JPH0362208B2 - - Google Patents
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- JPH0362208B2 JPH0362208B2 JP60131091A JP13109185A JPH0362208B2 JP H0362208 B2 JPH0362208 B2 JP H0362208B2 JP 60131091 A JP60131091 A JP 60131091A JP 13109185 A JP13109185 A JP 13109185A JP H0362208 B2 JPH0362208 B2 JP H0362208B2
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- JP
- Japan
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- crystal
- tuning fork
- resonator
- vibrator
- thermometer
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/32—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using change of resonant frequency of a crystal
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/42—Piezoelectric device making
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
＜産業上の利用分野＞
本発明は水晶振動子を測温素子として用い、そ
の振動周波数を検出することにより温度を測定す
る水晶温度計に関する。
の振動周波数を検出することにより温度を測定す
る水晶温度計に関する。
＜従来の技術＞
水晶は結晶異方性を有しているので、切出し角
を適当に選択することにより、温度係数を零にす
ることもでき、また、逆に温度係数を大きくする
こともできる。この温度係数の大きな水晶振動子
を測温素子として用いたものが水晶温度計で、高
分解能、高安定性を有している。
を適当に選択することにより、温度係数を零にす
ることもでき、また、逆に温度係数を大きくする
こともできる。この温度係数の大きな水晶振動子
を測温素子として用いたものが水晶温度計で、高
分解能、高安定性を有している。
＜発明が解決しようとする問題点＞
水晶温度計を製作する場合は、水晶から振動子
を切出す角度によつてエツチングによる加工の容
易性や温度特性が大幅に異なるので、温度計とし
ての最適条件を設定する必要がある。
を切出す角度によつてエツチングによる加工の容
易性や温度特性が大幅に異なるので、温度計とし
ての最適条件を設定する必要がある。
＜問題点を解決するための手段＞
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、
測温素子としての水晶振動子の切出し角と形状に
ついて検討し、エツチングによる加工が簡単で、
大きい周波数温度係数をもつた水晶温度計を提供
することを目的とするもので、その構成上の特徴
は、水晶振動子の温度による共振周波数の変化か
ら周囲温度を計測する水晶温度計において、Ｘ軸
に対する回転角が−30゜〜−70゜の範囲から厚さ
0.02〜0.2mmの水晶ウエハを切出し、前記水晶ウ
エハの平面上における面内回転角がZ′軸に対して
−15〜＋15゜の範囲にフオトリソグラフイの技術
と水晶の異方性エツチング技術を利用して音叉振
動子、屈曲振動子、縦振動子のいずれかを形成し
たものである。
測温素子としての水晶振動子の切出し角と形状に
ついて検討し、エツチングによる加工が簡単で、
大きい周波数温度係数をもつた水晶温度計を提供
することを目的とするもので、その構成上の特徴
は、水晶振動子の温度による共振周波数の変化か
ら周囲温度を計測する水晶温度計において、Ｘ軸
に対する回転角が−30゜〜−70゜の範囲から厚さ
0.02〜0.2mmの水晶ウエハを切出し、前記水晶ウ
エハの平面上における面内回転角がZ′軸に対して
−15〜＋15゜の範囲にフオトリソグラフイの技術
と水晶の異方性エツチング技術を利用して音叉振
動子、屈曲振動子、縦振動子のいずれかを形成し
たものである。
＜実施例＞
第１図は本発明の一実施例を示すもので、水晶
から水晶ウエハを切出す位置およびその水晶ウエ
ハ上における振動子のZ′軸に対する回転角を示し
ている。第１図において、Ｘ、Ｙ、Ｚは水晶の結
晶軸である。１０は振動子が形成される水晶ウエ
ハであり…振動子の状態をエハであり、Ｘ軸を回
転軸としてφ回転した位置にある。このときの水
晶ウエハの座標系をＸ、Y′、Z′と定義する。１１
はその水晶ウエハ１０上でZ′軸を回転軸としてウ
エハ内で振動子がφ回転した状態（以下、ウエハ
内での振動子のZ′軸を回転軸とする回転角を面内
回転角という）を示している。
から水晶ウエハを切出す位置およびその水晶ウエ
ハ上における振動子のZ′軸に対する回転角を示し
ている。第１図において、Ｘ、Ｙ、Ｚは水晶の結
晶軸である。１０は振動子が形成される水晶ウエ
ハであり…振動子の状態をエハであり、Ｘ軸を回
転軸としてφ回転した位置にある。このときの水
晶ウエハの座標系をＸ、Y′、Z′と定義する。１１
はその水晶ウエハ１０上でZ′軸を回転軸としてウ
エハ内で振動子がφ回転した状態（以下、ウエハ
内での振動子のZ′軸を回転軸とする回転角を面内
回転角という）を示している。
第２図は第１図における水晶ウエハ１０をＸ軸
に対してφ回転して切出した場合、80℃の重弗化
アンモニウム（NH4F・HF）飽和水溶液に対す
るエツチング速度と、面内回転角φ＝0゜の振動子
の一次の周波数温度係数（Temperature
Coefficient of Frequency…以下、TCFという）
の絶対値の角度φをパラメータとして極座標表示
したものである。
に対してφ回転して切出した場合、80℃の重弗化
アンモニウム（NH4F・HF）飽和水溶液に対す
るエツチング速度と、面内回転角φ＝0゜の振動子
の一次の周波数温度係数（Temperature
Coefficient of Frequency…以下、TCFという）
の絶対値の角度φをパラメータとして極座標表示
したものである。
図において、曲線Ａは一時間当たりのエツチン
グ速度の実験値＊をスプライン関数で結んだもの
を表わし（単位μｍ／ｈ）、曲線Ｂは一次TCFの
計算値（〇印は実験値）の絶対値（単位ppm／
Ｋ）を表わしている。
グ速度の実験値＊をスプライン関数で結んだもの
を表わし（単位μｍ／ｈ）、曲線Ｂは一次TCFの
計算値（〇印は実験値）の絶対値（単位ppm／
Ｋ）を表わしている。
振動子を温度センサとして利用する場合、エツ
チング速度が大きく加工が容易で、しかも一次
TCFが大きく温度センサとして充分な感度を持
つことが必要である。このような条件を満たすの
は図によれば、φ＝−30゜〜−70゜の範囲である。
更に、水晶ウエハをフオトリソグラフイと異方性
エツチングによつて加工する際には、水晶ウエハ
が厚すぎると異方性エツチングによる加工が不可
能になるために実際上は0.2mmが厚さの上限であ
る。また、水晶ウエハが薄すぎると加工の際の取
扱が困難となる為に0.02mmが厚さの下限となる。
チング速度が大きく加工が容易で、しかも一次
TCFが大きく温度センサとして充分な感度を持
つことが必要である。このような条件を満たすの
は図によれば、φ＝−30゜〜−70゜の範囲である。
更に、水晶ウエハをフオトリソグラフイと異方性
エツチングによつて加工する際には、水晶ウエハ
が厚すぎると異方性エツチングによる加工が不可
能になるために実際上は0.2mmが厚さの上限であ
る。また、水晶ウエハが薄すぎると加工の際の取
扱が困難となる為に0.02mmが厚さの下限となる。
本発明ではこの範囲で切出した水晶ウエハを使
用する。
用する。
水晶は圧電性を有するので振動子の表面に励振
用の電極を例えばAu、Cr薄膜パターンで形成す
るだけで発振が可能であるが、圧電性にも異方性
があるので励振を容易に行うための条件を決める
必要がある。この励振し易さはCI値（Crystal
Impedance＝等価直列抵抗）で示され、切出し角
φと切出した水晶ウエハ上の面内回転角φに依存
し、CI値が小さいほど振動子を励振しやすくな
る。
用の電極を例えばAu、Cr薄膜パターンで形成す
るだけで発振が可能であるが、圧電性にも異方性
があるので励振を容易に行うための条件を決める
必要がある。この励振し易さはCI値（Crystal
Impedance＝等価直列抵抗）で示され、切出し角
φと切出した水晶ウエハ上の面内回転角φに依存
し、CI値が小さいほど振動子を励振しやすくな
る。
第３図は切出し角φ＝−40.23゜で切出した水晶
ウエハ上でZ′軸に対する面内回転角φをパラメー
タとし、振動子のCI値と一次TCFを極座標表示
したものである。
ウエハ上でZ′軸に対する面内回転角φをパラメー
タとし、振動子のCI値と一次TCFを極座標表示
したものである。
図において、曲線ＤはCI値の計算値（＊印は
実験値）の逆数を表わし（単位μS）、曲線Ｃは一
次TCFの計算値（〇印は実験値）の絶対値を表
わしている（単位ppm／Ｋ）。
実験値）の逆数を表わし（単位μS）、曲線Ｃは一
次TCFの計算値（〇印は実験値）の絶対値を表
わしている（単位ppm／Ｋ）。
図によれば、CI値が小さくて振動子を励振し
やすく、しかも一次TCFの絶対値が大きい値を
示し温度計としての感度が大きいのは面内回転角
φが0゜近傍であることがわかる。
やすく、しかも一次TCFの絶対値が大きい値を
示し温度計としての感度が大きいのは面内回転角
φが0゜近傍であることがわかる。
本発明ではこの面内回転角φが−15゜〜＋15゜の
範囲でフオトリソグラフイとエツチングの技術に
より振動子を加工する。
範囲でフオトリソグラフイとエツチングの技術に
より振動子を加工する。
第４図はこのようにして製作した振動子にAu、
Cu薄膜の励振用の電極を形成し、この振動子を
真空状態の容器に収納して励振させ、その状態に
おける振動子の時定数とＱの値を100％とし、こ
の容器に不活性ガス（この例ではHeガス）を
徐々に報入していつた場合のHeガスの圧力と振
動子の時定数とＱの関係を示す図である。図では
縦軸に時定数とＱを％で示し、横軸に不活性ガス
の圧力（Torr）を対数目盛りで示している。図
中、時定数を実線で、Ｑを点線で示す。
Cu薄膜の励振用の電極を形成し、この振動子を
真空状態の容器に収納して励振させ、その状態に
おける振動子の時定数とＱの値を100％とし、こ
の容器に不活性ガス（この例ではHeガス）を
徐々に報入していつた場合のHeガスの圧力と振
動子の時定数とＱの関係を示す図である。図では
縦軸に時定数とＱを％で示し、横軸に不活性ガス
の圧力（Torr）を対数目盛りで示している。図
中、時定数を実線で、Ｑを点線で示す。
第４図によれば、不活性ガスの圧力が高くなる
と時定数は短くなつて熱応答が向上するが、周波
数の安定度を示すＱが下がつてくることがわか
る。従つて容器に封入する不活性ガスの圧力は適
切に選ぶ必要がある。
と時定数は短くなつて熱応答が向上するが、周波
数の安定度を示すＱが下がつてくることがわか
る。従つて容器に封入する不活性ガスの圧力は適
切に選ぶ必要がある。
本発明では不活性ガスの圧力を0.01〜10Torr
の範囲で用いる。
の範囲で用いる。
第５図は第１図に示す音叉振動子１１の具体的
寸法例を示すもので、 Ｘ軸を回転軸とする回転角：−40.23゜ 面内回転角 ：0゜ 板厚 ：0.07mm 全長 Ｂ：4.8mm， 音叉の切込み長さ Ｄ：2.3mm 切込みの幅 Ｅ：0.11mm 音叉部の幅 Ｄ：0.63mm として製作した。
寸法例を示すもので、 Ｘ軸を回転軸とする回転角：−40.23゜ 面内回転角 ：0゜ 板厚 ：0.07mm 全長 Ｂ：4.8mm， 音叉の切込み長さ Ｄ：2.3mm 切込みの幅 Ｅ：0.11mm 音叉部の幅 Ｄ：0.63mm として製作した。
第６図は上記音叉振動子にくびれを設けた他の
具体的実施例を示すもので、この音叉振動子１２
はくびれ２により音叉部分３と二股状の固定端４
に分かれている。
具体的実施例を示すもので、この音叉振動子１２
はくびれ２により音叉部分３と二股状の固定端４
に分かれている。
各部の寸法は次のとおりである。
全長 Ａ：6.0mm
音叉部３の長さ Ｂ：4.8mm
音叉部の幅 Ｄ：0.63mm
音叉の切込み長さ Ｄ：2.3mm
切込みの幅 Ｅ：0.11mm
くびれ部２の幅 Ｈ：0.2mm
固定端４の幅 Ｉ：1.7mm
固定端４の高さ Ｇ：1.0mm
上記振動子１２において、くびれ２は振動子１
２の固定端４の歪み、特に温度を与えた時に固定
端４の水晶の線膨張係数と固定端を接着する物質
の線膨張係数の差によつて生じる歪みが音叉３の
部分に伝わつて音叉の共振周波数が変化するのを
防ぐ為のものである。このくびれを設けた結果温
度サイクルをかけることによつて生じるヒステリ
シスを低減することができる。
２の固定端４の歪み、特に温度を与えた時に固定
端４の水晶の線膨張係数と固定端を接着する物質
の線膨張係数の差によつて生じる歪みが音叉３の
部分に伝わつて音叉の共振周波数が変化するのを
防ぐ為のものである。このくびれを設けた結果温
度サイクルをかけることによつて生じるヒステリ
シスを低減することができる。
なお、振動子は上記寸法に限ることなく各種変
形が可能である。
形が可能である。
第７図イ、ロ、ハは音叉にくびれを設けない場
合と音叉部分３の幅の50％のくびれを設けた場合
において、固定端４の両側に圧縮力を加えた場
合、音叉の二股部Ｍ−Ｎ断面に生じる応力を有限
要素法で計算し、主応力σxx、σyyの値をプロツト
したものである。図において、イは音叉の固定端
に矢印方向から圧力を加えた状態を示す図、ロ、
ハは断面Ｍ−Ｎにおける主応力σxxおよびσyyの関
係を示すもので曲線Ｅはくびれがない場合、曲線
Ｆはくびれを設けた場合の状態を示している。図
によれば、くびれを設けた場合は最大応力が1/4
以下に減少していることが分る。
合と音叉部分３の幅の50％のくびれを設けた場合
において、固定端４の両側に圧縮力を加えた場
合、音叉の二股部Ｍ−Ｎ断面に生じる応力を有限
要素法で計算し、主応力σxx、σyyの値をプロツト
したものである。図において、イは音叉の固定端
に矢印方向から圧力を加えた状態を示す図、ロ、
ハは断面Ｍ−Ｎにおける主応力σxxおよびσyyの関
係を示すもので曲線Ｅはくびれがない場合、曲線
Ｆはくびれを設けた場合の状態を示している。図
によれば、くびれを設けた場合は最大応力が1/4
以下に減少していることが分る。
くびれは細いほど音叉部への固定端の影響が小
さくなるが、半面機械的強度が減少する。
さくなるが、半面機械的強度が減少する。
本発明ではくびれの幅を音叉部の幅の10〜50％
としたものを使用する。
としたものを使用する。
なお、振動子の特性は音叉振動子以外の形状に
加工しても全く同じ事実があてはまり、第８図に
示すように水晶ウエハ１０の一部を取り除いて矩
形状の板を形成し、この矩形状の板を相対する４
箇所で支持して屈曲振動子１４を形成してもよ
く、また、第９図に示すように水晶ウエハ１０の
一部を取り除いて矩形状の板を形成し、相対する
側の２箇所を支持して縦振動子１３を形成しても
よい。このような形状によれば振動子を固定する
場合、固定部の歪みによる影響を減少させること
ができる。
加工しても全く同じ事実があてはまり、第８図に
示すように水晶ウエハ１０の一部を取り除いて矩
形状の板を形成し、この矩形状の板を相対する４
箇所で支持して屈曲振動子１４を形成してもよ
く、また、第９図に示すように水晶ウエハ１０の
一部を取り除いて矩形状の板を形成し、相対する
側の２箇所を支持して縦振動子１３を形成しても
よい。このような形状によれば振動子を固定する
場合、固定部の歪みによる影響を減少させること
ができる。
＜発明の効果＞
以上、実施例ととも具体的に説明したように本
発明によれば、エツチングによる加工が簡単で、
大きい一次TCFをもつた水晶温度計を実現する
ことができる。
発明によれば、エツチングによる加工が簡単で、
大きい一次TCFをもつた水晶温度計を実現する
ことができる。
第１図は本発明の一実施例を示すもので、水晶
から水晶ウエハを切出す位置およびその水晶ウエ
ハ上における振動子のZ′軸に対する回転角を示す
図、第２図は水晶ウエハの切出し角に対するエツ
チングレートと一次TCFの関係を示す図、第３
図は切出し角φ＝−40.23゜で切出した水晶ウエハ
上でZ′軸に対する面内回転角φを変化させた場合
のCI値と一次TCFの関係を示す図、第４図はHe
ガスを封入した容器内における振動子の時定数と
Ｑの関係を示す図、第５図は音叉振動子の具体的
寸法を示す図、第６図はくびれ部を設けた音叉振
動子の具体的寸法を示す図、第７図イ、ロ、ハは
音叉にくびれを設けない場合と音叉部の幅の50％
のくびれを設けた場合において、固定端の両側に
圧縮力を加えた場合、音叉の二股部Ｍ−Ｎ断面に
生じる応力を示す図、第８図は屈曲振動子の他の
形状を示す図、第９図は縦振動子として形成した
状態を示す図である。 １０……水晶ウエハ、２……くびれ、３……音
叉部分、４……固定端、１１，１２，１３，１４
……振動子。
から水晶ウエハを切出す位置およびその水晶ウエ
ハ上における振動子のZ′軸に対する回転角を示す
図、第２図は水晶ウエハの切出し角に対するエツ
チングレートと一次TCFの関係を示す図、第３
図は切出し角φ＝−40.23゜で切出した水晶ウエハ
上でZ′軸に対する面内回転角φを変化させた場合
のCI値と一次TCFの関係を示す図、第４図はHe
ガスを封入した容器内における振動子の時定数と
Ｑの関係を示す図、第５図は音叉振動子の具体的
寸法を示す図、第６図はくびれ部を設けた音叉振
動子の具体的寸法を示す図、第７図イ、ロ、ハは
音叉にくびれを設けない場合と音叉部の幅の50％
のくびれを設けた場合において、固定端の両側に
圧縮力を加えた場合、音叉の二股部Ｍ−Ｎ断面に
生じる応力を示す図、第８図は屈曲振動子の他の
形状を示す図、第９図は縦振動子として形成した
状態を示す図である。 １０……水晶ウエハ、２……くびれ、３……音
叉部分、４……固定端、１１，１２，１３，１４
……振動子。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 水晶振動子の温度による共振周波数の変化か
ら周囲温度を計測する水晶温度計において、Ｘ軸
に対する回転角が−30゜〜−70゜の範囲から切出し
た厚さ0.02〜0.2mmの水晶ウエハに、その水晶ウ
エハの平面上における面内回転角がZ′軸に対して
−15〜＋15゜の範囲にフオトリソグラフイの技術
と水晶の異方性エツチング技術を利用して水晶振
動子を形成し、この水晶振動子の表面に励振用電
極として金属の薄膜をフオトリソグラフイの技術
で形成したことを特徴とする水晶温度計。 ２ 水晶振動子は屈曲振動子として形成したこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の水晶温
度計。 ３ 屈曲振動子は音叉状に形成したことを特徴と
する特許請求の範囲第２項記載の水晶温度計。 ４ 音叉振動子は固定端と音叉部との間に固定端
の歪みが音叉部に伝達することを防止する為に、
音叉部の幅の10〜50％の幅を有するくびれを設け
たことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
水晶温度計。 ５ 屈曲振動子は水晶ウエハの一部を取り除いて
水晶ウエハ中に矩形状の板を形成し、相対する側
の４箇所で支持したことを特徴とする特許請求の
範囲第２項記載の水晶振動子。 ６ 水晶振動子は水晶ウエハの一部を取り除いて
矩形状の板を形成し、相対する側の２箇所で支持
し縦振動子としたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の水晶温度計。 ７ 0.01〜10Torrの不活性なガスを報入したケ
ースに水晶振動子を収納したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の水晶温度計。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60131091A JPS61288132A (ja) | 1985-06-17 | 1985-06-17 | 水晶温度計 |
| US06/869,103 US4772130A (en) | 1985-06-17 | 1986-05-30 | Quartz thermometer |
| GB8613426A GB2176892B (en) | 1985-06-17 | 1986-06-03 | Quartz thermometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60131091A JPS61288132A (ja) | 1985-06-17 | 1985-06-17 | 水晶温度計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61288132A JPS61288132A (ja) | 1986-12-18 |
| JPH0362208B2 true JPH0362208B2 (ja) | 1991-09-25 |
Family
ID=15049766
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60131091A Granted JPS61288132A (ja) | 1985-06-17 | 1985-06-17 | 水晶温度計 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4772130A (ja) |
| JP (1) | JPS61288132A (ja) |
| GB (1) | GB2176892B (ja) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5607236A (en) * | 1987-02-27 | 1997-03-04 | Seiko Epson Corporation | Quartz oscillator temperature sensor |
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