JPH0222326B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は表面音波センサに関し、具体的には表
面音波の１つ以上の共振周波数が感知すべきパラ
メータによつて変化するような表面音波センサに
関するものである。

（従来技術） 表面音波センサはすでに案出されており、その
例は1975年６月10日付でRobert J.Schwartzへ付
与された米国特許第3888115号と、“表面音波を用
いたデイジタル出力圧力・温度センサの実験的開
発（Experimental Development of Digital
Output Pressure and Temperature Sensors
Using Surface Acoustic Waves）”の名称で
Naval Air Systems Commandのレポート第
R78−922631−３号に説明されている。

前述のセンサは従来の考案に関しては改善され
たものであるが、それにもかかわらずより簡単で
コストの低い構造の表面音波センサに対する必要
性とこのセンサを使用すべき環境の不利な特性に
一層よく耐える構造を提供する必要性とがたえず
あつた。

（本発明の目的と要約） 従つて、本発明の１つの全体的な目的は表面音
波センサを改善することである。

本発明の別の目的は簡単化された構造を達成す
ることである。

本発明のさらに別の目的は過酷な環境に対する
弱点を減らすことである。

従つて、本発明の１つの特徴により、全体的に
剛性の部材と全体的に可撓性の部材とを両方とも
同一の材料で構成し特別に効果的な密封剤、例え
ばガラスフレツトにより両方とも一緒に密封して
所望の形状に間隔をあけて置く。

本発明の別の特徴により、第１のセンサ素子は
全体的に剛性部材の表面に配置しもう１つのセン
サ素子は重畳するように全体的に可撓性部材の表
面に配置し、この構成を有利に用いてセンサ素子
の少なくとも１つを収納する比較的小型の密封室
を作る。

本発明のさらに別の特徴により、水晶材から構
成する時組み合わせられた全体的に剛性の部材と
全体的に可撓性の部材に協働するガラスフリツト
の有利な使用を通して、容易に構成されかつ安価
な構造を生ずる。

本発明のさらに別の特徴により、表面音波素子
を全体的に剛性の部材と全体的に可撓性の部材の
内部表面に配置して結果としてできた空洞内に密
封して収納し、こうしてこれらの素子を敵対する
環境の影響を受けないようにする。

本発明のなおも別の特徴によつて、別の実施例
において全体的に剛性の部材を可撓性にしてよ
く、これにより第２の部材に可変共振周波数を与
えその結果潜在的にさらに感度の高いセンサとな
る。

（実施例） 以下図面を参照して本発明のこれらの目的とそ
の他の目的及び特徴をさらに詳しく説明する。

さてさらに具体的に図面を参照すると、第１図
により先行技術が表わされており、これは“低域
水晶共振器圧力変換器（Ａ Low−Range
Quartz Resonator Pressure Transducer）”の
名称でISA Transactions，Vol.16No.２（1977）に
公開されたE.KarrenとR.Wardによる論文に開示
され説明されているものと同じ例示的なものであ
る。

第１図を参照すると、相対的に堅い本体部材１
が相対的に薄い振動板部材２とともに空洞３を形
成しその中に共振器４が置かれているのがわか
る。付随説明により、この相対的に薄い振動板２
（水晶材から成つている）はデイビトリフアイ
（結晶化）類Cdivitrifying typeのガラスを用いる
ことにより相対的に堅い本体１（同様に水晶材か
ら成つている）へ密封されている。

動作においては、加えられる圧力に比例した力
を平坦な円形水晶振動板２を介して共振器４へ加
える。その結果として得られる共振周波数の変化
は加えられた圧力の関数である。

別の先行技術による実施例は台じり形状または
並んだ形状に配置した一対の表面音波素子をそな
えている。（例えば、Schwartzに付与された上述
の同一の特許に開示されている素子。）これらは
典型的に測定すべき量に依存して２つのうちの一
方を基準とし他方を変数として用いる。

さて第２図と第３図に見ると、ここでは同じ部
品は同じ参照番号で示してあり、本発明による一
実施例に言及する。

第２図及び第３図では、このセンサが第１図に
示したような先行技術に対して改良されているこ
とがわかる。第２図及び第３図では、表面音波共
振器７と電気リード線８とを支持している相対的
に非可撓性のベース部材６が図示されており、こ
の電気リード線８は接点９へ接続されている。こ
の接点９は（図示されているように）支持体の端
部に沿つて有利に配置するかまたは任意の別の都
合のよい位置で終端させるかのいずれでもよい。

別の表面音波アレイ１０は相対的に薄い（かつ
それゆえにいくらか可撓性の）部材１１により支
持されている。ウエハ１１は基本的にはベース部
材６と同様であるが極めてより薄くなつておりそ
のため相対的に弾性的である。ウエハ１１により
支持されているアレイ１０はその下側に配置され
るのが好ましいので（ここにおいてアレイ１０は
後にフリツトリング１２により形成されると説明
される密封空洞内にも置かれる）図面に点線で図
示した。

本願発明は改良された表面音波センサの、具体
的には表面音波の１つ以上の共振周波数が感知す
べき圧力、周波数等のパラメータによつて感知出
力信号が変化する。

したがつて、先行技術と同様に基本的動作にお
いては加えられる圧力を相対的に薄い部材１１に
加える。これにより部材１１に支持されている表
面音波アレイ１０に加えられる圧力に比例した出
力である共振周波数の変化は加えられた圧力の関
数であり、出力された電気的信号を接点９に出力
する。即ち、本願の発明は部材６，１１からなる
一対の表面音波素子を備え、これらは典型的に測
定すべき量に依存して２つのうちの一方を基準と
して他方を変数として用いる。

すべに説明したように、先行技術の開示によ
り、水晶パツケージを密封するためのデイビトリ
フアイ（結晶化）類Cdevitrifying typeのガラス
の利用が以前に知られていた。しかしながら、こ
のようなパツケージは内部空洞が側壁により形成
されている第１図の先行技術による実施例に図示
されているような種類のものであるか、または必
要な空洞の体積を与えるために使用される。例え
ば、円筒状のセグメントのような、スペーサであ
る。

上記先行技術とは対照的に、本実施例では、密
封材料、例えば、ガラスフリツトの適切な選択と
適切な温度での焼成により、材料自体は十分な体
積を占めて主な部材（例えば、ベース部材６と薄
いウエハ１１）の間に２〜３ミル（5.08〜7.62×
10^-5メートル）の間隔を与え同時にその間に必要
な密封を与える。このことは、当然のことなが
ら、製造を著しく簡単にしかつコストを下げ、こ
れにより完成したパツケージは極めてより経済的
にかつ魅力のあるものになる。

前述のことは厚さが約0.01〜0.02インチ（2.54
〜5.08×10^-2センチメートル）かそれ以上であり
公知の水晶材から製造した基準ウエハ６から出発
することにより達成すればよい。次に表面音波ア
レイをフオトマスキングと真空蒸着を用いた公知
の方法でウエハ上にパターンを形成するとよい。
その後、またはこれと同時に、センサのウエハ１
１を厚さが約0.01インチ程度の薄い水晶のウエハ
１１上に表面音波アレイを対応させて当てること
によりつくればよい。

ここにおける厚さは１つの構成において魅力の
あるものであることがわかつているが、特定の用
途に対して別の厚さが好ましいかもしれないとい
うことは明らかである。例えば、基準部材６とセ
ンサのウエハ１１との厚さの比を大きくすれば周
波数対圧力特性が改良することができる。即ち、
本発明は前述したように「測定すべき量に依存し
て２つのうちの一方を基準として他方を変数とし
てもちいる」。この実施例においてはベース部材
６とセンタのウエハ１１とにより支持される「第
１の音波アレイ７」と第２の音波アレイ１０」を
一対に構成してなり、一方を基準として他方を変
数とする構成により、一方の表面音波アレイの支
持部材、例えばウエハ１１の厚さを変えることに
よりその共振周波数が変更でき結果的に一対に構
成した表面音波アレイの周波数の差が変化し、周
波数対圧力特性が改良される。他方、もし両方の
部材を厚さの比を１くらいに小さくして比較的可
撓性にすると、感度が増加することができる。

次に、ガラスフリツト１２の薄い線（全周）を
ウエハ６の上部表面に配置し、例えば、スクリー
ン・プリント方法のように、アレイ７の素子をほ
とんど完全に囲むようにする。しかしながら、小
部分はフリツトが無いままとなりそのため焼成
時、小さな穴がリングを通つて存在する。同様
に、また用いられたフリツトペーストの密度に依
存して、結合線（または全周）をウエハ１１の対
応する表面に配置して２つ（または全周）が係合
し、かつ整列させて係合させる時合同するように
すればよい。その後、ウエハ１１を第２図に図示
されているように、整列した形状でウエハ６の上
に配置し、そしてこの組立体を約365℃の温度ま
で約30〜60分間加熱する。その後、この組立体を
徐々に周囲の空気における室温になるまで冷却す
る。

この点において、この構造を基本的に組み立て
る。しかしながら、複数個の選択のうちのどれが
所望であるかによつて、別の処理が生じる。

選択１：少量のフリツト（または別の適切な材
料、例えば、合金）を上述の穴にかぶせる。この
組立体を真空室内に置き真空にして空洞内を真空
にする。次にこの組立体を約365℃まで約15分間
加熱してフリツトをガラス化しこうして穴を密封
する。もし所望ならば、追加材料の加熱とガラス
化の後、真空度をわずかに低くしてこの材料にわ
ずかな正の圧力を与えて穴の中へ追加材料が流れ
込むのを助けるとよい。さらに、もし所望であれ
ば、少量のヘリウムを部材を加熱する前に（及び
それゆえ密封材料が粘性になる前に）真空室へ入
れて少量のヘリウムを室内に永久に入れるように
すればよい。

選択２：小さな管（または導管）を全周または
リングを通して穴に整列させかつ密封する。この
管（または導管）は適切な熱膨張率を有し同時に
強度と密封性の特性を示すガラスかまたは別の材
料から成つていることが好ましい。この管（また
は導管）は当業者にとつては知られているフレツ
トかまたは別の物質のいずれかにより穴へ密封さ
れるとよい。もしフリツトを用いるなら、365℃
まで約15分間加熱することが結果として構造体へ
の管の効果的な密封をもたらす。

開始の材料はST水晶結晶板ウエハであり各々
の寸法は約２インチ（5.08センチメートル）平方
であり一方の厚さは約20ミル（5.08×10^-4メート
ル）、他方の厚さは約10ミル（2.54×10^-4メート
ル）にする。

処理の各々において、４つの表面音波アレイを
これら２つのウエハの各々の上に製造し、１つを
その４個の４分円の各々の中に製造した。

材料の適合性を高めるための最初の検査の後、
各々のウエハを酸化セリウムやsytonを用いて標
準的な光学的研磨にかけて表面の欠点を除去し
た。研磨段階の終りにおいて、ウエハを注意深く
検査してはつきりそれとわかる表面の欠点が除去
されたところまで研磨を続けることに確実にし、
こうしてなめらかで本質的に平坦な表面にした。

次に、ウエハを常温で１時間、４分の３の硫酸
と４分の１の過酸化水素から成る溶液に浸した。
こうして表面に残つている溶滓や研磨粉を除去し
た。その後、ウエハをきれいな水ですすぎその表
面を空気で乾す前にメチルアルコールと水の溶液
で洗い水分を除去した。

追加の視覚検査の後、表面音波アレイをウエハ
の上に形成した。このことは以下のような一連の
ステツプにおいて達成された。

まず、厚さがおよそ1200ű100Åのアルミナ
の薄い層を周知の方法で全体の表面上にデポジツ
トした。この表面を次に公知のフオトレジストで
覆いこれを表面音波アレイの変換器と共振器のフ
インガの所望のパターンを画定するように露光し
かつ現象した。現像と不必要なフオトレジストの
除去の後、露光したアルミナをリン酸と硝酸から
成る公知のアルミナ浸出剤を用いてエツチした。
視覚検査により、アルミナがすでに選択された表
面領域からきれいに無くなつたということが決定
されるまでウエハはアルミナ浸出剤の溶液中に浸
しておいた。その後、ウエハを浸出剤の溶液から
出して洗浄して公知のレジスト除去溶剤を用いて
レジストを除去した。

次に、フオトレジストを再び全面に施し次に露
光して現像しフオトレジストフイルムが表面音波
アレイ変換器上にのみ残るようにし続くエツチン
グの間にこれらを保護するようにした。フオトレ
ジストは表面の残りの部分から除去しウエハを４
塩化炭素とアルゴンを含む公知のプラズマエツチ
室内に置いた。RF（高周波）電位の印加により、
エツチングを進め共振器フインガの間の水晶が約
2100ű100Åの深さまでエツチされるまで続け
るようにした。共振器のフインガ上のアルミナは
マスクとして作用し水晶がその間で露光された所
以外はエツチンングされないようにした。

次に、共振器フインガのアルミナをウエハをア
ルミナ浸出溶液中に浸すことにより除去し、フオ
トレジストは変換器部分上の場所に残つてこの工
程中この部分を保護した。アルミナを除去した
後、ウエハを浸出溶液から出して洗浄しフオトレ
ジストを変換器の上を覆つている表面から除去し
た。

検査後、フオトレジストを再び基板全面へ施
し、露光して変換器への電気的接続を行うための
材料のデポジシヨンのためのパターンを開けた。
アルミナの薄い層を次に露光された表面上に真空
めつきし、この層がおよそ4000ű100Åの厚さ
になるまで成長させた。その後、残りのフオトレ
ジスト（及びそのフオトレジスト上にある不必要
なアルミナ）を公知のフオトレジスト溶剤、すな
わち、アセトン中へ浸すことにより除去し、こう
してアルミナストライプ及びパツドをウエハ表面
へ固定された電気的接続のために残した。

検査後、ウエハを次に各々が４つの同様な表面
音波アレイを生じるようにするためにのこぎりで
切つてこれらのそれぞれの４分円を作つた。鋸引
きの後残つている不必要な残留物を公知のように
洗浄して除去した後、個別化したウエハを次に検
査して別の処理に備えた。

ここにおける特定の実施例は説明したようなス
テツプを含んでいたが、当業者にとつては２つ以
上のステツプを結合させることもできるというこ
とは明らかとなるであろう。従つて、アレイの基
本的な素子は電気的接続とともに同時に設けるこ
ともできる。

ウエハはすでにのこぎりで切つてきれいにした
後寸法が１インチ（2.54センチメートル）平方の
代りに、約0.8インチ（2.032センチメートル）平
方になつたことがわかつた。相対的に厚いウエハ
の１つと相対的に薄いウエハの１つを次に選択し
そのことから処理を完了した。相対的に厚いウエ
ハを測定すると厚さが23.2ミル（約58.9×10^-5メ
ートル）であり、他方は9.7ミル（約24.6×10^-5メ
ートル）の厚さであることがわかつた。次にこれ
らを以下のステツプにより組み立てて完成したセ
ンサにした。

まず、多量のガラスフリツト（Owens−
Illinois Company CV432）をブチルカルビノー
ルを媒介物として用いることにより混合してペー
ストにした。このペーストを次に公知のスクリー
ンプリント方法により一緒に合わせるべき表面の
両方へ塗つた。ペーストをある形状に塗つて後で
近づけて組み合わせる２枚の基板を次にホツトプ
レート上で加熱して約160℃の温度にし、その温
度に約15分間保持しブチルカルビノールを揮発さ
せかつ乾燥させた。

次に、２つの表面を近くに係合させてフリツト
ペーストの輪郭を同空間を占めるように整列させ
た。最下部の部材はフリツトの面を上にして0.37
インチ（約0.94センチメートル）の厚さの真鍮ブ
ロツク上に配置し上部部材における対応するフリ
ツトの輪郭をこれに係合させた。その後、123グ
ラムの真鍮ブロツクを上部部材の上に置いて荷重
を加えて２つのフリツトの輪郭を加熱する時係合
させておいた。

これらの部材を次に（その関係を保持させたま
ま）炉に挿入しそこで365℃になるまで約30分間
加熱した。次にこれらを取り出して冷却し、おも
しを取りはずしてこれらを次に検査した。不充分
な再結晶化が生じたことがわかつたため続いてこ
れらを炉へ再挿入して365℃になるまで追加の30
分間加熱して再結晶化を完全にした。

検査により、小さな穴が存在することが観察さ
れた。この時穴があいているのはウエハ間に２〜
３ミル（5.08〜7.62×10^-5メートル）の間隔を与
え、本質的に完全に空洞を形成している１つの合
着リングであつた。しかしながら、この空洞を完
全に密封するために、この穴をふさぐことが必要
であつた。このことはガスを抜いたフリツト粒子
をこの通路の開口へ与え、次にこの組立体を真空
室へ挿入して0.55Torrまで真空にすることによ
り達成した。真空室内では、真空室を500℃の指
定温度になるまで加熱した。この温度は真空室の
構成のために約365℃の工作品の温度に対応する
ものと思われ、この温度に約10分間保持した。冷
却して、センサを検査し開口が完全に密封された
ことがわかつた。

このことを達成した後、この組立体がフリツト
により、ともに密封されていることがわかつた。
フリツトは２枚のウエハをおよそ２〜３ミル
（5.08〜7.62×10^-5メートル）の上述の隙間をあけ
て取り付けただけでなく、さらに２つの表面音波
アレイを保護する密封してふさいだ囲いをリング
内に形成した。

ベース部材６、ウエハ１１上のアレイ７，１０
から成る２つの発振回路は、発振回路一方を基準
として他方を変数として用いることで、共振周波
数の変化を加えられた圧力の変化としてとらえる
構成である。この構成の基礎となる技術は、本発
明の基礎技術として明細書に開示したschwartz
に付与された特許公報第１欄第39行目から第65行
目に以下のように記述されている。

第１表面波発振器１１と第２表面波発振器１３
が並んで、水晶基板１５上に形成される。表面波
発振器１１と１３は、最小（もしくは望ましい）
温度感度を得るように、結晶軸で方向づけられ
る。水晶基板１５には２つの発振器１１と１３と
の間に切り込み１７があり、これにより、それぞ
れに発振器をもつ装置の２本の足を提供する、２
つの発振器の間は機械的に分離される。

切り込み１７の形状は、いくぶん馬蹄の形に類
似するものである。基板１５の切り込みのない方
の端には、表面波装置１１と１３を発振器として
機能させる活性装置を含む小基板１９を載せても
よい。２つの表面波発振器１１と１３の周波数の
差の関数の出力を出すために、基板１９に混合器
を配置してもよい。機械的接合部２１が発振器の
１つの足１１の端に設けられ、その足１１に力を
加える。もう一方の足１３は結合されず基準とし
て用いられこれにより温度や位置による変動が明
らかになり、力の加えられた足１１で生じた同様
な（変動）効果を補償するのに用いられる。

完成したセンサは次に一対の発振増幅器へ接続
し、第４図に図示したように意図した方法で発振
を行うことがわかつた。これらの発振器は第５図
の系統図によつて構成した。これは当業者が認め
るように、適切な回路を表わしている。

さらに第４図を参照すると、上に参照した電気
的接続が別個にリード線１３及び１４を介して下
方の部材６へ接続した発振増幅器１５と、リード
線１６及び１７を介して上方の部材１１へ接続し
た発振増幅器１８とを備えていることが示されて
いる。

次に第５図及び第６図を見ると、これらの図が
それぞれ発振増幅器と本発明の実施するのに用い
られたフイルタ回路の電気系統図であることがわ
かるであろう。

第５図は単一のトランジスタ発振器と付随の回
路を詳細に示しており、協働するレジスタ、コン
デンサ、及び電源に対して典型的な値が与えてあ
る。当業者にとつては他のパラメータを用いてよ
いということは明白であるが、図示されているこ
れらの値は典型的なトランジスタとともに好都合
に動作することがわかつた。Texas Instruments
Incorporatedにより製造されており通常市販され
ているTyPe Ms173JEを動作回路において使用
した。

第６図は本発明を実施するのに用いられたフイ
ルタにおける詳細な電気系統図を示している。第
５図の回路についてと同じように、第６図の回路
も典型的なトランジスタとともに動作することが
わかつている回路パラメータの特定の値を有して
いる。Texas Instruments Incorporatedにより
製造されており通常市販されているType TIS92
を動作回路において使用した。

上述のことから本発明の特徴には２枚の主な支
持ウエハをその間に相対的に薄い間隔を保持して
ともに密封するためと、同時に少なくとも１つの
表面音波アレイを配置する薄い室の壁を形成する
単一の接着剤の利用が含まれ、こうして分離のま
たは合成のスペースに対する必要性を除去し極め
て簡単化された構造に寄与することがわかる。

完成した製品は第２図に図示してありこれにお
いて２つのウエハがわずかにずらされていて電気
的接続のために外部の接点が好都合に露出するよ
うにしてあるのがわかる。しかしながら、上述の
ように、電気的接続を形成するための任意の別の
適切な構成も用いることができ、例えば、技術上
これまでに知られているようにリード線をウエハ
の縁を越えて延ばして縁での接続を与えるように
することもできる。

上述の実施例は本発明を水晶ウエハとガラスフ
リツト接着剤を含むものとして例示的に説明して
いるが、当業者にとつては、本発明の範囲と意図
からはずれることなく別の材料を容易に使用する
こともできるということは明らかとなるであろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術を例示的に示す図、第２図は
本発明によるセンサの上部斜視図、第３図は第２
図のセンサの分解図、第４図は第２図及び第３図
のセンサと協働する発振器と別の回路をブロツク
線図の形で示した図、第５図は上述のセンサに使
用するのに適した発振器を示す電気系統図、第６
図は本発明を実施するのに用いたフイルタの詳細
電気系統図である。 参照番号の説明、６……基準ウエハ、７……表
面音波発振器、８……電気リード線、９……接
点、１０……表面音波アレイ、１１……センサ・
ウエハ、１２……フリツトリング、１３，１４，
１６，１７……リード線、１５，１８……発振増
幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の比較的平坦な表面を有する第１の部材
   と、第２の比較的平坦な表面を有する第２の部材
   と、前記第１の表面上に配置した第１の表面音波
   アレイと、前記第２の表面上に配置した第２の表
   面音波アレイと、前記第１のアレイへの電気的接
   続を与えるための第１の電気的接続手段と、前記
   第２のアレイへの電気的接続を与えるための第２
   の電気的接続手段と、前記第１の表面と前記第２
   の表面との間に単独に配置されて前記第１の部材
   と前記第２の部材を、前記第１のアレイと前記第
   ２のアレイのうちの少なくとも一方を囲む薄い囲
   まれた室を与えるように相互にかたく固定するた
   めの接着剤とを具備していることを特徴とする表
   面音波センサ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記接着剤
   を輪状の形状に配置したことを特徴とする前記表
   面音波センサ。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記第１及
   び第２アレイは相互に重なり合つていることを特
   徴とする前記表面音波センサ。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記第１及
   び第２アレイは所定の距離だけ離間させて相互に
   完全に重ねたことを特徴とする前記表面音波セン
   サ。 ５ 特許請求の範囲第４項において、前記所定の
   距離を２〜３ミル（5.08〜7.62×10^-5メートル）
   としたことを特徴とする前記表面音波センサ。 ６ 特許請求の範囲第１項において、前記室は真
   空にしたことを特徴とする前記表面音波センサ。 ７ 特許請求の範囲第１項において、前記室は本
   質的に少量のヘリウムガスのみを入れたことを特
   徴とする前記表面音波センサ。 ８ 特許請求の範囲第１項において、１つの穴を
   通して前記室と連通するための連通手段を備えて
   いることを特徴とする前記表面音波センサ。 ９ 特許請求の範囲第８項において、前記連通手
   段は前記穴を密封するように配置してこれにより
   前記室との専用連通手段を与えるようにした管を
   備えていることを特徴とする前記表面音波セン
   サ。 １０ 特許請求の範囲第１項において、前記第１
   の部材と前記第２の部材は水晶でなり、これらの
   部材のうちの一方を相対的に薄くし、かつ弾性的
   にしたことを特徴とする前記表面音波センサ。 １１ 特許請求の範囲第１項において、前記第１
   の部材と前記第２の部材は水晶でなり、両方とも
   比較的に薄くかつ弾性的にしたことを特徴とする
   前記表面音波センサ。