JP2007057389A

JP2007057389A - 圧力センサ素子及び圧電振動子

Info

Publication number: JP2007057389A
Application number: JP2005243434A
Authority: JP
Inventors: Yoko Hayashi; 洋子林; Hiroaki Iida; 浩章飯田; Hideo Outsuka; 日出夫鶯塚
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】双晶になることがない圧力センサ素子及び圧電振動子を提供する。
【解決手段】圧力センサ素子１０は、円板状の形状で、主面１１がＸ面となるように形成されている。なお、前記主面１１とは、円板形状における直径方向を含む環状の平面（ＹＺ平面）をいう。従って、圧力センサ素子１０は厚さ方向をＸ軸、主面１１がＸ面、つまりＹＺ平面となるように形成されている。また、この主面１１には電極（図示せず）が形成されており、この主面１１に圧力がかかることによって生じる電荷を検出できるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサ素子及び圧電振動子に関する。

従来から、圧電素子に水晶（以下。「圧電材料」という場合がある。）を用いた圧力センサ素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような圧力センサ素子は、その素子表面（以下、「主面」という。）に圧力がかかると歪みが生じ、その歪みによって生じる電荷を検出することによって圧力を測定している。ここで、圧力センサ素子は、人工水晶又は天然水晶から切り出され、例えば、いわゆるＡＴカットと呼ばれるカットアングルで切り出された水晶から形成されている。ここで、ＡＴカットのＳｉＯ_２からなる圧電素子を用いた圧力センサ素子を用いた場合、所定の温度状態で、所定の圧力をかけた場合に双晶になることが知られている（例えば、特許文献２参照）。
このような従来の圧電素子は、カットアングルに関わりなく、一般的に不純物濃度は重要な管理項目ではないので不純物濃度が５ｐｐｍを超えている。また、線状欠陥は一般的に圧電材料中に存在している。
特開２００４−８５２３７号公報特公平７−６９２７３号公報（段落０００２〜段落０００６）

しかしながら、従来のような圧電材料から形成される圧力センサ素子は、不純物濃度が５ｐｐｍを超えていることにより、所定の温度、所定の圧力において、双晶になりやすいという問題がある。
また、従来のような圧電材料から形成される圧力センサ素子の内部又は表面には線状欠陥が存在しており、この線状欠陥が双晶になるきっかけを作るという問題もある。
さらに、圧力センサ素子が双晶になると、圧力による変化量が変ってしまうという問題がある。
圧電振動子においても、圧電素子に圧力を加える場合があるため、当該圧力によって双晶が発生して周波数特性が悪くなることがあった。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、所定の温度で所定の圧力がかかっても双晶になりにくくする圧力センサ素子及び圧電振動子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、圧力センサ素子であって、不純物濃度が０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍのＳｉＯ_２の圧電材料から板状又は環状に形成されてなることを特徴とする。
ここで、不純物とは、Ａｌ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｆｅを代表とする金属不純物およびＨ（水素）を指す。

また、本発明は、圧力センサ素子であって、不純物濃度が０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍで、アズグロウンＸ板水晶からＸカットしたＳｉＯ_２の圧電材料から環状に形成されてなることを特徴とする。

また、本発明は、圧電振動子であって、圧電素子不純物濃度が０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍのＳｉＯ_２からなる圧電素子と、この圧電素子を収納するキャビティを有する基板と、前記キャビティを塞いで気密封止するリッドとから構成されることを特徴とする。

このような圧力センサ素子及び圧電振動子によれば、所定の温度で所定の圧力がかかっても双晶になりにくくすることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、ＳｉＯ_２の圧電材料が人工水晶（以下、「水晶」という。）である場合について説明する。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態に係る圧力センサ素子の一例を示す斜視図である。
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る圧力センサ素子１０は、板状となる円板の形状で、主面１１がＸ面となるように形成されている。なお、前記主面１１とは、円板状における直径方向を含む環状の平面（ＹＺ平面）をいう。従って、圧力センサ素子１０は厚さ方向をＸ軸、主面１１がＸ面、つまりＹＺ平面となるように形成されている。また、この主面１１には電極（図示せず）が形成されており、この主面１１に圧力がかかることによって生じる電荷を検出できるようになっている。

この圧力センサ素子１０は、不純物濃度が０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍとなる水晶から形成される。このように、０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍの不純物濃度の水晶であれば、圧力センサ素子１０に圧力がかけられても双晶になりにくくなる。つまり、水晶の不純物濃度が５ｐｐｍを超えると、圧力センサ素子１０に圧力がかけられた場合に双晶になりやすくなってしまう。また、不純物濃度が０．００３ｐｐｍを下回る場合は、双晶になりにくくなるが、不純物濃度の測定装置の測定限界により上記数値となった。従って、水晶に不純物が無い場合、つまり不純物濃度が０ｐｐｍの場合が理想値となる。
このように、圧力センサ素子１０を構成したので、当該圧力センサ素子１０に圧力がかかっても、双晶になりにくくすることができる。

（第二の実施形態）
図２は、線状欠陥の状態の一例を示す斜視図である。
また、図２に示すように、本発明の第二の実施形態に係る圧力センサ素子１０´は、不純物濃度が０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍとなるアズグロウンＸ板水晶から切り出したＸカット水晶板Ｗが用いられている点で第一の実施形態と異なる。

ここで、本発明の理解を助けるため人工水晶中の線状欠陥について説明する。図４（ａ）は、アズグロウンＸ板水晶を示す図であり、図４（ｂ）はアズグロウンＺ板水晶を示す図である。図４（ａ）に示す水晶中の線状欠陥Ｓは、水晶基板のエッチング加工時、エッチチャネルと呼ばれる針状の細孔を形成する要因となる欠陥であり、最終製品の特性及び歩留まりに大きな影響を及ぼすことが知られている。人工水晶の成長領域に発生する線状欠陥は、種子結晶内に存在する線状欠陥から引継がれたものがほとんどであるが、成長領域中に線状欠陥が新たに発生する場合もあり、原因としては、種結晶と成長領域の格子定数差、種表面に付着した異物Ｂおよび成長中に取りこまれた異物（図示せず）が挙げられる。このようにして形成される線状欠陥は、人工水晶中に数〜数十/ｃｍ^２の密度で存在する。
また、線状欠陥Ｓは、成長方向とほぼ平行（成長方向に対して約１５°の範囲）で伝播する。

本発明の第二の実施形態に係る圧力センサ素子１０´は、不純物濃度が０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍとなるアズグロウンＸ板水晶を切り出されたＸカット水晶板Ｗから円板状に形成される。
なお、Ｘカット水晶板Ｗとは、Ｘ軸に垂直な面で切り出された板体をいう。

このように、Ｘカット水晶板Ｗは、その厚さ方向（Ｘ軸方向）に数〜数十/ｃｍ^２の線状欠陥Ｓ（例えば、２，３〜２０，３０/ｃｍ^２の線状欠陥）が生じる場合がある。しかしながら、その厚さ方向（Ｘ軸方向）に線状欠陥Ｓが生じれば、Ｘカット水晶板Ｗの有効利用面積が増大することとなる。つまり、図４（ｂ）に示すアズグロウンＺ板水晶からＸカット水晶板を切り出した場合、線状欠陥Ｓは、幅方向や長さ方向に存在する。これに対し、図４（ａ）に示すアズグロウンＸ板水晶からＸカット水晶板を切り出した場合、線状欠陥Ｓは、厚さ方向に存在するので、Ｘカット水晶板Ｗの主面に線状欠陥Ｓが占める割合が少なくなる。
したがって、線状欠陥Ｓが生じた部分をよけて圧力センサ素子１０´を形成することが容易にできるので、線状欠陥Ｓが無く、圧力の検出感度をより良好にすることができる圧力センサ素子１０´とすることができる。

（第三の実施形態）
図３は、本発明の第三の実施形態に係る圧電振動子の一例を示す断面図である。
次に、図３に示すように、本発明の第三の実施形態に係る圧電振動子１００は、不純物濃度が０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍとなる水晶から形成される矩形形状の圧電素子２０と、この圧電素子２０を収納するキャビティＣを有する基板２２と、前記キャビティＣを塞いで気密封止するリッド２１とから主に構成されている。

ここで、圧電素子２０の両主面には電極が形成されており、この電極に電圧をかけることで振動するようになっている。また、基板２２に設けられたキャビティＣの底部には実装パッドＪＰが設けられ、また、基板２２の裏面、つまりキャビティＣが形成されている側と反対となる側には外部実装電極ＧＪＤが設けられており、前記実装パッドＪＰと外部実装電極ＧＪＤとが電気的に接続されている。また、前記実装パッドＪＰに圧電素子２０の電極が接続されることで、この圧電素子２０がキャビティＣ内部に収容されるようになっている。
圧電素子２０をキャビティＣ内に収容した状態で、このキャビティＣを塞ぐようにリッド２１で覆い、例えば、真空の状態で基板２２とリッド２１とを接合して気密封止する。

ここで、圧電素子２０を実装パッドＪＰに実装する際に、この圧電素子２０には所定の温度、所定の圧力がかけられる。したがって、当該圧電素子２０が双晶となる状況が構成されることとなるが、本発明の第三の実施形態に係る圧電振動子１００における圧電素子２０であれば、不純物濃度が０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍとなる水晶から形成されるので、双晶となる状況が構成されたとしても、双晶になることがない。
したがって、本発明の第三の実施形態に係る圧電振動子１００は、双晶とはならないので、不良をなくすことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、本実施形態では、圧力センサ素子として説明したがこれに限定するものではなく、各種センサに用いることができる。
また、圧力センサ素子の形状を円板として説明したが、平板となっていればよく、また、これに代えて環状にしても良い。なお、環状には、円や楕円の環や、矩形の環、多角形状の環等であってもよい。
また、本発明の圧電振動子にＩＣなどの発振回路を設けて発振器とすることもできる。

本発明の第一の実施形態に係る圧力センサ素子の一例を示す斜視図である。図２は、本発明の第二の実施形態に係る圧力センサ素子の一例を示す斜視図である。図３は、本発明の第三の実施形態に係る圧電振動子の一例を示す断面図である。（ａ）はアズグロウンＸ板水晶を示す図であり、（ｂ）はアズグロウンＺ板水晶を示す図である。

符号の説明

１０，１０´ 圧力センサ素子
１００圧電振動子
１１主面
２０圧電素子
２１リッド
２２基板
ＷＸカット水晶板
Ｃキャビティ

Claims

不純物濃度が０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍのＳｉＯ_２の圧電材料から板状又は環状に形成されてなることを特徴とする圧力センサ素子。
前記圧電材料からなるアズグロウンＸ板水晶から切り出されたＸカット水晶板から板状又は環状に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ素子。
圧電素子不純物濃度が０．００３ｐｐｍ〜５ｐｐｍのＳｉＯ_２からなる圧電素子と、この圧電素子を収納するキャビティを有する基板と、前記キャビティを塞いで気密封止するリッドとから構成されることを特徴とする圧電振動子。