10, a surface acoustic wave resonator having excellent frequency temperature characteristics can be formed.

続いて、以上の構成の加速度センサにおける動作について説明する。
図4は加速度センサの動作を説明する説明図であり、図4(a)はSAWセンサ素子の断面を示す模式図、図4(b)は2重モードSAW共振子の振動変位を示す図、図4(c)はSAWセンサ素子における水晶基板の変位を示す図である。
図4(a)において、SAWセンサ素子30は水晶基板10に第1のSAW共振子41および第2のSAW共振子42が近接配置され、横結合型の2重モードSAW共振子43が構成されている。そして、第1のSAW共振子41と第2のSAW共振子42の間の結合領域44に溝部40が形成され、SAWセンサ素子30の一方の端部46にて固定され、片持ち支持されている。
この横結合型の2重モードSAW共振子43の励振される基本波において、図4(b)に示すような、横モードとして発生する基本波対称モードS0と基本波斜対称モードA0の2つの振動モードを有している。
基本波対称モードS0においては、第1のSAW共振子41と第2のSAW共振子42とが同位相に励振されて発振状態となっている。これに対して基本波斜対称モードA0においては、第1のSAW共振子41と第2のSAW共振子42とが逆位相に励振されて発振状態となっている。
また、基本波対称モードS0における共振周波数をF(S0)、基本波斜対称モードA0における共振周波数をF(A0)、とすると、F(A0)>F(S0)の関係にある。なお、F(A0)とF(S0)との差はおよそ700〜1000ppmである。
Next, the operation of the acceleration sensor having the above configuration will be described.
4A and 4B are explanatory diagrams for explaining the operation of the acceleration sensor. FIG. 4A is a schematic diagram showing a cross section of the SAW sensor element, and FIG. 4B is a diagram showing vibration displacement of the dual mode SAW resonator. FIG. 4C shows the displacement of the quartz substrate in the SAW sensor element.
4A, in the SAW sensor element 30, the first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42 are disposed close to the quartz substrate 10, and a laterally coupled double mode SAW resonator 43 is configured. ing. Then, a groove 40 is formed in the coupling region 44 between the first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42, and is fixed at one end 46 of the SAW sensor element 30, and is cantilevered. Yes.
In the fundamental wave excited by the laterally coupled double mode SAW resonator 43, two fundamental wave symmetric modes S0 and fundamental wave oblique symmetric mode A0 generated as transverse modes as shown in FIG. Has vibration mode.
In the fundamental wave symmetric mode S0, the first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42 are excited in the same phase and are in an oscillation state. In contrast, in the fundamental wave oblique symmetry mode A0, the first SAW resonator 41 and the second SAW resonator 42 are excited in opposite phases and are in an oscillation state.
Further, assuming that the resonance frequency in the fundamental wave symmetric mode S0 is F (S0) and the resonance frequency in the fundamental wave oblique symmetry mode A0 is F (A0), F (A0)> F (S0). The difference between F (A0) and F (S0) is approximately 700 to 1000 ppm.

つぎに、図4(a)のSAWセンサ素子30に矢印方向に加速度Gがかかった場合、SAWセンサ素子30の水晶基板10は図4(c)に示すように変位する。
水晶基板10は、J−K間においてSAWセンサ素子30が一方の端部46で固定されているため変位は0であり、K−L間では加速度Gの外力によりわずかながらマイナス側に変位する。そして、水晶基板10の溝部40において、水晶基板10の板厚が薄くなっており、この部分に応力が集中してL−M間ではL点を起点としてM点に行くに従いマイナス側に大きく変位する。この水晶基板10の変位は、加速度Gが大きくなるに従い大きくなり、溝部40に生ずる曲げ応力も大きくなる。
このように、SAWセンサ素子30は、板厚方向に加速度などの外力が加わった場合、SAWセンサ素子30の板厚方向に薄くなった溝部40に応力が集中して、SAWセンサ素子30を大きく撓ませることができ、横結合型の2重モードSAW共振子43の大きな周波数変化として検知することが可能である。
Next, when the acceleration G is applied to the SAW sensor element 30 in FIG. 4A in the direction of the arrow, the quartz substrate 10 of the SAW sensor element 30 is displaced as shown in FIG.
The quartz substrate 10 has a displacement of 0 because the SAW sensor element 30 is fixed at one end 46 between J and K, and is slightly displaced to the minus side between K and L due to the external force of the acceleration G. In the groove portion 40 of the quartz substrate 10, the plate thickness of the quartz substrate 10 is thin, and stress concentrates on this portion, and the displacement between L and M increases greatly toward the minus side from the L point to the M point. To do. The displacement of the quartz substrate 10 increases as the acceleration G increases, and the bending stress generated in the groove 40 also increases.
As described above, when an external force such as acceleration is applied in the plate thickness direction, the SAW sensor device 30 concentrates the stress on the groove portion 40 thinned in the plate thickness direction of the SAW sensor device 30, thereby increasing the size of the SAW sensor device 30. It can be bent and can be detected as a large frequency change of the laterally coupled double mode SAW resonator 43.

この水晶基板10の変形状態において、基本波対称モードS0における共振周波数F(S0)および基本波斜対称モードA0における共振周波数F(A0)が変化する。
この共振周波数の変化を周波数変化率と加速度の関係で示すと図5のようなグラフとなる。基本波斜対称モードA0における共振周波数F(A0)に比べて、基本波対称モードS0における共振周波数F(S0)の周波数変化率が大きく、また、それぞれ加速度Gが大きくなるに従い周波数変化率も大きくなっている。
このような各振動モードで周波数変化率が異なる理由は、基本波対称モードS0では、結合領域44が大きな振動エネルギーの生じる領域であり、共振周波数を決定している弾性定数が曲げ応力により非線形に変化することにより、基本波対称モードS0における共振周波数F(S0)が大きく変化する。これに対して、基本波斜対称モードA0では、結合領域44が振動振幅の小さな領域となるために共振周波数F(A0)の変化は小さいと考えられる。
なお、上記の圧電基板の変形状態において発生する応力と、弾性表面波素子の有する共振周波数との関係は“微小変形が加わった弾性体における線形方程式のための摂動理論”(参考文献:H.F.Tiersten:”Perturbation theory for linear electroelastic equations for small fields superposed on a bias”,Journal of the Acoustical Society of America,Vol.64,no.3,pp.832-837(1978))として理論化されている。
In the deformed state of the quartz substrate 10, the resonance frequency F (S0) in the fundamental wave symmetry mode S0 and the resonance frequency F (A0) in the fundamental wave oblique symmetry mode A0 change.
When the change in the resonance frequency is represented by the relationship between the frequency change rate and acceleration, a graph as shown in FIG. The frequency change rate of the resonance frequency F (S0) in the fundamental wave symmetric mode S0 is larger than the resonance frequency F (A0) in the fundamental wave oblique symmetry mode A0, and the frequency change rate increases as the acceleration G increases. It has become.
The reason why the frequency change rate is different in each vibration mode is that in the fundamental wave symmetric mode S0, the coupling region 44 is a region where a large vibration energy is generated, and the elastic constant that determines the resonance frequency is nonlinear due to the bending stress. By changing, the resonance frequency F (S0) in the fundamental wave symmetric mode S0 changes greatly. On the other hand, in the fundamental wave oblique symmetry mode A0, it is considered that the change in the resonance frequency F (A0) is small because the coupling region 44 is a region having a small vibration amplitude.
The relationship between the stress generated in the deformation state of the piezoelectric substrate and the resonance frequency of the surface acoustic wave element is “perturbation theory for a linear equation in an elastic body subjected to minute deformation” (reference: F. Tiersten: “Perturbation theory for linear electroelastic equations for small fields superposed on a bias”, Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 64, no. 3, pp. 832-837 (1978)) Yes.

そして、本実施形態では、基本波対称モードS0における共振周波数F(S0)と基本波斜対称モードA0における共振周波数F(A0)の周波数差を検出することで加速度の検出を可能としている。
詳しくは、この溝部40は横結合型の2重モードSAW共振子43の結合領域に形成されていることから、横結合型の2重モードSAW共振子43において励振される基本波対称モードS0と基本波斜対称モードA0において、基本波斜対称モードA0の周波数の変化が少ないのに対して、基本波対称モードS0の周波数は大きく変化する。そして、この基本波対称モードS0と基本波斜対称モードA0とにおける共振周波数の差を検出することで、感度良く振動、加速度などを検出することができる。
図6は共振周波数F(A0)と共振周波数F(S0)の周波数差と加速度Gとの関係を示す一例のグラフである。
前述したように、共振周波数F(A0)は共振周波数F(S0)より高い周波数を有し、また、加速度が印加された場合の基本波対称モードS0における共振周波数F(S0)の周波数変化率は基本波斜対称モードA0における共振周波数F(A0)の周波数変化率より大きいため、共振周波数F(A0)と共振周波数F(S0)との差は、加速度が大きくなるに従い小さくなる。例えば、周波数差(F(A0)−F(S0))が300.00kHzのとき、加速度が1Gかかると周波数差が299.46kHzとなる。
In this embodiment, the acceleration can be detected by detecting the frequency difference between the resonance frequency F (S0) in the fundamental wave symmetric mode S0 and the resonance frequency F (A0) in the fundamental wave symmetric mode A0.
Specifically, since the groove 40 is formed in the coupling region of the laterally coupled double mode SAW resonator 43, the fundamental wave symmetric mode S0 excited in the laterally coupled dual mode SAW resonator 43 and In the fundamental wave symmetric mode A0, the frequency of the fundamental wave symmetric mode S0 changes greatly while the frequency change of the fundamental wave symmetric mode A0 is small. By detecting the difference in resonance frequency between the fundamental wave symmetric mode S0 and the fundamental wave oblique symmetric mode A0, vibration, acceleration, and the like can be detected with high sensitivity.
FIG. 6 is a graph showing an example of the relationship between the acceleration G and the frequency difference between the resonance frequency F (A0) and the resonance frequency F (S0).
As described above, the resonance frequency F (A0) has a higher frequency than the resonance frequency F (S0), and the frequency change rate of the resonance frequency F (S0) in the fundamental wave symmetric mode S0 when acceleration is applied. Is larger than the frequency change rate of the resonance frequency F (A0) in the fundamental wave oblique symmetry mode A0, the difference between the resonance frequency F (A0) and the resonance frequency F (S0) becomes smaller as the acceleration increases. For example, when the frequency difference (F (A0) −F (S0)) is 300.00 kHz, the frequency difference is 299.46 kHz when the acceleration is 1 G.

つぎに、SAWセンサ素子の2重モードSAW共振子を励振させる発振回路について説明する。
図7は2重モードSAW共振子を励振させる2モード発振回路の説明図である。
2モード発振回路は、従来知られたコルピッツ発振回路を利用し、SAWセンサ素子30、C−MOSインバータ51、帰還抵抗52を並列に配置し、SAWセンサ素子30の両端の信号をコンデンサ53,54で分圧するように構成されている。
また、この発振回路にはスイッチ55が備えられ、IDT33の一方の電極指側およびIDT31の両方の電極指側が接続されている。同様に、発振回路にはスイッチ56が備えられ、IDT33の他方の電極指側およびIDT31の両方の電極指側が接続されている。そして、スイッチ55,56は入力端子50に接続されている。
Next, an oscillation circuit for exciting the dual mode SAW resonator of the SAW sensor element will be described.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a two-mode oscillation circuit that excites a dual-mode SAW resonator.
The two-mode oscillation circuit uses a Colpitts oscillation circuit known in the art, and a SAW sensor element 30, a C-MOS inverter 51, and a feedback resistor 52 are arranged in parallel, and signals at both ends of the SAW sensor element 30 are connected to capacitors 53 and 54. It is comprised so that it may be divided by.
Further, this oscillation circuit is provided with a switch 55, and one electrode finger side of the IDT 33 and both electrode finger sides of the IDT 31 are connected. Similarly, a switch 56 is provided in the oscillation circuit, and the other electrode finger side of the IDT 33 and both electrode finger sides of the IDT 31 are connected. The switches 55 and 56 are connected to the input terminal 50.

上記の2モード発振回路において、まず、入力端子50からモード切替信号が入力すると、モード切替信号がLOWのときには、スイッチ55,56はL側端子に接続される。この状態では、端子57a,58bで正の電位、端子57b,58aで負の電位となり、IDT31,33は同位相で励振され、基本波対称モードS0の発振状態となる。そして、基本波対称モードS0における共振周波数信号が出力端子59から出力される。
一方、入力端子50からHIGHのモード切替信号が入力されると、スイッチ55,56はH側端子に接続される。IDT31,33は逆位相に励振され、基本波斜対称モードA0の発振状態となる。そして、基本波斜対称モードA0における共振周波数信号が出力端子59から出力される。
このようにして、モード切替信号を切り替えることで基本波対称モードS0における共振周波数信号と基本波斜対称モードA0における共振周波数信号を出力することができる。
In the above two-mode oscillation circuit, first, when a mode switching signal is input from the input terminal 50, when the mode switching signal is LOW, the switches 55 and 56 are connected to the L-side terminal. In this state, the terminals 57a and 58b have a positive potential and the terminals 57b and 58a have a negative potential, and the IDTs 31 and 33 are excited in the same phase to enter the fundamental wave symmetric mode S0. Then, a resonance frequency signal in the fundamental wave symmetric mode S0 is output from the output terminal 59.
On the other hand, when a HIGH mode switching signal is input from the input terminal 50, the switches 55 and 56 are connected to the H-side terminal. The IDTs 31 and 33 are excited in the opposite phase and enter the oscillation state of the fundamental wave oblique symmetry mode A0. Then, a resonance frequency signal in the fundamental wave oblique symmetry mode A0 is output from the output terminal 59.
Thus, by switching the mode switching signal, the resonance frequency signal in the fundamental wave symmetric mode S0 and the resonance frequency signal in the fundamental wave oblique symmetry mode A0 can be output.

図8は加速度検出回路として加速度の検出を行う検出方法の一例を説明するブロック図である。
図8に示すように、加速度検出部として基本波対称モードS0における共振周波数信号と基本波斜対称モードA0における共振周波数信号を得るために、タイミング発生器70および2モード発振回路71を備えている。そして、これらの共振周波数信号を処理するために、アップアンドダウンカウンタ72、ラッチ回路73、デジタルローパスフィルタ74、D/A変換器75、TCXO(温度補償水晶発振器)76を備えている。
FIG. 8 is a block diagram for explaining an example of a detection method for detecting acceleration as an acceleration detection circuit.
As shown in FIG. 8, a timing generator 70 and a two-mode oscillation circuit 71 are provided as an acceleration detection unit to obtain a resonance frequency signal in the fundamental wave symmetric mode S0 and a resonance frequency signal in the fundamental wave oblique symmetry mode A0. . In order to process these resonance frequency signals, an up-and-down counter 72, a latch circuit 73, a digital low-pass filter 74, a D / A converter 75, and a TCXO (temperature compensation crystal oscillator) 76 are provided.

タイミング発生器70は2モード発振回路71およびアップアンドダウンカウンタ72に接続されている。2モード発振回路71はアップアンドダウンカウンタ72に接続され、アップアンドダウンカウンタ72はラッチ回路73に接続されている。さらに、ラッチ回路73はデジタルローパスフィルタ74に接続され、デジタルローパスフィルタ74はD/A変換器75に接続されている。また、TCXO76はタイミング発生器70、ラッチ回路73、デジタルローパスフィルタ74、D/A変換器75に接続されている。   The timing generator 70 is connected to a two-mode oscillation circuit 71 and an up-and-down counter 72. The two-mode oscillation circuit 71 is connected to an up-and-down counter 72, and the up-and-down counter 72 is connected to a latch circuit 73. Further, the latch circuit 73 is connected to a digital low-pass filter 74, and the digital low-pass filter 74 is connected to a D / A converter 75. The TCXO 76 is connected to a timing generator 70, a latch circuit 73, a digital low-pass filter 74, and a D / A converter 75.

タイミング発生器70からモード切替信号が2モード発振回路71に入力され、2モード発振回路71から、基本波対称モードS0における共振周波数信号および基本波斜対称モードA0における共振周波数信号が交互に切り替わってアップアンドダウンカウンタ72に出力される。
アップアンドダウンカウンタ72では、この共振周波数信号をアップとダウン状態で交互にカウントし、カウントデータをラッチ回路73に出力する。ラッチ回路73では共振周波数の差(F(A0)−F(S0))がカウントデータとして取り込まれる。
そして、このデータの時間列はデジタルローパスフィルタ74にて、低周波数に加速度成分周波数を選択して、D/A変換器75にてデジタルデータをアナログデータに変換してアナログ信号としての加速度信号を得ている。
なお、TCXO76はタイミング発生器70、ラッチ回路73、デジタルローパスフィルタ74、D/A変換器75に動作の基準となる基準信号を供給している。
A mode switching signal is input from the timing generator 70 to the two-mode oscillation circuit 71, and the resonance frequency signal in the fundamental wave symmetric mode S0 and the resonance frequency signal in the fundamental wave oblique symmetry mode A0 are alternately switched from the two-mode oscillation circuit 71. It is output to the up-and-down counter 72.
The up-and-down counter 72 counts the resonance frequency signal alternately in the up and down states, and outputs count data to the latch circuit 73. In the latch circuit 73, a difference in resonance frequency (F (A0) −F (S0)) is taken in as count data.
The time sequence of this data is selected by the digital low-pass filter 74, the acceleration component frequency is selected as a low frequency, the D / A converter 75 converts the digital data into analog data, and the acceleration signal as an analog signal is converted. It has gained.
The TCXO 76 supplies a reference signal serving as a reference for operation to the timing generator 70, the latch circuit 73, the digital low-pass filter 74, and the D / A converter 75.

図9は加速度の検出における各信号の動作タイミングを示すタイムチャートである。
タイミング発生器70は周期的にLOWとHIGHを繰り返すモード切替信号を生成している。そのモード切替信号に対応して、2モード発振回路71から基本波対称モードS0における共振周波数信号および基本波斜対称モードA0における共振周波数信号が出力されている。
この共振周波数信号からアップアンドダウンカウンタ72にてカウントデータが生成され、ラッチ回路73において、カウントデータとゲート信号からラッチデータが生成される。そして、D/A変換器75から周期T間におけるラッチデータに対応する出力電圧が得られる。
FIG. 9 is a time chart showing the operation timing of each signal in the detection of acceleration.
The timing generator 70 generates a mode switching signal that periodically repeats LOW and HIGH. Corresponding to the mode switching signal, the resonance frequency signal in the fundamental wave symmetry mode S0 and the resonance frequency signal in the fundamental wave oblique symmetry mode A0 are output from the two-mode oscillation circuit 71.
Count data is generated from the resonance frequency signal by the up-and-down counter 72, and latch data is generated from the count data and the gate signal in the latch circuit 73. Then, an output voltage corresponding to the latch data during the period T is obtained from the D / A converter 75.

以上、本実施形態の加速度センサ1は、SAWセンサ素子30が片持ち支持されることで、SAWセンサ素子30の板厚方向に加速度などの外力が加わった場合、SAWセンサ素子30の変位量を大きくとることができ、周波数の変化量が増加する。さらに、SAWセンサ素子30が片持ち支持されていることから、接着剤などの固着によってSAWセンサ素子30へかかる応力を極力抑えることができ、さらに固着部の経時変化による加速度センサ1の周波数変化を少なくすることができる。
なお、特に弾性表面波としてSH波を利用すれば、SH波はレイリー波に比べて電気機械結合係数が大きく、かつ反射係数が大きいことからSAWセンサ素子30の小型化を図ることができる。
As described above, the acceleration sensor 1 according to the present embodiment cantilever the SAW sensor element 30 so that when an external force such as acceleration is applied in the thickness direction of the SAW sensor element 30, the displacement amount of the SAW sensor element 30 is determined. The frequency can be increased and the amount of change in frequency increases. Furthermore, since the SAW sensor element 30 is cantilevered, the stress applied to the SAW sensor element 30 due to adhesion of an adhesive or the like can be suppressed as much as possible, and further, the frequency change of the acceleration sensor 1 due to the secular change of the adhesion portion can be suppressed. Can be reduced.
In particular, when an SH wave is used as the surface acoustic wave, the SAW sensor element 30 can be downsized because the SH wave has a larger electromechanical coupling coefficient and a larger reflection coefficient than the Rayleigh wave.

さらに、2モード発振回路を備え、アップアンドダウンカウンタを用いて横結合型の2重モードSAW共振子43の基本波対称モードS0と基本波斜対称モードA0における共振周波数の差を検出する方式を採用している。このことから、1個の発振器を切り替えてSAW共振子を発振させるため、回路構成が少なく、消費電流を少なくすることが可能である。
また、周波数温度特性に優れたオイラー角表示で(0°±1°,29.2°≦θ≦40.7°,90°±2°)の水晶基板(SHカット基板)10を使用することにより、小型で高精度な加速度センサ1およびSAWセンサ素子30が実現できる。
Further, there is a method of detecting a difference in resonance frequency between the fundamental wave symmetric mode S0 and the fundamental wave oblique symmetric mode A0 of the laterally coupled double mode SAW resonator 43 using an up-and-down counter with a two-mode oscillation circuit. Adopted. From this, the SAW resonator is oscillated by switching one oscillator, so that the circuit configuration is small and the current consumption can be reduced.
Also, use a quartz substrate (SH cut substrate) 10 with Euler angle display (0 ° ± 1 °, 29.2 ° ≦ θ ≦ 40.7 °, 90 ° ± 2 °) with excellent frequency temperature characteristics. Thus, a small and highly accurate acceleration sensor 1 and SAW sensor element 30 can be realized.

以上、本実施形態ではSAWセンサ素子を片持ち支持した構造にて説明したが、両端を支持した両持ち支持の構造においても実施が可能である。
また、本実施形態では加速度センサを例にとり説明したが、振動を検出する振動センサとして利用することも可能である。
As described above, in the present embodiment, the structure in which the SAW sensor element is cantilevered has been described, but the present invention can also be implemented in a structure in which both ends are supported.
In the present embodiment, the acceleration sensor has been described as an example. However, the acceleration sensor may be used as a vibration sensor that detects vibration.

本実施形態の加速度センサの構成を示し、(a)は概略平面図、(b)は同図(a)のA−A断線に沿う概略断面図。The structure of the acceleration sensor of this embodiment is shown, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic sectional drawing in alignment with the AA disconnection of the same figure (a). 本実施形態のSAWセンサ素子の構成を示し、(a)は概略平面図、(b)は同図(a)のB−B断線に沿う概略断面図。The structure of the SAW sensor element of this embodiment is shown, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic sectional drawing in alignment with the BB disconnection of the same figure (a). 本実施形態における水晶基板のカット面を説明する模式図。The schematic diagram explaining the cut surface of the crystal substrate in this embodiment. 加速度センサの動作を説明する説明図であり、(a)はSAWセンサ素子の断面を示す模式図、(b)は2重モードSAW共振子の振動変位を示す図、(c)はSAWセンサ素子における水晶基板の変位を示す図。It is explanatory drawing explaining operation | movement of an acceleration sensor, (a) is a schematic diagram which shows the cross section of a SAW sensor element, (b) is a figure which shows the vibration displacement of a dual mode SAW resonator, (c) is a SAW sensor element The figure which shows the displacement of the quartz substrate in. 本実施形態の加速度センサにおける周波数変化率と加速度の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the frequency change rate and acceleration in the acceleration sensor of this embodiment. 本実施形態の加速度センサにおける共振周波数F(A0)と共振周波数F(S0)の周波数差と加速度Gとの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the frequency difference of the resonant frequency F (A0) and the resonant frequency F (S0), and the acceleration G in the acceleration sensor of this embodiment. 本実施形態の加速度センサにおける2重モードSAW共振子を励振させる2モード発振回路の説明図。Explanatory drawing of the 2 mode oscillation circuit which excites the dual mode SAW resonator in the acceleration sensor of this embodiment. 本実施形態の加速度センサにおける加速度検出部として加速度の検出を行う検出方法の一例を説明するブロック図。The block diagram explaining an example of the detection method which detects an acceleration as an acceleration detection part in the acceleration sensor of this embodiment. 本実施形態の加速度の検出における各信号の動作タイミングを示すタイムチャート。The time chart which shows the operation timing of each signal in the detection of the acceleration of this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…加速度センサ、10…水晶基板、20…パッケージ、21…接続端子、22…接続端子、23…外部接続端子、24…シームリング、25…蓋体、26…金属ワイヤ、27…接着剤、28…金属ワイヤ、30…SAWセンサ素子、31…IDT、31a,31b…電極指、32…反射器、32a…金属導体、33…IDT、33a,33b…電極指、34…反射器、34a…金属導体、35,36,37,38…接続パッド、40…溝部、41…第1のSAW共振子、42…第2のSAW共振子、43…横結合型の2重モードSAW共振子、45…辺、46…一方の端部、47…他方の端部、50…ICチップ、70…タイミング発生器、71…2モード発振回路、72…アップアンドダウンカウンタ、73…ラッチ回路、74…デジタルローパスフィルタ、75…D/A変換器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Acceleration sensor, 10 ... Quartz substrate, 20 ... Package, 21 ... Connection terminal, 22 ... Connection terminal, 23 ... External connection terminal, 24 ... Seam ring, 25 ... Cover, 26 ... Metal wire, 27 ... Adhesive, 28 ... Metal wire, 30 ... SAW sensor element, 31 ... IDT, 31a, 31b ... Electrode finger, 32 ... Reflector, 32a ... Metal conductor, 33 ... IDT, 33a, 33b ... Electrode finger, 34 ... Reflector, 34a ... Metal conductor, 35, 36, 37, 38 ... connection pad, 40 ... groove, 41 ... first SAW resonator, 42 ... second SAW resonator, 43 ... laterally coupled dual mode SAW resonator, 45 ... Side 46. One end 47. Other end 50. IC chip 70. Timing generator 71. Two-mode oscillation circuit 72 72 Up-and-down counter 73 Latch circuit 74 Digital Low pass filter, 75 ... D / A converter.

Claims (3)

基板に第1のSAW共振子と第2のSAW共振子とが振動の結合領域を挟んで第1方向に並列に配置された横結合型の2重モードSAW共振子を有し、かつ前記結合領域に溝部が設けられたSAWセンサ素子を備え、
前記基板の前記第1方向の端部の少なくとも一方において前記SAWセンサ素子が支持され、
前記2重モードSAW共振子の基本波対称モードS0における共振周波数と基本波斜対称モードA0における共振周波数との差を検出することを特徴とするSAWセンサ。
The substrate includes a laterally coupled double mode SAW resonator in which a first SAW resonator and a second SAW resonator are arranged in parallel in a first direction with a vibration coupling region interposed therebetween, and the coupling A SAW sensor element having a groove in the region;
The SAW sensor element is supported on at least one of the end portions in the first direction of the substrate ,
A SAW sensor that detects a difference between a resonance frequency in a fundamental wave symmetry mode S0 and a resonance frequency in a fundamental wave oblique symmetry mode A0 of the dual mode SAW resonator.
請求項1に記載のSAWセンサにおいて、
前記SAWセンサ素子の一方の前記端部が自由端であることを特徴とするSAWセンサ。
The SAW sensor according to claim 1,
The SAW sensor, wherein one end of the SAW sensor element is a free end.
請求項1または2に記載のSAWセンサにおいて、
前記2重モードSAW共振子の前記基本波対称モードS0における共振周波数と前記基本波斜対称モードA0における共振周波数との差の検出において、2モード発振回路とアップアンドダウンカウンタとが用いられることを特徴とするSAWセンサ。
The SAW sensor according to claim 1 or 2,
In the detection of the difference between the resonance frequency of the fundamental wave anti-symmetric mode A0 and the resonance frequency in the fundamental symmetric mode S0 of the double mode SAW resonator, that the two-mode oscillator and the up-and-down counter is used Characteristic SAW sensor.
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