JP2002039891A

JP2002039891A - 圧力検出装置

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Publication number: JP2002039891A
Application number: JP2000229007A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Tanaka; 宏明田中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2002-02-06

Abstract

(57)【要約】【課題】受圧用のダイヤフラムと、このダイヤフラム
の一面側に形成されダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値
が変化する複数個のピエゾ抵抗と、複数個のピエゾ抵抗
により構成された複数のブリッジ回路とを備え、故障診
断可能な圧力検出装置において、ピエゾ抵抗の配置余裕
度を大きくする。【解決手段】シリコン半導体基板１の一面１ａ側に形
成されたダイヤフラム３上には、複数個のピエゾ抵抗４
１〜４４、５１〜５４により、２つのブリッジ回路４、
５が同心円状に形成されており、第１のブリッジ回路４
は、ダイヤフラム３の歪みに応じてブリッジ出力が変化
する圧力検出用のものであり、第２のブリッジ回路５
は、ダイヤフラム３の歪みに応じて個々のピエゾ抵抗５
１〜５４の抵抗値が変化するようになっているととも
に、ダイヤフラム３の歪みに応じてブリッジ出力が変化
しないように結線されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受圧用のダイヤフ
ラムと、このダイヤフラムの一面側に形成されダイヤフ
ラムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数個のピエゾ抵
抗と、複数個のピエゾ抵抗により構成された検出回路と
を備える圧力検出装置に関し、特に故障診断機能を備え
る圧力検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の圧力検出装置としては、
特表平１０−５０６７１８号公報に記載のものが提案さ
れている。このものは、ダイヤフラムのそれぞれ半分上
にピエゾ抵抗よりなるブリッジ回路を有しており、これ
ら２つのブリッジ回路からのブリッジ出力（ブリッジ信
号）を比較することによって、圧力検出を行うとともに
故障診断を可能としたものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の圧力検出装置においては、２つのブリッジ回路の一
方を圧力検出用、他方を故障診断用として用いることが
できるものの、両ブリッジ回路とも、ダイヤフラムの歪
みに応じてブリッジ出力が変化するようになっている。

【０００４】そのため、両ブリッジ回路とも、ピエゾ抵
抗の位置がずれることによって、ブリッジ出力が変化し
てしまい、正確な故障診断を行い難い。つまり、上記従
来の圧力検出装置においては、ピエゾ抵抗の配置の余裕
度が低いという点で問題がある。

【０００５】そこで、本発明は上記問題に鑑み、受圧用
のダイヤフラムと、このダイヤフラムの一面側に形成さ
れダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数個
のピエゾ抵抗と、複数個のピエゾ抵抗により構成された
複数のブリッジ回路とを備え、故障診断可能な圧力検出
装置において、ピエゾ抵抗の配置余裕度を大きくするこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明では、受圧用のダイヤフラム（３）
と、このダイヤフラムの一面側に形成されダイヤフラム
の歪みに応じて抵抗値が変化する複数個のピエゾ抵抗
（４１〜４４、５１〜５４）と、複数個のピエゾ抵抗に
より構成された検出回路とを備える圧力検出装置におい
て、検出回路を、ダイヤフラムの歪みに応じてブリッジ
出力が変化する圧力検出用の第１のブリッジ回路（４）
と、ダイヤフラムの歪みに応じて個々のピエゾ抵抗の抵
抗値が変化するようになっているとともに、ダイヤフラ
ムの歪みに応じてブリッジ出力が変化しないように結線
されている第２のブリッジ回路（５）とにより構成した
ことを特徴としている。

【０００７】本発明によれば、第１のブリッジ回路によ
り、圧力検出を行うことができる。一方、第２のブリッ
ジ回路は、ダイヤフラムの歪みに応じてブリッジ出力が
変化しないように結線されているため、圧力検出には関
与せず、第２のブリッジ回路については、ピエゾ抵抗の
配置において位置ずれが起こっても影響はない。

【０００８】また、第２のブリッジ回路はダイヤフラム
の歪みに応じて個々のピエゾ抵抗の抵抗値が変化するよ
うになっており、ダイヤフラムの破損やピエゾ抵抗の抵
抗値変化等の故障に対してはブリッジ出力が変化するた
め、第２のブリッジ回路のブリッジ出力の変化を検知す
ることで故障診断が可能である。

【０００９】このように、本発明によれば、第２のブリ
ッジ回路を備えることによって故障診断可能な圧力検出
装置を実現できるとともに、第２のブリッジ回路におけ
るピエゾ抵抗の配置自由度が大きくなるため、結果的に
ピエゾ抵抗の配置余裕度を大きくすることができる。

【００１０】また、請求項２の発明では、ダイヤフラム
（３）の一面側をシリコン半導体基板（１）の（１０
０）面として構成し、各々のブリッジ回路（４、５）に
おいて、ピエゾ抵抗（４１〜４４、５１〜５４）を（１
００）面に形成したことを特徴としている。

【００１１】本発明のように、ダイヤフラムの一面側を
シリコン基板の（１００）面として構成すれば、当該
（１００）面に存在する２本の＜１１０＞結晶軸を利用
して上記第１及び第２のブリッジ回路における各ピエゾ
抵抗の配置を容易に行うことができる。

【００１２】また、請求項３の発明では、第１のブリッ
ジ回路（４）を構成するピエゾ抵抗（４１〜４４）と第
２のブリッジ回路（５）を構成するピエゾ抵抗（５１〜
５４）とを、ダイヤフラム（３）の中心に対して互いに
同心円状に配置したことを特徴としている。それによれ
ば、各ブリッジ回路における結線を容易に行うことがで
きる。

【００１３】また、請求項４の発明では、第１のブリッ
ジ回路（４）を構成するピエゾ抵抗のうち１組の相対向
するピエゾ抵抗（４１、４３）を、電位変化の方向がダ
イヤフラム（３）の中心に対する同心円の円周方向とな
るようにし、他の組の相対向するピエゾ抵抗（４２、４
４）を、電位変化の方向が当該同心円の径方向となるよ
うにするとともに、第２のブリッジ回路（５）を構成す
る全てのピエゾ抵抗（５１〜５４）を、電位変化の方向
が当該同心円の径方向となるようにしたことを特徴とし
ている。それによれば、各ブリッジ回路における結線を
容易に行うことができる。

【００１４】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態の圧力検出装置は、例え
ば、安全性及び高精度制御が必要な自動車用ブレーキ圧
検出器、燃料噴射圧制御検出器等に用いることができ
る。

【００１６】図１は、本発明の実施形態に係る圧力検出
装置Ｓ１の概略断面図であり、図２は、図１中のＡ矢視
平面図である。この圧力検出装置Ｓ１は、一面１ａと他
面１ｂの面方位が（１１０）面であるシリコン半導体基
板１に形成されたものである。

【００１７】シリコン半導体基板１には、当該基板１の
他面１ｂから凹んだ凹部２が形成されている。この凹部
２の形成に伴い薄肉部となった凹部２の底面側には、平
面形状が円形である受圧用のダイヤフラム３が形成され
ている。このダイヤフラム３は、例えば、当該基板１の
他面１ｂに所定パターンのマスクを形成し、ＫＯＨ等を
用いた異方性エッチングを行い凹部２を形成することに
より形成される。

【００１８】また、（１００）面であるダイヤフラム３
の一面（シリコン半導体基板１の一面１ａ側）には、ダ
イヤフラム３の歪みに応じて抵抗値が変化する歪みゲー
ジとしてのピエゾ抵抗４１〜４４、５１〜５４が拡散等
の半導体プロセスにより複数個（図示例では８個）形成
されている。これらピエゾ抵抗の各々は同一の抵抗値を
有するものであり、例えば、上記特表平１０−５０６７
１８号公報に記載されているような折り返し形状のもの
とすることができる。

【００１９】これらピエゾ抵抗４１〜４４、５１〜５４
により、圧力検出装置Ｓ１の検出回路が構成されてお
り、この検出回路は、ダイヤフラム３の歪みに応じてブ
リッジ出力が変化する圧力検出用の第１のブリッジ回路
４と、故障診断用の第２のブリッジ回路５とよりなる。

【００２０】第１のブリッジ回路４を構成するピエゾ抵
抗４１〜４４と第２のブリッジ回路５を構成するピエゾ
抵抗５１〜５４とは、円形のダイヤフラム３の中心に対
して同心円状に配置されている。即ち、各ブリッジ回路
４、５において、各ピエゾ抵抗はダイヤフラム３の中心
から等距離にある。ここで、図２中には便宜上、各同心
円Ｅ１、Ｅ２を破線にて示してあり、外側の同心円Ｅ２
はダイヤフラム３の外形とも一致している。

【００２１】本例では、各々のブリッジ回路４、５にお
いて、ピエゾ抵抗４１〜４４、５１〜５４は、（１０
０）面に存在する相直交する＜１１０＞結晶軸方向（図
中、一点鎖線にて図示）に沿って、それぞれ２個ずつ配
置されている。なお、本例では、第１のブリッジ回路４
の外側に第２のブリッジ回路５が設けられているが、逆
の配置でも良い。

【００２２】また、本例では、第１のブリッジ回路４を
構成するピエゾ抵抗４１〜４４のうち１組の相対向する
ピエゾ抵抗４１、４３は、電位変化の方向がダイヤフラ
ム３の中心に対する同心円Ｅ１の円周方向となってお
り、他の組の相対向するピエゾ抵抗４２、４４は、電位
変化の方向が当該同心円Ｅ１の径方向となっている。

【００２３】また、第２のブリッジ回路５を構成する全
てのピエゾ抵抗５１〜５４は、電位変化の方向が同心円
Ｅ２の径方向となっている。なお、図２中、各ピエゾ抵
抗４１〜４４、５１〜５４は長方形にて示されている
が、各ピエゾ抵抗の電位変化の方向は、長方形の長手方
向に対応している。

【００２４】また、第１のブリッジ回路４の結線図を図
３に、第２のブリッジ回路５の結線図を図４にそれぞれ
示す。これら各ピエゾ抵抗の結線は図１及び図２では図
示しないが、シリコン半導体基板１に拡散等により形成
された配線等を介して行われている。

【００２５】これら図３及び図４を参照して、圧力検出
装置Ｓ１の作動原理について述べる。ダイヤフラム３に
圧力が印加されるとダイヤフラム３が歪み、各ピエゾ抵
抗４１〜４４、５１〜５４には応力が印加される。

【００２６】図３に示す様に、第１のブリッジ回路４
は、この種の圧力検出装置における（１００）面での通
常のピエゾ抵抗の配置であり、圧力の増加に対してピエ
ゾ抵抗４１、４３が抵抗値が増加し、ピエゾ抵抗４２、
４４が抵抗値が減少するように結線されている。そし
て、ブリッジ出力は出力Ａ１と出力Ａ２との差分であ
り、ダイヤフラム３の歪みに応じてブリッジ出力が変化
し、圧力が検出可能となっている。

【００２７】一方、第２のブリッジ回路５は、ダイヤフ
ラム３の歪みに応じて個々のピエゾ抵抗５１〜５４の抵
抗値が変化するようになっているが、ダイヤフラム３の
歪みに応じてブリッジ出力が変化しないように結線され
ているものである。本例では、図４に示す様に、全ての
ピエゾ抵抗５１〜５４の抵抗値の増減方向が同一となる
（図４では全て増加方向）ように結線されている。

【００２８】第２のブリッジ回路５においても、ブリッ
ジ出力は出力Ｂ１と出力Ｂ２との差分であるが、全ての
ピエゾ抵抗５１〜５４が圧力増加に対して抵抗値が増加
するので、差分をとってもブリッジ出力の変化は０であ
り続ける。そのため、第２のブリッジ回路５は、圧力検
出には関与せず、第２のブリッジ回路５については、ピ
エゾ抵抗５１〜５４の配置において位置ずれが起こって
もブリッジ出力への影響はない。

【００２９】しかし、第２のブリッジ回路５はダイヤフ
ラム３の歪みに応じて個々のピエゾ抵抗５１〜５４の抵
抗値が変化するようになっているため、ダイヤフラム３
の応力分布が変化する状況（例えば、ダイヤフラムの割
れ、欠け、ピエゾ抵抗抵抗値の変化等）になった場合、
ブリッジ出力が変化する。そのため、第２のブリッジ回
路５のブリッジ出力の変化を検知することで故障診断が
可能である。

【００３０】この検出原理における各ピエゾ抵抗４１〜
４４、５１〜５４に発生する応力と各ブリッジ出力との
関係について、図２に示すピエゾ抵抗の配置例、図３及
び図４に示す結線例に基づき詳細に述べておく。ダイヤ
フラム３に圧力が印加されるとダイヤフラム３が歪み、
それに伴い、各ピエゾ抵抗４１〜４４、５１〜５４に
は、＜１１０＞結晶軸に応じて図２に示す矢印Ｘ方向と
矢印Ｙ方向とに応力が発生する。

【００３１】ここで、Ｘ方向の＜１１０＞結晶軸上に位
置するピエゾ抵抗４２、４４、５２、５４において、Ｘ
方向の発生応力をσｘｘ、Ｙ方向の発生応力をσｙｙと
し、また、Ｙ方向の＜１１０＞結晶軸上に位置するピエ
ゾ抵抗４１、４３、５１、５３において、Ｘ方向の発生
応力をσｘｘ’、Ｙ方向の発生応力をσｙｙ’とする
（図２参照）。

【００３２】各ピエゾ抵抗においては、円周方向の応力
と径方向の応力の差が出力に比例するため、第１のブリ
ッジ回路４におけるブリッジ出力をｅ１、第２のブリッ
ジ回路５におけるブリッジ出力をｅ２とすると、本例に
おける各ブリッジ出力ｅ１、ｅ２は次の数式１にて表さ
れる。

【００３３】

【数１】ｅ１∝（σｘｘ−σｙｙ）−（σｘｘ’−σｙｙ’）ｅ２∝（σｘｘ−σｙｙ）−｛−（σｘｘ’−σｙ
ｙ’）｝＝（σｘｘ−σｙｙ）＋（σｘｘ’−σｙ
ｙ’）本例では、各ブリッジ回路４、５において、径方向の応
力であるσｘｘとσｙｙ’とは等しく、円周方向の応力
であるσｙｙとσｘｘ’とは等しい。そのため、第１の
ブリッジ回路４におけるブリッジ出力ｅ１は、２（σｘ
ｘ−σｙｙ）に比例し、ダイヤフラム３に印加された圧
力を検出することができる。

【００３４】一方、第２のブリッジ回路５におけるブリ
ッジ出力ｅ２は、０となるため、ダイヤフラム３の応力
分布が変化しない場合には圧力検出に関与しない。しか
し、ダイヤフラム３の応力分布が変化する状況となる
と、各応力σｘｘ等が変化するため、第２のブリッジ回
路５にてブリッジ出力が変動し、当該応力分布の変化を
故障として検出できるようになる。

【００３５】本圧力検出装置Ｓ１における検出回路の詳
細を図５に回路ブロック図として示す。各ブリッジ回路
４、５から最終的な出力Ｖｏｕｔを得るための回路２０
０は、基本的な差分増幅回路であり、スイッチングによ
る切替を行うことにより第１のブリッジ回路４と第２の
ブリッジ回路５とで共有することができる。

【００３６】第１のブリッジ回路４における出力Ａ１、
Ａ２（図３参照）と第２のブリッジ回路５における出力
Ｂ１、Ｂ２（図４参照）とは、タイミング回路２０１か
らのタイミング信号に基づいて第１切り替え回路２０２
によって切り替えられオペアンプ（演算増幅器）２０３
へ送られる。なお、タイミング回路２０１は各回路でデ
ータ錯誤が起こらないようにタイミングを制御するもの
であり、タイミング信号を発信する。

【００３７】すると、このオペアンプ２０１にて、第１
のブリッジ回路４における出力Ａ１とＡ２の差分（Ａ１
−Ａ２）、第２のブリッジ回路５における出力Ｂ１とＢ
２の差分（Ｂ１−Ｂ２）が増幅した状態にて得られる。
各差分は第２切り替え回路２０４へ送られ、第１のブリ
ッジ回路４の差分（Ａ１−Ａ２）は第１比較データ貯蔵
部２０５へ、第２のブリッジ回路５の差分（Ｂ１−Ｂ
２）は第２比較データ貯蔵部２０６へ、それぞれ切り替
えられて送られる。

【００３８】上記各比較データ貯蔵部２０５、２０６
は、前段側から送られてきたデータを後段の比較回路２
０７にて比較可能な形で貯蔵するためのものであり、デ
ータをアナログからデジタルに変換したり、データの書
き込みや消去を行うことができるようになっている。

【００３９】比較回路２０７は、上記比較データ貯蔵部
２０５、２０６内のデータと初期（仕様）データとを比
較し異常かどうかを判定し、異常である場合には異常信
号を発信するものである。具体的には、送られてきた差
分（Ｂ１−Ｂ２）、つまり第２のブリッジ回路５のブリ
ッジ出力に変動が無いときは、正常であり、差分（Ａ１
−Ａ２）即ち第１のブリッジ回路４のブリッジ出力がＶ
ｏｕｔとして出力される。

【００４０】一方、第２のブリッジ回路５のブリッジ出
力に変動が生じたときは、異常であると判定され、出力
Ｖｏｕｔを変化させ異常信号として発信する。このよう
に異常信号を発信することにより、例えば自動車のＥＣ
Ｕに異常を伝達することができる。

【００４１】以上述べてきたように、上記圧力検出装置
Ｓ１によれば、第２のブリッジ回路５を備えることによ
って故障診断可能な圧力検出装置を実現できるととも
に、第２のブリッジ回路５におけるピエゾ抵抗５１〜５
４の配置自由度が大きくなるため、従来の複数ブリッジ
回路を有するものよりも、結果的にピエゾ抵抗の配置余
裕度を大きくすることができる。

【００４２】また、上記圧力検出装置Ｓ１によれば、ピ
エゾ抵抗が形成されるダイヤフラム３の一面側をシリコ
ン基板の（１００）面として構成している。そのため、
例えば（１１０）面にピエゾ抵抗を形成する場合に比べ
て、この（１００）面に存在する２本の＜１１０＞結晶
軸を利用して図２に示す如く同心円状配置構成を採用す
ることにより、第１及び第２のブリッジ回路４、５にお
ける各ピエゾ抵抗の配置を容易に行うことができる。

【００４３】なお、図２に示す同心円状配置では、第１
のブリッジ回路４及び第２のブリッジ回路５ともに、ピ
エゾ抵抗が＜１１０＞結晶軸上に位置しているが、例え
ば、第２のブリッジ回路５における各ピエゾ抵抗５１〜
５４を、図２に示す位置から時計回りに所定角度ずらし
て、＜１１０＞結晶軸上に位置しないようにしても良
い。

【００４４】また、図２に示す同心円配置構成によれ
ば、各々のブリッジ回路４、５におけるピエゾ抵抗の結
線は、隣接するピエゾ抵抗同士を結線することで実現で
き、平面的な配線形態により容易に実現可能である。

【００４５】また、この同心円配置構成においては、第
１のブリッジ回路４において１組の相対向するピエゾ抵
抗４１、４３を、電位変化の方向がダイヤフラム３の中
心に対する同心円Ｅ１、Ｅ２の円周方向となるように
し、他の組の相対向するピエゾ抵抗４２、４４を、電位
変化の方向が当該同心円の径方向となるようにするとと
もに、第２のブリッジ回路５を構成する全てのピエゾ抵
抗５１〜５４を、電位変化の方向が当該同心円の径方向
となるようにしている。

【００４６】それにより、同心円状に配置された各ピエ
ゾ抵抗を、円周回りに順に結線していけば、上記図３、
図４に示す様なブリッジ回路を組むことができるという
ように、各ブリッジ回路４、５における結線を容易に行
うことができる。

【００４７】なお、上記実施形態において、各図に示し
たブリッジ回路４、５の構成は、一例を示すものであっ
てこれに限定されるものではない。例えば、第２のブリ
ッジ回路５は、全てのピエゾ抵抗の抵抗値の増減方向が
同一でなくとも、ブリッジの結線の仕方やピエゾ抵抗の
配置方法等によって、種々の形態が可能である。

【００４８】また、本発明は、金属製の受圧用のダイヤ
フラムと、このダイヤフラムの一面側に設けられたシリ
コン半導体基板と、このシリコン半導体基板に形成され
た複数個のピエゾ抵抗とを備える圧力検出装置について
も適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る圧力検出装置の概略断
面図である。

【図２】図１中のＡ矢視平面図である。

【図３】上記実施形態における第１のブリッジ回路の結
線図である。

【図４】上記実施形態における第２のブリッジ回路の結
線図である。

【図５】図１に示す圧力検出装置の検出回路のブロック
図である。

【符号の説明】

１…シリコン半導体基板、３…ダイヤフラム、４…第１
のブリッジ回路、５…第２のブリッジ回路、４１〜４４
…第１のブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗、５１〜５
４…第２のブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受圧用のダイヤフラム（３）と、このダイヤフラムの一面側に形成され、前記ダイヤフラ
ムの歪みに応じて抵抗値が変化する複数個のピエゾ抵抗
（４１〜４４、５１〜５４）と、前記複数個のピエゾ抵抗により構成された検出回路とを
備える圧力検出装置において、前記検出回路は、前記ダイヤフラムの歪みに応じてブリ
ッジ出力が変化する圧力検出用の第１のブリッジ回路
（４）と、前記ダイヤフラムの歪みに応じて個々のピエゾ抵抗の抵
抗値が変化するようになっているとともに、前記ダイヤ
フラムの歪みに応じてブリッジ出力が変化しないように
結線されている第２のブリッジ回路（５）とにより構成
されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】前記ダイヤフラム（３）の一面側は、シ
リコン半導体基板（１）の（１００）面として構成され
ており、各々の前記ブリッジ回路（４、５）において、前記ピエ
ゾ抵抗（４１〜４４、５１〜５４）は前記（１００）面
に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧
力検出装置。
【請求項３】前記第１のブリッジ回路（４）を構成す
るピエゾ抵抗（４１〜４４）と前記第２のブリッジ回路
（５）を構成するピエゾ抵抗（５１〜５４）とが、互い
に前記ダイヤフラム（３）の中心に対して同心円状に配
置されていることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項４】前記第１のブリッジ回路（４）を構成す
るピエゾ抵抗のうち１組の相対向するピエゾ抵抗（４
１、４３）は、電位変化の方向が前記ダイヤフラム
（３）の中心に対する同心円の円周方向となっており、
他の組の相対向するピエゾ抵抗（４２、４４）は、電位
変化の方向が前記同心円の径方向となっており、前記第２のブリッジ回路（５）を構成する全てのピエゾ
抵抗（５１〜５４）は、電位変化の方向が前記同心円の
径方向となっていることを特徴とする請求項３に記載の
圧力検出装置。