(57)【要約】【課題】小型で無線通信機能を備えた圧力センサモジュールを提供する。【解決手段】センサ部１１の変形によって圧力変動を検出するセンサ基板１０を、センサ部１１を囲繞する封止材５０を介して支持基板３０上に載置せるとともに、前記センサ基板１０の上面に、センサ部１１からの圧力情報に基づいて所定周波数で発振する発振回路を構成する電子部品素子４０に電気的に接続されるアンテナパターン２０を被着させてなる。【選択図】図１
2005208055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下面にセンサ部を有し、該センサ部の変形によって圧力変動を検出するセンサ基板を、前記センサ部を囲繞する封止材を介して支持基板上に載置するとともに、前記センサ基板の上面に前記センサ部からの圧力情報に基づいて所定周波数で発振する発振回路を構成する電子部品素子に電気的に接続されるアンテナを有することを特徴とする圧力センサモジュール。
【請求項２】
前記アンテナが、前記センサ基板の上面に形成されたアンテナパターンからなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサモジュール。
【請求項３】
前記センサ基板の下面で、前記封止材の内側に、前記センサ部に電気的に接続される電極パッドが設けられ、
前記支持基板の上面で、前記封止材の内側に、前記電極パッドに導電性接合材を介して電気的に接続される接続パッドが設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサモジュール。
【請求項４】
前記センサ部が、圧電体とインターデジタルトランスデューサとを含む弾性表面波素子から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧力センサモジュール。
【請求項５】
前記センサ基板が圧電材料から成り、前記圧電体が前記センサ基板の一部によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサモジュール。
【請求項６】
前記封止材が導体材料から成り、且つ該封止材が前記支持基板下面に形成されたグランド端子に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧力センサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力の変動を検出して所定の電気信号を発振する圧力センサモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、気体や液体などの圧力の変動を検出する圧力センサとして、センサ部に印加される圧力の変動を発振周波数の変化として検出する圧力センサが知られている。
【０００３】
このような圧力センサとしては、例えば図８に平面図で示す如く、センサ基板１０１の肉薄部１０２に形成される弾性表面波素子１０３と、この弾性表面波素子１０３に配線部１０５を介して接続される発振器１０６とで構成された圧力センサ１００が知られている（特許文献１参照。）。
【０００４】
この圧力センサ１００においては、センサ部を構成する弾性表面波素子１０３がセンサ基板１０１の肉薄部１０２に形成されており、圧力を受けると肉薄部１０２に歪みが生じ、その部分の弾性定数の変化によって弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、弾性表面波素子１０３の電極１０４間の間隔が変化する。そして、それぞれの作用によって弾性表面波素子１０３の共振周波数が変化し、これによって弾性表面波素子１０３と発振器１０６とで構成される発振回路の発振周波数が変化するようになっている。そして、この発振周波数をモニタリングすることにより圧力の検出が行われる。なお、図８において、１０７は弾性表面波素子１０３と発振器１０６とで生成される電気信号を、受信機能を有する他の機器に送信するためのアンテナ素子を有する送信部である。
【特許文献１】特公平５−８２５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の圧力センサ１００においては、センサ基板１０１上に形成されている弾性表面波素子１０３がセンサ基板１０１の表面に露出しており、これを保護するものが何ら存在していない。それ故、弾性表面波素子１０３の電極１０４は、外気、特に水分を含んだガス等に晒されてしまうこととなり、これによって電極１０４の腐食、変質等が誘発され、その電気的特性が著しく変化するという不都合があった。
【０００６】
また上述した従来の圧力センサにおいては、外気に晒された弾性表面波素子１０３の電極１０４に異物等が付着する恐れがあり、そうした場合、正常な共振特性が得られなくなることにより、圧力センサとして正常に機能させることが不可能となる欠点も誘発される。
【０００７】
更に上述した従来の圧力センサにおいては、弾性表面波素子１０３に接続される発振器１０６がセンサ基板１０１より分離された形で配置されており、そのため、圧力センサ１００の全体構造を小型化することが困難である上に、弾性表面波素子１０３と発振器１０６とを接続する配線部１０５が電磁的ノイズの影響を受け易く、その結果、誤作動や測定精度の低下を招く欠点も有していた。
【０００８】
上記課題を解決するために、本出願人は特願２００３−３９７２２６号において、図９に示すように、下面にセンサ部１１１を有し、このセンサ部１１１の変形によって圧力変動を検出するセンサ基板１１０を、センサ部１１１を囲繞する封止材１５０を介して支持基板１３０上に載置するとともに、センサ基板１１０、支持基板１３０及び封止材１５０で囲まれる封止領域内に、センサ部１１１からの圧力情報に基づいて所定周波数で発振する発振回路を有した電子部品素子１４０を配置させてなる圧力センサ２００を提案した。
【０００９】
この提案によれば、センサ基板１１０を、センサ部１１１を囲繞する封止材１５０を介して支持基板１３０上に載置するとともに、センサ基板１１０、支持基板１３０及び封止材１５０で囲まれる封止領域内に、発振回路を有する電子部品素子１４０を配置するようにしているので、センサ部１１１が気密封止されることとなり、センサ部１１１を水分が含まれた外気と遮断して、電極の腐食、変質等による電気的特性の変化を有効に防止することができる。
【００１０】
また、センサ部１１１が外気に晒されないので、センサ部１１１の電極に異物等が付着して正常な共振特性が得られなくなることもない。
【００１１】
更に、センサ部１１１と、これに接続される発振回路を有する電子部品素子１４０とが一つの容器内に配置されているので、圧力センサ２００を小型化することができる。
【００１２】
しかしながら、特願２００３−３９７２２６号で提案した圧力センサ２００においても、センサ部１１１と電子部品素子１４０とで構成される発振回路で生成される電気信号を、受信回路を有する他の機器に無線通信するためには、アンテナ素子を有する送信部を圧力センサ２００に接続する必要があるため、部品点数が増加するとともに圧力センサ２００と送信部を搭載するユニットが大型化するという課題を、依然として有していた。
【００１３】
また、圧力センサ２００からアンテナ素子への配線部による伝送損失の影響が大きく圧力センサ２００より出力される電気信号が大きく減衰してしまい、センサ部１１１と電子部品素子１４０とで構成される発振回路で生成される電気信号を良好に伝送することが困難であるという課題を有していた。
【００１４】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、その目的は、小型で無線通信機能を備えた圧力センサモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の圧力センサモジュールは、下面にセンサ部を有し、該センサ部の変形によって圧力変動を検出するセンサ基板を、前記センサ部を囲繞する封止材を介して支持基板上に載置するとともに、前記センサ基板の上面に前記センサ部からの圧力情報に基づいて所定周波数で発振する発振回路を構成する電子部品素子に電気的に接続されるアンテナを有することを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の圧力センサモジュールは、上記構成において、前記アンテナが、前記センサ基板の上面に形成されたアンテナパターンからなることを特徴とするものである。
【００１７】
さらに、本発明の圧力センサモジュールは、上記構成において、前記センサ基板の下面で、前記封止材の内側に、前記センサ部に電気的に接続される電極パッドが設けられ、前記支持基板の上面で、前記封止材の内側に、前記電極パッドに導電性接合材を介して電気的に接続される接続パッドが設けられていることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の圧力センサモジュールは、上記構成において、前記センサ部が、圧電体とインターデジタルトランスデューサとを含む弾性表面波素子から成ることを特徴とするものである。
【００１９】
さらに、本発明の圧力センサモジュールは、上記構成において、前記センサ基板が圧電材料から成り、前記圧電体が前記センサ基板の一部によって形成されていることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の圧力センサモジュールは、上記構成において、前記封止材が導体材料から成り、且つ該封止材が前記支持基板下面のグランド端子に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の圧力センサモジュールによれば、アンテナをセンサ基板の上面に設けたので、発振回路を構成する電子部品素子とアンテナとが近接配置されることとなり、両者を接続する配線部を短くすることができる、その結果、配線部による伝送損失の影響が小さくなり、電子部品素子より出力される電気信号を殆ど減衰させることなく伝送することができる。これによって、バッテリの消費電力を少なくできるとともに圧力センサモジュールに用いられるバッテリを長寿命化することができる。
【００２２】
また、本発明の圧力センサモジュールによれば、アンテナがセンサ基板の上面に形成されたアンテナパターンからなる場合には、チップアンテナを別に用意する必要もなく部品点数を削減することができるので、圧力センサモジュールの小型化及びコストダウンを図ることができる。
【００２３】
更に、本発明の圧力センサモジュールによれば、センサ基板の下面で封止材の内側にセンサ部に電気的に接続される電極パッドを設けるとともに、支持基板の上面で封止材の内側に電極パッドに接続される接続パッドを設けた場合には、センサ部と電子部品素子との接続部を外部環境より良好に保護することができ、センサ部と電子部品素子とを確実に接続させておくことが可能となる。
【００２４】
また、本発明の圧力センサモジュールによれば、センサ部が圧電体とインターデジタルトランスデューサとを含む弾性表面波素子から成る場合には、圧力センサを圧電体と圧電体上に形成された弾性表面波素子のみで形成できるので、圧力センサの小型化，軽量化が可能である。
【００２５】
更に、本発明の圧力センサモジュールによれば、センサ基板が圧電材料から成り、圧電体がセンサ基板の一部によって形成されている場合には、センサ基板と圧電体とを一体で形成でき、センサ基板の薄肉化が可能である。
【００２６】
また、本発明の圧力センサモジュールによれば、封止材を導体材料で形成するとともに、封止材を支持基板下面のグランド端子に電気的に接続した場合には、封止材を電磁気的シールド材として機能させることができ、これによって封止領域内部のセンサ部や電子部品素子を外部からのノイズに影響され難くして、安定して動作させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の圧力センサモジュールを図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下に述べる実施の形態においては、弾性表面波素子を用いてセンサ部を構成した圧力センサモジュールを例にとって説明するものとする。
【００２８】
図１は本発明の一実施形態にかかる圧力センサモジュールの断面図、図２は図１の圧力センサモジュールに用いられるセンサ基板の上面を示す平面図、図３は図１の圧力センサモジュールに用いられるセンサ基板の下面を示す平面図、図４は図１の圧力センサモジュールに用いられる支持基板の上面を示す平面図、図５は図１の圧力センサモジュールの電気的構成を示す回路図である。
【００２９】
本発明の圧力センサモジュール１は、主にセンサ基板１０とアンテナパターン２０、支持基板３０と、電子部品素子４０と、封止材５０と、導電性接合材６０とで構成されている。
【００３０】
センサ基板１０は、センサ基板１０に印加される圧力に応じてセンサ部１１が変形し、圧力変動を検出するようになっている。センサ基板１０の下面には、センサ部１１、電極パッド１２及びこの両者を接続する引出電極１３等が形成されている。また、センサ部１１、電極パッド１２、引出電極１３の周囲には、これらを囲繞するようにして封止領域１４が設けられており、この封止領域１４に封止材５０が接合される。
【００３１】
このようなセンサ基板１０の材質としては、センサ部１１と一体的に形成することができ、外部からの圧力（図１の上方からの圧力）を受けると比較的容易に変形し得るものが好ましく、例えば、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が好適に使用される。また、センサ部１１は、例えば、圧電体１５とインターデジタルトランスデユーサ（以下、ＩＤＴ電極と略記する。）１６とを含む弾性表面波素子１７から成り、前記ＩＤＴ電極１６には電極パッド１２が電気的に接続している。
【００３２】
このような圧電体１５の材質としては、例えば、センサ基板１０と同様の材料、即ち、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が用いられ、かかる圧電体１５の表面に、例えば、アルミニウムや金等の金属材料を従来周知のスパッタリングや蒸着等の薄膜形成技術、フォトリソグラフィー技術等を採用し、２０００Å程度の厚みにてパターン形成することによりＩＤＴ電極１６が形成される。
【００３３】
また、電極パッド１２や引出電極１３は、先に述べたＩＤＴ電極１６と同様に、アルミニウムや金等の金属材料を薄膜形成技術やフォトリソグラフィー技術等によってパターン形成することによって得られる。尚、電極パッド１２については、下地に対する密着強度を向上させるために膜厚を厚く形成しておくことが好ましい。
【００３４】
また、アンテナパターン２０は、電子部品素子４０より出力される所定周波数の電気信号を、受信回路を有する他の機器に無線送信するためのものである。
【００３５】
このアンテナパターン２０はセンサ基板１０の上面に蛇行状をなすように形成されている。これによって、所定長さのアンテナパターン２０を微少領域内に形成することが可能となり、圧力センサモジュール１の小型化に供することができる。
【００３６】
このアンテナパターン２０のパターン形成は、アルミニウムや銅箔等の金属材料を厚膜印刷等により形成している。ここで用いられるアンテナパターン２０のパターン線幅と膜厚は線幅約１００μｍ、膜厚約１０μｍ程度であり、また、パターン長さは、送信される周波数の波長の約λ／４または約５λ／８に相当する長さをパターンの蛇行回数（長さ）を変えることにより形成している。
【００３７】
ここで、アンテナパターン２０を、センサ部１１の直上領域を避けて形成することにより、センサ部１１に形成される弾性表面波素子１７とアンテナパターン２０との電磁気的相互干渉を低減することが可能となり、これによる圧力センサモジュール１の電気特性の劣化を有効に防止することができる。
【００３８】
また、圧力センサモジュール１の端面に形成された給電線２２の一端は内部配線パターン３４に、他端は給電点２３に接続されている。
【００３９】
また、給電点２３はセンサ基板１０上面の一方端に形成され、ループ状に形成されたアンテナパターン２０の始点と終点となる。
【００４０】
一方、支持基板３０に求められる特性としては、外部からの圧力に対して変形することが殆どなく、十分な強度を有していることが重要であり、その材質としては、例えば、ガラス−セラミック材料などのセラミック材料を用いた多層回路基板等が用いられる。
【００４１】
かかる支持基板３０の上面には、電子部品素子４０が搭載されるとともに、導電性接合材６０を介して電極パッド１２と接続する接続パッド３１が設けられている。そして、接続パッド３１は内部配線パターン３４やビアホール導体３５等を介して、電子部品素子４０と電気的に接続されている。
【００４２】
また、上述した電子部品素子４０及び接続パッド３１の周囲に、先に述べた封止領域１４と対向するようにして封止領域３２が設けられており、この封止領域３２に封止材５０が接合される。
【００４３】
更に、支持基板３０の下面には、複数個の外部端子電極３３が形成されており、これらの外部端子電極３３は支持基板３０の内部配線パターン３４やビアホール導体３５等を介して支持基板３０上面の電子部品素子４０等と電気的に接続されている。
【００４４】
このような支持基板３０は、例えば、従来周知のグリーンシート積層法、具体的には、内部配線パターン３４やビアホール導体３５となる導体ペーストが印刷・塗布されたグリーンシートを複数枚、積層・圧着させた上、これを一体焼成することによって製作される。
【００４５】
また、電子部品素子４０は、例えば、ＩＣ，トランジスタなどの能動部品や抵抗，コンデンサなどの受動部品等からなり、弾性表面波素子１７と電気的に接続することによって発振回路７０を構成している。図５は、トランジスタを用いた発振回路の電気的構成を示す回路図であり、かかる発振回路には、抵抗やコイル，コンデンサ等が弾性表面波素子１７の共振周波数など、個々の条件に応じて適宜選択配置される。このような発振回路７０に対してＶｃｃより所定の電源電圧を印加することにより所定の発振周波数ｆｏｓｃが出力され、それが増幅されてアンテナ７２により外部に送信される。
【００４６】
そして、上述したセンサ基板１０と支持基板３０との間に介在される封止材５０は、例えば、樹脂や金属材料等から成り、弾性表面波素子１７や電子部品素子４０を囲繞するようにしてセンサ基板１０の封止領域１４と支持基板３０の封止領域３２とを接合することにより、その内側、具体的には、センサ基板１０と支持基板３０と封止材５０とで囲まれる領域内で、センサ部１１及び電子部品素子４０等を気密封止している。そして、このような封止領域５１の内部には、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが充填され、これによって封止領域５１内に配置されるＩＤＴ電極１６や電子部品素子４０等の酸化腐食等が有効に防止されることとなる。
【００４７】
尚、このような封止材５０として、半田等の導体材料を用いる場合、これを支持基板下面のグランド端子に電気的に接続させておくようにすれば、圧力センサモジュール１の使用時、封止材５０はグランド電位に保持されることとなるため、封止材５０によるシールド効果が期待でき、外部からの不要なノイズを封止材５０でもって良好に低減することができる。ここで、封止材５０に導体材料を用いる場合、圧力センサモジュール１の端面に形成される給電線２２と封止材間には絶縁性樹脂等を形成することにより、封止材５０と給電線２３の短絡を防止する必要がある。
【００４８】
また、導電性接合材６０は、例えば、半田や導電性ペーストなどから成り、センサ基板１０の電極パッド１２と支持基板３０の接続パッド３１とを接続することで、弾性表面波素子１７のＩＤＴ電極１６と電子部品素子４０とを電気的に接続している。
【００４９】
以上のような本実施形態の圧力センサモジュール１は、センサ基板１０に対して印加される外部からの圧力によって、センサ部１１、即ち、弾性表面波素子１７が変形する。その結果、歪みが生じた部分の圧電体１５の弾性定数が変化して弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、弾性表面波素子１７のＩＤＴ電極１６の電極指の配列ピッチｄ（図６に示す。）が変化して、それぞれの作用によって弾性表面波素子１７の共振周波数が変化する。これにより、弾性表面波素子１７と電子部品素子４０とが電気的に接続されて構成される発振回路７０の発振周波数ｆｏｓｃも変化するため、センサ基板１０に加わる圧力変動は最終的に発振回路７０の発振周波数ｆｏｓｃの変化として検出される。
【００５０】
ここで、本実施形態の圧力センサモジュール１においては、上述したように、電子部品素子４０とアンテナパターン２０とが近接配置されることによって両者を接続するビアホール導体３５、内部配線パターン３４、給電線２２等からなる配線部を短くすることができるため、配線部による伝送損失の影響を極力排除して、電子部品素子４０より出力される電気信号を殆ど減衰させることなく伝送することができ、バッテリの消費電力を少なくでき、圧力センサモジュールに用いられるバッテリを長寿命化することができる。
【００５１】
また、アンテナパターン２０が、センサ基板１０の上面に蛇行状をなすように形成されていることから、チップアンテナ等を別に用意する必要もなく、部品点数を削減することができ、圧力センサモジュール１の小型化及びコストダウンに供することが可能となる。
【００５２】
次に本発明の他の実施形態に係る圧力センサについて図７を用いて説明する。尚、本実施形態においては先に述べた実施形態と異なる点についてのみ説明し、同様の構成要素については同一の参照符を用いて重複する説明を省略するものとする。
【００５３】
図７は本実施形態の圧力センサに用いられるセンサ基板１０の下面を示す平面図である。
【００５４】
本実施形態の圧力センサが先に述べた圧力センサと異なる点は、センサ部１１を構成する弾性表面波素子９０が、センサ基板１０の下面に間隔をあけて配置された一対のＩＤＴ電極１６と、その間の弾性表面波の伝搬路９１とで構成される弾性表面波遅延線とされていることである。また、センサ基板１０の下面で、センサ部１１を構成する弾性表面波素子９０の両側、具体的には、弾性表面波の伝播方向に係る両側には、弾性表面波を減衰させ、センサ基板１０の端部で弾性表面波が反射するのを防止するために、シリコン樹脂などから成るダンピング材９２が形成されている。
【００５５】
このような弾性表面波遅延線を増幅回路に接続すると、弾性表面波遅延線によって生じる電気信号の遅延時間に対応した周波数で発振する発振回路を構成することができる。そして、センサ基板１０に外部からの圧力が上方より印加され、センサ部１１を構成する弾性表面波素子９０の弾性表面波の伝搬路９１に応力が加わると、弾性表面波の伝搬路９１に歪みが生じてその部分の弾性定数の変化によって弾性表面波の伝搬速度が変化するとともに、弾性表面波の伝搬路９１の長さが変化する。そして、それぞれの作用によって電気信号の遅延時間が変化し、これによって弾性表面波素子９０と、それに接続される増幅回路とで構成される発振回路の発振周波数が変化する。よって、本実施形態におけるセンサ部１１を構成する弾性表面波素子９０も先に述べた実施形態におけるセンサ部１１を構成する弾性表面波素子１７と同様に圧力検出素子として機能する。
【００５６】
尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。
【００５７】
例えば、上述した実施形態においては、センサ基板１０上面のアンテナパターン２０に、蛇行状のループ系アンテナを形成したが、これに変えて、ダイポール系アンテナ素子等を形成しても良い。
【００５８】
また、上述した実施形態においては、アンテナパターン２０をセンサ基板１０の上面に被着しているが、センサ基板１０の上面にグランドプレーン（グランド導体層）と誘電体層とを順次形成し、その上にアンテナパターン２０を被着させても良い。誘電体中では電磁波の波長が短縮されるため、これによってアンテナパターン２０の長さを短縮することが可能となり、圧力センサモジュール１の小型化に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる圧力センサモジュールの断面図である。
【図２】図１の圧力センサモジュールに用いられるセンサ基板の上面を示す平面図である。
【図３】図１の圧力センサモジュールに用いられるセンサ基板の下面を示す平面図である。
【図４】図１の圧力センサモジュールに用いられる支持基板の平面図である。
【図５】図１の圧力センサモジュールの電気的構成を示す回路図である。
【図６】図１の圧力センサモジュールのセンサ基板に形成されるＩＤＴ電極の拡大図である。
【図７】本発明の他の実施形態にかかる圧力センサモジュールに用いられるセンサ基板の下面を示す平面図である。
【図８】従来の圧力センサを示す説明図である。
【図９】従来の圧力センサの課題を解決すべく検討されている圧力センサを示す説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・圧力センサモジュール
１０・・・センサ基板
１１・・・センサ部
１２・・・電極パッド
１３・・・引出電極
１４・・・センサ基板封止領域
１５・・・圧電体
１６・・・ＩＤＴ電極
１７、９０・・・弾性表面波素子
２０・・・アンテナパターン
２１・・・センサ部の直上領域
２２・・・給電線
２３・・・給電点
３０・・・支持基板
３１・・・接続パッド
３２・・・支持基板封止領域
３３・・・外部端子電極
３４・・・内部配線パターン
３５・・・ビアホール導体
４０・・・電子部品素子
５０・・・封止材
５１・・・封止領域
６０・・・導電性接合材
７０・・・発振回路
７２・・・アンテナ
９１・・・弾性表面波の伝搬路
９２・・・ダンピング樹脂
【図１】
2005208055.tif 000003
【図２】
2005208055.tif 000004
【図３】
2005208055.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005208055.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005208055.tif 000009
【図８】
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【図９】
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