专利名称：压力传感器元件以及压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用了感压元件和膜片的压力传感器元件以及压力传感器，特别涉及 减小了因加速度变化引起的压力测定值误差的技术。
背景技术：
以往，公知有液压计、气压计、压差计等使用压电振动元件作为感压元件的压力传 感器。所述压电振动元件例如在板状的压电基板上形成有电极图案，将检测轴设定在力的 检测方向上，当在所述检测轴的方向上施加压力时，所述压电振子的谐振频率发生变化，根 据所述谐振频率的变化来检测压力。以往，已经公开了用于使这种压力传感器的精度更高的现有技术。图13示出了专 利文献1公开的第1现有技术的压力传感器元件。如图13所示，公开了如下结构压力传 感器元件220被载置在具有膜片212的压力传感器210中的形成在所述膜片212上的成对 的支承部218上，其中，所述压力传感器元件220具有固定在所述支承部218上的2个基部 222以及位于所述基部间的振动部224，从所述基部222的固定部到所述振动部224之间设 置有切口 222a、222b。由此，膜片212相对于振动部224的弯曲变形即厚度方向上的位移集 中在所述切口 222a、222b的形成部位，所以，作用于振动部224的非线性的力得到抑制，降 低了对压电传感器元件220的振动部224的不良影响。另外，图14示出了专利文献2公开的第2现有技术的压力传感器元件。图14(a) 是从正面观察的示意图，图14(b)是图14(a)的A-A线剖视图。如图14所示，公开了如下 结构压力传感器元件320搭载有压电振动片330作为感压元件，其中，在作为挠性部的薄 壁部322的一个面上具有用于固定所述压电振动片330的成对的支承部324，在成对的所述 支承部324之间具有用于使壁厚加厚的突出部326。由此，形成在支承部324之间的突出部 326能够抑制其变形，能够避免该部位变形为圆弧状。因此，不会由于因压力负荷引起的突 出部326的变形，而导致位于支承部324之间的突出部326与压电振动片330的振动部发 生接触。由此，能够抑制该接触所致的频率变化量的检测精度即压力检测精度的劣化。此外，图15示出了专利文献3公开的第3现有技术的压力传感器元件。如图15所示，压力传感器元件具有如下结构该压力传感器元件具有在振动臂434、435的两端具 有基部436、437的压电振动片431 ；以及薄板状的膜片440，其具有分别与所述两端的基部 436,437接合的台座部444、445，且周缘部442被固定，其中，所述膜片440的整体外形形 成为大致长方形或大致正方形，所述台座部444、445被配置在隔着所述膜片440的中央部 440b的两侧，并形成为向着所述中央部440b，与该朝向方向正交的宽度方向上的尺寸逐渐 减小。由此，膜片440向着中央部440b而逐渐容易发生挠曲，所以在承受压力的情况下，越 靠近中央部440b，位移量越大。因此，基部436、437与隔着中央部440b配置在两侧的台座 部444、445相接合的压电振动片431容易发生变形，所以，成为能够以良好的灵敏度测定压 力的压力传感器元件。这些压力传感器的结构要素构成了将膜片的位移量传递给双音叉元件等感压元件的结构，所以，基于承受的被测定压力的位移量越大，越能够得到更高的灵敏度。而且，最近提出了将包含这种高精度化的结构要素的压力传感器用于汽车的 TPMS(Tire Pressure Monitoring System)及汽车导航用高低差检测装置等的方案。专利文献1日本特开2007-333452号公报专利文献2日本特开2007-327922号公报专利文献3日本特开2008-241287号公报但是，在汽车行驶中，特别是在高速路等上高速行驶时，在轧到台阶的瞬间等会产 生加速度，在压力传感器的膜片承受被测定压力时的挠曲中，还增加了因所述加速度引起 的挠曲量，所以，在感压元件的谐振频率中产生了与因所述加速度引起的多余的挠曲量相 应的变动，因此，存在由压力传感器检测出的压力检测值产生误差的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于，着眼于上述问题，提供一种高灵敏度的压力传感器，该 压力传感器能够防止因加速度而导致压力传感器产生压力检测值误差。本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的，其能够作为以下的应用例 来实现。[应用例1]一种压力传感器元件，其特征在于，该压力传感器元件具有封装；第 1膜片，其设置在所述封装的一个面上；第2膜片，其设置在所述封装的与所述一个面相对 的面上；以及感压元件，其配置在所述封装内部，所述感压元件具有第1基部，其形成在长 度方向上的一端；第2基部，其形成在所述长度方向上的所述一端的相反侧的另一端；以及 振动部，其形成在所述第1基部与所述第2基部之间，该感压元件被配置成所述长度方向与 各膜片的位移方向垂直，所述第1基部与所述第1膜片连接，所述第2基部与所述第2膜片 连接。根据上述结构，压力传感器元件由感压元件承受来自第1膜片和第2膜片的位移 从而受力，由此，能够测定绝对压力。这里，当第1膜片和第2膜片受到来自于外部的压力 时，第1膜片和第2膜片向彼此靠近的方向发生位移，因此感压元件的第1基部与第2基部 向相互分离的方向发生位移，承受拉伸应力，由此，能够检测压力。另一方面，在压力传感器元件承受加速度的情况下，第1膜片与第2膜片的位移方 向一致，第1基部与第2基部的位移方向大致一致。因此，基本不存在由此产生的针对感压 元件的应力，所以，能够降低因加速度引起的压力测定值误差。[应用例2]—种压力传感器元件，该压力传感器元件具有受力而发生位移的第 1层和第2层；以及形成在所述第1层与第2层之间的检测所述位移的感压元件层，其特征 在于，所述感压元件层具有振动部，其检测所述位移；第1基部，其形成在所述振动部的长 度方向上的一端；第2基部，其形成在所述长度方向上的所述一端的相反侧的另一端；感压 元件框，其围住所述振动部、所述第1基部和所述第2基部；第1连接部，其将所述感压元件 框与所述第1基部连接起来；以及第2连接部，其将所述感压元件框与所述第2基部连接起 来，所述第1层具有第1周缘部，其形成在与所述感压元件层相对的面上；第1凹部，其形 成在所述第1周缘部的内侧，承受所述力而发生位移；以及第1凸部，其形成在所述第1凹 部的与所述第1基部相对的位置处，所述第2层具有第2周缘部，其形成在与所述感压元件层相对的面上；第2凹部，其形成在所述第2周缘部的内侧，承受所述力而发生位移；以 及第2凸部，其形成在所述第2凹部的与所述第2基部相对的位置处，其中，按照所述第1 周缘部、所述感压元件框、所述第2周缘部的顺序进行层叠，并且，所述第1基部与所述第1 凸部连接，所述第2基部与所述第2凸部连接。根据上述结构，能够通过层叠结构简单的部件，来量产应用例1的压力传感器元件。[应用例3]根据应用例2所述的压力传感器元件，其特征在于，所述第1连接部和 所述第2连接部具有相对于所述长度方向垂直地延伸的部分。由此，能够抑制第1连接部和第2连接部分别对第1基部和第2基部的移动造成 妨碍的情况，能够提高压力传感器元件的灵敏度。[应用例4]根据应用例2或3所述的压力传感器元件，其特征在于，所述第1层具 有第1膜片层与第1支承部层的层叠结构，所述第2层具有第2支承部层与第2膜片层的 层叠结构，所述第1支承部层具有第1支承部；围住所述第1支承部的第1支承部框；以 及从所述第1支承部框延伸出的连接到所述第1支承部的第1梁，所述第1支承部与所述 第1膜片层连接而形成所述第1凸部，所述第1支承部框与所述第1膜片层连接而形成所 述第1周缘部和所述第1凹部，所述第2支承部层具有第2支承部；围住所述第2支承部 的第2支承部框；以及从所述第2支承部框延伸出的连接到所述第2支承部的第2梁，所述 第2支承部与所述第2膜片层连接而形成所述第2凸部，所述第2支承部框与所述第2膜 片层连接而形成所述第2周缘部和所述第2凹部。
根据上述结构，虽然层叠结构比应用例2、3的情况复杂，但是，第1膜片层和第2 膜片层不需要利用光刻/蚀刻、喷砂等进行挖入的工序，所以，能够避免在各膜片层中因光 刻/蚀刻形成H管，且能够避免因喷砂而形成裂缝或裂痕。[应用例5]根据应用例4所述的压力传感器元件，其特征在于，所述第1梁和所述 第2梁具有相对于所述长度方向垂直地延伸的部分。由此，能够抑制第1梁和第2梁分别对第1支承部和第2支承部的移动造成妨碍 的情况，能够提高压力传感器元件的灵敏度。[应用例6]—种压力传感器，其特征在于，该压力传感器具有应用例1 5中任 一例所述的压力传感器元件；搭载所述压力传感器元件的基板；凸块，其设置在所述基板 的与所述压力传感器元件抵接的位置处，使所述压力传感器与所述基板之间形成间隙；以 及驱动电路，其与所述压力传感器元件电连接，驱动所述压力传感器。由此，由于在压力传感器元件与基板之间形成有间隙，因此，构成了这样的压力传 感器其能够防止与基板相对的膜片针对压力的响应发生劣化，且不会妨碍因加速度引起 的向基板侧的位移。[应用例7]—种压力传感器，其特征在于，该压力传感器具有应用例1 5中任 一例所述的压力传感器元件；搭载所述压力传感器元件的基板；以及驱动电路，其与所述 压力传感器元件电连接，驱动所述压力传感器，关于所述压力传感器元件，所述压力传感器 元件的侧面中的任意一个面均与所述基板相粘接。由此，第1膜片层和第2膜片层在压力测定中不会受到基板的干扰。构成了这样 压力传感器其降低了因加速度引起的压力测定值误差，且实现了薄型化。[应用例8]根据应用例6或7所述的压力传感器，其特征在于，所述驱动电路通过弓丨线键合与所述压力传感器元件电连接。由此，驱动电路和压力传感器元件在基板上的配置自由度提高。[应用例9]根据应用例7所述的压力传感器，其特征在于，所述驱动电路经由所述 凸块与所述压力传感器元件电连接。由此，能够削减安装所需要的面积和体积，能够构筑小型化的压力传感器。
图1是第1实施方式的压力传感器元件的示意图。图2是示出第1实施方式的压力传感器元件的层叠结构的图。图3是示出构成第1实施方式的第1连接部、第2连接部的示意图。图4是示出构成第1实施方式的第1连接部、第2连接部的示意图。图5是示出作为比较例的压力传感器的动作的图。图6是示出第1实施方式的压力传感器的动作的图。图7是示出第2实施方式的压力传感器元件的层叠结构的图。图8是构成第2实施方式的第1梁、第2梁的示意图。图9是构成第2实施方式的第1梁、第2梁的示意图。图10是第3实施方式的压力传感器的示意图。图11是第4实施方式的压力传感器的示意图。图12是示出感压元件的变形例的示意图。图13是第1现有技术的压力传感器用压电振动片的示意图。图14是第2现有技术的压力传感器用膜片的示意图。图15是第3现有技术的压力传感器用感压元件的示意图。标号说明10 压力传感器元件；12 第1层；14 第1周缘部；16 第1凹部；18 第1凸部； 20 第2层；22 第2周缘部；24 第2凹部；26 第2凸部；28 感压元件层30 感压元件框； 32 感压元件；33 感压元件；34 第1基部；36 振动部；37 振动部；38 第2基部40 第1 连接部；42 第2连接部；44 封装；46 第1膜片；48 第2膜片；50 第1支承部；52 第2 支承部；60 压力传感器元件；62 封装；64 膜片；66 感压元件；68 第1基部；70 振动部 72 第2基部；74 第1支承部；76 第2支承部；80 压力传感器元件；82 第1膜片层；84 第1支承部层；86 第1支承部；88 第1支承部框；90 第1梁；92 第2支承部层；94 第 2支承部；96 第2支承部框；98 第2梁；100 第2膜片层；110 压力传感器；112 基板； 114 凸块；116 驱动电路；118 丝线；120 连接电极；122 间隙；130 压力传感器；132 基 板；134 驱动电路；136 丝线；210 压力传感器；212 膜片；218 支承部；220 压力传感器 元件；222 基部；224 振动部；320 压力传感器元件；322 薄壁部；324 支承部；326 突出 部；330 压电振动片；431 压电振动片；434 振动臂；435 振动臂；436 基部；437 基部； 440 膜片；442 周缘部；444 台座部；445 台座部。
具体实施例方式下面，使用图示的实施方式来详细说明本发明。不过， 该实施方式记载的结构要素、种类、组合、形状及其相对配置等只要未作特定的说明，就不表示将本发明的范围仅限 定于此，而只不过是单纯的说明例。图1示出了第1实施方式的压力传感器元件。图1(a)是从正上方(XY平面)观 察的示意图，图1(b)是从正面(XZ平面)观察的示意图。第1实施方式的压力传感器元件 10具有封装44 ；第1膜片46，其设置在所述封装44的一个面上；第2膜片48，其设置在 所述封装44的与所述一个面相对的面上；以及感压元件32，其配置在所述封装44内部，所 述感压元件32具有第1基部34，其形成在长度方向上的一端；第2基部38，其形成在所述 长度方向上的所述一端的相反侧的另一端；以及振动部36，其形成在所述第1基部34与所 述第2基部38之间，该感压元件32被配置成所述长度方向与各膜片的位移方向垂直，具有 所述第1基部34与所述第1膜片46连接、所述第2基部38与所述第2膜片48连接的结 构，以真空为基准来测定绝对压力。另外，关于包含图1在内的以下附图，均使用正交坐标 系(X轴、Y轴、Z轴)。封装44是以士X方向为长边、士Y方向为短边的矩形筐体，将朝向士Z方向的面 作为承受来自外部的压力的受压面，内部密封成真空，收纳后述的感压元件32等。由此，压 力传感器元件10能够提高感压元件32的Q值，确保稳定的谐振频率，所以，能够确保压力 传感器元件10的长期稳定性。并且，封装44具有以中心线C为基准呈线对称的形状。
在封装44的一个面(-Z方向侧的面)上形成有第1膜片46，在封装44的与该一 个面相对的面(+Z方向侧的面)上形成有第2膜片48。封装44、第1膜片46、第2膜片48 具有以中心线C为基准呈线对称的形状。第1膜片46和第2膜片48以使封装44的一部 分成为薄壁的方式形成，并且在从外部承受压力时，朝向封装44的内侧挠曲变形而发生位 移。另外，在受到来自外部的压力时，第1膜片46向+Z方向位移，而第2膜片48则向-Z 方向位移，所以，由压力引起的位移的方向具有彼此方向相反但相互平行的关系。而且，第 1膜片46和第2膜片48针对相同压力具有相同的位移量。并且，在第1膜片46的封装44内侧形成有第1支承部50，在第2膜片48的封装 44内侧形成有第2支承部52。而且，第1支承部50和第2支承部52具有彼此相同的尺寸， 且被配置成，从中心线C到第1支承部(-X方向)的距离与从中心线到第2支承部(+X方 向)的距离相等。感压元件32使用石英、铌酸锂、钽酸锂等压电材料而形成为双音叉型压电振子、 单臂型压电振子、SAW谐振子、厚度滑动振子等。感压元件32具有以中心线C为基准呈线 对称的形状，且被配置成，其长度方向与第1膜片46、第2膜片48的位移方向垂直(士X方 向)，设其长度方向为检测轴。而且，感压元件32的位于长度方向上的一端的第1基部34 被固定在第1支承部50上，隔着第1基部34的振动部36而位于相反侧的第2基部38被 固定在第2支承部52上。由此，感压元件32经由第1支承部50与第1膜片46连接，经由 第2支承部52与第2膜片48连接。因此，当第1支承部50与第2支承部52向彼此靠近 的方向发生位移时，振动部36承受压缩应力，相反地，当第1支承部50与第2支承部52向 彼此分离的方向发生位移时，振动部36承受拉伸应力。感压元件32与振荡电路(未图示)电连接，利用从振荡电路(未图示)供给的交 流电压，以固有的谐振频率进行振动。特别地，与厚度滑动振子等相比，在本实施方式中使 用的双音叉型压电振动片的谐振频率相对于拉伸/压缩应力的变化极大，且谐振频率的可变幅度大，所以，适用于检测微小压力差这样的分辨力优良的压力传感器。当双音叉型压电 振子承受拉伸应力时，振动部36的振幅减�。蚨痴衿德时涓撸背惺苎顾跤ακ保� 动部36的振幅增大，因而谐振频率降低。另外，作为双音叉型压电振子的压电基板，优选采 用温度特性优良的石英。图2示出了第1实施方式的压力传感器元件的层叠结构。具有上述结构的压力传感器元件10具有由第1层12、感压元件层28、第2层20构成的层叠结构，优选的是，这些层 均使用石英等的压电材料，并且各个层由同一材料形成。另外，第1层12、感压元件层28、 第2层20可通过光刻/蚀刻加工来形成，而且，第1层12和第2层20还可以通过喷砂来 形成。第1层12是通过在具有一定厚度的矩形板上形成第1周缘部14、第1凹部16、第 1凸部18而成的，同样，第2层20是通过在具有一定厚度的矩形板上形成第2周缘部22、 第2凹部24、第2凸部26而成的。另外，感压元件层28具有感压元件框30、感压元件32 (第1基部34、振动部36、第 2基部38)、第1连接部40以及第2连接部42。这里，第1周缘部14、感压元件框30、第2 周缘部22的内周尺寸被设计成完全相同。由此，通过依次层叠第1周缘部14、感压元件框30以及第2周缘部22，从而形成 封装44的侧面，第1凹部16为包含第1膜片46的封装44的-Z方向侧的面，第2凹部24 为包含第2膜片48的封装44的+Z方向侧的面。而且，第1凸部18通过与第1基部34连 接而成为第1支承部50，第2凸部26通过与第2基部38连接而成为第2支承部52。
而且，为了用感压元件框30来保持感压元件32，在感压元件层28上具有从感压元 件框30延伸出的连接到第1基部34的第1连接部40、以及从感压元件框30延伸出的连接 到第2基部38的第2连接部42。第1连接部40和第2连接部42具有远小于感压元件32等的宽度，并且具有相对 于感压元件32的长度方向(士X方向)垂直地延伸的部分。由此，在第1基部34和第2基 部38在长度方向上发生位移的情况下，在第1连接部40和第2连接部42上，与长度方向垂 直的部分能够在长度方向上发生弯曲，所以，能够减轻对第1基部34和第2基部38在长度 方向上的移动造成妨碍的程度。而且，第1连接部40和第2连接部42可以采用图3 (a) (d)、图4(a) (d)所示的几种形式。如图3(a)所示，第1连接部40和第2连接部42形 成为从感压元件框30的长边30a的内侧延伸出的波浪形状，从而使两者具有弹性。由此， 能够避免应力集中在第1连接部40和第2连接部42上的情况，能够提高损坏临界点。如 图3 (b)、(c)所示，通过形成为“L”形或“ 二，，形，能够在第1连接部40和第2连接部42的 与长度方向(士X方向)垂直(士Y方向)的部分弯折成直角的位置处，在长度方向上发生 弯曲。另外，如图2所示，第1连接部40和第2连接部42也可以形成为向与感压元件32 的长度方向(士X方向)垂直的方向(士Y方向)延伸的棒状。而且，如图3(d)所示，可以构成为，使第1连接部40和第2连接部42从感压元件 框30内侧的角部向倾斜方向延伸出而分别连接到第1基部34、第2基部38。而且，在该状 态下，还可以使第1连接部40和第2连接部42形成为图3 (a)所示的波浪形。通过采用这 种形状，能够使第1基部34和第2基部38具有弹性，不会使应力集中于第1连接部40和 第2连接部42，所以，能够提高损坏临界点。
另外，如图4(a)、(b)所示，可以构成为，从感压元件框30的短边30b的内侧延伸 出“L”形或“ 二 ”形的第1连接部40和第2连接部42并分别连接到第1基部34、第2基部 38。由此，能够减少第1基部34和第2基部38的连接部位，防止感压元件32的灵敏度劣 化。该情况下，如图4(c)(对应于图4(a))、(d)(对应于图4(b))所示，也可以各设置2个 第1连接部40和第2连接部42，由此，相对于感压元件32的长度方向(士X方向)具有对 称性而不会偏向一方，确保了平衡。而且，在图3(b)、(c)以及图4(a)、(b)、(c)、(d)的情 况下，容易制作光刻/蚀刻加工中的掩模，所以能够实现稳定的量产。像这样，第1连接部 40和第2连接部42可以采用多种形式，而为了不使第1基部34与第2基部38的动作性产 生差异，这些方式均具有以中心线C为基准呈线对称的关系。另外，在第1连接部40或第2连接部42上，形成有与形成在振动部36上的激励 电极(未图示)连接的引出电极(未图示)，引出电极(未图示)具有向感压元件框30延 伸并露出到外部的结构。由此，感压元件32能够与位于封装外部的振荡电路(未图示)电 连接，接受来自振荡电路(未图示)的交流电压，使感压元件32的振动部36以规定的谐振 频率进行振动。作为组装顺序(参照图2)，首先，在第1层12上层叠感压元件层28。此时，第1 周缘部14的上表面与感压元件框30的下表面相粘接，且第1凸部18的顶面与第1基部34 的下表面相粘接。
接着，在层叠于第1层12上的感压元件层28上层叠第2层20。此时，感压元件框 30的上表面与第2周缘部22的下表面相粘接，第2凸部26的顶面与第2基部38的上表 面相粘接。此时，当在第2层20的上表面上的与第2凸部26相对的位置处载置锭子(未 图示)而使第2凸部26与第2基部38接合起来时，保持第2基部38的第2连接部42相 对于锭子(未图示)的荷重产生抗力，所以，增大了第2凸部26与第2基部38之间的密合 性，其接合度提高。在各层的粘接中，可以采用以下方法等使用了低熔点玻璃的接合方法；使用含 有醇盐、有机硅氧基(organosiloxy)等的接合部件，通过对该接合部件照射紫外线等的能 量线而使其活化来进行接合的方法；以及接合部件使用了金锡合金等共晶合金的覆膜的共 晶接合方法。当然也可以使用后述的固相接合。这样，在按照第1层12、感压元件层28以及第2层20的顺序进行了层叠之后，例 如从形成在第1层12的第1周缘部14、感压元件层28的感压元件框30、第2层20的第2 周缘部22的任意侧面上的密封孔(未图示)进行抽真空，然后将密封孔(未图示)密封， 由此形成了压力传感器元件10。根据上述结构，使用图5、图6来描述第1实施方式的压力传感器元件10的动作。 首先，在图5中，作为比较例，对具有与现有技术相同的结构来测定绝对压力的压力传感器 元件中伴随针对感压元件的加速度而产生的应力进行描述。另外，在图5、图6中，为了容易 理解，对各膜片因压力或加速度而产生的挠曲变形进行了强调性的描绘，但其实际是极其 微小的。如图5(a)所示，比较例的测定绝对压力的压力传感器元件60具有封装62 ；形成 在封装62的一个面上的膜片64 ；以及真空密封在封装62内部的感压元件66，感压元件66 在长度方向上具有第1基部68、振动部70以及第2基部72，且该感压元件66被配置成所述长度方向与所述膜片64的位移方向(士Z方向)垂直(士X方向)，第1基部68与形成在 膜片64内侧的第1支承部74连接，第2基部72与形成在膜片64内侧的第2支承部76连 接。而且，如现有技术所述，使膜片64的法线朝向铅直方向(士Z方向)而将其搭载于汽车 等上，当该汽车等轧上台阶时，如图5 (a)所示，压力传感器元件60受到-Z方向的加速度和 +Z方向的加速度。如图5 (b)所示，在对压力传感器元件60施加了 -Z方向的加速度G的情况下，膜 片64向-Z方向挠曲变形而产生位移。由此，第1支承部74向-Z方向位移，对第1基部68 施加了在大致-X方向的力fl。并且，第2支承部76向-Z方向位移，对第2基部72施加了 大致+X方向的力fl。由此，振动部70承受来自于于两端的拉伸应力，谐振频率增高。另一方面，如图5(c)所示，在施加了 +Z方向的加速度G的情况下，膜片64向+Z 方向挠曲变形而产生位移。由此，第1支承部74向+Z方向位移，对第1基部68施加了大 致+X方向的力f2。并且，第2支承部76向+Z方向位移，对第2基部72施加了大致-X方 向的力f2。由此，振动部70承受来自于两端的压缩应力，谐振频率降低。
这样，感压元件66的振动部70的受力方向随着承受加速度的方向不同而发生变 化，因此，本发明人设想到只要如下图所示地使在第1基部34产生的力与在第2基部38 产生的力相抵消，即可消除由因对压力传感器元件10附加加速度引起的多余挠曲量产生 的谐振频率的变动。图6示出了第1实施方式的压力传感器元件承受压力和加速度时的动作。图6 (a) 是压力传感器元件未承受压力和加速度时的示意图，图6(b)是承受压力P时的示意图，图 6(c)是承受加速度G时的示意图。如图6 (b)所示，在对压力传感器元件10施加了压力P的情况下，第1膜片46向+Z 方向位移，第2膜片48向-Z方向位移。由此，第1支承部50向+Z方向位移，对第1基部 34施加大致+X方向的力Π，而第2支承部52向-Z方向位移，对第2基部38施加大致-X 方向的力fl。由此，振动部36承受来自于两端的力fl，受到拉伸应力而使谐振频率变高， 由此，能够进行压力检测。另一方面，如图6(c)所示，在对压力传感器元件10施加了 -Z方向上的加速度G 的情况下，第1膜片和第2膜片向-Z方向位移。由此，第1支承部50向-Z方向位移，对第 1基部34施加大致-X方向的力f2。另一方面，第2支承部52向-Z方向位移，对第2基部 38施加大致-X方向的力fl。这里，第1膜片46和第2膜片48的针对压力的特性相同。 并且，第1支承部50和第2支承部52为相同尺寸，且感压元件32具有以中心线C为基准 呈线对称的形状。而且，当使压力传感器元件10反转时，第1支承部50与第2支承部52 的位置相互重合，第1基部34与第2基部38的位置相互重合，所以，具有以中心0(参照图 6(a))为基准的180度的旋转对称性。因此，上述fl与f2的大小大致彼此相等，所以，对 振动部36的作为一个基部的第1基部34产生了拉伸应力，而对作为另一个基部的第2基 部38则产生了压缩应力，即，在各个基部上产生了彼此不同的应力，由此，分别产生的应力 相互抵消，结果，振动部36既不产生拉伸应力也不产生压缩应力，不会因加速度产生谐振 频率的变动。而且，如上所述，压力传感器元件10具有以所述中心0为基准的180度的对 称性，所以，即使向相反方向施加了加速度G，同样不会因加速度产生谐振频率的变动。为了提高第1实施方式的压力传感器元件10的灵敏度，需要减薄第1膜片46和第2膜片48的板厚，来增加各膜片的位移量。但是，第1膜片46和第2膜片48分别一体地构成由第1凹部16和第2凹部24形成的薄壁的区域、以及支承感压元件32的第1凸部 18 (第1支承部50)、第2凸部26 (第2支承部52)等厚壁的区域，所以，使用厚壁且呈平板 状的基板来形成薄壁区域，需要进行挖入作业。但是，在进行该挖入加工时，上述膜片可能 产生以下问题。首先，在上述膜片是由石英基板形成的情况下，通过光刻/蚀刻或喷砂来进行挖 入加工。在利用光刻/蚀刻对上述膜片进行挖入加工时，有时会因石英基板所具有的晶变 而形成被称为H管(H pipe)(也称为Hchannel、H tube, H tunnel)的针状的细孔。而且， 包含上述膜片的压力传感器元件的H管形成在上述膜片的薄壁区域中，因此，当压力传感 器元件10的内部与外部空气贯通时，压力传感器元件10内未得到气密性的密封，可能无法 保持绝对压力检测所需要的真空状态。另一方面，在通过喷砂来进行上述挖入加工时，由于 喷砂中的高压喷吹，可能在上述膜片的薄壁区域中产生裂缝或裂痕等，从而使上述膜片受 到损坏。因此，为了避免这些问题，压力传感器元件需要将膜片的薄壁区域的板厚设定为 比会产生这些问题的厚度更厚。由此，在第1实施方式的压力传感器元件10中，具有如下 问题由于因各膜片的结构引起的加工上的制约，很难通过进一步减薄第1膜片46和第2 膜片48的薄壁区域的板厚，来增加各膜片的位移量而得到更高的灵敏度。因此，在第2实 施方式中，阐述解决上述问题的结构。图7示出了第2实施方式的压力传感器元件80的层叠结构。第2实施方式的压 力传感器元件80使用石英等作为材料，具有按照第1膜片层82、第1支承部层84、感压元 件层28、第2支承部层92、第2膜片层100的顺序层叠了 5层的结构。另外，第1实施方式 中的第1层12相当于第1膜片层82与第1支承部层84层叠而成的结构，第2层20相当 于第2支承部层92与第2膜片层100层叠而成的结构，感压元件层28与第1实施方式相 同。第1膜片层82和第2膜片层100是由石英形成的矩形的板材。第1膜片层82和第 2膜片层100是通过如下方式形成的利用抛光研磨将从石英原石切取出的石英坯板(未 图示)研磨至规定厚度，进行表面研磨来提高平坦度，然后，为了去除所述石英基板的表面 上残留的应力缓解或加工痕迹等的加工变质层，利用稀氟酸等对所述石英基板的表面进行 蚀刻。由此，不存在利用蚀刻或喷砂对石英坯板(未图示)本身进行挖入的工序，所以，不 会产生第1实施方式中所述的H管、裂缝、裂痕等问题，能够容易地形成薄壁的板材。第1支承部层84具有第1支承部86 ；围住第1支承部86的第1支承部框88 ； 以及从第1支承部框88延伸出的连接到第1支承部86的第1梁90。而且，第1支承部86 与第1膜片层82连接而形成第1实施方式的第1凸部18，第1支承部框88与第1膜片层 82连接而形成第1实施方式的第1周缘部14和第1凹部16。并且，第1膜片层82与第1 支承部层84连接而形成第1实施方式的第1膜片46。第2支承部层92具有第2支承部94 ；围住第2支承部94的第2支承部框96 ； 以及从第2支承部框96延伸出的连接到第2支承部94的第2梁98。而且，第2支承部94 与第2膜片层100连接而形成第1实施方式的第2凸部26，第2支承部框96与第2膜片层 100连接而形成第1实施方式的第2周缘部22和第2凹部24。并且，第2膜片层100与第2支承部层92连接而形成第1实施方式的第2膜片48。第1梁90和第2梁98与第1连接部40和第2连接部42同样，具有相对于感压 元件32的长度方向(士X方向)垂直地延伸的部分。由此，在第1支承部86和第2支承部 94在长度方向上发生位移的情况下，在第1梁90和第2梁98上，与长度方向垂直的部分 能够在长度方向上弯曲，所以，能够减轻对第1支承部86和第2支承部94在长度方向上的 移动造成妨碍的程度。而且，与第1连接部40和第2连接部42同样，第1支承部86和第 2支承部94可以采用图8 (a) (d)、图9(a) (d)所示的几种形式。如图8(a)所示，通 过使第1梁90和第2梁98形成为分别从第1支承部框88、第2支承部框96的长边88a、 96a的内侧延伸出的波浪形状，从而使两者具有弹性。由此，能够避免应力集中于第1梁90 和第2梁98，能够提高损坏临界点。如图8(b)、(c)所示，通过形成为“L”形或“二”形，能 够以第1梁90和第2梁98的与感压元件32的长度方向垂直的部分弯折成直角的位置为 轴而在长度方向上弯曲。此外，如图8(d)所示，可以构成为，分别从第1支承部框88内侧、第2支承部框96 内侧的角部向倾斜方向延伸出第1梁90和第2梁98并分别连接到第1支承部86、第2支 承部94。而且，在该状态下，还可以使第1梁90和第2梁98如图8(a)所示地形成为波浪 形。通过采用这种形状，能够使第1梁90和第2梁98具有弹性，应力不会集中于第1梁90 和第2梁98，所以，能够提高损坏临界点。
此外，如图9(a)、(b)所示，可以构成为，分别从第1支承部框88、第2支承部框 96的短边88b、96b的内侧延伸出“L”形或“ - ”形的第1梁90和第2梁98并分别与第1 支承部86、第2支承部94连接。由此，能够减少第1支承部86和第2支承部94的连接部 位，防止感压元件32的灵敏度劣化。该情况下，如图9 (c)(对应于图9 (a))、(d)(对应于图 9 (b))所示，也可以各设置2个第1梁90和第2梁98，从而相对于感压元件32的长度方向 (士X方向)具有对称性而不会偏向一方，确保了平衡。而且，在图8(b)、(c)以及图9(a)、 (b)、(c)、(d)的情况下，容易制作光刻/蚀刻加工中的掩模，所以能够实现稳定的量产。像 这样，第1梁90和第2梁98可采用多种形式，而为了不使第1支承部86和第2支承部94 的移动性产生差异，这些方式均具有以中心线C为基准呈线对称的关系。在第2实施方式的压力传感器元件80的组装中，首先，分别通过固相接合将第1 膜片层82与第1支承部层84以及第2支承部层92与第2膜片层100连接起来。这里，固相接合是指不使用粘接剂来将固相成分彼此接合的方法，在本实施方式 中，具体而言，可以列举出直接接合、金属接合、阳极接合等。直接接合通过如下方式等来进 行在确保了平坦性的石英基板的接合面上，利用酸等化学药品使表面略微氧化来形成薄 的氧化膜，同时进行使表面附着氢氧基的亲水化处理，使亲水化处理后的接合面彼此抵接， 由于氢氧结合的作用使对应的氢氧基彼此结合，然后利用热处理，使氢氧基以水的形态排 出到系统外。在接合面上不会因直接接合而形成新的接合膜。金属接合是通过如下方式来进行接合在确保了平坦性的两个接合面上，通过溅 射等形成厚度为0. 1 μ m左右的Au膜等的金属膜，通过等离子照射使两个金属膜的表面活 化，使活化后的金属膜表面彼此抵接，进行加热加压，使活化的金属原子从抵接面向彼此扩 散，使抵接的膜彼此一体化。在接合后，形成0. 2 μ m左右的作为金属膜的接合膜。阳极接合是通过对位于接合界面的金属进行氧化这种化学反应来实现的，在石英基板与玻璃部件之间的阳极接合中，在确保了平坦性的石英部件的接合面上，通过溅射等 形成铝等的金属膜，然后使确保了平坦性的玻璃部件的接合面与所形成的金属膜的表面抵 接。这里，一般在玻璃部件中含有钠等的金属离子，所以在玻璃部件的接合面附近存在接合 所需要的金属，能够实现阳极接合。在进行阳极接合时，将金属膜作为阳极，在玻璃部件的 与接合面相对的面上配置阴极，对它们之间施加电场。由此，玻璃中包含的钠等的金属离子 向阴极侧移动，与此相伴，在接合面附近，氧离子的数量增加，成为形成了电气双重层的状 态。其结果，在接合界面上，与玻璃部件接触的金属膜被氧化，得到两者接合后的状态，接合 后，形成了 0. 1 μ m左右的接合膜。这些接合能够利用远远小于导电膏的接合面积而得到充分的接合强度，从而在本 实施方式中，能够利用100 μ m 300 μ m左右的接合宽度以充分的接合强度将晶片彼此接合此时，第1支承部86与第1膜片层82以及第2支承部94与第2膜片层100通过 固相接合而接合起来，而为了不妨碍第1支承部86、第2支承部94的位移，第1梁90和第 2梁98分别不与第1膜片层82、第2膜片层100接合。接着，将第1支承部框88的上表面与感压元件框30的下表面粘接起来，将第1支 承部86的上表面与第1基部34的下表面粘接起来。然后，将感压元件框30的上表面与第 2支承部框96的下表面粘接起来，将第2基部38的上表面与第2支承部94的下表面粘接起来。在该粘接中，可以采用以下方法等使用了低熔点玻璃的接合方法；使用含有醇 盐、有机硅氧基(organosiloxy)等的接合部件，通过对该接合部件照射紫外线等的能量线 而使其活化来进行接合的方法；以及接合部件使用了金锡合金等共晶合金的覆膜的共晶接 合方法。当然也可以使用上述固相接合。并且，在上述第1膜片层82与第1支承部层84之间以及第2膜片层100与第2 支承部层92之间的接合中，也可以分别利用固相接合对第1膜片层82与第1支承部86以 及第2膜片层100与第2支承部94进行接合，而利用上述粘接方法来粘接其他部分。在这样地按照第1膜片层82、第1支承部层84、感压元件层28、第2支承部层92、 第2膜片层100的顺序进行了层叠后，例如从形成在第1支承部层84的第1支承部框88、 感压元件层28的感压元件框30、第2支承部层92的第2支承部框96的任意侧面上的密封 孔(未图示)进行抽真空，然后将密封孔(未图示)密封而形成了压力传感器元件80。这样，在第2实施方式中，虽然层叠结构比第1实施方式复杂，但是，第1膜片层82 和第2膜片层100不需要利用光刻/蚀刻或喷砂等进行挖入的工序，所以，能够避免在各膜 片层中形成因光刻/蚀刻引起的H管，且能够避免因喷砂引起的裂缝或裂痕。通过将第1实施方式的压力传感器元件10、第2实施方式的压力传感器元件80分 别安装在压力传感器用的基板上而形成压力传感器。图10(a)、(b)示出了第3实施方式的压力传感器110。如图10 (a)所示，第3实 施方式的压力传感器110具有搭载所述压力传感器元件10、80的基板112 ；凸块114，其设 置在所述基板112的与所述压力传感器元件10、80抵接的位置处，使所述压力传感器元件 10,80与所述基板112之间形成间隙；以及驱动电路116，其与所述压力传感器元件10、80 电连接，驱动所述压力传感器元件10、80，所述驱动电路116构成为利用由Au等形成的丝线118，通过引线键合与所述压力传感器元件10、80电连接。压力传感器元件10、80的感压元件层28的感压元件框30的一部分具有伸出部 30c，在该伸出部30c的上表面上引出与感压元件32的激励电极(未图示)连接的引出电 极(未图示)。另一方面，在基板112上搭载有驱动电路116，且在基板112上设有与驱动 电路116连接的连接电极120。设置在基板112上的凸块114具有一定的高度，在与压力 传感器元件10、80的面向基板112的第1层12(第1膜片层82)的角部对应的位置处，配 置有4个上述凸块。在压力传感器元件10、80的第1层12 (第1膜片层82)侧朝向基板侧 且将压力传感器元件10、80按压在凸块114上的状态下，通过对凸块114施加高频，从而经 由凸块114将压力传感器元件10、80固定在基板112上。然后，通过丝线的引线键合将引 出电极(未图示)与连接电极120连接起来。由此，驱动电路116与感压元件32电连接。 而且，由于是通过引线键合将驱动电路116与压力传感器元件10、80电连接，因此，驱动电 路116以及压力传感器元件10、80在基板112上的配置自由度提高。此外，压力传感器元 件10、80与基板112是经由凸块114相连接，从而在压力传感器元件10、80与基板112之 间形成有间隙122，因此，构成了这样的压力传感器110 其能够防止与基板112相对的第1 层12(第1膜片层82)针对压力的响应发生劣化，且不会妨碍因加速度引起的向基板112 侧的位移。另外，如图10(b)所示，也可以构成为引出电极向第1层12(第1膜片层82)侧 引出，在基板112上的与引出电极相对的位置处，配置与连接电极120连接的作为导体的凸 块114，在将压力传感器元件10、80按压在凸块114上的状态下，对凸块114施加高频，由 此，经由凸块114将压力传感器元件10、80固定在基板112上，并且，将驱动电路116与压 力传感器元件10、80电连接。由此，能够削减在基板112上进行安装所需要的面积和体积， 因此能够构筑小型化的压力传感器110。图11(a)、(b)示出了第4实施方式的压力传感器。如图11 (a)所示，第4实施方 式的压力传感器130具有第1实施方式或第2实施方式的压力传感器元件10、80 ；搭载所 述压力传感器元件10、80的基板132 ；以及驱动电路134，其与所述压力传感器元件10、80 电连接，驱动所述压力传感器元件10、80，所述压力传感器元件10、80构成为，所述压力传 感器元件10、80的侧面中的任意一个面均与所述基板132相粘接。搭载压力传感器元件10、80的基板132采用如下形式具有贯通孔132a，该贯通 孔132a形成为与压力传感器元件10、80的外形(XY面)相仿的形状，用于嵌入压力传感器 元件10、80，在该贯通孔132a中嵌入压力传感器元件10、80并利用粘接剂等进行粘接。该 情况下，压力传感器元件10、80的所有侧面均与基板粘接，具有第1膜片46和第2膜片48 的面外露，但也可以构成为，在基板132的具有与压力传感器元件10、80的厚度相同的厚度 的侧面，与压力传感器元件10、80的侧面相粘接。由此，第1膜片46 (第1层12、第1膜片层82)和第2膜片48 (第2层20、第2膜片层100)在压力测定中不会受到基板132的干扰。由此，构成了这样压力传感器130 其 降低了因加速度引起的压力测定值误差，且实现了薄型化。并且，如图11 (b)所示，驱动电路134也嵌入到基板132中，驱动电路134与压力传 感器元件10、80之间的连接可以通过如下方式来实现利用丝线136的引线键合，将在第1 层12、第1膜片层82(也可以是第2层20、第2膜片层100)上引出的引出电极(未图示)与位于驱动电路134的有源面上的规定电极(未图示)连接起来。 在上述任意实施方式中，感压元件32均采用了由2个振动臂来形成振动部的双音 叉型压电振子，但不限于此，如图12所示，也可以采用由1个振动臂来形成感压元件33的 振动部37的单臂型压电振子。
权利要求
一种压力传感器元件，其特征在于，该压力传感器元件具有封装；第1膜片，其设置在所述封装的一个面上；第2膜片，其设置在所述封装的与所述一个面相对的面上；以及感压元件，其配置在所述封装内部，所述感压元件具有第1基部，其形成在长度方向上的一端；第2基部，其形成在所述长度方向上的所述一端的相反侧的另一端；以及振动部，其形成在所述第1基部与所述第2基部之间，该感压元件被配置成所述长度方向与各膜片的位移方向垂直，所述第1基部与所述第1膜片连接，所述第2基部与所述第2膜片连接。
2.一种压力传感器元件，该压力传感器元件具有受力而发生位移的第1层和第2层； 以及形成在所述第1层与第2层之间的检测所述位移的感压元件层，其特征在于，所述感压元件层具有 振动部，其检测所述位移；第1基部，其形成在所述振动部的长度方向上的一端； 第2基部，其形成在所述长度方向上的所述一端的相反侧的另一端； 感压元件框，其围住所述振动部、所述第1基部和所述第2基部； 第1连接部，其将所述感压元件框与所述第1基部连接起来；以及 第2连接部，其将所述感压元件框与所述第2基部连接起来， 所述第1层具有第1周缘部，其形成在与所述感压元件层相对的面上； 第1凹部，其形成在所述第1周缘部的内侧，承受所述力而发生位移；以及 第1凸部，其形成在所述第1凹部的与所述第1基部相对的位置处， 所述第2层具有第2周缘部，其形成在与所述感压元件层相对的面上；第2凹部，其形成在所述第2周缘部的内侧，承受所述力而发生位移；以及第2凸部，其形成在所述第2凹部的与所述第2基部相对的位置处，其中，按照所述第1周缘部、所述感压元件框、所述第2周缘部的顺序进行层叠，并且，所述第1基部与所述第1凸部连接，所述第2基部与所述第2凸部连接。
3.根据权利要求2所述的压力传感器元件，其特征在于，所述第1连接部和所述第2连接部具有相对于所述长度方向垂直地延伸的部分。
4.根据权利要求2或3所述的压力传感器元件，其特征在于，所述第1层具有第1膜片层与第1支承部层的层叠结构，所述第2层具有第2支承部 层与第2膜片层的层叠结构，所述第1支承部层具有第1支承部；围住所述第1支承部的第1支承部框；以及从所 述第1支承部框延伸出的连接到所述第1支承部的第1梁，所述第1支承部与所述第1膜片层连接而形成所述第1凸部， 所述第1支承部框与所述第1膜片层连接而形成所述第1周缘部和所述第1凹部， 所述第2支承部层具有第2支承部；围住所述第2支承部的第2支承部框；以及从所 述第2支承部框延伸出的连接到所述第2支承部的第2梁，所述第2支承部与所述第2膜片层连接而形成所述第2凸部，所述第2支承部框与所述第2膜片层连接而形成所述第2周缘部和所述第2凹部。
5.根据权利要求4所述的压力传感器元件，其特征在于，所述第1梁和所述第2梁具有相对于所述长度方向垂直地延伸的部分。
6.一种压力传感器，其特征在于，该压力传感器具有 权利要求1 5中任一项所述的压力传感器元件； 搭载所述压力传感器元件的基板；凸块，其设置在所述基板的与所述压力传感器元件抵接的位置处，使所述压力传感器 与所述基板之间形成间隙；以及驱动电路，其与所述压力传感器元件电连接，驱动所述压力传感器。
7.一种压力传感器，其特征在于，该压力传感器具有 权利要求1 5中任一项所述的压力传感器元件； 搭载所述压力传感器元件的基板；以及驱动电路，其与所述压力传感器元件电连接，驱动所述压力传感器， 关于所述压力传感器元件，所述压力传感器元件的侧面中的任意一个面均与所述基板 相粘接。
8.根据权利要求6或7所述的压力传感器，其特征在于， 所述驱动电路通过弓I线键合与所述压力传感器元件电连接。
9.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述驱动电路经由所述凸块与所述压力传感器元件电连接。
全文摘要
本发明提供压力传感器元件以及压力传感器，其降低了加速度敏感度。具有封装(44)；第1膜片(46)，其设置在所述封装(44)的一个面上；第2膜片(48)，其设置在所述封装(44)的与所述一个面相对的面上；感压元件(32)，其配置在所述封装(44)内部，所述感压元件(32)具有第1基部(34)，其形成在长度方向上的一端；第2基部(38)，其形成在所述长度方向上的所述一端的相反侧的另一端；振动部(36)，其形成在所述第1基部(34)与所述第2基部(38)之间，该感压元件(32)被配置成所述长度方向与各膜片的位移方向垂直，所述第1基部(34)与所述第1膜片(46)连接，所述第2基部(38)与所述第2膜片(48)连接。
文档编号G01L9/00GK101819079SQ201010126148
公开日2010年9月1日 申请日期2010年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者佐藤健太 申请人:爱普生拓优科梦株式会社
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