JP2002243566A - 半導体式圧力センサ - Google Patents

半導体式圧力センサ

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JP2002243566A JP2001042068A JP2001042068A JP2002243566A JP 2002243566 A JP2002243566 A JP 2002243566A JP 2001042068 A JP2001042068 A JP 2001042068A JP 2001042068 A JP2001042068 A JP 2001042068A JP 2002243566 A JP2002243566 A JP 2002243566A
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semiconductor
pressure
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capacitor
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Hironobu Baba
広伸 馬場
Kazuyoshi Nagase
和義 長瀬
Yukihiro Katou
之啓 加藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体式圧力センサの検出信号から脈動成分
を除去するために形成されるフィルタに使用するコンデ
ンサの数や容量をより低減すること。 【解決手段】 本実施形態の半導体式圧力センサ４０の
電子回路部は、（ａ）に示されるように、フルブリッジ
回路の２つの接続点Ｃ、Ｄは、抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の一
端の端子がそれぞれ接続され、それら抵抗素子Ｒ５、Ｒ
６の他端は、コンデンサＣを介して接続されており、こ
れら抵抗素子Ｒ５、Ｒ６とコンデンサＣとでローパスフ
ィルタを形成したことにより、半導体式圧力センサ４０
の検出信号の圧力応答性を遅らせることができるため、
半導体式圧力センサ４０の検出信号から脈動成分を除去
するとともに、ローパスフィルタに使用するコンデンサ
の数及び容量をより低減させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体式圧力セン
サに関するもので、特にその検出信号から脈動成分を除
去する回路構成に関する。
【０００２】
【従来技術】近年、ディーゼルエンジンの自動車におい
て、排気ガス中に含まれる黒煙を除去するために、ＤＰ
Ｆ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）と呼ば
れる黒煙除去装置が実用化されつつある。
【０００３】図４に示されるように、ＤＰＦ２０は、エ
ンジン２１とマフラーとの間の排気管２２内部に設けら
れ、エンジン２１からエグゾーストマニホールド２３を
介して排出される排気ガス中に含まれる黒煙をフィルタ
に捕集させ、マフラーから大気中へ黒煙の排出を防ぐも
のである。
【０００４】また、このようにフィルタに黒煙を捕集さ
せると、フィルタには黒煙が堆積してしまい、それによ
って、フィルタが目詰まりを起こすため、例えば、フィ
ルタに詰まった黒煙をヒーターなどを用いて定期的に焼
却して、詰まった黒煙を除去している。
【０００５】このようなフィルタの目詰まりは、フィル
タ前とフィルタ後との圧力差あるいはフィルタ前と大気
圧との圧力差によって検出しているので、フィルタ前の
圧力を検出するために、ＤＰＦ２０とエンジン２１との
間に、半導体式圧力センサ２４が設けられている。
【０００６】ところが、この半導体式圧力センサ２４の
検出信号中に、図５に示されるような脈動した排気ガス
の圧力が含まれてしまう。
【０００７】その原因として、半導体式圧力センサ２４
の圧力応答性は数ｍｓ程度であるが、図５に示されるよ
うに、脈動した排気ガスの圧力の周期は１５ｍｓ程度あ
るため、半導体式圧力センサ２４の検出信号中に、脈動
した排気ガスの圧力が含まれてしまう。
【０００８】尚、この図５に示されるグラフは、排気量
が３０００ｃｃのインタークーラ付きディーゼルターボ
車輌で登坂走行した場合の脈動した排気ガスの圧力を表
している。
【０００９】ここで、このような脈動成分が収まるよう
に半導体式圧力センサ２４の検出範囲を規定した場合、
本来検出したいフィルタの目詰まりによる圧力変化は５
ｋＰａ程度であるが、図５に示されるように、脈動成分
の圧力差は４０ｋＰａ程度もあるため、半導体式圧力セ
ンサ２４の検出範囲を大きく設定する必要がある。
【００１０】それによって、半導体式圧力センサ２４の
分解能が低減してしまい、本来検出したいフィルタの目
詰まりによる圧力変化を正確に検出できなくなってしま
うため、脈動成分を半導体式圧力センサ２４の検出信号
から除去する必要がある。
【００１１】そこで、図６（ａ）や図６（ｂ）に示され
るように、排気管２３から半導体式圧力センサ２４へ圧
力を導入する配管２５の途中に、径を大きくした容量部
２６や径を細くした絞り部２７を設けて、半導体式圧力
センサ２４の検出信号から脈動成分を除去する方法があ
る。
【００１２】このように、配管２５の途中に容量部２６
や絞り部２７を設けると、この容量部２６や絞り部２７
により半導体式圧力センサ２４への圧力伝導を遅らせる
ことができるため、それによって、半導体式圧力センサ
２４の検出信号から脈動成分を除去することができる。
【００１３】しかし、上記のような脈動成分の除去方法
は、配管２５の形状ごとに最適な容量部２６や絞り部２
７の形状が異なるため、標準化が難しいという問題があ
る。
【００１４】そこで、実開昭６２−１６０３４２号公報
に開示されているような、フルブリッジ回路の接続点に
ローパスフィルタを接続した回路構成の半導体式圧力セ
ンサを適用することによって、半導体式圧力センサの検
出信号から脈動成分を除去することができる。
【００１５】ここで、この半導体式圧力センサ内に設け
られた電子回路部を、図７を用いて説明すると、まず、
半導体ピエゾ抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４によって
フルブリッジ回路が形成され、さらに、このフルブリッ
ジ回路の接続点Ａ、Ｂには電圧源３２が接続されてい
る。
【００１６】また、このフルブリッジ回路の接続点Ｃ、
Ｄは、オペアンプ３１の非反転入力端子と反転入力端子
とにそれぞれ接続されている。
【００１７】そして、このような回路構成の半導体式圧
力センサ３０に圧力が印加されると、印加された圧力に
応じて、半導体ピエゾ抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４
の抵抗値が変化し、それによって、フルブリッジ回路の
接続点Ｃと接続点Ｄとの間に電位差が生じ、フルブリッ
ジ回路の接続点Ｃ、Ｄから電圧信号が出力されるように
なっている。
【００１８】さらに、この半導体式圧力センサ３０のフ
ルブリッジ回路の接続点Ｃ、Ｄと接地端子３３との間に
は、コンデンサＣ１、Ｃ２がそれぞれ接続されている。
【００１９】このように、フルブリッジ回路の接続点
Ｃ、Ｄと接地端子３３との間に、コンデンサＣ１、Ｃ２
をそれぞれ接続したことにより、このコンデンサＣ１、
Ｃ２と半導体ピエゾ抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と
でローパスフィルタが形成される。
【００２０】よって、このローパスフィルタにより、半
導体式圧力センサ３０の検出信号の圧力応答性を遅らせ
ることができるため、それによって、半導体式圧力セン
サ３０の検出信号から脈動成分を除去することができ
る。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、図７に示されるように、ローパスフィルタを形成
するために２個のコンデンサＣ１、Ｃ２を使用してい
る。
【００２２】一般的に、コンデンサの数や容量が増加す
ると、チップサイズの増加に繋がるため、コンデンサの
数や容量は出来る限り小さい方が好ましい。
【００２３】そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑
み、半導体式圧力センサの検出信号から脈動成分を除去
するために形成されるフィルタに使用するコンデンサの
数や容量をより低減することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の半導体
式圧力センサは、半導体圧力感知素子によってフルブリ
ッジ回路が形成され、印加された圧力に応じてフルブリ
ッジ回路から出力が導出される半導体式圧力センサにお
いて、フルブリッジ回路の対角に位置する２つの接続点
には第１の抵抗素子と第２の抵抗素子とがそれぞれ接続
され、第１の抵抗素子はコンデンサの一端に接続され、
第２の抵抗素子はコンデンサの他端に接続されており、
これら第１の抵抗素子及び第２の抵抗素子とコンデンサ
とでフィルタを形成したことを特徴としている。
【００２５】このように、第１の抵抗素子及び第２の抵
抗素子とコンデンサとでフィルタを形成したことによ
り、半導体式圧力センサの検出信号の圧力応答性を遅ら
せることができるため、それによって、半導体式圧力セ
ンサの検出信号から脈動成分を除去することができる。
【００２６】さらに、フルブリッジ回路の対角に位置す
る２つの接続点に接続された第１の抵抗素子と第２の抵
抗素子とは、コンデンサの一端と他端とに接続されてい
るため、それによって、フィルタを形成するために使用
するコンデンサの数及び容量をより低減させることがで
きる。
【００２７】請求項２に記載の車輌用の排気システム
は、請求項１に記載の半導体式圧力センサとエンジンと
エンジンから排出される黒煙を除去する黒煙除去装置と
を有する車輌用の排気システムにおいて、半導体式圧力
センサは、エンジンと黒煙除去装置との間に設けること
を特徴としている。
【００２８】黒煙除去装置の目詰まりを検出するため
に、エンジンと黒煙除去装置との間に半導体式圧力セン
サを設ける必要があるが、この半導体式圧力センサの検
出信号中に、脈動した排気ガスの圧力が含まれてしま
う。
【００２９】そこで、エンジンと黒煙除去装置との間
に、請求項１に記載のような脈動成分を除去することの
できる半導体式圧力センサを設けたことにより、黒煙除
去装置の目詰まりを正確に検出することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
形態を図面に従って説明する。
【００３１】尚、本実施形態の半導体式圧力センサは、
例えば、ディーゼルエンジン自動車用のＤＰＦ（ディー
ゼル・パティキュレート・フィルタ）の目詰まりを検出
するために用いられる。
【００３２】図１には、本実施形態の半導体式圧力セン
サの断面構造を示す。また、図２には、半導体圧力セン
サの内部に設けられた圧力検出部の拡大図を示し、図３
（ａ）には、圧力検出部の表面に形成された電子回路部
の等価回路図を示す。
【００３３】尚、図２は、図１におけるセンサチップ部
分のＡ矢視図である。
【００３４】まず、図１に示されるように、本実施形態
の半導体式圧力センサには、センサチップ１及びガラス
台座２からなり、検出した圧力を所定の関数によって電
気信号に変換する機能を持つ断面矩形状の圧力検出部３
が設けられている。
【００３５】尚、圧力検出部３は、ワイヤ４とリード５
とを介してコネクタピン６に接続されているため、圧力
検出部３によって電気信号に変換した出力を、コネクタ
ピン６を介して外部に伝えることができる。
【００３６】さらに、圧力検出部３は、フロロシリコン
系の接着剤によりモールド樹脂７の凹部に接着され、こ
のモールド樹脂７は、周囲をフッ素ゴム８に囲まれると
ともに、ケース９に接着されている。
【００３７】また、圧力検出部３及びワイヤ４は、厚さ
２μｍ程度のパリレンにてコーティングされ電気的絶縁
を確保しているとともに、モールド樹脂７の凹部に注入
されたゲル１０によって覆われ、ミスト状のエンジンオ
イルやカーボンなどの汚染物質から保護されている。
【００３８】また、半導体式圧力センサ外部との気密性
と圧力伝導のために、圧力検出部３を覆うように圧力導
入孔１１を有するポート１２が形成され、このポート１
２は、エポキシ系の接着剤によってケース９と接着され
ている。
【００３９】また、ポート１２には、圧力導入孔１１の
圧力検出部３側に設けられた開口部から、圧力検出部３
に向かって広がるように、お椀状の２段階のスロープが
設けられている。
【００４０】続いて、半導体式圧力センサの内部に設け
られた圧力検出部３について図２を用いて説明する。
【００４１】圧力検出部３は、ガラス台座２と、ガラス
台座２の上面に接合されシリコンよりなるセンサチップ
１とによって形成され、このセンサチップ１の中央部に
は、異方性エッチングによりダイヤフラム部１３が形成
されている。
【００４２】また、センサチップ１の表面には、Ｐ型の
不純物であるボロンなどをイオン注入することにより形
成される半導体ピエゾ抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４
などにより、電子回路部が形成されている。
【００４３】これら半導体ピエゾ抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、
Ｒ３、Ｒ４は、印加された圧力に応じて、その抵抗値が
変化するようになっている。
【００４４】さらに、図示はしないが、半導体ピエゾ抵
抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、拡散配線およびアル
ミニウム配線によりフルブリッジ接続されている。
【００４５】また、センサチップ１の端部には、外部へ
電気信号を出力するパッド部が形成されている。
【００４６】続いて、センサチップ１の表面に形成され
た電子回路部の回路構成について図３（ａ）を用いて説
明する。
【００４７】まず、電子回路部には、半導体ピエゾ抵抗
素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４によってフルブリッジ回路
が形成され、このフルブリッジ回路において、一方の対
角位置の半導体ピエゾ抵抗素子Ｒ１、Ｒ４は、圧力の上
昇に応じてその抵抗値が増加し、他の対角位置の半導体
ピエゾ抵抗素子Ｒ２、Ｒ３は、圧力の上昇に応じてその
抵抗値が減少するようになっている。
【００４８】また、このフルブリッジ回路には、抵抗素
子Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９及びオペアンプ４１によって構成さ
れた定電流回路４２から、定電流が供給される。
【００４９】具体的に説明すると、電源端子に印加され
る電源電圧を抵抗素子Ｒ７、Ｒ８によって分圧した基準
電圧と電源電圧との差の電圧を抵抗素子Ｒ９の抵抗値で
割った電流が、フルブリッジ回路の隣り合う抵抗素子Ｒ
１と抵抗素子Ｒ３との接続点Ａに供給される。
【００５０】そして、このフルブリッジ回路は、定電流
回路４２から定電流の供給を受けて、圧力検出部１へ印
加された圧力に応じた電圧Ｖ１、Ｖ２を出力する。
【００５１】この電圧Ｖ１、Ｖ２は、オペアンプ４３、
４４、４５とトランジスタ４６、４７と抵抗素子Ｒ１
０、Ｒ１１、Ｒ１２とによって構成される差動増幅回路
にて処理されて出力される。
【００５２】具体的に説明すると、オペアンプ４４の非
反転入力端子には、フルブリッジ回路の隣り合う抵抗素
子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２との接続点Ｃから電圧Ｖ１が印加
され、オペアンプ４４の反転入力端子には、フルブリッ
ジ回路隣り合う抵抗素子Ｒ３と抵抗素子Ｒ４との接続点
Ｄから電圧Ｖ２が、バッファとして機能するオペアンプ
４３及び抵抗素子Ｒ１０を介して印加されており、この
電圧Ｖ１、Ｖ２がオペアンプ４４によって差動増幅され
て出力される。
【００５３】そして、このオペアンプ４４の出力によっ
て、トランジスタ４６、４７が制御される。
【００５４】このような作動により、フルブリッジ回路
の出力電圧（Ｖ１−Ｖ２）が電流出力に変換され、さら
に、この電流変換された電流出力は、オペアンプ４５な
どによって増幅され出力端子に出力される。
【００５５】ここで、本実施形態の電子回路部は、フル
ブリッジ回路の接続点Ｃ、Ｄは、抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の
一端の端子がそれぞれ接続され、さらに、それら抵抗素
子Ｒ５、Ｒ６の他端は、コンデンサＣを介して接続され
ている。
【００５６】上記のような回路構成にしたことにより、
抵抗素子Ｒ５、Ｒ６とコンデンサＣとでローパスフィル
タを形成することができ、それによって、半導体式圧力
センサ４０の検出信号の圧力応答性を遅らせることがで
きるため、半導体式圧力センサ４０の検出信号から脈動
成分を除去することができる。
【００５７】さらに、抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の他端を、コ
ンデンサＣを介して接続したことにより、半導体式圧力
センサ４０の検出信号から脈動成分を除去するために形
成されるローパスフィルタに使用するコンデンサの数及
び容量をより低減させることができる。
【００５８】具体的に説明すると、例えば、４気筒エン
ジンの自動車を５００ｒｐｍで運転した場合、脈動成分
の周期は、 ６０［ｓ］／５００［ｒｐｍ］／２＝０．２４［ｓ］ となる。
【００５９】ここで、従来技術におけるフルブリッジ回
路の半導体ピエゾ抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及び
本実施形態における抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の抵抗値を、例
えば、１５ｋΩとする。
【００６０】この場合、従来技術におけるコンデンサＣ
１、Ｃ２の容量は、 ０．２４［ｓ］／１５［ｋΩ］＝２０［μＦ］ となる。
【００６１】一方、本実施形態では、上記の通り、フル
ブリッジ回路の２つの接続点Ｃ、Ｄには、抵抗素子Ｒ
５、Ｒ６の一端の端子がそれぞれ接続され、さらに、そ
れら抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の他端は、コンデンサＣを介し
て接続されているため、フルブリッジ回路の接続間の中
点は常に固定されていると考えることができるので、図
３（ａ）におけるローパスフィルタを、図３（ｂ）に示
されるような等価回路に書き換えることができる。
【００６２】この図３（ａ）では、コンデンサＣが２個
のコンデンサＣ’に書き換えられ、それらコンデンサ
Ｃ’の間には、仮想グランド４２が設けられている。
【００６３】そして、この図３（ｂ）を用いて、本実施
形態におけるコンデンサＣの容量を計算すると、 ０．２４［ｓ］／１５［ｋΩ］／２＝１０［μＦ］ となる。
【００６４】つまり、図３（ｂ）に示されるように、本
実施形態のローパスフィルタは、２個のコンデンサＣ’
の直列接続となるため、図３（ａ）におけるコンデンサ
Ｃの容量は、２０μＦの半分の１０μＦになる。
【００６５】このように、本実施形態のような回路構成
を適用すると、従来技術に比べ、コンデンサの数が２個
から１個に減り、さらに、コンデンサの容量が半分にな
る。
【００６６】よって、半導体式圧力センサ４０の検出信
号から脈動成分を除去するために形成されるローパスフ
ィルタに使用するコンデンサの数及び容量をより低減さ
せることができる。
【００６７】尚、本発明は、上記実施形態に限られるも
のではなく、様々な態様に適用可能である。
【００６８】例えば、本実施形態では、抵抗素子Ｒ５、
Ｒ６の抵抗値を１５ＫΩとし、コンデンサＣの容量を１
０μＦとしたが、この抵抗素子Ｒ５、Ｒ６及びコンデン
サＣの値は、本実施形態のような値に限定する必要はな
い。
【００６９】また、本実施形態では、１個の抵抗素子を
一辺とするフルブリッジ回路を形成したが、特に抵抗素
子の数を限定する必要はなく、例えば、２個の抵抗素子
を一辺とするフルブリッジ回路を形成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の半導体式圧力センサの断面構造を
示す図である。
【図２】図１におけるＡ矢視図であり、本実施形態の圧
力検出部の拡大図を示す図である。
【図３】（ａ）は本実施形態の電子回路部の等価回路を
示す図であり、（ｂ）は図３（ａ）におけるローパスフ
ィルタの等価回路を示す図である。
【図４】エンジンとＤＰＦと半導体式圧力センサとの配
置関係を示す図である。
【図５】３０００ｃｃインタークーラ付きディーゼルタ
ーボ車輌で登坂走行した場合の脈動した排気ガスの圧力
を表すグラフである。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は圧力脈動を打ち消すための
配管構造に関する図であり、（ａ）は配管の途中に容量
部を設けた構造を示す図であり、（ｂ）は配管の途中に
絞り部を設けた構造を示す図である。
【図７】従来技術の半導体式圧力センサの等価回路を示
す図である。
【符号の説明】
１…センサチップ、 ２…ガラス台座、 ３…圧力検出部、 ４…ワイヤ、 ５…リード、 ６…コネクタピン、 ７…モールド樹脂、 ８…フッ素ゴム、 ９…ケース、 １０…ゲル、 １１…圧力導入孔、 １２…ポート、 １３…ダイアフラム部、 ２０…ＤＰＦ、 ２１…エンジン、 ２２…排気管、 ２３…エグゾーストマニホールド、 ２４、３０、４０…半導体式圧力センサ、 １、２５…配管、 ２、２６…容量部、 ２７…絞り部、 ３１、４１、４３、４４、４５…オペアンプ、 ３２…電圧源、 ３３…接地端子、 ４２…定電流回路、 ４６、４７…トランジスタ、 １、４８…仮想グランド、 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ…フルブリッジ回路の接続点、 Ｃ１、Ｃ２、Ｃ、Ｃ’…コンデンサ、 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４…半導体ピエゾ抵抗素子、 Ｒ５〜Ｒ１２…抵抗素子、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 之啓 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2F055 AA27 BB20 DD05 EE14 FF36 GG12 GG46 HH03 HH05 HH11 4M112 AA01 BA01 CA04 CA08 CA12 CA13 DA10 EA03 EA11 FA01

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体圧力感知素子によってフルブリッ
    ジ回路が形成され、印加された圧力に応じて前記フルブ
    リッジ回路から出力が導出される半導体式圧力センサに
    おいて、 前記フルブリッジ回路の対角に位置する２つの接続点に
    は第１の抵抗素子と第２の抵抗素子とがそれぞれ接続さ
    れ、前記第１の抵抗素子はコンデンサの一端に接続さ
    れ、前記第２の抵抗素子は前記コンデンサの他端に接続
    されており、これら前記第１の抵抗素子及び前記第２の
    抵抗素子と前記コンデンサとでフィルタを形成したこと
    を特徴とする半導体式圧力センサ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体式圧力センサと
    エンジンと該エンジンから排出される黒煙を除去する黒
    煙除去装置とを有する車輌用の排気システムにおいて、 前記半導体式圧力センサは、前記エンジンと前記黒煙除
    去装置との間に設けることを特徴とする車輌用の排気シ
    ステム。
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