JP5088672B2 - 圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤフラム方式の圧力センサおよびその製造方法に関するものである。

圧力センサには、ダイヤフラムを用いたものがある。このダイヤフラム式の圧力センサは、ダイヤフラムの受圧部の両面に加わる圧力の差によってこの受圧部が撓むので、この受圧部が撓むことを利用して圧力を測定している。そしてダイヤフラム式の圧力センサについて開示したものには特許文献１がある。特許文献１に開示された圧力センサは、ベース側およびリッド側の水晶ダイヤフラムを備えており、各水晶ダイヤフラムに凹部が形成してある。圧力センサは、各水晶ダイヤフラムの凹部を向かい合わせて、これらの水晶ダイヤフラムを積層方向に結合して、内部に空間を形成している。双音叉振動子は、この空間内におけるベース側の水晶ダイヤフラムの凹部に配設してある。すなわち双音叉振動子は、その両端部をベース側の水晶ダイヤフラムに接合しており、双音叉振動子を構成する振動腕の長さ方向が水晶ダイヤフラムの平面方向に沿っている。そして水晶ダイヤフラムが圧力を受けて湾曲すると、これに伴って双音叉振動子も湾曲する。双音叉振動子には、伸張または圧縮のストレスが加わるので、発振周波数が変化する。圧力センサは、この発振周波数の変化から圧力等を測定している。
特開２００４−１３２９１３号公報

前述した２つの水晶ダイヤフラムは、エポキシ系等の接着剤や低融点ガラス等を用いて互いに接合できる。すなわち一方または両方の水晶ダイヤフラムに接着剤または低融点ガラス等を設けた後、水晶ダイヤフラムを重ねて硬化することにより、水晶ダイヤフラム同士を接合している。しかしながら２つの水晶ダイヤフラムを重ねると、図８に示すように、これらの接合箇所から接着剤や低融点ガラス等の媒体２が流れ出し、凹部３の底面に流れ込んでしまうことがある。この場合、測定対象となる圧力を受けて湾曲可能となっている受圧部４の可動条件が変化するので、圧力センサ１の感度劣化や特性のばらつきが生じてしまう。

このような問題を回避するには、接着剤や低融点ガラスを設ける部分（支持部）の幅を広くして、接着剤や低融点ガラスが流れ出すのを支持部内に留め、凹部の底面に流れ込むのを防げばよいが、この方法では圧力センサの平面サイズが大きくなるという課題を生じる。
本発明は、平面サイズを小型にするともに、特性の劣化を防止した圧力センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る圧力センサは、可撓性を有し、一方の主面に測定対象の圧力を受ける受圧部と、前記受圧部を囲むように設けられている支持部とを備えている第１ダイヤフラムと、接着媒体を用いて前記支持部に接合して、前記受圧部の他方の主面と対向するように前記第１ダイヤフラムと積層している板部と、前記板部と前記受圧部との間に設けた気密空間内に位置し、前記他方の主面に配設されているセンサ素子片と、を備え、前記支持部と前記板部とは、それぞれ前記接着媒体が流入するための溝部を有し、前記第１ダイヤフラムの厚み方向の平面視において、前記支持部の外側端部から内側端部までの間の範囲内で、前記支持部にある溝部の開口部分と、前記板部にある溝部の開口部分の２つの開口部分が重なるように配置されていることを特徴としている。
この場合において、前記センサ素子片は、振動部と前記振動部の周囲に設けた枠部とを備え、前記第１ダイヤフラムと前記板部との間に前記枠部を配設して、前記枠部を介して前記板部と前記支持部とを接合している構成とすればよい。また、前記支持部に形成された溝部の深さと前記支持部に囲まれる受圧部の深さが同じである構成とすることができる。前記板部は、可撓性を有し、一方の主面に測定対象の圧力を受ける受圧部と、当該受圧部の前記一方の主面と他方の主面とを囲むように設けられた支持部とを有する第２ダイヤフラムである構成としてよい。さらに、前記溝部は、前記平面視において前記受圧部を囲んでいる構成としてよい。また、前記溝部を設けた部位は、結晶構造が異方性を有する材料であり、互いに結晶方位が異なる前記部位同士は、前記溝部の開口部分の幅を互いに変えることにより、前記溝部の単位長さ当たりの体積を互いに等しくすることができる。加えて、前記溝部は、前記枠部の一方の主面と他方の主面とが貫通している貫通溝することができる。
本発明に係る圧力センサの製造方法は、可撓性を有し、一方の主面に測定対象の圧力を受ける受圧部と、前記受圧部を囲むように設けられている支持部とを備えているダイヤフラムと、接着媒体を用いて前記支持部に接合して、前記受圧部の他方の主面と対向するように前記ダイヤフラムと積層している板部と、前記板部と前記受圧部との間に設けた気密空間内に位置し、前記他方の主面に配設されているセンサ素子片と、を備え、前記支持部と前記板部とは、それぞれ前記接着媒体が流入するための溝部を有し、前記第１ダイヤフラムの厚み方向の平面視において、前記支持部の外側端部から内側端部までの間の範囲内で、前記支持部にある溝部の開口部分と、前記板部にある溝部の開口部分の２つの開口部分が重なるように配置されている圧力センサの製造方法であって、前記溝部と前記他方の主面とをエッチングにより同時に形成することを特徴としている。
なお、本発明の適用例としては以下のような構成が挙げられる。
本発明に係る圧力センサは、測定対象の圧力を受ける受圧部と、受圧部の周囲に設けた支持部とを備えた第１ダイヤフラムと、接着媒体を用いて支持部に接合して、第１ダイヤフラムと積層方向に重ねて配設した板部と、支持部の外側端部と内側端部との間の範囲内に設けられ、接着媒体が流入する溝部と、板部と受圧部の間に設けた気密空間内における受圧部に接合したセンサ素子片とを有することを特徴としている。第１ダイヤフラムと板部とを重ねると接着媒体が支持部に沿って広がるが、支持部と板部とが接合する箇所に設けてある溝部に接着媒体を流入させているので、受圧部に接着媒体が流れ込むのを防止できる。これにより受圧部の可動条件が変化するのを防止できるので、圧力センサの感度劣化や特性バラツキが生じるのを防止できる。また支持部の幅を狭くできるので、圧力センサの平面サイズを小型化できる。

前述したセンサ素子片は、振動部とこの振動部の周囲に設けた枠部とを備え、第１ダイヤフラムと板部との間に枠部を配設して、この枠部を介して板部と支持部とを接合してなり、気密空間内に振動部を配設したことを特徴としている。このような３層構造の圧力センサであっても、受圧部に接着媒体が流れ込むのを防止できる。したがって受圧部の可動条件が変化するのを防止できるので、圧力センサの感度劣化や特性バラツキが生じるのを防止できる。また支持部の幅を狭くできるので、圧力センサの平面サイズを小型化できる。

前述した溝部は、枠部に設けたことを特徴としている。また前述した溝部は、支持部および板部のうち少なくともいずれか一方に設けたことを特徴としている。これにより溝部は、支持部と板部の接合箇所に設けることができ、この内部に接着媒体を入れることができる。

前述した溝部を設けた部分は、結晶構造が異方性になっている材料であり、溝部の開口部分の幅を変えて、溝部の単位長さ当たりの体積を等しくしたことを特徴としている。これにより溝部を設ける位置によって溝部の単位長さ当たりの体積が変わるのを防止できるので、受圧部に接着媒体が流れ込むのを防止できる。

前述した溝部は、枠部の一方の面と他方の面とが貫通した貫通溝であることを特徴としている。これにより貫通溝に接着媒体を入れることができる。
前述した板部は、圧力を受ける受圧部と、受圧部の周囲の設けた支持部とを有する第２ダイヤフラムであることを特徴としている。ダイヤフラムを積層した形態の圧力センサであっても、各受圧部に接着媒体が流れ込むのを防止できる。

また本発明に係る圧力センサは、センサ素子片に発振回路が接続し、発振回路に周波数測定演算手段が接続したことを特徴としている。これにより圧力センサは圧力値を得ることができる。

以下に、本発明に係る圧力センサおよびその製造方法の実施形態について説明する。まず第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態に係る圧力センサの断面図である。圧力センサ１０は、第１ダイヤフラム１２、板部およびセンサ素子片４０を有している。なお本実施形態では、前記板部が第２ダイヤフラム１４になっている。各ダイヤフラム１２，１４は、凹部１６を備えている。そして凹部１６の底面が受圧部１８となり、凹部１６の側壁を形成している部分が支持部２０となっている。すなわち支持部２０は、受圧部１８の周囲に設けてある。受圧部１８は、一方の面１８ａと他方の面１８ｂに加わる圧力の差によって湾曲するようになっており、一方の面１８ａが測定対象となる圧力を受ける箇所である。支持部２０の一方の面２０ａと受圧部１８の一方の面１８ａとが同一面を形成しており、支持部２０の他方の面２０ｂと受圧部１８の他方の面１８ｂとの間に段差を形成している。この支持部２０は、ダイヤフラム１２，１４同士が接合するときの接合箇所になっている。

また支持部２０は、溝部２２を備えている。この溝部２２には、ダイヤフラム１２，１４同士を接合するときに用いる接着媒体２８が流入する。すなわちダイヤフラム１２，１４同士を接合するときに、接合箇所（他方の面２０ｂ）に設けた接着媒体２８がダイヤフラム１２，１４を重ねたときに２つの他方の面２０ｂに押し潰されて広がるので、この広がっていく接着媒体２８が溝部２２に流れ込むようになっている。このため溝部２２は、支持部２０における外側端部（ダイヤフラム１２，１４の外形を形成する部分）と、支持部２０における内側端部（支持部２０と受圧部１８とが境界を形成する部分）との間の範囲Ａ内に設けてある。すなわち溝部２２は、支持部２０の他方の面２０ｂにおける受圧部１８の周囲に設けてある。

そして支持部２０の他方の面２０ｂでは、溝部２２よりも外側が接着媒体２８を設ける位置となっている。したがって接合強度を得るために支持部２０の幅は、溝部２２よりも外側の部分が溝部２２よりも内側の部分に比べて広くなっている。なお接着媒体２８は、前述したように第１ダイヤフラム１２と第２ダイヤフラム１４とを接合させるものであり、例えば接着剤や低融点ガラス等であればよい。また溝部２２は、第１ダイヤフラム１２および第２ダイヤフラム１４のうち、少なくともいずれか一方に設けてあればよい。

また第１ダイヤフラム１２の凹部１６には、センサ素子片４０を配設できるように、底面に固着部２４を設けている。すなわち第１ダイヤフラム１２は、第２ダイヤフラム１４に対面する受圧部１８の他方の面１８ｂに固着部２４を備えている。この固着部２４は、センサ素子片４０の両端を支持できるように１対設けてあり、且つ、センサ素子片４０の中央部が受圧部１８の中心に来るように設けてある。また第１ダイヤフラム１２は、受圧部１８に連結部２６を設けている。連結部２６は、第２ダイヤフラム１４の他方の面１８ｂと第１ダイヤフラム１２の他方の面１８ｂとを連結するよう受圧部１８の他方の面１８ｂから垂直方向に突き出た形状になっている。これにより連結部２６は、第１ダイヤフラム１２と第２ダイヤフラム１４が接合したときに、第２ダイヤフラム１４の受圧部１８に接合するようになっている。このような連結部２６は、１つ以上設けてあればよい。そして２つの連結部２６を第１ダイヤフラム１２に設けるときは、例えば、第１ダイヤフラム１２の中心点を通る直線上に各連結部２６を配設するとともに、第１ダイヤフラム１２に接合されているセンサ素子片４０を挟み込むように配設してあればよい。すなわち上記中心点を通る直線を挟むように２つの連結部２６を配設すればよい。

そして第１ダイヤフラム１２と第２ダイヤフラム１４は、接着媒体２８によって積層方向に重なるように接合している。具体的には、第１ダイヤフラム１２と第２ダイヤフラム１４は、支持部２０における溝部２２よりも外側の部分に設けた接着媒体２８によって、凹部１６を互いに向かい合わせつつ、支持部２０同士を接合している。なお各ダイヤフラム１２，１４を重ねると、その重ねたときの力によって接着媒体２８が支持部２０の他方の面２０ｂに沿って広がって溝部２２内に入り込み、この溝部２２が接着媒体２８で充填されるので、溝部２２から受圧部１８側方向への接着媒体２８の流れ込みが抑制されて接着媒体２８が凹部１６に流れ込んでいない。このように第１ダイヤフラム１２と第２ダイヤフラム１４を接合することにより、互いに向かい合っている各凹部１６によってセンサ素子片４０を収容する空間がダイヤフラム１２，１４の内側に形成される。この空間は、気密封止してある。

なお各ダイヤフラム１２，１４は平面視して同じ形状になっていればよく、特に平面形状が限定されることがない。このため各ダイヤフラム１２，１４の平面形状は、例えば円形や矩形等になっていればよい。

またセンサ素子片４０は、次のようになっている。図２はセンサ素子片の概略平面図である。なお図２では、センサ素子片４０に設けられる電極の記載を省略している。センサ素子片４０は、図２に一例を示すように、双音叉振動片となっている。すなわちセンサ素子片４０は水晶結晶材料から構成されており、平行して伸びる２本の振動腕４２と、これらの振動腕４２の両端に基部４４を備えている。そして励振電極（図示せず）が各振動腕４２に設けてあるとともに、接続パターン（図示せず）を介して前記励振電極に導通したマウント電極（図示せず）が基部４４に設けてある。この前記励振電極、前記マウント電極および前記接続パターンは、正と負の極性を有するように１対設けてある。そしてセンサ素子片４０に電気信号（駆動信号）を供給すると、この駆動信号が前記マウント電極および前記接続パターンを介して前記励振電極に供給され、水晶結晶材料が持つ圧電作用によって、２つの振動腕４２が互いに近づいたり離れたりする屈曲振動を行う。

このようなセンサ素子片４０を第１ダイヤフラム１２に配設するには、図１に示すように、センサ素子片４０の基部４４と第１ダイヤフラム１２の固着部２４とを接合材３０で固着すればよい。具体的には、接合材３０として導電性接着剤を用いて基部４４と固着部２４を接合するとともに、前記導電性接着剤を介して前記マウント電極と第１ダイヤフラム１２に設けた配線パターン（図示せず）とを導通すればよい。またその他の具体例としては、接合材３０を用いて基部４４の片側全面と固着部２４を接合するとともに、前記マウント電極と前記配線パターンとに金属ワイヤを接合（ワイヤボンディング）して導通してもよい。この場合、強固に基部４４を固定できると共に、ダイヤフラム１２の動きに対して金属ワイヤがフレキシブルに変形するので印刷配線パターンと比較して断線が起き難いので耐久性に優れた構造となる。

そして圧力センサ１０は、センサ回路５０を備えている。図３はセンサ回路のブロック図である。センサ回路５０は、発振回路５２と周波数測定演算手段５４を備えている。発振回路５２は、入力側がセンサ素子片４０に接続している。この発振回路５２は、センサ素子片４０に駆動信号を供給して発振・増幅させる回路である。また周波数測定演算手段５４は、入力側が発振回路５２に接続している。周波数測定演算手段５４は、発振回路５２から出力する信号の周波数、すなわちセンサ素子片４０の発振周波数を測定し、この測定結果から圧力を求めるものである。

このような圧力センサ１０は、次のようにして製造できる。まずダイヤフラム１２，１４は、様々な材料を用いて形成できるので、エッチング加工や機械加工等により製造できる。このため以下では、水晶を用いてダイヤフラム１２，１４を形成する場合の一例を説明する。すなわち、第１ダイヤフラム１２を形成するには、まず連結部２６を形成する部分を覆う第１マスクを水晶素板の表面に被せて、この第１マスクに覆われていない部分をエッチングする。そして水晶素板が第１ダイヤフラム１２を形成するのに必要な厚さ、すなわち支持部２０の厚さになるまでエッチングされると、エッチングを止める。次に、凹部１６および溝部２２を形成する部分が開口しているとともに、固着部２４や支持部２０を形成する部分を覆う第２マスクを水晶素板の表面に被せて、この第２マスクの開口部分をエッチングする。これにより同じ深さの凹部１６と溝部２２が同じ工程で水晶素板に形成される。そして受圧部１８に必要な厚さに到達するとエッチングを止め、水晶素板上の第１マスクおよび第２マスクを除去すれば、第１ダイヤフラム１２を得る。

また第２ダイヤフラム１４を形成するには、まず凹部１６および溝部２２を形成する部分が開口している第３マスクを水晶素板の表面に被せて、この第３マスクの開口部分をエッチングする。これにより同じ深さの凹部１６と溝部２２が同じ工程で水晶素板に形成される。そして受圧部１８に必要な厚さに到達するとエッチングを止め、水晶素板上の第３マスクを除去すれば第２ダイヤフラム１４を得る。

なおエッチング時間等を始めとするエッチング条件を適宜設定することにより、凹部１６の深さ（受圧部１８の厚さ）等を正確に制御できる。このためダイヤフラム１２，１４は生産性に優れ、またダイヤフラム１２，１４の個体差が生じ難いので、各圧力センサ１０の特性が均一になる。

ところで結晶構造が異方性になっている材料、例えば水晶素板をウエットエッチングすると、溝部２２を設ける位置によってその断面形状が変わり、溝部２２の単位長さ当たりの体積が変わることになる。図４は溝部を設ける位置によって断面形状が変わるのを説明する溝部の断面図である。この図４に示すダイヤフラム１２，１４には水晶Ｚ板を用いている。そして図４（Ａ）に示す溝部２２は、水晶の結晶軸のうちＸ軸（電気軸）とＺ軸（光軸）で形成されるＸＺ平面に対して垂直方向（Ｙ軸（機械軸）方向）に形成してある。また図４（Ｂ）に示す溝部２２は、水晶の結晶軸のうちＹ軸とＺ軸で形成されるＹＺ平面に対して垂直方向（Ｘ軸方向）に形成してある。図４（Ａ），（Ｂ）からわかるように、溝部２２を設ける位置によって断面積が異なっている。そして図４（Ｂ）に示すＸ軸方向に沿った溝部２２は、図４（Ａ）に示すＹ軸方向に沿った溝部２２に比べて、単位長さ当たりの体積が約５ないし２０％小さくなっている。

このように溝部２２の断面積が異なっていると、ある位置に設けた溝部２２では流れ込んできた接着媒体２８を全て収容することができるが、別の位置に設けた溝部２２では流れ込んできた接着媒体２８を全て収容できず、収容しきれなかった接着媒体２８が凹部１６内に流れ込んでしまうおそれがある。これを解決するためには、溝部２２を設ける位置によって溝部２２の開口幅を変えることにより、溝部２２を設ける位置にかかわらず流れ込んできた接着媒体２８を収容して、凹部１６に接着媒体２８が流入しないようにすればよい。すなわち溝部２２の開口幅を調整して、溝部２２の単位長さ当たりの体積を同様にすればよい。これは第１ダイヤフラム１２および第２ダイヤフラム１４を形成するときに、溝部２２の位置に応じて開口している部分の幅を変えた第２マスクおよび第３マスクを水晶素板に被せてエッチングすればよい。なお図４を用いて説明した例だと、図４（Ｂ）に示すＸ軸方向に沿った溝部２２が、図４（Ａ）に示すＹ軸方向に沿った溝部２２に比べて、溝の幅を約５ないし２０％広くすればよい。

このようにしてダイヤフラム１２，１４を形成した後、第１ダイヤフラム１２の固着部２４にセンサ素子片４０を配設する。そして第１ダイヤフラム１２および第２ダイヤフラム１４の少なくとも何れか一方に接着媒体２８を設ける。すなわち支持部２０の他方の面２０ｂにおける溝部２２よりも外側に接着媒体２８を設ける。そして第１ダイヤフラム１２と第２ダイヤフラム１４を重ねると、重ねたときの力によって接着媒体２８が他方の面２０ｂに沿って広がり溝部２２に流入する。また溝部２２に入りきらなかった接着媒体２８は、支持部２０の他方の面２０ｂに沿って溝部２２よりも内側に入り込むが、溝部２２の単位長さ当たりの体積および接着媒体２８の量を制御しているので、凹部１６に入り込むことがない。これにより溝部２２の面積だけダイヤフラム１２，１４の接合に必要な接着面積を得ることができるので、ダイヤフラムの小面積化と共に強度が確保される。

この後、ダイヤフラム１２，１４の側面に設けてある封止用の孔（図示せず）を用いて、接合しているダイヤフラム１２，１４の間に形成した空間を真空にする。そして、前記空間を所定の真空度にした後、前記封止用の孔を封止する。これにより前記空間が気密封止され、センサ素子片４０が真空中で発振することになる。

次に、圧力センサ１０の作用について説明する。まず圧力を測定する環境に圧力センサ１０を配置する。そして圧力センサ１０を駆動する。すなわち発振回路５２からセンサ素子片４０に駆動信号を供給して、これらの間で信号を増幅・発振させる。そして発振回路５２は、センサ素子片４０が屈曲振動するときの周波数と同じ周波数となっている電気信号（検出信号）を周波数測定演算手段５４へ出力する。周波数測定演算手段５４は、検出信号の周波数を測定する。

そして圧力センサ１０の外部、すなわちダイヤフラム１２，１４の受圧部１８に加わる圧力Ｐ１が、圧力センサ１０の内部、すなわちセンサ素子片４０が収容されている空間の圧力Ｐ２と同じ場合は、受圧部１８に変化が生じてない。このとき周波数測定演算手段５４では、検出信号の周波数ｆ０を測定する。周波数測定演算手段５４は、予め記憶してある基準周波数と周波数ｆ０を比較して、両周波数間に新たに差が生じないので、予め登録してある周波数ｆ０に応じた圧力値を出力する。具体的な一例としては、基準周波数としてＰ１＝Ｐ２のときの検出信号の周波数ｆ０を周波数測定演算手段５４に予め登録しておき、基準周波数ｆ０と検出された周波数ｆ０との差分を求め、この差分が零であるから、予め１対１に登録してある基準周波数ｆ０ときの圧力値を出力する。

また圧力センサ１０の外部の圧力Ｐ１が圧力センサ１０の内部の圧力Ｐ２よりも大きくなった場合、受圧部１８に加わる圧力Ｐ１によって、圧力センサ１０の内部に向かって受圧部１８が湾曲（変形）する。そして受圧部１８が撓むのに伴って、センサ素子片４０も変形する。すなわち受圧部１８が湾曲すると、受圧部１８に両端を固定してあるセンサ素子片４０の振動腕４２も第２ダイヤフラム１４へ向けて湾曲する。このとき振動腕４２の中央部が基部４４に比べて圧力センサ１０の内側へ湾曲する。このように振動腕４２が湾曲すると、振動腕４２に引張の力が加わるので、センサ素子片４０の発振周波数が高くなる。すなわち周波数測定演算手段５４で測定される検出信号の周波数ｆ１が、前述したＰ１＝Ｐ２のときの周波数ｆ０に比べて高くなる。周波数測定演算手段５４は、基準周波数ｆ０と周波数ｆ１との差を求め、予め登録してあるこの差分の圧力値を出力する。具体的な一例としては、基準周波数ｆ０と検出信号の周波数との差分と、圧力値との関係を周波数測定演算手段５４に予め求めて登録しておき、この後、周波数測定演算手段５４は、測定した検出信号の周波数ｆ１と基準周波数ｆ０との周波数差を求め、予め登録してある前記関係を利用して、この周波数差のときの圧力値を求めて出力すればよい。

また圧力センサ１０外部の圧力Ｐ１が圧力センサ１０内部の圧力Ｐ２よりも小さくなった場合、受圧部１８に加わる圧力Ｐ１によって、圧力センサ１０の外部に向かって受圧部１８が湾曲（変形）する。そして受圧部１８が撓むのに伴って、センサ素子片４０も変形する。すなわち受圧部１８が湾曲すると、受圧部１８に両端を固定してあるセンサ素子片４０の振動腕４２も第２ダイヤフラム１４に対して反対の方向へ向けて湾曲する。このとき振動腕４２の中央部が基部４４に比べて圧力センサ１０の外側へ湾曲する。このように振動腕４２が湾曲すると、振動腕４２に圧縮の力が加わるので、センサ素子片４０の発振周波数が低くなる。すなわち周波数測定演算手段５４で測定される検出信号の周波数ｆ２が、前述したＰ１＝Ｐ２のときの周波数ｆ０に比べて低くなる。周波数測定演算手段５４は、基準周波数ｆ０と周波数ｆ２との差を求め、予め登録してあるこの差分の圧力値を出力する。具体的な一例としては、前述したＰ１＞Ｐ２のときの具体的一例と同様に、基準周波数ｆ０と検出信号の周波数との差分と、圧力値との関係を周波数測定演算手段５４に予め求めて登録しておき、この後、周波数測定演算手段５４は、測定した検出信号の周波数ｆ２と基準周波数ｆ０との周波数差を求め、予め登録してある前記関係を利用して、この周波数差のときの圧力値を求めて出力すればよい。

このような圧力センサ１０によれば、支持部２０に溝部２２を設けて接着媒体２８を流入させているので、凹部１６の底面（受圧部１８）に接着媒体２８が流れ込むのを防止できるとともに、支持部２０の幅を狭くできる。よって受圧部１８の可動条件が変化することがなく、圧力センサ１０の感度劣化や特性バラツキが生じるのを防止でき、また圧力センサ１０の平面サイズを小型化できる。

また接着媒体２８を用いてダイヤフラム１２，１４同士を接合するには、接着媒体２８とダイヤフラム１２，１４の接触面積を、接合を行える最低限の面積よりも大きくしなければならない。本実施形態では、溝部２２を設けることにより接着媒体２８とダイヤフラム１２，１４の接触面積を大きくしているので、ダイヤフラム１２，１４同士を接合できる最低限の面積を確保できる。また溝部２２が接着媒体２８で充填されると、面内に回転する力がダイヤフラム１２，１４に加わったとしても、溝部２２内の接着媒体２８がアンカーの役割を果たす。このため圧力センサ１０は、面内に回転する方向の力に対して強くなり、またダイヤフラム１２，１４の接合強度を向上できる。

またダイヤフラム１２，１４に設けた溝部２２の単位長さ当たりの体積を各箇所で同じにすると、接着媒体２８が溝部２２から溢れ出て、受圧部１８に接着媒体２８が流れ込むのを防止できる。

また溝部２２は、ダイヤフラム１２，１４を形成するときに、凹部１６と一緒に形成できる。このため製造工程が増えるのを防止できる。
なお本実施形態では、各ダイヤフラム１２，１４に溝部２２を１つ設けた形態であるが、本発明は溝部２２を２つ以上設けてあってもよい。

更にまた、図４に示すように溝部２２の底面と側面とからなる角部を鈍角（多角形）にした構造の場合、角部が９０°以上の鋭角の場合と比較して、溝部２２に流入した接着媒体２８が角部にも流れ込みやすくなり気泡などが発生し難い。したがって溝部２２の容積を無駄にすることがないので、所望の量の接着媒体２８を充填することができるので必要最小限の容積の溝部２２であっても、効果的に接着媒体２８の受圧部１８側への流出を防ぐことができる。
このような構造の溝部２２は、水晶材料をウエットエッチング加工することで、水晶のエッチングスピードの異方性を利用して容易に構成することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。なお第２の実施形態では、第１の実施形態で説明した構成と同様の部分に同番号を付すとともに、その説明を省略する。図５は第２の実施形態に係る圧力センサの説明図である。ここで図５（Ａ）は圧力センサの断面図であり、図５（Ｂ）はセンサ素子片の平面図である。図５（Ｂ）に示すように、第２の実施形態のセンサ素子片６０は、枠型の双音叉振動片である。すなわちセンサ素子片６０は、振動部６２および枠部６４とを有している。振動部６２は、第１の実施形態で説明した双音叉振動片と同様の構成になっている。枠部６４は、振動部６２の周囲に配置されており、振動腕４２に沿っている長辺方向の枠と、振動部６２の基部４４とが支持手段６６を介してつながっている。

また図５（Ａ）に示す圧力センサ６８は、第１ダイヤフラム１２および第２ダイヤフラム１４を有している。各ダイヤフラム１２，１４は、第１の実施形態で説明した第１，２ダイヤフラム１２，１４と同じ構成であればよい。そして第１ダイヤフラム１２と第２ダイヤフラム１４は、センサ素子片６０を挟み込んで接合している。すなわち各ダイヤフラム１２，１４の支持部２０は、接着媒体２８によってセンサ素子片６０の枠部６４と接合している。これによりダイヤフラム１２，１４とセンサ素子片６０が重なると、その重ねたときの力によって接着媒体２８が支持部２０の他方の面２０ｂやセンサ素子片６０の枠部６４に沿って広がって溝部２２に入り込み、この溝部２２が接着媒体２８で充填されるので、接着媒体２８が凹部１６に流れ込んでいない。

また第１ダイヤフラム１２に設けた固着部２４は、接合材３０によってセンサ素子片６０の基部４４と接合している。そして振動部６２は気密封止されており、振動部６２を封止している空間を絶対真空にすれば絶対圧の測定を行える。

このような圧力センサ６８であっても、第１の実施形態で説明した圧力センサ１０と同じ動作によって圧力を測定できるとともに、同じ効果を得ることができる。
さらに、このような圧力センサ６８は、バッチ処理にて一括組み立てが可能であるので生産性に優れる。すなわち複数の第１ダイヤフラム１２が連結したウエハ状の第１ダイヤフラム基板と、複数の第２ダイヤフラム１４が連結したウエハ状の第２ダイヤフラム基板と複数のセンサ素子片６０とが連結したウエハ状のセンサ素子基板とを用意する。その後、前記センサ素子基板を前記第１ダイヤフラム基板と前記第２ダイヤフラム基板とで挟み、且つ、これらを接着媒体２８にて接合するよう重ね合わせる。そして支持部２０の箇所をカッタ等により切断して圧力センサ６８を個片にすることで、一括して大量の圧力センサ６８を製造することが可能である。またこのような製造方法においては、複数の圧力センサ６８に対して単一の条件にて接着媒体２８を塗布、硬化作業を行う。そのため圧力センサ６８の個体間では接着媒体２８の量にバラツキが生じやすいが、そのバラツキ量を溝部２２が吸収するので効果的に接着媒体２８の受圧部１８側への流出を防ぐことができる。したがって圧力センサ６８の歩留まりの悪化や品質のバラツキが発生し難くなる。

次に、第３の実施形態について説明する。なお第３の実施形態では、第１の実施形態で説明した構成と同様の部分に同番号を付すとともに、その説明を省略する。図６は第３の実施形態に係る圧力センサの説明図である。ここで図６（Ａ）は圧力センサの断面図であり、図６（Ｂ）はセンサ素子片の平面図である。図６（Ｂ）に示すように、第３の実施形態のセンサ素子片６０は、枠型の双音叉振動片を用いている。すなわちセンサ素子片６０は、振動部６２および枠部６４とを有している。振動部６２は、第１の実施形態で説明した双音叉振動片と同様の構成になっている。枠部６４は、振動部６２の周囲に配置されており、振動腕４２に沿っている長辺方向の枠と、振動部６２の基部４４とが支持手段６６を介してつながっている。そして枠部６４には、上面から下面かけて貫通した溝（貫通溝７０）が、この枠部６４の外形に沿って４つ設けてある。この貫通溝７０は、図６（Ａ）に示すように、支持部２０によってセンサ素子片６０が挟まれたときに、支持部２０の外側端部と内側端部との間の範囲Ａ内に位置するように設けてある。

また図６（Ａ）に示す圧力センサ７２は、第１ダイヤフラム１２および第２ダイヤフラム１４を有している。第１ダイヤフラム１２は凹部１６および固着部２４を有しており、第２ダイヤフラム１４は凹部１６を有している。すなわち第１の実施形態で説明した第１，２ダイヤフラム１２，１４と溝部２２を設けていない点で異なっており、その他の点で同じ構成になっている。そして第１ダイヤフラム１２と第２ダイヤフラム１４は、センサ素子片６０を挟み込んで接合している。すなわち各ダイヤフラム１２，１４の支持部２０は、接着媒体２８によってセンサ素子片６０の枠部６４と接合している。これによりダイヤフラム１２，１４とセンサ素子片６０が重なると、その重ねたときの力によって接着媒体２８が支持部２０の他方の面２０ｂやセンサ素子片６０の枠部６４に沿って広がって貫通溝７０に入り込み、この貫通溝７０が接着媒体２８で充填されるので、接着媒体２８が凹部１６に流れ込んでいない。

また第１ダイヤフラム１２に設けた固着部２４は、接合材３０によってセンサ素子片６０の基部４４と接合している。そして振動部６２は気密封止されており、振動部６２を封止している空間を絶対真空にすれば絶対圧の測定を行える。

このような圧力センサ７２であっても、第１の実施形態で説明した圧力センサ１０と同じ動作によって圧力を測定できるとともに、同様の効果を得ることができる。また図５に示した圧力センサ６８と比較して、貫通溝７０に充填された接着媒体２８のアンカー効果によってセンサ素子片６０が強固に固定される。

また枠部６４に設けた貫通溝７０は、振動部６２および枠部６４を形成する工程において形成できる。したがって貫通溝７０を設けるために、新たな工程を必要としない。

また枠部６４に設けた貫通溝７０は、枠部６４の角部分が未エッチング部として残っている。そして、この未エッチング部は、振動部６２から最も遠い位置に配置してあるので、接着媒体２８の流れ出しによる影響を振動部６２に与え難くできる。

なお本実施形態では、センサ素子片６０の枠部６４に貫通溝７０を設けた形態である。しかし本発明では、枠部６４に貫通溝７０を設ける形態ばかりでなく、貫通していない溝を設けた形態であってもよい。そして結晶構造が異方性になっている材料を用いてセンサ素子片６０を作製する場合において、非貫通の溝部を枠部６４に設けるときは、図４を用いて説明したように、当該溝部の単位長さ当たりの体積を同じにするよう当該溝部の開口幅を変えることができる。

また本実施形態の変形例としては、板部として、第２ダイヤフラム１４の代わりに、図７に示す平板状のもの（平板状の板部７８）を用いることもできる。このような変形例の圧力センサ７６では、板部をエッチングする工程を省略できる。

第１の実施形態に係る圧力センサの断面図である。 センサ素子片の概略平面図である。 センサ回路のブロック図である。 溝部を設ける位置によって断面形状が変わるのを説明する溝部の断面図である。 第２の実施形態に係る圧力センサの説明図である。 第３の実施形態に係る圧力センサの説明図である。 変形例に係る圧力センサの断面図である。 従来技術の問題点を説明する圧力センサの断面図である。

符号の説明

１０，６８，７２，７６…圧力センサ、１２…第１ダイヤフラム、１４…第２ダイヤフラム、１８…受圧部、２０…支持部、２２…溝部、４０，６０…センサ素子片、５２…発振回路、５４…周波数測定演算手段、６２…振動部、６４…枠部、７０…貫通溝。

Claims (6)

1. 可撓性を有し、一方の主面に測定対象の圧力を受ける受圧部と、前記受圧部を囲むように設けられている支持部とを備えている第１ダイヤフラムと、
   接着媒体を用いて前記支持部に接合して、前記受圧部の他方の主面と対向するように前記第１ダイヤフラムと積層している板部と、
   前記板部と前記受圧部との間に設けた気密空間内に位置し、前記他方の主面に配設されているセンサ素子片と、を備え、
   前記支持部と前記板部とは、それぞれ前記接着媒体が流入するための溝部を有し、前記第１ダイヤフラムの厚み方向の平面視において、前記支持部の外側端部から内側端部までの間の範囲内で、前記支持部にある溝部の開口部分と、前記板部にある溝部の開口部分の２つの開口部分が重なるように配置されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記センサ素子片は、振動部と前記振動部の周囲に設けた枠部とを備え、
   前記第１ダイヤフラムと前記板部との間に前記枠部を配設して、前記枠部を介して前記板部と前記支持部とを接合している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記板部は、可撓性を有し、一方の主面に測定対象の圧力を受ける受圧部と、当該受圧部の前記一方の主面と他方の主面とを囲むように設けられた支持部とを有する第２ダイヤフラムであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記溝部は、前記平面視において前記受圧部を囲んでいることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
5. 前記溝部を設けた部位は、結晶構造が異方性を有する材料であり、互いに結晶方位が異なる前記部位同士は、前記溝部の開口部分の幅を互いに変えることにより、前記溝部の単位長さ当たりの体積を互いに等しくしていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
6. 可撓性を有し、一方の主面に測定対象の圧力を受ける受圧部と、前記受圧部を囲むように設けられている支持部とを備えているダイヤフラムと、
   接着媒体を用いて前記支持部に接合して、前記受圧部の他方の主面と対向するように前記ダイヤフラムと積層している板部と、
   前記板部と前記受圧部との間に設けた気密空間内に位置し、前記他方の主面に配設されているセンサ素子片と、を備え、
   前記支持部と前記板部とは、それぞれ前記接着媒体が流入するための溝部を有し、前記第１ダイヤフラムの厚み方向の平面視において、前記支持部の外側端部から内側端部までの間の範囲内で、前記支持部にある溝部の開口部分と、前記板部にある溝部の開口部分の２つの開口部分が重なるように配置されている圧力センサの製造方法であって、
   前記溝部と前記他方の主面とをエッチングにより同時に形成することを特徴とする圧力センサの製造方法。

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