(57)【要約】【課題】測定に伴う圧力変化および温度変化を低減した圧力センサを提供する。【解決手段】一方の面に第１凹部１４を有し、他方の面に第２凹部１６を有するパッケージ１２と、前記第１凹部１４に配置され、圧電振動片を感圧素子とした圧力センサ素子２６と、前記第２凹部１６に配置され、前記圧力センサ素子２６と電気的に接続され、温度変化に伴う前記圧力センサの圧力測定誤差を補償する温度補償回路５２と、を有し、前記温度補償回路５２は、前記第２凹部１６の底部１６ａの周縁に設けられたスペーサ１８に接着され、前記底部１６ａから離間して配置されてなる。【選択図】図１
2010096654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に第１凹部を有し、他方の面に第２凹部を有するパッケージと、
前記第１凹部に配置され、圧電振動片を感圧素子とした圧力センサ素子と、
前記第２凹部に配置され、前記圧力センサ素子と電気的に接続され、温度変化に伴う前記圧力センサの圧力測定誤差を補償する温度補償回路と、を有し、
前記温度補償回路は、前記第２凹部の底部の周縁に設けられたスペーサに接着され、前記底部から離間して配置されたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記圧力センサ素子を発振させる発振回路を前記第１凹部に配置しつつ、前記圧力センサ素子に接続したことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記第１凹部には温度センサ素子を配置し、前記温度補償回路に接続したことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記圧力センサ素子は、前記第１凹部の底部の周縁に設けられた第２スペーサを介して配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記圧力センサ素子の受圧面を前記第１凹部の底部側に向けたことを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記圧力センサ素子と前記第１凹部の底部との間の隙間を樹脂で埋め込んだことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記第１凹部をリッドで覆うとともに、前記リッドに圧力導入口を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記圧力センサ素子を発振させる発振回路を前記第２凹部に配置しつつ、前記圧力センサ素子に接続したことを特徴とする請求項７に記載の圧力センサ。
【請求項９】
前記リッドの前記第１凹部の底部側に凸部を設け、前記圧力導入口は、前記リッド及び前記凸部に連通されたことを特徴とする請求項７または８に記載の圧力センサ。
【請求項１０】
パッケージ材の一方の面に第１凹部を形成し、
他方の面に第２凹部を形成し、
前記第２凹部の底部の周縁にスペーサを形成し、
前記第１凹部及び前記第２凹部との間を電気的に導通する貫通部材を貫通させ、
圧電振動片を感圧素子とした圧力センサ素子を第１凹部に配置して前記貫通部材に接続し、
前記貫通部材の前記第２凹部側から圧力センサ素子の共振周波数の温度依存性を測定して温度変化に伴う前記圧力センサ素子の圧力測定誤差を補償する温度補償回路の所定の定数を算出して、前記温度補償回路に前記所定の定数を書き込み、
前記温度補償回路を、前記貫通部材に接続して前記スペーサに接着して前記底部から離間して配置したことを特徴とする圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧力センサに関し、特に圧力センサ素子と接続された回路からの熱の影響を低減し、且つ圧力センサの容積を小さくする技術、及びその製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧力センサは小型化のみならず高精度化が要求されている。このような要求に対応するため特許文献１において静電容量変化型の圧力センサ素子と、この圧力センサ素子を収納するとともに、内部に測定圧を導入するための圧力導入路が設けられたケースと、前記圧力センサ素子の静電容量を所定の電気信号に変換する信号処理回路とを備えた気体用圧力センサが開示されている。図１０（図１０（ａ）は全体図、図１０（ｂ）は部分詳細図）に示すように、特許文献１に係る圧力センサ２０１には、被測定圧力を受圧して変位する半導体から形成されたダイアフラム２３１と、ダイアフラム２３１を両側から挟持するガラス等の絶縁物２３２、２３３と、絶縁物２３２、２３３の対向する面に設けられ、ダイアフラム２３１の変位を静電容量に変換するための電極とから構成された静電容量型の圧力センサ素子２３０が、合成樹脂製（プラスチック）ケース２１０（２１０Ａと２１０Ｂで構成）内のコバール（ニッケル合金）製シールド材２１６上であって、圧力導入路２１４に連通した連通孔２１７にダイアフラム２３１が対向するように搭載され、ケース２１０内のプリント基板２２１上には、信号処理をするための回路を構成するＩＣチップ２２０が搭載されている。このような構成により、圧力センサ素子が、ケースに設けられる圧力導入孔の位置から外れた位置に配置され、ケースの残りの部分に信号処理回路を構成する回路部品が配置されることから、圧力センサ素子と信号処理回路とがケース内に併設されるようになるので、積み重ね構造であった従来の圧力センサと異なり、組み立て手順に自由度が生じ、組み立て工程数の削減が可能となって組み立てが容易となり、その生産性が向上する上、ケースの高さ寸法を小さくすることができる。
【０００３】
特許文献１の圧力センサを構成する圧力センサ素子に替わって搭載可能な圧力センサとして特許文献２においては、図１１に示すように、一方の主面に半導体素子３０３が搭載される搭載部を有する絶縁基体３０１と、前記絶縁基体３０１の表面及び内部に配設され、前記半導体素子３０３の各電極が電気的に接続される複数の配線導体３０５、３０５ａ、３０５ｂと、前記絶縁基体３０１の他方の主面の中央部に被着され、前記配線導体３０５、３０５ａ、３０５ｂの一つに電気的に接続された静電容量形成用の電極３０７と、前記他方の主面に、前記中央部との間に密閉空間を形成するように前記電極３０７と対向して可撓な状態で接合され、前記配線導体の他の一つに電気的に接続された静電容量形成用の金属板３０２を具備した圧力検出装置用パッケージが開示されている。この構成により、半導体素子を収容するパッケージに感圧素子が一体に形成され、その結果、圧力検出装置を小型化することができるとともに、圧力検出用の電極と半導体素子とを接続する配線を短いものとして、これらの配線間に発生する不要な静電容量を小さなものとしている。なお特許文献２と同様の静電容量型の圧力センサは特許文献３においても開示されている。
【特許文献１】特許第３５７８８６５号
【特許文献２】特開２００２−５７６６号公報
【特許文献３】特開平７−２８０６８３号公報
【特許文献４】特開２００７−３２７９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１乃至３においては、静電容量形成領域とＩＣチップ等の半導体素子が近接して形成されている。よってこのような状態で特許文献１に係る圧力センサモジュールを圧力測定環境下で稼動させた状態を保つと、半導体素子は発熱し少なくとも３５〜４０℃程度まで上昇するため、ケース２１０内は常温２５℃から温度が上昇するので、圧力センサは高温環境にさらされることになり、圧力センサで検出される圧力値には温度上昇に伴う変位が含まれてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、さらなる高精度化を図るため、上述の静電容量型の圧力センサに替わって、特許文献４に示すような圧電素子を用いた圧力センサを搭載することが提案されている。図１２（図１２（ａ）は正面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ線断面図）に示すように、特許文献４においては、双音叉型圧電振動片４０８を用いた圧力センサ４００であって、パッケージベース４０２と、ダイアフラム４０６を中央部に有するリッド４０４と、パッケージベース４０２、およびリッド４０４が形成する真空封止された内部空間４０２ａにおいてダイアフラム４０６の内壁に形成された凸部４０６ａに双音叉型圧電振動片４０８の両端にある基部４０８ａを接着した圧力センサ４００の構成が開示されている。これにより被測定圧力を受圧したダイアフラムが撓むことによって凸部４０６ａを介して双音叉型圧電振動片４０８に引張力が伝達されるので双音叉型圧電振動片が変形し引張応力が生じることとなり共振周波数に変化が生じるため、これによる双音叉型圧電振動片４０８の振動腕４０８ｂの共振周波数の変化を圧力変化として検出している。さらに、特許文献４に係る圧力センサに対して温度補償回路等の回路を搭載することによって、温度変化に伴う圧力誤差を補正することが可能となる。しかし、温度補償回路は、圧力測定環境の熱と温度補償回路が発生する熱による温度と基準温度との差を補償することになるので、温度補償を有効に行う温度範囲が制限されることになる。
【０００６】
一方、圧力の測定は、圧力センサの消費電力を削減するため、一定時刻ごとに行われる。よって圧力測定環境の圧力を測定する場合、一定時刻ごとに圧力測定環境が形成する閉空間と、特許文献１に示されるような圧力センサのケースが形成する閉空間とをドッキングさせることにより行うことになる。圧力測定環境の閉空間が、ケースが形成する閉空間に対して十分な大きさを有しない場合において、この２つの閉空間をドッキングさせた場合、圧力測定環境の閉空間の圧力と温度が変動し、これに伴いケース内の温度も変動するため、正確に圧力測定環境の圧力を測定することが困難となるといった問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題点に着目し、圧力センサと接続する回路からの熱の影響を削減し、圧力測定時の圧力測定環境の圧力変化、温度変化、及び圧力センサの温度変化を抑制した圧電素子を用いた圧力センサ、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の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、以下の適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］一方の面に第１凹部を有し、他方の面に第２凹部を有するパッケージと、前記第１凹部に配置され、圧電振動片を感圧素子とした圧力センサ素子と、前記第２凹部に配置され、前記圧力センサ素子と電気的に接続され、温度変化に伴う前記圧力センサの圧力測定誤差を補償する温度補償回路と、を有し、前記温度補償回路は、前記第２凹部の底部の周縁に設けられたスペーサに接着され、前記底部から離間して配置されたことを特徴とする圧力センサ。
【００１０】
上記構成により、一つのパッケージにおいて圧力センサ素子と、最も発熱する温度補償回路とをパッケージ材の厚み方向で互いに対向して形成された凹部に別々に配置し、かつ温度補償回路を凹部から浮かせた状態で配置することにより、圧力センサ全体の外形をコンパクトにまとめつつ、温度補償回路からの熱が圧力センサ素子に伝達することを防止する圧力センサとなる。
【００１１】
［適用例２］前記圧力センサ素子を発振させる発振回路を前記第１凹部に配置しつつ、前記圧力センサ素子に接続したことを特徴とする適用例１に記載の圧力センサ。
これにより、圧力センサの製造途中において圧力センサ素子を駆動可能となるので、パッケージに実装された圧力センサ素子ごとに温度補償回路に必要な所定の定数を算出して温度補償回路に書き込むことが可能となり、温度補償精度の高い圧力センサとなる。
【００１２】
［適用例３］前記第１凹部には温度センサ素子を配置し、前記温度補償回路に接続したことを特徴とする適用例１に記載の圧力センサ。
これにより、圧力センサ素子近傍の温度情報を温度補償回路に出力することができるので、温度変化による圧力測定誤差を軽減した圧力センサとなる。
【００１３】
［適用例４］前記圧力センサ素子は、前記第１凹部の底部の周縁に設けられた第２スペーサを介して配置したことを特徴とする適用例１乃至３のいずれか１例に記載の圧力センサ。
これにより、圧力センサ素子は、温度補償回路からの熱の影響をさらに小さくすることができる。
【００１４】
［適用例５］前記圧力センサ素子の受圧面を前記第１凹部の底部側に向けたことを特徴とする適用例４に記載の圧力センサ。
これにより、圧力センサ素子の受圧面が、被圧力測定領域から飛来する粒子等により汚染されることを回避して、圧力センサ素子の感度を維持することができる。
【００１５】
［適用例６］前記圧力センサ素子と前記第１凹部の底部との間の隙間を樹脂で埋め込んだことを特徴とする適用例４に記載の圧力センサ。
空気の熱伝導率はその圧力によって変動し得るため、上述の隙間を有した状態で空気の圧力が変化した場合は、温度補償回路からの圧力センサに対する熱の影響が変動することになる。そこで、本適用例のように熱伝導率が低い樹脂で隙間を埋めることにより、温度補償回路からパッケージを介して圧力センサ素子に向かう熱を遮蔽して適用例３と同様に温度補償回路からの熱の影響をさらに小さくすることができるとともに、温度補償回路からの熱の影響が空気の圧力によらず一定となるため、温度補償回路による温度補償量の変動を抑制し、より高精度に圧力を測定することができる。
【００１６】
［適用例７］前記第１凹部をリッドで覆うとともに、前記リッドに圧力導入口を設けたことを特徴とする適用例１乃至６のいずれか１例に記載の圧力センサ。
これにより、第１凹部がパッケージ内で形成する内部空間が被圧力測定領域とともに閉空間を形成することになる。よって圧力センサ側の体積を小さくすることが可能となるため、前記内部空間と被圧力測定領域をドッキングさせた場合の圧力変化及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させた圧力センサとなる。特に適用例６に本適用例を適用することにより第１凹部が形成する内部空間の体積をさらに小さくすることができる。また第１凹部において温度センサを設けない場合は第１凹部をさらに小さく設計することが可能となるので、ドッキング時の圧力変化、及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。
【００１７】
［適用例８］前記圧力センサ素子を発振させる発振回路を前記第２凹部に配置しつつ、前記圧力センサ素子に接続したことを特徴とする適用例７に記載の圧力センサ。
発振回路も、温度補償回路ほどではないにしろ熱を発生している。よって第１凹部において熱の発生をさらに抑制することができるため、温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。
【００１８】
［適用例９］前記リッドの前記第１凹部の底部側に凸部を儲け、前記圧力導入口は、前記リッド及び前記凸部に連通されたことを特徴とする適用例７または８に記載の圧力センサ。
これにより、第１凹部が形成する空間の容積をさらに小さくすることができ、圧力変化及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。
【００１９】
［適用例１０］パッケージ材の一方の面に第１凹部を形成し、他方の面に第２凹部を形成し、前記第２凹部の底部の周縁にスペーサを形成し、前記第１凹部及び前記第２凹部との間を電気的に導通する貫通部材を貫通させ、圧電振動片を感圧素子とした圧力センサ素子を第１凹部に配置して前記貫通部材に接続し、前記貫通部材の前記第２凹部側から圧力センサ素子の共振周波数の温度依存性を測定して温度変化に伴う前記圧力センサ素子の圧力測定誤差を補償する温度補償回路の所定の定数を算出して、前記温度補償回路に前記所定の定数を書き込み、前記温度補償回路を、前記貫通部材に接続して前記スペーサに接着して前記底部から離間して配置したことを特徴とする圧力センサの製造方法。
【００２０】
これにより、パッケージに実装された圧力センサ素子ごとの特性を考慮した所定の定数を算出して温度補償回路に書き込むことが可能となり、適用例１乃至９に係る圧力センサの温度補償の精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る圧力センサ、及びその製造方法を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図１に第１実施形態に係る圧力センサの模式図を示す。図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は底面図である。
第１実施形態に係る圧力センサ１０は、パッケージ１２、圧力センサ素子２６、温度センサ素子３６、温度補償回路５２、貫通部材４０、４２、リッド４４等から構成される。
【００２３】
パッケージ１２は、セラミック等の絶縁体による矩形の部材から形成されたものであり、上面に第１凹部１４が形成され、下面には第２凹部１６が形成されている。第１凹部１４及び第２凹部１６は、平面視して矩形に形成され、互いにその底部１４ａ、１６ａを対向させる態様で形成されている。第２凹部１６の底部１６ａの周縁（角の４箇所）にはスペーサ１８が形成されている。同様に、第１凹部１４の底部１４ａの周縁にも第２スペーサ２０が形成されている。温度補償回路を載せた第１基板２２はスペーサ１８の下端に接着剤等により接着されている。同様に、圧力センサ素子２６、温度センサ素子３６、及び発振回路３８を載せた第２基板２４は、第２スペーサ２０の上端に接着剤等により接着されている。よって各基板と各凹部の底部との間には隙間１４ｂ、１６ｂが形成されている。なお第２基板２４は平面視して第１凹部１４の外形よりも小さな寸法を有しているので、隙間１４ｂは第１凹部１４内において空間的に隔離されてはいない。
第１凹部１４に配置された第２基板２４の上面に、圧力センサ素子２６及び温度センサ素子３６が配置され、その下面に発振回路３８が配置されている。
【００２４】
図２に第１実施形態を構成する圧力センサ素子２６の模式図を示す。図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は平面図を示す。
圧力センサ素子２６は、例えば図２に示すように、素子パッケージ２８、ダイアフラム３０を中央部に有する素子リッド３２、双音叉型圧電振動片３４により形成されている。図２において、素子パッケージ２８、およびダイアフラム３０は矩形に描かれているが、平面視して円形となる形状でもよい。圧力センサ素子２６は素子パッケージ２８及び素子リッド３２により、双音叉型圧電振動片３４が存在する内部空間を真空に封止した絶対圧を測定するものである。
【００２５】
ダイアフラム３０は圧力センサ素子２６の外部から図２（ａ）に示す矢印の方向から圧力を受けて撓み変形し、双音叉型圧電振動片３４に応力を伝達するものである。圧力センサ素子２６は真空を基準としているので、ダイアフラム３０は外部が真空のときは平坦であるが、外部が気圧を有する場合は、内部空間側に撓み変形することになる。
【００２６】
双音叉型圧電振動片３４は水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料から形成され、両端部に基部３４ａを有し、この２つの基部３４ａの間に双音叉形状を成す振動腕３４ｂを有する。振動腕３４ｂには励振電極（不図示）が、基部３４ａには励振電極（不図示）の引き出し電極（不図示）が形成され、発振回路３８と電気的に接続されている。この発振回路３８から交流電圧が入力されることにより所定の共振周波数で振動腕３４ｂが図示する矢印の方向に振動することになる。
【００２７】
双音叉型圧電振動片３４は、振動腕３４ｂに与える張力を変化させることで、その振動状態、すなわち共振周波数を変化させるという特徴をもつ。具体的には、振動腕３４ｂに引っ張りの力が加えられた場合は周波数が高くなり、圧縮の力が加えられた場合には周波数が低くなる。両端の基部３４ａはそれぞれダイアフラム３０の内部空間側に形成された凸部３０ａに接続される。よってダイアフラム３０の撓み変形により、双音叉型圧電振動片３４はダイアフラム３０から曲げ応力を受けて振動腕３４ｂも撓み変形するので、この変形に起因する共振周波数の変動によりダイアフラム３０に掛かる圧力を測定することができる。また、共振周波数は圧力だけではなく、温度によっても変動するため後述の温度補償回路により圧力誤差を補正することにより、更に高精度に圧力を検出することが可能となる。
【００２８】
温度センサ素子３６は、例えば、上述同様に圧電素子を材料とした音叉型圧電振動片（不図示）を熱伝導性の良い金属製の素子パッケージ内に搭載したものが好適である。音叉型圧電振動片（不図示）も、その振動腕（不図示）の共振周波数が温度により変動するので、逆に共振周波数の変動量から温度を算出することができる。温度センサ素子３６は圧力センサ素子２６とともに第２基板２４上に搭載されているが、圧力センサ素子２６の温度をより正確に測定するため、圧力センサ素子２６に近接して搭載する、あるいは接触させて搭載することが望ましい。なお、温度センサ素子３６の共振周波数と温度との関係は既知であり、温度センサ素子３６は自己の共振周波数を温度に変換して温度補償回路５２に出力するものとする。
【００２９】
発振回路３８は貫通電極３８ａ、３８ｂを通じて圧力センサ素子２６、及び温度センサ素子３６に接続され、双音叉型圧電振動片３４、及び音叉型圧電振動片（不図示）を励振する交流電圧を出力している。なお、発振回路３８は外部電源（不図示）と接続され、前記交流電圧が出力可能であるものとする。また第２基板２４には貫通孔２４ａ、２４ｂが形成され、貫通孔２４ａ、２４ｂにはそれぞれ貫通部材４０、４２が貫通されている。また第２基板２４上に形成され、圧力センサ素子２６と接続した接続電極２４ｃは貫通孔２４ａにまで延びている。同様に温度センサ素子３６と接続した接続電極２４ｄも貫通孔２４ｂにまで延びている。接続電極２４ｃと貫通部材４０、および接続電極２４ｄと貫通部材４２との電気的接続は、接続部位がパッケージの外側を向いているため半田付けで行うことができる。
【００３０】
貫通部材４０、４２（本実施形態では４つ用いられる）は金属等の導通部材により形成され、第１凹部１４と第２凹部１６との間のパッケージ部材を貫通し、その端部を第１凹部１４の底部１４ａ、第２凹部１６の底部１６ａにそれぞれ露出した態様でパッケージ１２に固定されている。よって圧力センサ素子は接続電極２４ｃ、貫通部材４０を介して、温度センサ素子は、接続電極２４ｄ、貫通部材４２を介してそれぞれ第２凹部１６側に電気的に接続される。
【００３１】
また第１凹部１４を封止するようにリッド４４がパッケージ１２の上面に接続されている。リッド４４の上面にはバルブ４６の取り付けられた配管４８が接続され、リッド４４の配管４８の接続された領域には圧力導入口５０が形成されている。なお、図示しないが、配管４８の先は被圧力測定領域の閉空間と接続されている。よって第１凹部１４が形成する閉空間はバルブ４６の開閉により被圧力測定領域の閉空間と接続・分離することができる。
【００３２】
一方、第２凹部１６に配置された第１基板２２には温度補償回路５２と、温度補償回路５２に接続した接続電極２２ｃ、２２ｄが形成されている。第１基板２２には第２基板２４同様に貫通孔２２ａ、２２ｂが形成され、接続電極２２ｃは貫通孔２２ａにまで延び、接続電極２２ｄは貫通孔２２ｂにまで延びて形成されるとともに、貫通孔２２ａには貫通部材４０が貫通し、貫通孔２２ｂには貫通部材４２が貫通している。第２基板２４と同様に第１基板２２においても接続電極２２ｃと貫通部材４０との電気的接続、及び接続電極２２ｄと貫通部材４２との電気的接続は半田付けにより行うことができる。よって温度補償回路５２は第１凹部１４にある圧力センサ素子２６及び温度センサ素子３６と電気的に接続されることになる。
【００３３】
ＩＣチップ等により形成された温度補償回路５２は、温度センサ素子３６から入力される温度情報から圧力センサ素子２６の共振周波数の温度による変化分、すなわち温度変化に伴う圧力センサ１０の圧力測定誤差を補償するものである。
【００３４】
温度補償回路５２は温度補償を行うための関数（［数１］）が内蔵されているが、この関数の係数であり、圧力センサ素子２６、及び温度センサ素子３６の温度特性に整合する定数（温度係数）を外部から入力する必要がある。そこで、温度補償回路５２には書き込み端子５２ａとグランド端子５２ｂが配設され、これらを書き込み装置５６（図３参照）に接続することにより、温度補償回路５２には温度補償に必要な定数（温度係数）を書き込み装置から入力され、温度補償回路５２内の記憶媒体（不図示）に格納されることになる。
【００３５】
温度係数を算出するためには、まず常温（２５℃、基準温度）にて圧力を制御できるチャンバー内に圧力センサ素子２６を配置して、圧力測定範囲における圧力センサ素子２６の共振周波数の圧力依存性をプロットし、その後いくつかの温度設定において同様の測定を行い、圧力Ｐ及び温度Ｔに依存する共振周波数ｆＰＴを、
【数１】
2010096654.tif 000003
に示すようにＣＰｋを温度係数、温度Ｔを変数としたべき級数に対応させるととともに、全てのプロットについて代入して、
【数２】
2010096654.tif 000004
が最小となるようなＣＰｋを最小二乗法により算出する。ここで温度係数ＣＰｋは圧力Ｐによらず一定であるとすると、温度係数をＣｋとすることができる。このＣｋが温度補償回路５２に温度係数として入力されることになる。また基準温度における共振周波数と圧力との関係を示すプロットデータは変換回路（不図示）に書き込まれる。
【００３６】
そして、温度補償回路５２においては、温度センサ素子３６から入力された温度Ｔと、温度係数Ｃｋを用いて、圧力センサ素子２６から入力され、温度Ｔで測定された共振周波数を、基準温度で測定した共振周波数に換算して、共振周波数を圧力に変換する変換回路（不図示）に出力する。変換回路（不図示）においては基準温度における共振周波数と圧力との関係は、入力済みで既知であるため、その入力された共振周波数に対応した圧力値を出力すればよい。
【００３７】
したがって、温度補償回路５２は演算処理を行うため大きな熱を発生する。しかし温度補償回路５２はスペーサ１８を介してパッケージ１２に接続され、温度補償回路５２を搭載する第１基板２２とパッケージ１２との間には、スペーサ１８により形成された隙間１６ｂが形成され、温度補償回路５２は第２凹部１６の底部１６ａから離間して配置されたるため、温度補償回路５２からの熱をパッケージに伝達することを防いでいる。さらに圧力センサ素子２６等を搭載する第２基板２４とパッケージ１２との間も、第２スペーサ２０より形成された隙間１４ｂが形成され、圧力センサ１０は第１凹部１４の底部１４ａから離間して配置される、パッケージ１２からの熱を圧力センサ素子２６等が受けることを防いでいる。
【００３８】
図３に第１実施形態に係る圧力センサ１０の製造工程を示す。図３に示すように、圧力センサ１０を形成するためには、まず（ａ）矩形のパッケージ部材５４に第１凹部１４、第２スペーサ２０、第２凹部１６、スペーサ１８を形成してパッケージ１２を形成し、（ｂ）貫通部材４０、４２を挿通させる貫通孔４０ａ、４２ａをパッケージ１２の第１凹部１４及び第２凹部１６の所定位置に形成して前記貫通孔４０ａ、４２ａに貫通部材４０、４２を挿通させ、（ｃ）第１凹部１４において、圧力センサ素子２６等を搭載した第２基板２４の所定位置に形成した貫通孔２４ａ、２４ｂに貫通部材４０、４２を挿通して半田付けし、第２基板２４の下面と第２スペーサ２０の上面とを接着剤等で接着するとともに、第２凹部１６において圧力センサ素子２６、に接続した貫通部材４０の第２凹部１６に露出した部分を書き込み装置５６の入力側に接続して、圧力センサ素子２６の共振周波数の圧力依存性及び温度依存性を測定して、温度補償回路に必要な温度係数を算出し、（ｄ）第２凹部１６において、第１基板２２の所定位置に形成された貫通孔２２ａ、２２ｂに貫通部材４０、４２を挿通して半田付けし、温度補償回路５２を搭載した第１基板２２の上面とスペーサ１８の下面とを接着剤等で接着するとともに、書き込み装置の出力側と温度補償回路５２の書き込み端子５２ａ、グランド端子５２ｂとを接続して温度補償回路５２中の記憶媒体（不図示）に温度補償に必要な上述の温度係数を書き込み、（ｅ）第１凹部１４にリッド４４等を接続する、という工程を経ることになる。
【００３９】
ここで、バルブ４６が閉じた状態において、被圧力測定領域の閉空間の体積をＶ１、第１凹部１４が形成する内部空間１４ｃの体積をＶ２とする。簡単のためバルブ４６を開く前はＶ２の内部は真空であるとする。このとき被圧力測定領域の状態方程式は次のようになる。
【数３】
2010096654.tif 000005
ここで、Ｐ０は圧力、ｎはモル数、Ｒは気体定数、Ｔ０は温度である。そしてバルブ４６を開いて被圧力測定領域の空気が、第１凹部１４が形成する内部空間１４ｃに流入した場合の状態方程式は次のようになる。
【数４】
2010096654.tif 000006
そして、気体の流入は断熱的に行われたものと考えると以下の関係を有する。
【数５】
2010096654.tif 000007
ここで、γ＝ｃｐ（定圧モル比熱）／ｃｖ（定積モル比熱）である。よって、バルブ４６を開けたあとの温度変化Ｔ１−Ｔ０は以下のようになる。
【数６】
2010096654.tif 000008
【００４０】
よって、Ｖ２をゼロに近づけるほどＴ１−Ｔ０の値がゼロに近づくため、Ｖ２は極力小さくしたほうが望ましいことになる。とくに被圧力測定領域の体積Ｖ１が小さい場合はなおさらＶ２が小さくなるように設計することが必要となる。第１実施形態においては圧力センサ素子２６を配置した第１凹部１４をリッド４４で封止することにより上述のＶ２を小さくすることが可能となっている。このＶ２をさらに小さくする構成については後段の実施形態において説明する。
【００４１】
したがって第１実施形態に係る圧力センサ１０によれば、一つのパッケージ１２において圧力センサ素子２６と、最も発熱する温度補償回路５２とをパッケージ材の厚み方向で互いに対向して形成された凹部（第１凹部１４、第２凹部１６）に別々に配置し、かつ温度補償回路５２を凹部（第２凹部１６）から浮かせた状態で配置することにより、圧力センサ１０全体の外形をコンパクトにまとめつつ、温度補償回路５２からの熱が圧力センサ素子２６に伝達することを防止することができるとともに、圧力センサ素子２６近傍の温度情報を温度補償回路５２に出力することができるので、温度変化による圧力測定誤差を軽減することができる。
【００４２】
また、第１凹部１４がパッケージ１２に対して形成する内部空間１４ｃが被圧力測定領域とともに閉空間を形成することになる。よって圧力センサ１０側の容積をリッド４４により小さくすることが可能となるため、前記内部空間１４ｃと被圧力測定領域をドッキングさせた場合の圧力変化及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。さらに、第１実施形態の製造工程において、パッケージ１２に実装された圧力センサ素子２６ごとの特性を考慮した所定の定数を温度補償回路５２に書き込むことが可能となるため、圧力センサ１０の温度補償の精度を高めることができる。
【００４３】
図４に第２実施形態に係る圧力センサ６０の模式図を示す。図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は平面図である。第２実施形態に係る圧力センサ６０は基本的には第１実施形態と同様であるが、第２基板６２をひっくり返した状態で貫通部材４０、４２に接続したものであり、発振回路３８が第２基板６２の上面に配置されている。第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、接続電極６４、６６は第２基板６２の上面に形成されているため、圧力センサ素子２６、及び温度センサ素子３６は貫通電極６２ａ、６２ｂによりそれぞれ、接続電極６４、６６と接続されている。このとき圧力センサ素子２６のダイアフラムは下向きにとなり、受圧面が第１凹部１４の底部１４ａ側に向けられた形となる。しかし隙間１４ｂは上述のように内部空間１４ｃにおいて完全に仕切られた状態ではないため圧力測定において何ら支障はない。
【００４４】
このように第２実施形態のような圧力センサ６０とすることにより、圧力センサ素子の受圧面が、被圧力測定領域から飛来する粒子等により汚染されることを回避して、圧力センサ素子の感度を維持することができる。
【００４５】
図５、図６に第３実施形態に係る圧力センサ７０、１００の模式図を示す。第３実施形態の圧力センサ７０、は発振回路７２がパッケージ７４の第２凹部７６に配置されたものであり、２つのタイプがある。図５はタイプ１、図６はタイプ２であり、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は平面図、図５（ｃ）は底面図、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は平面図、図６（ｃ）は底面図である。
【００４６】
図５に示すように、タイプ１の圧力センサ７０は、パッケージ７４の第２凹部７６側において、スペーサ７８が２段構造となっており、スペーサの上段７８ａには発振回路７２を搭載した第３基板８０、下段７８ｂには温度補償回路８２を搭載した第１基板８４がそれぞれ接着されている。このとき、発振回路７２と第２基板９４に搭載された圧力センサ素子８６とは、発振回路７２と接続する接続電極８０ａ、貫通部材８８、及び圧力センサ素子８６と接続する接続電極９４ａを介して接続され、発振回路７２と温度センサ素子９２とは、発振回路７２と接続する接続電極８０ｂ、貫通部材９０、及び温度センサ素子９２と接続する接続電極９４ｂを介して接続されることになる。
【００４７】
タイプ１の圧力センサ７０の製造は、第１実施形態の場合と同様であるが、圧力センサ素子８６が搭載された第２基板９４と、発振回路が搭載された第３基板８０とを貫通部材４０、４２、８８、９０に接続したのちに、圧力センサ素子の共振周波数の圧力依存性、および温度依存性を測定する。
【００４８】
タイプ２の圧力センサ１００は、図６に示すように、発振回路１０２が温度補償回路１０４とともに第１基板上１０６に搭載されている。このとき、発振回路１０２と圧力センサ素子１０８とは、発振回路１０２と接続する接続電極１０６ａ、貫通部材１１０ａ、及び圧力センサ素子１０８と接続する接続電極１１２ａを介して接続され、発振回路１０２と温度センサ素子１１４とは、発振回路１０２と接続する接続電極１０６ｂ、貫通部材１１０ｂ、及び温度センサ素子１１４と接続する接続電極１１２ｂを介して接続されることになる。また圧力センサ素子１０８と温度補償回路１０４とは、圧力センサ素子１０８と接続された接続電極１１２ｃ、貫通部材１１０ｃ、温度補償回路１０４と接続した接続電極１０６ｃを介して接続され、温度センサ素子と温度補償回路１０４とは、温度センサ素子１１４と接続された接続電極１１２ｄ、貫通部材１１０ｄ、温度補償回路と接続された接続部材１０６ｄを介して接続されている。
【００４９】
第３実施形態（タイプ１、タイプ２）に係る圧力センサ７０、１００によれば、発振回路７２、１０２も、温度補償回路８２、１０４ほどではないにしろ熱を発生している。よって第１凹部９６において熱の発生をさらに抑制することができるため、温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。
【００５０】
図７に第４実施形態に係る圧力センサ１２０の模式図を示す。図７においては第１実施形態に付加したものを示しているが、第４実施形態は第１実施形態乃至第３実施形態に外的に構成要件を付加することが可能なものである。第４実施形態においてはリッド４４の第１凹部１２２側に凸部１２４を設け、圧力導入口１２６はリッド４４及び凸部１２４を連通する形態を有している。第４実施形態に係る圧力センサ１２０によれば、第１凹部１２２が形成する空間の容積をさらに小さくすることができ、圧力変化及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させることができる。
【００５１】
図８に第５実施形態に係る圧力センサ１３０、１３１の模式図を示す。図８（ａ）は第１実施形態に適用した場合、図８（ｂ）は第３実施形態に適用した場合を示す。いずれも場合であっても、第５実施形態に係る圧力センサ１３０、１３１は圧力センサ素子１３２ａと第１凹部１３４の底部１３４ａの間の隙間、即ち、圧力センサ素子１３２ａを搭載した第２基板１３２と第１凹部１３４の底部１３４ａとの間に隙間を熱伝導率の低い樹脂１３６で埋めた構成となっている。図８（ａ）においては、発振回路１３２ｂが樹脂１３６に埋め込まれた形となり、発振回路１３２ｂの短絡防止が可能である。樹脂１３６で埋め込まれた分、第１凹部１３４が形成する内部空間１３４ａの体積をさらに小さくすることができるため、内部空間１３４ａと被圧力測定領域をドッキングさせた場合の圧力変化及び温度変化を抑制して測定誤差を減少させた圧力センサ１３０、１３１となる。また、空気の熱伝導率はその圧力によって変動し得るため、上述の隙間を有した状態で空気の圧力が変化した場合は、温度補償回路からの圧力センサに対する熱の影響が変動することになる。そこで、本実施形態のように熱伝導率が低い樹脂１３６で隙間を埋めることにより、温度補償回路からパッケージを介して圧力センサ素子１３２ａに向かう熱を遮蔽して温度補償回路からの熱の影響をさらに小さくすることができるとともに、温度補償回路からの熱の影響が空気の圧力によらず一定となるため、温度補償回路による温度補償量の変動を抑制し、より高精度に圧力を測定することができる。
【００５２】
なお第５実施形態は第１実施形態、第３実施形態、第４実施形態に適用することができる。さらに第２実施形態に適用する場合には、受圧面が第１凹部１４の底部１４ａ側に向けられているため、受圧面が樹脂１３６に埋まらない程度の厚みで、第１凹部１４の底部１４ａとの隙間を樹脂１３６で埋めることになる。
【００５３】
図９に第６実施形態に係る圧力センサ１４０の模式図を示す。第６実施形態に係る圧力センサ１４０は温度センサ素子（不図示）を第１凹部１４２に配置しない（代わりに、例えば被圧力測定領域に温度センサ素子を配置する）構成である。これにより第１凹部１４２そのものを小さく設計することが可能となる。図９においては、第６実施形態に第４実施形態、及び第５実施形態を付加している。すなわち、第５実施形態を構成する樹脂で隙間を埋め、第４実施形態に係る凸部１２４を設計変更し、凸部１２４の下面に圧力センサ素子１４４の外形に倣った形状の第３凹部１４６を形成し、圧力センサ素子１４４を第３凹部１４６で覆う態様で、凸部１２４をリッド４４に設けることができる。これにより第１凹部１４２が形成する内部空間１４２ａをかなり小さくすることができる。なお、第６実施形態は第１実施形態乃至第５実施形態に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１実施形態に係る圧力センサの模式図である。
【図２】第１実施形態に係る圧力センサを構成する圧力センサ素子の模式図である。
【図３】第１実施形態に係る圧力センサの製造工程を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る圧力センサの模式図である。
【図５】第３実施形態に係る圧力センサの模式図である。
【図６】第３実施形態に係る圧力センサの模式図である。
【図７】第４実施形態に係る圧力センサの模式図である。
【図８】第５実施形態に係る圧力センサの模式図である。
【図９】第６実施形態に係る圧力センサ模式図である。
【図１０】第１の従来技術に係る圧力センサの模式図である。
【図１１】第２の従来技術に係る圧力センサの模式図である。
【図１２】第３の従来技術に係る圧力センサの模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０………圧力センサ、１２………パッケージ、１４………第１凹部、１６………第２凹部、１８………スペーサ、２０………第２スペーサ、２２………第１基板、２４………第２基板、２６………圧力センサ素子、２８………素子パッケージ、３０………ダイアフラム、３２………素子リッド、３４………双音叉型圧電振動片、３６………温度センサ素子、３８………発振回路、４０………貫通部材、４２………貫通部材、４４………リッド、４６………バルブ、４８………配管、５０………圧力導入口、５２………温度補償回路、５４………パッケージ部材、５６………書き込み装置、６０………圧力センサ、６２………第２基板、６４………接続電極、６６………接続電極、６８………圧力センサ素子、７０………圧力センサ、７２………発振回路、７４………パッケージ、７６………第２凹部、７８………スペーサ、８０………第３基板、８２………温度補償回路、８４………第１基板、８６………圧力センサ素子、８８………貫通部材、９０………貫通部材、９２………温度センサ素子、９４………第２基板、９６………第１凹部、１００………圧力センサ、１０２………発振回路、１０４………温度補償回路、１０６………第１基板、１０８………圧力センサ素子、１１０………貫通部材、１１２………接続電極、１１４………温度センサ素子、１２０………圧力センサ、１２２………第１凹部、１２４………凸部、１２６………圧力導入口、１３０………圧力センサ、１３２………第２基板、１３４………第１凹部、１３６………樹脂、１４０………圧力センサ、１４２………第１凹部、１４４………圧力センサ素子、１４６………第３凹部、２０１………圧力センサ、２１０………ケース、２１４………圧力導入路、２１７………連通孔、２２０………ＩＣチップ、２２１………プリント基板、２３０………圧力センサ素子、２３１………ダイアフラム、２３２………絶縁物、２３３………絶縁物、３０１………絶縁基体、３０２………金属板、３０３………半導体素子、３０５………配線導体、３０７………電極、４００………圧力センサ、４０２………パッケージベース、４０４………リッド、４０６………ダイアフラム、４０８………双音叉型圧電振動片。
【図１】
2010096654.tif 000009
【図２】
2010096654.tif 000010
【図３】
2010096654.tif 000011
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010096654.tif 000015
【図８】
2010096654.tif 000016
【図９】
2010096654.tif 000017
【図１０】
2010096654.tif 000018
【図１１】
2010096654.tif 000019
【図１２】
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