DE60028678T2

DE60028678T2 - System zum Bestimmen von Fehlern oder Abnormalitäten eines Messfühlers, eingebaut in ein Gerät zur Messung einer physikalischen oder dynamischen Grösse

Info

Publication number: DE60028678T2
Application number: DE60028678T
Authority: DE
Inventors: Nobukazu Kariya-city Aichi-pref. Oba; Yoshifumi Kariya-city Aichi-pref. Murakami; Yukihiko Kariya-city Aichi-pref. Tanizawa; Hiroaki Kariya-city Aichi-pref. Tanaka; Seiichiro Kariya-city Aichi-pref. Ishio; Inao Kariya-city Aichi-pref. Toyoda; Yasutoshi Kariya-city Aichi-pref. Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2007-05-24
Also published as: EP1087219B1; EP1666862A2; US6422088B1; DE60028678D1; DE60028678T8; EP2275792A1; EP1087219A2; EP1666862B1; EP2275792B1; EP1087219A3; EP1666862A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen oder dynamischen Größe und ein System zur Erfassung einer Fehlfunktion oder Anomalie, die in dieser Vorrichtung enthalten ist.
Ein herkömmlicher Drucksensor umfasst ein Halbleitersubstrat mit einem dünnen Membranabschnitt. Zwei Druckerfassungselemente (d.h. Messwiderstände) sind in einem mittleren Bereich dieses Membranabschnitts ausgebildet, und weitere zwei Druckerfassungselemente sind in einem Umfangsabschnitt dieses Membranbabschnitts ausgebildet. Diese vier Druckerfassungselemente sind angeordnet, dass sie eine Wheatstone'sche Brückenschaltung bilden. Wenn der Membranabschnitt mit einem Druck beaufschlagt wird, verändert sich der Widerstandswert jedes Druckerfassungselements aufgrund eines Piezowiderstandseffekts. Ein signifikanter Unterschied (d.h. eine Ausgangsspannung) erscheint zwischen einem Mittenpunkt der Druckerfassungselemente in dem Umfangsbereich. Der Drucksensor verstärkt diese Ausgangsspannung und stellt diese in geeigneter Weise ein, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das ein Maß für den Druck ist, mit dem der Membranabschnitt beaufschlagt wird.
Wie es oben beschrieben ist, verstärkt der Drucksensor eine von der Brückenschaltung erzeugte Spannungsdifferenz und stellt diese ein. Jedoch erzeugt die Brückenschaltung eine falsche Spannungsdifferenz, wenn sie verschmutzt oder beschädigt ist. In einem solchen Fall erzeugt der Drucksensor ein falsches elektrisches Signal.
Die PCT-Anmeldung WO97/05464 offenbart einen Drucksensor mit einer Fehlfunktion-Erfassungsfähigkeit. Gemäß diesem Stand der Technik erfasst der Drucksensor eine anomale Verteilung der Spannung in dem Membranabschnitt. Zu diesem Zweck ist der Membranabschnitt in der Mitte in zwei Bereiche getrennt. Eine Brückenschaltung ist in jedem Bereich ausgebildet. Eine Sensorfehlfunktion ist auf der Grundlage einer Abweichung der Ausgangsspannung der jeweiligen Brückenschaltungen erfassbar. Dieser Drucksensor ist jedoch dahingehend nicht wünschenswert, dass der Bereich des Druckerfassungsabschnitts aufgrund der Trennung des Membranabschnitts entlang der Mittellinie verdoppelt ist. Daher ist eine Verkleinerung des Drucksensors schwierig.
Ein weiterer herkömmlicher Drucksensor umfasst einen Sensorchip, der durch Anodenbonding an einem Sockel festgeklebt ist, um so eine Referenzdruckkammer zu bilden. Die Druckerfassung wird auf der Grundlage einer Druckdifferenz zwischen einem externen Druck und dem Referenzdruck ausgeführt. Allgemein wird das Festkleben des Sensorchips auf den Sockel im Vakuum ausgeführt, um eine Oxidation einer Aluminiumverdrahtung zu vermeiden, die auf dem Sensorchip gebildet ist. Somit wird die Referenzdruckkammer in einem Vakuumzustand (d.h. bei 0 atm absolut) gehalten.
Wenn dieser Drucksensor einem extrem hohen Druck (zum Beispiel bei der Erfassung eines Hydraulikbremsdrucks) ausgesetzt ist, ist es erforderlich, den Spannungsbereich eines Sensorausgangssignals an den Messdruck, der in einem weiten Bereich variiert, anzupassen. Somit muss die Empfindlichkeit des Drucksensors auf einen niedrigen Pegel gedrückt werden.
Dies macht es schwierig, eine Sensorfehlfunktion nur dadurch zu erfassen, dass das Sensorausgangssignal überwacht wird.
Ferner, wenn der Sensorchip von dem Sockel abgezogen bzw. gelöst wird, ist die Referenzdruckkammer mit einer äußeren Atmosphäre verbunden. Somit wird der Referenzdruck gleich dem externen Druck. Jedoch tritt, wenn der gleiche Druck als zwei Reihen von Signalen wie in dem oben beschriebenen Fehlfunktion-Erfassungsverfahren erfasst wird, eine ähnliche Situation ein, wenn diese Signale miteinander verglichen werden. Daher ist es unmöglich, die Sensorfehlfunktion genau zu erfassen.
Die Druckschrift DE 197 28 381 offenbart eine Schaltung zur Überwachung des Funktionierens einer symmetrischen Sensorbrückenschaltung durch Subtrahieren des Signals von der positiven oder negativen Halbbrücke von der halben Brückenversorgungsspannung in einem Summationselement und Verstärken des Signals derart, dass es dem Signal der Vollbrücke entspricht. Das Vollbrückensignal wird in einem Komparator mit dem verstärkten Differenzsignal verglichen. Wenn das Differenzsignal in einer nicht akzeptablen Weise von dem Vollbrückensignal abweicht, schaltet der Komparator ein Alarmsignal auf das Ausgangssignal des Sensors, so dass dieses Ausgangssignal in einen Bereich gesetzt wird, der außerhalb des normalen Betriebsbereichs des Sensors liegt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der oben beschriebenen Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor bereitzustellen, der dazu geeignet ist, eine Sensorfehlfunktion zu erfassen, wenn sich der Widerstandswert in einer Brückenschaltung aufgrund von Problemen oder Beschädigung verändert hat.
Ferner ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor bereitzustellen, der dazu geeignet ist, verkleinert zu werden.
Ferner ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor bereitzustellen, der dazu geeignet ist, eine Sensorfehlfunktion zu erfassen, die durch eine fehlerhafte Luftdichtheit der Referenzdruckkammer verursacht ist, welche durch Aufkleben eines Sensorchips auf einen Sockel gebildet ist.
Um die obigen und weitere verwandte Ziele zu erreichen, stellt die vorliegenden Erfindung einen ersten Drucksensor bereit, der ein Halbleitersubstrat mit einem Membranabschnitt, eine Druckerfassungs-Brückenschaltung, die Messwiderstände umfasst, welche Widerstandswerte aufweisen, die sich in Antwort auf einen den Membranabschnitt des Halbleitersubstrats beauschlagenden Druck verändern, und eine Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung, die zwischen ein Ende und das weitere Ende der Druckerfassungs-Brückenschaltung geschaltet ist, um eine Referenzspannung zu erzeugen, wobei die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nicht-sensitive Widerstände umfasst, die Widerstandswerte besitzen, die sich nicht in Antwort auf den den Membranabschnitt beaufschlagenden Druck verändern. Eine Fehlfunktionsbeurteilung der Druckerfassungs-Brückenschaltung erfolgt auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Mittenpunkten der Druckerfassungs-Brückenschaltung sowie einer Spannungsdifferenz zwischen einem Spannungspegel von einem der zwei Mittenpunkte der Druckerfassungs-Brückenschaltung und dem Referenzspannungspegel der Referenzspannung-Erzeugungsschaltung.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, eine Sensorfehlfunktion sicher zu erfassen, wenn sich der Widerstandswert der Brückenschaltung aufgrund der Fehlfunktion verändert.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Messwiderstände, die die Druckerfassungs-Brückenschaltung bilden, aus getrennten Messwiderständen gebildet sind, und eine Fehlfunktionsbeurteilung der Druckerfassungs-Brückenschaltung auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Mittenpunkten der Druckerfassungs-Brückenschaltung sowie einer Spannungsdifferenz zwischen einem Paar von zwischenliegenden Anschlüssen bzw. Zwischenanschlüssen, die aus zwischenliegenden Anschlüssen der getrennten Messwiderstände ausgewählt sind, ausgeführt wird, wobei das gewählte Paar von zwischenliegenden Anschlüssen den gleichen Spannungspegel in einem Zustand haben, in dem der Membranabschnitt mit keinem Druck beaufschlagt wird.
Mit dieser Anordnung wird es möglich, eine Sensorfehlfunktion sicher zu erfassen, wenn sich der Widerstandswert der Brückenschaltung aufgrund der Fehlfunktion ändert.
Ferner ist es vorteilhaft, dass eine Fehlfunktionsbeurteilung der Druckerfassungs-Brückenschaltung auf der Grundlage von Spannungsdifferenzen zwischen einem und den weiteren Anschlüssen der Brückenschaltung und ersten und zweiten zwischenliegenden Anschlüssen der Brückenschaltung ausgeführt wird.
Mit dieser Anordnung wird es möglich, eine Sensorfehlfunktion sicher zu erfassen, wenn sich der Widerstandswert der Brückenschaltung aufgrund der Fehlfunktion verändert.
Ferner ist es wünschenswert, dass eine Verstärkungsschaltung bereitgestellt wird, um jede Spannungsdifferenz zu verstärken, und die Fehlfunktionsbeurteilung der Druckerfassungs-Brückenschaltung wird auf der Grundlage eines Ausgangssignals der Verstärkerschaltung ausgeführt.
Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe bereitzustellen, der dazu geeignet ist, eine Anomalie des Sensors exakt zu erfassen.
Um diese und weitere, verwandte Ziele zu erreichen, stellt die vorliegenden Erfindung einen Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe bereit, der vier Messwiderstände umfasst, die jeweils einen Widerstandswert besitzen, der sich in Antwort auf eine erfasste physikalische Größe verändert, so dass die vier Messwiderstände eine Brückenschaltung bilden. In diesem Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe sind die Messwiderstände, die die Brückenschaltung bilden, getrennte Messwiderstände. Ein Sensorausgangssignal wird auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Mittenpunkten der Brückenschaltung erzeugt. Ein Untersuchungsausgangssignal wird auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen einem Paar von zwischenliegenden Anschlüssen, ausgewählt aus zwischenliegenden Anschlüssen der getrennten Messwiderstände, erzeugt. Das ausgewählte Paar von zwischenliegenden Anschlüssen hat den gleichen Spannungspegel in einem Zustand, in dem keine physikalische Größe auf den Sensor wirkt. Und ein Einstellungsmittel ist mit dem ausgewählten Paar von zwischenliegenden Anschlüssen zur Einstellung einer Fehlerkomponente des Untersuchungsausgangssignals verbunden.
Auf diese Weise umfasst der Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe das Einstellungsmittel zur Ein stellung der Fehlerkomponente des Untersuchungsausgangssignals, so dass das Einstellungsmittel mit dem ausgewählten Paar von zwischenliegenden Anschlüssen verbunden ist, die den gleichen Spannungspegel in einem Zustand haben, in dem keine physikalische Größe auf den Sensor wirkt. Somit wird es möglich, die Empfindlichkeit und einen Offset-Betrag des Sensorausgangssignals sowie einen Temperatur-Offset-Betrag einzustellen und dadurch die Fehlerkomponente zu reduzieren, selbst wenn das Untersuchungsausgangssignal eine solche Fehlerkomponente aufweist. Somit kann die Anomalie-Erfasssung exakt ausgeführt werden.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass eine Verstärkungsschaltung mit dem ausgewählten Paar von zwischenliegenden Anschlüssen verbunden ist, und das Einstellungsmittel stellt ein Ausgangssignal der Verstärkungsschaltung ein.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das Einstellungsmittel eine Spannungsverstärkungsschaltung ist, und ein Ausgangsspannungspegel der Verstärkungsschaltung wird um ein Ausgangssignal der Spannungsverstärkungsschaltung angehoben, um so die Fehlerkomponente des Untersuchungsausgangssignals einzustellen.
Zum Beispiel hat die Spannungsverstärkungsschaltung einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss, der eine Referenzspannung empfängt. Die Referenzspannung wird von einer Versorgungsspannung auf der Grundlage einer Spannungsteilung durch einen ersten und einen zweiten Widerstand geliefert. Und ein Widerstandswert von wenigstens entweder dem ersten oder dem zweiten Widerstand ist durch Abstimmen bzw. Trimmen einstellbar.
Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor bereitzustellen, der dazu geeignet ist, eine Anomalie seiner Ausgangsempfindlichkeit zu erfassen.
Um dies zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen siebten Drucksensor bereit, der eine Membran umfasst, die in Antwort auf einen sie beaufschlagenden Druck verformbar ist, und eine Mehrzahl von Messwiderstände, die ein elektrisches Signal erzeugen, das ein Maß für den beaufschlagenden Druck ist, und zwar auf der Grundlage einer Verformung der Membran. Der siebte Drucksensor umfasst wenigstens sechs Messwiderstände, die jeweils einen Widerstandswert besitzen, der in Übereinstimmung mit einem beaufschlagenden Druck variiert. Die sechs Messwiderstände bestehen aus inkrementierten Messwiderständen, die jeweils einen Widerstandswert haben, der in Übereinstimmung mit dem beaufschlagenden Druck zunimmt, und dekrementierten Messwiderständen, die jeweils einen Widerstandswert haben, der in Übereinstimmung mit dem beaufschlagenden Druck abnimmt. Das elektrische Signal, das ein Maß für den beaufschlagenden Druck ist, wird auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen zwei vorbestimmten Punkten von einer Mehrzahl von Verbindungspunkten der sechs Messwiderstände erzeugt, und eine Sensorfehlfunktion wird auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen zwei weiteren Punkten der Verbindungspunkte erfasst.
Entsprechend dieser Anordnung werden von den sechs Messwiderständen mit einem Widerstandswert, der in Antwort auf einen beaufschlagenden Druck variiert, wenigstens vier Messwiderstände zur Bildung einer Brückenschaltung verwendet. Das elektrische Signal, das ein Maß für den beaufschlagenden Druck ist, kann auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen den vorbestimmten Verbindungspunkten erzeugt werden. Somit kann der beaufschlagende Druck erfasst werden.
Ferner, die Bereitstellung von wenigstens sechs Messwiderständen, die elektrisch miteinander verbunden sind, ermöglicht es, zwei Verbindungspunkte auszuwählen, deren Spannungspegel nicht in Antwort auf einen beaufschlagenden Druck variieren, sofern alle Messwiderstände normal sind. Die zwei ausgewählten Verbindungspunkte sind nicht die zwei Verbindungspunkte, die zur Erfassung des beaufschlagenden Drucks verwendet werden.
Wenn irgendeine Fehlfunktion in den Messwiderständen während des Betriebs bzw. der Operation des Sensors auftritt, bewirkt die Spannungsdifferenz zwischen zwei ausgewählten Verbindungspunkten eine Veränderung und kann als eine Fehlfunktion des Sensors erfasst werden. Demzufolge wird es möglich, einen Drucksensor bereitzustellen, der dazu geeignet ist, eine Anomalie in seiner Ausgangsempfindlichkeit zu erfassen.
Ferner umfassen diese Messwiderstände wenigstens sechs Widerstände, die jeweils einen Widerstandswert besitzen, der in Übereinstimmung mit dem beaufschlagenden Druck variiert. Es ist vorteilhaft, dass der erste Messwiderstand mit dem zweiten Messwiderstand an dem ersten Verbindungspunkt verbunden ist. Der zweite Messwiderstand ist mit dem dritten Messwiderstand an dem zweiten Verbindungspunkt verbunden. Der dritte Messwiderstand ist mit dem vierten Messwiderstand an dem dritten Verbindungspunkt verbunden. Der vierte Messwiderstand ist mit dem fünften Messwiderstand an dem vierten Verbindungspunkt verbunden. Der fünfte Messwiderstand ist mit dem sechsten Messwiderstand an dem fünften Verbindungspunkt verbunden. Und der sechste Messwiderstand ist mit dem ersten Messwiderstand an dem sechsten Verbindungspunkt verbunden.
Der erste und der fünfte Messwiderstand bewirken Widerstandsänderungen in derselben Richtung, wenn die Membran mit dem Druck beaufschlagt wird, während der zweite und der sechste Messwiderstand Widerstandsänderungen in entgegengesetzten Richtungen bewirken, wenn die Membran mit dem Druck beaufschlagt wird. Der dritte Messwiderstand und der vierte Messwiderstand bewirken Widerstandsänderungen in derselben Richtung, wenn die Membran mit dem Druck beaufschlagt wird.
Ferner wird das elektrische Signal, das ein Maß für den beaufschlagenden Druck ist, auf der Grundlage der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Verbindungspunkt und dem fünften Verbindungspunkt erzeugt, die bewirkt wird, wenn eine Spannung oder ein Strom zwischen dem dritten Verbindungspunkt und dem sechsten Verbindungspunkt angelegt wird bzw. fließt, während die Sensorfehlfunktion auf der Grundlage der Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und dem vierten Verbindungspunkt erfasst wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben beschriebene charakteristische Anordnung aufweist, bilden der erste, zweite, fünfte und sechste Messwiderstand zusammenwirkend eine Brückenschaltung. Die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Verbindungspunkt und dem fünften Verbindungspunkt ist proportional zu dem beaufschlagenden Druck. Somit ist der beaufschlagende Druck auf der Grundlage des elektrischen Signals erfassbar, das zwischen dem ersten Verbindungspunkt und dem fünften Verbindungspunkt bewirkt wird.
Der dritte Messwiderstand und der vierte Messwiderstand bewirken die Widerstandsänderung in derselben Richtung in Antwort auf den beaufschlagenden Druck. Wenn alle Messwiderstände normal sind, wird kein ungünstiger Einfluss auf die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Verbindungspunkt und dem fünften Verbindungspunkt ausgeübt. Die Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und dem vierten Verbindungspunkt ändert sich nicht.
Wenn einer von dem ersten bis sechsten Messwiderstand eine Fehlfunktion aufweist, ändert sich die Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und dem vierten Verbindungspunkt. Diese Änderung kann als ein Fehlfunktionssignal erfasst werden. Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung einen Drucksensor bereit, der dazu geeignet ist, eine Anomalie der Ausgangsempfindlichkeit zu erfassen.
Ferner ist es wünschenswert, dass der dritte und vierte Messwiderstand und der erste und fünfte Messwiderstand Widerstandsänderungen in derselben Richtung bewirken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist, in denen:
1A und 1B Schaltungsdiagramme sind, die zusammen die schematische Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
2 eine Teilquerschnittsansicht ist, die den Drucksensor in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ein Schaltungsdiagramm ist, das die schematische Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ein Schaltungsdiagramm ist, das die schematische Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein Schaltungsdiagramm ist, das die schematische Anordnung eines modifizierten Drucksensors in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ein Schaltungsdiagramm ist, das die schematische Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
7B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang einer Linie A-A von 7A zeigt;
8 ein Schaltungsdiagramm ist, das die schematische Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der Erfindung ist, zeigt;
9A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
9B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang einer Linie B-B von 9A zeigt;
10 eine Kennlinie ist, die die Ausgangssignalcharakteristik von zwei Brückenschaltungen des Drucksensors in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 9A und 9B zeigt;
11 ein Schaltungsdiagramm ist, das die schematische Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 9A und 9B zeigt;
12 eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines modifizierten Drucksensors in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 9A und 9B zeigt;
13A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
13B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang eines Linie C-C von 13A zeigt;
14A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
14B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang einer Linie D-D von 14A zeigt;
15A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
15B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang einer Linie E-E von 15A zeigt;
16A eine perspektivische Ansicht ist, die einen Drucksensor in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
16B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang einer Linie F-F von 16A zeigt;
17A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
17B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang eines Linie G-G von 17A zeigt;
17C eine Kennlinie ist, die die Beziehung zwischen der Position eines diffundierten Widerstandes und einer erzeugten Spannung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 17A und 17B zeigt;
18 ein Schaltungsdiagramm ist, das das schematische Diagramm des Drucksensors in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 17A und 17C zeigt;
19A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
19B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang einer Linie H-H von 19A zeigt;
19C eine Kennlinie ist, die die Beziehung zwischen der Position eines diffundierten Widerstandes und einer erzeugten Spannung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 19A und 19B zeigt;
20 ein Schaltungsdiagramm ist, das das schematische Diagramm des Drucksensors in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 19A und 19B zeigt;
21A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
21B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang einer Linie I-I von 21A zeigt;
21C eine Kennlinie ist, die die Beziehung zwischen der Position eines diffundierten Widerstandes und einer erzeugten Spannung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 21A und 21B zeigt;
22 ein Schaltungsdiagramm ist, das das schematische Diagramm des Drucksensors in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 21A und 21B zeigt;
23A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
23B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang einer Linie J-J von 23A zeigt;
23C eine Kennlinie ist, die die Beziehung zwischen der Position eines diffundierten Widerstandes und einer erzeugten Spannung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 23A und 23B zeigt;
24A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
24B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang einer Linie K-K von 24A zeigt;
24C eine Kennlinie ist, die die Beziehung zwischen der Position eines diffundierten Widerstandes und einer erzeugten Spannung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 24A und 24B zeigt;
25A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
25B eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt des Drucksensors entlang einer Linie L-L von 25A zeigt;
25C eine Kennlinie ist, die die Beziehung zwischen einem diffundierten Widerstand und einer erzeugten Spannung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 25A und 25B zeigt;
26 eine Draufsicht ist, die eine Anordnung von diffundierten Widerständen Ra, Rb, Ra' und Rb' in Übereinstimmung mit einer modifizierten Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
27A und 27B Draufsichten sind, die eine Anordnung diffundierter Widerstände Ra, Rb und Ra'–Rd' in Übereinstimmung mit einer weiteren modifizierten Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigen;
28A und 28B Draufsichten sind, die eine Anordnung diffundierter Widerstände Ra–Rd und Ra'–Rd' in Übereinstimmung mit einer weiteren modifizierten Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigen;
29 ein Schaltungsdiagramm ist, das die Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer weiteren modifizierten Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
30 ein Schaltungsdiagramm ist, das die Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer weiteren modifizierten Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
31 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine Sensoranomalie-Erfassungsschaltung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
32 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine Sensoranomalie-Erfassungsschaltung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
33 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine Sensoranomalie-Erfassungsschaltung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
34 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine Sensoranomalie-Erfassungsschaltung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
35A bis 35D Schaltungsdiagramme sind, die jeweils eine Pegelverschiebungsschaltung zeigen, die als Puffer wirkt;
36 ein Schaltungsdiagramm ist, das die Anordnung einer Druckerfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
37 ein Schaltungsdiagramm ist, das die Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
38 eine Kennlinie ist, die die Beziehung zwischen einem Sensorausgangssignal und einem Untersuchungs ausgangssignal in Übereinstimmung mit der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
39A eine Draufsicht ist, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
39B eine Querschnittsansicht ist, die den Drucksensor entlang einer Linie M-M von 39A zeigt;
40 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine schematische Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 39A und 39B zeigt;
41 eine Kennlinie ist, die eine Beziehung zwischen einer Größe des Membranabschnitts und seiner Empfindlichkeit zeigt;
42 eine Kennlinie ist, die eine Ausgangssignalcharakteristik einer Brückenschaltung des Drucksensors in Übereinstimmung mit dem Drucksensor in Übereinstimmung mit der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
43 eine Querschnittsansicht ist, die den Membranabschnitt eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer modifizierten Ausführungsform der 39A und 39B zeigt;
44 ein Schaltungsdiagramm ist, das die Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
45 eine Kennlinie ist, die die Beziehung zwischen dem beaufschlagenden Druck P und einer Ausgangsspannung Vsig entsprechend einem Konstantstrom I1 und einem Diagnosestrom I2 in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 44 zeigt;
46 ein Zeitablaufdiagramm bzw. Zeitsteuerungsdiagramm ist, das die zeitliche Steuerung der Erzeugung jeweiliger Selbstdiagnosebefehlssignale S1–S2 in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 44 zeigt;
47 eine Querschnittsansicht ist, die eine schematische Anordnung einer Druckerfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
48 eine Draufsicht der Druckerfassungsvorrichtung, betrachtet von der Richtung eines in 47 gezeigten Pfeils N aus;
49 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine detaillierte Verdrahtungsverbindung einer ersten Brückenschaltung in der Druckerfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 47 zeigt;
50 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine detailierte Verdrahtungsverbindung einer zweiten Brückenschaltung in der Druckerfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 47 zeigt;
51 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine Erfassungsschaltung der Druckerfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 47 zeigt;
52 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine schematische Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
53 eine Kennlinie ist, die eine Änderungscharakteristik der Ausgangssignale der zwei Ausgangsanschlüsse B und C in einer Brückenschaltung des Drucksensors in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 52 zeigt;
54 eine Querschnittsansicht ist, die eine schematische Anordnung eines Drucksensors in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
55A eine Ansicht ist, die ein Layout von Messwiderständen des Drucksensors in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
55B eine Ansicht, die ein weiteres Layout von Messwiderständen des Drucksensors in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
56 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine Verdrahtungsanordnung der Messwiderstände in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
57 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine Verdrahtungsanordnung von Messwiderständen in Übereinstimmung mit einer ersten Modifikation der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
58 ein Schaltungsdiagramm ist, das eine Verdrahtungsanordnung von Messwiderständen in Übereinstimmung mit einer zweiten Modifikation der sechsundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Erste Ausführungsform
Nachfolgend ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1A, 1B und 2 erläutert. Ein Drucksensor der ersten Ausführungsform kann vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, um einen Hydraulikbremsdruck eines Bremssystems und einen Kraftstoffdruck eines Kraftstoffeinspritzsystems zu messen.
Die 1A und 1B zeigen die Schaltungsanordnung des Drucksensors der ersten Ausführungsform. 2 zeigt einen Teilquerschnitt des Drucksensors der ersten Ausführungsform. Wie es in 1A gezeigt ist, umfasst der Drucksensor eine Brückenschaltung 10, die insgesamt vier Messwiderstände (diffundierte Widerstände) RA, RB, RC und RD umfasst, die in einer Brückenanordnung angeordnet sind.
Wie es in 2 gezeigt ist, ist die Brückenschaltung auf einem dünnen Membranabschnitt 2 eines Siliziumsubstrats 1 gebildet. Der Membranabschnitt 2 ist in 1A durch eine gepunktete Linie gezeigt. von den Widerständen, die die Brückenschaltung 10 bilden, sind zwei Widerstände RA und RD in einem mittleren Bereich des Membranabschnitts 2 gebildet, und zwei Widerstände RB und RC sind in einem Umfangsbereich des Membranabschnitts 2 gebildet. Der Membranabschnitt 2 bewirkt eine Spannungsverformung in Antwort auf eine auf den Membranabschnitt 2 ausgeübte Spannung. In Antwort auf diese Verformung verändert sich ein Widerstandswert von jedem der Widerstände RA bis RD in einer durch einen Pfeil in 1A gezeigten Richtung aufgrund eines Piezowiderstandeffekts. Die Widerstandswerte der Widerstände RA und RD nehmen ab, während die Widerstandswerte der Widerstände RB und RC zunehmen.
Ferner umfasst der Drucksensor der ersten Ausführungsform eine Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 11, die zwischen ein Ende und das weitere Ende der Brückenschaltung 10 geschaltet ist. Die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 11 erzeugt eine Referenzspannung auf der Grundlage einer Widerstandsteilung. Die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 11 besteht aus zwei Widerständen RE und RF, die in Reihe geschaltet sind. Die Widerstände RE und RF sind auf einem starren Abschnitt des Siliziumsubstrats 1 angeordnet, das von der Spannungsverformung nicht beeinflusst wird, die in Antwort auf die Ausübung von Druck bewirkt wird. Die Referenzspannung wird durch eine Widerstandsteilung der Widerstände RE und RF erzeugt.
Um eine Strukturierung und Temperatureinflüsse zu vermeiden, ist es wünschenswert, die jeweiligen Widerstände RA bis RF durch im Wesentlichen die gleichen Prozesse herzustellen, so dass sie die gleiche Form und den gleichen Widerstandswert haben.
Eine konstante Spannung Vcc ist zwischen einen Anschluss A des einen Endes der Brückenschaltung 10 (d.h. einen Versorgungsanschluss) und einen Anschluss D des weiteren Endes der Brückenschaltung 10 (d.h. ein Masseanschluss) angelegt. Ein Mittenpunkt B der Widerstände RA und RB und ein Mittenpunkt C der Widerstände RC und RD dienen als Ausgangsanschlüsse zur Ausgabe von Mitten punktspannungen. Eine Spannungsdifferenz V_BC zwischen den Mittenpunkten B und C wird als ein Wert ausgegeben, der ein Maß für den Druck ist, mit dem der Membranabschnitt des Siliziumsubstrats beaufschlagt wird. Den gleichen Effekt gewinnt man durch Zuführen eines konstanten Stroms zwischen die Anschlüsse A und D.
Ferner, um eine Fehlfunktion der Brückenschaltung 10 zu beurteilen, erzeugt die erste Ausführungsform Spannungsdifferenzen V_CE und V_BE. Die Spannungsdifferenz V_CE ist eine Spannungsdifferenz zwischen dem Mittenpunkt E der Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 11 und dem Mittenpunkt C der Brückenschaltung 10, und die Spannungsdifferenz V_BE ist eine Spannungsdifferenz zwischen dem Mittenpunkt E der Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 11 und dem Mittenpunkt B der Brückenschaltung 10.
Wie es in 1B gezeigt ist, werden die Spannungen V_BC, V_CE und V_BE Verstärkungs- (d.h. Kalibrierungs-) Einstellungsschaltungen 20, 21 bzw. 22 zugeführt. Die Verstärkungseinstellungsschaltungen 20, 21 und 22 verstärken die Spannungen V_BC, V_CE und V_BE und erzeugen Ausgangssignale Out(BC), Out(CE) und Out(BE). Die Ausgangssignale Out(BC), Out(CE) und Out(BE) werden einer Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung (d.h. einer Diagnoseschaltung) 30 zugeführt. Die Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung 30, die ein Komparator ist, ist angeordnet, um eine Fehlfunktions- oder Fehlerbeurteilung der Brückenschaltung 10 auszuführen, wie unten beschrieben ist.
Die Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung 30 kann in dem Drucksensor enthalten sein, oder kann separat, in einer externen Vorrichtung wie etwa einer ECU (elektronische Steuerungseinheit) vorgesehen sein. Wenn die Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung 30 in dem Drucksensor enthalten ist, sind die Anschlüsse, die eine Verbindung zu äußeren Vorrichtungen herstellen können, die drei Anschlüsse des Versorgungsanschlusses A, des Masseanschlusses D und des Out(BC). Wenn die Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung 30 in der externen Vorrichtung angeordnet ist, ist es notwendig, die Anzahl der Anschlüsse zu erhöhen, die mit den äußeren Vorrichtungen verbunden werden können, zum Beispiel für den Out(CE) und den Out(BE).
Die Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung 10 wird wie folgt ausgeführt.
Da die Widerstandswerte der jeweiligen Widerstände RA bis RF zueinander gleich sind, sind Mittenpunktspannungen an zwei Mittenpunkten B und C der Brückenschaltung 10 gleich der Mittenpunktspannung des Mittenpunkts E der Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 11, sofern der Membranabschnitt 2 mit keinem Druck beaufschlagt wird. Demzufolge ist, wenn der Spannungspegel beim Anschluss E als ein Referenzpegel betrachtet wird, die Beziehung der Spannungsdifferenzen V_BC, V_CE und V_BE zwischen jeweiligen Anschlüssen B, C und E durch folgende Formel 1-1 definiert. VBC = VCE = VBE = 0 (1-1)
Ferner, wenn der Membranabschnitt 2 des Siliziumsubstrats 1 mit dem Druck beaufschlagt wird, nimmt der Spannungspegel des Anschlusses B zu, und der Spannungspegel des Anschlusses C nimmt ab. Ferner variiert der Spannungspegel des Anschlusses E nicht, da die Widerstände RE und RF auf dem starren Abschnitt des Siliziumsubstrats 1 angeordnet sind und nicht von der Druckbeaufschlagung beeinflusst werden. Die Widerstände RA und RD bewirken die gleichen Widerstandsänderungen. Entsprechend bewirken die Widerstände RB und RC die gleichen Widerstandsänderungen. Der Absolutbetrag der Spannungsänderung beim Anschluss B ist somit gleich dem Absolutwert der Spannungsänderung beim Anschluss C. Daher ist, betrachtet man den Spannungspegel beim Anschluss E als Referenzpegel, die Beziehung der Spannungsdifferenzen V_BC, V_CE und V_BE durch die folgende Formel 1-2 definiert. |VBC| = 2 × |VCE| = 2 × |VBE| (1-2)
Daher wird es möglich, die Fehlfunktion der Brückenschaltung 10 zu beurteilen, indem die Absolutbeträge der Spannungen V_BC, V_CE und V_BE verglichen werden. Und zwar kann, wenn die Formel (1-2) erfüllt ist, geschlussfolgert werden, dass der Betrieb des Drucksensors normal ist. Wenn die Formel 1-2 nicht erfüllt ist, kann geschlussfolgert werden, dass in der Brückenschaltung eine Fehlfunktion aufgetreten ist.
Jedoch sind die Änderungen der Spannung V_BC, V_CE und V_BE zu klein, um direkt zur Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung verwendet zu werden. Daher liefert die erste Ausführungsform die Verstärkungseinstellungsschaltungen 20, 21 und 22 für die jeweiligen Spannungen V_BC, V_CE und V_BE sowie die Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung 30, die die Ausgangssignale Out(BC), Out(CE) und Out(BE) der Verstärkungseinstellungsschaltungen 20, 21 und 22 vergleicht. Somit wird beurteilt, ob die folgende Formel 1-3 erfüllt ist oder nicht. |Out(BC)| = 2 × |Out(CE)| = 2 × |Out(BE)| (1-3)
Die Verwendung der Anordnung der ersten Ausführungsform ermöglicht die Ausführung der Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung 10 sowie die Fehlfunktionsbeurteilung der Verstärkungseinstellungsschaltungen 20, 21 und 22.
Wie es oben beschrieben ist, liefert die erste Ausführungsform in dem Drucksensor, der die Brückenschaltung 10 verwendet, eine Referenzspannung-Erzeugungsschaltung, die nicht von der Beaufschlagung des Membranabschnitts mit Druck beeinflusst wird. Somit kann die erste Ausführungsform sicher eine Sensorfehlfunktion erfassen, wie etwa eine Änderung eines Brückenwiderstandwertes aufgrund eines Bruchs einer Verdrahtung oder eines Kurzschlusses.
Zweite Ausführungsform
Nachfolgend ist eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 3 beschrieben. Der Drucksensor der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Drucksensor der ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Brückenschaltung 10 zusätzlich zu der ersten Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 11 eine zweite Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 12 umfasst. Die in der ersten Ausführungsform offenbarten Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und sind nicht erläutert. Wie in der ersten Ausführungsform sind die Verstärkungseinstellungsschaltungen und die Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung für den Drucksensor der zweiten Ausführungsform bereitgestellt bzw. vorgesehen, obgleich sie in der Zeichnung nicht gezeigt sind.
Ebenso wie die erste Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 11 ist die zweite Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 12 zwischen ein Ende und das weitere Ende der Brückenschaltung 10 geschaltet. Die zweite Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 12 erzeugt eine Referenzspannung auf der Grundlage einer Widerstandsteilung. Die zweite Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 12 besteht aus zwei Widerständen RG und RH, die in Reihe geschaltet sind. Die Widerstände RG und RH sind auf einem starren Abschnitt des Siliziumsubstrats 1 angeordnet und von der Spannungsverformung, bewirkt in Antwort auf die Beauf schlagung mit Druck, nicht beeinflusst. Somit bewirkten die Widerstände RG und RH keine Widerstandsänderung, wenn der Membranabschnitt 2 mit einem Druck beaufschlagt wird.
Um eine Strukturiereung und Temperatureinflüsse zu vermeiden, ist es wünschenswert, die jeweiligen Widerstände RA bis RH durch im Wesentlichen die gleichen Prozesse herzustellen, so dass sie die gleiche Form und den gleichen Widerstandswert besitzen.
Die Fehlfunktionsbeurteilung (d.h. die Diagnose) der Brückenschaltung 10 in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform wird wie folgt ausgeführt.
Wenn der Membranabschnitt 2 des Siliziumsubstrats 1 mit einem Druck beaufschlagt wird, erhöht sich der Spannungspegel des Anschlusses B, und der Spannungspegel des Anschlusses C verringert sich. Ferner, die Spannungspegel der Anschlüsse E und F verändern sich nicht, da die Widerstände RE, RF, RG und RH auf dem starren Abschnitt des Siliziumsubstrats 1, unbeeinflusst von der Druckbeaufschlagung, angeordnet sind. Die Widerstände RA und RD bewirken die gleichen Widerstandsänderungen. Entsprechend bewirken die Widerstände RB und RC die gleichen Widerstandsänderungen. Der Absolutbetrag der Spannungsänderung am Anschluss B ist somit gleich dem Absolutbetrag der Spannungsänderung am Anschluss C. Daher ist, wenn die Spannungspegel bei den Anschlüssen E und F als Referenzpegel betrachtet werden, die Beziehung der Spannungsdifferenzen V_BC, V_CE, V_BE und V_BF durch die folgende Formel 1-4 definiert. |VBC| = 2 × |VCE| = 2 × |VBE| = 2 × |VCF| = 2 × |VBF| (1-4)
Die Spannungsdifferenzen V_BC, V_CE, V_BE und V_BF werden dann in den entsprechenden Verstärkungseinstellungsschaltungen verarbeitet, um die Ausgangssignale Out(BC), Out(CE), Out(BE), Out(CF) bzw. Out(BF) zu erzeugen. Die Beziehung der Ausgangssignale Out(BC), Out(CE), Out(BE), Out(CF) und Out(BF) ist durch die folgende Formel 1-5 definiert. |Out(BC)| = 2 × |Out(CE)| = 2 × |Out(BE)| = 2 × |Out(CF)| = 2 × |Out(BF)| (1-5)
Somit ist das Auftreten einer Fehlfunktion der Brückenschaltung 10 durch Überprüfen, ob die obige Formeln 1-4 oder 1-5 erfüllt sind oder nicht, erfassbar.
Die Anzahl der Gleichungen, die in den Formeln 1-4 und 1-5 involviert sind, ist größer als die Anzahl der Gleichungen, die in den Formeln 1-2 und 1-3 involviert ist. Somit gewährleistet die zweite Ausführungsform die Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung.
Obwohl die zweite Ausführungsform eine erste und eine zweite Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 11 und 12 bereitstellt, ist es vorteilhaft, die Anzahl der Referenzspannung-Erzeugungsschaltungen zu erhöhen.
Ferner ist es nicht immer erforderlich, all die in den Formeln 1-4 und 1-5 involvierten Gleichungen zu verwenden. Zum Beispiel ist es möglich, eine Spannungsdifferenz zwischen den Mittenpunkten B und C mit einer Spannungsdifferenz zwischen dem Mittenpunkt B oder dem Mittenpunkt C und eine der Referenzspannungen der ersten und zweiten Referenzspannung-Erzeugungsschaltung zu vergleichen.
Dritte Ausführungsform
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nachfolgend mit Bezug auf 4 erläutert. Ein Drucksensor der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Drucksensor der ersten Ausführungsform in der Anordnung der Brückenschaltung 10. Die Brückenschaltung 10 der dritten Ausführungsform umfasst nicht die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung. Die in der ersten Ausführungsform offenbarten Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und sind nicht erläutert. Wie die erste Ausführungsform sind die Verstärkungseinstellungsschaltungen und die Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung für den Drucksensor der dritten Ausführungsform vorgesehen, obwohl sie in der Zeichnung nicht gezeigt sind.
Gemäß der dritten Ausführungsform ist jeder der vier Messwiderstände RA, RB, BC und RD in zwei gleiche Widerstände unterteilt. Insbesondere ist der Messwiderstand RA eine Kombination aus zwei getrennten Messwiderständen RA1 und RA2, die in Reihe geschaltet sind. Der Messwiderstand RB ist eine Kombination aus zwei getrennten Messwiderständen RB1 und RB2, die in Reihe geschaltet sind. Der Messwiderstand RC ist eine Kombination aus zwei getrennten Messwiderständen RC1 und RC2, die in Reihe geschaltet sind. Der Messwiderstand RD ist eine Kombination von zwei getrennten Messwiderständen RD1 und RD2, die in Reihe geschaltet sind. Alle der acht Messwiderstände RA1 bis RD2 verändern sich in Antwort auf einen Druck, mit dem die Membran des Siliziumsubstrats beaufschlagt wird, in einer Richtung, die in 4 durch einen Pfeil gezeigt ist.
Eine konstante Spannung VCC wird zwischen zwei Anschlüsse A und D angelegt. Ein Mittenpunkt B der Widerstände RA und RB und ein Mittenpunkt C der Widerstände RC und RD dienen als Ausgangsanschlüsse zur Ausgabe von Mittenpunktspannungen. Eine Spannungsdifferenz V_BC zwischen den Mittenpunkten B und C wird als ein Wert ausgegeben, der ein Maß für den Druck ist, mit dem der Membranabschnitt des Siliziumsubstrats beaufschlagt wird.
Die Brückenschaltung 10 der dritten Ausführungsform erzeugt eine Spannungsdifferenz V_B1C1 zwischen einem Zwischenanschluss B1 der getrennten Widerstände RA1 und RA2 und einem Zwischenanschluss C1 der getrennten Widerstände RC1 und RC2 sowie eine Spannungsdifferenz V_B2C2 zwischen einem Zwischenanschluss B2 der getrennten Widerstände RB1 und RB2 und einem Zwischenanschluss C2 der getrennten Widerstände RD1 und RD2.
Dem Spannungspegel des Zwischenanschlusses B1 der getrennten Widerstände RA1 und RA2 und dem Spannungspegel des Zwischenanschlusses C1 der getrennten Widerstände RC1 und RC2 sollte jetzt Aufmerksamkeit geschenkt werden. Wenn der Membranabschnitt 2 mit einem Druck beaufschlagt wird, nimmt der Spannungspegel des Anschlusses B1 zu, und der Spannungspegel des Anschlusses C1 nimmt ab. In diesem Fall bewirken die Widerstände RA1, RA2, RD1 und RD2 die gleichen Widerstandsänderungen, während die Widerstände RB1, RB2, RC1 und RC2 die gleichen Widerstandsänderungen bewirken.
Somit wird der Absolutbetrag der Spannungsdifferenz V_B1C1 zwischen den Zwischenanschlüssen B1 und C1 folgendermaßen gewonnen. Zuerst wird der Absolutbetrag der Spannungsdifferenz V_BC zwischen den Mittenpunkten B und C durch eine Divisionszahl der Widerstände RA und RC geteilt. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Divisionszahl der Widerstände RA und RC gleich 2. Dann wird der gewonnene Wert mit der Zahl der getrennten Widerstände, die zwischen dem Versorgungsanschluss A und dem jeweiligen Zwischenanschluss B1 und C1 angeordnet sind, multipliziert. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Zahl der zwi schenliegenden getrennten Widerstände 1. Entsprechend wird der Absolutbetrag der Spannungsdifferenz V_B2C2 zwischen den Zwischenanschlüssen B2 und C2 durch Division des Absolutbetrags der Spannungsdifferenz V_BC durch eine Divisionszahl der Widerstände RB und RD und anschließend durch Multiplikation des gewonnenen Wertes mit der Zahl der getrennten Widerstände, die zwischen dem Masseanschluss D und den jeweiligen Zwischenanschlüssen B2 und C2 angeordnet sind, gewonnen.
Daher ist die nachfolgende Formel 1-6 zwischen der Spannungsdifferenz V_BC zwischen den Mittenpunkten B und C, der Spannungsdifferenz V_B1C1 zwischen den Zwischenanschlüssen B1 und C1 und die Spannungsdifferenz V_B2C2 zwischen den Zwischenanschlüssen B2 und C2 erstellt. |VBC| = 2 × |VB1C1| = 2 × |VB2C2| (1-6)
Die Spannungsdifferenzen V_BC, V_B1C1 und V_B2C2 werden dann in den entsprechenden Verstärkungseinstellungsschaltungen verarbeitet, um Ausgangssignale Out(BC), Out(B1C1) bzw. Out(B2C2) zu erzeugen. Die Beziehung der Ausgangssignale Out(BC), Out(B1C1) und Out(B2C2) ist durch nachfolgende Formel 1-7 definiert. |Out(BC)| = 2 × |Out(B1C1)| = 2 × |Out(B2C2)| (1-7)
Somit kann das Auftreten einer Fehlfunktion in der Brückenschaltung 10 durch Überprüfen, ob die obige Formel erfüllt ist oder nicht, erfasst werden. Und zwar führt die dritte Ausführungsform die Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung auf der Grundlage des Vergleichs zwischen der Spannungsdifferenz V_BC und der Spannungsdifferenzen V_B1C1 und V_B2C2 aus, wobei V_BC eine Spannungsdifferenz zwischen den Zwischenanschlüssen B2 und C2 darstellt, V_B1C1 eine Spannungsdifferenz zwischen den Zwi schenanschlüssen B1 und C2 darstellt, die den gleichen Spannungspegel haben, wenn der Membranabschnitt 2 nicht mit Druck beaufschlagt wird, und V_B2C2 eine Spannungsdifferenz zwischen den Zwischenanschlüssen B2 und C2 darstellt, die den gleichen Spannungspegel haben, wenn der Membranabschnitt 2 nicht mit Druck beaufschlagt wird.
Obwohl jede der oben beschriebenen Formeln 1-6 und 1-7 eine Mehrzahl von Gleichungen für die Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung umfasst, ist es nicht immer notwendig, alle diese Gleichungen zu verwenden. Zum Beispiel kann die Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung durch Überprüfen einer Erfüllung von |V_BC| = 2 × |V_B1C1| oder |V_BC| = 2 × |V_B2C2| oder eine Erfüllung von |Out(BC)| = 2 × |Out(B1C1)| oder |Out(BC)| = 2 × |Out(B2C2)| ausgeführt werden. In diesem Fall ist die Fehlfunktionserfassung durch Vergleich von nur zwei Spannungsdifferenzen durchführbar. Die Schaltungsanordnung kann vereinfacht sein.
Obwohl alle vier Widerstände RA bis RD in zwei getrennte Widerstände geteilt sind, erlaubt die dritte Ausführungsform eine Erhöhung der Zahl getrennter Widerstände, die jeden der Widerstände RA bis RD bilden. 5 zeigt eine modifizierte Brückenschaltung 10, wobei jeder der Widerstände RA bis RD in drei getrennte Widerstände geteilt ist. In diesem Fall ist die Beziehung von 12 getrennten Widerständen RA1 bis RD3 durch die folgende Formel 1-8 definiert. |VBC| = 3 × |VB1C1| = 3 × |VB4C4| = 3 × |VB4C4| = 3/2 × |VB2C2| = 3/2 × |VB3C3| (1-8)
Ferner kann die Divisionszahl der Widerstände RA bis RC von der Divisionszahl der Widerstände RB und RD verschieden sein.
Vierte Ausführungsform
Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nachfolgend mit Bezug auf 6 erläutert. Wie eine herkömmliche Brückenschaltung umfasst ein Drucksensor der vierten Ausführungsform eine Brückenschaltung 10 mit insgesamt vier Messwiderständen RA, RB, RC und RD, die in einer Brückenverbindung angeordnet sind. Wie die erste Ausführungsform sind die Verstärkungseinstellungsschaltungen und die Fehlfunktion-Erfassungsschaltung für den Drucksensor der vierten Ausführungsform vorgesehen, obwohl sie nicht in der Zeichnung gezeigt sind.
Die Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform wird auf folgende Weise ausgeführt.
Wenn der Membranabschnitt 2 mit einem Druck beaufschlagt wird, nimmt der Spannungspegel des Mittenpunktes B zu, und der Spannungspegel des Mittenpunktes C nimmt ab. Ferner verändern sich die Spannungspegel der Anschlüsse A und D nicht. Die Widerstände RA und RD bewirken die gleichen Widerstandsänderungen. Entsprechend bewirken die Widerstände RB und RC die gleichen Widerstandsänderungen. Der Absolutbetrag der Spannungsänderung beim Anschluss B ist somit gleich dem Absolutbetrag der Spannungsänderung beim Anschluss C.
Daher ist die Beziehung einer Spannungsdifferenz V_AC zwischen den Anschlüssen A und C, einer Spannungsdifferenz V_BD zwischen den Anschlüssen B und D, einer Spannungsdifferenz V_AB zwischen den Anschlüssen A und B und einer Spannungsdifferenz V_CD zwischen den Anschlüssen C und D durch die folgende Formel 1-9 definiert. |VBC| = |VBD| und |VAB| = |VCD| (1-9)
Daher kann die Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung durch Vergleichen der Absolutbeträge der jeweiligen Spannungsdifferenzen V_AC, V_BC, V_AB und V_CD ausgeführt werden. Und zwar kann geschlussfolgert werden, wenn die Formel 1-9 erfüllt ist, dass der Betrieb des Drucksensors normal ist. Wenn die Formel 1-9 nicht erfüllt ist, kann geschlussfolgert werden, dass in der Brückenschaltung eine Fehlfunktion aufgetreten ist.
Weitere Ausführungsformen
Eine Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist nachfolgend mit Bezug auf die 7 und 8 erläutert. 7 ist eine Draufsicht, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors dieser Ausführungsform zeigt. 8 ist ein Schaltungsdiagramm der schematischen Anordnung des Drucksensors dieser Ausführungsform.
Wie es in den 7A und 7B gezeigt ist, umfasst der Drucksensor dieser Ausführungsform zusätzlich zu den diffundierten Widerständen RA bis RD, die eine Druckerfassung-Brückenschaltung bilden, einen diffundierten Fehlfunktion-Erfassungswiderstand RI. Der diffundierte Widerstand RI ist auf einem vorbestimmten Bereich des Membranabschnitt 2 des Siliziumsubstrats 1 gebildet. Der vorbestimmte Bereich ist gegenüber der Mitte des Membranabschnitts 2 versetzt. Mit anderen Worten, der vorbestimmte Bereich ist eine Stelle, wo das Gleichgewicht einer radialen Spannung und einer Umfangsspannung nicht mehr gegeben ist, wenn die Membran mit einem Druck beaufschlagt wird.
Eine Oxidschicht 3, die als Isolierungsschicht dient, ist auf dem Siliziumsubstrat 1 gebildet. Die Oxidschicht 3 ist mit Kontaktlöchern ausgebildet. Obwohl es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ist eine Strukturiereung einer Aluminiumverdrahtung auf der Oxidschicht 3 gebildet. Eine Schutzschicht (d.h. eine Passivierungsschicht) 4 ist auf der Oxidschicht 3 gebildet, um die Aluminiumverdrahtung zu überdecken.
Eine Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 dieser Ausführungsform ist eine (100)-Oberfläche, wobei <110>-Kristallachsen senkrecht zueinander existieren. Wie es in 7A gezeigt ist, sind die diffundierten Widerstände RA bis RD, die die Druckerfassung-Brückenschaltung bilden, entlang zweier <110>-Kristallachsenrichtungen angeordnet, mit jeweils zwei Widerständen in jeder Richtung.
Wie es in 8 gezeigt ist, ist der diffundierte Fehlfunktion-Erfassungswiderstand RI in Reihe mit einem Referenzwiderstand Rref geschaltet, parallel zu der Druckerfassung-Brückenschaltung 10. Die Druckerfassung-Brückenschaltung 10 gibt eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Mittenpunkten, die in Antwort auf eine Druckbeaufschlagung des Membranabschnitts 2 bewirkt wird, aus. Ein Widerstandswert des diffundierten Fehlfunktion-Erfassungswiderstandes RI nimmt in Antwort auf die Druckbeaufschlagung des Membranabschnitts 2 zu. Somit erzeugt der diffundierte Fehlfunktion-Erfassungswiderstand RI ein zu dem Widerstandswert proportionales Ausgangssignal. Die Ausgangssignale des diffundierten Fehlfunktion-Erfassungswiderstandes RI und der Druckerfassung-Brückenschaltung 10 werden in Verstärkungseinstellungsschaltungen 20 bzw. 21 verstärkt und dann zu der Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung 30 gesendet. Die Fehlfunktion-Beurteilungschaltung 30 ist angeordnet, um eine Fehlfunktionsbeurteilung auszuführen.
Die Fehlfunktionsbeurteilung dieser Ausführungsform wird in folgender Weise ausgeführt. Zuerst werden die Ausgangsspannungscharakteristik der Druckerfassung-Brückenschaltung 10 auf einen Druck, mit dem der Membranabschnitt 2 beaufschlagt wird, sowie die Ausgangswiderstandscharakteristik des diffundierten Fehlfunktion-Erfassungswiderstandes RI auf den Druck, mit dem der Membranabschnitt 2 beaufschlagt wird, im Voraus bei einer Mehrzahl von beliebigen Messpunkten gemessen. Die gemessenen Beziehungen werden in einer Speicherschaltung 31 gespeichert. Mit dieser Anordnung wird es möglich, die Änderungscharakteristik eines Ausgangswertes des diffundierten Fehlfunktion-Erfassungswiderstandes RI zu gewinnen. Das Ausgangssignal der Brückenschaltung 10 und das Ausgangssignal des Widerstandes RI verändern sich proportional zur Änderung einer mechanischen Spannung. Die Ausgangssignaländerungscharakteristik der Brückenschaltung 10 und das Ausgangssignal des Widerstandes RI sind voneinander verschieden. Eine vorbestimmte Beziehung wird zwischen diesen Ausgangssignalen hergestellt. Und war ist, wenn der Betrieb des Drucksensors normal ist, die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal der Brückenschaltung 10 und einem Ausgangssignal des Widerstandes RI bei einem bestimmten Druckpunkt konstant.
Daher wird während des Betriebs des Drucksensors das Ausgangssignal der Brückenschaltung 10 mit dem Ausgangssignal des Widerstandes RI verglichen. Wenn die gemessene Beziehung der Ausgangssignale nicht identisch ist mit der in der Speicherschaltung 31 gespeicherten Beziehung, kann beurteilt werden, dass die Brückenschaltung 10 nicht normal arbeitet.
Ferner, gemäß einem herkömmlichen Drucksensor sind die Messwiderstände RA bis RD, die die Druckerfassung-Brückenschaltung bilden, auf dem Membranabschnitt entlang zweier senkrechter Richtungen angeordnet, mit jeweils zwei Widerständen in jeder Richtung. Der verbleibende Ab schnitt ist ein ungenutzter Bereich. Jedoch ist gemäß dieser Ausführungsform der diffundierte Fehlfunktion-Erfassungswiderstand RI in diesem ungenutzten Bereich des Membranabschnitts vorgesehen. Somit wird es möglich, einen Drucksensor bereitzustellen, der dazu geeignet ist, eine Sensorfehlfunktion mit einem Erfassungsabschnitt zu erfassen, dessen Größe im Wesentlichen identisch mit der des herkömmlichen Drucksensors ist. Somit kann der Drucksensor verkleinert werden.
Obwohl diese Ausführungsform einen diffundierten Widerstand für den diffundierten Fehlfunktion-Erfassungswiderstandes RI verwendet, ist es möglich, einen Dünnschichtwiderstand für den diffundierten Fehlfunktion-Erfassungswiderstandes RI zu verwenden. Obwohl diese Ausführungsform nur einen Widerstand zur Bildung der Fehlfunktion-Erfassungsschaltung verwendet, ist es möglich, eine Mehrzahl von Widerständen für die Fehlfunktion-Erfassungsschaltung zu verwenden. Zum Beispiel wird, wenn die Fehlfunktion-Erfassungsschaltung aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen gebildet ist, eine Mittenpunktspannung für die Fehlfunktionserfassung ausgegeben.
Eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist nachfolgend mit Bezug auf die 9A bis 12 erläutert. 9A ist eine Draufsicht, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors dieser Ausführungsform zeigt. 9B ist eine Querschnittsansicht des Drucksensors entlang einer Linie B-B von 9A.
Wie es in 9A gezeigt ist, sind insgesamt acht diffundierte Widerstände RA–RD und RJ–RM auf dem Membranabschnitt 2 des Siliziumsubstrats 1 gebildet. Die diffundierten Widerstände RA–RD, die jeweils durch ein weißes Rechteck in der Zeichnung gezeigt sind, bilden zusammenwirkend eine Druckerfassung-Brückenschaltung 10. Die verbleibenden diffundierten Widerstände RJ–RM, die jeweils durch ein schraffierte Rechteck in der Zeichnung gezeigt sind, bilden zusammenwirkend eine Fehlfunktion-Brückenschaltung 13. Die Fehlfunktion-Brückenschaltung 13 ist innerhalb der Druckerfassung-Brückenschaltung 10 angeordnet. Eine Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 dieser Ausführungsform ist eine (110)-Oberfläche, wobei eine <100>-Kristallachse und eine <110>-Kristallachse senkrecht zueinander existieren. Die Widerstände RA, RD, RJ und RM sind entlang einer <100>-Kristallachsenrichtung ausgebildet. Die Widerstände RB, RC, RK und RL sind entlang einer <110>-Kristallachsenrichtung ausgebildet.
Ferner umfasst der Drucksensor dieser Ausführungsform, wie es in 9B gezeigt ist, diffundierte Widerstände, die als die p-leitende diffundierte Schicht dienen, die auf einem n-leitenden Siliziumsubstrat gebildet sind. Eine Oxidschicht 3, die als Isolierungsschicht dient, ist auf den diffundierten Widerständen gebildet. Die Oxidschicht 3 ist mit Kontaktlöchern ausgebildet. Obwohl es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ist ein Muster aus einer Aluminiumverdrahtung auf der Oxidschicht 3 gebildet. Eine Schutzschicht 4 ist auf der Oxidschicht 3 gebildet, um die Aluminiumverdrahtung zu bedecken. Jedoch ist es möglich, statt das n-leitende Siliziumsubstrat zu verwenden, ein p-leitendes Siliziumsubstrat mit einer epitaktisch gewachsenen n-leitenden Schicht auf diesem p-leitenden Siliziumsubstrat zu verwenden.
10 ist eine Kennlinie, die die Ausgangscharakteristik der zwei Brückenschaltungen 10 und 13, die auf eine Druckveränderung ansprechen, zeigt. Die Ausgangscharakteristik der zwei Brückenschaltungen 10 und 13 sind von der Anordnung der Widerstände, die auf dem Membranab schnitt 2 angeordnet sind, abhängig. Gemäß dieser Ausführungsform sind die zwei Brückenschaltungen 10 und 13 an unterschiedlichen Positionen auf dem Membranabschnitt 2 angeordnet. Somit zeigen die zwei Brückenschaltungen 10 und 13 zueinander unterschiedliche Ausgangssignaländerungscharakteristiken (d.h. Empfindlichkeiten) in Antwort auf einen Druck, mit dem der Membranabschnitt 2 beaufschlagt wird, wie es in 10 gezeigt ist. Gemäß dieser Ausführungsform hat die Druckerfassung-Brückenschaltung 10 eine im Vergleich zu der Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung 13 höhere Empfindlichkeit. Mit anderen Worten, die Druckerfassung-Brückenschaltung 10 bewirkt eine relativ zu einer Druckveränderung bzw. -Variation große Ausgangssignaländerung.
11 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung des Drucksensors in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform. Wie es in 11 gezeigt ist, empfängt eine Spannungseinstellungsschaltung 40 eine konstante Spannung Vcc, die von einer Konstantspannungsquelle geliefert wird, und wandelt sie in eine vorbestimmte Spannung (z.B. 5 V) um. Die umgewandelte Spannung wird den Brückenschaltungen 10 und 13 zugeführt. Zwei Brückenschaltungen 10 und 13 sind parallel zueinander geschaltet und erzeugen Mittenpunktspannungen VB und VC bzw. Mittenpunktspannungen VF und VG. Eine erste Schalterschaltung 41 schaltet selektiv die Ausgangssignale der zwei Brückenschaltungen 10 und 13 durch. Eine Verstärkungsschaltung 43 verstärkt die selektierten Ausgangssignale, die von der ersten Schalterschaltung 41 erzeugt werden. Eine zweite Schalterschaltung 42 führt eine Schaltoperation zum Speichern der verstärkten Ausgangssignale der Brückenschaltung 10 in einem ersten Datenspeicherungsabschnitt 45 und zum Speichern der verstärkten Ausgangssignale der weiteren Brückenschaltung 13 in einem zweiten Datenspeicherungsabschnitt 46 aus. Eine Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung (d.h. eine Diagnoseschaltung) 30 vergleicht die in dem ersten Datenspeicherungsabschnitt 45 und dem zweiten Datenspeicherungsabschnitt 46 gespeicherten Ausgabedaten. Die Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung 30 führt die Fehlfunktionsbeurteilung auf der Grundlage der Ausgabewerte der zwei Brückenschaltungen 10 und 13 aus. Um eine Verwechslung der Daten zu vermeiden, steuert eine Zeitsteuerungsschaltung 44 die Zeiten der ersten und zweiten Schalterschaltungen 41 und 42.
Die Fehlfunktionserfassung des Drucksensors in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform wird auf folgende Weise ausgeführt. Zuerst werden die Ausgangsspannung-Änderungscharakteristik der Druckerfassung-Brückenschaltung 10 auf einen Druck, mit dem der Membranabschnitt 2 beaufschlagt wird, sowie die Ausgangsspannung-Änderungscharakteristik der Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung 13 auf den Druck, mit dem der Membranabschnitt 2 beaufschlagt wird, im Voraus in einer Speicherschaltung 31 gespeichert. Um diese Ausgangsspannung-Änderungscharakteristik zu erhalten, ist es notwendig, die Ausgangssignalwerte der Brückenschaltung 10 und 13 an wenigstens zwei Druckpunkten zu messen. In Anbetracht der Art der Ausgangsspannungsänderungen der Brückenschaltungen 10 und 13, die nicht-linear sein können, ist es wünschenswert, beliebig Ausgangssignalwerte bei drei oder mehreren Druckpunkten zu gewinnen, um genaue Änderungscharakteristiken zu erhalten.
Die Beziehung zwischen den Ausgangssignalwerten der zwei Brückenschaltungen 10 und 13 ist eine feste Beziehung, wie es in 10 gezeigt ist. Das heißt, wenn der Betrieb des Drucksensors normal ist, sind die Ausgangssignalwerte der zwei Brückenschaltungen 10 und 13 bei einem bestimmten Druckpunkt immer gleich. Demzufolge wird während des Betriebs des Drucksensors das Ausgangssignal der Druckerfassung-Brückenschaltung 10 mit der Ausgangssignal der Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung 13 verglichen. Wenn die gemessene Ausgangssignalbeziehung nicht mit der in der Speicherschaltung 31 gespeicherten Beziehung identisch ist, kann beurteilt werden, dass die Brückenschaltung 10 nicht normal arbeitet.
Gemäß dieser Ausführungsform verschiebt die Fehlfunktion-Beurteilungsschaltung 30, wenn eine Sensorfehlfunktion erfasst wird, ihr Sensorausgangssignal gewaltsam zu einem Diagnosebereich, der von dem normalen Ausgangsspannungsbereich (z.B. 0,5–4,5 V) verschieden ist, und erzeugt ein anomales Signal, das ein Auftreten einer Anomalie anzeigt.
Ferner, gemäß einem herkömmlichen Drucksensor sind die Messwiderstände RA bis RD, die die Druckerfassung-Brückenschaltung bilden, auf dem Membranabschnitt entlang zweier senkrechten Richtungen, mit jeweils zwei Widerständen in jeder Richtung, angeordnet. Der verbleibende Abschnitt ist ein ungenutzter Bereich. Jedoch ist gemäß dieser Ausführungsform die Fehlfunktion-Erfassungsschaltung 13 in diesem ungenutzten Bereich des Membranabschnitts vorgesehen. Somit wird es möglich, einen Drucksensor bereitzustellen, der dazu geeignet ist, eine Sensorfehlfunktion mit einem Erfassungsabschnitt zu erfassen, dessen Größe im Wesentlichen gleich der des herkömmlichen Drucksensors ist. Somit kann der Drucksensor verkleinert werden.
Obwohl die oben beschriebene Ausführungsform ein Siliziumsubstrat mit einer (110)-Oberfläche verwendet, ist es möglich, ein Siliziumsubstrat mit einer (100)-Oberfläche zu verwenden, die in 12 gezeigt ist. Durch die (100)-Oberfläche existieren zwei <110>-Kristallachsen, die zueinander senkrecht sind. Wenn das Siliziumsubstrat eine (110)-Oberfläche besitzt, ist es notwendig, jeweilige Widerstände an gegenseitig unterschiedlichen Positionen in der Spannungsverteilung anzuordnen, wie es in 9A gezeigt ist. Jedoch können, wenn das Siliziumsubstrat eine (100)-Oberfläche besitzt, jeweilige Widerstände ebenso an den gleichen Positionen in der Spannungsverteilung angeordnet werden. Daher wird es möglich, die Temperaturcharakteristiken jeweiliger Widerstände auszugleichen, zum Beispiel hinsichtlich des Grades der Verformung des Siliziumsubstrats aufgrund einer Temperaturänderung sowie hinsichtlich des Grades der Änderung eines aufgrund einer Temperaturänderung erzeugten Spannung.
Eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist nachfolgend mit Bezug auf die 13A und 13B erläutert. Ein Drucksensor dieser Ausführungsform unterscheidet sich der Drucksensor der Ausführungsform der 9A bis 12 dahingehend, dass die Fehlfunktion-Brückenschaltung 14 durch vier Dünnschichtwiderstände gebildet ist. Die Komponenten, die denen ähnlich sind, die in der Ausführungsform der 9A–12 offenbart sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht erläutert.
Wie es in den 13A und 13B gezeigt ist, umfasst der Drucksensor dieser Ausführungsform vier diffundierte Widerstände RA–RD, die auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet sind. Eine Oxidschicht 3, die als eine Isolierungsschicht dient, wird auf den diffundierten Widerständen gebildet. Vier Dünnschichtwiderstände RN–RQ, die zum Beispiel aus einem Polysilizium gebildet sind, sind auf der Oxidschicht 3 gebildet. Die vier diffundierten Widerstände RA–RD bilden eine Druckerfassung-Brückenschaltung 10. Die vier Dünnschichtwiderstände RN–RQ bilden eine Fehlfunktion-Erfassungsschaltung. Die Dünnschichtwiderstände RN–RQ sind weiter entfernt von der Mitte des Mem branabschnitts 2 angeordnet als die diffundierten Widerstände RA–RD.
Der Dünnschichtwiderstand hat einen im Vergleich zu dem diffundierten Widerstand niedrigen Messfaktor. Somit haben die Druckerfassungsschaltung 10 und die Fehlfunktion-Erfassungsschaltung 14 unterschiedliche Ausgangscharakteristiken. Mit anderen Worten, gemäß dieser Ausführungsform erzeugt die Druckerfassungsschaltung 10 ein höheres Ausgangssignal in Antwort auf eine Druckveränderung. Demzufolge kann diese Ausführungsform, ebenso wie die Ausführungsform der 9A–12, einen anomalen Ausgangssignalwert des Drucksensors auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem Ausgangssignal der Druckerfassung-Brückenschaltung und dem Ausgangssignal der Fehlfunktion-Brückenschaltung erfassen.
Obwohl die diffundierten Widerstände und die Dünnschichtwiderstände an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, erlaubt diese Ausführungsform eine Überlappung der diffundierten Widerstände und der Dünnschichtwiderstände in einer Schichtstruktur. Selbst in einer solchen Schichtstruktur haben die Druckerfassungsschaltung und die Fehlfunktion-Erfassungsschaltung aufgrund eines Unterschieds in ihren Messfaktoren unterschiedliche Ausgangscharakteristiken.
Nachfolgend ist eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, mit Bezug auf die 14A und 14B erläutert. Ein Drucksensor dieser Ausführungsform verwendet eine Metallmembran. Wie es in den 14A und 14B gezeigt ist, umfasst der Drucksensor einen Metallschaft 50 mit einem kreisförmigen Membranabschnitt 50a und ein Siliziumsubstrat 51, das mit dem Membranabschnitt 50a verbunden ist. Der Drucksensor dieser Ausführungsform erfasst einen Druck auf der Grund lage einer Verformung der Membran 50a und eines Siliziumsubstrats 51.
Der Metallschaft 50 ist als hohle, zylindrische Form ausgebildet und aus einem Metall mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (wie etwa Kovar etc., mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem von Silizium) hergestellt. Der Metallschaft 50 nimmt ein unter Druck gesetztes Medium auf, das von einem Ende eingeführt wird, wie es durch einen Pfeil gezeigt ist. Somit wird der an dem weiteren Ende des Schafts 50 ausgebildete Membranabschnitt 50a mit einem Druck des mit Druck beaufschlagten Mediums beaufschlagt.
Das Siliziumsubstrat 51 ist auf dem Membranabschnitt 50a über eine Glasschicht 52 befestigt. Die Glasschicht 52 ist aus einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet. Das Siliziumsubstrat 51 hat eine (100)-Oberfläche. Vier diffundierte Widerstände RA–RD, die eine Druckerfassung-Brückenschaltung bilden, und vier Dünnschichtwiderstände RN–RQ, die eine Fehlfunktion-Brückenschaltung bilden, sind auf dem Siliziumsubstrat 51 gebildet. Die diffundierten Widerstände RA–RD sind winkelmäßig um einen Winkel θ gegenüber den Dünnschichtwiderständen RN–RQ versetzt.
Demzufolge kann der Drucksensor dieser Ausführungsform, ebenso wie die oben beschriebenen Ausführungsformen, eine Sensorfehlfunktion auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen den Ausgangssignalen von zwei Brückenschaltungen, deren Ausgangsänderungscharakteristiken verschieden sind, erfassen.
Eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist nachfolgend mit Bezug auf die 15A und 15B erläutert. 15A ist eine Drauf sicht, die einen Membranabschnitt eines Drucksensors dieser Ausführungsform zeigt. 15B ist eine Querschnittsansicht des Drucksensors entlang einer Linie E-E von 15A. Der Drucksensor dieser Ausführungsform unterscheidet sich von den Drucksensoren der oben beschriebenen Ausführungsform dahingehend, dass die Fehlfunktion-Erfassungsschaltung aus einem kapazitiven Sensor gebildet ist. Die Komponenten, die ähnlich sind, wie jene, die in den oben beschriebenen Ausführungsformen offenbart sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und sind nicht erläutert.
Wie es in 15A gezeigt ist, umfasst der Drucksensor dieser Ausführungsform einen kapazitiven Sensor 53, der zusätzlich zu den vier diffundierten Widerständen RA–RD, die eine Druckerfassungsschaltung 10 bilden, als Druckerfassungsschaltung dient. Der kapazitive Sensor 53 ist in einem mittleren Bereich eines Membranabschnitts 2 des Siliziumsubstrats 1 angeordnet. Die elektrische Verbindung des kapazitiven Sensors 53 ist parallel zur Druckerfassungsschaltung 10.
Der kapazitive Sensor 53 misst einen Druck auf der Grundlage einer Änderung einer elektrostatischen Kapazität zwischen zwei Elektroden. Wie es in 15B gezeigt ist, ist ein Membranabschnitt 2 auf einem Siliziumsubstrat 1 gebildet. Eine Dünnschichtelektrode 53a, die aus Polysilizium gebildet ist, ist gegenüber dem Membranabschnitt 2 angeordnet. Ein Kondensator ist zwischen der Dünnschichtelektrode 53a und dem Membranabschnitt 2 gebildet. Wenn der Membranabschnitt 2 mit einem Druck beaufschlagt wird, nimmt der Abstand zwischen der Dünnschichtelektrode 53a und dem Membranabschnitt 2 ab. Mit anderen Worten, die Kapazität zwischen der Dünnschichtelektrode 53a und dem Membranabschnitt 2 nimmt zu. Der ka pazitive Sensor 53 erzeugt ein elektrisches Signal in Antwort auf einen erfassten Kapazitätswert.
Allgemein kann der kapazitive Sensor 53 ein im Vergleich zu der Brückenschaltung 10, die von den diffundierten Widerständen gebildet ist, großes Ausgangssignal erzeugen. Somit haben der kapazitive Sensor 53 und die Druckerfassungsschaltung 10 unterschiedliche Ausgangscharakteristiken.
Demzufolge kann diese Ausführungsform, ebenso wie die oben beschriebenen Ausführungsformen, eine Sensorfehlfunktion auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem Ausgangssignal der Druckerfassungsschaltung 10 und dem Ausgangssignal der kapazitiven Sensors 53 erfassen.
Eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist mit Bezug auf die 16A, 16B und die 17A, 17B und 17C erläutert. 16A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Drucksensor dieser Ausführungsform zeigt. 16B ist eine Querschnittsansicht des Drucksensors entlang einer Linie F-F von 16A. Die 17A bis 17C zeigen die Beziehung zwischen der Position der diffundierten Widerstände und einer durch den Druck erzeugten mechanischen Spannung. 17A ist eine Vorderansicht, die den Drucksensor dieser Ausführungsform zeigt. 17B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie G-G von 17A. 17C ist eine Ansicht, die eine x-Komponente σxx einer erzeugten Spannung auf einer x-Achse der Membranoberfläche zeigt, wenn der Membranabschnitt mit einem Druck beaufschlagt wird.
Der Drucksensor dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Drucksensor der Ausführungsform der 9A bis 12 dahingehend, dass eine Referenzdruckkammer 60a durch Aufkleben eines Sensorchips 60 auf einem Sockel 61 gebildet ist. Die Druckerfassung-Brückenschaltung ist eine Halbbrückenschaltung, die aus zwei diffundierten Widerständen Ra und Rb besteht. Entsprechend ist die Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung eine Halbbrückenschaltung, die aus zwei diffundierten Widerständen Ra' und Rb' besteht.
Die diffundierten Widerstände Ra, Rb und Ra', Rb' sind auf einer Oberflächenschicht des Sensorchips 60 gebildet, der aus einem Siliziumsubstrat mit einer (110)-Oberfläche gebildet ist. Die beiden diffundierten Widerstände Ra und Rb sind in der Umgebung eines Mittenpunktes zwischen einem Umfangsende und der Mitte des Membranabschnitts angeordnet. Insbesondere, wie es in 17C gezeigt ist, ist der diffundierte Widerstand Ra in der Umgebung eines bestimmten Punktes angeordnet, wo eine positive Änderung des Widerstandes minimal ist, d.h. eines bestimmten Punktes, wo die Zugspannung minimal ist. Der diffundierte Widerstand Rb ist in der Umgebung eines bestimmten Punktes angeordnet, wo eine negative Änderung des Widerstandes minimal ist, d.h. eines bestimmten Punktes, wo die Druckspannung minimal ist. Ferner ist der diffundierte Widerstand Ra' in der Nähe des Umfangsrandes des Membranabschnitts 2 angeordnet, und der diffundierte Widerstand Rb' ist in der Mitte des Membranabschnitts 2 angeordnet. Insbesondere, wie es in 17C gezeigt ist, ist der diffundierte Widerstand Ra' in der Umgebung eines bestimmten Punktes angeordnet, wo eine positive Änderung des Widerstandes maximal ist, d.h. ein bestimmter Punkt, wo die Zugspannung maximal ist. Der diffundierte Widerstand Rb ist in der Umgebung eines bestimmten Punktes angeordnet, wo eine negative Änderung des Widerstandes maximal ist, d.h. eines bestimmten Punktes, wo die Druckspannung maximal ist.
Gemäß der Anordnung dieser Ausführungsform bewirken die diffundierten Widerstände Ra und Rb kleine Widerstandsänderungen in Antwort auf einen Druck, mit dem der Membranabschnitt beaufschlagt wird. Somit hat die Druckerfassung-Brückenschaltung eine geringer Empfindlichkeit. Andererseits bewirken die diffundierten Widerstände Ra' und Rb' große Widerstandsänderungen in Antwort auf einen Druck, mit dem der Membranabschnitt beaufschlagt wird. Somit hat die Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung eine hohe Empfindlichkeit.
Auf diese Weise liefert diese Ausführungsform eine hoch-empfindliche Brückenschaltung, die unabhängig von der Druckerfassungsbrücke ist, um eine Sensorfehlfunktion zu erfassen, die von einer defekten Luftdichtheit der Referenzdruckkammer 60a herrührt, wenn der Sensorchip 60 von dem Sockel 61 abgezogen wird. Demzufolge kann die Brückenschaltung geringer Empfindlichkeit verwendet werden, um ein Ausgangssignal in Übereinstimmung mit einer Produktspezifikation zu erzeugen, während die Brückenschaltung hoher Empfindlichkeit zur Fehlfunktionserfassung verwendet werden kann.
18 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung des Drucksensors dieser Ausführungsform. Der Drucksensor umfasst eine Druckerfassung-Brückenschaltung, die aus zwei diffundierten Widerständen Ra und Rb und Dummy-Widerständen 62 und 63 besteht. Ferner umfasst der Drucksensor eine Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung, die aus zwei diffundierten Widerständen Ra' und Rb' und Dummy-Widerständen 64 und 65 besteht. Die Dummy-Widerstände 62, 63, 64 und 65 sind an Positionen angeordnet, die von dem Membranabschnitt verschieden sind.
Eine Spannungsdifferenz von Mittenpunkten der Druckerfassung-Brückenschaltung wird von einer Verstärkungs schaltung 66 mit Temperaturkompensationsvermögen verstärkt. Ein Ausgangssignal der Verstärkungsschaltung 66 wird als ein Sensorausgangssignal über eine Ausgangsschaltung 67 ausgegeben. Eine Spannungsdifferenz von Mittenpunkten der Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung wird von einer Verstärkungsschaltung 68, die zur Temperaturkompensation geeignet ist, verstärkt. Eine Vergleichsschaltung 69 vergleicht ein Ausgangssignal der Verstärkungsschaltung 68 mit einer Referenzspannung Vref. Ein Vergleichsergebnis der Vergleichsschaltung 69 wird der Ausgangsschaltung 67 zugeführt. Wenn das Ausgangssignal der Fehlfunktion-Erfassungsschaltung anomal ist, sendet die Vergleichsschaltung 69 ein Fehlfunktionssignal an die Ausgangsschaltung 67. In Antwort auf das Fehlfunktionssignal verschiebt die Ausgangsschaltung 67 ihr Ausgangssignal gewaltsam zu einem Diagnosebereich, der von einem gewöhnlichen Ausgangsspannungsbereich verschieden ist, und erzeugt ein anomales Signal, das ein Auftreten einer Anomalie anzeigt.
Wie es oben beschrieben ist, umfasst diese Ausführungsform zwei Brückenschaltungen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten. Die Brückenschaltung geringer Empfindlichkeit wird für die Druckerfassung verwendet. Die Brückenschaltung hoher Empfindlichkeit wird für die Fehlfunktionserfassung verwendet. Somit kann diese Ausführungsform sicher eine Sensorfehlfunktion aufgrund einer defekten Luftdichtheit der Referenzdruckkammer 60a erfassen.
Eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist nachfolgend mit Bezug auf die 19A, 19B, 19C und 20 erläutert. 19A ist eine Vorderansicht, die einen Drucksensor dieser Ausführungsform zeigt. 19B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie H-H der 19A. 19C ist eine Ansicht, die eine x-Komponente σxx einer erzeugten Span nung auf einer x-Achse der Membranoberfläche zeigt, wenn der Membranabschnitt mit einem Druck beaufschlagt wird. 20 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung des Drucksensors dieser Ausführungsform.
Der Drucksensor dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Drucksensor der Ausführungsform der 16A–17C dahingehend, dass die Fehlfunktion-Erfassungsschaltung aus einer Vollbrückenschaltung gebildet ist, die aus vier diffundierten Widerständen Ra'–Rd' gebildet ist.
In diesem Fall sind die diffundierten Widerstände Rb' und Rc' in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung gebildet, um so einander entsprechende Widerstandsänderungen (d.h. Druckspannungen) zu erhalten. Die diffundierten Widerstände Ra' und Rd' sind in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung gebildet, um so einander entsprechende Widerstandsänderungen (d.h. Druckspannungen) zu erhalten.
Auf diese Weise umfasst diese Ausführungsform die Vollbrückenschaltung, die aus vier diffundierten Widerständen Ra'–Rd' besteht, um eine Fehlfunktion zu erfassen. Somit wird es möglich, die Empfindlichkeit der Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung zu verbessern.
Eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist nachfolgend mit Bezug auf die 21A, 21B, 21C und 22 erläutert. 21A ist eine Vorderansicht, die einen Drucksensor dieser Ausführungsform zeigt. 21B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie I-I von 21A. 21C ist eine Ansicht, die eine x-Komponente σxx einer erzeugten Spannung auf einer x-Achse der Membranoberfläche zeigt, wenn der Membranabschnitt mit einem Druck beaufschlagt wird. 22 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung des Drucksensors dieser Ausführungsform.
Der Drucksensor dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Drucksensor der Ausführungsform der 19A–20 dahingehend, dass die Druckerfassungsschaltung aus einer Vollbrückenschaltung gebildet ist, die aus vier diffundierten Widerständen Ra–Rd besteht.
In diesem Fall sind die diffundierten Widerstände Rb und Rc in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung gebildet, um so einander entsprechende Widerstandsänderungen (d.h. Druckspannungen) zu erhalten. Die diffundierten Widerstände Ra und Rd sind in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung zueinander gebildet, um so einander entsprechende Widerstandsänderungen (d.h. Zugspannungen) zu erhalten.
Auf diese Weise umfasst diese Ausführungsform die Vollbrückenschaltung, die aus vier diffundierten Widerstände Ra–Rd besteht, um einen Druck zu erfassen. Somit wird es möglich, die Empfindlichkeit der Druckerfassung-Brückenschaltung zu verbessern.
Eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist nachfolgend mit Bezug auf die 23A, 23B und 23C erläutert. 23A ist eine Vorderansicht, die einen Drucksensor dieser Ausführungsform zeigt. 23B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie J-J von 23A. 23C ist eine Ansicht, die eine x-Komponente σxx und eine y-Komponente σyy einer erzeugten Spannung auf einer x-Achse der Membranoberfläche zeigt, wenn der Membranabschnitt mit einem Druck beaufschlagt wird.
Der Drucksensor dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Drucksensor der Ausführungsform der 16A–17C dahingehend, dass die diffundierten Widerstände Ra, Ra' und die diffundierten Widerstände Rb, Rb' auf einer Oberflächenschicht eines Sensorchips 70 ausgebildet sind, der aus einem Siliziumsubstrat mit einer (100)-Oberfläche gebildet ist, und den Längsrichtungen der diffundierten Widerstände Ra, Ra', die von jenen der diffundierten Widerstände Rb, Rb' verschieden sind. Die Längsrichtung ist eine Stromfließrichtung.
Von dem Piezowiderstandseffekt auf der Si(100)-Oberfläche ist bekannt, dass ein Widerstandsänderungsbetrag ΔR proportional zu einer Spannungsdifferenz (σxx – σyy) ist. Wenn ΔR einen Widerstandsänderungsbetrag der diffundierten Widerstände Ra, Ra', die sich in der x-Richtung erstrecken, repräsentiert, ist ein Widerstandsänderungsbetrag der weiteren diffundierten Widerstände Rb, Rb', die sich in y-Richtung erstrecken, durch –ΔR ausgedrückt. Somit zeigen die diffundierten Widerstände Ra, Ra' und die diffundierten Widerstände Rb, Rb' eine voneinander verschiedene Änderungscharakteristik, selbst wenn der gleiche Druck auf sie wirkt.
Daher sind der diffundierte Widerstand Ra, der sich in der x-Richtung erstreckt, und der diffundierte Widerstand Rb, der sich in der y-Richtung erstreckt, bei einem Abschnitt angeordnet, wo die Differenz σxx – σyy minimal ist. Andererseits sind der diffundierte Widerstand Ra', der sich in der x-Richtung erstreckt, und der diffundierte Widerstand Rb', der sich in y-Richtung erstreckt, an einem Abschnitt angeordnet, wo die Differenz σxx – σyy maximal ist.
Mit dieser Anordnung stellt diese Ausführungsform eine Druckerfassung-Brückenschaltung geringer Empfindlich keit bereit, die aus den diffundierten Widerstände Ra und Rb gebildet ist, und eine Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung hoher Empfindlichkeit, die aus den diffundierten Widerstände Ra' und Rb' gebildet ist. Demzufolge wird es möglich, die gleichen Effekte zu erzielen wie jene der Ausführungsform der 16A–17C.
Eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist nachfolgend mit Bezug auf die 24A, 24B und 24C erläutert. 24A ist eine Vorderansicht, die einen Drucksensor dieser Ausführungsform zeigt. 24B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie K-K von 24A. 24C ist eine Ansicht, die eine x-Komponente σxx und eine y-Komponente σyy einer erzeugten mechanischen Spannung auf einer x-Achse der Membranoberfläche zeigt, wenn der Membranabschnitt mit einem Druck beaufschlagt wird.
Der Drucksensor dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Drucksensor der Ausführungsform der 23A–23C dahingehend, dass die Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung eine Vollbrückenschaltung ist, die aus vier diffundierten Widerstände Ra'–Rd' besteht.
Ein diffundierter Widerstand Rc' erstreckt sich in der y-Richtung und ist an einem Abschnitt angeordnet, wo eine Widerstandsänderung (d.h. eine Druckspannung), die dem diffundierten Widerstand Rb' entspricht, gewonnen wird. Ein diffundierter Widerstand Rd' erstreckt sich in der x-Richtung und ist an einem Abschnitt angeordnet, wo eine Widerstandsänderung (d.h. eine Zugspannung), die dem diffundierten Widerstand Ra' entspricht, gewonnen wird.
Auf diese Weise bildet diese Ausführungsform eine Fehlfunktionserfassung-Brückenschaltung hoher Empfind lichkeit aus einer Vollbrückenschaltung, die aus vier diffundierten Widerständen Ra'–Rd' besteht.
Eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist nachfolgend mit Bezug auf die 25A, 25B und 25C gebildet. 25A ist eine Vorderansicht, die einen Drucksensor dieser Ausführungsform zeigt. 25B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie L-L von 25A. 25C ist eine Ansicht, die eine x-Komponente σxx und eine y-Komponente σyy einer erzeugten mechanischen Spannung auf der x-Achse der Membranoberfläche zeigt, wenn der Membranabschnitt mit einem Druck beaufschlagt wird.
Der Drucksensor dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Drucksensor der Ausführungsform der 24A–24C dahingehend, dass die Druckerfassung-Brückenschaltung eine Vollbrückenschaltung ist, die aus vier diffundierten Widerständen Ra–Rd besteht.
Ein diffundierter Widerstand Rc erstreckt sich in der y-Richtung und ist an einem Abschnitt angeordnet, wo eine Widerstandsänderung (d.h. eine Druckspannung), die dem diffundierten Widerstand Rb entspricht, gewonnen wird. Ein diffundierter Widerstand Rd erstreckt sich in der x-Richtung und ist an einem Abschnitt angeordnet, wo eine Widerstandsänderung (d.h. eine Zugspannung), die dem diffundierten Widerstand Ra entspricht, gewonnen wird.
Auf diese Weise bildet diese Ausführungsform eine Druckerfassung-Brückenschaltung hoher Empfindlichkeit durch eine Vollbrückenschaltung, die aus vier diffundierten Widerständen besteht.
Verschiedene Modifikationen
Jede der oben beschriebenen Ausführungsformen bildet die Brückenschaltung durch die Widerstände mit dem gleichen Widerstandswert. Jedoch ist es angesichts der Herstellungsfehler möglich, einen Einstellwiderstand (d.h. einen veränderlichen Widerstand) in der Nähe jedes Widerstands vorzusehen, um eine Trimmeinstellung auszuführen, um die Widerstandswerte jeweiliger Widerstände abzugleichen, die die Brückenschaltung bilden.
Ferner, in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen wird eine Fehlfunktion der Brückenschaltung beurteilt, indem überprüft wird, ob die verglichenen Ausgangssignalwerte übereinstimmen oder nicht. Jedoch ist es angesichts des Herstellungsfehlers des Drucksensors oder der Sensorgenauigkeit möglich, einen bestimmten Spielraum bei der Beurteilung vorzusehen. Zum Beispiel kann die Gleichung |V_BC| = 2 × |V_BC| in der Formel 1-2 folgendermaßen neu definiert werden. |VBC| = 2 × |VCE| ± ε(wobei ε ein erlaubter Fehler ist).
Gemäß der ersten bis vierten Ausführungsform der Erfindung wird die Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung auf der Grundlage eines Vergleichs jeweiliger Spannungsdifferenzen zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeführt. Jedoch ist es möglich, die Änderungen der Spannungsdifferenzen während einer vorbestimmten Zeit zu vergleichen.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen der 7–15B kann die Fehlfunktion-Erfassungsschaltung an einer beliebigen Position auf dem Membranabschnitt angeordnet sein, unabhängig von der Anordnung jeder Ausführungsform, solange die Ausgangssignalcharakteristik der Fehl funktion-Erfassungsschaltung von der der Druckerfassungsschaltung verschieden ist.
Ferner wird in der dritten Ausführungsform der Erfindung die Fehlfunktionserfassung durch Verwenden von Spannungspegeln von Divsionspunkten von gleichmäßig geteilten Widerständen ausgeführt. Jedoch kann es möglich sein, ungleichmäßig geteilte Widerstände zu verwenden. In dieser Hinsicht kann die Fehlfunktionserfassung ausgeführt werden, indem eine ungleichmäßige Anordnung verwendet wird, wo die Widerstände, die auf zwei Seiten der Brückenschaltung angeordnet sind, an äquivalenten Punkten mit den gleichen Spannungspegeln geteilt werden, wenn kein Druck beaufschlagt wird.
Ferner sind gemäß der Ausführungsform der 23A–23C alle diffundierten Widerstände Ra, Rb und Ra', Rb' in der x-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt. Jedoch ist es möglich, wie es in 26 gezeigt ist, die diffundierten Widerstände Ra', Rb' so anzuordnen, dass sie in der y-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt angeordnet sind, während die diffundierten Widerstände Ra, Rb in der x-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt angeordnet sind.
Entsprechend kann, wie es in 27A gezeigt ist, die Ausführungsform der 24A–24C modifiziert werden, um die diffundierten Widerstände Ra'–Rd' bereitzustellen, die in der y-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt sind, und die diffundierten Widerstände Ra, Rb bereitzustellen, die in der x-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt sind. Alternativ kann diese Ausführungsform modifiziert werden, um die diffundierten Widerstände Rc', Rd' bereitzustellen, die in der y-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt sind, und die diffundierten Widerstände Ra, Rb und Ra', Rb' bereitzustellen, die in der x-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt sind.
Entsprechend kann, wie es in 28A gezeigt ist, die Ausführungsform der 25A–25C modifiziert werden, um die diffundierten Widerstände Ra'–Rd' bereitzustellen, die in der y-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt sind, und die diffundierten Widerstände Ra–Rd bereitzustellen, die in der x-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt sind. Alternativ kann diese Ausführungsform modifiziert: werden, um die diffundierten Widerstände Rc, Rd und Rc', Rd' bereitzustellen, die in der y-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt sind, und die diffundierten Widerstände Ra, Rb und Ra', Rb' bereitzustellen, die in der x-Richtung von der Mitte des Membranabschnitts versetzt sind.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der 16A–25C basieren auf dem Drucksensor, der einem extrem hohen Druck (z.B. 50 atm. oder darüber) ausgesetzt ist. Somit wird eine Fehlfunktion-Erfassungsschaltung hoher Empfindlichkeit getrennt bereitgestellt. Jedoch kann es sein, dass, wenn der Drucksensor in einer Umgebung mit relativ niedrigem Druck (z.B. 1–10 atm.) verwendet wird, es nicht erforderlich ist, die Empfindlichkeit der Fehlfunktion-Erfassungsschaltung zu erhöhen, wie es unten erläutert ist.
In 16 wird unter der Voraussetzung, dass in der Referenzdruckkammer 60a ein Vakuum herrscht, der Membranabschnitt leicht in Richtung der Referenzdruckkammer in eine Atmosphäre gebogen. Wenn der Membranabschnitt mit einem Druck aufschlagt wird, verformt sich der Membranabschnitt weiter in Richtung der Referenzdruckkammer. Im Gegensatz dazu verringert sich die Verformung des Membranabschnitts bei einem negativen Druck, der niedriger als der Atmosphärendruck ist. Die Verformung des Membranabschnitts wird vollständig beseitigt, wenn der Absolutdruck 0 wird. Unter der Voraussetzung, dass der Drucksensor nur positiven Drücken ausgesetzt ist, ist ein Signal, das einen negativen Druck anzeigt, anomal. Wenn die Luftdichtheit der Referenzdruckkammer defekt ist, kann der Außendruck des Membranabschnitts identisch mit dem Innendruck des Membranabschnitts werden. In diesem Fall ist die Verformung des Membranabschnitts beseitigt. Mit anderen Worten, die Bedingung bzw. der Zustand mit Absolutdruck = 0 ist hergestellt.
Daher kann eine in 29 gezeigte Schaltungsanordnung zur Erfassung eines Ausgangssignals eines Drucks verwendet werden, der nahezu gleich 0 oder ein negativer Druck ist. Ein Fehlfunktionsmodus zur Erfassung einer defekten Luftdichtheit der Referenzdruckkammer 60a kann verwirklicht werden.
Ferner kann statt die in 29 gezeigte Schaltungsanordnung zu verwenden, eine in 30 gezeigte Schaltungsanordnung verwendet werden, wenn es erforderlich ist, dass der Drucksensor in einem höheren Druckbereich (z.B. 10–50 atm.) dauerhaft haltbar ist. Die in 30 gezeigte Schaltungsanordnung umfasst zwei Reihen von Verstärkern 66 und 66'. Die Empfindlichkeit der Fehlfunktion-Erfassungsschaltung kann verbessert werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der 16A–25C basieren auf den Drucksensoren mit einem Membranabschnitt, der durch einen dünnen Abschnitt eines Halbleitersubstrats gebildet ist, wobei Messwiderstände auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet sind. Jedoch kann die Erfassung einer defekten Luftdichtheit in ähnlicher Weise auf weitere Drucksensoren mit einer Referenzdruckkammer angewendet werden.
Im Folgenden ist die detaillierte und praktische Anordnung der oben beschriebenen ersten Ausführungsform erläutert.
Zum Beispiel weist eine herkömmliche Sensorfehlfunktion-Erfassungsvorrichtung, die in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 8-247881 offenbart ist, die folgenden Probleme auf.
➀ Zunächst, da eine Summe (V1 + V2 – 2·V3) gewonnen wird, indem aufeinanderfolgend die Kontaktpunkte von zwei Schaltern SW1 und SW2 geschaltet werden, ist es schwierig, eine korrekte Anomalie-Erfasssung auf der Grundlage der Ausgangsspannungen V1 und V2, die zur gleichen Zeit gewonnen werden, auszuführen. Zum Beispiel kann während einer Zeitspanne zur Verbindung der Kontaktposition der Schalter SW1 und SW2 mit einer b-Position und dann mit einer c-Position ein Druck, mit dem der Drucksensor beaufschlagt wird, variieren, so dass sich die Ausgangsspannungen V1 und V2 entsprechend ändern können. Jedoch kann eine solche normale Änderung fälschlicherweise als eine Sensoranomalie beurteilt werden.
➁ Ferner, ein aufeinanderfolgendes Schalten der Kontaktpunke von zwei Schaltern SW1 und SW2, um die Summe (V1 + V2 – 2·V3) zu erhalten, braucht eine beträchtliche Zeit. Dies wird eine Verzögerung bei der Erfassung einer Sensoranomalie, hervorgerufen in dem Drucksensor, bewirken.
➂ Ferner erfordert die oben beschriebene Anomalie-Erfasssungsvorrichtung eine Informationsverarbeitungsvorrichtung, die eine MPU, welche Berechnungen ausführt, die zur Anomalie-Erfasssung erforderlich sind, und die Schalter SW1 und SW2 steuert, umfasst. Das Ausbilden der Sen soreinheit auf diese Weise, so dass sie dazu geeignet ist, eine Anomalie zu erfassen, ist dahingehend nachteilig, dass der Maßstab der Sensoreinheit vergrößert ist und die Kosten der Sensoreinheit erhöht sind.
Um die obigen und weitere verwandten Ziele zu erreichen, wie sie mit Bezug auf eine in 31 gezeigte Schaltungsanordnung verstanden werden können, stellt eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, eine Sensoranomalie-Erfassungsschaltung für einen Sensor 110 mit einem ersten Ausgangsanschluss J1, der eine erste Ausgangsspannung V1 erzeugt, und einem zweiten Ausgangsanschluss J2, der eine zweite Ausgangsspannung V2 erzeugt, bereit. Die erste Ausgangsspannung und die zweite Ausgangsspannung verändern sich in zueinander entgegengesetzten positiven und negativen Richtungen in Antwort auf eine erfasste physikalische Größe um den gleichen Spannungsbetrag bezüglich einer vorbestimmten Gleichgewichtsspannung V0. Die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung umfasst eine Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 111 zur Erzeugung einer Referenzspannung VE, die im Wesentlichen mit der Gleichgewichtsspannung V0 identisch ist. Ein Operationsverstärker 112 hat einen Eingangsanschluss, der die Referenzspannung VE, erzeugt von der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 111, empfängt. Ein erster Widerstand 113 hat ein Ende, das die erste Ausgangsspannung V1 des Sensors 110 empfängt, und das weitere Ende, das mit dem weiteren Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 112 verbunden ist. Ein zweiter Widerstand 114 hat ein Ende, das die zweite Ausgangsspannung V2 des Sensors 110 empfängt, und das weitere Ende, das mit dem weiteren Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 112 verbunden ist. Der zweite Widerstand 114 hat dem gleichen Widerstandswert wie der erste Widerstand 113. Ein dritter Widerstand 115 ist zwischen einen Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 112 und den wei teren Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 112 geschaltet. Und eine Beurteilungsschaltung 116 zur Erzeugung eines anomalen Signals, das das Auftreten einer Sensoranomalie zeigt, wenn eine Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers außerhalb eines vorbestimmten normalen Spannungsbereichs liegt.
Gemäß der in 31 gezeigten Schaltungsanordnung ist ein Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 112 ein nicht-invertierender Eingangsanschluss (+), und der weitere Eingangsanschluss der Operationsverstärkers 112 ist ein invertierender Eingangsanschluss (–). Obwohl die Schaltungsanordnung von 31 den Drucksensor 110 verwendet, kann die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung auf weitere Sensoren angewendet werden.
Wenn in der oben beschriebenen Sensoranomalie-Erfassungsschaltung der erste Widerstand 113 und der zweite Widerstand 114 einen Widerstandswert R besitzen und der dritte Widerstand 115 einen Widerstandswert X·R besitzt. Die Ausgangsspannung V_OUT Operationsverstärkers 112 ist durch die oben beschriebenen Formeln 2-1 oder 2-2 definiert.
Wenn der Betrieb des Sensors 110 normal ist, ändern sich die Ausgangsspannung V1 und die Ausgangsspannung V2 um den gleichen Betrag in zueinander entgegengesetzten positiven und negativen Richtungen bezüglich der Referenzspannung VE. Somit wird, wenn der Betrieb des Sensors 110 normal ist, die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 im Wesentlichen gleich VE, wie aus den Formeln 2-1 und 2-2 hervorgeht.
Wenn der Betrieb des Sensors 110 anomal ist, ist das Gleichgewicht der Ausgangsspannungen V1 und V2 nicht mehr gegeben. Insbesondere ist die Absolutdifferenz ΔV1 zwischen der ersten Ausgangsspannung V1 und der Gleichgewichtsspannung V0 nicht gleich der Absolutdifferenz ΔV2 zwischen der zweiten Ausgangsspannung V2 und der Gleichgewichtsspannung V0. Somit weicht die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 entweder zu einer positiven Richtung oder einer negativen Richtung bezüglich der Referenzspannung VE ab.
Daher führt in der Sensoranomalie-Erfassungsschaltung die Beurteilungsschaltung 116 eine Beurteilung aus, ob die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 außerhalb des vorbestimmten normalen Spannungsbereichs liegt. Wenn die Ausgangsspannung V_OUT außerhalb des vorbestimmten normalen Spannungsbereichs liegt, gibt die Beurteilungsschaltung 116 ein anomales Signal aus, das ein Auftreten einer Anomalie in dem Sensor 110 anzeigt.
Gemäß der Sensoranomalie-Erfassungsschaltung der Ausführungsform der 31 wird die Anomalie des Sensors 110 korrekt auf der Grundlage der Ausgangsspannungen V1 und V2 erfasst, die zur gleichen Zeit gewonnen werden. Ferner kann die Anomalie des Sensors 110 so schnell erfasst werden, dass die Verzögerungszeit im Wesentlichen beseitigt ist. Es ist nicht erforderlich, eine Hochleistungs-Informationsverarbeitungsvorrichtung wie etwa eine MPU vorzusehen. Somit wird es möglich, eine kleindimensionierte Schaltungsanordnung zur Erfassung der Anomalie des Sensors 110 bereitzustellen.
Wie aus dem obigen Erfassungsprinzip ersichtlich ist, ist es wünschenswert, dass die Referenzspannung VE, erzeugt von der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung 111, gleich der Gleichgewichtsspannung V0 des Sensors 110 ist. Jedoch kann eine winzige Differenz, also wenn die Referenzspannung VE nicht exakt mit der Gleichtgewichtsspan nung V0 übereinstimmt, durch den normalen Spannungsbereich der Beurteilungsschaltung 116 neutralisiert bzw. abgefangen werden. Somit wird die Referenzspannung VE, die von der Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 111 erzeugt wird, so eingestellt, dass sie im Wesentlichen gleich der Gleichgewichtsspannung V0 des Sensors 110 ist.
Ferner kann in der in 31 gezeigten Sensoranomalie-Erfassungsschaltung das eine Ende des ersten Widerstandes 113 direkt mit dem ersten Ausgangsanschluss J1 des Sensors 110 verbunden werden, und das Ende des zweiten Widerstandes 114 kann direkt mit dem zweiten Ausgangsanschluss J2 des Sensors 110 verbunden werden. Jedoch können die Ausgangsspannungen V1 und V2, je nach Ausbildung bzw. Anordnung des Sensors 110, nachteilig abweichen, wenn der Strom von den Ausgangsanschlüssen J1 und J2 in einen Schaltungsabschnitt fließt, der aus dem Operationsverstärker 112 und dem ersten bis dritten Widerstand 113, 114 und 115 besteht.
Daher ist es wünschenswert, wie unter Bezugnahme auf die in 31 gezeigte Schaltungsanordnung verstanden werden kann, dass ein erster Puffer 117 zum Empfangen der ersten Ausgangsspannung V1 des Sensors 110 und Anlegen der empfangenen ersten Ausgangsspannung V1 an das eine Ende des ersten Widerstandes 113 vorgesehen ist, und ein zweiter Puffer 118 zum Empfangen der zweiten Ausgangsspannung V2 des Sensors 110 und Anlegen der empfangenen zweiten Ausgangsspannung V2 an das eine Ende des zweiten Widerstandes 114 vorgesehen ist. Und zwar ist der erste Puffer 117 zwischen dem ersten Ausgangsanschluss J1 des Sensors 110 und dem ersten Widerstand 113 angeordnet. Der zweite Puffer 118 ist zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss J2 des Sensors 110 und dem zweiten Widerstand 114 angeordnet.
Somit wird es gemäß der in 31 gezeigten Sensoranomalie-Erfassungsschaltung möglich, zu verhindern, dass der Strom von den Ausgangsanschlüssen J1 und J2 des Sensors 110 in die Schaltung fließt, die aus dem Operationsverstärker 112 und dem ersten bis dritten Widerstand 113, 114 und 115 gebildet ist. Die Anomalie des Sensors 110 kann exakt erfasst werden.
32 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Sensoranomalie-Erfassungsschaltung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt.
Die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform wird verwendet, um eine Anomalie eines Drucksensors 110 zu erfassen. 32 ist eine detaillierte Anordnung der Sensoranomalie-Erfassungsschaltung von 31. In 32 sind Komponenten, die mit jenen, die in 31 gezeigt sind, identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und sind nachstehend nicht im Datail erläutert.
Wie es in 32 gezeigt ist, unterscheidet sich die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform von der in 31 gezeigten Schaltung in den folgenden Punkten I-1 bis I-3.
I-1: Von den Verbindungspunkten A–D, die vier Messwiderstände 101–104 verbinden, die den Drucksensor 110 bilden, sind insgesamt vier Widerstände 121, 122, 123 und 124 von einem Verbindungspunkt A von Messwiderständen 101 und 104 zu einem Verbindungspunkt C von Messwiderständen 102 und 103 in Reihe geschaltet.
Demzufolge ist eine Versorgungsspannung VD, die an dem Drucksensor 110 anliegt, d.h. die Versorgungsspannung VD, die zwischen den Verbindungspunkten A und D anliegt, durch die vier Widerstände 121–124 geteilt. Diese Ausführungsform bestimmt Widerstandswerte der vier Widerstände 121–124 derart, dass die Verbindungspunkte der Widerstände 121–124 vorbestimmte Spannungen entsprechend den folgenden Punkten (1)–(3) erzeugen.

(1) Ein Verbindungspunkt der Widerstände 122 und 123 erzeugt eine Referenzspannung VE, die gleich einer Gleichgewichtsspannung V0 von zwei Ausgangsspannungen V1 und V2 des Drucksensors 110 ist. Die Referenzspannung VE ist gleich der halben Versorgungsspannung VD. Der Verbindungspunkt der Widerstände 122 und 123 ist mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 112 verbunden.
(2) Ein Verbindungspunkt der Widerstände 121 und 122 erzeugt eine erste kritische Spannung VH (= VE + α), die um eine vorbestimmte Spannung α höher als die Referenzspannung VE (= VD/2) ist.
(3) Ein Verbindungspunkt der Widerstände 123 und 124 erzeugt eine zweite kritische Spannung VL (= VE – α), die um eine vorbestimmten Spannung α niedriger als die Referenzspannung VE (= VD/2) ist.

Gemäß dieser Ausführungsform dienen die vier Widerstände 121–124 zusammenwirkend als die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 111. Jeder der vier Widerstände 121–124 ist aus einem Dünnschichtwiderstand ohne nennenswerte Temperaturabhängigkeit gebildet. Der Widerstandswert der Dünnschicht ist durch eine Lasertrimmung einstellbar. Jedoch wird keine Trimmung erforderlich sein, wenn das Verhältnis von Dünnschichtwiderständen fein gesteuert wird.
I-2: Ein Operationsverstärker 125 mit einem invertierenden Eingangsanschluss, der mit einem Ausgangsanschluss verbunden ist, dient als der erste Puffer 117. Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 125, der als ein Eingangsanschluss des ersten Puffers 117 dient, ist mit dem ersten Ausgangsanschluss J1 des Drucksensors 110 verbunden (d.h. mit dem Verbindungspunkt B der Messwiderstände 101 und 102 verbunden). Ein Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 125, der als ein Ausgangsanschluss des ersten Puffers 117 dient, ist mit dem einen Ende des ersten Widerstandes 113 verbunden.
Entsprechend dient ein Operationsverstärker 126 mit einem invertierenden Eingangsanschluss, der mit einem Ausgangsanschluss verbunden ist, als der zweite Puffer 118. Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 126, der als ein Eingangsanschluss des zweiten Puffers 118 dient, ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss J2 des Drucksensors 110 verbunden (d.h. verbunden mit dem Verbindungspunkt D der Messwiderstände 103 und 104). Ein Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 126, der als ein Ausgangsanschluss des zweiten Puffers 118 dient, ist mit dem einen Ende des zweiten Widerstandes 114 verbunden.
I-3: Ein Fensterkomparator 127 dient als die Beurteilungsschaltung 116. Der Fensterkomparator 127 umfasst einen ersten Komparator 128, der ein Niedrigpegelsignal erzeugt, wenn die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 höher als die erste kritische Spannung VH ist, die von dem Verbindungspunkt der Widerstände 121 und 122 erzeugt wird, und andernfalls ein Hochpegelsignal erzeugt, einen zweiten Komparator 129, der ein Hochpegelsignal erzeugt, wenn die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 niedriger als die zweite kritische Spannung VL ist, die von dem Verbindungspunkt der Wider stände 123 und 124 erzeugt wird, und andernfalls ein Niedrigpegelsignal erzeugt, ein erstes UND-Gatter 130, das ein Hochpegelsignal erzeugt, wenn beide Komparatoren 128 und 129 ein Hochpegelsignal erzeugen, und andernfalls ein Niedrigpegelsignal erzeugt, ein zweites UND-Gatter 131, das ein Hochpegelsignal erzeugt, wenn die beiden Komparatoren 128 und 129 Niedrigpegelsignale erzeugen, und andernfalls ein Niedrigpegelsignal erzeugt, und ein ODER-Gatter 132, das ein Signal einer logischen Summe der Ausgangssignale der UND-Gatter 130 und 131 ausgibt.
Demzufolge erzeugt das ODER-Gatter 132 des Fensterkomparators 127 ein Niedrigpegelsignal, wenn die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 innerhalb eines normalen Spannungsbereichs von der zweiten kritischen Spannung (= VE – α) bis zu der ersten kritischen Spannung VH (= VE + α) liegt, welches ein Spannungsbereich ist, der zur Anomaliebeurteilung verwendet wird.
Andererseits, wenn die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 außerhalb des obigen normalen Spannungsbereichs (= VE ± α) liegt, d.h. wenn die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 höher als die erste kritisch Spannung VH oder niedriger als die zweite kritische Spannung VL ist, erzeugt das ODER-Gatter 132 des Fensterkomparators 127 ein Hochpegelsignal, das das Auftreten einer Anomalie in dem Drucksensor 110 anzeigt.
In der oben beschriebenen Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform erzeugt der Operationsverstärker 125, der als der erste Puffer 117 dient, die Spannung V1, die mit der ersten Ausgangsspannung V1 (d.h. der Ausgangsspannung V1, die von dem ersten Ausgangsanschluss J1 erzeugt wird) des Drucksensors 110 identisch ist. Entsprechend erzeugt der Operationsverstärker 126, der als der zweite Puffer 118 dient, die Spannung V2, die mit der zweiten Ausgangsspannung (d.h. der Ausgangsspannung V2, die von dem zweiten Ausgangsanschluss J2 erzeugt wird) des Drucksensors 110 identisch ist.
Ferner, in der Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform ist der Widerstandswert des dritten Widerstandes 115 so eingestellt, dass er X Mal dem Widerstandswert des ersten und des zweiten Widerstandes 113 und 114 entspricht, wobei X größer als 1 ist.
Demzufolge ist die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 durch die Formeln 2-1 oder 2-2 definiert. Wenn der Betrieb des Drucksensors 110 normal ist, d.h. wenn die Änderungen der Ausgangsspannungen V1 und V2 des Drucksensors 110 identisch sind bezüglich der Referenzspannung VE, wird die Spannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 gleich der Referenzspannung VE.
Wenn hingegen das Gleichgewicht der Ausgangsspannungen V1 und V2 aufgrund eines Auftretens einer Anomalie in dem Drucksensor 110 nicht mehr gegeben ist, weicht die Spannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 in einer positiven oder einer negativen Richtung ab. Wenn die Spannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 außerhalb des obigen normalen Spannungsbereichs (= VE ± α) liegt, erzeugt der Fensterkomparator 127 (d.h. das ODER-Gatter 132) das Hochpegelsignal, das das Auftreten einer Anomalie in dem Drucksensor 110 anzeigt.
Gemäß der Sensoranomalie-Erfassungsschaltung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform wird die Anomalie des Sensors 110 korrekt auf der Grundlage der Ausgangsspannungen V1 und V2, die zur gleichen Zeit gewonnen werden, erfasst. Ferner ist die Anomalie des Sensors 110 so schnell erfassbar, dass die Verzögerungszeit im Wesentlichen beseitigt ist. Es ist nicht erforderlich, eine Hochleistungs-Informationsverarbeitungsvorrichtung wie etwa eine MPU vorzusehen. Somit wird es möglich, eine klein-dimensionierte Schaltungsanordnung bereitzustellen, um die Anomalie des Sensors 110 zu erfassen.
Da die Versorgungsspannung VD, die an den Drucksensor angelegt wird, durch die Widerstände 121–124 geteilt wird, um die Referenzspannung VE zu erzeugen, kann selbst dann, wenn die tatsächliche Gleichgewichtsspannung V0 des Drucksensors 110 in Antwort auf eine Variation der Versorgungsspannung VD variiert, die Referenzspannung VE immer an die Gleichgewichtsspannung V0 angeglichen werden. Demzufolge kann selbst dann, wenn die Versorgungsspannung VD, die an den Drucksensor 110 angelegt ist, variiert, die Anomalie des Drucksensors 110 exakt erfasst werden.
Ferner, der Operationsverstärker 125, der als der erste Puffer 117 dient, ist zwischen dem ersten Ausgangsanschluss J1 des Drucksensors 110 und dem ersten Widerstand 113 angeordnet. Der Operationsverstärker 126, der als der zweite Puffer 118 dient, ist zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss J2 des Drucksensors 110 und dem zweiten Widerstand 114 angeordnet. Somit wird es möglich, zu verhindern, dass der Strom von den Ausgangsanschlüssen J1 und J2 des Drucksensors 110 zu dem Schaltungsabschnitt fließt, der aus dem Operationsverstärker 112 und dem ersten bis dritten Widerstand 113, 114 und 115 besteht. Mit anderen Worten, es wird möglich, zu verhindern, dass die Ausgangsspannungen V1 und V2 abweichen. Die Anomalie des Drucksensors 110 kann korrekt erfasst werden.
Ferner, 33 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Anordnung einer Sensoranomalie-Erfassungsschaltung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt. Ebenso wie die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung der Ausführungsform der 32 wird die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform zur Erfassung der Anomalie des Drucksensors 110 verwendet. In 33 sind Komponenten, die mit jenen identisch sind, die in 32 gezeigt sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht ausführlich erläutert.
Wie es in 33 gezeigt ist, unterscheidet sich die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform von der Sensoranomalie-Erfassungsschaltung der in 32 gezeigten Ausführungsform in den folgenden Punkten II-1 und II-2.
II-1: Der Operationsverstärker 125, der als der erste Puffer 117 dient, ist durch einen ersten Differenzverstärker 135 ersetzt, der einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss aufweist, der die erste Ausgangsspannung V1 des Drucksensors 110 empfängt, und einen invertierenden Eingangsanschluss aufweist, der die Referenzspannung VE, erzeugt von dem Verbindungspunkt der Widerstände 122 und 123, empfängt.
Entsprechend ist der Operationsverstärker 126, der als der zweite Puffer 118 dient, durch einen zweiten Differenzverstäker 136 ersetzt, der einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss aufweist, der die zweite Ausgangsspannung V2 des Drucksensors 110 empfängt, und einen invertierenden Eingangsanschluss aufweist, der die Referenzspannung VE empfängt.
Insbesondere umfasst der erste Differenzverstärker 135 einen Operationsverstärker 141 mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss, der mit dem ersten Ausgangsanschluss J1 des Drucksensors verbunden ist, einen Widerstand 142, der zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 122 und 123 und einen invertierenden Eingangs anschluss des Operationsverstärkers 141 geschaltet ist, und einen Widerstand 143, der zwischen einen Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 141 und den invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 141 geschaltet ist. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 141, der als ein Ausgangsanschluss des ersten Differenzverstärkers 135 dient, ist mit dem einen Ende des ersten Widerstandes 113 verbunden. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 141 dient als der nicht-invertierende Eingangsanschluss des ersten Differenzverstärkers 135. Ein Ende des Widerstandes 142, der weit von dem Operationsverstärker 141 entfernt angeordnet ist, dient als der invertierende Eingangsanschluss des ersten Differenzverstärkers 135.
Entsprechend umfasst der zweite Differenzverstärker 136 einen Operationsverstärker 144 mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss, der mit dem zweiten Ausgangsanschluss J2 des Drucksensors 110 verbunden ist, einen Widerstand 145, der zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 122 und 123 und einen invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 114 geschaltet ist, und einen Widerstand 146, der zwischen einen Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 144 und den invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 144 geschaltet ist. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 144, der als ein Ausgangsanschluss des zweiten Differenzverstärkers 136 dient, ist mit dem einen Ende des zweiten Widerstandes 114 verbunden. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 144 dient als der nicht-invertierende Eingangsanschluss des zweiten Differenzverstärkers 136. Ein Ende des Widerstandes 145, der weit von dem Operationsverstärker 144 angeordnet ist, dient als der invertierenden Eingangsanschluss des zweiten Differenzverstärkers 136.
Hinsichtlich der Widerstände 142, 143, 145 und 146 ist ein Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstandes 143 zu dem Widerstandswert des Widerstandes 142 so eingestellt, dass es gleich einem Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstandes 146 zu dem Widerstandswert des Widerstandes 146 ist.
Es wird jetzt angenommen, dass „Rb/Ra" das Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstandes 143 zu dem Widerstandswert des Widerstandes 142 sowie das Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstandes 146 zu dem Widerstandswert des Widerstandes 145 ist. Ein Verstärkungsfaktor Y des ersten Differenzverstärkers 135 und des zweiten Differenzverstärkers 136 ist durch „1 + Rb/Ra" ausgedrückt. Aus den oben beschriebenen Formeln 2-3 und 2-4 wird die Ausgangsspannung V1S (d.h. die an das eine Ende des ersten Widerstandes 113 angelegte Spannung) des ersten Differenzverstärkers 135 durch die folgende Formel 2-6 ausgedrückt, und die Ausgangsspannung V2S (d.h. die an das eine Ende des zweiten Widerstandes 114 angelegte Spannung) des zweiten Differenzverstärkers 136 wird durch die folgende Formel 2-7 ausgedrückt. V1S = (1 + Rb/Ra) × (V1 – VE) (2-6) V2S = (1 + Rb/Ra) × (V2 – VE) (2-7)
Die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 wird neu geschrieben, indem V1 und V2 der Formel 2-1 durch V1S und V2S der obigen Formeln 2-6 und 2-7 ersetzt werden, wie es in der nachstehenden Formel 2-8 gezeigt ist. VOUT = –X(1 + Rb/Ra){(V1 – VE) + (V2 – VE)} + VE (2-8)
Wie der Formel 2-8 zu entnehmen ist, weicht gemäß der Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform, wenn das Gleichgewicht der Ausgangsspannungen V1 und V2 des Sensors 110 nicht mehr gegeben ist, die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 stark entweder in einer positiven oder einer negativen Richtung von der Referenzspannung VE ab.
II-2: Angesichts des oben Gesagten werden gemäß der Anomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform die Widerstandswerte der vier Widerstände 121–124 derart eingestellt, dass die erste kritische Spannung VH, erzeugt von dem Verbindungspunkt der Widerstände 121 und 122, geringfügig höher als die der ersten siebzehnten ist, und die achtzehnte kritische Spannung VL, erzeugt von dem Verbindungspunkt der Widerstände 123 und 124, ist geringfügig niedriger als die der Ausführungsform von 32. Mit anderen Worten, der normale Spannungsbereich (= VE ± α) wird geringfügig weiter eingestellt.
Gemäß der oben beschriebenen Anomalie-Erfassungsschaltung in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform weicht, wenn das Gleichgewicht der Ausgangsspannungen V1 und V2 des Sensors 110 nicht mehr gegeben ist, die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 stark von der Referenzspannung VE ab. Somit kann die Anomalie des Drucksensors 110 exakt ausgeführt werden.
Ferner ist es möglich, den Einfluss einer Offsetspannung, die in dem Operationsverstärker 112 inhärent existiert, unterdrückt wird.
Ferner arbeiten die Operationsverstärker 141 und 144, die den ersten bzw. den zweiten Differenzverstärker 135 bzw. 136 bilden, auf die gleiche Weise wie der erste und der zweite Puffer 117 und 118 (d.h. die Operationsver stärker 125 und 126) in der Ausführungsform der 32. Und zwar verhindern die Operationsverstärker 141 und 144 ein übermäßiges Fließen eines Mehrstromes. Somit wird es möglich, zu verhindern, dass der Strom von den Ausgangsanschlüssen J1 und J2 des Drucksensors 110 übermäßig in den Schaltungsabschnitt fließt, der aus dem Operationsverstärker 112 und dem ersten bis dritten Widerstand 113, 114 und 115 besteht.
Ferner, 34 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Anordnung einer Sensoranomalie-Erfassungsschaltung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt. Ebenso wie die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung der Ausführungsform der 32 wird die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform verwendet, um die Anomalie des Drucksensors 110 zu erfassen. In 34 sind Komponenten, die mit jenen identisch sind, die in 32 gezeigt sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht ausführlich erläutert.
Wie es in 34 gezeigt ist, unterscheidet sich die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform von der Sensoranomalie-Erfassungsschaltung der in 32 gezeigten Ausführungsform in den folgenden Punkten III-1 und III-2.
III-1: Der Puffer 117, der eine Spannungsverstärkungsschaltung ist, die aus dem Operationsverstärker 25 gebildet wird, ist durch einen Puffer 151 ersetzt, der eine unten beschriebene Anordnung aufweist. Entsprechend ist der Puffer 118, der eine Spannungsverstärkerschaltung ist, die von dem Operationsverstärker 126 gebildet ist, durch einen Puffer 152 ersetzt, der eine unten beschriebene Anordnung hat.
III-2: Ein Puffer 153 ist zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 122 und 123 und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 112 geschaltet. Somit empfängt der Puffer 153 die Referenzspannung VE, erzeugt von dem Verbindungspunkt der Widerstände 122 und 123.
Ferner ist ein Puffer 154 zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 121 und 122 und den nicht-invertierenden Eingangsanschluss des ersten Komparators 128, der ein Teil des Fensterkomparators 127 bildet, geschaltet. Der Puffer 154 empfängt die erste kritische Spannung VH, erzeugt von dem Verbindungspunkt der Widerstände 121 und 122. Entsprechend ist ein Puffer 155 zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 123 und 124 und den nicht-invertierenden Eingangsanschluss des zweiten Komparators 129, der ein Teil der Fensterkomparators 127 bildet, geschaltet. Der Puffer 155 empfängt die zweite kritische Spannung VL, erzeugt von dem Verbindungspunkt der Widerstände 123 und 124.
Jeder der obigen fünf Puffer 151–155 ist eine Pegelverschiebungsschaltung, die ein Ausgangssignal Vo durch Verschieben einer Eingangsspannung Vi um eine bestimmte Spannung Vsf (d.h. Vo = Vi + Vsf) ausgibt. 35 zeigt eine praktische Schaltungsanordnung der Puffer 151–155.
Insbesondere umfasst jeder der Puffer 151–155, wie es in 35A gezeigt ist, einen NPN-Transistor 60 mit einem Kollektor, der die dem Sensor 110 zugeführte Versorgungsspannung VD empfängt (d.h. der mit einem Anschluss höherer Spannung der Versorgungsspannung VD verbunden ist), und einen Widerstand R, der zwischen einen Emitter des NPN-Transistors 160 und den Masseanschluss (d.h. einen Anschluss niedrigerer Spannung der Versorgungsspan nung) geschaltet ist. Eine Basis des NPN-Transistors 160 dient als ein Eingangsanschluss des Puffers, während der Emitter des NPN-Transistors 160 als ein Ausgangsanschluss des Puffers dient.
Daher erzeugt jeder der Puffer 151–155 die Ausgangsspannung Vo (= Vi – Vbe) durch Verschieben der Eingangsspannung Vi auf eine Niedrigspannungsseite um eine Basis-Emitter-Spannung Vbe des NPN-Transistors 160. Somit ist die obige bestimmte Spannung Vsf gleich „-Vbe".
In der Anomalie-Erfasssungsschaltung dieser Ausführungsform, die die Puffer 151–155 umfasst, erzeugt der Puffer 151 eine Ausgangsspannung vo1, die an das eine Ende des ersten Widerstandes 113 gegeben wird. Die Ausgangsspannung Vo1 ist gleich einer Spannung (= V1 – Vbe), die durch Verschieben der ersten Ausgangsspannung V1 des Drucksensors 110 um Vbe zur Niedrigspannungsseite gewonnen wird. Entsprechend erzeugt der Puffer 152 eine Ausgangsspannung Vo2, die dem einen Ende des zweiten Widerstandes zugeführt wird. Die Ausgangsspannung Vo2 ist gleich einer Spannung (= V2 – Vbe), die durch Verschieben der zweiten Ausgangsspannung V2 des Drucksensors 110 um Vbe zur Niedrigspannungsseite gewonnen wird. Ferner ist eine Spannung VoE, die von dem Puffer 153 zu dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 112 geliefert wird, gleich einer Spannung (= VE – Vbe), die durch Verschieben der Referenzspannung VE um Vbe zur Niedrigspannungsseite gewonnen wird. Mit anderen Worten, drei Eingangsspannungen V01, V02 und V0E werden einem Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt eingegeben, der aus dem ersten bis dritten Widerstand 113, 114 und 115 und dem Operationsverstärker 112 besteht. Alle diese drei Eingangsspannungen werden um die gleiche Spannung zur Niederspannungsseite verschoben.
Wie der oben beschriebenen Formel 2-1 zu entnehmen ist, ist gemäß der Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 proportional zu einer Summe aus einem ersten Wert, der durch Subtraktion der Referenzspannung VE von der ersten Ausgangsspannung V1 des Sensors 110 gewonnen wird, und einem zweiten Wert, der durch Subtraktion der Referenzspannung VE von der zweiten Ausgangsspannung V2 des Sensors 110 gewonnen wird.
In diesem Fall variiert die Ausgangsspannung V_OUT des Operationsverstärkers 112 um einen Referenzpegel von „VE-Vbe". Jedoch wird aufgrund von Funktionen der Puffer 154 und 155 der kritische Bereich des Fensterkomparators 127 (d.h. der normale Spannungsbereich für die Beurteilung der Anomalie) ebenfalls um die gleiche Spannung Vbe zu der Niederspannungsseite verschoben. Und zwar wird der kritische Bereich des Fensterkomparators 127 nach „VH – Vbe"-„VL – Vbe" verschoben, da die Spannung (VH – Vbe), d.h. die Spannung, die durch Verschieben der ersten kritischen Spannung VH um Vbe zur Niedrigspannungsseite gewonnen wird, von dem Puffer 154 dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des ersten Komparators 128 zugeführt wird, und ferner die Spannung (VL – Vbe), d.h. die Spannung, die durch Verschieben der zweiten kritischen Spannung VL um Vbe zur Niedrigspannungsseite gewonnen wird, von dem Puffer 155 dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des zweiten Komparators 129 zugeführt wird.
Demzufolge kann die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung dieser Ausführungsform die gleichen Funktionen und Effekte liefern wie die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung der Ausführungsform von 32. Ferner wird es möglich, die Anomaliebeurteilung genau auszuführen, ohne eine Einstellung der Widerstandswerte der Widerstände 121– 124 zur Modifizierung der ersten und zweiten kritischen Spannung VH und VL zu fordern.
Insbesondere ist die Pegelverschiebungsschaltung im Vergleich zu der Spannungsverstärkungsschaltung, die einen Operationsverstärker verwendet, strukturell einfach. Somit ist diese Ausführungsform eine kompakte Schaltungsanordnung für die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung.
Gemäß dieser Ausführungsform dient der Puffer 151 als der erste Puffer, der Puffer 152 dient als der zweite Puffer, der Puffer 153 dient als der dritte Puffer, der Puffer 154 dient als der vierte Puffer, und der Puffer 155 dient als der fünfte Puffer. Die Widerstände 121–124 arbeiten nicht nur als die Referenzspannung-Erzeugungsschaltung 111, sondern arbeiten ferner als eine Schaltung zur Erzeugung einer kritischen Spannung.
Abgesehen von der in 35A gezeigten Pegelverschiebungsschaltung kann jeder der Puffer 151–155 von jeder weiteren Pegelverschiebungsschaltung, die in den 35B, 35C und 35D gezeigt sind, gebildet sein.
Zunächst unterscheidet sich die in 35B gezeigte Pegelverschiebungsschaltung von der in 35A gezeigten Pegelverschiebungsschaltung darin, dass der NPN-Transistor 160 durch zwei NPN-Transistoren 161 und 162 ersetzt ist, die durch eine Darlington-Verbindung miteinander verbunden sind. Der NPN-Transistor 161 der ersten Stufe hat eine Basis, die als ein Eingangsanschluss des Puffers dient. Der NPN-Transistor 162 der zweiten Stufe hat einen Emitter, der als ein Ausgangsanschluss des Puffers dient.
In der Pegelverschiebungsschaltung von 35B wird jetzt angenommen, dass „Vbe1" eine Basis-Emitter-Spannung des NPN-Transistors 161 der ersten Stufe repräsentiert, und „Vbe2" eine Basis-Emitter-Spannung des NPN-Transistors 162 der zweiten Stufe repräsentiert. Die Pegelverschiebungsschaltung erzeugt eine Ausgangsspannung Vo (= Vi – (Vbe1 + Vbe2)) durch Verschieben einer Eingangsspannung Vi um eine Spannung "Vbe1 + Vbe2" zu der Niedrigspannungsseite. In diesem Fall ist die spezifische Spannung Vsf zum Verschieben der Eingangsspannung Vi gleich "– (Vbe1 + Vbe2)".
Ferner umfasst die in 35 gezeigte Pegelverschiebungsschaltung einen PNP-Transistor 170 mit einem Kollektor, der mit dem Masseanschluss verbunden ist, und einen Widerstand R, der zwischen einem Emitter des PNP-Transistors 170 und den Versorgungsspannungsanschluss (d.h. einen Anschluss mit höherer Spannung, der die Versorgungsspannung VD erzeugt) geschaltet ist. Eine Basis des PNP-Transistors 170 dient als der Eingangsanschluss des Puffers, während der Emitter des PNP-Transistors 170 als der Ausgangsanschluss des Puffers dient. Mit anderen Worten, die in 35B gezeigte Pegelverschiebungsschaltung unterscheidet sich von der in 35A gezeigten Pegelverschiebungsschaltung darin, dass der NPN-Transistor 160 durch den PNP-Transistor 170 ersetzt ist.
Gemäß der Pegelverschiebungsschaltung von 35C wird eine Ausgangsspannung Vo (= Vi + Vbe) durch Verschieben einer Eingangsspannung Vi um die Basis-Emitter-Spannung zur Höherspannungsseite erzeugt. In diesem Fall ist die bestimmte Spannung Vsf zur Verschiebung der Eingangsspannung Vi gleich "Vbe".
Ferner unterscheidet sich die in 35D gezeigte Pegelverschiebungsschaltung von der in 35C gezeigten Pegelverschiebungsschaltung darin, dass der PNP-Transistor 170 durch zwei PNP-Transistoren 171 und 172 ersetzt ist, die durch eine Darlington-Verbindung verbun den sind. Der PNP-Transistor 171 der ersten Stufe hat eine Basis, die als ein Eingangsanschluss des Puffers dient. Der PNP-Transistor 172 der zweiten Stufe hat einen Emitter, der als einen Ausgangsanschluss des Puffers dient.
In der Pegelverschiebungsschaltung von 35D ist jetzt angenommen, dass "Vbe1" eine Basis-Emitter-Spannung des PNP-Transistors 171 der ersten Stufe repräsentiert, und "Vbe2" eine Basis-Emitter-Spannung des PNP-Transistors 172 der zweiten Stufe repräsentiert. Diese Pegelverschiebungsschaltung erzeugt eine Ausgangsspannung Vo (= Vi + (Vbe1 + Vbe2)) durch Verschieben einer Eingangsspannung Vi um eine Spannung "Vbe1 + Vbe2" zur Höherspannungsseite. In diesem Fall ist die bestimmte Spannung Vsf zum Verschieben der Eingangsspannung Vi gleich "(Vbe1 + Vbe2)".
Eine weitere Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist nachstehend mit Bezug auf 36 beschrieben. Diese Ausführungsform ist eine Druckerfassungsvorrichtung 180, die als eine Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe dient, die die in einem der oben beschriebenen Ausführungsformen der 31–35D beschriebene Sensoranomalie-Erfassungsschaltung enthält.
Wie es in 36 gezeigt ist, umfasst die Druckerfassungsvorrichtung 180 den oben beschriebenen Drucksensor 110, einen Verstärker 182, der die erste Ausgangsspannung V1 und die zweite Ausgangsspannung V2 des Drucksensors 110 empfängt, um eine Spannungsdifferenz der Ausgangsspannungen V1 und V2 zu verstärken, und ein analoges Drucksignal, das einem von dem Drucksensor 110 erfassten Druck P entspricht, ausgibt (d.h. ein Spannungssignal von 0,5–4,5 V, entsprechend einem Erfassungssignal, das eine erfasste physikalische Größe repräsentiert), einen Ausgangsanschluss 184, der ein Ausgangssignal des Verstärkers 182 an eine externe Vorrichtung ausgibt, eine Ausgangssignalschaltung 186, die zwischen dem Ausgangsanschluss 84 und dem Verstärker 182 angeordnet ist, und eine Sensoranomalie-Erfassungsschaltung 188.
Die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung 188 ist eine der Sensoranomalie-Erfassungsschaltungen, die in einer der oben beschriebenen 31 bis 34 beschrieben ist. Die Sensoranomalie-Erfassungsschaltung 188 erfasst die Anomalie des Drucksensors 110. Der Verstärker 182 besitzt eine Temperaturkompensierungsfunktion.
Wenn der Fensterkomparator 127 (insbesondere das ODER-Gatter 132) der Anomalie-Erfassungsschaltung 88 ein Niedrigpegelsignal erzeugt, gibt die Ausgangsschaltung 186 das Ausgangssignal des Verstärkers 182 direkt an den Ausgangsanschluss 184.
Wenn auf der anderen Seite der Fensterkomparator 127 ein Hochpegelsignal erzeugt (d.h. in einer anomalen Situation), erzeugt die Ausgangsschaltung 186 eine bestimmte Spannung (z.B. eine Spannung, die nicht größer als 0,3 V oder nicht kleiner als 4,7 V ist) außerhalb des obigen normalen Spannungsbereichs von 0,5–4,5 V.
Demzufolge gibt die Druckerfassungsvorrichtung 180, wenn der Fensterkomparator 127 das Signal erzeugt, das die Anomalie des Drucksensors 110 anzeigt, eine bestimmte Spannung aus, die von einer normalen Spannung verschieden ist, um das Auftreten einer Anomalie des Drucksensors 110 anzuzeigen.
Auf diese Weise kann gemäß der Druckerfassungsvorrichtung 180 dieser Ausführungsform eine elektronische Steuerungsvorrichtung oder eine weitere Vorrichtung, die einen erfassten Druck auf der Grundlage des von der Drukkerfassungsvorrichtung 180 empfangenen, analogen Spannungssignals erfasst, sofort das Auftreten einer Anomalie in dem Drucksensor 110 beim Empfangen der bestimmten Spannung (z.B. die Spannung nicht größer als 0,3 V oder nicht kleiner als 4,7 V) außerhalb des obigen normalen Spannungsbereichs erkennen. Es besteht keine Notwendigkeit, eine separate Signalleitung vorzusehen.
In der in 32 gezeigten Sensoranomalie-Erfassungsschaltung ist es vorteilhaft, einen Puffer (entsprechend dem dritten Puffer) ähnlich den Puffern 117 und 118 zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 122 und 123 und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 112 anzuordnen. Mit anderen Worten, in der in 34 gezeigten Anomalie-Erfassungsschaltung kann jeder der Puffer 151–155 durch einen Puffer ersetzt werden, der die Spannungsverstärkungsschaltung bildet, die einen Operationsverstärker enthält.
Ferner, in der in 33 gezeigten Sensoranomalie-Erfassungsschaltung ist es vorteilhaft, einen Puffer, der die Spannungsverstärkerschaltung bildet, zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 122 und 123 und dem Verbindungspunkt der Widerstände 142 und 145 anzuordnen, so dass die Referenzspannung VE über diesen Puffer an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 142 und 145 und den nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 112 gelegt wird. Mit dieser Anordnung wird es möglich, die Abweichung der Referenzspannung VE vollständig zu vermeiden, wodurch eine hoch genaue Anomalie-Erfasssung ermöglicht wird. Wenn die Widerstandswerte der Widerstände 121–124 im Vergleich zu den Widerstandswerten der Widerstände 142–146 ausreichend klein sind, weicht die Referenzspannung VE nicht stark ab. Somit kann gegebenenfalls ein Puffer bereitgestellt werden.
Ferner, in der in 33 gezeigten Sensoranomalie-Erfassungsschaltung ist es vorteilhaft, einen Puffer zwischen dem ersten Ausgangsanschluss J1 des Drucksensors 110 und dem ersten Differenzverstärker 135 und einen Puffer zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss J2 des Drucksensors 110 und dem zweiten Differenzverstärker 136 anzuordnen.
Obwohl jede der oben beschriebenen Anomalie-Erfassungsschaltungen dazu dient, die Anomalie des Drucksensors 110 zu erfassen, ist deren Anwendung nicht auf den oben beschriebenen Drucksensor begrenzt, und ist daher auch auf einen Beschleunigungssensor oder weitere Sensoren anwendbar.
Ferner, wenn die Gleichgewichtsspannung V0 nicht in dem normalen Betriebszustand variiert (zum Beispiel, wenn die Versorgungsspannung VD des Drucksensors 110 in den oben beschriebenen Ausführungsformen nicht variiert), ist es möglich, Konstantspannungsschaltungen zur Erzeugung der Referenzspannung VE und der ersten und zweiten kritischen Spannung VH und VL zu verwenden.
Allgemein sind Operationsverstärker und Komparatoren nicht frei von Fehlern, die durch die Offset-Spannung verursacht sind. Jedoch ist in den obigen Formeln ein solcher Fehler vernachlässigt. Ferner können in den in den 32 und 33 gezeigten Anomalie-Erfassungsschaltungen und ihren Modifikationen die Puffer durch eine beliebige weitere Schaltung, die nicht die Spannungsverstärkerschaltung ist, welche einen Operationsverstärker enthält, gebildet sein.
Fünfte Ausführungsform
Nachfolgend ist eine praktische Schaltungsanordnung, die die dritte, in den 4 und 5 gezeigte Ausführungsform betrifft, beschrieben.
37 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Halbleitersensors in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der in 37 gezeigte Drucksensor umfasst einen Erfassungsabschnitt 201, der in Antwort auf einen Druck, mit dem dieser Drucksensor beaufschlagt wird, ein Sensorausgangssignal erzeugt. Der Erfassungsabschnitt 201 ist eine Wheatstone'sche Brückenschaltung, die aus vier Dehnungsmesswiderständen Ra, Rb, Rc und Rd besteht.
Die Wheatstone'sche Brückenschaltung bildet eine quadratische Schaltung durch Verbinden in Reihe von vier Widerständen Ra–Rd in einer geschlossenen Form, so dass vier Verbindungspunkte A, B, C und D entstehen. Die gegenüberliegenden Verbindungspunkte A und D sind mit einer Versorgungsquelle Vdd und der Masse (GND) verbunden. Ein Sensorausgangssignal wird auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Verbindungspunkten B und C der Wheatstone'schen Brückenschaltung erzeugt. Der Verbindungspunkt A, der mit der Versorgungsquelle Vdd verbunden ist, ist als ein Versorgungsanschluss bezeichnet. Der Verbindungspunkt D, der mit Masse verbunden ist, ist als Masseanschluss bezeichnet. Die Verbindungspunkte B und C, die zusammenwirkend das Sensorausgangssignal erzeugen, sind als erste und zweite Ausgangsanschlüsse bezeichnet.
In der Wheatstone'schen Brückenschaltung ist jeder der Widerstände Ra–Rd gleichermaßen in zwei Widerstände geteilt. Insbesondere ist der Widerstand Ra, der die ge trennten Widerstände Ra1 und Ra1 bildet, zwischen dem Versorgungsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss B angeordnet. Der Widerstand Rb, der aus getrennten Widerständen Rb1 und Rb2 gebildet ist, ist zwischen dem Versorgungsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss C angeordnet. Der Widerstand Rc, der aus getrennten Widerständen Rc1 und Rc2 gebildet ist, ist zwischen dem ersten Ausgangsanschluss B und dem Masseanschluss D angeordnet. Der Widerstand Rd, der aus getrennten Widerständen Rd1 und Rd2 gebildet ist, ist zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss C und dem Masseanschluss D angeordnet.
Ein Verbindungspunkt der getrennten Widerstände Ra1 und Ra2 ist als Zwischenanschluss W bezeichnet, während ein Verbindungspunkt der getrennten Widerstände Rb1 und Rb2 als ein Zwischenanschluss X bezeichnet ist. Die Verbindungspunkte W und V sind eine Kombination der Zwischenanschlüsse, die den gleichen Spannungspegel aufweisen, wenn kein Druck beaufschlagt wird. Eine Spannungsdifferenz V_WX zwischen Zwischenanschlüssen W und X wird als ein Untersuchungsausgangssignal verwendet. Insbesondere verstärkt ein Verstärker 202 die Spannungsdifferenz V_WX zwischen Zwischenpunkten W und X. Eine Ausgangsspannung des Verstärkers 202 wird als das Untersuchungsausgangssignal verwendet.
Wenn V_BC eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss B und C repräsentiert, ist die Beziehung zwischen der Spannungsdifferenz V_WX und der Spannungsdifferenz V_BC durch die folgende Formel 3-1 definiert. Somit wird die Sensoranomalie-Erfasssung durch Überprüfen, ob die folgende Beziehung erfüllt ist oder nicht, ausgeführt. |VBC| = 2 × |VWX| (3-1)
Ein Ausgang des Verstärkers 202 ist mit einem Ausgang der Spannungsverstärkungsschaltung, die als ein Einstellungsmittel dient, verbunden. Die Spannungsverstärkerschaltung ist aus einem Operationsverstärker 203 gebildet. Eine Referenzspannung der Spannungsverstärkerschaltung wird von der Versorgungsspannung Vdd auf der Grundlage einer Spannungsteilung durch Widerstände R1 und R2 gegeben. Ein Widerstandswert des Widerstandes R2 ist durch Trimmen einstellbar. Der Ausgangsspannungspegel des Verstärkers 202 wird um eine Ausgangsspannung der Spannungsverstärkungsschaltung angehoben. Somit wird die Offset-Einstellung des Ausgangs des Verstärkers 202 verwirklicht.
Gemäß dem oben beschriebenen Drucksensor wird es möglich, eine Fehlerkomponente des Untersuchungsausgangssignals durch Einstellen des Widerstandswertes des Widerstandes R2 einzustellen. Daher kann selbst dann, wenn das Untersuchungsausgangssignal einen Fehler enthält, ein solcher Fehler durch Einstellen der Empfindlichkeit und eines Offset-Betrages des Sensorausgangssignals sowie eines Temperatur-Offset-Betrages verringert werden. Ferner, gemäß der Einstellung dieser Ausführungsform wird die Fehlerkomponenteneinstellung des Untersuchungsausgangssignals unabhängig von der Fehlerkomponenteneinstellung des Sensorausgangssignals ausgeführt. Somit wird die Einstellung des Untersuchungsausgangssignals ausgeführt, ohne einen schädlichen Einfluss auf das Untersuchungsausgangssignal zu haben. Die Einstellung dieser Ausführungsform hat keinen schädlichen Einfluss auf die Genauigkeit jedes Sensors. Die Sensoranomalie-Erfasssung wird genau ausgeführt.
Ferner, gemäß der Anordnung dieser Ausführungsform wird, wenn sowohl das Sensorausgangssignal als auch das Untersuchungsausgangssignal normal sind, die Spannungs differenz V_WX zwischen den Zwischenanschlüssen W und X gleich der halben Spannungsdifferenz V_BC zwischen dem ersten Ausgangsanschluss B und dem zweiten Ausgangsanschluss C. 38 zeigt eine Beziehung zwischen der Spannungsdifferenz V_BC und der Spannungsdifferenz V_WX.
Daher wird es durch Einstellen des Verstärkers 38, um so das Sensorausgangssignal mit dem Untersuchungsausgangssignal gleichzusetzen, möglich, die Anomalie des Sensorausgangssignals auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem Sensorausgangssignal und dem Untersuchungsausgangssignal zu untersuchen.
Die Nullpunktposition des Untersuchungsausgangssignals, d.h. der Wert der Ausgangsspannung V_WX zu dem Zeitpunkt, zu dem der Druck P Null ist, wird in geeigneter Weise durch Trimmungseinstellung des Widerstands R2 eingestellt. Somit variieren die Eigenschaften in Übereinstimmung mit dieser Einstellung.
Verschiedene Modifikationen
Gemäß der oben beschriebenen fünften Ausführungsform wird der Überprüfungsausgang basierend auf einer Spannungsdifferenz V_WX zwischen den Zwischenanschlüssen W und X erzeugt. Bei der Schaltungsanordnung von 37 ist es jedoch möglich, den Überprüfungsausgang basierend auf einer Spannungsdifferenz V_yz zwischen einem Zwischenanschluss Y der getrennten Wiederstände Rc1 und Rc2 und einem Zwischenanschluss Z der getrennten Widerstände Rd1 und Rd2 zu erzeugen. Obgleich die oben beschriebene Ausführungsform eine Kombination getrennter Widerstände für jeden der Messwiderstände Ra~Rd verwendet, ist es nicht notwendig, die Messwiderstände von einander zu trennen, die zur Erkennung des Überprüfungsausgangs nicht verwendet werden.
Anstelle eines Trimmens des Widerstands R2 ist es möglich, den anderen Widerstand R1 zu trimmen.
Weiterhin erzeugt die oben beschriebene fünfte Ausführungsform den Sensorausgang und den Überprüfungsausgang getrennt. Die Trimmeinstellung muss unabhängig unter Verwendung unterschiedlicher Anschlüsse gemacht werden. Wenn jedoch die beiden Ausgänge selektiv von einem Multiplexer oder dergleichen ausgegeben werden, kann die Trimmeinstellung gemacht werden, indem nur ein Ausgangsanschluss verwendet wird.
Weiterhin ist bei der oben beschriebenen fünften Ausführungsform jeder vier Messwiderstände, welche eine Wheatston'sche Brücke bilden, gleichförmig in zwei getrennte Widerstände unterteilt. Jedoch ist die Divisionszahl eines jeden Messwiderstands nicht auf drei begrenzt und kann somit auf drei oder mehr erhöht werden. Weiterhin ist es möglich, die Divisionszahl der Widerstände Ra und Rb von der Divisionszahl der Widerstände Rc und Rd unterschiedlich zu machen, so lange der Überprüfungsausgang basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen den Zwischenanschlüssen mit gleichem Spannungspegel erzeugt wird, wenn kein Druck an dem Sensor anliegt.
Bei der oben beschriebenen fünften Ausführungsform wird die Einstellung der Fehlerkomponente durch das Trimmen einschließlich Lasertrimmen und elektrischem Trimmen durchgeführt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch bei einem Fall angewendet werden, wo die Fehlerkomponente elektrisch in einem EPROM etc. abgespeichert ist.
Der Sensor zur Erkennung der physikalischen Größe gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den oben beschriebenen Drucksensor beschränkt. Somit kann die vorliegende Erfindung bei einem Beschleunigungssensor oder anderen Sensoren angewendet werden.
Weitere Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine andere Ausführungsform, welche nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, unter Bezugnahme auf die 39A bis 41 beschrieben. Diese Ausführungsform betrifft eine praktische Sensoranordnung betreffend die oben beschriebene Ausführungsform der 9A bis 12. Ein Drucksensor gemäß dieser Ausführungsform ist bei einem hydraulischen Steuersystem anwendbar, welches höhere Zuverlässigkeit benötigt, beispielsweise bei einer Fahrzeugbremsvorrichtung, welche einen hydraulischen Bremsdruck steuert oder eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, welche einen Kraftstoffdruck steuert.
39A ist eine Draufsicht, welche Membranabschnitte eines Drucksensors dieser Ausführungsform zeigt. 39B ist eine Schnittansicht des Drucksensors entlang Linie M-M in 39A. Der Drucksensor dieser Ausführungs form weist ein SOI-Substrat 310 (silicon on insulator) als Halbleitersubstrat auf. Das SOI-Substrat 310 weist ein erstes Siliziumsubstrat 311 und ein zweites Siliziumsubstrat 312 auf, die über eine Oxidschicht 313 verbunden sind. Zwei Membranabschnitte (d.h. dünne Plattenabschnitte) 314 und 315 sind auf dem ersten Siliziumsubstrat 311 durch Ätzen ausgebildet. Bei dem Drucksensor dieser Ausführungsform hat der erste Membranabschnitt 314 eine Größe (d.h. Fläche) von 45 μm × 45 μm. Der zweite Membranabschnitt 315 hat eine Größe (d.h. Fläche) von 60 μm × 60 μm. Die ersten und zweiten Membranabschnitte 314 und 315 haben die gleiche Dicke von 8,5 μm.
Eine Mehrzahl von Messwiderständen (z.B. diffundierten Widerständen (RA~RD) von denen jeder ein piezoresistives Element ist, ist auf jedem der Membranabschnitte 314 und 315 des ersten Substrat 311 ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform haben die diffundierten Widerstände eine (100)-Oberfläche. Die diffundierten Widerstände RA~RD und RE~RH sind so angeordnet, dass sie erste bzw. zweite Brückenschaltkreise bilden. Ein isolierender Film 316 aus einer Siliziumoxidschicht ist auf der Substratoberfläche ausgebildet. Eine Kontaktöffnung 317 ist so ausgebildet, dass sie sich durch diesen Isolationsfilm 316 erstreckt. Eine Musterung von Al-Verdrahtungen 318 ist dem Bereich der Kontakte von 317 auf dem Isolationsfilm 316 ausgebildet. Ein Schutzfilm (z.B. ein Passivierungsfilm) 319 deckt den Isolationsfilm 316 und die Al-Verdrahtung 318 ab.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform erkennen die diffundierten Widerstände RA~RD gemeinsam eine Auslenkung des ersten Membranabschnitts 314, wenn Druck an diesen Membranabschnitt 314 angelegt wird. Die diffundierten Widerstände RA~RD erkennen gemeinsam eine Auslenkung des zweiten Membranabschnitts 315, wenn Druck an diesen Membranabschnitt 315 angelegt wird. Jedes Sensorsignal, das so erkannt wird, wird einem Signalverarbeitungsschaltkreis zugeführt, der extern vorgesehen ist. Der Signalverarbeitungsschaltkreis gibt ein elektrisches Signal aus, welches einen erfassten Druck darstellt.
40 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung des Drucksensors gemäß dieser Ausführungsform. Gemäß 40 empfängt ein Spannungseinstellschaltkreis 320 eine Konstantspannung Vcc von einer Konstantspannungsquelle und wandelt diese in eine bestimmte Spannung (z.B. 5 V) um. Die gewandelte Spannung wird den Brückenschaltkreisen 321 und 322 zugeführt. Ein erster Brückenschaltkreis 321 wird durch die diffundierten Widerstände RA~RD auf dem ersten Membranabschnitt 314 gebildet, um als Druckerkennungsschalkreis zu dienen. Weiterhin wird ein zweiter Brückenschaltkreis 322 durch die diffundierten Widerstände RE~RH gebildet, die auf dem zweiten Membranabschnitt 315 ausgebildet sind, um als Fehlererkennungsschaltkreis zu dienen.
Zwei Brückenschaltkreise 321 und 322 sind parallel zueinander verbunden und erzeugen Mittelpunktspannungen VB und VC bzw. Mittelpunktspannungen VF und VG. Ein er ster Schaltschaltkreis 323 schaltet selektiv die Ausgangssignale der beiden Brückenschaltkreise 321 und 323. Ein Verstärkerschaltkreis 325 verstärkt die ausgewählten Ausgangssignale, die von dem ersten Schaltschaltkreis 323 erzeugt werden. Ein zweiter Schaltschaltkreis 324 führt einen Schaltvorgang zur Speicherung der verstärkten Ausgangssignale des Brückenschaltkreises 321 in einem ersten Datenspeicherabschnitt 326 und zum Speichern der verstärkten Ausgangssignale vom anderen Brückenschaltkreis 322 in einem zweiten Datenspeicherabschnitt 327 durch. Ein Fehlfunktionsbeurteilungsschaltung (d.h. eine Diagnoseschaltung) 328 vergleicht die im ersten Datenspeicherabschnitt 326 und im zweiten Datenspeicherabschnitt 327 gespeicherten Daten. Die Fehlfunktionsbeurteilungsschaltung 328 führt eine Fehlfunktionsbeurteilung basierend auf den Ausgangswerten der beiden Brückenschaltungen 321 und 322 durch. Um ein Datendurcheinander zu vermeiden, steuert eine Zeitgeberschaltung 330 das Zeitverhalten der ersten und zweiten Schaltschaltungen 323 und 324.
Bei dieser Ausführungsform ist der Signalverarbeitungsschaltkreis mit dem Verstärkerschaltkreis 325 und dem Fehlfunktionsbeurteilungsschaltkreis 328 zusammen mit den Brückenschaltkreisen 321 und 322 mit den Membranabschnitten 314 und 315 auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet. 41 zeigt eine Beziehung zwischen der Größe (d.h. Fläche) der Membranabschnitte 314 und 315 des Siliziumsubstrats 310 und dem Ausgang (d.h. der Empfindlichkeit) der Brückenschaltkreise 321 und 322. Wie in 41 gezeigt, nimmt die Empfindlichkeit proportional zur Größe des Membranabschnittes zu. Beispielsweise kann bei dem Drucksensor dieser Ausführungsform der Fehlfunktionserkennungsbrückenschaltkreis 322 auf dem zweiten Membranabschnitt 315 der Größe 60 μm × 60 μm einen Ausgang äquivalent zwei mal dem Ausgang des Druckerkennungsbrückenschaltkreises 321 auf dem ersten Membranabschnitt 314 der Größe 45 μm × 45 μm erzeugen. Mit anderen Worten, diese Ausführungsform liefert den Fehlfunktionserkennungsbrückenschaltkreis 322 mit einer höheren Empfindlichkeit im Vergleich zu derjenigen des Druckerkennungsbrückenschaltkreises 321.
Die Fehlfunktionserkennung des Drucksensors gemäß dieser Ausführungsform wird auf folgende Weise durchgeführt. Zunächst werden die Ausgangsspannungsänderungscharakteristik des Druckerkennungsbrückenschaltkreises 321 zu einem an dem ersten Membranabschnitt 314 angelegten Druck, sowie eine Spannungsausgangsänderungscharakteristik des Fehlfunktionserkennungsbrückenschaltkreises 322 zu einem an dem zweiten Membranabschnitt 315 angelegten Druck vorab in einem Speicherschaltkreis 329 gespeichert. Um diese Ausgangsspannungsänderungscharakteristiken zu erhalten, ist es notwendig, die Ausgangswerte der Brückenschaltkreise 321 und 322 zumindest an zwei Druckpunkten zu messen. Unter Berücksichtigung der Natur von Ausgangsspannungsänderungen der Brückenschaltkreise 321 und 322, welche nicht linear sein kann, ist es wünschenswert, Ausgangswerte an drei oder mehr Druckpunkten zufällig zu erhalten, um genaue Änderungscharakteristiken zu erhalten.
Die Beziehung zwischen den Ausgangswerten der beiden Brückenschaltkreise 321 und 322 ist eine feste Beziehung, wie in 42 gezeigt. Genauer gesagt, wenn der Betrieb des Drucksensors normal ist, sind die Ausgangswerte der beiden Brückenschaltkreise 321 und 322 bei einem gewissen Druckpunkt stets jeweils gleich. Folglich wird im Betrieb des Drucksensors der Ausgang vom Druckerkennungsbrückenschaltkreis 321 mit dem Ausgang des Fehlfunktionserkennungsbrückenschaltkreises 322 verglichen. Wenn die gemessene Ausgangsbeziehung nicht identisch mit der gespeicherten Beziehung ist, die im Speicherschaltkreis 329 gespeichert ist, kann beurteilt werden, dass der Brückenschaltkreis 321 nicht normal arbeitet.
In diesem Fall setzt diese Ausführungsform die Empfindlichkeit des Fehlererkennungsbrückenschaltkreises 322 höher als diejenige des Druckerkennungsbrückenschaltkreises 321, in dem die Größe der beiden Membranabschnitte 314 und 315 unterschiedlich gemacht wird. Folglich kann der Fehlfunktionserkennungsbrückenschaltkreis 322 den Fehler oder eine Verschlechterung (Bruch etc.) des Membranabschnittes vor dem Druckerkennungsschaltkreis 321 rasch erkennen. Somit wird es möglich, eine hochgenaue Sensorfehlfunktionserkennung durchzuführen. Die Zuverlässigkeit des Sensors ist verbessert und die Sicherheit gegenüber Fehlfunktionen kann sichergestellt werden.
Gemäß dieser Ausführungsform verschiebt, wenn irgendeine Sensorfehlfunktion erkannt wird, der Fehlfunktionsbeurteilungsschaltkreis 328 zwangsweise seinen Sensorausgang in einen Diagnosebereich, der unterschiedlich zu einem gewöhnlichen Ausgangsspannungsbereich ist (z.B. 0,5~4,5 V) und erzeugt ein Anomaliesignal, welches das Auftreten einer Anomalie anzeigt. Weiterhin kann diese Ausführungsform die Temperaturcharakteristiken des Brückenschaltkreises korrigieren, in dem die Brückenschaltkreise mit zwei unterschiedlichen Änderungscharakteristiken bereitgestellt werden.
Verschiedene Abwandlungen
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet der Drucksensor als Halbleitersubstrat ein SOI-Substrat. Es ist jedoch auch möglich, einen Drucksensor zu verwenden, der ein Einkristall-Siliziumsubstrat verwendet, wie in 43 gezeigt. Der Drucksensor gemäß 43 weist zwei Membranabschnitte 314 und 315 auf, die auf einem Einkristall-Siliziumsubstrat 330 ausgebildet sind. Die diffundierten Widerstände RA~RD mit einer (100)Oberfläche sind auf dem ersten Membranabschnitt 314 ausgebildet. Ähnlich sind die diffundierten Widerstände RE~RH mit einer (100)Oberfläche auf dem zweiten Membranabschnitt 215 ausgebildet. Das Einkristallsilziumsubstrat 330 ist durch anodisches Bonden auf einen Glassockel 331 gebondet. Der Drucksensor dieser Anordnung hat im Wesentlichen die gleichen Effekte wie der Drucksensor der oben beschriebenen Ausführungsform.
Weiterhin ist es, da der Drucksensor der oben beschriebenen Ausführungsform zwei Membranabschnitte 314 und 315 verwendet, möglich, den Fehlfunktionserkennungsbrückenschaltkreis 322 vorübergehend als Druckerkennungsbrückenschaltkreis für den Fall eine Fehlfunktion des Druckerkennungsbrückenschaltkreises 321 zu verwenden.
Bei dem Drucksensor der oben beschriebenen Ausführungsform werden unterschiedliche Ausgänge von den beiden Brückenschaltkreisen erhalten, in dem die Größen der Membran 314 und 315 unterschiedlich gemacht werden. Jedoch ist es möglich, die Dicke des zweiten Membranabschnittes 315 unterschiedlich zu machen, in dem sie kleiner als die Dicke des ersten Membranabschnittes 314 gemacht wird, um unterschiedliche Ausgänge von jeweiligen Brückenschaltkreisen zu erhalten. Weiterhin sind bei der oben beschriebenen Ausführungsform zwei Membranabschnitte auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet. Es ist jedoch möglich, drei oder mehr Membranabschnitte auf diesem Siliziumsubstrat auszubilden, um Brückenschaltkreise mit unterschiedlichen Ausgangsänderungscharakteristiken zu erhalten.
Weiterhin sind bei der oben beschriebenen Ausführungsform sowohl der Druckerkennungsbrückenschaltkreis als auch der Fehlfunktionserkennungsbrückenschaltkreis durch diffundierte Widerstände gebildet. Es ist jedoch möglich, die diffundierten Widerstände durch Dünnfilmwiderstände zu ersetzen.
Weiterhin sind bei der oben beschriebenen Ausführungsform sowohl der Druckerkennungsschaltkreis als auch der Fehlfunktionserkennungsschaltkreis durch Brückenschaltkreise gebildet. Es ist jedoch möglich, einen kapazitiven Sensor zu verwenden.
Eine andere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der gleiche Brückenschaltkreis gemeinsam für eine Druckerkennung und für eine Sensorfehlfunktionserkennung verwendet wird. 44 zeigt einen Schaltkreisaufbau eines Drucksensors, der als Sensor zur Erkennung einer dynamischen Größe gemäß dieser Ausführungsform dient. Nachfolgend wird der Drucksensor dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf 44 beschrieben.
Der Drucksensor gemäß 44 wird verwendet, einen Hydraulikbremsdruck oder dergleichen in einem Kraftfahrzeug zu erkennen. Wie in 44 gezeigt weist der Drucksensor einen Erfassungsabschnitt 401 gebildet aus einem Brückenschaltkreis auf, der aus vier Dehnungsmessern (d. h. diffundierten Widerständen) 401a~401d besteht. Ein Konstantstromkreis 402 erzeugt einen Konstantstrom I. Ein Verabeitungsschaltkreis 403 verarbeitet ein Ausgangssignal vom Erfassungsabschnitt 401. Ein Abtast/Halteschaltkreis (d.h. ein erster Abtast/Halteschalkreis) 404 hält einen Ausgang vom Signalverarbeitungsschaltkreis 403 zu einem bestimmten Zeitpunkt. Ein Selbstdiagnosebefehlerzeugungsschaltkreis 410, der als Zeitgeberschaltkreis dient, erzeugt einen Selbstdiagnosebefehl mit einem bestimmten Zeitverhalten.
Der vom Konstantstromschaltkreis 402 erzeugte Konstantstrom I wird dem Erfassungsabschnitt 401 zugeführt. Die Empfindlichkeit des Erfassungsabschnitts ändert sich in Antwort auf diesen Strom I.
Der vom Konstantstromschaltkreis 402 gelieferte Strom I ist in seiner Größe basierend auf einem Selbstdiagnosebefehlssignal S2 änderbar, welches vom Selbstdiagnosebefehlerzeugungsschaltkreis 410 kommt. Genauer gesagt, der Strom I wird auf einen Konstantstrom I1 zur Erkennung eines Drucks (nachfolgend als Druckerkennung bezeichnet) gesetzt und auf einen Diagnosestrom I2 zur Erkennung eine Anomalie des Drucksensors (nachfolgend als Diagnose bezeichnet).
Die Spannungspegel an jeweiligen Mittelpunkten des Brückenschaltkreises ändern sich in Antwort auf einen angelegten Druckpunkt. Ein Ausgang vom Erfassungsabschnitt 401 wird basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen den Mittelpunkten des Brückenschaltkreises erzeugt. Der Signalverarbeitungsschaltkreis 3 mit einem Verstärker verstärkt den Ausgang vom Erfassungsabschnitt 401. Das verstärkte Signal, dass als Sensorausgang dient, wird über einen Abtast/Halteschaltkreis 404 einer externen Vorrichtung zugeführt.
Eine Ausgangsspannung Vsig des Signalverarbeitungsschaltkreises 403 entspricht einem normalen Betriebsbereich des Drucksensors. Beispielsweise wird, wenn die Versorgungsspannung 5 V beträgt, der Signalverarbeitungsschaltkreis 403 so gesetzt, dass er ein analoges Signal von 0,5~4,5 V erzeugt. 45 zeigt die Beziehung zwischen einem angelegten Druck P und der Ausgangsspannung Vsig. Eine gerade Linie LA stellt die Charakteristiken dar, die erhalten werden, wenn der Konstantstrom I1 über den Erfassungsabschnitt 401 während der Druckerkennung fließt. Eine andere gerade Linie LB stellt die Charakteristiken dar, wenn der Konstantstrom I2 während der Diagnose über den Erfassungsabschnitt 401 fließt. Wenn die Sensoranomalie erkannt wird, wie später beschrieben wird, erzeugt der Signalverarbeitungsschaltkreis 403 ein bestimmtes Ausgangssignal als Anomaliesignal mit einem Signalpegel unterschiedlich zu dem oben beschriebenen normalen Betriebsbereich. Beispielsweise hat das Anomaliesignal einen Spannungspegel gleich oder nahe der Versorgungsspannung oder Massepotential. Das Anomaliesignal wird einem externen System (in der Zeichnung nicht gezeigt) zugeführt, welches das Ausgangssignal vom Drucksensor empfängt. Somit kann das externe System das Auftreten einer Anomalie im Drucksensor bestätigen.
Der Abtast/Halteschaltkreis 404 empfängt das Ausgangssignal vom Signalverarbeitungsschaltkreis 403 während der Druckerkennung und gibt die Ausgangsspannung direkt an den Signalverarbeitungsschaltkreis 403 als Sensorausgang Vout aus. Weiterhin hält der Abtasthalte schaltkreis 404 die Ausgangsspannung vom Signalverarbeitungsschaltkreis 403 während der Diagnose, welche in Antwort auf ein Selbstdiagnosebefehlssignal S1 durchgeführt wird, welches von dem Selbstdiagnosebefehlerzeugungsschaltkreis 410 stammt. Auf diese Weise hält der Abtast/Halteschaltkreis 404 den Ausgangsspannungspegel des Signalverarbeitungsschaltkreises 403, der erhalten wurde unmittelbar bevor die Diagnose durchgeführt wurde. Mit andern Worten, dies macht es möglich, zu verhindern, dass ein Diagnoseausgangssignal, welches vom Signalverarbeitungsschaltkreis 403 erzeugt wird, während der Diagnose einer externen Vorrichtung zugeführt wird.
Weiterhin weist der Drucksensor einen Betriebsverarbeitungsschaltkreis 405 auf, der Berechnungen basierend auf dem Ausgangssignal vom Abtast/Halteschaltkreis 404 und dem Ausgangssignal vom Signalverarbeitungsschaltkreis 403 durchführt. Ein Ausgangssignal (d.h. ein Rechenergebnis) vom Betriebsverarbeitungsschaltkreis 405 wird einem Fensterkomparator 406 zugeführt. Der Fensterkomparator 406 dient als Beurteilungsschaltkreis, um das Auftreten einer Anomalie im Drucksensor zu beurteilen. Ein Abtast/Halteschaltkreis (d.h. ein zweiter Abtast/Halteschaltkreis) 407 hält das Ausgangssignal vom Fensterkomparator 406.
Der Betriebsverarbeitungsschaltkreis 405 führt eine bestimmte Berechnung basierend auf dem Ausgangssignal Vout vom Abtast/Halteschaltkreis 407 und dem Ausgangssignal Visg vom Signalverarbeitungsschaltkreis 403 durch. Details der Berechnung mit dem Betriebsverarbeitungsschaltkreis 405 werden nachfolgend im Detail erläutert.
Wie oben beschrieben wird während der Diagnose von dem Konstantstromschaltkreis 402 gelieferte Strom vom Konstantstrom I1 auf den Diagnosestrom I2 geschaltet. Die Ausgangsspannung Vout zu diesem Moment wird im Abtast/Halteschaltkreis 404 gehalten. Somit wird die Empfindlichkeit des Erfassungsabschnittes 401 erhöht. Die Beziehung zwischen dem angelegten Druck P und der Ausgangsspannung Vsig des Signalverarbeitungsschaltkreises 403 wird auf die gerade Linie LB in 45 geändert.
Es sei nun angenommen, dass V1 die im Abtast/Halteschaltkreis 404 gehaltene Ausgangsspannung darstellt, P den am Erfassungsabschnitt 401 unmittelbar vor Durchführung der Diagnose anliegenden Druck darstellt, S1 die Empfindlichkeit des Erfassungsabschnittes 401 darstellt und VO eine Offsetspannung entsprechend einem Schnitt der geraden Linie LA und der geraden Linie LB darstellt. Die Ausgangsspannung V1 ist durch die folgende Formel 4-1 definiert: V1 = S1 × P + Vo (4-1)
Wenn weiterhin die Empfindlichkeit S1 proportional zum Konstantstrom I1 mit einer Proportionalitätskonstante K ist, kann die obige Formel 4-1 auf folgende Weise neu geschrieben werden: V1 = K × I1 × P + Vo (V-2)
Es sei weiterhin angenommen, dass "a" das Verhältnis des Stroms I2 zum Strom I1 darstellt, das heißt I2 = a × I1, wobei "a" eine beliebige Konstante ist und V2 das Ausgangssignal Vsig des Signalverarbeitungsschaltkreises darstellt. Die Ausgangsspannung V2 wird durch die folgende Formel 4-3 definiert: V2 = K × I2 × P + VO (4-3)
Folglich kann die folgende Formel 4-4 basierend auf den obigen Formeln 4-2 und 4-3 erhalten werden: V2 – V1 = K × (I2 – I1) × P (4-4)
Somit kann die Ausgangsspannung V2 durch die folgende Formel 4-5 erhalten werden: V2 = K × (I2 – I1) × P + V1 (4-5)
Unter Berücksichtigung der Beziehung von I2 = a × I1 kann die obige Formel 4-5 auf folgende Weise neu geschrieben werden: V2 = K × (a – 1)I1 × P + V1 = (a – 1) × S1 × P + V1 = (a – 1) × (V1 – VO) + V1 = a × V1 – (a – 1) × VO (4-6)
Beispielsweise ergibt der Eintrag von a = 0,5 in die obige Formel 4-6 das Ergebnis von V2 = 0,5 × V1 + 0,5 × VO. Wie sich aus dem Obigen ergibt, verwendet die Formel 4-6 den Druck P als funktionellen Faktor nicht. Somit wird die durch diese Formel definierte Beziehung in dem gesamten Druckbereich erhalten. Wenn folglich die Ausgangsspannung V1 in Antwort auf den Konstantstrom I1 und die Ausgangsspannung V2 in Antwort auf den Diagnosestrom I2 die obige Formel 4-5 nicht erfüllen, kann geschlossen werden, dass die Sensorcharakteristik eine Anomalie zeigt. Wenn beispielsweise der Dehnungsmesser 401a beschädigt ist, kann sich der Widerstandswert des Dehnungsmessers 401a in unerwünschter Weise ändern. In einem solchen Fall kann die durch die obige Formel 406 definierte Beziehung abweichen. Folglich ermittelt der Betriebsverarbeitungsschaltkreis 405 ΔV gemäß der folgenden Formel 4-7: ΔV = V2 – (a × V1 – (a – 1) × VO) (4-7).
Der Fensterkomparator 406 vergleicht die Abweichung ΔV, welche vom Betriebsverarbeitungsschaltkreis 405 erhalten worden ist mit einem bestimmten Schwellenwertpegel und überprüft, ob die Abweichung ΔV innerhalb eines bestimmten Bereichs ist oder nicht. Wenn die Abweichung ΔV außerhalb des bestimmten Bereichs ist, erzeugt der Fensterkomparator 406 ein eine Anomalie anzeigendes Signal, welches das Auftreten einer Anomalie im Drucksensor anzeigt. Gemäß dieser Ausführungsform gibt der Fenster komparator 406 ein hochpegeliges Signal als Anomalieanzeigesignal aus.
Der Abtast/Halteschaltkreis 407 empfängt ein Selbstdiagnosebefehlssignal S3 von dem Selbstdiagnosebefehlserzeugungsschaltkreis 410 und hält das Ausgangssignal des Fensterkomparators 406, bis das nächste Selbstdiagnosebefehlssignal empfangen wird. Wenn der Abtast/Halteschaltkreis 407 das Anomalieanzeigesignal (das heißt das hochpegelige Signal) hält, welches ein Auftreten einer Anomalie im Drucksensor feststellt, schaltet der Abtast/Halteschaltkreis 407 einen Transistor 408 für eine bestimmte Zeitdauer ein. In Antwort auf das Einschalten des Transistors 408 sinkt die Ausgangsspannung Vout auf einen kleineren Wert in der Nähe von Massepotential. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung Vout gelangt außerhalb des gewöhnlichen Betriebsbereichs, der während der Druckerkennung erzeugbar ist. Dieses Signal wird einem externen System zugeführt, welches das Ausgangssignal vom Drucksensor empfängt. Somit kann das externe System das Auftreten einer Anomalie im Drucksensor bestätigen.
46 ist ein Zeitdiagramm, welches die Beziehung der Selbstdiagnosebefehlssignale S1, S2 und S3 zeigt, die vom Selbstdiagnosebefehlserzeugungsschaltkreis 410 dem Abtast/Halteschaltkreis 404, dem Konstantstromschaltkreis 402 und dem Abtast/Halteschaltkreis 407 zugeführt werden. Die Arbeitsweise des Drucksensors während der Diagnose wird nachfolgend erläutert.
Gemäß 46 werden, wenn sie während der Diagnose erzeugt werden, die Selbstdiagnosebefehlssignale S1, S2 und S3 den entsprechenden Abschnitten in dieser Reihenfolge übertragen. Zunächst wird das Selbstdiagnosebefehlssignal S1 dem Abtast/Halteschaltkreis 404 übertragen. In Antwort auf das Selbstdiagnosebefehlssignal S1 hält der Abtast/Halteschaltkreis 404 die Ausgangsspannung Vout, die zu diesem Zeitpunkt erzeugt wird und der oben beschriebenen Spannung V1 entspricht.
Nachfolgend wird das Selbstdiagnosebefehlssignal S2 dem Konstantstromschaltkreis 402 zugeführt. In Antwort auf das Selbstdiagnosebefehlssignal S2 ändert der Konstantstromschaltkreis 402 den Strompegel vom Konstantstrom I1 zum Diagnosestrom I2. Somit ändert sich die Ausgangsspannung Vsig des Signalverarbeitungsschaltkreises 403 zur Diagnosespannung V2. Der Betriebsverarbeitungsschaltkreis 405 führt eine Berechnung basierend auf den Spannungen V1 und V2 durch.
Der Fensterkomparator 406 führt die Anomalieerkennung basierend auf dem Rechenergebnis vom Betriebsverarbeitungsschaltkreis 405 durch. In diesem Fall wird das Selbstdiagnosebefehlssignal S3 dem Abtast/Halteschaltkreis 407 zugeführt. In Antwort auf das Selbstdiagnosebefehlssignal S3 hält der Abtast/Halteschaltkreis 407 den Ausgang vom Fensterkomparator 406.
Wenn auf dies Weise die Anomalie des Drucksensors erkannt wird, wird die Ausgangsspannung Vout ein kleiner Wert in der Nähe von Massepotential. Wenn der Sensor normal ist, zeigt die Ausgangsspannung Vout einen Spannungspegel, der auf den angelegten Druck anspricht, bevor die Diagnose durchgeführt wird.
Das Selbstdiagnosebefehlssignal S1~S3, welches vom Selbstdiagnosebefehlserzeugungsschaltkreis 410 erzeugt wird, sollte unabhängig bestimmt werden. Was die Pulsbreite des Selbstdiagnosebefehlssignals S2 betrifft, so ist es bevorzugt, diese Pulsbreite zu verkürzen, um keine Änderungen im Ausgang des Erfassungsabschnittes 401 zu verursachen. Es ist ideal, wenn der Signalverarbeitungsschaltkreis 403 die Spannung V1 und die Spannung V2 in Antwort auf den gleichen Druck ausgibt, um die Anomalieerkennung basierend auf der Spannung V1 und der Spannung V2 durchzuführen. Somit sollte die Pulsbreite des Selbstdiagnosebefehlssignals S2 so kurz sein, dass sich der am Erfassungsabschnitt 401 angelegte Druck nicht wesentlich ändert.
Wie oben beschrieben wird der Stromwert von dem Konstantstromschaltkreis 402 für die Druckerkennung unterschiedlich zur Diagnose gemacht, Die Anomalieerkennung für den Drucksensor wird durchgeführt, in dem überprüft wird, ob die Ausgangsspannung vom Signalverarbeitungsschaltkreis 403 während der Druckerkennung und die Ausgangsspannung des Signalverarbeitungsschaltkreises 403 während der Diagnose eine bestimmte Beziehung erfüllt oder nicht. Unter Verwendung einer solchen singulären Schaltungsanordnung für die Anomalieerkennung des Drucksensors ist es vorteilhaft, dass kein redundanter Schaltkreis notwendig ist.
Weiterhing hält während der Diagnose der Abtast/Halteschaltkreis 404 das Drucksignal, welches unmittelbar vor Durchführung der Diagnose erhalten wurde. Somit wird es möglich, die Anomalieerkennung während der Druckerkennung durchzuführen. Das Drucksignal, welches auf den angelegten Druck anspricht, kann während der Diagnose erzeugt werden. Es wird möglich, zu verhindern, dass das Diagnoseausgangssignal während der Diagnose an eine externe Vorrichtung übermittelt wird.
Gemäß 45 unterscheidet die oben beschriebene Ausführungsform die Druck/Spannungscharakteristik für die Druckerkennung von der Druck/Spannungscharakteristik für die Diagnose. Hierzu wird die Offsetspannung so gesetzt, dass sie einen Spannungspegel außerhalb des Spannungsbereichs hat, der als Ausgangspannung bei einem normalen Betrieb des Drucksensors verwendet wird. Wenn die Offsetspannung innerhalb dieses Spannungsbereichs gelegt wird, schneiden die geraden Linien LA und LB einander im normalen Betriebsbereich. In einem solchen Fall wird die Ausgangsspannung V1 gleich der Ausgangsspannung V2 an dem Schnittpunkt (V1 = V2 = VO). Die Anomalieerkennung kann nicht durchgeführt werden.
Es ist bevorzugt, dass der Drucksensor selbst eine Taktfunktion hat, so dass das Selbstdiagnosebefehlssignal zu von dem Selbstdiagnosebefehlserzeugungsschaltkreis 410 zu bestimmten Intervallen erzeugt wird. Alternativ ist es bevorzugt, dass der Selbstdiagnosebefehlserzeugungsschaltkreis 410 das Selbstdiagnosebefehlssignal in Antwort auf ein Abfragesignal von einer externen Vorrichtung erzeugt.
Verschiedene Abwandlungen
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform hält der Abtast/Halteschaltkreis 407 seinen Ausgang auf gleichem Pegel, bis das nächste Selbstdiagnosebefehlssignal dem Abtast/Halteschaltkreis 407 zugeführt wird. Es ist jedoch möglich, flexibel den Halteterm des Abtast/Halteschaltkreises 407 abhängig von einer Benutzung des Drucksensors zu ändern. Wenn beispielsweise der Drucksensor eine Anomalie zeigt, ist es bevorzugt, den Anomaliewert durchgehend zu halten. Es ist auch möglich, ein Resetsignal an den Abtast/Halteschaltkreis 407 zu übermitteln, so dass der Haltezustand in Antwort auf das Resetsignal zurückgesetzt wird.
Obgleich die oben beschriebene Ausführungsform den Konstantstrom 2 an den Erfassungsabschnitt 401 anlegt, ist die vorliegende Erfindung auch bei einem modifizierten Drucksensor anwendbar, der an den Erfassungsabschnitt 401 eine Konstantspannung anlegt.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Ausgangsspannung Vout in ein Anomaliesignal umgewandelt, um das Auftreten einer Anomalie im Drucksensor festzustellen. Insbesondere wird der gleiche Ausgangsanschluss verwendet, das Sensorsignal auszugeben, welches eine erfasste dynamische Größe darstellt und das Anomaliesignal auszugeben, welches die Sensoranomalie anzeigt. Es ist jedoch möglich, einen unabhängigen Ausgangsanschluss zur Ausgabe des Anomaliesignals vorzusehen.
Weiterhin ist die Anwendung nicht auf einen Drucksensor beschränkt und somit kann eine Anwendung bei einem Beschleunigungssensor oder bei anderen Sensoren zur Erkennung einer dynamischen Größe erfolgen. In diesem Fall wird er Druck P durch eine Beschleunigung G oder dergleichen ersetzt.
Weiterhin ist die Anwendung nicht auf einen Sensor zur Erkennung einer dynamischen Größe begrenzt, mit einem Brückenschaltkreis, der als Erfassungsabschnitt 401 dient; andere Sensoren zur Erkennung einer dynamischen Größe mit anderen Erfassungsabschnitttypen sind möglich, wenn ihre Empfindlichkeiten abhängig von einem angelegten Strom oder einer angelegten Spannung variabel sind.
Nachfolgend wird eine andere Ausführungsform, welche nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Ausgang eines Untersuchungsbrückenschaltkreises von der Druckerkennung nicht beeinflusst wird. Eine Druckerkennungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist beispielsweise bei einem hydraulischen Steuersystem anwendbar, welches Sicherheit und höhere Zuverlässigkeit benötigt, beispielsweise bei einer Fahrzeugbremsvorrichtung, welche einen Hydraulikbremsdruck steuert oder bei einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, welche einen Kraftstoffdruck steuert.
47 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Druckerkennungsvorrichtung 500 gemäß dieser Ausführungsform zeigt. 48 ist eine Draufsicht auf die Druckerkennungsvorrichtung 500 in Richtung des Pfeils N in 47. Die Druckerkennungsvorrichtung 500 ist gebildet aus einem Siliziumhalbleitersubstrat 501 mit einer Oberfläche 501a und einer gegenüberliegenden Oberfläche 501b, welche jeweils eine (110)Oberfläche haben.
Das Siliziumhalbleitersubstrat 501 hat einen zurückspringenden Abschnitt 502, der konkav von der Oberfläche 501b ausgebildet ist, um eine kreisförmige Membran 503 am Boden des zurückspringenden Abschnittes 502 zu bilden. Die Membran ist verformbar, wenn ein Druck auf sie wirkt. Beispielsweise wird der zurückspringende Abschnitt 502 durch Bereitstellen einer Maske eines bestimmten Musters auf der gegenüberliegenden Oberfläche 501b und durch Anwenden eines anisotropen Ätzens mittels KOH oder dergleichen gebildet, so dass die Membran 503 am Bodenteil des zurückspringenden Abschnittes 502 verbleibt.
Eine Mehrzahl von piezoelektrischen Widerständen 541~544 und 551~554 (zum Beispiel acht Widerstände in dieser Ausführungsform) ist auf einer (100)Oberfläche der Membran 503 (das heißt auf der Oberfläche 501a des Siliziumhalbleitersubstrats 501) durch einen Halbleiterprozess wie Diffusion gebildet. Jeder der piezoelektrischen Widerstände 541~544 und 551~554 dient als Dehnungsmesser mit einem Widerstandswert, der sich abhängig von einer Verschiebung der Membran 503 ändert. Die piezoelektrischen Widerstände 541~544 und 551~554 haben die gleichen Widerstandwerte. Beispielsweise die PCT-Anmeldung WO97/05464 beschreibt diese Art von piezoelektrischen Widerständen.
Die piezoelektrischen Widerstände 541~544 und 551~554 bilden zusammen einen Erfassungsschaltkreis der Druckerkennungsvorrichtung 500. Genauer gesagt, der Erfassungsschaltkreis weist einen ersten Brückenschaltkreis 504 und einen zweiten Brückenschaltkreis 505 auf. Der erste Brückenschaltkreis 504 erzeugt einen Brückenausgang, der die Auslenkung der Membran 503 darstellt, die verursacht wird, wenn ein Druck hierauf wirkt. Der zweite Brückenschaltkreis 505 erkennt eine Sensorfehlfunktion.
Die piezoelektrischen Widerstände 541~544, die den ersten Brückenschaltkreis 504 bilden und die piezoelektrischen Widerstände 551~554, die den zweiten Brückenschaltkreis 505 bilden, liegen konzentrisch um die Mitte der Membran 503 herum. Folglich sind die piezoelektrischen Widerstände, die jeweils die Brückenschaltkreise 504 und 505 bilden, gleichmäßig von der Mitte der Membran 503 beabstandet. 48 zeigt zwei konzentrische Kreise E1 und E2, die gestrichelt dargestellt sind und den ersten piezoelektrischen Widerständen 501~544, die den ersten Brückenschaltkreis 504 bilden und den piezoelektrischen Widerständen 551~554 entsprechen, die den zweiten Brückenschaltkreis 505 bilden. Der äußere konzentrische Kreis E2 fällt mit der Umfangslinie der Membran 503 zusammen.
48 zeigt zwei <110> Kristallachsen, die auf der (100)Oberfläche vorhanden sind und senkrecht zueinander sind (wie durch die abwechselnden langen und kurzen gestrichelten Linien dargestellt). In jedem der Brückenschaltkreise 504 und 505 sind zwei der vier piezoelektrischen Widerstände auf einer <110> Kristallachsenrichtung angeordnet, während die anderen beiden in der anderen <110> Kristallachsenrichtung angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform liegt der zweite Brückenschaltkreis 505 radial außerhalb des ersten Brückenschaltkreises 504. Es ist jedoch möglich, die ersten und zweiten Brückenschaltkreise 504 und 505 gegenüberliegend anzuordnen.
Bei dieser Ausführungsform bewirkt ein Paar von gegenüberliegenden piezoelektrischen Widerständen 541 und 543, welche Teil des ersten Brückenschaltkreises 504 bilden, eine Spannungsänderung entlang einer Umfangsrichtung des konzentrischen Kreises E1 mit einem Mittelpunkt identisch zum Mittelpunkt der Membran 503. Das andere Paar von gegenüberliegenden piezoelektrischen Widerständen 542 und 544 bildet den Rest des ersten Brückenschaltkreises 504 und bewirkt eine Spannungsänderung entlang einer Radialrichtung des konzentrischen Kreises E1.
Weiterhin bewirken alle piezoelektrischen Widerstände 551~554, die den zweiten Brückenschaltkreis 505 bilden, eine Spannungsänderung entlang einer Radialrichtung des konzentrischen Kreises E2. Gemäß 48 ist jeder der piezoelektrischen Widerstände 541~544 und 551~554 in Rechteckform ausgebildet, die sich in Längsrichtung erstreckt. In diesem Fall entspricht die Spannungsänderungsrichtung eines jeden piezoelektrischen Widerstands der Längsrichtung hiervon.
49 zeigt eine detaillierte Verdrahtungsverbindung des ersten Brückenschaltkreises 504. 50 zeigt eine detaillierte Verdrahtungsverbindung des zweiten Brückenschaltkreises 505. Obgleich in den 47 und 48 nicht gezeigt, sind die piezoelektrischen Widerstände eines jeden Brückenschaltkreises über ein bestimmtes Verdrahtungsmuster verbunden, welches auf dem Siliziumhalbleitersubstrat 501 ausgebildet ist. Ein solches Verdrahtungsmuster kann beispielsweise durch Diffusion gebildet werden.
Das Arbeitsprinzip der oben beschriebenen Druckerkennungsvorrichtung 500 wird nachfolgend unter Bezug auf die 49 und 50 beschrieben.
Wenn Druck auf die Membran 503 einwirkt, verformt sich die Membran 503 in Antwort auf den angelegten Druck. Jeder der piezoelektrischen Widerstände 541~544 und 551~554 empfängt eine Belastung.
Wie in 49 gezeigt, hat der erste Brückenschaltkreis 504 eine gewöhnliche Anordnung der piezoelektrischen Widerstände auf einer (100)Oberfläche bei dieser Art von Erkennungsvorrichtung. Wenn der angelegte Druck anwächst, nehmen die Widerstandswerte der piezoelektrischen Widerstände 541 und 543 zu, während die Widerstandswerte der piezoelektrischen Widerstände 542 und 544 abnehmen. Der erste Brückenschaltkreis 504 erzeugt den Brückenausgang basierend auf einer Differenz der beiden Ausgänge A1 und A2. Der Brückenausgang ändert sich abhängig von einer Verformung der Membran 503. Somit kann der erste Brückenschaltkreis 504 den auf die Membran 503 einwirkenden Druck erkennen. Demgegenüber ändert sich im zweiten Brückenschaltkreis 505 der Widerstandswert eines jeden der piezoelektrischen Widerstände 551~554 abhängig von der Verformung der Membran 503. Jedoch ändert sich ein Brückenausgang des zweiten Brückenschaltkreises 505 nicht in Antwort auf eine Verformung der Membran 503. Genauer gesagt, wie in 50 gezeigt, nehmen die Widerstandswerte aller piezoelektrischer Widerstände 551~554 in gleicher Richtung in Antwort auf eine Verformung der Membran 503 zu oder ab. Bei dieser Ausführungsform sind die piezoelektrischen Widerstände 551~554 so angeordnet, dass ihre Widerstandswerte in Antwort auf einen Anstieg der Verformung der Membran 503 zunehmen.
Wie beim ersten Brückenschaltkreis 504 erzeugt der zweite Brückenschaltkreis 505 einen Brückenausgang basierend auf einer Differenz beider Ausgänge B1 und B2. Jedoch wird die Differenz der beiden Ausgänge B1 und B2 stets 0, da die piezoelektrischen Widerstände 551~554 die gleiche Widerstandsänderung in gleicher Richtung in Antwort auf den angelegten Druck verursachen. Somit ist der zweite Brückenschaltkreis 505 für die Druckerkennung nicht relevant. Der Brückenausgang des zweiten Brückenschaltkreises 505 wird durch Verformungen, die in der Anordnung der piezoelektrischen Widerstände 551~554 verursacht werden, nicht beeinflusst.
Gemäß der Anordnung des zweiten Brückenschaltkreises 505 ändert sich, wenn die Widerstandswerte der piezoelektrischen Widerstände 551~554 sich abhängig von einer Verformung der Membran 503 ändern, der Brückenausgang des zweiten Brückenschaltkreises 505 in Antwort auf eine Änderung aufgrund einer Belastungsverteilung in der Membran 503. Wenn beispielsweise die Membran 503 reißt oder Risse bekommt oder wenn sich der piezoelektrische Widerstandswert ändert, verursacht der Brückenausgang des zweiten Brückenschaltkreises 505 eine derartige Änderung. Folglich ist eine Fehlfunktionsdiagnose denkbar, indem die Änderung des Brückenausgangs von zweiten Brückenschaltkreis 505 überprüft wird.
Nachfolgend wird bei diesem Erfassungsprinzip die Beziehung zwischen der Belastung in jedem der piezoelektri schen Widerstände 541~544 und 551~554 und jedem Brückenausgang unter Bezugnahme auf die Anordnung der piezoelektrischen Widerstände von 48 und der Verdrahtungsanordnung der 49 und 50 erläutert. Wenn ein Druck auf die Membran 503 einwirkt, erfährt die Membran 503 eine Verformung. In Antwort auf die Verformung bewirkt jeder der piezoelektrischen Widerstände 541~544 und 551~554 eine Belastung mit einer X-Komponente in Richtung eines Pfeils X und einer Y-Komponente in Richtung des Pfeils Y entlang der <110> Kristallachsen.
Von den piezoelektrischen Widerständen 542, 544, 552 und 554, die auf der <110> Kristallachse liegen, die sich in X-Richtung erstreckt, sei nun angenommen, dass σxx die X-Komponente der erzeugten Belastung darstellt und σyy die Y-Komponente der erzeugten Belastung darstellt. von den piezoelektrischen Widerständen 541, 543, 551 und 553, die auf der <110> Kristallachse liegen, die sich in Y-Richtung erstreckt, sei angenommen, dass σxx' die X-Komponente der erzeugten Belastung darstellt und σyy' die Y-Komponente der erzeugten Belastung darstellt (siehe 48).
In jedem piezoelektrischen Widerstand ist ein Ausgang proportional zu einer Differenz zwischen einer Umfangsbelastung und einer Radialbelastung, wenn e1 den Brückenausgang des ersten Brückenschaltkreises 504 darstellt und e2 den Brückenausgang des zweiten Brückenschaltkreises 505 darstellt, sind die Brückenausgänge e1 und e2 in der folgenden Formel 6-1 definiert: e1 ∝ (σxx – σyy) – (σxx' – σyy') e2 ∝ (σxx – σyy) – {–(σxx' – σyy')} = (σxx – σyy) + (σxx' – σyy') (6-1).
Bei dieser Ausführungsform ist in jedem der Brückenschaltkreise 504 und 505 die radiale Belastung σxx gleich der radialen Belastung σyy', während die Umfangsbelastung σxx' gleich der Umfangsbelastung σyy ist. Daher ist der Brückenausgang e1 des ersten Brückenschaltkreises 504 proportional zu 2 (σxx – σyy). Damit ist es möglich, den auf die Membran 503 wirkenden Druck zu erkennen.
Andererseits wird der Brückenausgang e2 des zweiten Brückenschaltkreises 505 zu 0. Somit trägt der zweite Brückenschaltkreis 505 zur Druckerkennung unter der Bedingung nicht bei, dass die Belastungsverteilung an der Membran 503 stabil ist. Wenn sich jedoch die Belastungsverteilung an der Membran 503 ändert, haben die Belastung σxx, σyy, σxx' und σyy' unterschiedliche Werte. Der Brückenausgang des zweiten Brückenschaltkreises 505 ändert sich. Es ist somit möglich, eine derartige Änderung der Belastungsverteilung als Sensorfehlfunktion zu erkennen.
51 ist ein Blockdiagramm, welches den genauen Aufbau des Erfassungsschaltkreises in der Druckerkennungsvorrichtung 500 zeigt. Ein Schaltkreis 5200, der im Wesentlichen aufgebaut ist aus einem Differenzverstärker schaltkreis, enthält einen finalisierten Ausgang Vout basierend auf den Ausgängen der ersten und zweiten Brückenschaltkreise 504 und 505. Der Schaltkreis 5200 hat eine Schaltfunktion der selektiven Eingabe der Ausgänge der ersten und zweiten Brückeschaltkreise 504 und 505.
Genauer gesagt, ein erster Schaltschaltkreis 5202 gibt selektiv die Ausgänge A1 und A2 (siehe 49) des ersten Brückenschaltkreises 504 oder der Ausgänge B1 und B2 (siehe 50) des zweiten Brückenschaltkreises 505 in Antwort auf ein Zeitsignal von einem Zeigeberschaltkreis 5201 ein. Die gewählten Ausgänge werden einem Operationsverstärker 5203 zugeführt. Um eine Datenverwirrung zu vermeiden, steuert der Zeitgeberschaltkreis 5201 die Zeitpunkte der jeweiligen Schaltkreise durch Übertragung des Zeitgebersignals.
Somit erzeugt der Operationsverstärker 5201 einen verstärkten Ausgang proportional zu einer Differenz (A1 – A2) zwischen den beiden Ausgängen A1 und A2 des ersten Brückenschaltkreises 504 oder einen verstärkten Ausgang proportional zu einer Differenz (B1 – B2) zwischen den beiden Ausgängen B1 und B2 des zweiten Brückenschaltkreises 505. Jeder der verstärkten Ausgänge wird einem zweiten Schaltschaltkreis 5204 zugeführt. Der Schaltschaltkreis 5204 führt einen Schaltvorgang zur Speicherung der Differenz (A1 – A2) des ersten Brückenschaltkreises 504 in einem ersten Vergleichsdatenspeicherabschnitt 5205 und zur Speicherung der Differenz (B1 – B2) des zweiten Brüc kenschaltkreises 505 in einem zweiten Vergleichsdatenspeicherabschnitt 5206 durch.
Die ersten und zweiten Vergleichsdatenspeicherabschnitte 5205 und 5206 speichern vorübergehend die von dem zweiten Schaltschaltkreis 5204 kommenden Daten, so dass die gespeicherten Daten in einem Vergleichsschaltkreis 5207 verglichen werden können. Die ersten und zweiten Vergleichsdatenspeicherabschnitte 5205 und 5206 können analoge Daten in digitale Daten zusätzlich zum Schreiben und Löschen der Daten durchführen.
Der Vergleichsschaltkreis 5207 vergleicht die in den ersten und zweiten Vergleichsdatenspeicherabschnitten 5205 und 5206 gespeicherten Daten mit Anfangsdaten (das heißt Spezifikationen), um die Anomalie des Sensors zu beurteilen. Wenn eine irgendeine Anomalie erkannt worden ist, überträgt der Vergleichsschaltkreis 5207 ein Anomaliesignal. Genauer gesagt, wenn die empfangene Differenz (B1 – B2), das heißt der Brückenausgang des zweiten Brückenschaltkreises 505 stabil ist, wird angenommen, dass der Sensorbetrieb normal ist. Der Vergleichsschaltkreis 5207 gibt die Differenz (A1 – A2), das heißt den Brückenausgang des ersten Brückenschaltkreises 504 als Vout aus.
Wenn andererseits der Brückenausgang des zweiten Brückenschaltkreises 504 geändert wird, wird angenommen, dass der Sensorbetrieb nicht normal ist. In diesem Fall ändert der Vergleichsschaltkreis 5207 seinen Ausgang Vout in ein Anomaliesignal. Durch Erzeugung des Anomaliesi gnals auf diese Weise wird es möglich, das Auftreten einer Anomalie an eine elektronische Steuereinheit (ECU) eines Kraftfahrzeuges zu melden.
Wie es sich aus der obigen Beschreibung ergibt, kann die Druckerkennungsvorrichtung 500 der vorliegenden Erfindung eine Druckerkennungsvorrichtung realisieren, die in der Lage ist, eine Sensoranomaliediagnose durch Bereitstellen des zweiten Brückenschaltkreises durchzuführen. Der Freiheitsgrad bei der Auslegung der piezoelektrischen Widerstände 551~554 im zweiten Brückenschaltkreis 505 kann verbessert werden. Folglich wird es möglich, eine effektive Anordnung für die piezoelektrischen Widerstände im Vergleich zu einem herkömmlichen Diagnosesystem mit einer Mehrzahl von Brückenschaltkreisen zu schaffen.
Wie sich weiterhin aus der oben beschriebenen Druckerkennungsvorrichtung 500 ergibt, wird die (100)Oberfläche eines Siliziumhalbleitersubstrats als Oberfläche der Membran 503 verwendet, wenn die piezoelektrischen Widerstände gebildet werden. Dies macht es möglich, die konzentrischen Anordnung der piezoelektrischen Widerstände zu verwenden, die entlang zweier <110> Kristallachsen gemäß 48 angeordnet sind. Eine derartige konzentrische Anordnung ist vorteilhaft dahingehend, dass das Layout der jeweiligen piezoelektrischen Widerstände der ersten und zweiten Brückenschaltkreise 504 und 505 im Vergleich zu einem Fall einfach ist, bei dem die piezo elektrischen Widerstände auf einer (110)Oberfläche ausgebildet werden.
Bei der konzentrischen Anordnung gemäß 48 liegen alle piezoelektrischen Widerstände der ersten und zweiten Brückenschaltkreise 504 und 505 auf den <110> Kristallachsen. Jedoch kann diese konzentrische Anordnung so abgewandelt werden, dass die piezoelektrischen Widerstände 551~554, die den zweiten Brückenschaltkreis 505 bilden, winkelmäßig in Uhrzeigerrichtung gegenüber der entsprechenden <110> Kristallachse versetzt sind, wie in 48 gezeigt.
Weiterhin kann bei der konzentrischen Anordnung gemäß 48 die Verdrahtungsverbindung der piezoelektrischen der jeweiligen Brückenschaltkreise durch einfaches Verbinden benachbarten piezoelektrischer Widerstände auf einer flache Oberfläche problemlos realisiert werden.
Weiterhin bewirkt bei dieser konzentrischen Anordnung ein Paar von gegenüberliegenden piezoelektrischen Widerständen 541 und 543, die Teil des ersten Brückenschaltkreises 504 sind, eine Spannungsänderung entlang einer Umfangsrichtung des konzentrischen Kreises E1 mit einem Mittelpunkt identisch zu dem Mittelpunkt der Membran 503. Das andere Paar von gegenüberliegenden piezoelektrischen Widerständen 552 und 544, welche den Rest des ersten Brückenschaltkreises 504 bilden, bewirkt eine Spannungsänderung entlang einer Radialrichtung des konzentrischen Kreises E1. Weiterhin bewirken alle piezoelektri schen Widerstände 551~554, die den zweiten Brückenschaltkreis 504 bilden, eine Spannungsänderung entlang einer Radialrichtung des konzentrischen Kreises E2.
Somit können die Brückenschaltkreise der konzentrischen Anordnung gemäß der 49 und 50 gebildet werden, indem aufeinanderfolgend die piezoelektrischen Widerstände in Umfangsrichtung verbunden werden. Die Verdrahtungsverbindung der ersten und zweiten Brückeschaltkreise 504 und 505 ist einfach realisierbar.
Die Schaltungsanordnung der Brückenschaltkreise 504 und 505 ist nicht auf die in der oben beschriebenen Ausführungsform beschriebene begrenzt. Beispielsweise muss im zweiten Brückenschaltkreis 505 die Anstiegsrichtung/Abfallrichtung des Widerstandswerts eines jeden piezoelektrischen Widerstandes nicht identisch sein. Das Verdrahtungsverfahren oder -layout der piezoelektrischen Widerstände kann auf verschiedene Weisen abgewandelt werden.
Weiterhin kann diese Ausführungsform bei einer Druckerkennungsvorrichtung angewendet werden, welche eine metallische Membran zur Druckaufnahme, ein Siliziumhalbleitersubstrat auf einer Oberfläche dieser Membran und eine Mehrzahl von piezoelektrischen Widerständen auf diesem Siliziumhalbleitersubstrat aufweist.
Nachfolgend wird eine andere Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 52 und 53 beschrieben. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Fehlfunktionsdiagnose unter Verwendung alleine von Ausgängen einer Druckerkennungsvorrichtung möglich ist. Ein Drucksensor gemäß dieser Ausführungsform wird bevorzugt zum Messen eines Drucks verwendet, beispielsweise eines Hydraulikbremsdrucks in einer Kraftfahrzeugbremsvorrichtung oder eines Brennstoffdrucks in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung. 52 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches einen schematischen Aufbau eines Drucksensors gemäß dieser Ausführungsform zeigt. 53 ist eine graphische Darstellung, welche Änderungscharakteristiken von Ausgängen VB und VC an Ausgangsanschlüssen B und C des Drucksensors in Antwort auf einen angelegten Druck zeigt.
Gemäß 52 weist der Drucksensor einen Brückenschaltkreis (das heisst einen Druckerfassungsschaltkreis) 601 bestehend aus vier Messwiderständen (zum Beispiel diffundierten Widerständen) RA, RB, RC und RD auf, die in Brückenverbindung angeordnet sind. Der Brückenschaltkreis 601 ist auf einem Membranabschnitt (das heißt dünnen Plattenabschnitt) ausgebildet, der auf einem Siliziumsubstrat (nicht gezeigt) gebildet ist. Der Membranabschnitt verformt sich in Antwort auf einen hieran angelegten Druck. Aufgrund des Piezowiderstandeffekts ändert sich der Widerstandswert der jeweiligen Widerstände RA~RD in Richtung eines in 52 dargestellten Pfeils. Um eine Musterung und Temperatureinflüsse zu vermeiden, ist es vorteilhaft, jeweilige Widerstände RA~RD mit im Wesentlichen gleichen Prozessen herzustellen, um die gleiche Form und den gleichen Widerstandswert zu haben.
Zwischen zwei Anschlüsse A und D des Brückenschaltkreises 601 wird eine Konstantspannung Vcc angelegt. Ein Anschluss A ist ein Energieversorgungsanschluss während der andere Anschluss D ein Masseanschluss ist. Ein Mittelpunkt B von zwei Widerständen RA und RB und ein Mittelpunkt C von zwei Widerständen RC und RD dienen als Ausgangsanschlüsse des Brückenschaltkreises 601. Wenn kein Druck auf den Membranabschnitt wirkt, erzeugen die zwei Ausgangsanschlüsse B und C die gleichen Ausgangsspannungen (das heißt Mittelpunktspannungen) VB und VC (also VB = VC = Vcc/2). Wenn irgendein Druck auf den Membranabschnitt wirkt, ändert sich der Widerstand eines jeden der Widerstände RA~RD abhängig von dem angelegten Druck. Im Ergebnis erzeugt der Ausgangsanschluss B eine Ausgangsspannung VB = Vcc/2 + ΔV, während der Ausgangsanschluss C eine Ausgangsspannung VC = Vcc/2 – ΔV erzeugt. Ein Verstärkungsschaltkreis 602 verstärkt eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen B und C. Ein Einstellschaltkreis 603 stellt einen Ausgang des Verstärkungsschaltkreises 602 ein und erzeugt einen eingestellten Ausgang als Sensorausgang Vout. Somit stellt der Wert von Vout einen Messwert des Drucks dar, der auf den Membranabschnitt des Siliziumsubstrats wirkt.
Weiterhin weist der Drucksensor dieser Ausführungsform einen Fehlfunktionsbeurteilungsschaltkreis 604 (das heißt einen Diagnoseschaltkreis, der Fehlfunktionsbeurteilungsvorrichtung dient) auf, um eine Fehlfunktionsbeurteilung des Druckerfassungsschaltkreises basierend auf den Ausgangsspannungen VB und VC der zwei Ausgangsanschlüsse B und C des Brückenschaltkreises durchzuführen, sowie einen Speicherschaltkreis 605 zur Speicherung von Referenzausgangswerten der Ausgangsanschlüsse B und C entsprechend minimalen und maximalen auf den Drucksensor wirkenden Drücken und einen Schaltschaltkreis 606 zum selektiven Ausgeben der Leistungsversorgungsspannung Vcc als Sensorausgang Vout in Antwort auf das Auftreten einer Sensorfehlerfunktion.
Nachfolgend wird die Fehlfunktionserkennung am Drucksensor gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform erläutert. Zuerst werden die Referenzausgangswerte VB und VC entsprechend den minimalen und maximalen Drücken, die auf den Drucksensor wirken, im Speicherschaltkreis 605 gespeichert. In der Praxis ist es vorteilhaft, wenn die Referenzausgangswerte basierend auf feststehenden Werten einer Produktspezifikation des Drucksensors bestimmt werden. Bei diesem Speichervorgang wird die Beziehung zwischen zwei Anschlussausgängen VB und VC genau ermittelt. Genauer gesagt und wie in 53 gezeigt, die Beziehung zwischen zwei Anschlussausgängen VB und VC an einem gewissen Druckpunkt ist festgelegt. Somit werden zwei Anschlussausgänge VB und VC durch eine bestimmte Beziehung VB + VC = Vcc = 2Voff ausgedrückt, wobei Voff ein Offsetwert ist, der variabel ist.
Wenn folglich der Drucksensor arbeitet, werden zwei Anschlussausgänge VB und VC direkt verglichen. Es wird überprüft, ob die obige Beziehung VB + VC = 2Voff erhal ten wird oder nicht. Wenn diese Beziehung nicht erhalten wird, wird angenommen, dass eine Sensorfehlfunktion auftritt. Genauer gesagt, es wird überprüft, ob der Ausgang VC innerhalb eines bestimmten Bereiches 2Voff – VB – δ ≤ VC ≤ 2Voff – VB + δ bezüglich dem anderen Ausgang VB ist oder nicht. 53 zeigt den erlaubten Bereich 2δ, der beliebig gesetzt werden kann, wobei ein möglicher Herstellungsfehler im Drucksensor oder die Erkennungsgenauigkeit berücksichtig wird.
Bei dem Drucksensor der oben beschriebenen Ausführungsform erzeugt der Fehlfunktionsbeurteilungsschaltkreis 604 ein Signal an den Schaltschaltkreisen 606, wenn irgendeine Sensorfehlfunktion erkannt wird. In Antwort auf das Signal vom Fehlerbeurteilungsschaltkreis 604 gibt der Schaltschaltkreis 606 direkt die Leistungsversorgungsspannung Vcc an eine externe Vorrichtung (zum Beispiel ECU) aus, so dass das Auftreten eines Sensorfehlfunktion signalisiert wird.
Wenn weiterhin zwei Ausgangsanschlüsse B und C die gleichen Fehlerkomponenten in entgegengesetztem Plus- und Minusrichtungen erzeugen (zum Beispiel +ΔVe und –Ve), übersteigen die Anschlussausgänge VB und VC den Ausgangsbereich, der im Speicherschaltkreis gespeichert ist, wenn die angelegten Drücke maximiert oder minimiert werden. Somit ist eine Fehlererkennung möglich.
Wie oben beschrieben liefert die oben beschriebene Ausführungsform einen Drucksensor, der in der Lage ist, die Änderung in einem Ausgang eines jeden Ausgangsanschlusses im Brückenschaltkreis zu überwachen und korrekt die Beziehung der jeweiligen Anschlussausgänge zu erhalten. Somit wird es möglich, einen Drucksensor bereitzustellen, der eine hochzuverlässige Sensorfehlfunktionsbeurteilung durchführt.
Weiterhin kann der Aufbau des oben beschriebenen Drucksensors problemlos realisiert werden, indem ein Teil des Schaltkreismusters geändert wird, ohne dass wesentliche Änderungen in den allgemeinen Herstellungsprozessen notwendig werden, welche bei herkömmlichen Drucksensoren angewendet werden. Weiterhin kann der Drucksensor problemlos verkleinert werden.
Weiterhin, obgleich die oben beschriebene Ausführungsform einen Brückenschaltkreis mit zwei Ausgangsanschlüssen als Druckerfassungsschaltkreis verwendet, ist es möglich, einen Schaltkreis mit drei oder mehr Ausgangsanschlüssen zu verwenden. In einem solchen Fall kann die Fehlfunktionsbeurteilung des Druckerfassungsschaltkreises basierend auf den Ausgängen von zwei oder mehr beliebig gewählten Ausgangsanschlüssen durchgeführt werden.
Sechste Ausführungsform
Nachfolgend wird eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 54 bis 58 beschrieben. 54 ist eine Schnittansicht, welche schematisch den Aufbau eines Drucksensors 700 gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Sensorchip 710 aus einem Siliziumsubstrat etc. ist auf eine obere Oberfläche eines Sockels 720, beispielsweise einer Glasplatte, durch ein anodisches Bondierungsverfahren geheftet. Der Sockel 720 wird auf einem Packungsteil 740 aus Metall, Kunststoff oder Keramik mittels eines Klebers 730 angeheftet und getragen.
Der Sensorchip 710 weist eine Membran 711 auf, die in Antwort auf einen hieran angelegten Druck verformbar ist, und eine Mehrzahl von Messwiderständen R1~R6, die ein elektrisches Signal erzeugen, welches den angelegten Druck darstellt, und zwar auf der Verformung der Membran 711. Die Membran 711 ist ein dünner Plattenabschnitt, der durch anisotropes Ätzen oder dergleichen gebildet ist. Die Messwiderstände R1~R6 sind diffundierte Schichten (das heißt diffundierte Messschichten), die in einem Oberflächenbereich der Membran 711 durch die Eindiffusion von Verunreinigungen etc. gebildet sind. 54 zeigt die Messwiderstände R1, R2 und R3.
Die 55A und 55B sind Draufsichten, die die Auslegung der Messwiderstände R1~R6 auf dem Sensorchip 710 zeigen. 55A zeigt die Messwiderstände R1~R6 auf einer (110)Oberfläche eines Siliziumsubstrats. 55B zeigt die Messwiderstände R1~R6 auf einer (100)Oberfläche des Siliziumsubstrats.
Die Anordnung der Messwiderstände R1~R6 sollte unter Berücksichtigung von Verformungsbelastungen in der Membran 711 bestimmt werden. Allgemein gesagt, die Messwiderstände R1~R6 sind entlang zweier <110> Kristallachsen senkrecht zueinander angeordnet, die auf der (110)Oberfläche oder der (100)Oberfläche existieren. Die Messwiderstände R1~R6 sind elektrisch miteinander über eine Diffusionsschicht (nicht gezeigt) verbunden, die auf der Oberfläche der Membran 711 ausgebildet ist und erstrecken sich bis zur Außenseite der Membran 711. Das äußere Ende der jeweiligen Messwiderstände R1~R6 ist elektrisch mit einer Aluminiumverdrahtung 712 (siehe 54) verbunden.
In 54 ist ein isolierender Zwischenfilm 713 zwischen den mittigen Chip 710 und die Verdrahtung 712 gesetzt, um sie elektrisch zu isolieren. Die Bodenseite der Membran 711 ist durch den Sockel 720 luftdicht verschlossen, um einen Vakuumraum zu bilden, der als Referenzdruckkammer 714 dient.
Der Drucksensor 700 wird unter Verwendung einer allgemein bekannten IC-Herstellungstechnik auf folgende Weise gebildet. Zunächst werden die Messwiderstände R1~R6 auf der (110)Oberfläche oder der (100)Oberfläche des Siliziumsubstrats zusammen mit der Diffusionsschicht ausgebildet, welche diese Messwiderstände verbindet. Dann werden der Isolationszwischenfilm 713, die Kontaktöffnung und die Verdrahtung 712 aufeinanderfolgend auf dem Siliziumsubstrat gebildet. Nachfolgend wird ein anisotropes Ätzen unter Verwendung von KOH (Kaliumhydroxid) an der Bodenseite des Siliziumsubstrats angewendet, um die Membran 711 zu bilden. Nachfolgend wird das Siliziumsubstrat auf dem Glassockel 720 angeordnet und durch anodisches Bonden angeheftet. Der bondierte Körper wird dann einem Trennschneiden unterworfen, um separate Chips zu erhalten. Ein Einzelkörper aus Sensorchips 710 und Sockel 720 wird durch den Kleber 730 auf das Packungsteil 740 geheftet, so dass der Drucksensor 700 gemäß 54 erhalten wird.
Nachfolgend wird die Verdrahtungsanordnung der Messwiderstände R1~R6 unter Bezugnahme auf das Schaltkreisdiagramm von 56 erläutert. Diese Ausführungsform verwendet insgesamt sechs Messwiderstände R1~R6 mit jeweils einem Widerstandswert, der sich in Antwort auf einen angelegten Druck ändert. 56 zeigt die elektrische Verbindung dieser sechs Messwiderstände R1~R6, die einen Brückenschaltkreis bilden.
Genauer gesagt, die ersten bis sechsten Messwiderstände R1~R6 sind auf folgende Weise verbunden. Ein erster Messwiderstand R1 ist mit einem zweiten Messwiderstand R2 an einem ersten Verbindungspunkt A verbunden. Der zweite Messwiderstand R2 ist mit einem dritten Messwiderstand R3 an einem zweiten Verbindungspunkt B verbunden. Der dritte Messwiderstand R3 ist mit einem vierten Messwiderstand an einem dritte Verbindungspunkt C verbunden. Der vierte Messwiderstand R4 ist mit einem fünften Messwiderstand R5 an einem vierten Verbindungs punkt D verbunden. Der fünfte Messwiderstand R5 ist mit einem sechsten Messwiderstand R6 an einem fünften Verbindungspunkt E verbunden. Der sechste Messwiderstand R6 wiederum ist mit dem ersten Messwiderstand R1 an einem sechsten Verbindungspunkt F verbunden. Ein Konstantstrom (oder eine Konstantspannung) wird an den sechsten Verbindungspunkt F angelegt. Der dritte Verbindungspunkt C ist mit Masse GND verbunden.
Diese sechs Messwiderstände R1~R6 sind in inkrementierende Messwiderstände klassifiziert mit jeweils einem Widerstandswert, der abhängig von dem angelegten Druck anwächst und dekrementierende Messwiderstände mit jeweils einem Widerstandswert, der abhängig von dem angelegten Druck abnimmt. Mit anderen Worten, jeder der inkrementierenden Messwiderstände erzeugt eine positive Widerstandsänderung in Antwort auf einen an der Membran 711 anliegenden Druck. Weiterhin erzeugt jeder der dekrementierenden Messwiderstände eine negative Widerstandsänderung in Antwort auf einen an der Membran 711 anliegenden Druck. Folglich ist die Widerstandsänderungsrichtung der ersten und fünften Messwiderstände R1 und R5, die auf den angelegten Druck ansprechen, entgegengesetzt zur Widerstandsänderungsrichtung der zweiten und sechsten Messwiderstände R2 und R6. Der dritte Messwiderstand R3 und der vierte Messwiderstand R4 bewirken Widerstandsänderungen in einer gleichen Richtung, wenn Druck auf die Membran wirkt.
Bei dieser Ausführungsform bewirken die ersten, dritten, vierten und fünften Messwiderstände R1, R3, R4 und R5 positive (oder inkrementierende) Widerstandsänderungen in Antwort auf den angelegten Druck. Die zweiten und sechsten Messwiderstände R2 und R6 verursachen negative (oder dekrementierende) Widerstandsänderungen in Antwort auf den angelegten Druck. In der zeichnerischen Darstellung dieser Ausführungsform bezeichnet ein nach oben gerichteter Pfeil eine positive Widerstandsänderung und ein nach unten gerichteter Pfeil eine negative Widerstandsänderung.
Bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung bilden die ersten, zweiten, fünften und sechsten Messwiderstände R1, R2, R5 und R6 zusammen einen Druckerkennungsbrückenschaltkreis. Eine bestimmte Spannung oder ein Strom wird zwischen den dritten Verbindungspunkt C und den sechsten Verbindungspunkt F angelegt. Ein elektrisches Signal (d.h. ein Druckerkennungssignal), welches den angelegten Druck darstellt, wird basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Verbindungspunkt A und dem fünften Verbindungspunkt E erzeugt (d.h. eine A-E-Spannung).
Der dritte Messwiderstand R3 und der vierte Messwiderstand R4 bewirken eine Widerstandsänderung in gleicher Richtung in Antwort auf den angelegten Druck. Wenn alle Messwiderstände R1~R6 normal sind, ergibt sich kein nachteiliger Einfluss auf die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Verbindungspunkt A und dem fünften Verbindungs punkt E. Die Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Verbindungspunkt B und dem vierten Verbindungspunkt D, d.h. eine B-D-Spannung, welche als Fehlfunktionsanzeigesignal dient, ändert sich nicht. Solange somit die Sensorausgangsempfindlichkeit normal ist, kann die B-D-Spannung bei 0 V gehalten werden.
Wenn Druck auf die Oberfläche der Membran 711 wirkt, verformen sich die jeweiligen Messwiderstände R1~R6 zusammen mit der Membran 711. Der Widerstandswert eines jeden Messwiderstands ändert sich abhängig von einer Verformung der Membran 711. Die A-E-Spannung stellt eine Verformung der Membran 711 dar. Somit kann diese Ausführungsform den anliegenden Druck erkennen.
Wenn wenigstens einer der ersten bis sechsten Messwiderstände R1~R6 eine anormale Widerstandsänderung aufgrund eines Fehlers verursacht oder wenn die Änderungsrate des Widerstandswerts in Antwort auf den angelegten Druck sich ändert, weicht die B-D-Spannung (d.h., das Fehlfunktionsanzeigesignal) von einem normalen Wert ab (d.h. wird unterschiedlich von 0 V). Somit kann eine Anomalie der Widerstandswerte der Messwiderstände R1~R6 durch Prüfung der B-D-Spannung erkannt werden.
Weiterhin macht die Möglichkeit, die Anomalie der Widerstandswerte der Messwiderstände R1~R6 zu erkennen, es möglich, eine Offsetanomalie des Sensorausgangs, sowie irgendeine Anomalie der Widerstandsänderung in Antwort auf den angelegten Druck zu erkennen. Somit kann eine An omalie in der Ausgangsempfindlichkeit des Sensors erkannt werden. Folglich schafft diese Ausführungsform einen Drucksensor 700, der in der Lage ist, eine Anomalie in seiner Ausgangsempfindlichkeit zu erkennen, selbst wenn der Sensor arbeitet, um einen unter verschiedenen Bedingungen angelegten Druck zu erkennen.
Obgleich 56 die Verdrahtungsanordnung unter Verwendung von sechs Messwiderständen R1~R6 zeigt, ist es möglich, die Anzahl von Messwiderständen zu erhöhen. 57 zeigt eine modifizierte Ausführungsform (d.h. erste Abwandlung) mit einer Verdrahtungsanordnung unter Verwendung von insgesamt acht Messwiderständen. 58 zeigt eine andere modifizierte Ausführungsform (d.h. zweite Anwandlung) mit einer Verdrahtungsanordnung unter Verwendung von insgesamt 8 Messwiderständen. Bei den ersten und zweiten Abwandlungen der sechsten Ausführungsform wird der dritte Messwiderstand R3 durch zwei Messwiderstände R31 und R32 gebildet und der vierte Messwiderstand R4 wird durch zwei Messwiderstände R43 und R44 gebildet.
Bei den ersten und zweiten Abwandlungen bewirken die Widerstände R31 und R32 zwischen dem zweiten Verbindungspunkt B und dem dritten Verbindungspunkt C (d.h. B-C-Spannung) eine Widerstandswertänderung in Antwort auf den angelegten Druck in gleicher Richtung wie die Widerstände R43 und R44 zwischen dem dritten Verbindungspunkt C und dem vierten Verbindungspunkt D (d.h. C-D-Spannung). Somit machen wie bei der Anordnung von 56 die Schaltungsanordnungen der ersten und zweiten Abwandlungen es möglich, ein Druckerkennungssignal basierend auf der A-E-Spannung zu erzeugen, in dem eine Spannung oder ein Strom zwischen die Verbindungspunkte F und C angelegt wird. Weiterhin kann eine Anomalie in der Ausgangsempfindlichkeit des Sensors basierend auf der B-D-Spannung (d.h. dem Fehlfunktionsanzeigesignal) erkannt werden.
Zusammenfassend weist die oben beschriebene Ausführungsform wenigstens sechs Messwiderstände (R1~R6) auf mit den inkrementierenden Messwiderständen R1, R3 und R5, die jeweils einen Widerstandswert haben, der sich in Antwort auf einen angelegten Durck erhöht und den dekrementierenden Messwiderständen R2, R4 und R6 mit jeweils einem Widerstandswert, der sich Antwort auf den angelegten Druck verringert. Das elektrische Signal (d.h. Druckerkennungssignal), das den angelegten Druck anzeigt, wird basierend auf der Spannungsdifferenz zwischen zwei bestimmten Verbindungspunkten A und E (d.h. A-E-Spannung) erzeugt. Eine Sensorfehlfunktion wird basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen zwei anderen Verbindungspunkten B und D (d.h. B-D-Spannung) erkannt.
Bei dieser Ausführungsform wird der Brückenschaltkreis durch wenigstens vier Messwiderstände R1, R2, R5 und R6 gebildet. Somit ist die Druckerkennung basierend auf dem Druckerkennungssignal möglich, das als Spannungsdifferenz zwischen den zwei Punkten A und E erzeugt wird. Immer dann, wenn alle Messwiderstände normal sind, ist es möglich, zwei Punkte B und D zu wählen, deren Spannungspegel sich in Antwort auf den angelegten Druck nicht ändern. Diese gewählten Punkte B und D sind anders als die obigen Punkte A und E, die zur Erkennung des angelegten Drucks verwendet werden.
Wenn irgendeine Anomalie in der Membran 711 oder in den jeweiligen Messwiderständen R1~R6 während des Sensorbetriebs auftritt, bewirkt die Spannungsdifferenz zwischen den zwei ausgewählten Punkten B und C eine Änderung und kann als eine Fehlfunktion des Sensors erkannt werden. Folglich kann die vorliegende Erfindung den Drucksensor 700 schaffen, der in der Lage ist, eine Anomalie in seiner Ausgangsempfindlichkeit zu erkennen, selbst wenn der Sensor unter verschiedenen Umständen arbeitet, um einen Druck zu erfassen, der angelegt wird.
Die vorliegenden Ausführungsformen, wie sie voranstehend beschrieben wurden, sollen rein illustrativ und nicht einschränkend sein, da der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die voranstehende Beschreibung definiert ist.

Claims

Drucksensor mit: – einem Halbleitersubstrat (1), das einen Membranabschnitt (2) umfasst; – einer Druckerfassung-Brückenschaltung (10), die Messwiderstände (RA–RD) umfasst, welche Widerstandswerte aufweisen, die sich in Antwort auf einen den Membranabschnitt (2) des Halbleitersubstrats (1) beaufschlagenden Druck verändern; und – einer Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung (11, 12), die zwischen ein Ende und das weitere Ende der Druckerfassung-Brückenschaltung geschaltet ist, um eine Referenzspannung zu erzeugen, wobei die Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung nicht-sensitive Widerstände (RE, RF) umfasst, die auf einem verbleibenden Abschnitt des Halbleitersubstrats, der nicht der Membranabschnitt (2) ist und nicht durch Druckbeaufschlagung des Membranabschnitts (2) beeinflusst wird, angeordnet sind und Widerstandswerte besitzen, die sich nicht in Antwort auf den den Membranabschnitt (2) beaufschlagenden Druck verändern; – wobei eine Fehlfunktion-Beurteilung der Druckerfassung-Brückenschaltung (10) auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz (V_BC) zwischen zwei Mittenpunkten (B, C) der Druckerfassung-Brückenschaltung sowie einer Spannungsdifferenz (V_CE, V_BE) zwischen einem Spannungspegel von einem der zwei Mittenpunkte (B, C) der Druckerfassung-Brückenschaltung (10) und dem Referenzspannungspegel der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung erfolgt.
Halbleitersensor mit: – einem Halbleitersubstrat (1), das einen Membranabschnitt (2) umfasst; – einer Druckerfassung-Brückenschaltung (10), die Messwiderstände (RA–RD) umfasst, welche Widerstandswerte aufweisen, die sich in Antwort auf einen den Membranabschnitt (2) des Halbleitersubstrats (1) beaufschlagenden Druck verändern; wobei – die Messwiderstände durch getrennte Messwiderstände (RA1–RD2) gebildet sind; und – eine Fehlfunktion-Beurteilung der Druckerfassung-Brückenschaltung (10) auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Mittenpunkten (B, C) der Druckerfassung-Brückenschaltung (10) sowie einer Spannungsdifferenz (V_B1C1, V_B2C2) zwischen einem Paar von zwischenliegenden Anschlüssen, ausgewählt aus zwischenliegenden Anschlüssen (B1, B2, C1, C2) der getrennten Messwiderstände erfolgt, wobei das ausgewählte Paar von zwischenliegenden Anschlüssen in einem Zustand, in dem der Membranabschnitt mit keinem Druck beaufschlagt ist, den gleichen Spannungspegel aufweist.
Drucksensor mit: – einem Halbleitersubstrat (1), das einen Membranabschnitt (2) umfasst; und – einer Druckerfassung-Brückenschaltung (10), die Messwiderstände (RA–RD) umfasst, die Widerstandswerte aufweisen, die sich in Antwort auf einen den Membranabschnitt (2) des Halbleitersubstrats (1) beaufschlagenden Druck verändern; wobei – eine Fehlfunktion-Beurteilung der Druckerfassung-Brückenschaltung (10) auf der Grundlage von Span nungsdifferenzen (V_AB, V_CD, V_AC, V_BD) zwischen einem und den weiteren Anschlüssen (A, D) der Brückenschaltung und einem ersten und einem zweiten zwischenliegenden Anschluss (B, C) der Brückenschaltung erfolgt.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Verstärkungsschaltung vorgesehen ist, um jede Spannungsdifferenz zu verstärken, und eine Fehlfunktion-Beurteilung der Druckerfassung-Brückenschaltung (10) auf der Grundlage eines Ausgangssignals von der Verstärkerschaltung erfolgt.
Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe, der vier Messwiderstände (Ra–Rd) umfasst, die jeweils einen Widerstandswert aufweisen, der sich in Antwort auf eine erfasste physikalische Größe ändert, wobei die vier Messwiderstände eine Brückenschaltung bilden und wobei: – die Messwiderstände, die die Brückenschaltung bilden, getrennte Widerstände (Ra1–Rd2) sind; – ein Sensorausgangssignal auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz (V_BC) zwischen zwei Mittenpunkten der Brückenschaltung erzeugt wird; – ein Untersuchungsausgangssignal auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz (V_WX) zwischen einem Paar von zwischenliegenden Anschlüssen, die aus zwischenliegenden Anschlüssen (W, X, Y, Z) der getrennten Messwiderstände ausgewählt sind, erzeugt wird, wobei das ausgewählte Paar von zwischenliegenden Anschlüssen in einem Zustand, in dem keine physikalische Größe auf den Sensor wirkt, den gleichen Spannungspegel aufweist; und – ein Einstellungsmittel (203) mit dem ausgewählten Paar von zwischenliegenden Anschlüssen verbunden ist, um eine Fehlerkomponente des Erfassungssignals einzustellen.
Sensor nach Anspruch 5, wobei eine Verstärkungsschaltung (202) mit dem ausgewählten Paar von zwischenliegenden Anschlüssen verbunden ist und das Einstellungsmittel ein Ausgangssignal der Verstärkungsschaltung einstellt.
Sensor nach Anspruch 6, wobei das Einstellungsmittel eine Spannungsverstärungsschaltung ist und ein Ausgangsspannungspegel der Verstärkungsschaltung durch ein Ausgangssignal der Spannungsverstärkungsschaltung angehoben wird, um so die Fehlerkomponente des Erfassungssignals einzustellen.
Sensor nach Anspruch 6, wobei: – die Spannungsverstärkungsschaltung einen nicht invertierenden Eingangsanschluss besitzt, der eine Referenzspannung empfängt; – die Referenzspannung von einer Versorgungsspannung auf der Grundlage einer Spannungsteilung durch einen ersten und einen zweiten Transistor (R1, R2) geliefert wird; und – ein Widerstandswert von wenigstens entweder dem ersten oder dem zweiten Widerstand durch Abgleichen einstellbar ist.
Drucksensor mit: – einer Membran (711), die in Antwort auf einen sie beaufschlagenden Druck verformbar ist; und – einer Mehrzahl von Messwiderständen, die auf der Grundlage einer Verformung der Membran ein elek trisches Signal erzeugen, das ein Maß für den beaufschlagenden Druck ist; wobei – die Messwiderstände wenigstens einen ersten bis einen sechsten Messwiderstand (R1–R6) umfassen, von denen jeder einen Widerstandswert besitzt, der sich in Übereinstimmung mit dem beaufschlagenden Druck verändert; – die aus wenigstens dem ersten bis sechsten Messwiderstand bestehenden Messwiderstände aus inkrementellen Messwiderständen und dekrementellen Messwiderstanden bestehen, die elektrisch verbunden sind, wobei jeder der inkrementellen Messwiderstände einen Widerstandswert aufweist, der in Übereinstimmung mit dem beaufschlagenden Druck zunimmt, und jeder der dekrementellen Messwiderstände einen Widerstandswert aufweist, der in Übereinstimmung mit dem beaufschlagenden Druck abnimmt; und – das elektrische Signal, das den beaufschlagenden Druck repräsentiert, auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen zwei vorbestimmten Punkten (A, E) einer Mehrzahl von Verbindungspunkten (A–F) der wenigstens sechs Messwiderstände erzeugt wird und eine Sensorfehlfunktion auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen zwei weiteren Punkten (B, D) der Verbindungspunkte (A–F) erfasst wird.
Drucksensor nach Anspruch 9, wobei: – der erste Messwiderstand (R1) mit einem zweiten Messwiderstand (R2) an einem ersten Verbindungspunkt (A) verbunden ist, der zweite Messwiderstand (R2) mit einem dritten Messwiderstand (R3) an einem zweiten Verbindungspunkt (B) verbunden ist, der dritte Messwiderstand (R3) mit einem vierten Messwiderstand (R4) an einem dritten Verbindungspunkt (C) verbunden ist, der vierte Messwiderstand (R4) mit einem fünften Messwiderstand (R5) an einem vierten Verbindungspunkt (D) verbunden ist, der fünfte Messwiderstand (R5) mit einem sechsten Messwiderstand (R6) an einem fünften Verbindungspunkt (E) verbunden ist, und der sechste Messwiderstand (R6) mit dem ersten Messwiderstand (R1) an einem sechsten Verbindungspunkt (F) verbunden ist; – der erste und der fünfte Messwiderstand Widerstandsänderungen in der gleichen Richtung bewirken, wenn der Druck auf die Membran ausgeübt wird, während der zweite und der sechste Messwiderstand Widerstandsänderungen in der entgegengesetzten Richtung bewirken, wenn der Druck auf die Membran ausgeübt wird; – der dritte und der vierte Messwiderstand Widerstandsänderungen in der gleichen Richtung bewirken, wenn der Druck auf die Membran ausgeübt wird; und – das elektrische Signal, das den beaufschlagenden Druck repräsentiert, auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem fünften Verbindungspunkt, die bewirkt wird, wenn eine Spannung oder ein Strom zwischen den dritten und den sechsten Verbindungspunkt angelegt wird, erzeugt wird, während eine Sensorfehlfunktion auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten und dem vierten Verbindungspunkt erfasst wird.
Drucksensor gemäß Anspruch 10, wobei der dritte und der vierte Messwiderstand (R3, R4) und der erste und der fünfte Messwiderstand (R1, R5) die Widerstandsänderungen in der gleichen Richtung bewirken.