JPH09178597A

JPH09178597A - 半導体型燃焼圧センサ

Info

Publication number: JPH09178597A
Application number: JP7338508A
Authority: JP
Inventors: Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木; Masayuki Miki; 政之三木; Satoshi Shimada; 嶋田　　智; Masahiro Matsumoto; 昌大松本; Masahiro Komachiya; 昌宏小町谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1997-07-11
Anticipated expiration: 2015-12-26
Also published as: JP3079983B2; US5877425A

Abstract

(57)【要約】【課題】自動車エンジンの高度な燃焼制御システムに適
用可能な燃焼圧センサとそのセンシングシステムを提供
すること。【解決手段】第１のシリコン板，熱酸化膜，第２のシリ
コン板の３層積層構造よりなるSOI基板を用いたもの
で、第１のシリコン板に印加された圧力や力から燃焼圧
を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】高温、ダーテイで苛酷な雰囲
気下の圧力、特に自動車エンジンの燃焼圧を検出するセ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の燃焼圧センサとして特開
平5−264390 号，特開平6−34475号他で知られているシ
リコン半導体基板のピエゾ抵抗効果を利用したものが既
に実用化されている。このタイプの燃焼圧センサは、金
属ダイアフラムを用いてシリコン半導体基板よりなる検
出部自体を高温、ダーテイで苛酷な燃焼ガス雰囲気より
隔離していた。即ち、金属ダイアフラムで燃焼圧を力に
変換した後、ロッドを介してこの力を比較的に低温部へ
配置したシリコン半導体基板に伝達して、燃焼圧を電気
信号に変換するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来方式の圧力
センサは、自動車エンジンの高温で温度変化の激しく、
また燃焼ガスに直接触れるダーテイな雰囲気下に検出部
自体を直接的に曝して、燃焼圧を検出することは困難で
あった。特に、高温で温度変化の激しい環境下では圧力
センサの温度影響による検出誤差がはなはだ大きくなる
という問題点があった。また、高温でしかもダーテイな
環境下に検出部自体を曝すと、検出部それ自身が短時間
で破壊されるという信頼性上の問題点もあった。なお、
従来方式の圧力センサは検出部自体を燃焼ガス雰囲気に
直接曝すことができないため、ノッキング現象などのエ
ンジンの異常燃焼を正確に計測することは困難であっ
た。そして、検出部自体を燃焼ガス雰囲気と隔離するた
めに、検出部の構造が複雑で大きくなり、しかも高コス
トになるという欠点もあった。検出部の寸法が大きくな
る結果として、エンジンへの装着性が悪くなり、エンジ
ンの全気筒へ圧力センサを実装することは困難であっ
た。また、エンジンの全気筒へ個別の圧力センサを装着
したときの低コストで、燃焼圧を高精度に検出できる信
号処理回路が提案されていなかった。

【０００４】本発明の目的は、高精度，低コストで付加
価値の高い燃焼圧センサを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の問題点
を克服するために次の手段を採用した。第１のシリコン
板，熱酸化膜，第２のシリコン板の３層積層構造よりな
るＳＯＩ基板と、前記ＳＯＩ基板の第２のシリコン板の
一部をエッチング加工して形成した歪みゲージ部と、前
記歪みゲージ部を密封するように前記第２のシリコン板
へ接合したリード機能付きの絶縁基板とよりなる検出部
の表面を腐食防止用や電気ノイズ低減用の材料でコーテ
ィングし、検出部自体を燃焼圧導入孔を介して直接的に
燃焼ガス雰囲気に曝した。ここで、ＳＯＩ基板の第２の
シリコン板と絶縁基板の接合部をそれぞれ別の機能を有
する２つの接合部より構成して、一方の接合部には歪み
ゲージ部と絶縁基板のリード部を電気的に接続する機
能，他方の接合部には歪みゲージ部を密封する機能を持
たせ、両者の接合部を電気的および熱的に絶縁構造にし
た。燃焼圧センサをエンジンの各気筒に装着した燃焼圧
センサ群と燃焼圧センサの信号処理回路間にスイッチ群
を設け、燃焼サイクルに合わせて特定の気筒の燃焼圧セ
ンサのみを実質的に前記信号処理回路と電気的に結線す
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明によるＳＯＩ構造半導体型
燃焼圧センサの実施例を図１に示す。第１のシリコン板
１，熱酸化膜２，第２のシリコン板３よりなるＳＯＩ基
板をパイレックス基板よりなる絶縁基板４へ陽極接合に
より気密に接合している。第２のシリコン板３をエッチ
ング加工して、歪みゲージ５部と空所６，１０を形成し
ている。第１のシリコン板１の歪みゲージ５と空所６の
上部における部分が、燃焼圧を受けて変形するダイアフ
ラム７となる。ＳＯＩ基板と絶縁基板４は、歪みゲージ
５と電気的および機械的に接続されている支持部８，歪
みゲージ５と電気的に絶縁されている外枠部９で接合さ
れている。図に示すように、歪みゲージ５はSOI基板の
第１のシリコン板１，外枠部９および絶縁基板４で気密
に密封されている。それ故、検出部自体が燃焼ガス雰囲
気に直接曝されても、歪みゲージ５部は燃焼ガス雰囲気
から簡単に隔離されるので、歪みゲージ５部の耐久性は
向上し、また燃焼ガス圧が高速に変化してもこの部分の
温度変化は極めて緩慢になる。なお、検出部の各部の概
略寸法について述べる。第１のシリコン板１の厚さは約
数百ミクロン，熱酸化膜２の厚さは約１ミクロン，第２
のシリコン板３の厚さは約数十ミクロン，歪みゲージ５
の厚さは約数ミクロン，絶縁基板４の厚さは約数百ミク
ロン，検出部全体の平面寸法は約数ミリ角である。絶縁
基板４にはスルーホール１１が加工されており、歪みゲ
ージ５部は支持部８，支持部８の底面にスパッタや蒸着
で形成した導電膜１５，スルーホール１１の内面に形成
した導電膜１２，絶縁基板４の上面に形成した導電膜１
４および絶縁基板４に接合した金属性（例えば、Ｆｅ−
Ｎｉ合金）のリード材１３で外部の信号処理回路と電気
的に結線される。絶縁基板４とリード材１３は陽極接合
などの方法で接合されている。本発明による燃焼圧セン
サの変形例を図２に示す。本図はスルーホール１１内に
導電性の金属材料１６を封入したものであり、歪みゲー
ジ５と外部の信号処理回路との電気的接続の信頼性がよ
り向上する。

【０００７】ＳＯＩ基板の第２のシリコン板３を空所６
側からみた平面図を図３に示す。本図以降、同一の番号
のものは同一の要素や同一の機能を示すものとする。図
に示すように、Ｘ型の歪みゲージ５は薄肉部１８を介し
て４個の支持部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと電気的に接続
されており、薄肉部１８の厚さは歪みゲージ５と同じく
約数ミクロンの厚さである。もちろん、支持部８と薄肉
部１８の電気抵抗値が歪みゲージ５より充分に小さけれ
ば良いわけで、薄肉部１８の厚さは歪みゲージ５と支持
部８の中間の厚さに設計しても良い。なお、歪みゲージ
５の電気抵抗値は約数百Ωから数ｋΩの値に設定され
る。薄肉部１８の上部の位置におけるシリコン板１の部
分がダイアフラム７になる。空所１０および１７の下部
が熱酸化膜２であり、図に示すように外枠部９は歪みゲ
ージ５と電気的に絶縁される。15ａ，１５ｂ，１５ｃ，
１５ｄはそれぞれ支持部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ上に形
成された導電膜である。これらの導電膜はＳＯＩ基板と
絶縁基板を接合した後に、スパッタなどの手法で形成さ
れる。Ｘ型歪みゲージ５の歪みが燃焼圧に応じて変化す
るので、支持部８ａと支持部８ｂ間に電圧を供給する
と、支持部８ｃと支持部８ｄ間に計測すべき燃焼圧に比
例した差電圧が得られる。

【０００８】ＳＯＩ基板の第２のシリコン板３を空所６
側からみた平面図の他の実施例を図４に示す。本図はブ
リッジ型の歪みゲージを示したもので、接線方向のゲー
ジ１９と半径方向のゲージ２０が厚肉部２１を介して支
持部８と電気的に接続されている。なお、厚肉部２１の
厚さは支持部８と接線ゲージ１９，半径ゲージ２０の値
の中間に設定される。空所２２の上部が燃焼圧によって
変形するダイアフラム部分となる。接線ゲージと半径ゲ
ージを検出部の外部で良く知られたブリッジ回路に結線
することにより、燃焼圧に比例した出力信号を得ること
ができる。図３のＸ型ゲージ、図４のブリッジ型ゲージ
用の第２のシリコン板３には(１００)面、Ｐ型で比抵抗
０.０１〜１.０Ω・cmの単結晶ウエハが用いられる。

【０００９】本発明によるＳＯＩ構造半導体型燃焼圧セ
ンサの他の実施例を図５に示す。ダイアフラム７下部の
空所６の中心部に歪みゲージ５を配置し、図に示すよう
にその他端を絶縁基板４に接合している。第１のシリコ
ン板１に燃焼圧が印加されると、ダイアフラム７に作用
した圧力が歪みゲージ５を圧縮する力に変換される。Ｓ
ＯＩ基板の第２のシリコン板３を空所６側からみた平面
図を図６に示す。歪みゲージ５は図に示すように□型の
形状をしており、今後□型ゲージと呼ぶことにする。歪
みゲージ５における剪断歪みが燃焼圧に応じて変化する
ので、支持部８ａと支持部８ｂ間に電圧を供給し、支持
部８ｃと支持部８ｄ間の差電圧から燃焼圧に比例した信
号を取り出すことができる。

【００１０】本発明によるＳＯＩ構造半導体型燃焼圧セ
ンサの他の実施例を図７に示す。歪みゲージ５の下部に
は空所に相当するものがなく、従ってその上部にダイア
フラムに相当するものもない。第１のシリコン板１，熱
酸化膜２，第２のシリコン板３よりなるＳＯＩ基板と絶
縁基板４の縦弾性係数（ヤング率）が異なること、即ち
前者の縦弾性係数が後者より大きいことを利用して燃焼
圧を計測するものである。本図に示す検出部全体を燃焼
圧雰囲気下に曝すと、ＳＯＩ基板と絶縁基板４は燃焼圧
でそれぞれ圧縮され、ヤング率の小さい絶縁基板４がよ
り大きくちぢむことになる。この結果として、ＳＯＩ基
板と絶縁基板４よりなる積層体はＳＯＩ基板側が凸にな
るように曲げ変形を起こす。そして、歪みゲージ５の電
気抵抗値が燃焼圧に応じて変化するので、これより燃焼
圧を計測することができる。

【００１１】ＳＯＩ基板の第２のシリコン板３を歪みゲ
ージ５の下部側からみた平面図を図８に示す。歪みゲー
ジ５は図に示すようにＩ型形状をしており、今後Ｉ型ゲ
ージと呼ぶことにする。導電膜を形成する支持部８はＩ
型歪みゲージ５の両側に配置されている。

【００１２】本発明によるＳＯＩ構造半導体型燃焼圧セ
ンサの他の実施例を図９に示す。燃焼圧の測定原理は図
７に示した実施例と同じく、ヤング率の差を利用するも
のである。支持部８，スルーホール１１およびリード材
１３が検出デバイスの片側のみに、図では右側のみに配
置された例である。

【００１３】ＳＯＩ基板の第２のシリコン板３を歪みゲ
ージ５の下部側からみた平面図を図１０に示す。検出部
の中心線はＢ−Ｂであり、Ａ−Ａ部における断面図を前
図の図９に示した。絶縁基板４と接合するようにエッチ
ングにより形成された中央部の部材２４，空所２３を囲
むように歪みゲージ５がコの字状に配置されており、空
所１０によって外枠部９と電気的に絶縁されている。燃
焼圧の測定原理は図７に示したものと同じであり、本図
の形状のものもＩ型ゲージと呼ぶことにする。図６の□
型ゲージ、図８および図１０のＩ型ゲージ用の第２のシ
リコン板３には、（１１０）面、Ｐ型で比抵抗０.０１
〜１.０Ω・cmの単結晶ウエハが用いられる。

【００１４】本発明による燃焼圧センサの自動車エンジ
ンへの装着方法を図１１に示す。本図はエンジンの１気
筒の断面図を示したものである。図において、３０は吸
気管、３１は吸気バルブ、３２は排気管、３３は排気バ
ルブ、３４は点火プラグ、３５はシリンダヘッド、３６
はガスケット、３７はシリンダブロック、３８はピスト
ン、３９は燃焼室であり、本発明による燃焼圧センサ２
５，２６および２７の実装方法を次に述べる。燃焼圧セ
ンサ２５は点火プラグ３４と一体化する装着方法であ
る。燃焼圧センサ２６はガスケット３６内に配置し、燃
焼圧導入孔２８を介して検出部へ燃焼室３９の燃焼圧を
導く実装方法である。燃焼圧センサ２７はシリンダブロ
ック３７（あるいはシリンダヘッド３５）へ設けた燃焼
圧導入孔２９部内に装着する方法である。

【００１５】本発明によるエンジン燃焼圧の多気筒計測
の手法を図１２に示す。燃焼室３９が４個ある４気筒エ
ンジンの場合を示したもので、ガスケット３６に４個の
燃焼圧センサ２６を図のように配置し、燃焼圧導入孔２
８を介してそれぞれの検出部に各気筒の燃焼圧を導いて
いる。４個の燃焼圧センサ２６は配線４０で信号処理回
路４１と結線されている。信号処理回路４１は燃焼圧セ
ンサ２６の数十ｍＶオーダーの出力信号を数Ｖオーダー
の信号に増幅する増幅部４３と、各燃焼圧センサ２６の
出力信号の大きさのバラツキを調整して各燃焼圧センサ
２６の燃焼圧に対する感度を一定の値に調整する感度調
整部４４とより構成されている。信号処理回路４１は自
動車エンジンのコントロールユニット４２と接続されて
おり、コントロールユニット４２へ各気筒の燃焼圧を電
圧に変換した出力信号を供給する。そして、コントロー
ルユニット４２は今度の気筒のエンジンが燃焼している
かの情報を信号処理回路４１の感度調整部４４へ送り、
燃焼圧センサ２６の感度バラツキを調整するように、感
度調整部４４の感度調整量を燃焼サイクルに合わせて時
々刻々変更できるようにしている。この結果、複数の燃
焼圧センサに対して必要な信号処理回路は１個ですみ、
エンジン燃焼圧センシングシステムの低コスト化を図る
ことができる。

【００１６】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装
のより具体的な構成を図１３に示す。燃焼圧センサ２６
はシリンダヘッド３５とシリンダブロック３７間のガス
ケット３６部に装着され、ガスケット３６部に設けた燃
焼圧導入孔２８を介してエンジンの燃焼圧が燃焼圧セン
サ２６の周囲に導かれる。ガスケット３６と絶縁された
配線４０によって、燃焼圧センサ２６は外部の信号処理
回路と電気的に結線される実装方法である。

【００１７】各種歪みゲージの燃焼圧に対する電気抵抗
値の変化を電圧信号に変換する方法の概略図を図１４に
示した。図１４−ＡはＩ型ゲージに対するもので、歪み
ゲージへ定電流を供給し、この部分における電圧降下か
ら燃焼圧を電圧信号に変換する方法である。図１４−Ｂ
はＸ型ゲージと□型ゲージに対するもので、歪みゲージ
へ一定の電圧を供給し、歪みゲージの出力線４５に発生
した差電圧から燃焼圧を電圧信号に変換する方法であ
る。図１４−Ｃはブリッジ型ゲージに対するもので、２
個の接線ゲージと２個の半径ゲージよりなる歪みゲージ
を図のように良く知られたブリッジ回路構成に結線し、
ブリッジ回路へ電圧を供給してその中辺部に発生した差
電圧Ｖｏから燃焼圧を電圧信号に変換する方法である。

【００１８】本発明による各気筒に装着された燃焼圧セ
ンサ群の結線方法を図１５に示す。図１５−Ａは燃焼圧
センサ２６を配線４０で直列的に結線して、信号処理回
路４１と接続する方法である。これに対して、図１５−
Ｂは燃焼圧センサ２６を配線４０で並列的に結線して、
信号処理回路４１と接続する方法である。図１５のよう
にすることにより、複数の燃焼圧センサ２６の群に対し
て必要な信号処理回路４１は１個ですむことになり、燃
焼圧センシングシステムの低コスト化を図ることができ
る。

【００１９】本発明の並列接続による燃焼圧センシング
システムの一例を図１６に示す。本図の燃焼圧センサ２
６は図１５−Ｂの単純な並列接続に対して擬似並列接続
ともいうべき接続方法であり、各燃焼圧センサ２６は独
立した配線４０を介して信号処理回路４１中のスイッチ
４６と接続されている。ここで、信号処理回路４１はス
イッチ４６，増幅部４７および感度調整部４８より構成
されている。エンジンのコントロールユニット４２は計
測すべき気筒を判断して燃焼圧センサの選択信号Ｖｓ２
をスイッチ４６に送り、その気筒の燃焼圧センサ２６の
みをスイッチ４６を介して信号処理回路４１と電気的に
結線する。同時に、コントロールユニット４２は燃焼圧
センサ２６の製造バラツキによる感度バラツキを調整す
るための指令信号Ｖｓ１を感度調整部４８に送る。この
結果、エンジンの燃焼サイクルに応じて各気筒の燃焼圧
センサ２６は連続的にスイッチ４６で信号処理回路４１
と結線され、燃焼圧センサ２６の検出部の歪みゲージ部
に発生した数十ｍＶオーダーの電圧信号が増幅部４７で
数Ｖオーダーの電圧に増幅された後、感度調整部４８で
感度の補正を行い燃焼圧に対する高精度な出力信号Ｖｏ
としてコントロールユニット４２へ供給される。なお、
各燃焼圧センサ２６の感度補正量はコントロールユニッ
ト４２あるいは信号処理回路４１中へあらかじめ記憶さ
れており、燃焼サイクルに応じてこの補正量が次々に読
みだされて感度調整部４８で処理される。

【００２０】ＳＯＩ基板の第２のシリコン板の平面図の
他の実施例を図１７に示す。薄肉部１８と歪みゲージ５
部の厚さが同じである図３に対して、本図は薄肉部１８
の厚さが歪みゲージ５より厚い場合の実施例を示してい
る。導電膜１５ａと導電膜１５ｂ間の電気抵抗値を図３
の場合より歪みゲージ５の部分に集中させることができ
るので、計測すべき燃焼圧に対する検出部自体の感度を
より大きな値に上げることが可能になる。

【００２１】歪みゲージ５部の拡大図を図１８に示す。
斜線で示した歪みゲージ５のＸ−Ｘ軸方向の幅はＹ−Ｙ
軸方向の幅より広く、Ｘ−Ｘ軸方向に電圧を供給してＹ
−Ｙ軸方向に発生した差電圧から燃焼圧を計測するもの
である。なお、Ｘ−Ｘ軸およびＹ−Ｙ軸は第２のシリコ
ン板３の〈１１０〉軸に対して図のようにそれぞれ４５
度傾斜している。

【００２２】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装
の他の実施例を図１９に示す。燃焼圧センサ２６を図１
３の場合と同様にガスケット３６部に実装している。図
１３は燃焼圧センサ２６を直接燃焼ガスに曝しているの
に対して、本図は燃焼圧センサ２６を燃焼ガスの雰囲気
から隔離した領域４９内に配置している。燃焼圧導入孔
２８に導かれた燃焼圧をガスケット３６内に装着された
金属材料などで構成されるダイアフラム５１で力に変換
し、この力を燃焼圧センサ２６の第１のシリコン板の表
面ヘエンチングで加工した突起５０へ伝達している。こ
の力による燃焼圧センサ２６の歪みゲージ部の電気抵抗
値の変化から燃焼圧を計測する実装方法である。

【００２３】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装
の他の実施例を図２０に示す。本図は燃焼圧センサ２７
をシリンダブロックあるいはシリンダヘッドに設けた燃
焼圧導入孔２９部に装着する方法である。燃焼圧センサ
２７は金属材料などで構成されるケース５２へ接合さ
れ、燃焼圧センサ２７と外部の信号処理回路を電気的に
接続するリード材５４は絶縁部材５３でケース５２と電
気的に絶縁されている。エンジンの燃焼圧は部材５５に
設けた孔５６を介して燃焼圧センサ２７を囲む領域５７
へ導入される。このようにすることにより、燃焼圧セン
サ２７部の温度を最大でも約５００℃以下に抑えること
ができ、検出部の耐久性を高めることが可能になる。

【００２４】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装
の他の実施例を図２１に示す。本実装方法は図２０に示
したものに対して次の点が異なる。即ち、ガラスセラミ
ックスなどの絶縁部材５８がケース５２に固着されてお
り、この絶縁部材５８へ燃焼圧センサ２７を陽極接合な
どの手法で接合している。そして、燃焼圧センサ２７は
絶縁部材５８へ封止されたリード材５９を介して外部の
信号処理回路と電気的に接続される。

【００２５】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装
の他の実施例を図２２に示す。本実装方法は図２１に示
したものに対して次の点が異なる。即ち、燃焼圧を金属
材料などで構成されるダイアフラム５１で力に変換し、
この力を燃焼圧センサ２７に設けた突起５０に作用させ
て燃焼圧を計測する。燃焼圧センサ２７は図１９の場合
と同様に燃焼ガスの雰囲気から隔離されている。

【００２６】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装
の他の実施例を図２３に示す。ケース６０に気密に固着
された板状の絶縁基板６２へ燃焼圧センサ６３を接合し
たもので、燃焼圧センサ６３は燃焼圧導入孔６１を介し
て導かれた燃焼ガスに暴露されている。燃焼圧センサ６
３はリード材６４を介して外部の信号処理回路と電気的
に接続される。

【００２７】前図の板状の絶縁基板に接合された燃焼圧
センサの詳細な拡大図を図２４に示す。本図に示した燃
焼圧センサ６３は第１のシリコン板１，熱酸化膜２およ
び第２のシリコン板３よりなるＳＯＩ基板で構成され
る。板状の絶縁基板６２はムライトあるいはアルミナな
どのセラミックスの多層焼結体よりなり、その内部にリ
ード材６４を気密に封止している。燃焼圧センサ６３と
板状の絶縁基板６２は銀，ニッケル，金などのロー材６
５で気密に接合される。そして、燃焼圧センサ６３の接
合時に支持部８とリード材６４はロー材６５を介して電
気的に接合される。なお、接合時の温度はロー材６５の
材料によって決まるが、少なくとも600℃以上の温度で
ある。

【００２８】板状の絶縁基板に接合された燃焼圧センサ
の他の実施例の詳細な拡大図を図２５に示す。燃焼圧セ
ンサ６３の基本構造は図２４に示したものと同じであ
り、本図の板状の絶縁基板６２がガラス・セラミックス
材で構成されている点が異なる。そして、燃焼圧センサ
６３の第２のシリコン板と板状の絶縁基板６２は約数百
度の温度下で陽極接合により気密に固着される。

【００２９】板状の絶縁基板に接合された燃焼圧センサ
の他の実施例の詳細な拡大図を図２６に示す。燃焼圧セ
ンサ６３と板状の絶縁基板６２はロー材で気密に接合さ
れ、リード材６４を板状の絶縁基板６２の表面に形成
し、リード材６４の一部を耐食性の保護膜６８でコーテ
ィングしている。そして、板状の絶縁基板６２に加工し
たスルーホール６６内に導電性の材料６７を封入してい
る。燃焼圧センサ６３は導電材料６７，リード材６４を
介して外部の信号処理回路と電気的に接続される。な
お、本図の板状の絶縁基板はムライトやアルミナなどの
セラミックスを想定した図でロー材で接合されたものを
示しているが、ガラス・セラミックスとし陽極接合した
ものにも容易に適用できることは言うまでもない。

【００３０】図２６に示した検出部の実装品を下側から
みた平面図を図２７に示す。図に示すように、４個のリ
ード材６４が板状の絶縁基板６２の表面に印刷で形成さ
れており、その左端を除いて保護膜６８でコーティング
されている。なお、本図のＸ−Ｘ位置における断面が前
図である。

【００３１】板状の絶縁基板に接合された燃焼圧センサ
の他の実施例の詳細な拡大図を図２８に示す。本図は図
２４に示したものと次の点で異なる。即ち、電気ノイズ
を低減するために導電性のコーティング膜６９を、燃焼
ガスによる腐食を防止するために耐食性のコーティング
膜７０をそれぞれ検出部自体の表面に形成したものであ
る。

【００３２】以下述べた本発明の実施によれば以下述べ
る作用効果を有する。

【００３３】ＳＯＩ基板の第２のシリコン板の一部をエ
ッチング加工した歪みゲージは熱酸化膜の上に形成され
る故、歪みゲージ部と第１および第２のシリコン板との
間の絶縁抵抗は極めて高く、換言すればリーク電流は非
常に小さいので、検出部自体を容易により高温部へ実装
することができる。歪みゲージ部をＳＯＩ基板の第１の
シリコン板，絶縁基板およびＳＯＩ基板の第２のシリコ
ン板と絶縁基板間の接合部で密封したこと、および前記
第１のシリコン板の厚さを数百ミクロン，絶縁基板の厚
さを数百ミクロン，第２のシリコン板と絶縁基板間の接
合部の長さを数百ミクロンと比較的大きな寸法にするこ
とにより、自動車エンジンの燃焼サイクルに同期して高
温雰囲気の燃焼ガス圧が高速に変化しても、歪みゲージ
部の温度変化は極めて緩慢になるので、燃焼圧を温度影
響なく高精度に検出することが可能になる。検出部の表
面を腐食防止用や電気ノイズ低減用の材料でコーティン
グすることにより、検出部自体を燃焼圧導入孔を介して
燃焼ガス雰囲気に直接曝しても、検出部の信頼性を損な
うことなく、燃焼圧を高精度に検出することができる。
燃焼圧センサを燃焼ガス雰囲気に直接曝すことができる
ことにより、小型，低コストな燃焼圧センサを実現で
き、エンジン実装の自由度を上げることができる。

【００３４】エンジンの各気筒に装着した燃焼圧センサ
群と信号処理回路間にスイッチ群を設け、燃焼サイクル
に合わせて特定の気筒の燃焼圧センサのみを実質的に信
号処理回路と電気的に結線することにより、燃焼圧セン
サの個数だけ信号処理回路の数を用意する必要がなく、
ただ一つの信号処理回路で多気筒の燃焼圧の検出を可能
にし、燃焼圧センシングシステムの低コスト化を図るこ
とができる。また、各燃焼サイクルにおいて、ただ一個
の燃焼圧センサのみを実質的に信号処理回路と結線する
ものであり、燃焼圧を高感度に計測することができる。

【００３５】

【発明の効果】前述したように、本発明により小型でエ
ンジンへの装着性が良く、全気筒の燃焼圧を高精度且つ
高信頼度に検出可能なＳＯＩ構造半導体型燃焼圧センサ
を得ることができる。また、ノッキングなどの異常燃焼
を高精度に検出できるようになる。そして、低コストな
全気筒の燃焼圧センシングシステムを実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＳＯＩ構造半導体型燃焼圧センサ
の実施例を示した図。

【図２】本発明による燃焼圧センサの変形例を示した
図。

【図３】ＳＯＩ基板を歪みゲージ側からみた平面図の一
実施例を示した図。

【図４】ＳＯＩ基板を歪みゲージ側からみた平面図の他
の実施例を示した図。

【図５】本発明によるＳＯＩ構造半導体型燃焼圧センサ
の他の実施例を示した図。

【図６】ＳＯＩ基板を歪みゲージ側からみた平面図の他
の実施例を示した図。

【図７】本発明によるＳＯＩ構造半導体型燃焼圧センサ
の他の実施例を示した図。

【図８】ＳＯＩ基板を歪みゲージ側からみた平面図の他
の実施例を示した図。

【図９】本発明によるＳＯＩ構造半導体型燃焼圧センサ
の他の実施例を示した図。

【図１０】ＳＯＩ基板を歪みゲージ側からみた平面図の
他の実施例を示した図。

【図１１】本発明による燃焼圧センサの自動車エンジン
への装着方法を示した図。

【図１２】本発明によるエンジン燃焼圧の多気筒計測の
手法を示した図。

【図１３】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装の
より具体的な構成を示した図。

【図１４】各種歪みゲージの概略結線図。

【図１５】本発明による燃焼圧センサ群の結線方法を示
した図。

【図１６】本発明の並列接続による燃焼圧センシングシ
ステムの一例を示した図。

【図１７】ＳＯＩ基板を歪みゲージ側からみた平面図の
他の実施例を示した図。

【図１８】Ｘ型歪みゲージ部の拡大図。

【図１９】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装の
他の実施例を示した図。

【図２０】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装の
他の実施例を示した図。

【図２１】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装の
他の実施例を示した図。

【図２２】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装の
他の実施例を示した図。

【図２３】本発明による燃焼圧センサのエンジン実装の
他の実施例を示した図。

【図２４】本発明による板状の絶縁基板に接合された燃
焼圧センサの拡大図。

【図２５】本発明による板状の絶縁基板に接合された燃
焼圧センサの拡大図の他の実施例を示した図。

【図２６】本発明による板状の絶縁基板に接合された燃
焼圧センサの拡大図の他の実施例を示した図。

【図２７】前図の検出部の実装品を下側からみた平面
図。

【図２８】本発明による板状の絶縁基板に接合された燃
焼圧センサの拡大図の他の実施例を示した図。

【符号の説明】

１…第１のシリコン板、２…熱酸化膜、３…第２のシリ
コン板、４…絶縁基板、５…歪みゲージ、６，１０，１
７，２２，２３…空所、７，５１…ダイアフラム、８…
支持部、９…外枠部、１１，６６…スルーホール、１
２，１４，１５…導電膜、１３，５４，５９，６４…リ
ード材、１６，６７…導電材料、１８…薄肉部、１９…
接線ゲージ、２０…半径ゲージ、２１…厚肉部、２４…
中央部材、２５，２６，２７，６３…燃焼圧センサ、２
８，２９，６１…燃焼圧導入孔、３０…吸気管、３１…
吸気バルブ、３２…排気管、３３…排気バルブ、３４…
点火プラグ、３５…シリンダヘッド、３６…ガスケッ
ト、３７…シリンダブロック、３８…ピストン、３９…
燃焼室、４０…配線、４１…信号処理回路、４２…コン
トロールユニット、４３，４７…増幅部、４４…感度調
整部、４５…出力線、４６…スイッチ、４８…感度調整
部、４９，５７…領域、５０…突起、５２，６０…ケー
ス、５３，５８…絶縁部材、５５…部材、５６…孔、６
２…板状の絶縁基板、６５…ロー材、６８…保護膜、６
９…導電性のコーティング膜、７０…耐食性のコーティ
ング膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松本昌大茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小町谷昌宏茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１のシリコン板，熱酸化膜，第２のシリ
コン板の３層積層構造よりなるSOI基板と、前記第２の
シリコン板の一部をエッチング加工して形成した歪みゲ
ージ部と、前記歪みゲージ部を密封するように前記第２
のシリコン板に接合したリード引き出し機能付きの絶縁
基板とから構成され、前記第１のシリコン板に印加され
た圧力または力から燃焼圧を検出することを特徴とする
半導体型燃焼圧センサ。
【請求項２】請求項１において、前記第２のシリコン板
と前記絶縁基板との接合部はそれぞれ別の機能を有する
２つの接合部よりなり、一方の接合部は前記歪ゲージ部
と前記絶縁基板のリード部を電気的に接続する機能，他
方の接合部は前記歪みゲージ部を気密に密封する機能を
有しており、それぞれの接合部は電気的に絶縁されてい
ることを特徴とする半導体型燃焼圧センサ。
【請求項３】請求項２において、前記歪みゲージ部はＸ
型ゲージ，ブリッジ型ゲージ，□型ゲージ，Ｉ型ゲージ
のいずれかのゲージで構成されることを特徴とする半導
体型燃焼圧センサ。
【請求項４】請求項３において、前記絶縁基板がガラス
板あるいはガラス・セラミックス板あるいはセラミック
ス板で構成されることを特徴とする半導体型燃焼圧セン
サ。
【請求項５】請求項４において、前記絶縁基板に設けた
リード引き出し用スルーホール部の導電層を介して前記
歪みゲージ部と外部の信号処理回路とが電気的に接続さ
れていることを特徴とする半導体型燃焼圧センサ。
【請求項６】請求項４において、前記絶縁基板をガラス
板あるいはガラス・セラミックス板で構成されるときは
前記ＳＯＩ基板と前記絶縁基板とが陽極接合で接合し、
前記絶縁基板がセラミックス板で構成されるとき、前記
ＳＯＩ基板と前記絶縁基板とがロー付け接合で接合され
ることを特徴とする半導体型燃焼圧センサ。
【請求項７】請求項５において、前記スルーホールの内
部に金属材料を充填したことを特徴とする半導体型燃焼
圧センサ。
【請求項８】請求項４において、前記ＳＯＩ基板と前記
絶縁基板とよりなる検出部表面に腐食防止用や電気ノイ
ズ低減用の材料をコーティングしたことを特徴とする半
導体型燃焼圧センサ。
【請求項９】請求項４において、燃焼圧センサ自体を自
動車エンジンのガスケットあるいはシリンダブロックに
設けた燃焼圧導入孔あるいは点火プラグに実装したこと
を特徴とする半導体型燃焼圧センサ。
【請求項１０】請求項１ないし請求項１０のいずれかの
半導体型燃焼圧センサをエンジンの各気筒に装着し、各
々のセンサを電気的に直列に接続あるいは並列に接続す
ることにより、センサ数より少ない数の信号処理回路で
多気筒の燃焼圧を連続的に計測できるようにしたことを
特徴とする燃焼圧計測装置。
【請求項１１】請求項１ないし請求項９のいずれかの半
導体型燃焼圧センサを各気筒に実装した半導体型燃焼圧
センサ群と燃焼圧の信号処理回路との間にスイッチを設
け、燃焼のサイクルに合わせて特定気筒に装着した前記
半導体型燃焼圧センサのみを実質的に前記信号処理回路
に結線することを特徴とする燃焼圧計測装置。
【請求項１２】請求項１１において、前記信号処理回路
は燃焼圧センサ検出部の小さな信号を増幅する機能や燃
焼圧に対する感度を所望の値に調整する機能などを有す
ることを特徴とする燃焼圧計測装置。
【請求項１３】請求項１１において、燃焼のサイクルに
合わせてどの気筒の半導体型燃焼圧センサを信号処理回
路と結線すべきかの決定は、エンジン制御用のコントロ
ールユニットで行われることを特徴とする燃焼圧計測装
置。
【請求項１４】第１のシリコン板，熱酸化膜，第２のシ
リコン板の３層積層構造よりなるSOI基板と、前記第２
のシリコン板の一部をエッチング加工して形成した歪み
ゲージ部と、前記歪みゲージ部を密封するように前記第
２のシリコン板に接合したリード引き出し機能付きの絶
縁基板とから構成され、前記第１の基板に印加された圧
力を検出することを特徴とする圧力センサ。