专利名称：压力检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及压力检测装置。
背景技术：
在专利文献1中，公开了由膜片(diaphragm)、容器和搭载于设置在该膜片上的支撑部上的双音叉型振子(压敏元件)构成的压力传感器。在这种结构的压力传感器中，具有挠性的膜片随施加给受压面的压力而变形，对双音叉型振子的2个振动臂作用拉伸应力(扩展应力)或压缩应力，测定与该拉伸应力或压缩应力对应地变化的双音叉型振子的振荡频率(谐振频率)，由此检测施加给压力传感器的压力的大小。在这些压力传感器中，在压敏元件中使用将石英作为基材的双音叉型振子的情况下，石英基板一般使用称作Z板的相对于Z轴垂直切取的石英晶片。这里，当关注于双音叉型振子的频率温度特性时，双音叉型振子的频率温度特性与音叉型振子的频率温度特性是相同的，关于音叉振子的频率温度特性与切削角之间的关系，如专利文献2记载的那样，众所周知，石英基板的切断角度是使XY平面(Z板)绕X轴旋转θ(θ为0 士15°、15 25°、30 60°等)后的角度，由此制作的双音叉型振子通过弯曲振动而振动，表示其频率温度特性的曲线是2次曲线。该频率温度特性是以常温附近为顶点的2次曲线，因此其特征在于，在常温附近， 由温度引起的频率变动小。此外，在压力检测中，为了补偿所述双音叉型振子的频率温度特性，要设置温度传感器，根据来自该温度传感器的信息进行校正(例如，参照非专利文献1)。此外，在压力传感器中，为了测定双音叉型振子的振荡频率，需要使用输出基准时钟信号的基准频率源，该基准频率源的精度左右着压力的测定精度，因此作为该基准频率源，一般使用由AT切石英振动元件和温度补偿用IC构成的温度补偿型石英振荡器(以下称作“TCX0”)等高精度振荡器。此外，作为测定频率时的计数方式，有时采用专利文献3和4记载的倒数计数 (reciprocal count)方式。即，设定从使作为压敏元件的双音叉型振子振荡的振荡电路输出的信号的多个周期的选通(gate)期间，在该选通期间中，对从基准时钟振荡器输出的基准时钟信号进行计数，并根据其计数值，求出从所述振荡电路输出的信号的频率，将该频率转换为压力值，由此测定压力。由此，能够缩短压力测定所需的时间。但是，在这样的压力传感器中，基准时钟振荡器的基准时钟信号的频率对测定精度影响较大，在该基准时钟信号中存在误差时，选通期间中的基准时钟信号的计数值偏离于恰当值，存在压力测定精度下降的问题。此外，即使在压力恒定的情况下，如果温度变化， 基准时钟振荡器的基准时钟信号的频率也会随温度而变化，因此压力的测定精度进一步下降。 因此，作为压力传感器的基准时钟振荡器，使用具有温度补偿用IC的TCXO等高精度振荡器。在使用TCXO作为基准时钟振荡器的情况下，例如当TCXO的基准时钟信号的频率的常温偏差为士2ppm(通信用TQCO的一般值)时，压力传感器的测定误差为士4Pa(压力传感器的灵敏度500ppm/Kpa的情况)。此外，例如在由TCXO的基准时钟信号的频率随温度的变动引起的偏差为士Ippm 的情况下，压力传感器的测定误差进一步增大士2Pa，合计为士6Pa。此外，在使压力传感器小型化的情况下，对于压力传感器的压力的频率灵敏度 (灵敏度)下降，因此基准时钟信号的误差对压力测定精度的影响进一步变大。例如，当压力传感器的灵敏度从500ppm/Kpa变为lOOppm/Kpa时，基于所述常温偏差的测定误差和基于由温度变动引起的偏差的测定误差分别变为5倍。此外，TQCO具有温度补偿用IC，因此，该温度补偿用IC的功耗变高，因而存在压力传感器整体的功耗变高这样的缺点。专利文献1日本特开2007-327922号公报专利文献2日本特开2005-197946号公报专利文献3日本特许第39311M号公报专利文献4日本特许第27似642号公报非专利文献1水晶双音叉振動子&用^&高精度压力七 > 寸一(2009年5月14 日第38回〉> 夕々A工7° 乂 >卜3 二 Λ論文)
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够减少功耗并且提高压力测定精度的压力检测装置。本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的，可以作为以下方式或应用例来实现。[应用例1]本发明的压力检测装置的特征在于，该压力检测装置具有振子，其振荡频率随压力而变化；第1振荡电路，其使所述振子振荡，输出与所述压力对应的频率的信号；AT切石英振子；第2振荡电路，其使所述AT切石英振子振荡，输出基准时钟信号；计测单元，其通过倒数计数方式对基于从所述第1振荡电路输出的信号的周期的选通期间中的所述基准时钟信号进行计测；以及温度检测单元，其检测所述振子或所述振子周围的温度，在所述计测单元的计测值的频率温度特性中，含入了所述AT切石英振子的频率温度特性和所述振子的频率温度特性，该压力检测装置具有存储单元，该存储单元存储有用于求取对所述计测单元的频率温度特性进行补偿的第1校正值的第1近似多项式的系数。由此，能够对振子的频率温度特性和AT切石英振子的频率温度特性双方进行补偿，因此，能够提高压力测定精度。此外，能够使用第1近似多项式，在含入了振子的频率温度特性和AT切石英振子的频率温度特性的状态下对它们进行补偿，因此，与分别单独地对振子的频率温度特性和 AT切石英振子的频率温度特性进行补偿的情况相比，能够简化运算处理和控制。此外，与使用具有温度补偿用IC的TCXO作为基准时钟振荡器的情况相比，能够降
4低功耗。此外，与音叉型振子和双音叉型振子相比，AT切石英振子的振荡频率(谐振频率) 较高，使该AT切石英振子振荡而生成基准时钟信号，使用倒数计数方式对所述基准时钟信号进行计数，从而求出压力，因此能够缩短压力测定所需的时间。此外，能够从压力检测装置的外部读出所述第1近似多项式，并根据温度检测单元的检测结果，在外部进行计测单元的计测值的频率温度特性的校正，因此能够减小压力检测装置的电路规模并降低功耗。[应用例2]本发明的压力检测装置的特征在于，所述第1校正值是根据所述温度检测单元的检测结果和所述第1近似多项式求出的值，该压力检测装置具有第1校正单元，该第1校正单元利用所述第1校正值校正所述计测单元的计测值。由此，能够在压力检测装置中进行计测单元的计测值的频率温度特性的校正。[应用例3]在本发明的压力检测装置中，优选的是，在所述存储单元中，存储有第2近似多项式的系数，该压力检测单元具有第2校正单元，该第2校正单元根据所述第2近似多项式， 进一步校正利用所述第1校正值进行校正后的所述计测值，所述第2近似多项式用于进一步校正利用所述第1校正值校正后的所述计测值，使得由所述第2校正单元校正后的结果值与所述压力具有比例关系。由此，能够补偿振子的压力频率特性，因此能够进一步提高测定精度。[应用例4]在本发明的压力检测装置中，优选所述第1近似多项式的次数为3次以上。由于表示AT切石英振子的频率温度特性的曲线为3次曲线，由此，与将第1近似多项式的次数设为2次以下的情况相比，能够提高测定精度。[应用例5]在本发明的压力检测装置中，优选所述第2近似多项式的次数为3次以上。由此，与将第2近似多项式的次数设为2次以下的情况相比，能够提高测定精度。[应用例6]在本发明的压力检测装置中，优选所述AT切石英振子配置于密封空间中。由此，能够防止压力变动对AT切石英振子造成的影响，能够提高测定精度。[应用例7]在本发明的压力检测装置中，优选所述振子是双音叉型振子。由此，能够提高对于压力的频率灵敏度，从而实现高精度的压力检测装置。
图1是示出将本发明的压力检测装置应用于压力传感器时的第1实施方式的截面图。图2是图1所示的压力传感器的传感器芯片的平面图。图3是图2所示的传感器芯片的截面图(沿图2中的A-A线的截面图)。图4是图3所示的传感器芯片的压电振动片层的平面图。
图5是图3所示的传感器芯片的双音叉型压电振动片的立体图。图6是说明传感器芯片的动作的截面图。图7是示出图1所示的压力传感器的电路结构的框图。图8是用于说明图1所示的压力传感器中的倒数计数方式的时序图。图9是用于说明图1所示的压力传感器中的基准时钟信号的计数值校正的曲线图。图10是用于说明图1所示的压力传感器中的基准时钟信号的计数值校正的曲线图。图11是示出图1所示的压力传感器的控制动作的流程图。图12是示出将本发明的压力检测装置应用于压力传感器时的第2实施方式的截面图。图13是示出将本发明的压力检测装置应用于压力传感器时的第3实施方式的截面图。符号说明1 压力传感器；Ib 压力传感器；2、20 封装；21 底座；211 凹部；212 第1级部位；213 第3级部位；214 第2级部位；22 盖；221 上壁；222 框部；223 贯通孔；3 传感器芯片；31 突出部；41、42、43、44 粘接剂；5 膜片；51 薄部；52 框部；53,54 支撑部；6 压电振动片层；61 压电振动片主体；611,612 基部；613 振动部；613a、613b 振动梁；62 框部；631、632、633、634 连接部；7 基台；71 基部；72 框部；8 双音叉型压电振动片； 91,92 激励电极；911,921 电极片；912,922 引出电极；95,96 端子；97,98 引线；IOb 压力传感器主体；11 =AT切石英振子；12 =IC芯片；13、15 盖；14、16 :接缝环；201 底座； 202 盖；203 上壁；101、102 振荡电路；103 选通(gate)电路；104 计数器；105 控制部； 106 温度传感器；107 存储部；Sl S4 空间；SlOl S105 步骤。
具体实施例方式以下，根据附图所示的优选实施方式详细说明本发明的压力检测装置。<第1实施方式>图1是示出将本发明的压力检测装置应用于压力传感器时的第1实施方式的截面图，图2是图1所示的压力传感器的传感器芯片的平面图，图3是图2所示的传感器芯片的截面图(沿图2中的A-A线的截面图)，图4是图3所示的传感器芯片的压电振动片层的平面图，图5是图3所示的传感器芯片的双音叉型压电振动片的立体图，图6是说明传感器芯片的动作的截面图，图7是示出图1所示的压力传感器的电路结构的框图，图8是用于说明图1所示的压力传感器中的倒数计数方式的时序图，图9和图10是分别用于说明图1所示的压力传感器中的基准时钟信号的计数值校正的曲线图，图11是示出图1所示的压力传感器的控制动作的流程图。另外，以下设图1、图3、图6中的上侧为「上」、下侧为「下」来进行说明(图12和图13也同样如此)。此外，以下，如图1所示，在压力传感器的平面图中，将相互垂直的两个轴设为X轴和Y轴、将分别与X轴和Y轴各自的轴垂直的轴设为Z轴。此外，将与X轴平行的方向称作“X轴方向”，将与Y轴平行的方向称作“Y轴方向”，将与Z轴平行的方向称作“Z轴方向”(对于其他图也同样如此)。X轴方向与传感器芯片的长边方向一致，Y轴方向与传感器芯片的短边方向一致。此外，在图1中，只示意性示出了传感器芯片、AT切石英振子和IC芯片等的一部分(图12和图13也同样如此)。此外，在图1中，省略了各个引线、各个配线、各个电极和各个端子等的图示(图12 和图13也同样如此)。图1所示的压力传感器(压力检测装置)1是检测压力的传感器(装置)。另外， 在本发明中，所检测的压力例如包括从气体、液体(流体)、粉末体和固体等分别施加的压力或力。如图1所示，压力传感器1具有封装2、收纳在封装2内的传感器芯片(传感器元件)3、AT切石英振子(厚度剪切振子)11和IC芯片12等。以下，依次详细说明压力传感器1所具有的各个结构。封装2的平面形状(XY平面上的形状)是以X轴方向为长边方向的长方形。另外， 作为封装2的平面形状，不限于此，例如也可以是圆形、正方形、五边形以上的多边形、或不规则形状等。封装2是通过将底座(主体)21与盖(盖体)22接合而构成的。作为底座21与盖22的接合方法，没有特别限定，例如可使用环氧系的粘接剂等进行接合。此外，还可根据底座21和盖22的构成材料等，使用阳极接合、直接接合等各种接合方法。底座21呈平板状，在底座21的上侧的中央部，形成有凹部211。该凹部211形成为3级。作为底座21的构成材料，没有特别限定，优选的是例如氧化铝、氧化硅、氧化钛、 氧化锆等的氧化物陶瓷、氮化硅、氮化铝、氮化钛等的氮化物陶瓷等各种陶瓷、或者聚乙烯、 聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、丙烯酸系树脂、ABS树脂、环氧树脂等各种树脂材料等绝缘性材料。由此，能够得到具有优异的机械强度的封装2。而且，能够简单地使设置于底座21上的未图示的一对电极相互绝缘。形成于底座21上的一对电极(导电部)具有将封装2的内外电连接的功能。能够经由该一对电极将IC芯片12与外部装置等进行电连接。作为这样的各个电极的构成材料，只要实质上具有导电性即可，没有特别限定，例如，可以举出如下这样的各种导电性材料金、银、铜、铝或包含它们的合金等金属材料、炭黑等碳系材料、聚乙炔、聚芴(Polyfluorene)或它们的衍生物等电子导电性高分子材料、 将NaCl、Cu(CF3SO3)2等离子性物质分散到聚乙烯醇、聚碳酸酯等基体树脂中的离子导电性高分子材料、氧化铟(10)、氧化铟锡(ITO)、氟掺杂氧化锡(FTO)等导电性氧化物材料，且可以组合这些材料中的1种或2种以上。盖22具有平板状的上壁221和从上壁221的缘部朝下方直立地设置的框状的框部222，而且呈箱状(斗状)。盖22设置于底座21上，盖22的开口被底座21封闭。由此， 形成由底座21和盖22的内壁围成的空间(腔)Si。此外，在盖22上，形成有连通封装2的内外、即连通压力传感器1的外部与空间Sl的贯通孔223。由此，能够将压力传感器1的外部与空间Sl的压力保持为相等。作为盖22的构成材料，没有特别限定，可以举出例如氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆等氧化物陶瓷、氮化硅、氮化铝、氮化钛等氮化物陶瓷等各种陶瓷、或者聚乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、丙烯酸系树脂、ABS树脂、环氧树脂等各种树脂材料、或者铁、铜、铝等各种金属材料(包含合金)等。此外，在底座21的凹部211上，隔着接缝环14接合着盖(盖体)13，利用盖13封闭凹部211的开口。由此，形成由盖13、接缝环14和底座21的内壁围成的空间(腔)S2。该空间S2是密封的，即被气密地密封。此外，优选空间S2为真空状态，或者在空间S2中填充有氦气。在该空间S2中，分别收纳有AT切石英振子11和IC芯片12，由此，能够防止压力变动对AT切石英振子造成的的影响，能够提高压力测定精度。作为盖13的构成材料，没有特别限定，可以举出例如氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆等氧化物陶瓷、氮化硅、氮化铝、氮化钛等氮化物陶瓷等各种陶瓷、或者聚乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、丙烯酸系树脂、ABS树脂、环氧树脂等各种树脂材料、或者铁、铜、铝等各种金属材料(包含合金)等。此外，作为底座21、接缝环14和盖13的接合方法，没有特别限定，例如可使用焊接等各种接合方法。此外，为了使空间S2成为真空状态，例如可以举出以下方法等在真空状态(真空环境)下接合盖13、接缝环14和底座21 ；或者在底座21上开设贯通孔，在常压下接合盖 13、接缝环14和底座21后，经由上述贯通孔使空间S2成为真空状态，然后在贯通孔中填充填充物(例如金锡AuSn或金锗AuGe等)来进行密封。另外，在空间S2中填充氦气的情况也同样如此。此外，IC芯片12搭载在封装2内。具体而言，IC芯片12被收纳在封装2的空间S2 内，且通过粘接剂43固定于从底座21的凹部211的底侧起第1级的部位(最深部位)212 上。作为粘接剂43，只要能够将IC芯片12接合在封装2上即可，没有特别限定，例如可使用环氧系、聚酰亚胺系等的粘接剂。此外，IC芯片12通过未图示的引线等配线与作为传感器芯片3的压敏元件的后述的双音叉型压电振动片(双音叉型振子)8和AT切石英振子11电连接。另外，关于IC芯片12，将在后面详细叙述。此外，如图1所示，AT切石英振子11搭载在封装2内。具体而言，AT切石英振子 11以不接触封装2的内壁、IC芯片12、接缝环14和盖13等其他部件的方式收纳在封装2 的空间S2中，该AT切石英振子11的端部通过粘接剂42固定于从底座21的凹部211的底侧起第3级的部位(最浅部位)213上。作为粘接剂42，只要能够将AT切石英振子11接合在封装2上即可，没有特别限定，例如可使用环氧系、聚酰亚胺系、硅酮系等的粘接剂。该AT切石英振动元件与IC芯片12的振荡电路102电连接。此外，在传感器芯片3中，作为压敏元件，具有振荡频率(谐振频率)随压敏部中产生的内部应力(拉伸应力或压缩应力)而变化的振子即双音叉型压电振动片(双音叉型振子)8，传感器芯片3搭载在封装2内。具体而言，传感器芯片3以不接触封装2的内壁和盖13的方式收纳在封装2的空间Sl中，且通过粘接剂41固定于盖13上。作为粘接剂 41，只要能够将传感器芯片3接合在封装2上即可，没有特别限定，例如可使用环氧系、聚酰亚胺系等的粘接剂。如图2所示，传感器芯片3的平面形状(XY平面上的形状)是以X轴方向为长边
8方向的长方形。这种形状的传感器芯片3以其长边方向与封装2的长边方向一致的方式载置于封装2内。由此，能够高效利用封装2的空间Si，能够实现压力传感器1的小型化。如图3所示，传感器芯片3具有膜片5、压电振动片层6和基台7，并且是通过从图 3中的上侧依次层叠这些部件而构成的。此外，传感器芯片3具有压电振动片层6和基台7 沿X轴方向突出于膜片5的突出部31。膜片5、压电振动片层6和基台7分别由石英构成。这样，通过利用彼此相同的材料构成膜片5、压电振动片层6和基台7，能够抑制由于线性膨胀率不同而产生的压电振动片主体61的非本意的翘曲或挠曲，能够提高压力测定精度。还能够抑制传感器芯片3的非本意的翘曲或挠曲和因这样的翘曲或挠曲引起的裂纹等。此外，通过利用石英构成压电振动片层6，能够得到具有优异的温度特性和振动特性的传感器芯片3。膜片5与压电振动片层6、以及压电振动片层6与基台7例如分别使用低熔点玻璃或环氧系的粘接剂等接合。由此，能够牢固地接合各个部件。此外，也可以使用阳极接合或直接接合将它们接合。膜片5具有薄部51;其受到来自外部的压力(在图3中为来自上方的压力)而变形，并具有挠性；以及框部52，其形成于该薄部51的周围。即，膜片5在其下表面的除缘部以外的中央部处具有敞开的凹部，也可以说膜片5呈底面薄的箱状(斗状)。此外，膜片5具有形成于薄部51的下表面(靠基台7侧的表面)上的一对支撑部 53、54。在一对支撑部5354上，固定着压电振动片层6所具有的后述的压电振动片主体 61 (双音叉型压电振动片8)。基台7与这样的膜片5相对地设置。基台7具有板状的基部71和从基部71的缘部直立地设置的框部72。即，也可以说基台7呈在其上表面的缘部以外的中央部处具有敞开的凹部的箱状(斗状)。此外，形成于基台7上的上述凹部与形成于膜片5上的上述凹部相对，由此形成空间S3，在该空间S3内收纳着双音叉型压电振动片8。空间S3优选为真空状态。由此，能够降低双音叉型压电振动片8的CI (Crystal Impedance:晶体阻抗)值，提高频率稳定性。为了使空间S3成为真空状态，例如可以举出如下方法等在真空状态(真空环境)下接合膜片5、压电振动片层6和基台7 ；或者在基台 7上开设贯通孔，在常压下接合膜片5、压电振动片层6和基台7后，经由上述贯通孔使空间 S3成为真空状态，然后在贯通孔中填充填充物(例如金锡AuSn或金锗AuGe等)来进行密封。压电振动片层6被设置成夹在这样的基台7与膜片5之间。如图4所示，压电振动片层6具有压电振动片主体61 ；框状的框部62，其被设置成包围压电振动片主体61的周围；以及连接压电振动片主体61与框部62的4个连接部631、632、633、634。压电振动片主体61由相互分离地设置的一对基部611、612和连接基部611、612 的双音叉型的振动部613构成。振动部613具有隔开间隔、相互平行地沿X轴方向延伸的矩形形状的2个振动梁(柱状梁)613a、6i;3b。这样，由于具有2个振动梁613a、613b，因此能够抑制振动部613的振动泄漏等，能够得到具有优异的分辨率的传感器芯片3。另外，作为振动梁的数量，不限于本实施方式的2个，也可以是1个或3个以上。该压电振动片主体61通过基部611，612固定于膜片5的支撑部53、54上。作为基部611、612与支撑部53的固定方法，没有特别限定，例如可使用低熔点玻璃或环氧系的粘接剂等进行接合。框部62被设置成包围压电振动片主体61的周围，其内部形状和外部形状都为矩形。4个连接部631 634之中的连接部631、632连接压电振动片主体61的基部611 与框部62，连接部633、634连接基部612与框部62。此外，这4个连接部631 634分别被设置成沿着Y轴方向延伸。另外，作为连接部的数量及延伸方向，只要能够将压电振动片主体61与框部62连接即可，没有特别限定，例如，也可以针对各个基部611、612形成1个或3个以上的连接部。以上，对膜片5、压电振动片层6和基台7的结构(形状)进行了说明，而它们的外形形状例如可分别使用光刻法和干蚀刻或湿蚀刻等各种蚀刻法基于一块石英平板来形成。在压电振动片主体61上，形成有图5所示的一对激励电极91、92，由压电振动片主体61和一对激励电极91、92构成双音叉型压电振动片8。双音叉型压电振动片8对于拉伸 /压缩应力的灵敏度良好，作为压敏元件的分辨率优异。因此，使用了这种双音叉型压电振动片8的传感器芯片3能够发挥优异的压力检测能力。一对激励电极91，92配置成，使得双音叉型压电振动片8以振动模式是关于双音叉型压电振动片8的中心轴对称的模式的方式进行振动。图5(A)是从基台7侧观察双音叉型压电振动片8的立体图，图5(B) (D)分别是双音叉型压电振动片8的截面图。如图5(A) (D)所示，激励电极91具有形成于振动梁613a、6i;3b上的多个电极片911和形成于基部611上的引出电极912，这些电极彼此电连接。与其同样，激励电极92也具有形成于振动梁613a，6i;3b上的多个电极片921和形成于基部612上的引出电极922，这些电极彼此电连接。另外，引出电极912，922分别形成于压电振动片层6的靠基台7侧的表面上。电极片911、921形成为在振动梁613a、6i;3b的长度方向和周向各自的方向上交替地配置，并且，形成为在振动梁613a与振动梁61 上的配置相反。通过形成这样的电极配置，能够在上述振动模式下使双音叉型压电振动片8高效地振动。激励电极91经由形成在连接部631和框部62上的配线与形成于突出部31上的端子95电连接。端子95通过具有导电性的引线97和未图示的配线与IC芯片12电连接。此外，激励电极92经由形成在连接部634和框部62上的配线与形成于突出部31 上的端子96电连接。端子96通过具有导电性的引线98和未图示的配线与IC芯片12电连接。作为激励电极91、92、端子95、96和上述配线的构成材料，只要实质上具有导电性即可，没有特别限定，例如可使用与形成于上述的底座21上的一对电极相同的构成材料。压力传感器1(传感器芯片3)在向膜片5的受压面施加图6(a)所示的压力时，如图6(b)所示，膜片5的薄部51发生挠曲，使得两个支撑部53、54的下表面(与双音叉型压电振动片8之间的接合面)扩展。由于薄部51的挠曲，还对固定于支撑部53巧4上的双音叉型压电振动片8施加了弯曲方向的力，同时施加了与一对支撑部53、54的扩展相伴的拉伸(朝向长度方向的延伸)的力。即，在双音叉型压电振动片8中产生拉伸应力(扩展应力)。双音叉型压电振动片8具有如下特性当对振动部613的振动梁613a、6i;3b施加了拉伸应力时，振荡频率(谐振频率)变高，因此如后所述，可检测双音叉型压电振动片8的振荡频率，并根据该振荡频率的检测值导出施加给压力传感器1(传感器芯片3)的压力的大小。另外，在双音叉型压电振动片8中产生了压缩应力的情况下，双音叉型压电振动片8 的振荡频率减小。这里，施加给压力传感器1的压力的大小是不仅与上述振荡频率具有一定关系、 而且与压力传感器1自身的振荡频率也具有一定关系的值，例如可以举出压力传感器1振荡时的周期、或后述的选通期间中由计数器104计测的基准时钟信号的计数值(计测值) 等。另外，在本实施方式中，是根据上述计数值来求取压力。这里，作为压敏元件的振子，不限于双音叉型压电振动片8，可以是振荡频率(谐振频率)随压力而变化的振子，即，振荡频率随拉伸应力(扩展应力)、压缩应力而变化的振子，另外，例如可使用音叉型振子、AT振子或SAW谐振子等。接着，对IC芯片12进行说明。如图7所示，IC芯片12具有振荡电路(第1振荡电路)101，其使双音叉型压电振动片8振荡，输出与双音叉型压电振动片8在膜片的受压面上受到的压力对应的频率的信号；振荡电路(第2振荡电路)102，其使AT切石英振子11振荡，输出基准时钟信号；选通电路103，其生成选通期间；计数器104 ；控制部(控制单元)105 ；温度传感器(温度检测单元)106，其检测双音叉型压电振动片8的温度或双音叉型压电振动片8周围的温度；以及存储部(存储单元)107。在该压力传感器1中测定(检测)压力时，通过振荡电路101激励双音叉型压电振动片8 (使其振荡)，并且通过振荡电路101激励AT切石英振子11 (使其振荡)，生成基准时钟信号。从振荡电路101输出的信号(以下也称作「检测信号」)和从振荡电路102输出的基准时钟信号分别被输入选通电路103。另外，基准时钟信号的频率是已知的。选通电路103在压力测定(压力检测)中，当通过倒数计数方式对基准时钟信号进行计数(计测)时，设定选通(gate)期间。即，检测信号被输入选通电路103，选通电路 103根据该检测信号的周期，设定选通期间，并将表示该选通期间的定时信号输出至计数器 104。如图8所示，该选通期间被设定为检测信号周期的多倍(多个周期)。基准时钟信号被输入选通电路103，再从选通电路103输入计数器104。计数器104在压力测定中通过倒数计数方式对选通期间中的基准时钟信号进行计数(计测)(参照图8)。该基准时钟信号的计数值(计测值)被输入控制部105。这里， 由选通电路103和计数器104构成计测单元。控制部105例如由具有CPU、ROM、RAM等的微型计算机等构成，进行压力传感器1 中的各种运算处理和压力传感器1的整体控制等。具体而言，控制部105在压力测定时，根据选通期间中由计数器104计测的基准时钟信号的计数值(以下，也简称作「基准时钟信号的计数值」)，求出双音叉型压电振动片8 受到的压力。此时，使用后述的第1近似多项式和第2近似多项式进行校正。这里，通过控制部105实现压力计算单元、第1校正单元和第2校正单元的主要功能。 温度传感器106检测双音叉型压电振动片8的温度或双音叉型压电振动片8周围的温度。在本实施方式中，通过该温度传感器106，检测封装2内的温度，即双音叉型压电振动片8的周围温度。检测到的温度信息被输入控制部105，以供在上述校正中使用。
存储部107具有存储介质，该存储介质存储有各种信息，例如数据、运算式、表、程序等，该存储介质由各种半导体存储器(IC存储器)等构成，例如RAM等易失性存储器、ROM 等非易失性存储器、EPROM、EEPR0M、闪存等可改写(可删除、改写)的非易失性存储器等。 在该存储部107中，存储有在后述的第1近似多项式和第2近似多项式等的压力测定中使用的各个运算式。另外，还可以存储有关于第1近似多项式和第2近似多项式的各个系数。存储部107中的写入(存储)、改写、删除、读出等控制由控制部105完成。这里，双音叉型压电振动片8和AT切石英振子11分别具有其振荡频率(谐振频率)随温度而变化的频率温度特性。因此，在该压力传感器1中，在压力测定时，控制部105为了对双音叉型压电振动片8的频率温度特性和AT切石英振子11的频率温度特性进行补偿，根据由温度传感器106 检测到的温度检测值，校正基准时钟信号的计数值。在该校正中，使用了第1近似多项式， 该第1近似多项式表示基准时钟信号的计数值的第1校正值与双音叉型压电振动片8的温度(由温度传感器106检测到的温度)之间的关系，所述第1校正值用于对AT切石英振子 11的频率温度特性和双音叉型压电振动片8的频率温度特性进行补偿。即，在校正时，首先，根据由温度传感器106检测到的温度，通过第1近似多项式求出第1校正值，通过第1 校正值校正上述基准时钟信号的计数值。第1近似多项式不仅包含双音叉型压电振动片8的频率温度特性，还含入了 AT切石英振子11的频率温度特性，因此，与分别单独地对双音叉型压电振动片8的频率温度特性和AT切石英振子11的频率温度特性进行补偿的情况相比，能够简化运算处理和控制。此外，第1近似多项式的次数没有特别限定，但优选为3次以上，更优选为4次以上，进一步优选为4 6次。其原因是，表示双音叉型压电振动片8的频率温度特性的曲线是2次曲线，因此第 1近似多项式的次数优选为2次以上，此外，表示AT切石英振子11的频率温度特性的曲线是3次曲线，因此第1近似多项式的次数优选为3次以上，而当考虑这两者时，第1近似多项式的次数优选为3次以上。由此，能够进一步提高压力测定精度。第1近似多项式的各个系数是预先通过测定和计算求出的，并被存储在存储部 107中。另外，关于第1近似多项式，将在后面详细叙述。此外，表示双音叉型压电振动片8 (传感器芯片3)受到的压力与检测信号的频率之间的关系(双音叉型压电振动片8的压力频率特性)的曲线不是直线，即，表示双音叉型压电振动片8受到的压力与基准时钟信号的计数值之间的关系的曲线不是直线。换言之， 双音叉型压电振动片8受到的压力与检测信号的频率不具有比例关系，即，双音叉型压电振动片8受到的压力与基准时钟信号的计数值不具有比例关系。因此，在该压力传感器1中，在控制部105中，进一步通过第2近似多项式来校正利用上述第1校正值校正后的基准时钟信号的计数值(对双音叉型压电振动片8的压力频率特性进行补偿)。该第2近似多项式用于校正利用上述第1校正值校正后的基准时钟信号的计数值，使得进一步校正后的基准时钟信号的计数值与双音叉型压电振动片8受到的压力具有比例关系。由此，能够进一步提高压力测定精度。该第2近似多项式的各个系数是预先通过测定和计算求出的，并被存储在存储部107中。另外，关于第2近似多项式，将在后面详细叙述。此外，第2近似多项式的次数没有特别限定，但优选为3次以上，更优选为4次以上，进一步优选为4 6次。其原因是，在双音叉型压电振动片8的压力频率特性中，含有2次分量，为了去除该2次分量，第2近似多项式的次数优选为2以上，并且，为了进行更高精度的校正，优选为 3以上。由此，能够进一步提高压力测定精度。接着，对基准时钟信号的计数值的校正进行说明。另外，这里是针对第1近似多项式的次数和第2近似多项式的次数分别为3次的情况进行说明。首先，表示检测信号的频率fp与温度T之间的关系的曲线如图9 (a)所示，表示基准时钟信号的频率fmclk与温度T之间的关系的曲线如图9(b)所示。此外，表示选通期间与温度T之间的关系的曲线如图9(c)所示，表示基准时钟信号的周期与温度T之间的关系的曲线如图9(d)所示。此外，当重叠地示出表示选通期间与温度T之间的关系的曲线和表示基准时钟信号的周期与温度T之间的关系的曲线时，如图9(e)所示。此外，表示基准时钟信号的计数值Rmt与温度T之间的关系的曲线由图10(f)中的实线表示。该计数值Rmt是未进行第1校正和第2校正的值，在设双音叉型压电振动片8受到的压力为P、温度为T时，该计数值Rmt用下式(1)表示。Fout = e · T3+f · T2+g · T+h+Δ (P) ... (1)另外，Δ⑵是与压力有关的项，h是与压力和温度无关的项，“e*T3+f ·Τ3+β·Τ3” 这各个项分别是与温度有关的项，e、f、g分别是系数。第1近似多项式f (T)用于从计数值Fout中减去与相当于“e · T3+f · T2+g · Τ”这各个项的值，在曲线图上表示时，由图10(f)中的虚线表示。该第1近似多项式f (T)用下式(2)来表示。f (T) = -e · T3-f · T2-g · Τ... (2)此外，表示利用第1校正值校正计数值Rmt而得到的计数值Rmta的式子是将式(1)与式(2)相加而得到的“h+Δ (P) ”，在曲线图上表示时，由图10(f)中的点划线表示。另外，上式O)的各个系数e、f、g、h是分别针对每一个压力传感器，预先通过测定和计算而求出的，并被存储在存储部107中。各个系数e、f、g、h例如可通过如下方式来求出。首先，在一定压力下，以4个点以上改变温度，分别测定计数值Rnit。然后，使用各个温度、各个计数值i^out和式(1)，例如通过最小2乘法等分别求出式⑵的各个系数e、 f > g、h0此外，表示计数值Rnita与压力P之间的关系的曲线由图10(g)中的实线表示。该计数值Rnita是进行了基于第1校正值的校正而未进行第2校正的值，在设双音叉型压电振动片8受到的压力为P时，用下式(3)来表示。Fout α t = h+Δ (P)... (3)这里，计数值Rmta包含与压力有关的项Δ (P)0因此，使用以下的第2近似多项式求出进一步校正计数值Rmt α后的R)Uti3。Fout β = k · (Fout α )3+1 · (Fout α ) 2+m · (Fout α ) +η... (4)其中，k、l、m、n为校正常数。
另外，导入了式G)，以使得该与双音叉型压电振动片8受到的压力P之间具有比例关系。接着，通过下式(5)，将用式(4)求出的Rmtii换算为压力。P = q · Fout^ ... (5)其中，q为转换常数。式(4)(第2近似多项式)用于改善计数值Rmta相对于压力P的特性的线性度， 在曲线图上表示时，相当于图10(g)的点划线。另外，上式(4)的各个系数k、l、m和常数η是分别针对每一个压力传感器，预先通过测定和计算求出的，并被存储在存储部107中。各个系数k、l、m和常数η例如可通过如下方式求出。首先，在一定温度下，以4个点以上改变压力，分别测定计数值Rnit。然后，求出计数值Rmt α，使用各个压力、各个计数值Rmt α和式，例如通过最小2乘法等分别求出上式(4)的各个系数k、l、m和常数η。接着，根据图11所示的流程图，说明压力传感器1检测压力时的作用。需要说明的是，这里是针对第1近似多项式的次数和第2近似多项式的次数分别为3次的情况进行说明。首先，通过计数器104对选通期间中的基准时钟信号进行计数，求出其计数值 Fout (步骤 S101)。接下来，通过温度传感器106检测双音叉型压电振动片8的周围温度(步骤 S102)。这里，可以先执行步骤SlOl和步骤S102中的任意一步。接下来，求出第1校正值，利用该第1校正值校正基准时钟信号的计数值Rmt (步骤S103)。在该步骤S103中，首先，在上式O)中代入检测到的温度，求出第1校正值。然后，对计数值i^out加上第1校正值。由此，能够得到利用第1校正值对计数值Rmt进行校正后获得的计数值i^out α。接下来，利用第2近似多项式对在步骤S103中求出的计数值Rnita进行校正(步骤S104)。在该步骤S104中，首先，在上式(4)中代入在步骤S103中求出的计数值Rmt α， 求出Fout^。接下来，在上式(5)中代入计数值Rmt β，求出压力P (步骤S105)。如以上说明的那样，根据该压力传感器1，能够在含入了双音叉型压电振动片8的频率温度特性和AT切石英振子11的频率温度特性的状态下对它们进行补偿，因此能够提高压力测定精度。此外，能够使用第1近似多项式，在含入了双音叉型压电振动片8的频率温度特性和AT切石英振子11的频率温度特性的状态下对它们进行补偿，因此，与分别单独地对双音叉型压电振动片8的频率温度特性和AT切石英振子11的频率温度特性进行补偿的情况相比，能够简化运算处理和控制。此外，与使用具有温度补偿用IC的TQCO作为基准时钟振荡器的情况相比，能够降低功耗。此外，与音叉型振子和双音叉型振子相比，AT切石英振子11的振荡频率(谐振频率)较高，使该AT切石英振子11振荡而生成基准时钟信号，使用倒数计数方式对所述基准时钟信号进行计数，从而求出压力，因此能够缩短压力测定所需的时间。另外，在使用音叉型振子或双音叉型振子作为倒数计数方式中的基准时钟信号的产生源的情况下，需要利用使信号倍增的电路，此时，使该电路工作的电力是必不可少的， 从而功耗增大。与此相对，在该压力传感器1中，由于使用了频率比较高的AT切石英振子 11，因此不需要使信号倍增的电路，由此能够降低功耗。另外，压力P的计算方法不限于上述方法，例如也可以按如下方式进行。S卩，可以根据上式(1)直接求出不对频率温度特性和压力频率特性进行补偿的状态下的压力1 的换算式，根据求出的压力1 的换算式进行校正，以消除2次和3次的项。 这里，下式(6)是对频率温度特性进行补偿后的状态下的压力1 的换算式，(7)式是对频率温度特性和压力频率特性进行补偿后的状态下的压力P的换算式。Pb = Vk1 · FoutM1 · Fout^m1 · Fout." (6)P = hi+ni! ‘ Fout··· (7)另外，在以上所说明的实施方式中，说明了在IC芯片12中内置有控制部105、存储部107，且在压力传感器1的内部执行计数器104的计数值Rmt的校正和压力计算的例子，但本发明不限于此。也可以在压力传感器1的外部执行计数器104的计数值Rmt的校正和压力的计算处理。例如，也可以在外部装置侧具有控制部105的一部分功能(校正和压力计算)和存储部107，在外部装置侧执行计数器104的计数值Rmt的校正和压力的计算。或者，也可以在外部装置侧具有控制部105的一部分功能(校正和压力计算)，在 IC芯片12侧具有存储部107。即，可以从外部装置侧读出存储部107所存储的第1近似多项式的系数、或第1近似多项式和第2近似多项式的系数，在外部装置侧执行计数器104的计数值i^out的校正和压力计算。由此，在压力传感器1内部不需要用于进行校正和压力计算的处理电路，IC芯片12的电路规模变小，功耗也降低，能够实现成本下降。〈第2实施方式〉图12是示出将本发明的压力检测装置应用于压力传感器时的第2实施方式的截面图。以下，对于第2实施方式，以与上述第1实施方式的不同点为中心进行说明，对于相同事项省略其说明。如图12所示，在第2实施方式的压力传感器1中，在底座21的下侧的中央部，形成有凹部211。此外，从底座21的凹部211的底侧起第3级的部位213隔着接缝环16与盖(盖体)15接合，利用盖15封闭凹部211的开口。由此，形成由盖15、接缝环16和底座21的内壁围成的空间(腔)S4。该空间S4与第1实施方式中的空间S2同样，是密封的，即被气密地密封。此外， 优选空间S4为真空状态，或者在空间S4中填充有氦气。作为盖15的构成材料，没有特别限定，例如可使用与第1实施方式中的盖13相同的构成材料。此外，IC芯片12搭载在封装2内。具体而言，IC芯片12被收纳在封装2的空间 S4内，且通过粘接剂43固定于从底座21的凹部211的底侧起第1级的部位212上。
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此外，AT切石英振子11搭载在封装2内。具体而言，AT切石英振子11以不接触封装2的内壁、IC芯片12、接缝环16和盖15等其他部件的方式收纳在封装2的空间S4中， 该AT切石英振子11的端部通过粘接剂44固定于从底座21的凹部211的底侧起第2级的部位214上。作为粘接剂44，只要能够将AT切石英振子11接合在封装2上即可，没有特别限定，例如可使用与第1实施方式中的粘接剂42相同的粘接剂。此外，传感器芯片3搭载在封装2内。具体而言，传感器芯片3以不接触封装2的内壁的方式收纳在封装2的空间Sl中，且通过粘接剂41固定于底座21上。根据上述这样的第2实施方式，也能够发挥与第1实施方式相同的效果。〈第3实施方式〉图13是示出将本发明的压力检测装置应用于压力传感器时的第3实施方式的截面图。以下，对于第3实施方式，以与上述第1实施方式的不同点为中心进行说明，对于相同事项省略其说明。如图13所示，第3实施方式的压力(按压力)传感器Ib具有压力传感器主体IOb 和收纳该压力传感器主体IOb的封装(第2封装)20。压力传感器主体IOb的结构与上述第1实施方式的压力传感器1的结构相同。此外，关于控制，在以下方面是不同的，即压力传感器1求出的是气压，与此相对，压力传感器主体IOb最终求出的是施加到封装20上的力(按压力)。此外，封装20是将底座(主体)201与可变形的盖(盖体)202相接合而构成的， 封装20内被密封(气密地密封)。压力传感器Ib固定于封装20内的底壁上。此外，在压力传感器主体IOb的侧部和上部与封装20之间分别形成有间隙。特别是在压力传感器主体IOb的上部与封装20之间形成有间隙，由此，能够防止在测定时按压封装20的上部的情况下、该封装20的上部与压力传感器主体IOb的上部抵接的状况，从而能够防止测定精度的降低。接着，对压力传感器Ib的作用进行说明。首先，例如当用手指等向下方按压压力传感器Ib的封装20的盖202的上壁203 时，该封装20的盖202的上壁203以下方突出的方式发生弯曲，封装20内的压力上升。在压力传感器主体IOb中，与上述压力传感器1同样地进行各个校正，求出封装20内的压力， 并根据该压力，求出按压封装20的盖后的按压力。另外，表示上述封装20内的压力与按压力之间的关系的校准线(例如运算式、表等)是预先通过实验求出的，并被存储在存储部107中。根据上述这样的第3实施方式，也能够发挥与第1实施方式相同的效果。另外，也可以省略封装2的盖22和封装20，例如构成为用手指等直接按压膜片5。此外，还可将第3实施方式应用于第2实施方式。以上，根据图示的实施方式对本发明的压力检测装置进行了说明，但本发明不限于此，可将各个部分的结构置换为具有相同功能的任意结构。此外，还可以在本发明中增加其他任意的结构物。此外，本发明还可以组合上述各实施方式中的任意2个以上的结构(特征)。
权利要求
1.一种压力检测装置，其特征在于，该压力检测装置具有 振子，其振荡频率随压力而变化；第1振荡电路，其使所述振子振荡，输出与所述压力对应的频率的信号； AT切石英振子；第2振荡电路，其使所述AT切石英振子振荡，输出基准时钟信号； 计测单元，其通过倒数计数方式对基于从所述第1振荡电路输出的信号的周期的选通期间中的所述基准时钟信号进行计测；以及温度检测单元，其检测所述振子或所述振子周围的温度，在所述计测单元的计测值的频率温度特性中，含入了所述AT切石英振子的频率温度特性和所述振子的频率温度特性，该压力检测装置具有存储单元，该存储单元存储有用于求取对所述计测单元的频率温度特性进行补偿的第1校正值的第1近似多项式的系数。
2.根据权利要求1所述的压力检测装置，其特征在于，所述第1校正值是根据所述温度检测单元的检测结果和所述第1近似多项式求出的值，该压力检测装置具有第1校正单元，该第1校正单元利用该第1校正值校正所述计测单元的计测值。
3.根据权利要求1或2所述的压力检测装置，其特征在于， 在所述存储单元中，存储有第2近似多项式的系数，该压力检测装置具有第2校正单元，该第2校正单元根据所述第2近似多项式，进一步校正利用所述第1校正值进行校正后的所述计测值，所述第2近似多项式用于进一步校正利用所述第1校正值校正后的所述计测值，使得由所述第2校正单元校正后的结果值与所述压力具有比例关系。
4.根据权利要求1或2所述的压力检测装置，其中， 所述第1近似多项式的次数为3次以上。
5.根据权利要求3所述的压力检测装置，其中， 所述第2近似多项式的次数为3次以上。
6.根据权利要求1或2所述的压力检测装置，其中， 所述AT切石英振子配置于密封空间中。
7.根据权利要求1或2所述的压力检测装置，其中， 所述振子是双音叉型振子。
全文摘要
压力检测装置，其能降低功耗并提高压力测定精度。具有振荡频率随压力而变化的振子；第1振荡电路，其使所述振子振荡，输出与所述压力对应的频率的信号；AT切石英振子；第2振荡电路，其使所述AT切石英振子振荡，输出基准时钟信号；计测单元，其通过倒数计数方式对基于从所述第1振荡电路输出的信号的周期的选通期间中的所述基准时钟信号进行计测；温度检测单元，其检测所述振子或所述振子周围的温度，在所述计测单元的计测值的频率温度特性中，含入了所述AT切石英振子的频率温度特性和所述振子的频率温度特性，该压力检测装置具有存储单元，该存储单元存储有用于求取对所述计测单元的频率温度特性进行补偿的第1校正值的第1近似多项式的系数。
文档编号G01L9/00GK102200483SQ201110070569
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月23日 优先权日2010年3月25日
发明者樱井俊信 申请人:精工爱普生株式会社