物理量検出器及びその製造方法
【課題】リフロー等の高温処理による圧力検出値のドリフトが生じるのを低減する物理量検出器及びその製造方法を提供する。
【解決手段】圧力センサー１のダイアフラム層２０の支持枠部２０６と固定部とは第１接合材４０を用いて接合され、感圧素子層１０の一対の基部１６ｂと一対の支持部２１０とは、第１接合材４０の融点よりも高い融点を有する第２接合材５０を用いて接合されている。
【解決手段】圧力センサー１のダイアフラム層２０の支持枠部２０６と固定部とは第１接合材４０を用いて接合され、感圧素子層１０の一対の基部１６ｂと一対の支持部２１０とは、第１接合材４０の融点よりも高い融点を有する第２接合材５０を用いて接合されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量検出器及びその製造方法に関し、特に、耐リフロー特性に優れた物理量検出器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、力検出素子として使用する圧電振動子と、圧力（気体や液体の圧力、等）を受圧し、或いは外力により押圧されて撓むダイアフラムとを備えたダイアフラム式の圧力センサー等の物理量検出器が存在する。例えば、特許文献１乃至４に開示されているダイアフラム式の圧力センサーは、ダイアフラム層と、ベース層（蓋部）と、中間層としての感圧素子層とから構成されている。感圧素子層の中央部には双音叉振動子等で構成される感圧素子が配置される。ダイアフラム層には感圧素子の感圧部（振動部）の両端に配置された一対の基部を固定するための一対の支持部が設けられており、当該一対の支持部により前記一対の基部が接着剤等の接合部材により固定されて支持されている。このダイアフラム式の圧力センサーは、被検出圧力を受圧したダイアフラム層が撓み変位すると、その変位がダイアフラム層を介して力に変換されて、物理量検出素子である感圧素子に伝わると、伝達された力により内部に生じた内部応力（引張り応力や圧縮応力）によって前記感圧素子の共振周波数が変化し、この共振周波数の変動を測定して前記被検出圧力を検出する。
【０００３】
圧力センサーを製造する場合、まずダイアフラム層と感圧素子層とを接合し、その後感圧素子層とベース層とを接合する。特許文献１には、接着剤を使用して接合する技術が示されている。
【０００４】
ここで、接合に用いる接合材とダイアフラム層、感圧素子層、ベース層との熱膨張係数が異なる場合には、温度変化による熱歪みが生じ、当該熱歪みに起因して前記内部応力が変化する。この内部応力の変化により感圧素子の共振周波数が変動し、被測定圧力の検出精度が低下してしまうという問題が生じることとなる。
【０００５】
このような熱歪みによる圧力検出の精度低下を防ぐために、特許文献２乃至４には、ダイアフラム層、ベース層、感圧素子層それぞれを水晶基板で形成した場合、接合材の熱膨張係数を水晶の熱膨張係数とほぼ等しくすることが提案されている。
【０００６】
ダイアフラム層、感圧素子層及びベース層の熱膨張係数と、接合材の熱膨張係数とをほぼ等しくしておけば、曝露される圧力センサーの環境雰囲気の温度が変化しそれに伴って各部材の膨張や収縮が生じたとしても、接合材も同じ割合（膨張率）で膨張や収縮をすることとなるので、熱歪に起因した内部応力は発生せず、結果として圧力検出精度の劣化は発生しないこととなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２７５４４５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１７３４２号公報
【特許文献３】特開２０１０−１６４５００号公報
【特許文献４】特開２０１０−１６４３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、接合材の熱膨張係数を圧力センサーの各部材の熱膨張係数とほぼ等しくした場合、以下のような問題が生じる。
圧力センサーの各部材を水晶としたとき、水晶は結晶材料なので熱膨張係数が約１４（ｐｐｍ／Ｋ）と、接合材に用いられる一般的なＰｂＯ（酸化鉛）系低融点ガラスに比べて大きい。ＰｂＯ系低融点ガラスは、金属酸化物等のフィラーを混合することで、熱膨張係数を大きくし水晶の熱膨張係数に合わせることができるが、融点が低下する。このように熱膨張係数を水晶に合わせることで融点が低下した低融点ガラスを用いて圧力センサーの各部材を接合した後、当該圧力センサーをリフロー等の高温処理により回路基板等の実装基板に実装すると、前記感圧素子の前記一対の基部と前記ダイアフラム層とを接合している低融点ガラスが再溶融してしまう。この再溶融によって、前記感圧素子の前記一対の基部と前記ダイアフラムの前記一対の支持部との固定点にズレが生じ、当該ズレが生じた状態で前記低融点ガラスが再硬化してしまうこととなる。故に、環境雰囲気の温度が変化しそれに伴って各部材の膨張や収縮が生じたときに生じる熱歪の度合い（程度）が、前記再溶融する前の熱歪と比較して差が生じることとなり、この熱歪の差に起因して感圧素子に生じる内部応力に変化が生じてしまうので、検出すべき圧力値にドリフト等の変動が生じる原因となってしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、リフロー等の高温処理により圧力検出値のドリフトが生じるのを低減する物理量検出器及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、温度変化による感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を防ぎ、高精度な圧力検出を実現可能な物理量検出器及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、リフロー等の高温処理による接合材の再溶融と熱膨張係数との影響の度合いを考慮して、より精度の高い圧力検出を可能とする物理量検出器及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、各部材を接合材により良好に接合することができる物理量検出器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】
【００１１】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］一対の基部と前記一対の基部の間に配置されている感圧部とを含む感圧素子と、前記一対の基部が第２接合材を介して接合されている一対の支持部を備えている可撓部と、前記可撓部の周縁を支持する支持枠部と、を含むダイアフラムと、前記支持枠部が第１接合材を介して固定されている固定部と、を備え、前記第２接合材の融点は、前記第１接合材の融点よりも高いことを特徴とする物理量検出器。
【００１２】
本発明によれば、ダイアフラムの支持枠部と固定部とは第１接合材を用いて接合され、ダイアフラムの一対の支持部と感圧素子の一対の基部とは第２接合材を用いて接合され、第２接合材の融点は第１接合材の融点よりも高いため、製造後の物理量検出器に対してリフロー等の高温処理を行う際に、第２接合材の再溶融を低減することができ、第２接合材の再溶融による感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を低減し、検出値のドリフトが生じるのを低減することができる。
【００１３】
［適用例２］前記第１接合材の熱膨張係数と、前記第１接合材により接合される部分の熱膨張係数とは、ほぼ等しいことを特徴とする適用例１に記載の物理量検出器。
第１接合材により接合される部分は、第１接合材の再溶融による圧力検出値のドリフトの影響よりも、第１接合材と該第１接合材により接合される部分との熱膨張係数のズレによる圧力検出値のドリフトの影響が大きいので、上記構成とすることで、温度変化による検出値のドリフトをより小さくすることができ、検出値の精度を向上させることができる。
【００１４】
［適用例３］前記第１接合材と該第１接合材により接合される部分との熱膨張係数の差の絶対値は、前記第２接合材と該第２接合材により接合される部分との熱膨張係数の差の絶対値よりも小さいことを特徴とする適用例１又は２に記載の物理量検出器。
本発明によれば、第１接合材の熱膨張係数を、第１接合材により接合される部分の熱膨張係数に、より近づけることができるため、温度変化による検出値のドリフトをより小さくすることができ、検出値の精度を向上させることができる。
【００１５】
［適用例４］前記固定部の機能を備えているベースを含み、前記感圧素子を覆うように前記ベースと前記ダイアフラムが積層されていることを特徴とする適用例１乃至３のうちいずれか１例に記載の物理量検出器。
本発明によれば、前記物理量検出器が前記固定部の機能を備えているベースを含み、前記感圧素子を覆うように前記ベースと前記ダイアフラムが積層されている３層構造の場合にも、感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を低減して、検出値のドリフトが生じるのを低減し、検出値の精度を向上させることができる。
【００１６】
［適用例５］前記感圧素子を囲む枠部と、当該枠部と前記感圧素子とを連結する接続部と、を含み、前記枠部が前記固定部の機能を備えていることを特徴とする適用例１乃至３のうちいずれか１例に記載の物理量検出器。
本発明によれば、前記物理量検出器が前記感圧素子を囲む枠部と、当該枠部と前記感圧素子とを連結する接続部と、を含み、前記枠部が前記固定部の機能を備えている場合にも、感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を低減して、検出値のドリフトが生じるのを低減し、検出値の精度を向上させることができる。
【００１７】
［適用例６］前記感圧素子を覆うように前記ダイアフラムと前記枠部とベースとが積層され、前記枠部は、当該枠部に対向する前記ベースの接合部に前記第１接合材を用いて接合されていることを特徴とする適用例５に記載の物理量検出器。
本発明によれば、前記感圧素子を覆うように前記ダイアフラムと前記枠部とベースとが積層されている３層構造の場合にも、感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を低減して、検出値のドリフトが生じるのを低減し、検出値の精度を向上させることができる。
【００１８】
［適用例７］前記第１接合材により接合される部分は水晶であり、前記第１接合材の熱膨張係数は前記第２接合材の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする適用例１乃至６のうちいずれか１例に記載の物理量検出器。
水晶の熱膨張係数は比較的大きいため、第１接合材の熱膨張係数を第２接合材よりも大きくすることで第１接合材と該第１接合材で接合される部分との熱膨張係数の差を小さくすることができ、また、第２接合材の融点を第１接合材の融点よりも高くすることで、基板への実装時に加熱を行う際に第２接合材の再溶融を低減することができるため、全体として検出値のドリフトを抑え、検出値の精度を向上させることができる。
【００１９】
［適用例８］前記第２接合材はガラス材であることを特徴とする適用例１乃至７のうちいずれか１例に記載の物理量検出器。
本発明によれば、第２接合材としてガラス材を用いることで、第２接合材の融点を、基板への実装時に加熱を行う際の温度よりも高くすることができる。
【００２０】
［適用例９］前記ガラス材は、金属微粒子を含有していることを特徴とする適用例８に記載の物理量検出器。
本発明によれば、ガラス材に含有させる金属微粒子の量を調整することで、融点と熱膨張係数とを調整することができる。
【００２１】
［適用例１０］適用例１乃至９のうちいずれか１例に記載の物理量検出器の製造方法であって、前記第２接合材の融点は、前記物理量検出器が基板へ実装されるときの加熱温度よりも高いことを特徴とする物理量検出器の製造方法。
本発明によれば、物理量検出器の基板への実装時に加熱を行う際に、第２接合材の再溶融を防止することができ、第２接合材の再溶融による感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を抑圧し、検出値のドリフトを防止し、高精度な物理量の検出が実現可能となる。
【００２２】
［適用例１１］一対の基部と前記一対の基部の間に配置されている感圧部とを含む感圧素子と、前記一対の基部が第２接合材を介して接合されている一対の支持部を備えている可撓部と、前記可撓部の周縁を支持する支持枠部と、を含むダイアフラムと、前記支持枠部が前記第２接合材の融点よりも低い融点を有する第１接合材を介して固定されている固定部とを備えた物理量検出器の製造方法であって、前記ダイアフラムの前記一対の支持部に前記第２接合材を塗布する工程と、前記一対の支持部に塗布された前記第２接合材を仮焼成する工程と、前記ダイアフラムにおける前記支持部が設けられた主面側の前記支持枠部に、前記第１接合材を前記第２接合材の厚みよりも厚く塗布する工程と、前記支持枠部に塗布された前記第１接合材を仮焼成する工程と、前記第１接合材を前記第１接合材の融点以上かつ前記第２接合材の融点未満に加熱して、前記第１接合材を用いて前記ダイアフラムの前記支持枠部と前記固定部とを接合する第１接合工程と、前記第２接合材と前記感圧素子の前記一対の基部とを接触させた状態で、前記第２接合材の融点以上に加熱して、前記第２接合材を用いて前記ダイアフラムの前記一対の支持部と前記感圧素子の前記一対の基部とを接合する第２接合工程とを備えたことを特徴とする物理量検出器の製造方法。
本発明によれば、第１接合材の融点よりも第２接合材の融点の方が高いため、物理量検出器の製造後に行われるリフロー等の高温処理において、第２接合材の再溶融を防ぐことができ、感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を抑圧することができる。
また、第１接合材を塗布する厚さを第２接合材よりも厚くすることにより、まず低融点の第１接合材が接合部位に接触した状態で溶融して接合し、次に高融点の第２接合材が溶融して接合するため、低融点の第１接合材が接合部位に接触しない状態で融点以上の温度に長時間晒されて、結晶化してしまい接合できなくなるという問題点を回避することができる。
【００２３】
［適用例１２］前記第１接合工程において、前記ダイアフラムの前記支持枠部に塗布されて仮焼成された前記第１接合材と、前記感圧部を囲み前記固定部の機能を有する枠部と、を接触させ、前記第１接合材の融点以上かつ前記第２接合材の融点未満に加熱することにより、前記第１接合材を用いて、前記支持枠部と前記枠部とを接合することを特徴とする適用例１１に記載の物理量検出器の製造方法。
本発明によれば、第１接合材と第２接合材とを塗布する厚さを変えることにより、まず低融点の第１接合材が枠部に接触した状態で溶融して接合し、次に高融点の第２接合材が感圧素子の一対の基部に接触し溶融して接合するため、低融点の第１接合材が枠部に接触しない状態で融点以上の温度に長時間晒されて、結晶化してしまい接合できなくなるという問題点を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサーの展開斜視図である。
【図２】同実施形態に係る圧力センサーの動作を説明する模式断面図である。
【図３】低融点ガラスに含まれるフィラーの量に応じた、融点と熱膨張係数との関係を示すグラフの一例である。
【図４】ダイアフラム層に第１接合材及び第２接合材を仮焼成する手順を説明する図である。
【図５】仮焼成した第１接合材及び第２接合材を溶融させてダイアフラム層と感圧素子層とを接合する手順を説明する図である。
【図６】第２実施形態に係る圧力センサーの側断面図である。
【図７】図６に示す圧力センサーのＡ−Ａ断面図である。
【図８】第３実施形態に係る圧力センサーの側断面図である。
【図９】変形例に係る圧力センサーの展開斜視図である。
【図１０】感圧部としてＡＴカット振動子を用いた場合の他の変形例に係る圧力センサーを示す図であり、（ａ）は同圧力センサーの分解斜視図であり、（ｂ）は同圧力センサーの模式断面図であり、（ｃ）は同圧力センサーが備える感圧素子層の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る物理量検出器を圧力センサーに適用した場合の実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は第１実施形態に係る圧力センサーの展開斜視図であり、図２は圧力センサーの動作を説明する模式断面図である。なお、図１では接合材の図示を省略している。
【００２６】
図１に示すように、圧力センサー１は、感圧素子層１０と、感圧素子層１０の一方の主面側及び他方の主面側それぞれを気密封止するように覆うダイアフラム層（「ダイアフラム」に対応）２０とベース層（「ベース」に対応）３０とを備えている。上記各層１０、２０、３０は水晶基板を基材としている。
【００２７】
感圧素子層１０は、中央部に感圧素子としての双音叉素子１０６と、その周囲を囲む枠型の枠部１０８とを有している。本実施形態では、枠部１０８が「固定部」に対応する。双音叉素子１０６は、感圧部としての一対の平行な柱状ビーム１６ａと、両柱状ビーム１６ａの両端に接続される一対の基部１６ｂとを有している。双音叉素子１０６は、柱状ビーム１６ａに引張り応力又は圧縮応力が印加されると、その共振周波数が変化する周波数変化型の感圧素子であり、所謂、双音叉型の圧電振動子である。
【００２８】
枠部１０８は、各基部１６ｂから柱状ビーム１６ａと直交する方向に延びる一対の梁状の接続部１１０を介して双音叉素子１０６と連結されている。
双音叉素子１０６には図示せぬ励振電極と当該励振電極から延在された引出電極（リード電極）が設けられており、前記引出電極は、接続部１１０を介して枠部１０８に引き出されている。
【００２９】
ダイアフラム層２０は、一方の主面側に被測定圧力を受圧する受圧面２０４を有している。受圧面２０４は可撓性を有する可撓部であり、外部からの被測定圧力を受圧すると撓み変形する。受圧面２０４の周縁には枠型の支持枠部２０６が形成されており、当該支持枠部２０６は前記感圧素子層１０の前記枠部１０８と対向するように配置されている。
【００３０】
ダイアフラム層２０の他方の主面側であって受圧面２０４の裏側となる密閉側の主面には、双音叉素子１０６の一対の基部１６ｂを固定し、受圧面２０４の撓み変形により受圧面２０４で受圧した被測定圧力を力に変換して双音叉素子１０６に伝達するための一対の支持部２１０が設けられている。
【００３１】
ダイアフラム層２０の各支持部２１０と双音叉素子１０６の各基部１６ｂとは、第２接合材５０を介して接合される。
また、ダイアフラム層２０の他方の主面側の支持枠部２０６と、感圧素子層１０の一方の主面側の枠部１０８とは、第１接合材４０を介して接合される。
【００３２】
本実施形態において、第１接合材４０と第２接合材５０には、金属微粒子を含有する低融点ガラスを用いている。更に、第１接合材４０と第２接合材５０とでは、金属微粒子の含有量を異ならせている。本実施形態では、接合材に含有させる金属微粒子としてＰｂＯ（酸化鉛）を用いている。なお、含有させる金属微粒子はＰｂＯに限らず、例えば、チタン、ビスマス、酸化銀等であってもよい。また、第１接合材４０及び第２接合材５０それぞれを接合部に塗布する際には、有機溶媒で溶いてペースト材にされたものが用いられる。
【００３３】
図３は、低融点ガラスに含まれるフィラー（金属微粒子）の量に応じた、融点（℃）と熱膨張係数（ｐｐｍ／Ｋ）との関係を示すグラフの一例である。図３に示すように、例えば、低融点ガラスに対するフィラーの含有量が少なく融点が３３０℃の場合には熱膨張係数は１０ｐｐｍ／Ｋより若干大きい程度である。一方、低融点ガラスに対するフィラーの含有量を多くして融点を２５２℃とすると熱膨張係数は１３ｐｐｍ／Ｋとなる。このように、低融点ガラスに対するフィラーの含有量を多くするほど、融点が低くなるとともに熱膨張係数が大きくなる。このような関係を利用して、低融点ガラスにフィラーを含有させる量を調整することにより低融点ガラスの融点及び熱膨張係数を調整することが可能となる。
【００３４】
本実施形態では、第２接合材５０の融点を３２０℃、熱膨張係数を１１ｐｐｍ／Ｋとしている。圧力センサー１を回路基板等の実装基板に実装する際のリフローの温度は２７０℃程度であるため、第２接合材５０の融点を３２０℃とすることにより、リフローにより第２接合材５０は再溶融することがない。
【００３５】
双音叉素子１０６は熱歪に起因した内部応力の変化の影響を受け易く、圧力検出値のドリフトが発生し易いため、双音叉素子１０６をダイアフラム層２０と接合する第２接合材５０の再溶融を防止することで、検出圧力値のドリフトを防止し、高精度な圧力検出が実現可能となる。
【００３６】
つまり、加熱温度を２７０℃としてリフローにより本発明に係る圧力センサーを回路基板に実装したとき、前記感圧素子の前記一対の基部と前記ダイアフラム層とを接合している低融点ガラスは融点温度が３２０℃であるため溶融することはない。
故に、前記感圧素子の前記一対の基部と前記ダイアフラム層の前記一対の支持部との固定点が、低融点ガラスの溶融によりズレが発生することを防止することができる。
【００３７】
従って、本発明に係る圧力センサーは、環境雰囲気の温度が変化しそれに伴って各部材の膨張や収縮が生じたときに生じる熱歪の度合い（程度）が、圧力センサーの製造時とリフロー後とで差が生じることがないので、従来技術の如き構造を有する圧力センサーにおいて課題となっていた、前記リフローに起因して感圧素子に生じる内部応力の変化によって、検出すべき圧力値にドリフト等の変動が生じるという問題を防止することができるという優れた効果を発揮する。
【００３８】
なお、上述した第２接合材５０の融点及び熱膨張係数の値は一例に過ぎない。低融点ガラスに金属微粒子を含有させる量を調整して、第２接合材５０の融点をリフロー温度以下とならない範囲で下げつつ、熱膨張係数を大きくして第２接合材５０の熱膨張係数を水晶の熱膨張係数により近づけるようにすれば、圧力検出値のドリフトをより小さくすることができる。
【００３９】
一方、本実施形態では、第１接合材４０の融点を２６０℃とし、熱膨張係数を１３ｐｐｍ／Ｋとしている。第１接合材４０は、第２接合材５０よりも混合する金属微粒子の量を多くしているため、第２接合材５０よりも融点が低くかつ熱膨張係数が大きくなっている。
【００４０】
水晶の熱膨張係数は、音叉型の圧電振動子において一般的に用いられる、Ｘ軸（電気軸）とＹ軸（機械軸）とを含む平面と主面とが平行な基板であるＺカット基板（主面に対してＺ軸（光学軸）が直交する基板）、若しくは、音叉型の圧電振動子の周波数温度特性を示す、上に凸の二次曲線のピーク温度（頂点温度）が使用温度範囲の中間にくるように、水晶のＸ軸を回転軸として前記Ｚカット基板を数度回転したカット角により切り出された水晶基板において、室温から１２０℃までの温度範囲では、約１４ｐｐｍ／Ｋである。本願発明者が実施した実験の結果から得られた知見によれば、熱膨張係数は±１ｐｐｍ／Ｋ以内の範囲で一致させておけば有効であることが確認されている。また、より高い検出精度が必要な場合には、±０．１ｐｐｍ／Ｋ以内の範囲で一致させると好適であることも判明した。
【００４１】
第１接合材４０で接合されている感圧素子層１０の一方の主面側の枠部１０８の面積（ダイアフラム層２０の他方の主面側の支持枠部２０６の面積）は、第２接合材５０で接合されている感圧素子層１０の基部１６ｂの面積（ダイアフラム層２０の支持部２１０の面積）よりも大きいため、圧力検出精度の低下は、リフローによる再溶融の影響よりも第１接合材４０と当該第１接合材４０により接合されている部分との熱膨張係数のズレに対する影響の方が大きい。そこで、第１接合材４０については、融点がリフロー温度より低くなりリフロー等の高温処理時に再溶融する可能性があったとしても、熱膨張係数を水晶に合わせることを優先する。これにより、温度変化による圧力検出値のドリフトを小さくすることができ、圧力検出値の精度を向上させることができる。
【００４２】
以上のように、感圧素子層１０及びダイアフラム層２０が水晶基板を基材としている場合、接合材の再溶融に起因した圧力検出値のドリフトの影響が大きい支持部２１０と基部１６ｂとの接合については、熱膨張係数は小さいが融点の高い第２接合材５０を使用し、熱膨張係数のズレによる影響が大きい感圧素子層１０の枠部１０８とダイアフラム層２０の支持枠部２０６との接合については、熱膨張係数が大きく融点の低い第１接合材４０を使用することで、全体として圧力検出値の精度を向上させることができる。
【００４３】
このように、融点と熱膨張係数とが異なる２種類の接合材を使い分けることで、温度変化による圧力検出精度の低下を防止しつつ、リフローなどの高温処理により圧力検出値のドリフトが生じない圧力センサー１を提供することができる。
【００４４】
なお、感圧素子層１０及びダイアフラム層２０の基材を水晶基板以外とした場合には、熱膨張係数については、第１接合材４０と第１接合材４０により接合されている部分（支持枠部２０６、枠部１０８）との熱膨張係数の差の絶対値を、第２接合材５０と第２接合材５０により接合されている部分（支持部２１０、基部１６ｂ）との熱膨張係数の差の絶対値よりも小さくすることで、上記と同様の効果が得られる。
【００４５】
ベース層３０は、双音叉素子１０６を収容する内部空間Ｓを密封するための部材である。ベース層３０は、感圧素子層１０の他方の主面側を覆うように配置されている。ベース層３０の感圧素子層１０側の主面には、内部空間Ｓを形成するための凹部３０２が形成されている。凹部３０２を囲んで枠型の外周枠部３０４が設けられている。当該外周枠部３０４は感圧素子層１０の他方の主面側の枠部１０８と第１接合材４０を介して接合されており、当該外周枠部３０４は接合部として使用されている。本実施形態では、ダイアフラム層２０と、感圧素子層１０の枠部１０８と、ベース層３０と、が容器を構成し、そして、内部空間Ｓは、ダイアフラム層２０と感圧素子層１０の枠部１０８と、ベース層３０と、で囲まれた空間から構成される。
ベース層３０の中央部には、厚さ方向に貫通する封止孔３０６が設けられている。この封止孔３０６は、内部空間Ｓを真空にするために用いられる。
【００４６】
ここで、第１接合材４０により接合されている感圧素子層１０の他方の主面側の枠部１０８の面積（ベース層３０の外周枠部３０４の面積）は、第２接合材５０により接合されている感圧素子層１０の基部１６ｂの面積（ダイアフラム層２０の支持部２１０の面積）よりも大きいため、上述したように、第１接合材４０の再溶融による圧力検出値のドリフトの影響よりも、第１接合材４０と当該第１接合材４０により接合されている部分との熱膨張係数のズレによる圧力検出値のドリフトの影響の方が大きい。したがって、ベース層３０の外周枠部３０４と感圧素子層１０の他方の主面側の枠部１０８とを接合する際には、融点が低くリフロー等の高温処理時に再溶融する可能性はあるものの熱膨張係数を水晶に合わせている第１接合材４０を使用することで、温度変化による圧力検出値のドリフトを小さくすることができ、圧力検出値の精度を向上させることができる。
【００４７】
なお、感圧素子層１０及びベース層３０の基材を水晶基板以外とした場合には、熱膨張係数については、第１接合材４０と第１接合材４０により接合されている部分（外周枠部３０４、枠部１０８）との熱膨張係数の差の絶対値を、第２接合材５０と第２接合材５０により接合されている部分（支持部２１０、基部１６ｂ）との熱膨張係数の差の絶対値よりも小さくすることで、同様の効果が得られる。
【００４８】
なお、図示されていないが、ベース層３０の外部に露出した面には電極端子が設けられており、この電極端子は図示しない導電パターンを介して双音叉素子１０６との間で信号の入出力を行う。
以上のように構成された圧力センサー１は、内部が気密に封止され、真空状態に保持されており、絶対圧を検出するセンサーとなっている。
【００４９】
ここで、圧力センサー１の基本動作について図２を参照して説明する。図２に示すように、圧力センサー１は、外部からの圧力を受けるとダイアフラム層２０の受圧面２０４が矢印Ａ方向に撓む。このダイアフラム層２０の受圧面２０４の撓みにより、ダイアフラム層２０の各支持部２３が互いの間隔が広がる矢印Ｂ方向に変位する。
【００５０】
これにより、各支持部２１０間に架け渡された状態で接合されている双音叉素子１０６の感圧部である柱状ビーム１６ａには、矢印Ｂ方向に引張力が加わって変位するため引張り応力が生じるので、双音叉素子１０６の共振周波数は高くなる。
【００５１】
一方、外部からの圧力が圧力センサー１内部の真空状態より低い場合には、ダイアフラム層２０の受圧面２０４は矢印Ａと反対側の方向に撓み、各支持部２１０が互いの間隔が狭まる矢印Ｂと反対側の方向に変位する。
これにより、双音叉素子１０６に圧縮力が加わって変位するため圧縮応力が生じるので、双音叉素子１０６の共振周波数は低くなる。
【００５２】
双音叉素子１０６は、図示せぬ発振回路と電気的に接続され、当該発振回路から供給される交流電圧により、固有の共振周波数で振動する。前記発振回路は双音叉素子１０６の共振周波数を示す電気信号を出力し、図示せぬ演算手段が当該信号で示される共振周波数の変化から圧力を算出する。双音叉素子１０６は加えられた力に対して共振周波数の変化が大きく、圧力を感度よく検出できる。即ち、双音叉型圧電振動子は、ＡＴカット水晶を用いた厚みすべり振動子などに比べて、感圧部（柱状ビーム）に生じる伸長・圧縮応力に起因した共振周波数の変化が極めて大きく、共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな物理量の差（圧力差）を検出するような分解能力に優れた力センサーにおいては、好適な感圧素子である。
【００５３】
次に、圧力センサー１の製造方法の一例について、図４及び図５を参照して説明する。まず、図４を参照して、ダイアフラム層２０に第２接合材５０及び第１接合材４０を仮焼成する手順を説明する。図４の各工程の（ａ）にはダイアフラム層２０の模式断面図を示し、（ｂ）にはダイアフラム層２０を他方の主面側から見た平面図を示している。なお、ダイアフラム層２０はフォトリソグラフィ技法と、エッチング技法やサンドブラスト法、等の加工方法により形成される。
【００５４】
まず、スクリーンマスクＡを用いて、ダイアフラム層２０の一対の支持部２１０の表面に、有機溶媒に溶かしてペースト状にした第２接合材５０を塗布する（工程１）。
次に、第２接合材５０を３９０℃程度の温度で仮焼成する。このとき、第２接合材５０からは有機成分が揮発する（工程２）。
【００５５】
次に、スクリーンマスクＢを用いて、ダイアフラム層２０の他方の主面側の支持枠部２０６に、有機溶媒に溶かしてペースト状にした第１接合材４０を第２接合材５０よりも厚く塗布する（工程３）。
次に、第１接合材４０を２９０℃で仮焼成する（工程４）。
【００５６】
次に、図５を参照して、仮焼成した第１接合材４０及び第２接合材５０を溶融させてダイアフラム層２０と感圧素子層１０とを接合する手順を説明する。図５の各工程に示す図はダイアフラム層２０の模式断面図である。
【００５７】
まず、ダイアフラム層２０における仮焼成された第１接合材４０と、感圧素子層１０の枠部１０８とを接触させる。そして、第１接合材４０の融点（２６０℃）以上かつ第２接合材５０の融点（３２０℃）未満の温度、例えば２８０℃の温度で１０分程度加熱して、第１接合材４０を溶融させ、第１接合材４０でダイアフラム層２０の支持枠部２０６と感圧素子層１０の枠部１０８とを接合する（工程５、第１接合工程）。
【００５８】
工程５において第１接合材４０が溶融したことにより、ダイアフラム層２０の第２接合材５０と感圧素子層１０の基部１６ｂとが接触する。この状態で第２接合材５０の融点（３２０℃）以上の温度、例えば３３０℃の温度で１０分程度加熱して、第２接合材５０を溶融させ、第２接合材５０でダイアフラム層２０の支持部２１０と感圧素子層１０の基部１６ｂとを接合する（工程６、第２接合工程）。
【００５９】
以上のような圧力センサー１の製造方法により、まず低融点の第１接合材４０が感圧素子層１０に接触した状態で溶融して接合し、次に高融点の第２接合材５０が感圧素子に接触し溶融して接合することとなる。したがって、低融点の第１接合材４０が感圧素子層１０に接触しない状態で融点以上の温度に長時間晒されて、結晶化して接合できなくなるという問題を回避することができる。
【００６０】
なお、この後に行う感圧素子層１０とベース層３０との第１接合材４０による接合は、感圧素子層１０とダイアフラム層２０とを第１接合材４０で接合するための工程である上記第３工程及び第６工程を組み合わせることで行うことができる。
【００６１】
次に、第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係る圧力センサー１Ａの側断面図であり、図７は図６に示す圧力センサー１ＡのＡ−Ａ断面図である。これらの図において第１実施形態で説明した構成と同様の部分には同符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００６２】
第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、第２実施形態に係る圧力センサー１Ａが、第１実施形態で説明した、双音叉素子１０６を囲む枠部１０８と、当該枠部１０８と双音叉素子１０６とを連結する接続部１１０と、を有していない点である。したがって、第１実施形態では、枠部１０８が「固定部」に対応し、ダイアフラム層２０の支持枠部２０６と、当該支持枠部２０６に対向するベース層３０の外周枠部３０４とを、感圧素子層１０の枠部１０８を挟んで第１接合材４０を用いて接合して、３層構造としたが、第２実施形態では、ベース層３０が「固定部」に対応し、ダイアフラム層２０の支持枠部２０６と、当該支持枠部２０６に対向するベース層３０の外周枠部３０４とを、第１接合材４０を用いて接合して、２層構造としている。
【００６３】
第２実施形態では、ダイアフラム層２０とベース層３０とが容器を構成しており、内部空間Ｓは、ダイアフラム層２０とベース層３０と、で囲まれた空間から構成されることとなる。
【００６４】
圧力センサー１Ａの製造方法としては、第１実施形態と同様の方法を用いることができる。ただし、第１実施形態における図５に示す工程５に対応する第２実施形態での工程において、ダイアフラム層２０の一方の主面を上方に向けた状態で、ダイアフラム層２０の支持枠部２０６とベース層３０の外周枠部３０４とを第１接合材４０を介して接触させた場合、第２実施形態では双音叉素子１０６の周囲に枠部が存在しないため、双音叉素子１０６を内部空間Ｓ内に支持しておくことができない。したがって、第２実施形態においては、ダイアフラム層２０の他方の主面を上方に向けた状態で、ダイアフラム層２０の一対の支持部２１０の上に双音叉素子１０６の一対の基部１６ｂを載置するとともに、ダイアフラム層２０の支持枠部２０６の上にベース層３０の外周枠部３０４を載置して、工程５以降を行えばよい。
その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００６５】
次に、第３実施形態について説明する。図８は第３実施形態に係る圧力センサー１Ｂの側断面図である。同図において上述した実施形態で説明した構成と同様の部分には同符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００６６】
第３実施形態に係る圧力センサー１Ｂが、第２実施形態に係る圧力センサー１Ａと異なる点は、第２の実施形態に係る圧力センサー１Ａが絶対圧計であるのに対し、第３実施形態に係る圧力センサー１Ｂが相対圧計である点である。
【００６７】
第３実施形態に係る圧力センサー１Ｂは、第２実施形態に係る圧力センサー１Ａが備えるベース層３０に替えて、ダイアフラム層３０Ａを備えている。そして、ダイアフラム層２０とダイアフラム層３０Ａとの間には、一方のダイアフラム層の変形を他方へ伝達するための支柱６０が設けられている。この支柱６０は、双音叉素子１０６の両脇に配置すればよい。
【００６８】
このような構成の圧力センサー１Ｂにおいて、ダイアフラム層２０側に圧力が負荷された場合、受圧面２０４が図中下側へ変形する。これにより、支持部２１０に固定された双音叉素子１０６は引張の力を受けることとなり、その周波数が増加する。一方、ダイアフラム層３０Ａ側に圧力が負荷された場合には、ダイアフラム層３０Ａの主面が図中上側へ変形することとなる。支柱６０が設けられていることにより、ダイアフラム層３０Ａの変形に倣って、ダイアフラム層２０の受圧面２０４も図中上側へ変形する。これにより、一対の支持部２１０は中心方向へ向かって傾くため、支持部２１０に固定された双音叉素子１０６は圧縮の力を受けることとなり、その周波数は低下する。このように、圧力センサー１Ｂは、ダイアフラム層２０、３０Ａのいずれに圧力が負荷された場合であっても、その圧力を検出することができる。その他の構成は第２実施形態と同様である。
【００６９】
なお、上述した実施形態では、感圧部として、１対の柱状ビーム１６ａを用いたが、感圧部はこれに限定されることはない。例えば、図９に示すように、感圧部を１つの柱状ビーム（シングルビームともいう）から構成しても良い。
【００７０】
また、感圧部としてＡＴカット水晶を用いた厚みすべり振動子（以下、ＡＴカット振動子と称す）を用いてもよい。感圧部としてＡＴカット振動子を用いることで、温度に対する周波数安定性が向上し、周波数温度特性を良好にすることができるとともに、衝撃に強く丈夫な圧力センサーとすることができる。
【００７１】
図１０（ａ）には、感圧部としてＡＴカット振動子を用いた圧力センサー１Ｃの分解斜視図の一例を示し、図１０（ｂ）には当該圧力センサー１Ｃの模式断面図を示し、図１０（ｃ）には当該圧力センサー１Ｃが備える感圧素子層１０Ａの平面図を示す。これらの図において上述した実施形態で説明した構成と同様の部分には同符号を付すとともに、その説明を省略する。これらの図に示すように、圧力センサー１Ｃは、第１実施形態に係る圧力センサー１が備える双音叉振動子１０６の１対の柱状ビーム１６ａをＡＴカット振動子１７に置き換えた構成となっている。
【００７２】
ＡＴカット振動子１７は、ＡＴカットと呼ばれるカット角で切り出された水晶片１７ａを備えている。なお、ＡＴカットとは、水晶の結晶軸であるＸ軸とＺ軸とを含む平面（Ｙ面）を、Ｘ軸を回転軸として＋Ｚ軸から−Ｙ軸方向へ約３５度１５分回転させて得られる面が主面となるように切り出すカット角である。この水晶片１７ａの表面及び裏面（不図示）の中央部には、当該水晶片１７ａを励振させるための励振電極１７ｂが設けられている。励振電極１７ｂには引出電極１７ｃが接続されており、水晶片１７ａの長さ方向の一方側の周縁に向かって引き出されている。この引出電極１７ｃは、基部１６ｂに設けられたマウント電極６０、及び接続部１１０と枠部１０８に設けられた接続パターン９２を介して、枠部１０８に設けられた枠部側マウント電極９４に導通している。枠部側マウント電極９４は、感圧素子層１０Ａをダイアフラム層２０とベース層３０とで挟み込んだときに、ダイアフラム層２０の支持枠部２０６及びベース層３０の外周枠部３０４と平面視して重なる位置に設けてある。そして枠部側マウント電極９４は、図示しない接続パターンによって圧力センサー１Ａの外部に設けた電極と導通している。
【００７３】
このような圧力センサー１Ｃは、上述した実施形態において図２を参照して説明した圧力センサー１と同様に動作する。すなわち、ダイアフラム層２０が被検出圧力を受圧して撓み変位すると、その変位がダイアフラム層２０を介して力に変換されＡＴカット振動子１７に伝達される。力を伝達されたＡＴカット振動子１７には内部応力（引張り応力、圧縮応力）が生じ、共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を測定して被検出圧力を検出することができる。
【００７４】
以上説明したように、圧力センサーを構成する各部材が水晶基板を基材としている場合に、感圧素子としての双音叉素子１０６を接合する第２接合材５０を、熱膨張係数が小さく水晶との熱膨張係数の差は大きいが、融点を第１接合材４０よりも高くすることによってリフロー等の高温処理で再溶融しないようにすることで、ダイアフラムに搭載される感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を抑制することができる。
【００７５】
また、圧力センサーを構成する部材の枠部分の接合については、第１接合材４０の再溶融による圧力検出値のドリフトの影響よりも、第１接合材４０と当該第１接合材４０により接合されている部分との熱膨張係数のズレによる影響が大きいので、水晶と熱膨張係数が近い第１接合材４０を用いて接合することによって、熱膨張係数のズレに起因した圧力検出値のドリフトを防ぐことができ、圧力検出値の精度を向上させることができる。
【００７６】
また、圧力センサーの製造時に、加熱する前の第１接合材４０の厚さを第２接合材５０の厚さよりも厚くすることで、まず低融点の第１接合材４０が感圧素子層１０に接触した状態で第１接合材４０を溶融させ、次に高融点の第２接合材５０が感圧素子層１０に接触した状態で第２接合材５０を溶融させることができるため、低融点の第１接合材４０が接合対象部位に接触しない状態で融点以上の温度に長時間晒されて、結晶化してしまい接合できなくなるという問題を回避することができる。
【００７７】
上述した実施形態では、気体や液体の圧力を検出する圧力センサーを用いて説明したが、本発明に係る物理量検出器はこれに限らず、指等により直接押圧した場合の前記指の押圧による外力を検出する力センサーやその他の物理量を検出するセンサーにも広く適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７８】
１、１Ａ………圧力センサー、１０、１０Ａ………感圧素子層、１０６………双音叉素子、１６ａ………柱状ビーム、１６ｂ………基部、１７………ＡＴカット振動子、１７ａ………水晶片、１７ｂ………励振電極、１７ｃ………引出電極、１０８………枠部、１１０………接続部、２０………ダイアフラム層、２０４………受圧面、２０６………支持枠部、２１０………支持部、３０………ベース層、３０２………凹部、３０４………外周枠部、３０６………封止孔、４０………第１接合材、５０………第２接合材、６０……支柱。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量検出器及びその製造方法に関し、特に、耐リフロー特性に優れた物理量検出器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、力検出素子として使用する圧電振動子と、圧力（気体や液体の圧力、等）を受圧し、或いは外力により押圧されて撓むダイアフラムとを備えたダイアフラム式の圧力センサー等の物理量検出器が存在する。例えば、特許文献１乃至４に開示されているダイアフラム式の圧力センサーは、ダイアフラム層と、ベース層（蓋部）と、中間層としての感圧素子層とから構成されている。感圧素子層の中央部には双音叉振動子等で構成される感圧素子が配置される。ダイアフラム層には感圧素子の感圧部（振動部）の両端に配置された一対の基部を固定するための一対の支持部が設けられており、当該一対の支持部により前記一対の基部が接着剤等の接合部材により固定されて支持されている。このダイアフラム式の圧力センサーは、被検出圧力を受圧したダイアフラム層が撓み変位すると、その変位がダイアフラム層を介して力に変換されて、物理量検出素子である感圧素子に伝わると、伝達された力により内部に生じた内部応力（引張り応力や圧縮応力）によって前記感圧素子の共振周波数が変化し、この共振周波数の変動を測定して前記被検出圧力を検出する。
【０００３】
圧力センサーを製造する場合、まずダイアフラム層と感圧素子層とを接合し、その後感圧素子層とベース層とを接合する。特許文献１には、接着剤を使用して接合する技術が示されている。
【０００４】
ここで、接合に用いる接合材とダイアフラム層、感圧素子層、ベース層との熱膨張係数が異なる場合には、温度変化による熱歪みが生じ、当該熱歪みに起因して前記内部応力が変化する。この内部応力の変化により感圧素子の共振周波数が変動し、被測定圧力の検出精度が低下してしまうという問題が生じることとなる。
【０００５】
このような熱歪みによる圧力検出の精度低下を防ぐために、特許文献２乃至４には、ダイアフラム層、ベース層、感圧素子層それぞれを水晶基板で形成した場合、接合材の熱膨張係数を水晶の熱膨張係数とほぼ等しくすることが提案されている。
【０００６】
ダイアフラム層、感圧素子層及びベース層の熱膨張係数と、接合材の熱膨張係数とをほぼ等しくしておけば、曝露される圧力センサーの環境雰囲気の温度が変化しそれに伴って各部材の膨張や収縮が生じたとしても、接合材も同じ割合（膨張率）で膨張や収縮をすることとなるので、熱歪に起因した内部応力は発生せず、結果として圧力検出精度の劣化は発生しないこととなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２７５４４５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１７３４２号公報
【特許文献３】特開２０１０−１６４５００号公報
【特許文献４】特開２０１０−１６４３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、接合材の熱膨張係数を圧力センサーの各部材の熱膨張係数とほぼ等しくした場合、以下のような問題が生じる。
圧力センサーの各部材を水晶としたとき、水晶は結晶材料なので熱膨張係数が約１４（ｐｐｍ／Ｋ）と、接合材に用いられる一般的なＰｂＯ（酸化鉛）系低融点ガラスに比べて大きい。ＰｂＯ系低融点ガラスは、金属酸化物等のフィラーを混合することで、熱膨張係数を大きくし水晶の熱膨張係数に合わせることができるが、融点が低下する。このように熱膨張係数を水晶に合わせることで融点が低下した低融点ガラスを用いて圧力センサーの各部材を接合した後、当該圧力センサーをリフロー等の高温処理により回路基板等の実装基板に実装すると、前記感圧素子の前記一対の基部と前記ダイアフラム層とを接合している低融点ガラスが再溶融してしまう。この再溶融によって、前記感圧素子の前記一対の基部と前記ダイアフラムの前記一対の支持部との固定点にズレが生じ、当該ズレが生じた状態で前記低融点ガラスが再硬化してしまうこととなる。故に、環境雰囲気の温度が変化しそれに伴って各部材の膨張や収縮が生じたときに生じる熱歪の度合い（程度）が、前記再溶融する前の熱歪と比較して差が生じることとなり、この熱歪の差に起因して感圧素子に生じる内部応力に変化が生じてしまうので、検出すべき圧力値にドリフト等の変動が生じる原因となってしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、リフロー等の高温処理により圧力検出値のドリフトが生じるのを低減する物理量検出器及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、温度変化による感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を防ぎ、高精度な圧力検出を実現可能な物理量検出器及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、リフロー等の高温処理による接合材の再溶融と熱膨張係数との影響の度合いを考慮して、より精度の高い圧力検出を可能とする物理量検出器及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、各部材を接合材により良好に接合することができる物理量検出器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】
【００１１】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］一対の基部と前記一対の基部の間に配置されている感圧部とを含む感圧素子と、前記一対の基部が第２接合材を介して接合されている一対の支持部を備えている可撓部と、前記可撓部の周縁を支持する支持枠部と、を含むダイアフラムと、前記支持枠部が第１接合材を介して固定されている固定部と、を備え、前記第２接合材の融点は、前記第１接合材の融点よりも高いことを特徴とする物理量検出器。
【００１２】
本発明によれば、ダイアフラムの支持枠部と固定部とは第１接合材を用いて接合され、ダイアフラムの一対の支持部と感圧素子の一対の基部とは第２接合材を用いて接合され、第２接合材の融点は第１接合材の融点よりも高いため、製造後の物理量検出器に対してリフロー等の高温処理を行う際に、第２接合材の再溶融を低減することができ、第２接合材の再溶融による感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を低減し、検出値のドリフトが生じるのを低減することができる。
【００１３】
［適用例２］前記第１接合材の熱膨張係数と、前記第１接合材により接合される部分の熱膨張係数とは、ほぼ等しいことを特徴とする適用例１に記載の物理量検出器。
第１接合材により接合される部分は、第１接合材の再溶融による圧力検出値のドリフトの影響よりも、第１接合材と該第１接合材により接合される部分との熱膨張係数のズレによる圧力検出値のドリフトの影響が大きいので、上記構成とすることで、温度変化による検出値のドリフトをより小さくすることができ、検出値の精度を向上させることができる。
【００１４】
［適用例３］前記第１接合材と該第１接合材により接合される部分との熱膨張係数の差の絶対値は、前記第２接合材と該第２接合材により接合される部分との熱膨張係数の差の絶対値よりも小さいことを特徴とする適用例１又は２に記載の物理量検出器。
本発明によれば、第１接合材の熱膨張係数を、第１接合材により接合される部分の熱膨張係数に、より近づけることができるため、温度変化による検出値のドリフトをより小さくすることができ、検出値の精度を向上させることができる。
【００１５】
［適用例４］前記固定部の機能を備えているベースを含み、前記感圧素子を覆うように前記ベースと前記ダイアフラムが積層されていることを特徴とする適用例１乃至３のうちいずれか１例に記載の物理量検出器。
本発明によれば、前記物理量検出器が前記固定部の機能を備えているベースを含み、前記感圧素子を覆うように前記ベースと前記ダイアフラムが積層されている３層構造の場合にも、感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を低減して、検出値のドリフトが生じるのを低減し、検出値の精度を向上させることができる。
【００１６】
［適用例５］前記感圧素子を囲む枠部と、当該枠部と前記感圧素子とを連結する接続部と、を含み、前記枠部が前記固定部の機能を備えていることを特徴とする適用例１乃至３のうちいずれか１例に記載の物理量検出器。
本発明によれば、前記物理量検出器が前記感圧素子を囲む枠部と、当該枠部と前記感圧素子とを連結する接続部と、を含み、前記枠部が前記固定部の機能を備えている場合にも、感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を低減して、検出値のドリフトが生じるのを低減し、検出値の精度を向上させることができる。
【００１７】
［適用例６］前記感圧素子を覆うように前記ダイアフラムと前記枠部とベースとが積層され、前記枠部は、当該枠部に対向する前記ベースの接合部に前記第１接合材を用いて接合されていることを特徴とする適用例５に記載の物理量検出器。
本発明によれば、前記感圧素子を覆うように前記ダイアフラムと前記枠部とベースとが積層されている３層構造の場合にも、感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を低減して、検出値のドリフトが生じるのを低減し、検出値の精度を向上させることができる。
【００１８】
［適用例７］前記第１接合材により接合される部分は水晶であり、前記第１接合材の熱膨張係数は前記第２接合材の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする適用例１乃至６のうちいずれか１例に記載の物理量検出器。
水晶の熱膨張係数は比較的大きいため、第１接合材の熱膨張係数を第２接合材よりも大きくすることで第１接合材と該第１接合材で接合される部分との熱膨張係数の差を小さくすることができ、また、第２接合材の融点を第１接合材の融点よりも高くすることで、基板への実装時に加熱を行う際に第２接合材の再溶融を低減することができるため、全体として検出値のドリフトを抑え、検出値の精度を向上させることができる。
【００１９】
［適用例８］前記第２接合材はガラス材であることを特徴とする適用例１乃至７のうちいずれか１例に記載の物理量検出器。
本発明によれば、第２接合材としてガラス材を用いることで、第２接合材の融点を、基板への実装時に加熱を行う際の温度よりも高くすることができる。
【００２０】
［適用例９］前記ガラス材は、金属微粒子を含有していることを特徴とする適用例８に記載の物理量検出器。
本発明によれば、ガラス材に含有させる金属微粒子の量を調整することで、融点と熱膨張係数とを調整することができる。
【００２１】
［適用例１０］適用例１乃至９のうちいずれか１例に記載の物理量検出器の製造方法であって、前記第２接合材の融点は、前記物理量検出器が基板へ実装されるときの加熱温度よりも高いことを特徴とする物理量検出器の製造方法。
本発明によれば、物理量検出器の基板への実装時に加熱を行う際に、第２接合材の再溶融を防止することができ、第２接合材の再溶融による感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を抑圧し、検出値のドリフトを防止し、高精度な物理量の検出が実現可能となる。
【００２２】
［適用例１１］一対の基部と前記一対の基部の間に配置されている感圧部とを含む感圧素子と、前記一対の基部が第２接合材を介して接合されている一対の支持部を備えている可撓部と、前記可撓部の周縁を支持する支持枠部と、を含むダイアフラムと、前記支持枠部が前記第２接合材の融点よりも低い融点を有する第１接合材を介して固定されている固定部とを備えた物理量検出器の製造方法であって、前記ダイアフラムの前記一対の支持部に前記第２接合材を塗布する工程と、前記一対の支持部に塗布された前記第２接合材を仮焼成する工程と、前記ダイアフラムにおける前記支持部が設けられた主面側の前記支持枠部に、前記第１接合材を前記第２接合材の厚みよりも厚く塗布する工程と、前記支持枠部に塗布された前記第１接合材を仮焼成する工程と、前記第１接合材を前記第１接合材の融点以上かつ前記第２接合材の融点未満に加熱して、前記第１接合材を用いて前記ダイアフラムの前記支持枠部と前記固定部とを接合する第１接合工程と、前記第２接合材と前記感圧素子の前記一対の基部とを接触させた状態で、前記第２接合材の融点以上に加熱して、前記第２接合材を用いて前記ダイアフラムの前記一対の支持部と前記感圧素子の前記一対の基部とを接合する第２接合工程とを備えたことを特徴とする物理量検出器の製造方法。
本発明によれば、第１接合材の融点よりも第２接合材の融点の方が高いため、物理量検出器の製造後に行われるリフロー等の高温処理において、第２接合材の再溶融を防ぐことができ、感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を抑圧することができる。
また、第１接合材を塗布する厚さを第２接合材よりも厚くすることにより、まず低融点の第１接合材が接合部位に接触した状態で溶融して接合し、次に高融点の第２接合材が溶融して接合するため、低融点の第１接合材が接合部位に接触しない状態で融点以上の温度に長時間晒されて、結晶化してしまい接合できなくなるという問題点を回避することができる。
【００２３】
［適用例１２］前記第１接合工程において、前記ダイアフラムの前記支持枠部に塗布されて仮焼成された前記第１接合材と、前記感圧部を囲み前記固定部の機能を有する枠部と、を接触させ、前記第１接合材の融点以上かつ前記第２接合材の融点未満に加熱することにより、前記第１接合材を用いて、前記支持枠部と前記枠部とを接合することを特徴とする適用例１１に記載の物理量検出器の製造方法。
本発明によれば、第１接合材と第２接合材とを塗布する厚さを変えることにより、まず低融点の第１接合材が枠部に接触した状態で溶融して接合し、次に高融点の第２接合材が感圧素子の一対の基部に接触し溶融して接合するため、低融点の第１接合材が枠部に接触しない状態で融点以上の温度に長時間晒されて、結晶化してしまい接合できなくなるという問題点を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサーの展開斜視図である。
【図２】同実施形態に係る圧力センサーの動作を説明する模式断面図である。
【図３】低融点ガラスに含まれるフィラーの量に応じた、融点と熱膨張係数との関係を示すグラフの一例である。
【図４】ダイアフラム層に第１接合材及び第２接合材を仮焼成する手順を説明する図である。
【図５】仮焼成した第１接合材及び第２接合材を溶融させてダイアフラム層と感圧素子層とを接合する手順を説明する図である。
【図６】第２実施形態に係る圧力センサーの側断面図である。
【図７】図６に示す圧力センサーのＡ−Ａ断面図である。
【図８】第３実施形態に係る圧力センサーの側断面図である。
【図９】変形例に係る圧力センサーの展開斜視図である。
【図１０】感圧部としてＡＴカット振動子を用いた場合の他の変形例に係る圧力センサーを示す図であり、（ａ）は同圧力センサーの分解斜視図であり、（ｂ）は同圧力センサーの模式断面図であり、（ｃ）は同圧力センサーが備える感圧素子層の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る物理量検出器を圧力センサーに適用した場合の実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は第１実施形態に係る圧力センサーの展開斜視図であり、図２は圧力センサーの動作を説明する模式断面図である。なお、図１では接合材の図示を省略している。
【００２６】
図１に示すように、圧力センサー１は、感圧素子層１０と、感圧素子層１０の一方の主面側及び他方の主面側それぞれを気密封止するように覆うダイアフラム層（「ダイアフラム」に対応）２０とベース層（「ベース」に対応）３０とを備えている。上記各層１０、２０、３０は水晶基板を基材としている。
【００２７】
感圧素子層１０は、中央部に感圧素子としての双音叉素子１０６と、その周囲を囲む枠型の枠部１０８とを有している。本実施形態では、枠部１０８が「固定部」に対応する。双音叉素子１０６は、感圧部としての一対の平行な柱状ビーム１６ａと、両柱状ビーム１６ａの両端に接続される一対の基部１６ｂとを有している。双音叉素子１０６は、柱状ビーム１６ａに引張り応力又は圧縮応力が印加されると、その共振周波数が変化する周波数変化型の感圧素子であり、所謂、双音叉型の圧電振動子である。
【００２８】
枠部１０８は、各基部１６ｂから柱状ビーム１６ａと直交する方向に延びる一対の梁状の接続部１１０を介して双音叉素子１０６と連結されている。
双音叉素子１０６には図示せぬ励振電極と当該励振電極から延在された引出電極（リード電極）が設けられており、前記引出電極は、接続部１１０を介して枠部１０８に引き出されている。
【００２９】
ダイアフラム層２０は、一方の主面側に被測定圧力を受圧する受圧面２０４を有している。受圧面２０４は可撓性を有する可撓部であり、外部からの被測定圧力を受圧すると撓み変形する。受圧面２０４の周縁には枠型の支持枠部２０６が形成されており、当該支持枠部２０６は前記感圧素子層１０の前記枠部１０８と対向するように配置されている。
【００３０】
ダイアフラム層２０の他方の主面側であって受圧面２０４の裏側となる密閉側の主面には、双音叉素子１０６の一対の基部１６ｂを固定し、受圧面２０４の撓み変形により受圧面２０４で受圧した被測定圧力を力に変換して双音叉素子１０６に伝達するための一対の支持部２１０が設けられている。
【００３１】
ダイアフラム層２０の各支持部２１０と双音叉素子１０６の各基部１６ｂとは、第２接合材５０を介して接合される。
また、ダイアフラム層２０の他方の主面側の支持枠部２０６と、感圧素子層１０の一方の主面側の枠部１０８とは、第１接合材４０を介して接合される。
【００３２】
本実施形態において、第１接合材４０と第２接合材５０には、金属微粒子を含有する低融点ガラスを用いている。更に、第１接合材４０と第２接合材５０とでは、金属微粒子の含有量を異ならせている。本実施形態では、接合材に含有させる金属微粒子としてＰｂＯ（酸化鉛）を用いている。なお、含有させる金属微粒子はＰｂＯに限らず、例えば、チタン、ビスマス、酸化銀等であってもよい。また、第１接合材４０及び第２接合材５０それぞれを接合部に塗布する際には、有機溶媒で溶いてペースト材にされたものが用いられる。
【００３３】
図３は、低融点ガラスに含まれるフィラー（金属微粒子）の量に応じた、融点（℃）と熱膨張係数（ｐｐｍ／Ｋ）との関係を示すグラフの一例である。図３に示すように、例えば、低融点ガラスに対するフィラーの含有量が少なく融点が３３０℃の場合には熱膨張係数は１０ｐｐｍ／Ｋより若干大きい程度である。一方、低融点ガラスに対するフィラーの含有量を多くして融点を２５２℃とすると熱膨張係数は１３ｐｐｍ／Ｋとなる。このように、低融点ガラスに対するフィラーの含有量を多くするほど、融点が低くなるとともに熱膨張係数が大きくなる。このような関係を利用して、低融点ガラスにフィラーを含有させる量を調整することにより低融点ガラスの融点及び熱膨張係数を調整することが可能となる。
【００３４】
本実施形態では、第２接合材５０の融点を３２０℃、熱膨張係数を１１ｐｐｍ／Ｋとしている。圧力センサー１を回路基板等の実装基板に実装する際のリフローの温度は２７０℃程度であるため、第２接合材５０の融点を３２０℃とすることにより、リフローにより第２接合材５０は再溶融することがない。
【００３５】
双音叉素子１０６は熱歪に起因した内部応力の変化の影響を受け易く、圧力検出値のドリフトが発生し易いため、双音叉素子１０６をダイアフラム層２０と接合する第２接合材５０の再溶融を防止することで、検出圧力値のドリフトを防止し、高精度な圧力検出が実現可能となる。
【００３６】
つまり、加熱温度を２７０℃としてリフローにより本発明に係る圧力センサーを回路基板に実装したとき、前記感圧素子の前記一対の基部と前記ダイアフラム層とを接合している低融点ガラスは融点温度が３２０℃であるため溶融することはない。
故に、前記感圧素子の前記一対の基部と前記ダイアフラム層の前記一対の支持部との固定点が、低融点ガラスの溶融によりズレが発生することを防止することができる。
【００３７】
従って、本発明に係る圧力センサーは、環境雰囲気の温度が変化しそれに伴って各部材の膨張や収縮が生じたときに生じる熱歪の度合い（程度）が、圧力センサーの製造時とリフロー後とで差が生じることがないので、従来技術の如き構造を有する圧力センサーにおいて課題となっていた、前記リフローに起因して感圧素子に生じる内部応力の変化によって、検出すべき圧力値にドリフト等の変動が生じるという問題を防止することができるという優れた効果を発揮する。
【００３８】
なお、上述した第２接合材５０の融点及び熱膨張係数の値は一例に過ぎない。低融点ガラスに金属微粒子を含有させる量を調整して、第２接合材５０の融点をリフロー温度以下とならない範囲で下げつつ、熱膨張係数を大きくして第２接合材５０の熱膨張係数を水晶の熱膨張係数により近づけるようにすれば、圧力検出値のドリフトをより小さくすることができる。
【００３９】
一方、本実施形態では、第１接合材４０の融点を２６０℃とし、熱膨張係数を１３ｐｐｍ／Ｋとしている。第１接合材４０は、第２接合材５０よりも混合する金属微粒子の量を多くしているため、第２接合材５０よりも融点が低くかつ熱膨張係数が大きくなっている。
【００４０】
水晶の熱膨張係数は、音叉型の圧電振動子において一般的に用いられる、Ｘ軸（電気軸）とＹ軸（機械軸）とを含む平面と主面とが平行な基板であるＺカット基板（主面に対してＺ軸（光学軸）が直交する基板）、若しくは、音叉型の圧電振動子の周波数温度特性を示す、上に凸の二次曲線のピーク温度（頂点温度）が使用温度範囲の中間にくるように、水晶のＸ軸を回転軸として前記Ｚカット基板を数度回転したカット角により切り出された水晶基板において、室温から１２０℃までの温度範囲では、約１４ｐｐｍ／Ｋである。本願発明者が実施した実験の結果から得られた知見によれば、熱膨張係数は±１ｐｐｍ／Ｋ以内の範囲で一致させておけば有効であることが確認されている。また、より高い検出精度が必要な場合には、±０．１ｐｐｍ／Ｋ以内の範囲で一致させると好適であることも判明した。
【００４１】
第１接合材４０で接合されている感圧素子層１０の一方の主面側の枠部１０８の面積（ダイアフラム層２０の他方の主面側の支持枠部２０６の面積）は、第２接合材５０で接合されている感圧素子層１０の基部１６ｂの面積（ダイアフラム層２０の支持部２１０の面積）よりも大きいため、圧力検出精度の低下は、リフローによる再溶融の影響よりも第１接合材４０と当該第１接合材４０により接合されている部分との熱膨張係数のズレに対する影響の方が大きい。そこで、第１接合材４０については、融点がリフロー温度より低くなりリフロー等の高温処理時に再溶融する可能性があったとしても、熱膨張係数を水晶に合わせることを優先する。これにより、温度変化による圧力検出値のドリフトを小さくすることができ、圧力検出値の精度を向上させることができる。
【００４２】
以上のように、感圧素子層１０及びダイアフラム層２０が水晶基板を基材としている場合、接合材の再溶融に起因した圧力検出値のドリフトの影響が大きい支持部２１０と基部１６ｂとの接合については、熱膨張係数は小さいが融点の高い第２接合材５０を使用し、熱膨張係数のズレによる影響が大きい感圧素子層１０の枠部１０８とダイアフラム層２０の支持枠部２０６との接合については、熱膨張係数が大きく融点の低い第１接合材４０を使用することで、全体として圧力検出値の精度を向上させることができる。
【００４３】
このように、融点と熱膨張係数とが異なる２種類の接合材を使い分けることで、温度変化による圧力検出精度の低下を防止しつつ、リフローなどの高温処理により圧力検出値のドリフトが生じない圧力センサー１を提供することができる。
【００４４】
なお、感圧素子層１０及びダイアフラム層２０の基材を水晶基板以外とした場合には、熱膨張係数については、第１接合材４０と第１接合材４０により接合されている部分（支持枠部２０６、枠部１０８）との熱膨張係数の差の絶対値を、第２接合材５０と第２接合材５０により接合されている部分（支持部２１０、基部１６ｂ）との熱膨張係数の差の絶対値よりも小さくすることで、上記と同様の効果が得られる。
【００４５】
ベース層３０は、双音叉素子１０６を収容する内部空間Ｓを密封するための部材である。ベース層３０は、感圧素子層１０の他方の主面側を覆うように配置されている。ベース層３０の感圧素子層１０側の主面には、内部空間Ｓを形成するための凹部３０２が形成されている。凹部３０２を囲んで枠型の外周枠部３０４が設けられている。当該外周枠部３０４は感圧素子層１０の他方の主面側の枠部１０８と第１接合材４０を介して接合されており、当該外周枠部３０４は接合部として使用されている。本実施形態では、ダイアフラム層２０と、感圧素子層１０の枠部１０８と、ベース層３０と、が容器を構成し、そして、内部空間Ｓは、ダイアフラム層２０と感圧素子層１０の枠部１０８と、ベース層３０と、で囲まれた空間から構成される。
ベース層３０の中央部には、厚さ方向に貫通する封止孔３０６が設けられている。この封止孔３０６は、内部空間Ｓを真空にするために用いられる。
【００４６】
ここで、第１接合材４０により接合されている感圧素子層１０の他方の主面側の枠部１０８の面積（ベース層３０の外周枠部３０４の面積）は、第２接合材５０により接合されている感圧素子層１０の基部１６ｂの面積（ダイアフラム層２０の支持部２１０の面積）よりも大きいため、上述したように、第１接合材４０の再溶融による圧力検出値のドリフトの影響よりも、第１接合材４０と当該第１接合材４０により接合されている部分との熱膨張係数のズレによる圧力検出値のドリフトの影響の方が大きい。したがって、ベース層３０の外周枠部３０４と感圧素子層１０の他方の主面側の枠部１０８とを接合する際には、融点が低くリフロー等の高温処理時に再溶融する可能性はあるものの熱膨張係数を水晶に合わせている第１接合材４０を使用することで、温度変化による圧力検出値のドリフトを小さくすることができ、圧力検出値の精度を向上させることができる。
【００４７】
なお、感圧素子層１０及びベース層３０の基材を水晶基板以外とした場合には、熱膨張係数については、第１接合材４０と第１接合材４０により接合されている部分（外周枠部３０４、枠部１０８）との熱膨張係数の差の絶対値を、第２接合材５０と第２接合材５０により接合されている部分（支持部２１０、基部１６ｂ）との熱膨張係数の差の絶対値よりも小さくすることで、同様の効果が得られる。
【００４８】
なお、図示されていないが、ベース層３０の外部に露出した面には電極端子が設けられており、この電極端子は図示しない導電パターンを介して双音叉素子１０６との間で信号の入出力を行う。
以上のように構成された圧力センサー１は、内部が気密に封止され、真空状態に保持されており、絶対圧を検出するセンサーとなっている。
【００４９】
ここで、圧力センサー１の基本動作について図２を参照して説明する。図２に示すように、圧力センサー１は、外部からの圧力を受けるとダイアフラム層２０の受圧面２０４が矢印Ａ方向に撓む。このダイアフラム層２０の受圧面２０４の撓みにより、ダイアフラム層２０の各支持部２３が互いの間隔が広がる矢印Ｂ方向に変位する。
【００５０】
これにより、各支持部２１０間に架け渡された状態で接合されている双音叉素子１０６の感圧部である柱状ビーム１６ａには、矢印Ｂ方向に引張力が加わって変位するため引張り応力が生じるので、双音叉素子１０６の共振周波数は高くなる。
【００５１】
一方、外部からの圧力が圧力センサー１内部の真空状態より低い場合には、ダイアフラム層２０の受圧面２０４は矢印Ａと反対側の方向に撓み、各支持部２１０が互いの間隔が狭まる矢印Ｂと反対側の方向に変位する。
これにより、双音叉素子１０６に圧縮力が加わって変位するため圧縮応力が生じるので、双音叉素子１０６の共振周波数は低くなる。
【００５２】
双音叉素子１０６は、図示せぬ発振回路と電気的に接続され、当該発振回路から供給される交流電圧により、固有の共振周波数で振動する。前記発振回路は双音叉素子１０６の共振周波数を示す電気信号を出力し、図示せぬ演算手段が当該信号で示される共振周波数の変化から圧力を算出する。双音叉素子１０６は加えられた力に対して共振周波数の変化が大きく、圧力を感度よく検出できる。即ち、双音叉型圧電振動子は、ＡＴカット水晶を用いた厚みすべり振動子などに比べて、感圧部（柱状ビーム）に生じる伸長・圧縮応力に起因した共振周波数の変化が極めて大きく、共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな物理量の差（圧力差）を検出するような分解能力に優れた力センサーにおいては、好適な感圧素子である。
【００５３】
次に、圧力センサー１の製造方法の一例について、図４及び図５を参照して説明する。まず、図４を参照して、ダイアフラム層２０に第２接合材５０及び第１接合材４０を仮焼成する手順を説明する。図４の各工程の（ａ）にはダイアフラム層２０の模式断面図を示し、（ｂ）にはダイアフラム層２０を他方の主面側から見た平面図を示している。なお、ダイアフラム層２０はフォトリソグラフィ技法と、エッチング技法やサンドブラスト法、等の加工方法により形成される。
【００５４】
まず、スクリーンマスクＡを用いて、ダイアフラム層２０の一対の支持部２１０の表面に、有機溶媒に溶かしてペースト状にした第２接合材５０を塗布する（工程１）。
次に、第２接合材５０を３９０℃程度の温度で仮焼成する。このとき、第２接合材５０からは有機成分が揮発する（工程２）。
【００５５】
次に、スクリーンマスクＢを用いて、ダイアフラム層２０の他方の主面側の支持枠部２０６に、有機溶媒に溶かしてペースト状にした第１接合材４０を第２接合材５０よりも厚く塗布する（工程３）。
次に、第１接合材４０を２９０℃で仮焼成する（工程４）。
【００５６】
次に、図５を参照して、仮焼成した第１接合材４０及び第２接合材５０を溶融させてダイアフラム層２０と感圧素子層１０とを接合する手順を説明する。図５の各工程に示す図はダイアフラム層２０の模式断面図である。
【００５７】
まず、ダイアフラム層２０における仮焼成された第１接合材４０と、感圧素子層１０の枠部１０８とを接触させる。そして、第１接合材４０の融点（２６０℃）以上かつ第２接合材５０の融点（３２０℃）未満の温度、例えば２８０℃の温度で１０分程度加熱して、第１接合材４０を溶融させ、第１接合材４０でダイアフラム層２０の支持枠部２０６と感圧素子層１０の枠部１０８とを接合する（工程５、第１接合工程）。
【００５８】
工程５において第１接合材４０が溶融したことにより、ダイアフラム層２０の第２接合材５０と感圧素子層１０の基部１６ｂとが接触する。この状態で第２接合材５０の融点（３２０℃）以上の温度、例えば３３０℃の温度で１０分程度加熱して、第２接合材５０を溶融させ、第２接合材５０でダイアフラム層２０の支持部２１０と感圧素子層１０の基部１６ｂとを接合する（工程６、第２接合工程）。
【００５９】
以上のような圧力センサー１の製造方法により、まず低融点の第１接合材４０が感圧素子層１０に接触した状態で溶融して接合し、次に高融点の第２接合材５０が感圧素子に接触し溶融して接合することとなる。したがって、低融点の第１接合材４０が感圧素子層１０に接触しない状態で融点以上の温度に長時間晒されて、結晶化して接合できなくなるという問題を回避することができる。
【００６０】
なお、この後に行う感圧素子層１０とベース層３０との第１接合材４０による接合は、感圧素子層１０とダイアフラム層２０とを第１接合材４０で接合するための工程である上記第３工程及び第６工程を組み合わせることで行うことができる。
【００６１】
次に、第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係る圧力センサー１Ａの側断面図であり、図７は図６に示す圧力センサー１ＡのＡ−Ａ断面図である。これらの図において第１実施形態で説明した構成と同様の部分には同符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００６２】
第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、第２実施形態に係る圧力センサー１Ａが、第１実施形態で説明した、双音叉素子１０６を囲む枠部１０８と、当該枠部１０８と双音叉素子１０６とを連結する接続部１１０と、を有していない点である。したがって、第１実施形態では、枠部１０８が「固定部」に対応し、ダイアフラム層２０の支持枠部２０６と、当該支持枠部２０６に対向するベース層３０の外周枠部３０４とを、感圧素子層１０の枠部１０８を挟んで第１接合材４０を用いて接合して、３層構造としたが、第２実施形態では、ベース層３０が「固定部」に対応し、ダイアフラム層２０の支持枠部２０６と、当該支持枠部２０６に対向するベース層３０の外周枠部３０４とを、第１接合材４０を用いて接合して、２層構造としている。
【００６３】
第２実施形態では、ダイアフラム層２０とベース層３０とが容器を構成しており、内部空間Ｓは、ダイアフラム層２０とベース層３０と、で囲まれた空間から構成されることとなる。
【００６４】
圧力センサー１Ａの製造方法としては、第１実施形態と同様の方法を用いることができる。ただし、第１実施形態における図５に示す工程５に対応する第２実施形態での工程において、ダイアフラム層２０の一方の主面を上方に向けた状態で、ダイアフラム層２０の支持枠部２０６とベース層３０の外周枠部３０４とを第１接合材４０を介して接触させた場合、第２実施形態では双音叉素子１０６の周囲に枠部が存在しないため、双音叉素子１０６を内部空間Ｓ内に支持しておくことができない。したがって、第２実施形態においては、ダイアフラム層２０の他方の主面を上方に向けた状態で、ダイアフラム層２０の一対の支持部２１０の上に双音叉素子１０６の一対の基部１６ｂを載置するとともに、ダイアフラム層２０の支持枠部２０６の上にベース層３０の外周枠部３０４を載置して、工程５以降を行えばよい。
その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００６５】
次に、第３実施形態について説明する。図８は第３実施形態に係る圧力センサー１Ｂの側断面図である。同図において上述した実施形態で説明した構成と同様の部分には同符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００６６】
第３実施形態に係る圧力センサー１Ｂが、第２実施形態に係る圧力センサー１Ａと異なる点は、第２の実施形態に係る圧力センサー１Ａが絶対圧計であるのに対し、第３実施形態に係る圧力センサー１Ｂが相対圧計である点である。
【００６７】
第３実施形態に係る圧力センサー１Ｂは、第２実施形態に係る圧力センサー１Ａが備えるベース層３０に替えて、ダイアフラム層３０Ａを備えている。そして、ダイアフラム層２０とダイアフラム層３０Ａとの間には、一方のダイアフラム層の変形を他方へ伝達するための支柱６０が設けられている。この支柱６０は、双音叉素子１０６の両脇に配置すればよい。
【００６８】
このような構成の圧力センサー１Ｂにおいて、ダイアフラム層２０側に圧力が負荷された場合、受圧面２０４が図中下側へ変形する。これにより、支持部２１０に固定された双音叉素子１０６は引張の力を受けることとなり、その周波数が増加する。一方、ダイアフラム層３０Ａ側に圧力が負荷された場合には、ダイアフラム層３０Ａの主面が図中上側へ変形することとなる。支柱６０が設けられていることにより、ダイアフラム層３０Ａの変形に倣って、ダイアフラム層２０の受圧面２０４も図中上側へ変形する。これにより、一対の支持部２１０は中心方向へ向かって傾くため、支持部２１０に固定された双音叉素子１０６は圧縮の力を受けることとなり、その周波数は低下する。このように、圧力センサー１Ｂは、ダイアフラム層２０、３０Ａのいずれに圧力が負荷された場合であっても、その圧力を検出することができる。その他の構成は第２実施形態と同様である。
【００６９】
なお、上述した実施形態では、感圧部として、１対の柱状ビーム１６ａを用いたが、感圧部はこれに限定されることはない。例えば、図９に示すように、感圧部を１つの柱状ビーム（シングルビームともいう）から構成しても良い。
【００７０】
また、感圧部としてＡＴカット水晶を用いた厚みすべり振動子（以下、ＡＴカット振動子と称す）を用いてもよい。感圧部としてＡＴカット振動子を用いることで、温度に対する周波数安定性が向上し、周波数温度特性を良好にすることができるとともに、衝撃に強く丈夫な圧力センサーとすることができる。
【００７１】
図１０（ａ）には、感圧部としてＡＴカット振動子を用いた圧力センサー１Ｃの分解斜視図の一例を示し、図１０（ｂ）には当該圧力センサー１Ｃの模式断面図を示し、図１０（ｃ）には当該圧力センサー１Ｃが備える感圧素子層１０Ａの平面図を示す。これらの図において上述した実施形態で説明した構成と同様の部分には同符号を付すとともに、その説明を省略する。これらの図に示すように、圧力センサー１Ｃは、第１実施形態に係る圧力センサー１が備える双音叉振動子１０６の１対の柱状ビーム１６ａをＡＴカット振動子１７に置き換えた構成となっている。
【００７２】
ＡＴカット振動子１７は、ＡＴカットと呼ばれるカット角で切り出された水晶片１７ａを備えている。なお、ＡＴカットとは、水晶の結晶軸であるＸ軸とＺ軸とを含む平面（Ｙ面）を、Ｘ軸を回転軸として＋Ｚ軸から−Ｙ軸方向へ約３５度１５分回転させて得られる面が主面となるように切り出すカット角である。この水晶片１７ａの表面及び裏面（不図示）の中央部には、当該水晶片１７ａを励振させるための励振電極１７ｂが設けられている。励振電極１７ｂには引出電極１７ｃが接続されており、水晶片１７ａの長さ方向の一方側の周縁に向かって引き出されている。この引出電極１７ｃは、基部１６ｂに設けられたマウント電極６０、及び接続部１１０と枠部１０８に設けられた接続パターン９２を介して、枠部１０８に設けられた枠部側マウント電極９４に導通している。枠部側マウント電極９４は、感圧素子層１０Ａをダイアフラム層２０とベース層３０とで挟み込んだときに、ダイアフラム層２０の支持枠部２０６及びベース層３０の外周枠部３０４と平面視して重なる位置に設けてある。そして枠部側マウント電極９４は、図示しない接続パターンによって圧力センサー１Ａの外部に設けた電極と導通している。
【００７３】
このような圧力センサー１Ｃは、上述した実施形態において図２を参照して説明した圧力センサー１と同様に動作する。すなわち、ダイアフラム層２０が被検出圧力を受圧して撓み変位すると、その変位がダイアフラム層２０を介して力に変換されＡＴカット振動子１７に伝達される。力を伝達されたＡＴカット振動子１７には内部応力（引張り応力、圧縮応力）が生じ、共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を測定して被検出圧力を検出することができる。
【００７４】
以上説明したように、圧力センサーを構成する各部材が水晶基板を基材としている場合に、感圧素子としての双音叉素子１０６を接合する第２接合材５０を、熱膨張係数が小さく水晶との熱膨張係数の差は大きいが、融点を第１接合材４０よりも高くすることによってリフロー等の高温処理で再溶融しないようにすることで、ダイアフラムに搭載される感圧素子の熱歪に起因した内部応力の変動を抑制することができる。
【００７５】
また、圧力センサーを構成する部材の枠部分の接合については、第１接合材４０の再溶融による圧力検出値のドリフトの影響よりも、第１接合材４０と当該第１接合材４０により接合されている部分との熱膨張係数のズレによる影響が大きいので、水晶と熱膨張係数が近い第１接合材４０を用いて接合することによって、熱膨張係数のズレに起因した圧力検出値のドリフトを防ぐことができ、圧力検出値の精度を向上させることができる。
【００７６】
また、圧力センサーの製造時に、加熱する前の第１接合材４０の厚さを第２接合材５０の厚さよりも厚くすることで、まず低融点の第１接合材４０が感圧素子層１０に接触した状態で第１接合材４０を溶融させ、次に高融点の第２接合材５０が感圧素子層１０に接触した状態で第２接合材５０を溶融させることができるため、低融点の第１接合材４０が接合対象部位に接触しない状態で融点以上の温度に長時間晒されて、結晶化してしまい接合できなくなるという問題を回避することができる。
【００７７】
上述した実施形態では、気体や液体の圧力を検出する圧力センサーを用いて説明したが、本発明に係る物理量検出器はこれに限らず、指等により直接押圧した場合の前記指の押圧による外力を検出する力センサーやその他の物理量を検出するセンサーにも広く適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７８】
１、１Ａ………圧力センサー、１０、１０Ａ………感圧素子層、１０６………双音叉素子、１６ａ………柱状ビーム、１６ｂ………基部、１７………ＡＴカット振動子、１７ａ………水晶片、１７ｂ………励振電極、１７ｃ………引出電極、１０８………枠部、１１０………接続部、２０………ダイアフラム層、２０４………受圧面、２０６………支持枠部、２１０………支持部、３０………ベース層、３０２………凹部、３０４………外周枠部、３０６………封止孔、４０………第１接合材、５０………第２接合材、６０……支柱。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基部と前記一対の基部の間に配置されている感圧部とを含む感圧素子と、
前記一対の基部が第２接合材を介して接合されている一対の支持部を備えている可撓部と、前記可撓部の周縁を支持する支持枠部と、を含むダイアフラムと、
前記支持枠部が第１接合材を介して固定されている固定部と、
を備え、
前記第２接合材の融点は、前記第１接合材の融点よりも高い
ことを特徴とする物理量検出器。
【請求項２】
前記第１接合材の熱膨張係数と、
前記第１接合材により接合される部分の熱膨張係数とは、ほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の物理量検出器。
【請求項３】
前記第１接合材と該第１接合材により接合される部分との熱膨張係数の差の絶対値は、
前記第２接合材と該第２接合材により接合される部分との熱膨張係数の差の絶対値よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の物理量検出器。
【請求項４】
前記固定部の機能を備えているベースを含み、
前記感圧素子を覆うように前記ベースと前記ダイアフラムが積層されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の物理量検出器。
【請求項５】
前記感圧素子を囲む枠部と、当該枠部と前記感圧素子とを連結する接続部と、を含み、
前記枠部が前記固定部の機能を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の物理量検出器。
【請求項６】
前記感圧素子を覆うように前記ダイアフラムと前記枠部とベースとが積層され、
前記枠部は、当該枠部に対向する前記ベースの接合部に前記第１接合材を用いて接合されていることを特徴とする請求項５に記載の物理量検出器。
【請求項７】
前記第１接合材により接合される部分は水晶であり、
前記第１接合材の熱膨張係数は前記第２接合材の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の物理量検出器。
【請求項８】
前記第２接合材はガラス材であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の物理量検出器。
【請求項９】
前記ガラス材は、金属微粒子を含有していることを特徴とする請求項８に記載の物理量検出器。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の物理量検出器の製造方法であって、
前記第２接合材の融点は、前記物理量検出器が基板へ実装されるときの加熱温度よりも高いことを特徴とする物理量検出器の製造方法。
【請求項１１】
一対の基部と前記一対の基部の間に配置されている感圧部とを含む感圧素子と、
前記一対の基部が第２接合材を介して接合されている一対の支持部を備えている可撓部と、前記可撓部の周縁を支持する支持枠部と、を含むダイアフラムと、
前記支持枠部が前記第２接合材の融点よりも低い融点を有する第１接合材を介して固定されている固定部とを備えた物理量検出器の製造方法であって、
前記ダイアフラムの前記一対の支持部に前記第２接合材を塗布する工程と、
前記一対の支持部に塗布された前記第２接合材を仮焼成する工程と、
前記ダイアフラムにおける前記支持部が設けられた主面側の前記支持枠部に、前記第１接合材を前記第２接合材の厚みよりも厚く塗布する工程と、
前記支持枠部に塗布された前記第１接合材を仮焼成する工程と、
前記第１接合材を前記第１接合材の融点以上かつ前記第２接合材の融点未満に加熱して、前記第１接合材を用いて前記ダイアフラムの前記支持枠部と前記固定部とを接合する第１接合工程と、
前記第２接合材と前記感圧素子の前記一対の基部とを接触させた状態で、前記第２接合材の融点以上に加熱して、前記第２接合材を用いて前記ダイアフラムの前記一対の支持部と前記感圧素子の前記一対の基部とを接合する第２接合工程と
を備えたことを特徴とする物理量検出器の製造方法。
【請求項１２】
前記第１接合工程において、前記ダイアフラムの前記支持枠部に塗布されて仮焼成された前記第１接合材と、前記感圧部を囲み前記固定部の機能を有する枠部と、を接触させ、前記第１接合材の融点以上かつ前記第２接合材の融点未満に加熱することにより、前記第１接合材を用いて、前記支持枠部と前記枠部とを接合することを特徴とする請求項１１に記載の物理量検出器の製造方法。
【請求項１】
一対の基部と前記一対の基部の間に配置されている感圧部とを含む感圧素子と、
前記一対の基部が第２接合材を介して接合されている一対の支持部を備えている可撓部と、前記可撓部の周縁を支持する支持枠部と、を含むダイアフラムと、
前記支持枠部が第１接合材を介して固定されている固定部と、
を備え、
前記第２接合材の融点は、前記第１接合材の融点よりも高い
ことを特徴とする物理量検出器。
【請求項２】
前記第１接合材の熱膨張係数と、
前記第１接合材により接合される部分の熱膨張係数とは、ほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の物理量検出器。
【請求項３】
前記第１接合材と該第１接合材により接合される部分との熱膨張係数の差の絶対値は、
前記第２接合材と該第２接合材により接合される部分との熱膨張係数の差の絶対値よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の物理量検出器。
【請求項４】
前記固定部の機能を備えているベースを含み、
前記感圧素子を覆うように前記ベースと前記ダイアフラムが積層されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の物理量検出器。
【請求項５】
前記感圧素子を囲む枠部と、当該枠部と前記感圧素子とを連結する接続部と、を含み、
前記枠部が前記固定部の機能を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の物理量検出器。
【請求項６】
前記感圧素子を覆うように前記ダイアフラムと前記枠部とベースとが積層され、
前記枠部は、当該枠部に対向する前記ベースの接合部に前記第１接合材を用いて接合されていることを特徴とする請求項５に記載の物理量検出器。
【請求項７】
前記第１接合材により接合される部分は水晶であり、
前記第１接合材の熱膨張係数は前記第２接合材の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の物理量検出器。
【請求項８】
前記第２接合材はガラス材であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の物理量検出器。
【請求項９】
前記ガラス材は、金属微粒子を含有していることを特徴とする請求項８に記載の物理量検出器。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の物理量検出器の製造方法であって、
前記第２接合材の融点は、前記物理量検出器が基板へ実装されるときの加熱温度よりも高いことを特徴とする物理量検出器の製造方法。
【請求項１１】
一対の基部と前記一対の基部の間に配置されている感圧部とを含む感圧素子と、
前記一対の基部が第２接合材を介して接合されている一対の支持部を備えている可撓部と、前記可撓部の周縁を支持する支持枠部と、を含むダイアフラムと、
前記支持枠部が前記第２接合材の融点よりも低い融点を有する第１接合材を介して固定されている固定部とを備えた物理量検出器の製造方法であって、
前記ダイアフラムの前記一対の支持部に前記第２接合材を塗布する工程と、
前記一対の支持部に塗布された前記第２接合材を仮焼成する工程と、
前記ダイアフラムにおける前記支持部が設けられた主面側の前記支持枠部に、前記第１接合材を前記第２接合材の厚みよりも厚く塗布する工程と、
前記支持枠部に塗布された前記第１接合材を仮焼成する工程と、
前記第１接合材を前記第１接合材の融点以上かつ前記第２接合材の融点未満に加熱して、前記第１接合材を用いて前記ダイアフラムの前記支持枠部と前記固定部とを接合する第１接合工程と、
前記第２接合材と前記感圧素子の前記一対の基部とを接触させた状態で、前記第２接合材の融点以上に加熱して、前記第２接合材を用いて前記ダイアフラムの前記一対の支持部と前記感圧素子の前記一対の基部とを接合する第２接合工程と
を備えたことを特徴とする物理量検出器の製造方法。
【請求項１２】
前記第１接合工程において、前記ダイアフラムの前記支持枠部に塗布されて仮焼成された前記第１接合材と、前記感圧部を囲み前記固定部の機能を有する枠部と、を接触させ、前記第１接合材の融点以上かつ前記第２接合材の融点未満に加熱することにより、前記第１接合材を用いて、前記支持枠部と前記枠部とを接合することを特徴とする請求項１１に記載の物理量検出器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−８８２８３（Ｐ２０１３−８８２８３Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２８９０８（Ｐ２０１１−２２８９０８）
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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