JP4062858B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力の印加により発生するダイヤフラムの歪みに基づいて印加圧力に応じた電気信号を出力する圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、この種の圧力センサは、圧力の印加により歪むダイヤフラムと、このダイヤフラムの表面にブリッジ回路を構成するように形成されたゲージ抵抗とを有し、このゲージ抵抗から、ダイヤフラムの歪みに基づいて印加圧力に応じた電気信号を出力するようにしている。
【0003】
近年、この種の圧力センサは、自動車の電子制御化の進行に伴い、ブレーキ制御システムやエンジン制御システム等に用いられ、高い信頼性が要求されるようになっている。そのため、万一、これらのセンサが故障により、正規の出力信号を出せないようになると、車両の走行に重大な支障を来すことになる。そのため、センサ自体の故障を診断する方法として、特公平6−64085号公報、特開平8−247881号公報、特表平10−506718号公報等に記載のものが提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特公平6−64085号公報や特開平8−247881号公報では、通常の動作状態とは別のタイミングで故障診断用の信号を印加することにより、故障検出を行っているため、通常動作中において常時センサを診断することはできない。また、上記特表平10−506718号公報では、通常動作時における出力用のブリッジ回路と故障診断のための比較信号出力用のブリッジ回路とを備えているが、両方の回路でどのように信号が参照されているのか具体的な記載はない。
【0005】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、圧力の印加により歪むダイヤフラムと、このダイヤフラムの歪みに基づいて印加圧力に応じた電気信号を出力するゲージ抵抗とを有する圧力センサにおいて、動作状態であってもセンサ出力の感度の異常を検出可能とすることを目的とする。
【0006】
上記目的を達成するため、請求項1記載の発明は、次のような特徴を有するものである。まず、ゲージ抵抗を、圧力の印加に応じて抵抗値が変化する少なくとも6個のもの(R1〜R6)より構成し、第1のゲージ抵抗(R1)を第1の接続点(A)にて第2のゲージ抵抗(R2)と接続し、第2のゲージ抵抗(R2)を第2の接続点(B)にて第3のゲージ抵抗(R3)と接続し、第3のゲージ抵抗(R3)を第3の接続点(C)にて第4のゲージ抵抗(R4)と接続し、第4のゲージ抵抗(R4)を第4の接続点(D)にて第5のゲージ抵抗(R5)と接続し、第5のゲージ抵抗(R5)を第5の接続点(E)にて第6のゲージ抵抗(R6)と接続し、第6のゲージ抵抗(R6)を第6の接続点(F)にて第1のゲージ抵抗(R1)と接続する。
【0011】
そして、第1及び第5のゲージ抵抗(R1、R5)と第2及び第6のゲージ抵抗(R2、R6)とでは、圧力の印加時の抵抗値変化の正負が異なるようにし、第3のゲージ抵抗(R3)と第4のゲージ抵抗(R4)とでは、圧力の印加時の抵抗値変化の正負が同じとなるようにする。
【0012】
さらに、第3の接続点(C)と第6の接続点(F)との間に電圧あるいは電流を印加し、第1の接続点(A)と第5の接続点(E)との電圧差によって印加圧力に応じた電気信号を出力するとともに、第2の接続点(B)と第4の接続点(D)との電圧差によってセンサ出力の故障を検出する。
【0013】
これら特徴を有する本発明によれば、第1、第2、第5及び第6のゲージ抵抗(R1、R2、R5、R6)を用いてブリッジ回路を構成し、第1の接続点(A)と第5の接続点(E)との電圧差によって印加圧力に応じた電気信号を出力することができるため、印加圧力を検出できる。
【0014】
また、第3のゲージ抵抗(R3)と第4のゲージ抵抗(R4)とでは、圧力の印加時の抵抗値変化の正負が同じであるため、各ゲージ抵抗(R1〜R6)が全て正常であれば、第1の接続点(A)と第5の接続点(E)との電圧差に影響せず、第2の接続点(B)と第4の接続点(D)との電圧差も変化しない。
【0015】
ここで、第1〜第6のゲージ抵抗(R1〜R6)の少なくとも1つに故障が発生すると、第2の接続点(B)と第4の接続点(D)との電圧差が変化し、故障信号として検出される。よって、本発明によれば、動作状態であってもセンサ出力の感度の異常を検出可能な圧力センサを提供することができる。
【0016】
ここで、第3及び第4のゲージ抵抗(R3、R4)は、請求項2の発明のように、第1及び第5のゲージ抵抗(R1、R5)と、圧力の印加時の抵抗値変化の正負が同じにすることができる。
【0017】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る圧力センサ100の概略断面構成を示す図である。10は、シリコン基板等よりなるセンサチップであり、このセンサチップ10はガラス等よりなる台座20に陽極接合法等にて接合されている。また、台座20は、接着剤30により、金属、樹脂またはセラミックス等よりなるパッケージ材40に接着され、支持されている。
【0019】
センサチップ10は、圧力の印加により歪むダイヤフラム11と、このダイヤフラム11の歪みに基づいて印加圧力に応じた電気信号を出力するゲージ抵抗R1〜R6とを有する。ダイヤフラム11は、異方性エッチング等により形成された薄肉部であり、ゲージ抵抗R1〜R6は、ダイヤフラム11の表面に例えば不純物の拡散等により形成された拡散層(ゲージ拡散層)である。なお、図1では、ゲージ抵抗R1、R2、R3が示されている。
【0020】
ここで、図2は、センサチップ10におけるゲージ抵抗R1〜R6の平面配置構成を示す説明図であり、図2において、(a)は、ダイヤフラム11の表面がシリコン基板の(110)面である場合のゲージ抵抗R1〜R6の配置を示し、(b)は、ダイヤフラム11の表面が(100)面である場合のゲージ抵抗R1〜R6の配置を示す。
【0021】
これらの配置は、ダイヤフラム11に発生する歪み応力を鑑み、上記(110)面または(100)面に存在する相直交する2つの<110>結晶軸方向の位置に対応して一般的に決められるものである。そして、各ゲージ抵抗R1〜R6は、ダイヤフラム11表面に形成された拡散層(図示せず)により互いに電気的に接続されると共に、ダイヤフラム11の外部に引き出され、センサチップ10に形成されたAlよりなる配線12(図1参照)に電気的に接続されている。
【0022】
なお、図1中、13はセンサチップ10と配線12とを絶縁するための層間絶縁膜である。また、台座20に固定されたセンサチップ10におけるダイヤフラム11の裏面側の空間は、台座20との間で略真空に封止されており、この真空の空間が基準圧力室14として構成されている。
【0023】
かかる圧力センサ100は、周知のIC製造技術を利用して次のように形成される。まず、シリコン基板の表面((110)面または(100)面)に、ゲージ抵抗R1〜R6及びこれら各抵抗を接続する拡散層を形成し、層間絶縁膜13、コンタクトホール、配線12を形成した後、該シリコン基板の裏面をKOH(水酸化カリウム)等を用いた異方性エッチングしてダイヤフラム11を形成する。
【0024】
続いて、このシリコン基板を、陽極接合法により、ガラスよりなる台座20に接合し、1個ずつのチップにダイシングカットする。そして、チップ単位にカットされたセンサチップ10及び台座20を、接着剤30により、パッケージ材40に接着することにより、上記図1に示す圧力センサ100が完成する。
【0025】
次に、ゲージ抵抗R1〜R6の電気的接続構成について、図3に示す回路図を参照して説明する。本実施形態においては、ゲージ抵抗R1〜R6は、圧力の印加に応じて抵抗値が変化する少なくとも6個のものよりなり(本例では6個)、各ゲージ抵抗R1〜R6は、図3に示す様に、互いに電気的に接続され、ブリッジを構成している。
【0026】
具体的には、これら6個のゲージ抵抗R1〜R6のうち、第1のゲージ抵抗R1は第1の接続点Aにて第2のゲージ抵抗R2と接続されており、第2のゲージ抵抗R2は第2の接続点Bにて第3のゲージ抵抗R3と接続されており、第3のゲージ抵抗R3は第3の接続点Cにて第4のゲージ抵抗R4と接続されており、第4のゲージ抵抗R4は第4の接続点Dにて第5のゲージ抵抗R5と接続されており、第5のゲージ抵抗R5は第5の接続点Eにて第6のゲージ抵抗R6と接続されており、第6のゲージ抵抗R6は第6の接続点Fにて第1のゲージ抵抗R1と接続されている。ここで、第6の接続点Fには定電流(または定電圧)が印加されるようになっており、第2の接続点BはGNDに接続されている。
【0027】
また、これら6個のゲージ抵抗R1〜R6は、圧力の印加(ダイヤフラム11へ印加される圧力)に応じて抵抗値が増加する(正である)ものと、圧力の印加に応じて抵抗値が減少する(負である)ものとにより構成される。即ち、第1及び第5のゲージ抵抗R1、R5と第2及び第6のゲージ抵抗R2、R6とでは、圧力の印加時の抵抗値変化の正負(増減)が異なっており、第3のゲージ抵抗R3と第4のゲージ抵抗R4とでは、圧力の印加時の抵抗値変化の正負が同じである。
【0028】
本例では、第1、第3、第4及び第5のゲージ抵抗R1、R3、R4、R5において、圧力の印加時の抵抗値変化が正(増加)の方向であり、第2及び第6のゲージ抵抗R2、R6において、圧力の印加時の抵抗値変化が負(減少)の方向である。なお、本実施形態の各図において、各ゲージ抵抗に付した矢印は、図中の上方向のものが上記抵抗値変化が正、下方向のものが上記抵抗値変化が負であることを示す。
【0029】
かかる回路構成を有する各ゲージ抵抗R1〜R6においては、第1、第2、第5及び第6のゲージ抵抗R1、R2、R5、R6により、圧力検出用のブリッジ回路が構成されている。そして、第3の接続点Cと第6の接続点Fとの間に電圧あるいは電流を印加し、第1の接続点Aと第5の接続点Eとの電圧差(A−E間電圧)によって印加圧力に応じた電気信号(圧力検出信号)を出力することができる。
【0030】
また、第3のゲージ抵抗R3と第4のゲージ抵抗R4とでは、圧力の印加時の抵抗値変化の正負が同じであるため、各ゲージ抵抗R1〜R6が全て正常であれば、上記A−E間電圧には影響が及ばず、第2の接続点Bと第4の接続点Dとの電圧差(B−D間電圧、故障診断信号)も変化しない。つまり、センサ出力の感度が正常であれば、B−D間電圧は0Vに保つことができる。
【0031】
そして、正常な動作状態においては、ダイヤフラム11の表面に圧力が印加されたとき、ダイヤフラム11とともに各ゲージ抵抗R1〜R6が歪み、各ゲージ抵抗R1〜R6の抵抗値が変化する。こうして、ダイヤフラム11の歪みに基づくレベルのA−E間電圧が出力されるため、本実施形態においても、従来の圧力センサと同様に印加圧力を検出することができる。
【0032】
ここで、第1〜第6のゲージ抵抗R1〜R6の少なくとも1つに故障が発生し、抵抗値に異常が生じたり、上記圧力印加時の抵抗値変化の割合に変化が生じたりすると、B−D間電圧(故障診断信号)が正常時に比べて変化し、0Vでなくなる。そのため、このB−D間電圧が0Vであるか否かを検知することによって、ゲージ抵抗R1〜R6の抵抗値の異常を検知することができる。
【0033】
また、各ゲージ抵抗R1〜R6の抵抗値の異常検出ができるため、センサ出力のオフセットの異常を検知できると共に、圧力印加時の抵抗値変化の異常も検知できるため、センサ出力の感度の異常も検知することができる。よって、本実施形態によれば、動作状態であって、種々の異なる状態で圧力を受けているときでも、センサ出力の感度の異常を検出可能な圧力センサ100を提供することができる。
【0034】
ところで、上記図3では、6個のゲージ抵抗R1〜R6を用いた例を示したが、ゲージ抵抗は6個以上でも良い。8個のゲージ抵抗を用いた電気的接続構成を、変形例として図4(第1の変形例)及び図5(第2の変形例)に示す。第1及び第2の変形例では、第3のゲージ抵抗R3及び第4のゲージ抵抗R4を、それぞれ、上記抵抗値変化の正負の異なる2個のゲージ抵抗R31、R32、R41、R42、R43、R44により構成している。
【0035】
そして、両変形例においては、第2の接続点Bと第3の接続点Cとの間(B−C間)と、第3の接続点Cと第4の接続点Dとの間(C−D間)とで、圧力印加時の抵抗値変化の正負が同じとなるようにしている。それによって、これら変形例においても、上記図3に示す例と同様に、F−C間に電圧あるいは電流を印加し、A−E間電圧によって圧力検出信号を出力することができ、また、B−D間電圧(故障診断信号)からセンサ出力の感度の異常を検出することができる。
【0036】
以上をまとめると、本実施形態においては、ゲージ抵抗(R1〜R6)を、上記抵抗値変化が正であるゲージ抵抗R1、R3、R5と、上記抵抗値変化が負であるゲージ抵抗R2、R4、R6とにより構成された少なくとも6個のものとし、且つ、各接続点A〜Fのうち所定の2点A、Eの間の電圧(A−E間電圧)により印加圧力に応じた電気信号(圧力検出信号)を出力し、該所定の2点A、Eとは異なる他の2点B、Dの間の電圧(B−D間電圧)によりセンサ出力の故障を検出するようにしたことを特徴としている。
【0037】
そして、本実施形態によれば、少なくとも4個のゲージ抵抗R1、R2、R5、R6を用いて、ブリッジ回路を構成することができるため、上記所定の2点A、E間の電圧により、圧力検出信号を出力することができ、印加圧力を検出できる。上記所定の2点A、E以外に、各ゲージ抵抗が全て正常であるならば印加圧力に応じて電圧が変化しないように、該所定の2点A、Eとは異なる他の2点B、Dを選択することができる。
【0038】
そして、センサ100の動作中に、ダイヤフラム11や各ゲージ抵抗R1〜R6に異常が発生すれば、当該他の2点B、Dの間の電圧が変化するため、センサ出力の故障として検出される。よって、動作状態であって、種々の異なる状態で圧力を受けているときでも、センサ出力の感度の異常を検出可能な圧力センサ100が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る圧力センサの概略断面図である。
【図2】図1に示す圧力センサにおけるゲージ抵抗の配置構成を示す説明図である。
【図3】ゲージ抵抗の電気的接続構成を示す回路図である。
【図4】上記実施形態における第1の変形例を示す図である。
【図5】上記実施形態における第2の変形例を示す図である。
【符号の説明】
11…ダイヤフラム、A…第1の接続点、B…第2の接続点、
C…第3の接続点、D…第4の接続点、E…第5の接続点、F…第6の接続点、
R1…第1のゲージ抵抗、R2…第2のゲージ抵抗、R3…第3のゲージ抵抗、
R4…第4のゲージ抵抗、R5…第5のゲージ抵抗、R6…第6のゲージ抵抗。
Claims (2)
- 圧力の印加により歪むダイヤフラム(11)と、
このダイヤフラムの歪みに基づいて前記印加圧力に応じた電気信号を出力するゲージ抵抗(R1〜R6)とを有する圧力センサにおいて、
前記ゲージ抵抗は、前記圧力の印加に応じて抵抗値が変化する少なくとも6個のものよりなり、
これら6個のゲージ抵抗のうち、第1のゲージ抵抗(R1)は第1の接続点(A)にて第2のゲージ抵抗(R2)と接続されており、
前記第2のゲージ抵抗は第2の接続点(B)にて第3のゲージ抵抗(R3)と接続されており、
前記第3のゲージ抵抗は第3の接続点(C)にて第4のゲージ抵抗(R4)と接続されており、
前記第4のゲージ抵抗は第4の接続点(D)にて第5のゲージ抵抗(R5)と接続されており、
前記第5のゲージ抵抗は第5の接続点(E)にて第6のゲージ抵抗(R6)と接続されており、
前記第6のゲージ抵抗は第6の接続点(F)にて前記第1のゲージ抵抗と接続されており、
前記第1及び第5のゲージ抵抗と、前記第2及び第6のゲージ抵抗とでは、前記圧力の印加時の抵抗値変化の正負が異なっており、
前記第3のゲージ抵抗と前記第4のゲージ抵抗とでは、前記圧力の印加時の抵抗値変化の正負が同じであり、
前記第3の接続点と前記第6の接続点との間に電圧あるいは電流を印加し、前記第1の接続点と前記第5の接続点との電圧差によって前記印加圧力に応じた電気信号を出力するとともに、前記第2の接続点と前記第4の接続点との電圧差によってセンサ出力の故障を検出するようにしたことを特徴とする圧力センサ。 - 前記第3及び第4のゲージ抵抗(R3、R4)は、前記第1及び第5のゲージ抵抗(R1、R5)と、前記圧力の印加時の抵抗値変化の正負が同じであることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
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