JP4062858B2

JP4062858B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP4062858B2
Application number: JP2000128255A
Authority: JP
Inventors: 稲男豊田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: JP2001304998A

Description

【０００１】
【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

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。