(57)【要約】【課題】高い感度を有する小型の圧力センサーを提供すること。【解決手段】容器と、この容器の一部をなし、外部からの圧力により撓むように構成されたダイヤフラムと、このダイヤフラムと隙間を介して対向するように当該ダイヤフラムに固定されると共にその一面側及び他面側に励振電極が形成され、当該ダイヤフラムの撓みに応じて応力が発生する圧電振動子と、この圧電振動子の励振電極と隙間を介して対向するようにダイヤフラムに設けられ、当該励振電極との間で、圧電振動子に対して直列に接続されるコンデンサを形成するために補助電極と、を備えるように圧力センサーを構成する。このような構成により、ダイヤフラムに加わる応力の変化分に対する圧電振動子の発振周波数の変化分を大きくすることができるので、圧力センサーの感度を高めることができる。【選択図】図１
2011137746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
この容器の一部をなし、外部からの圧力により撓むように構成されたダイヤフラムと、
このダイヤフラムと隙間を介して対向するように当該ダイヤフラムに固定されると共にその一面側及び他面側に励振電極が形成され、当該ダイヤフラムの撓みに応じて応力が発生する圧電振動子と、
この圧電振動子の励振電極と隙間を介して対向するようにダイヤフラムに設けられ、当該励振電極との間で、圧電振動子に対して直列に接続されるコンデンサを形成するために補助電極と、を備えたことを特徴とする圧力センサー。
【請求項２】
外部からの圧力に対して前記圧電振動子の撓み量よりもダイヤフラムの撓み量が大きいことを特徴とする請求項１記載の圧力センサー。
【請求項３】
前記補助電極は、圧電振動子の一面側に対向するダイヤフラムに設けられた第１の補助電極と、当該ダイヤフラムに、前記第１の補助電極に対して圧電振動子とは反対側に対向して設けられた第２の補助電極と、を備え、
前記第１の補助電極及び第２の電極により第１のコンデンサが形成され、第２の補助電極及び圧電振動子の一面側の電極により第２のコンデンサが形成されることを特徴とする請求項１または２記載の圧力センサー。
【請求項４】
前記ダイヤフラムは、前記圧電振動子の一面側及び他面側に夫々対向して設けられた第１のダイヤフラム及び第２のダイヤフラムを備え、
前記補助電極は、前記第１のダイヤフラム及び第２のダイヤフラムに夫々設けられた第１の補助電極及び第２の補助電極を備え、
第１の補助電極及び圧電振動子の一面側の電極により第１のコンデンサが形成され、第２の補助電極及び圧電振動子の他面側の電極により第２のコンデンサが形成され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ー。
【請求項５】
容器と、
この容器の一部をなし、外部からの圧力により撓むように構成されたダイヤフラムと、
このダイヤフラムと隙間を介して対向するように当該ダイヤフラムに固定されると共にその一面側及び他面側に励振電極が形成され、当該ダイヤフラムの撓みに応じて応力が発生する圧電振動子と、
前記ダイヤフラムに互に対向するように設けられ、圧電振動子に対して直列に接続されるコンデンサを形成するための補助電極と、を備えたことを特徴とする圧力センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子の周波数変化に基づいて圧力を感知する圧力センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のタイヤの内部の圧力を測定し、設定された空気圧以下になると警報を発するＴＰＭＳ（タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム）が実用化されている。このＴＰＭＳを構成する圧力センサーとして、水晶振動子を用いたものが提案されている。
【０００３】
図１９はこの種の圧力センサーの一例を示している。この圧力センサーは容器１１１を備えており、容器１１１の上部には内面側を切り欠いた凹部１１２が形成され、この凹部１１２の底部分である薄肉部によりダイヤフラム１１３が構成されている。このダイヤフラム１１３の凹部１１２に水晶振動子１００が架け渡されて固定されており、測定雰囲気から受ける圧力に応じて当該ダイヤフラム１１３が撓むと、水晶振動子１００に引っ張り応力が加わり、その発振周波数が変化する。水晶振動子１００の励振電極１１４、１１５は電気的に接続された導電路１１６、１１７を介して不図示の発振回路に接続され、発振周波数の出力に基づいて、測定雰囲気の圧力が検出される。
【０００４】
このような圧力センサーの感度を上げる手法として本発明者は次のような知見を持っている。図２０は前記圧力センサーにおける水晶振動子１００の発振周波数とアドミタンスの変化とを示したグラフである。また、図２１は、前記水晶振動子１００に直列にコンデンサ１０１を接続した場合の発振周波数とアドミタンスの変化とを示したグラフを示している。これらの図から明らかなように、前記コンデンサ１０１を水晶振動子１００に直列に接続することにより、グラフの傾きが緩やかになり、共振点Ｐ１の周波数（共振周波数）と反共振点Ｐ２の周波数（反共振周波数）との間隔が大きくなる。
【０００５】
そして、各水晶振動子１００に所定の応力が加わり、アドミタンスが変化すると、グラフにおいて共振点Ｐ１の横軸方向の位置は高周波数側へと変化し、例えば図中のＰ１’に移動する。図２０の水晶振動子１００単独の場合と、図２１の水晶振動子１００に直列にコンデンサ１０１を接続した場合とを比較すると、コンデンサ１０１を接続した場合の方がその移動量が大きい。従って、このようにコンデンサ１０１を接続した場合は、水晶振動子１００に加わる応力の変化分に対する発振周波数の変化分が大きくなり、その結果として、圧力センサーの感度が高くなる。ところが、図１９の容器１１１の外部にコンデンサ１０１を接続することを考えると、コンデンサ１０１の分だけ圧力センサーが大型化してしまうし、構成部品数も多くなってしまう。
【０００６】
なお、特許文献１の圧力センサーでは、応力感応素子として双音叉型水晶振動子が用いられている。このように双音叉型水晶振動子を用いた場合、当該水晶振動子に対してその軸方向（厚さ方向と直角）へ伸張させる引っ張り応力を加えるように圧力センサーを構成すると、その感度が高くなる。そのため、当該圧力センサーのパッケージ（容器）を構成するダイヤフラムは、当該ダイヤフラムが受ける圧力を、前記軸方向へと水晶振動子を伸張させる引っ張り応力に変換するための応力変換部を備えるように構成されている。さらに、この圧力センサーではこのダイヤフラムを薄くして、その変形量を大きくするなどの工夫がなされている。しかし、このようにダイヤフラムを薄くしたり、応力変換部を設けると、感度が上がるが、耐圧力が下がってしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−７０２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、高い感度を有する小型の圧力センサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の圧力センサーは、容器と、
この容器の一部をなし、外部からの圧力により撓むように構成されたダイヤフラムと、
このダイヤフラムと隙間を介して対向するように当該ダイヤフラムに固定されると共にその一面側及び他面側に励振電極が形成され、当該ダイヤフラムの撓みに応じて応力が発生する圧電振動子と、
この圧電振動子の励振電極と隙間を介して対向するようにダイヤフラムに設けられ、当該励振電極との間で、圧電振動子に対して直列に接続されるコンデンサを形成するために補助電極と、を備えたことを特徴とする。この場合、例えば外部からの圧力に対して前記圧電振動子の撓み量よりもダイヤフラムの撓み量が大きくなるように構成される。
【００１０】
また、前記補助電極は、圧電振動子の一面側に対向するダイヤフラムに設けられた第１の補助電極と、当該ダイヤフラムに、前記第１の補助電極に対して圧電振動子とは反対側に対向して設けられた第２の補助電極と、を備え、
前記第１の補助電極及び第２の電極により第１のコンデンサが形成され、第２の補助電極及び圧電振動子の一面側の電極により第２のコンデンサが形成されてもよい。さらに、前記ダイヤフラムは、前記圧電振動子の一面側及び他面側に夫々対向して設けられた第１のダイヤフラム及び第２のダイヤフラムを備え、
前記補助電極は、前記第１のダイヤフラム及び第２のダイヤフラムに夫々設けられた第１の補助電極及び第２の補助電極を備え、
第１の補助電極及び圧電振動子の一面側の電極により第１のコンデンサが形成され、第２の補助電極及び圧電振動子の他面側の電極により第２のコンデンサが形成されるようにしてもよい。
【００１１】
また、本発明の他の圧力センサーによれば、容器と、
この容器の一部をなし、外部からの圧力により撓むように構成されたダイヤフラムと、
このダイヤフラムと隙間を介して対向するように当該ダイヤフラムに固定されると共にその一面側及び他面側に励振電極が形成され、当該ダイヤフラムの撓みに応じて応力が発生する圧電振動子と、
前記ダイヤフラムに互に対向するように設けられ、圧電振動子に対して直列に接続されるコンデンサを形成するための補助電極と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の圧力センサーは、ダイヤフラムに固定され、当該ダイヤフラムの撓みに応じて応力が発生する圧電振動子と、この圧電振動子の励振電極との間で、圧電振動子に対して直列に接続されるコンデンサを形成する補助電極と、を備えている。それによって、ダイヤフラムに加わる応力の変化分に対する圧電振動子の発振周波数の変化分を大きくすることができるので、圧力センサーの感度を高めることができる。また、容器の外部にコンデンサを接続する必要がなくなるので、圧力センサーの大型化を防ぐことができる。  
また、他の圧力センサーによれば、ダイヤフラムに互に対向するように設けられ、圧電振動子に対して直列に接続されるコンデンサを形成する補助電極を備えている。このような構成により上記の圧力センサーと同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る圧力センサーの縦断側面図である。
【図２】水晶振動子の平面図である。
【図３】ダイヤフラムの下面図である。
【図４】前記圧力センサーの等価回路図である。
【図５】前記圧力センサーの作用図である。
【図６】前記圧力センサーの各部を製造するための工程図である。
【図７】前記圧力センサーを製造するための工程図である。
【図８】他の圧力センサーの縦断側面図である。
【図９】前記圧力センサーを構成するダイヤフラムの下面図、上面図である。
【図１０】前記圧力センサーの等価回路図である。
【図１１】前記圧力センサーの作用図である。
【図１２】前記圧力センサーの変形例を示す縦断側面図である。
【図１３】前記圧力センサーの等価回路図である。
【図１４】さらに他の圧力センサーの縦断側面図である。
【図１５】前記圧力センサーを構成するスペーサー及びカバーの斜視図である。
【図１６】前記圧力センサーの等価回路図である。
【図１７】前記圧力センサーの作用図である。
【図１８】圧力センサーの更に他の構成例である。
【図１９】圧力センサーを構成し、水晶振動子を含んだ容器の縦断側面図である。
【図２０】水晶振動子のアドミタンス及び周波数の関係を示したグラフ図である。
【図２１】水晶振動子を含む部品のアドミタンス及び周波数の関係を示したグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る圧力センサー１について、その縦断側面図である図１を参照しながら説明する。圧力センサー１は、図１に示すように例えば円形の容器１１を構成するベース（裏蓋）２１、囲み部材であるスペーサー２２、ダイヤフラム３がこの順番に下側から上側へ向けて積層されて構成されている。容器１１の内部空間１２は気密空間とされ、当該内部空間１２に圧電振動子である水晶振動子４が設けられている。前記ベース２１、スペーサー２２及びダイヤフラム３は、例えばＺカットの水晶を用いて作製される。
【００１５】
水晶振動子４は、圧電片として例えばＡＴカットの水晶片４１を備え、水晶片４１は矩形状に形成されている。図２（ａ）、（ｂ）は、夫々水晶振動子４の一面（上面）、他面（下面）を夫々示しており、水晶片４１の一面及び他面には当該水晶片４１を励振させるための励振電極４２ａ、４２ｂが形成されている。また、水晶片４１の他面には、励振電極４２ｂから水晶片４１の長さ方向の一方側の周縁に向かって引き出された引き出し電極４３ｂが形成されている。
【００１６】
容器１１の上蓋をなすダイヤフラム３の中央部の下面には、図３に示すように水晶振動子４の一面側に臨む円形の凹部３１が形成されている。凹部３１の直径は、水晶振動子４の長さ方向の長さよりも短く形成されている。凹部３１が形成されることにより、ダイヤフラム３の中央部の厚みが周縁部の厚みに比べて小さくなっており、この中央部は薄肉部３２として構成されている。
【００１７】
ダイヤフラム３の他面（下面）には、ダイヤフラム３の周縁から凹部３１に向けて導電膜からなる導電路３３，３４が互いに逆方向に伸びており、導電路３３は凹部３１の開口縁まで伸びている。導電路３３は、凹部３１の開口縁からさらに凹部３１の側壁を介して凹部３１の底面に向かって伸びており、当該底面において水晶振動子４と対向するように形成された導電膜からなる補助電極３５に接続されている。導電路３３、３４及び補助電極３５は、例えばＣｒ膜及びＡｕ膜からなる積層膜であり、Ｃｒ膜がダイヤフラム３側に設けられた下地膜を構成し、Ａｕ膜がＣｒ膜を被覆している。補助電極３５と導電路３４とは一体的に形成されている。また、水晶振動子４の励振電極４２ａと補助電極３５との間に負荷容量が形成されるように、図１中Ｈ１で示す励振電極４２ａと補助電極３５との距離は例えば１μｍ〜１０μｍに設定される。
【００１８】
図１に示すようにダイヤフラム３の上面（一面）は、例えば車両に設けられたタイヤの内部空間などの測定雰囲気１Ａに臨み、ダイヤフラム３はその測定雰囲気１Ａの圧力に応じて変形する。即ち、測定雰囲気１Ａの圧力が容器１１の内部空間１２の圧力よりも大きくなったときにダイヤフラム３は容器１１の内側へ撓むことになる。前記薄肉部３２は、この内側への撓みを大きくする役割を有する。また、薄肉部３２のヤング率は、水晶振動子４のヤング率よりも小さく構成されており、上記のように測定雰囲気からダイヤフラム３が圧力を受けたときに、薄肉部３２は水晶振動子４よりもその撓みが大きくなり、後述のように水晶振動子４に近接するようになっている。ここでいう薄肉部３２のヤング率は、薄肉部３２を構成する水晶そのもののヤング率ではなく補助電極３２が形成された状態の薄肉部３２を構成する水晶のヤング率である。
【００１９】
水晶振動子４は、その長さ方向の両端部がダイヤフラム３の凹部３１の外周縁部分に例えば低融点ガラスペーストからなる接着材１３を介して固定され、両持ち梁構造としてダイヤフラム３に支持されている。水晶振動子４の他面側の引き出し電極４３ｂと前記導電路３４とが導電性部材１４により電気的に接続されており、導電性部材１４は、例えばＡｇ（銀）ペーストにより構成される。
【００２０】
導電路３３，３４の他端側は、圧力センサー１の外部に設けられた外部導電路４４、４５を介して水晶振動子４を発振させる発振回路４６に接続されている。発振回路４６の後段側には計測部４７が設けられている。圧力センサー１が測定雰囲気１Ａの圧力を受け、それによって水晶振動子４が撓むと、水晶振動子４の発振周波数が変化し、各外部導電路４４、４５を介してその発振周波数が計測部４７によって検出される。そして、計測部４７はこの発振周波数に基づいて前記圧力を検出する。
【００２１】
前記スペーサー２２は丸形のリング状に形成されており、容器１１の側壁部をなし、前記内部空間１２を形成している。ベース２１は円形状の板である。これらスペーサー２２とダイヤフラム３とはガラスペーストなどの不図示の接着材により、接合されている。また、スペーサー２２とベース２１とはエポキシ樹脂などの不図示の接着材により、接合されている。
【００２２】
図４には圧力センサー１の等価回路を示している。この図に示すように、圧力センサー１は、水晶振動子４に直列に可変容量コンデンサ４０が接続された回路と等価になっている。この可変容量コンデンサ４０は、既述の補助電極３５と励振電極４２ａとの間に形成される負荷容量に相当する。つまり、背景技術の欄で説明したように、このような負荷容量が形成されることで圧力センサー１は、当該負荷容量が無い場合に比べて、共振点と反共振点との周波数差が大きくなり、ダイヤフラム３に圧力が加わったときにおける共振周波数の変化量が大きくなる。
【００２３】
次に、上述の圧力センサー１の作用を説明する。例えばタイヤの内部の測定雰囲気１Ａにダイヤフラム３が臨むように圧力センサー１を設置する。測定雰囲気１Ａの圧力に応じて、ダイヤフラム３の厚さ方向に曲げ応力が加わり、ダイヤフラム３は、その中央部が周縁部に対して容器１１の内側に向かって撓む。そして、このダイヤフラム３の撓み量に応じて、凹部３１の外縁が外方へ押し広げられて、水晶振動子４の長さ方向に引っ張り応力が加わる。そして、発振回路４６により圧力センサー１内の水晶振動子４が発振され、その水晶振動子４から出力される周波数信号が計測部４７に出力される。計測部４７は、この周波数信号の周波数を計測し、その周波数信号に基づいて測定雰囲気１Ａの圧力を測定する。例えば予め作成してメモリに記憶した周波数と圧力との関係データとから、周波数の計測値に対応する圧力値を読み出して圧力を求める。あるいは周波数が圧力に対応していることから、異常圧力に対応する周波数のしきい値を設定し、周波数計測値がしきい値から外れたときに異常信号を出力するようにしてもよい。
【００２４】
測定雰囲気１Ａの圧力が高くなると、ダイヤフラム３の撓み量が大きくなり、水晶振動子４に加わる前記引っ張り応力が大きくなる。図５（ａ）は、そのようにダイヤフラム３の撓み量が大きくなった状態の圧力センサー１を示している。既述のようにダイヤフラム３の薄肉部３２は、水晶振動子４よりも大きく撓むように構成されているため、水晶振動子４の励振電極４２ａと補助電極３５との距離が小さくなる。図５（ｂ）は、このように互いの距離が小さくなったときの水晶振動子４及び薄肉部３２を示している。励振電極４２ａと補助電極３５とが近づくにつれ、これら励振電極４２ａと補助電極３５との間に形成される負荷容量が大きくなる。図４に示した等価回路で見ると、可変容量コンデンサ４０の容量が大きくなる。この容量の増大と上記の水晶振動子４に加わる引っ張り応力の増大とに応じて水晶振動子４の共振周波数が変化する。この共振周波数の変化に応じて水晶振動子４の発振周波数が変化する。
【００２５】
逆に、測定雰囲気１Ａの圧力が低くなると、ダイヤフラム３の撓み量が小さくなり、水晶振動子４に加わる前記引っ張り応力が小さくなる。図１は、図５（ａ）に比べて測定雰囲気１Ａの圧力が低い状態を示しているが、この図１に示すようにダイヤフラム３の撓み量が小さくなると、水晶振動子４の励振電極４２ａと補助電極３５との距離が大きくなり、これら励振電極４２ａと補助電極３５との間に形成される負荷容量が小さくなる。図４に示した等価回路で見ると、可変容量コンデンサ４０の容量が小さくなる。この容量の減少と上記の水晶振動子４に加わる引っ張り応力の減少とに応じて水晶振動子４の共振周波数が変化し、この共振周波数の変化に応じて発振周波数が変化する。このように、変化した周波数信号が外部導電路４４、４５及び発振回路４６を介して計測部４７に出力され、その発振周波数に基づいて測定雰囲気１Ａの圧力が検出される。
【００２６】
上述の圧力センサー１によれば、ダイヤフラム３に水晶振動子４に対向する補助電極３５を設けており、補助電極３５と水晶振動子４との間で形成される負荷容量が形成され、当該負荷容量が水晶振動子４に直列に接続される。これによってダイヤフラム３に加わる応力の変化分に対する水晶振動子４の共振周波数の変化分が大きくなり、その結果として水晶振動子４の発振周波数の変化分が大きくなる。従って圧力センサー１の分解能が高くなり、その感度を高くすることができる。また、圧力センサー１の外部にコンデンサを設ける必要が無いため圧力センサー１の小型化、構成部品数の削減を図ることができる。また、圧力センサー１では、測定雰囲気１Ａから受ける圧力に応じて、補助電極３５と水晶振動子４との距離が変化し、前記負荷容量が変化する。このように負荷容量が変化することで、前記共振周波数の変化がより大きくなる。従って、発振周波数の変化をより大きくすることができ、当該圧力センサー１の感度をより高くすることができる。
【００２７】
上記の圧力センサー１の製造方法の一例を説明する。先ず、ダイヤフラム３形成用のウエハ５１、スペーサー２２形成用のウエハ５２及びベース２１形成用のウエハ５３を用意する。これらウエハ５１〜５３は、例えばＺカットの水晶板である。この例では、これらのウエハ５１〜５３から夫々、圧力センサー１の構成部品であるダイヤフラム３、スペーサー２２、ベース２１を４つ同時に製造できるように、各ウエハの縦横にこれらの各部品の形成領域を４つ設定し、設定した形成領域に対してフォトリソグラフィーによりパターンを備えたマスクを形成する。
【００２８】
そして、マスクのパターンに沿って各ウエハを厚さ方向にエッチングして、ウエハ５１〜５３にダイヤフラム３、スペーサー２２、ベース２１の外形を夫々形成する。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、このように各部品の外形が形成された状態のウエハ５１、５２、５３を夫々示している。なお、これらの図において、図を見やすくするために、エッチングによりウエハの表裏が貫通された領域にハッチングを付しており、従って各ハッチングは断面を示すものではない。これら各部品の外形は、ウエハ５１〜５３を互いに重ね合わせたときに既述の容器１１が４つ同時に形成される位置に形成される。
【００２９】
また、これらダイヤフラム３、スペーサー２２、ベース２１の夫々の外形を形成する他にＡＴカットのウエハから水晶振動子４を製造する。この水晶振動子４の製造方法としては、ダイヤフラム３の外形を形成する場合と同様に前記ウエハをエッチングして水晶片４１の外形を形成した後、スパッタによりその外形に金属膜を形成する。次いで、フォトリソグラフィーにより、前記金属膜上にパターンを備えたマスクを形成する。そして、前記パターンに沿って金属膜をエッチングして、励振電極４２ａ、４２ｂ及び引き出し電極４３ｂを形成する。
【００３０】
続いて、ウエハ５１のダイヤフラム３の下面にスパッタにより金属膜を形成し、フォトリソグラフィー及びエッチングにより、その金属膜から導電路３３、３４及び補助電極３５を形成する（図７（ａ）、（ｂ））。そして、図７（ｃ）に示すように、水晶振動子４の上面の両端部をダイヤフラム３の凹部３１の外周縁部に低融点ガラスペーストからなる接着材１３を介して貼り合わせ、大気中で４００℃〜５００℃に加熱する。これによって水晶振動子４がダイヤフラム３に固定される。次に、図７（ｄ）に示すように水晶振動子４の下面側の引き出し電極４３ｂと導電路３４とを電気的に導通させるために、銀ペーストからなる導電性部材１４を塗布する。そして、酸素を含んだ雰囲気で４００℃〜５００℃の温度で焼成し、当該導電性部材１４中の溶媒及びバインダーを除去する。
【００３１】
続いて、ウエハ５１とウエハ５２とを低融点ガラスペーストなどの接着材を介して重ね合わせ、大気中で３００℃〜４００℃に加熱して、これらウエハ５１、５２を接着する。さらに、ウエハ５２とウエハ５３とをエポキシ樹脂などの接着材を介して重ね合わせ、１００℃〜２００℃に加熱し、ウエハ５３とウエハ５２とを接着する。このようにウエハ５１〜５３を接着した後、ダイシングを行い、各構成部品がウエハ５１〜５３から切り離されて、図７（ｅ）に示すように圧力センサー１が製造される。
【００３２】
（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態である圧力センサー６について、圧力センサー１との差異点を中心に説明する。図８は圧力センサー６の縦断側面図であり、この図８及び図８以降の各図では、圧力センサー１と同様に構成された各部については同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。この圧力センサー６は、圧力センサー１と略同様に構成されたダイヤフラム６１を備えている。図９（ａ）、（ｂ）はダイヤフラム６１の他面（下面）、一面（上面）を夫々示している。ダイヤフラム６１の下面には第１の実施形態と同様の導電路３４が設けられているが、導電路３３は設けられていない。
【００３３】
ダイヤフラム６１の上面には、その周縁部から中心部へ向かって伸びる導電膜である導電路６３が形成されている。前記ダイヤフラム６１の中心部において、補助電極３５及び水晶振動子４に対向するように導電膜からなる補助電極６４が形成されており、導電路６３は当該補助電極６４に接続されている。
【００３４】
補助電極６４と補助電極３５との間に負荷容量を形成できるように、図８にＨ２で示す薄肉部３２の厚さは例えば１００μｍ〜２００μｍに設定される。導電路６３及び補助電極６４は一体的に形成されており、導電路３４と同様にＣｒ及びＡｕの積層膜により構成されている。また、外部導電路４５は、導電路３４と発振回路４６とを接続する代わりに導電路６３と発振回路４６とを接続している。
【００３５】
ダイヤフラム６１は、ダイヤフラム３同様水晶により構成されるが、水晶以外の絶縁体により構成されてもよい。また、ここでもダイヤフラム６１の薄肉部３２のヤング率は、水晶振動子４のヤング率よりも小さく構成されており、ダイヤフラム６１に圧力が加わったときに薄肉部３２の撓み量は、水晶振動子４の撓み量よりも大きく、補助電極３５が水晶振動子４に近接する。ここでの薄肉部３２のヤング率は、薄肉部３２を構成する水晶そのもののヤング率ではなく、補助電極６４、３５が形成された状態の前記水晶のヤング率である。
【００３６】
図１０には圧力センサー６の等価回路を示している。この図に示すように圧力センサー６は、水晶振動子４に直列に可変容量コンデンサ４０、６５が接続された構成と等価になっている。可変容量コンデンサ６５は、補助電極３５と補助電極６４との間で形成される負荷容量に相当する。このように圧力センサー６についても負荷容量が形成されるため、負荷容量が形成されない圧力センサーと比べて、ダイヤフラム６１に圧力が加わったときにおける共振周波数の変化量が大きくなる。
【００３７】
この圧力センサー６の製造方法は圧力センサー１の製造方法と略同様であり、差異としては、ウエハ５１にダイヤフラム６１の外形を形成した後、導電路３３を形成しない代わりに導電路６３及び補助電極６４を形成するように、スパッタによる金属膜の形成、フォトリソグラフィーによるマスクの形成、エッチングをこの順に行うことである。
【００３８】
次に圧力センサー６の作用を、圧力センサー１の作用との差異点を中心に説明する。測定雰囲気１Ａの圧力が高くなると、ダイヤフラム６１の薄肉部３２の容器１１の内側への撓み量が大きくなる。このとき、薄肉部３２が引っ張り応力を受け、引き延ばされることにより、当該薄肉部３２の厚さが小さくなる。図１１（ａ）はこのときの圧力センサー６の様子を示しており、図１１（ｂ）は、このときの水晶振動子４と前記薄肉部３２とを拡大して示している。このように薄肉部３２の厚さが小さくなることによって、補助電極６４と補助電極３５との距離が小さくなり、図１０の等価回路で示した、可変容量コンデンサ６５に対応する負荷容量が大きくなる。
【００３９】
また、このダイヤフラム６１の撓み量が大きくなることで、凹部３１の外縁が外方へ押し広げられて、水晶振動子４に加わる引っ張り応力が大きくなる。さらに補助電極３５と励振電極４２ａとの距離が小さくなることにより、前記等価回路で示した可変容量コンデンサ４０に対応する容量成分が大きくなる。この結果、圧力センサー６の発振周波数が変化する。
【００４０】
逆に測定雰囲気１Ａの圧力が低くなると、ダイヤフラム６１の薄肉部３２の容器１１の内側への撓み量が小さくなるため、薄肉部３２に加わる引っ張り応力が小さくなり、例えば図８に示すように当該薄肉部３２の厚さが大きくなる。その結果、補助電極６４と補助電極３５との距離が大きくなり、図１０の等価回路で示した、可変容量コンデンサ６５に対応する負荷容量が小さくなる。また、ダイヤフラム６１の撓み量が小さくなり、水晶振動子４に加わる引っ張り応力が小さくなる。さらに補助電極３５と励振電極４２ａとの距離が小さくなることにより、前記等価回路で示した可変容量コンデンサ４０に対応する負荷容量が小さくなる。この結果、圧力センサー６の発振周波数が変化する。
【００４１】
この第２の実施形態の圧力センサー６においても、測定雰囲気１Ａの圧力に応じて、水晶振動子４に加わる応力が変化することに加えて、各電極により水晶振動子４に直列に接続される負荷容量が形成される。さらに、この負荷容量が測定雰囲気１Ａの圧力に応じて変化することにより、水晶振動子４の発振周波数が大きく変化するため、第１の実施形態と同様に圧力センサー６の感度を高めることができる。また、この第２の実施形態では、外部導電路４４をダイヤフラム３の一面側の導電路６３に接続している。第１の実施形態のようにダイヤフラム６１とスペーサー２２との間に設けられた導電路３３に接続するよりも、このように容器１１の外側に設けられた導電路に接続する方が容易であるため、配線作業が容易になる。このことから、圧力センサー６の製造が容易になるという利点がある。
【００４２】
（第２の実施形態の変形例）
続いて圧力センサー６の変形例である圧力センサー６Ａの構成について、その縦断側面図である図１２を参照しながら、圧力センサー６との差異点を説明する。この圧力センサー６Ａでは、補助電極３５から導電路６６が凹部３１の周縁部へ向かって伸び出しており、この導電路６６は、その周縁部からさらに凹部３１の側壁を介して水晶振動子４に向かって伸びている。また、水晶振動子４の一面側の励振電極４２ａからは、引き出し電極４３ａが水晶片４１の長さ方向の一方側へ向けて引き出されている。この引き出し電極４３ａは、水晶振動子４の他面側の引き出し電極４３ｂが引き出される方向とは逆方向に引き出されている。引き出し電極４３ａと前記導電路６６とは互いに電気的に接続されている。つまり、この例では補助電極３５と励振電極４２ａとの電位が等しく、これら補助電極３５と励振電極４２ａとの間に負荷容量が形成されない。
【００４３】
図１３には、圧力センサー６Ａの等価回路を示している。図１０に示した圧力センサー６の等価回路との差異点は、補助電極３５と励振電極４２ａとの間に形成される負荷容量に相当する可変容量コンデンサ４０が無いことである。このように圧力センサー６Ａは、水晶振動子４に直列に可変容量コンデンサ６５が接続されたものと等価である。このように構成された圧力センサー６Ａにおいても圧力センサー６と同様の効果が得られる。なお、このように圧力センサー６Ａを構成する場合は、水晶振動子４の励振電極４２ａ、４２ｂと、ダイヤフラム６１の補助電極６４、３５とは互いに対向していなくてもよい。
【００４４】
（第３の実施形態）
続いて、第３の実施形態である圧力センサー７について、圧力センサー１、６との差異点を中心に説明する。図１４は圧力センサー７の縦断側面図である。この圧力センサー７は、圧力センサー１のダイヤフラム３と略同様に構成されたダイヤフラム７１を備えている。このダイヤフラム７１には、ダイヤフラム３と異なり導電路３４が設けられていない。
【００４５】
また、圧力センサー７は、スペーサー２２と略同様に構成されたスペーサー７２、ベース２１と略同様に構成されたベース７４を夫々備えている。スペーサー７２とスペーサー２２との差異点としては、図１５に示すようにこのスペーサー７２の一面において、外側から内側に向かって導電路７３が伸びている。この内側に向かった導電路７３は、さらにスペーサー７２の側壁を下降するように伸びている。
【００４６】
ベース７４とベース２１との差異点として、ベース７４はその中央部に凹部７５を備えており、この凹部７５により当該中央部が薄肉部７６として形成されている。後述のようにベース２１は測定雰囲気１Ａの圧力により撓み、この凹部７５は、その撓み量を大きくする役割を有する。つまり、このベース７４も水晶振動子４に対向して設けられたダイヤフラムとして構成されている。凹部７５の中央部には、水晶振動子４と対向する補助電極７７が形成されている。この補助電極７７が、水晶振動子４の励振電極４２ｂと負荷容量を形成することができるように、例えば図１４中Ｈ３で示す励振電極４２ｂと補助電極７７との間隔は５０μｍ〜２５０μｍに設定される。補助電極７７の一端から凹部７５の周縁部に向かって導電路７８が伸びている。この導電路７８は、前記周縁部から凹部７５の側壁を介して当該凹部７５の開口縁に亘って伸びており、スペーサー７２の導電路７３と電気的に接続されるように形成されている。外部導電路４５は、導電路７３と発振回路４６とを接続している。
【００４７】
図１６は、圧力センサー７の等価回路を示している。この等価回路における可変容量コンデンサ７９は水晶振動子４２ｂと補助電極７７との間で形成される負荷容量を示している。このように、圧力センサー７は、水晶振動子４の前段及び後段に可変容量コンデンサ４０及び可変容量コンデンサ７９が夫々直列に接続されたものと同じ等価回路をなす。このように、圧力センサー７は、水晶振動子４に直列にコンデンサが接続されたものと等価であるため、圧力センサー１、６と同様にダイヤフラム７１に圧力が加わったときの共振周波数の変化量が大きい。
【００４８】
この圧力センサー７の製造方法は圧力センサー１の製造方法と略同様であり、差異点としては、ベース７４の外形を形成する際には凹部７５を備えるようにエッチングを行うことである。また、他の差異点としては、スペーサー７２及びベース７４の外形を形成した後には、導電路７３、７８及び補助電極７７が形成されるようにこれらの外形に対して、スパッタによる電極膜の形成、フォトリソグラフィー及びエッチングを行うことである。
【００４９】
次に、上述の圧力センサー７の作用を、圧力センサー１、６の作用との差異点を中心に説明する。この圧力センサー７は、ダイヤフラム７１及びベース７４が測定雰囲気１Ａに臨むように取り付けられる。そして、図１７に示すようにダイヤフラム７１及びベース７４の各中央部が容器１１内へ向かうように撓む。また、ダイヤフラム７１の変形に追従して、水晶振動子４の中央部がベース７４に向かうように撓む。
【００５０】
測定雰囲気１Ａの圧力が高くなると、その測定雰囲気１Ａの圧力に応じてダイヤフラム７１の撓み量が大きくなり、水晶振動子４の長さ方向に加わる引っ張り応力が大きくなる。そして、補助電極３５と励振電極４２ａとの距離が小さくなることにより、これら電極間の負荷容量が大きくなる。これを図１６の等価回路で示すと、可変容量コンデンサ４０の容量が大きくなる。このようにダイヤフラム７１の撓み量が大きくなる一方で、ベース７４の撓み量も大きくなり、補助電極７７と励振電極４２ｂとの間の距離が小さくなり、これら電極間の負荷容量が大きくなる。つまり、図１６の等価回路で見ると、可変容量コンデンサ７９の容量が大きくなる。
【００５１】
測定雰囲気１Ａの圧力が低くなると、ダイヤフラム７１の撓み量が小さくなり、それによって、水晶振動子４の長さ方向に加わる引っ張り応力が小さくなる。また、補助電極３５と励振電極４２ａとの距離が大きくなることにより、これら電極間の負荷容量が小さくなる。図１６の等価回路で見ると、可変容量コンデンサ４０の容量が小さくなる。その一方で、ベース７４の撓み量が小さくなり、補助電極７７と励振電極４２ｂとの距離が大きくなり、これら電極間の負荷容量が小さくなる。つまり、図１６の等価回路における可変容量コンデンサ７９の容量が小さくなる。
【００５２】
このように、この第３の実施形態の圧力センサー７においても、測定雰囲気１Ａの圧力に応じて、水晶振動子４に加わる応力が変化することに加えて、各電極により水晶振動子４に直列に負荷容量が形成される。さらにこれらの負荷容量が測定雰囲気１Ａの圧力に応じて変化することにより、水晶振動子４の発振周波数が大きく変化するため、第１の実施形態の圧力センサー１と同様にその感度を高めることができる。また、この圧力センサー７においては、水晶振動子４の励振電極と、ダイヤフラム３の導電路３３とを導電性接着材１４により接続しなくてよいため、圧力センサー１に比べて製造のための作業工程を簡素化することができ、ダイヤフラムに水晶振動子４を固定するにあたり、位置合わせに要求される精度が緩和される。これらのことから、圧力センサー７には製造の手間が緩和されるという利点がある。
【００５３】
上記の各例では圧電片として水晶片を使用しているが、水晶片の代わりに夫々ＬｉＴＡＯ３、ＬｉＮｂＯ３、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４の圧電単結晶を圧電片として用いてもよい。また、圧力センサーの各部を水晶の他にシリコンやガラスによって構成してもよく、これらの材質からなるウエハを用いて各圧力センサーを製造してもよい。
【００５４】
また、上記のようにダイヤフラムの薄肉部３２のヤング率が、圧電振動子のヤング率よりも小さくなるように構成することで、上記の各例のようにダイヤフラム３に圧力が加わったときに、薄肉部３２の撓み量が圧電振動子の撓み量よりも大きくなり、補助電極３５と励振電極４２ａとを近接させ、これらの間の負荷容量を大きくすることができる。上記のように、ここでいう薄肉部のヤング率は、薄肉部に形成される各補助電極を含んだヤング率である。従って、薄肉部と、圧電振動子を構成する圧電片とを同じ結晶構造を持つ同じ材質により構成し、さらに薄肉部に形成される補助電極と圧電振動子に形成される励振電極とを、同じ厚さからなる同じ材質により構成した場合は、薄肉部の厚さを圧電片の厚さよりも小さくすることで、そのように薄肉部のヤング率を圧電振動子のヤング率よりも小さくし、補助電極と励振電極とを近接させることができる。
【００５５】
また、上記の各例では、測定雰囲気１Ａの圧力が高くなったときに水晶振動子４に直列に接続される負荷容量が大きくなるように構成しているが、これとは逆に測定雰囲気の圧力が小さくなったときに負荷容量が小さくなるように構成してもよい。具体的に、ダイヤフラム３に圧力が加わったときに、当該ダイヤフラム３よりも水晶振動子４の方が大きく変形するように、これらダイヤフラム３及び水晶振動子４の厚さの設定や材質の選択を行う。図１８（ａ）は、このように構成された圧力センサー１で測定雰囲気１Ａの圧力が低い場合を示しており、図１８（ｂ）は、このように構成された圧力センサー１で測定雰囲気１Ａの圧力が高い場合を示している。
【００５６】
さらに、圧電片の形状としては、上記の角型に限られるものではなく、円形や多角形であってもよい。励振電極の形状としても角型に限られるものではなく、円形や多角形であってもよい。また、上記の各例ではスペーサーとベースとを別々のウエハから形成しているが、一枚のウエハからこれらを一体に形成してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１、６、７        圧力センサー
１１              容器
１２              内部空間
２１              ベース
２２              スペーサー
３、６１、７１    ダイヤフラム
３１              凹部
３２              薄肉部
３５、６４、７７  補助電極
４                水晶振動子
４１              水晶片
４２ａ、４２ｂ    励振電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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