JP2008116287A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力を検出する構造が異なる2つのゲージを備えた圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor including two gauges having different structures for detecting pressure.
従来より、1つのダイヤフラム上に2つの歪みゲージを形成したものを備えた圧力センサが、例えば特許文献1で提案されている。具体的に、特許文献1では、多結晶質シリコン製の薄膜抵抗ゲージで構成されるホイートストン測定ブリッジが測定ダイヤフラム上に2つ互いに独立して設けられている圧力センサが提案されている。
Conventionally, for example,
このような圧力センサでは、各測定ブリッジから圧力に相当するブリッジ信号がそれぞれ出力されるようになっている。すなわち、各測定ブリッジから出力される各ブリッジ信号を比較することによって、各測定ブリッジのうちいずれか一方が特性変動を起こしている場合や故障している場合を検出することができるようになっている。また、一方の抵抗測定ブリッジが故障した場合でも、他方の測定ブリッジによって圧力測定を続行することが可能となっている。
しかしながら、上記従来の技術では、測定ダイヤフラム上に独立して2つの測定ブリッジが形成されているが、各測定ブリッジは同種の抵抗ゲージで形成されている。このため、各測定ブリッジに与えられる同じ機械的、物理的原因によって、各測定ブリッジが共に特性変動を起こす場合や故障する場合がある。このように、測定ブリッジが2つとも特性変動や故障を起こしてしまうと、測定ブリッジの故障診断を行うことができなくなってしまう可能性がある。 However, in the conventional technique, two measurement bridges are independently formed on the measurement diaphragm, but each measurement bridge is formed of the same type of resistance gauge. For this reason, due to the same mechanical and physical causes given to each measurement bridge, there are cases where the measurement bridges both cause characteristic fluctuations or fail. In this way, if both of the measurement bridges cause characteristic fluctuations or failures, there is a possibility that failure diagnosis of the measurement bridges cannot be performed.
本発明は、上記点に鑑み、2つの測定ブリッジうち一方の故障や特性変動を確実に検出できるようにすることができる圧力センサを提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a pressure sensor that can reliably detect a failure or characteristic variation of one of two measurement bridges.
上記目的を達成するため、本発明は、中空筒形状の軸の一端側にハウジング(10)に導入された圧力によって変形可能なダイヤフラム(22)が設けられ、軸の他端側にハウジングの圧力導入孔(13)と連通する通路(23)を有するステム(20)において、ダイヤフラムの変形に応じた電気信号を出力する検出部(200、300、400)がダイヤフラム上に設けられた圧力センサにおいて、検出部は、構造が異なる歪みゲージがそれぞれ備えられた第1の検出部(200、300、400)および第2の検出部(200、300、400)を有し構成されていることが特徴となっている。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a diaphragm (22) that can be deformed by pressure introduced into the housing (10) is provided at one end of a hollow cylindrical shaft, and the pressure of the housing is provided at the other end of the shaft. In a pressure sensor in which a detection part (200, 300, 400) for outputting an electrical signal corresponding to the deformation of the diaphragm is provided on the diaphragm in the stem (20) having a passage (23) communicating with the introduction hole (13). The detecting unit includes a first detecting unit (200, 300, 400) and a second detecting unit (200, 300, 400) each having a strain gauge having a different structure. It has become.
このように、ステムのダイヤフラム上に構造が異なる歪みゲージを備えて構成される第1の検出部および第2の検出部を設けることで、同じ原因、例えば機械的・物理的原因や異物による汚染等によって各検出部が同時に故障したり特性変動を起こしたりすることを防止することができる。すなわち、各検出部のうち一方が故障や特性変動を起こしたとしても、他方の検出部で圧力を検出することができる。したがって、各検出部の出力を比較することで、各検出部のうちいずれか一方の故障や特性変動を確実に検出できるようにすることができる。 As described above, by providing the first detection unit and the second detection unit configured with strain gauges having different structures on the diaphragm of the stem, contamination due to the same cause, for example, mechanical / physical cause or foreign matter. Thus, it is possible to prevent the detection units from failing at the same time or causing characteristic fluctuations. That is, even if one of the detection units causes a failure or characteristic variation, the pressure can be detected by the other detection unit. Therefore, by comparing the outputs of the detection units, it is possible to reliably detect a failure or characteristic variation of any one of the detection units.
このような比較および判定は、例えば圧力センサに備えられた処理回路で行うことができる。また、各検出部の出力を圧力センサの外部の処理回路に取り出し、当該処理回路で各検出部の出力の比較および判定を行うことができる。 Such comparison and determination can be performed by, for example, a processing circuit provided in the pressure sensor. Further, the output of each detection unit can be taken out to a processing circuit outside the pressure sensor, and the output of each detection unit can be compared and determined by the processing circuit.
このような場合、第1の検出部および第2の検出部それぞれを、薄膜抵抗の歪みゲージ(210)、拡散抵抗の歪みゲージ(310)、静電容量式圧力センシング部(430)のいずれかの組み合わせとすることができる。 In such a case, each of the first detection unit and the second detection unit is either a thin film resistance strain gauge (210), a diffusion resistance strain gauge (310), or a capacitive pressure sensing unit (430). It can be set as a combination.
各検出部のうちいずれかを薄膜抵抗の歪みゲージとした場合、当該薄膜抵抗の歪みゲージを、ダイヤフラム上にパターニングによって形成すると共に、各薄膜抵抗の歪みゲージをブリッジ回路状に接続したものを採用することができる。 When one of the detectors is a thin-film resistance strain gauge, the thin-film resistance strain gauge is formed on the diaphragm by patterning, and the thin-film resistance strain gauge is connected in a bridge circuit shape. can do.
また、各検出部のうちいずれかを拡散抵抗の歪みゲージとした場合、当該拡散抵抗の歪みゲージを半導体センサチップ(100、110)に形成し、当該半導体センサチップに形成した各拡散抵抗の歪みゲージをブリッジ回路状に接続したものを採用することができる。 Further, when any one of the detection units is a diffusion resistance strain gauge, the diffusion resistance strain gauge is formed on the semiconductor sensor chip (100, 110), and each diffusion resistance strain formed on the semiconductor sensor chip is formed. A gauge connected in a bridge circuit shape can be employed.
このように半導体センサチップを用いる場合、この半導体センサチップをガラス部材(24)を介してダイヤフラム上に設置することができる。これにより、ガラス部材を介してダイヤフラムの撓みを半導体センサチップに伝えることができ、拡散抵抗の歪みゲージを歪ませて圧力を検出できるようにすることができる。 Thus, when using a semiconductor sensor chip, this semiconductor sensor chip can be installed on a diaphragm via a glass member (24). Thereby, the deflection of the diaphragm can be transmitted to the semiconductor sensor chip through the glass member, and the pressure can be detected by distorting the strain gauge of the diffusion resistance.
半導体センサチップを用いる場合においては、当該半導体センサチップの両端面のうち一方の面に拡散抵抗の歪みゲージを形成し、他方の面に薄膜抵抗の歪みゲージを形成したものを採用することもできる。 In the case of using a semiconductor sensor chip, it is possible to adopt a semiconductor sensor chip in which a diffusion resistance strain gauge is formed on one surface of the both end surfaces and a thin film resistance strain gauge is formed on the other surface. .
このように半導体センサチップの両端面に拡散抵抗の歪みゲージおよび薄膜抵抗の歪みゲージをそれぞれ形成したものを用いる場合、半導体センサチップに当該半導体センサチップの両端面を貫通する貫通孔(111)を設けてこの貫通孔内に貫通電極(112)を形成し、薄膜抵抗の歪みゲージに係る電極(230)を、この貫通電極を介することで半導体センサチップのうち拡散抵抗の歪みゲージが形成された面に設置することができる。これにより、各検出部の出力を半導体センサチップの一面から取り出すようにすることができる。 Thus, when using what formed the strain gauge of the diffusion resistance and the strain gauge of the thin film resistance on both ends of the semiconductor sensor chip in this way, the through holes (111) penetrating the both ends of the semiconductor sensor chip are provided in the semiconductor sensor chip. A through-electrode (112) is formed in the through-hole, and an electrode (230) related to the thin-film resistance strain gauge is formed through the through-electrode to form a diffusion resistance strain gauge in the semiconductor sensor chip. Can be installed on the surface. Thereby, the output of each detection part can be taken out from one surface of a semiconductor sensor chip.
また、半導体センサチップの両端面のうち一方の面に拡散抵抗の歪みゲージが形成されたものにおいて、拡散抵抗の歪みゲージが形成された面上に保護膜(350)を形成し、当該保護膜上に薄膜抵抗の歪みゲージを形成したものを採用することができる。 In addition, a diffusion resistance strain gauge is formed on one of both end faces of the semiconductor sensor chip, and a protective film (350) is formed on the surface on which the diffusion resistance strain gauge is formed. A thin film resistance strain gauge formed thereon can be employed.
さらに、検出部として、ダイヤフラム上に薄膜抵抗の歪みゲージを形成すると共に、下部電極(420)も形成し、当該下部電極上に接着剤(26)を介して上部電極(410)を配置することで静電容量式圧力センシング部を構成したものを採用することもできる。 Further, as a detection unit, a strain gauge of a thin film resistance is formed on the diaphragm, and a lower electrode (420) is also formed, and the upper electrode (410) is disposed on the lower electrode via an adhesive (26). It is also possible to adopt what constitutes a capacitive pressure sensing unit.
この場合、接着剤に同じサイズの樹脂ビーズ(27)を多数混入し、当該樹脂ビーズによって上部電極と下部電極との間の距離を一定に保つようにすることが好ましい。これにより、圧力によってダイヤフラムが撓んだ際のコンデンサの容量変化のみを検出することができる。 In this case, it is preferable to mix a large number of resin beads (27) of the same size in the adhesive and keep the distance between the upper electrode and the lower electrode constant by the resin beads. Thereby, it is possible to detect only a change in the capacitance of the capacitor when the diaphragm is bent by the pressure.
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ものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示される圧力センサは、例えば車両に搭載され、高圧センサとして用いられる。例えば、直噴エンジンの燃料圧の測定、ブレーキ油圧の測定、CO2ガス圧の測定、燃料電池車の水素ガス圧の測定等に採用される。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The pressure sensor shown in the present embodiment is mounted on a vehicle, for example, and used as a high pressure sensor. For example, it is used for measurement of fuel pressure of a direct injection engine, measurement of brake oil pressure, measurement of CO 2 gas pressure, measurement of hydrogen gas pressure of a fuel cell vehicle, and the like.
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧力センサの全体断面図である。この図に示されるように、圧力センサ1は、ハウジング10と、ステム20と、スペーサ30と、プリント基板40と、回路チップ50と、スプリング60と、コネクタケース70とを備えて構成されている。
FIG. 1 is an overall cross-sectional view of a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention. As shown in this figure, the
ハウジング10は、切削や冷間鍛造等により加工された中空形状の金属製のケースであり、その一端側の外周面には、燃料配管等の被測定体にネジ結合可能なネジ部11が形成されている。ハウジング10の一端側には、ハウジング10の一端に形成された開口部12からハウジング10の他端側に延びる孔、すなわち圧力導入孔13が形成されており、この圧力導入孔13が圧力導入通路としての役割を果たす。また、ハウジング10は、ボディアースとしての役割を果たすものである。
The
ステム20は、中空円筒形状に加工された金属製の部材であり、ステム20の外周部に設けられた雄ねじ部21が、ハウジング10の圧力導入孔13に形成された雌ねじ部14にネジ止めされてハウジング10内に固定されている。これにより、ステム20は高いシール面圧を発生させる軸力を維持してハウジング10に固定されている。
The
このステム20は、その軸の一端側にハウジング10に導入された圧力によって変形可能な薄肉状のダイヤフラム22を有し、軸の他端側にダイヤフラム22に繋がる通路23を有する。そして、当該通路23とハウジング10の圧力導入孔13とが連通された状態にされ、被測定体の圧力が圧力導入孔13からダイヤフラム22に伝えられるようになっている。後で詳しく説明するが、本実施形態では、当該ダイヤフラム22上に構造が異なる2つの圧力検出ゲージが設けられている。
The
また、スペーサ30は、ハウジング10内で圧力導入孔13から突出したステム20のダイヤフラム22側に設けられたものであり、ハウジング10に接着剤によって固定されている。当該スペーサ30にはハウジング10の中心軸に沿って突出した複数の突起部31〜33(後述する図2参照)が設けられている。
The
プリント基板40は、ステム20のダイヤフラム22上の2つの圧力検出ゲージから出力された各検出信号を増幅・特性調整すると共に両者を比較して各圧力検出ゲージの故障を判定する回路を備えた回路チップ50が搭載されたものである。このプリント基板40は、スペーサ30上に接着固定されている。
The printed
図2は、スプリング60およびコネクタケース70をハウジング10に実装する前の圧力センサ1においてハウジング10の他端側を見た図である。この図に示されるように、プリント基板40には、その中心部分にステム20の径よりも大きい貫通した孔41が設けられている。
FIG. 2 is a view of the other end side of the
すなわち、ハウジング10に収納されたスペーサ30上にプリント基板40が配置されたとき、プリント基板40の孔41にステム20のダイヤフラム22が挿入された状態となる。これにより、プリント基板40上の配線とダイヤフラム22上の各圧力検出ゲージとの電気的接続が可能となる。
That is, when the printed
プリント基板40には、上記孔41とは別にプリント基板40を貫通した複数の孔42〜44も設けられている。これら各孔42〜44には、スペーサ30に設けられた各突起部31〜33がそれぞれ挿入され、プリント基板40上に突出した状態となっている。
The printed
さらに、プリント基板40には、上記圧力検出ゲージの出力信号を上記回路チップ50に入力するための図示しない回路や当該回路に接続された複数の電極45が形成されており、当該電極45と各圧力検出ゲージとは金またはアルミのボンディングワイヤ46で接続されている。
Further, the printed
また、図1および図2に示されるように、スペーサ30の各突起部31〜33にはスプリング60の一端側がそれぞれ挿入されており、当該各スプリング60がプリント基板40の各孔42〜44の外縁部に設けられた電極47〜49に接触するようになっている。
Also, as shown in FIGS. 1 and 2, one end side of the
コネクタケース70は、圧力センサ1で検出された圧力値の信号を外部に出力するためのコネクタをなすものであり、樹脂等により形成されたものである。当該コネクタケース70には、L字状の棒状部材で構成されたターミナル80がインサート成型されている。
The
本実施形態では、圧力センサ1を稼働するための電源用および接地用、そして信号出力用の3本のターミナル80がコネクタケース70に固定されている。そして、各ターミナル80の先端部分が図示しない外部コネクタに接続されることで、自動車のECU等へ配線部材を介して電気的に接続される。
In the present embodiment, three
当該ターミナル80の下端部には突起部81が設けられていて、コネクタケース70がハウジング10の他端側にはめ込まれると、各スプリング60の他端側が各ターミナル80の突起部81にそれぞれ挿入されることで、各スプリング60を介して各ターミナル80とプリント基板40の各電極47〜49が電気的に接続されるようになっている。
A
本実施形態では、スペーサ30の各突起部31〜33は、プリント基板40を貫通することで、プリント基板40の位置決めとして使用されると共に、コネクタケース70のスプリング60の位置決めとして使用される。
In the present embodiment, the
そして、ハウジング10の他端がコネクタケース70を押さえるようかしめ固定され、ハウジング10内がシールされると共に、コネクタケース70がハウジング10に機械的保持される。これにより、コネクタケース70はハウジング10と一体化してパッケージを構成し、該パッケージ内部の回路チップ50、プリント基板40、電気的接続部等を湿気・機械的外力より保護するようになっている。
The other end of the
図3は、ステム20を拡大した断面図である。ステム20は、例えば鉄ニッケル合金等の金属製のものであり、上述のように、一端側に薄肉部としてのダイヤフラム22が設けられている。このダイヤフラム22上には、低融点ガラス24(本発明のガラス部材に相当)を介して半導体センサチップ100が設けられている。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the
また、図4は、ステム20のうちダイヤフラム22側の端面を見た図であって、(a)はステム20から低融点ガラス24および半導体センサチップ100を取り除いた図、(b)はステム20に半導体センサチップ100を搭載した図である。
4 is a view of the end surface of the
図4(a)に示されるように、ステム20のダイヤフラム22上にはSiO2等の絶縁膜25が形成されており、当該絶縁膜25上に薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200が設けられている。なお、図4(a)に示される破線は、絶縁膜25の範囲を示している。
As shown in FIG. 4A, an insulating
薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200は、ダイヤフラム22の歪みに応じて歪むことで抵抗値が変化する4つの薄膜抵抗歪みゲージ210と、4つの薄膜抵抗歪みゲージ210をブリッジ回路状に接続するリード220と、当該薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200と外部とを接続するための電極230と、を備えて構成されている。
The thin-film resistance strain gauge
各薄膜抵抗歪みゲージ210は、例えば金属やポリシリコン等の薄膜が蒸着やスパッタリング等により絶縁膜25上にパターニングされることで形成される。本実施形態では、各薄膜抵抗歪みゲージ210は、直線状に形成された配線が二度折り返された配線形状をなすように構成されており、折り返された抵抗配線の長手方向の歪みを検出できるようになっている。各薄膜抵抗歪みゲージ210が検出する歪みの方向はそれぞれ同じになっている。
Each thin film
また、薄膜抵抗歪みゲージ210がパターニングされた後、リード220および電極230も、各薄膜抵抗歪みゲージ210と同様の方法によりパターニングされて形成される。なお、電極230は、例えばAl線、Au線等のボンディングワイヤを接続できるように当該ボンディングワイヤと同一の材質であることが好ましく、リード220上にAu薄膜を蒸着するなどの処理が施されているものでも良い。
Further, after the thin film
そして、リード220によって各薄膜抵抗歪みゲージ210がブリッジ回路を構成するように結線され、リード220は電極230に接続されている。この電極230は、ボンディングワイヤ46を介してハウジング10に設置されたプリント基板40の電極5に接続される。これにより、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200で検出された検出信号が外部に取り出される。このように、薄膜抵抗歪みゲージ210にて、圧力を計測する第1の検出部が形成されている。
The thin film
なお、上記薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200において、電極230を除く部分に図示しない保護膜が形成されており、薄膜抵抗歪みゲージ210およびリード220が保護された状態となっている。
In the thin film resistance strain gauge
また、図4(b)に示されるように、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200上には印刷等によって設けられた低融点ガラス24を介して拡散抵抗歪みゲージ式検出部300が形成された半導体センサチップ100が設置されている。当該半導体センサチップ100は、例えばSi基板により形成されたものである。なお、図4(b)に示される破線は、図4(a)に示される場合と同様に、絶縁膜25の範囲を示している。
Further, as shown in FIG. 4B, a semiconductor in which a diffusion resistance strain gauge
拡散抵抗歪みゲージ式検出部300は、低融点ガラス24を介して伝えられたダイヤフラム22の歪みに応じて歪むことで抵抗値が変化する4つの拡散抵抗歪みゲージ310と、4つの拡散抵抗歪みゲージ310をブリッジ回路状に接続するリード320と、半導体センサチップ100とプリント基板40の回路とを接続するための電極330と、を備えて構成されている。
The diffusion resistance strain gauge
各拡散抵抗歪みゲージ310は、半導体ウェハプロセスにより、Si基板へのイオン注入や拡散処理等により形成されている。これら各拡散抵抗歪みゲージ310は、上記薄膜抵抗歪みゲージ210と同様に、半導体センサチップ100の面方向に伸びる拡散領域が二度折り返された配線形状をなして構成され、折り返された拡散領域の長手方向の歪みを検出するようになっている。そして、これら各拡散抵抗歪みゲージ310がブリッジ回路を構成するようにリード320が結線され、各リード320に電極330が接続されている。
Each diffusion
また、電極330は、ボンディングワイヤ46を介してハウジング10に設置されたプリント基板40の電極5に接続される。これにより、拡散抵抗歪みゲージ式検出部300で検出された検出信号が外部に取り出される。このように、拡散抵抗歪みゲージ310にて、圧力を計測する第2の検出部が形成されている。
Further, the
なお、上記図4(a)、(b)では、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200のリード220、および拡散抵抗歪みゲージ式検出部300のリード320を斜線で表現してある。以下に示される図においてリード220、リード320が描かれている場合も同様である。
4A and 4B, the
上記第1の検出部である薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200および第2の検出部である拡散抵抗歪みゲージ式検出部300の各歪みゲージ210、310は、それぞれ抵抗で構成されているが、機械的な構造の差異を有している。このように、各検出部200、300において各歪みゲージ210、310がそれぞれ異なる構造をなしていることから、同じ原因で同時に故障したり特性変動を起こすことはない。
Each of the strain gauges 210 and 310 of the thin film resistance strain gauge
上記の構成を有する圧力センサ1では、圧力導入孔13から導入された圧力によってダイヤフラム22が歪む。これにより、ダイヤフラム22上に形成された薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200において各薄膜抵抗歪みゲージ210が歪み、その歪みに応じた抵抗値を示す検出信号がプリント基板40上の回路チップ50に入力される。
In the
また、ダイヤフラム22の歪みは、低融点ガラス24を介して半導体センサチップ100に設けられた拡散抵抗歪みゲージ式検出部300の各拡散抵抗歪みゲージ310に伝えられる。したがって、各拡散抵抗歪みゲージ310が歪み、その歪みに応じた抵抗値を示す検出信号がプリント基板40上の回路チップ50に入力される。
The strain of the
これらの様子を図5に示す。図5は、図1に示される圧力センサ1における各検出部200、300の各検出信号の流れを示したブロック図である。この図に示される増幅部51、52および出力比較判定部53は、それぞれ上記した回路チップ50に設けられているものである。各増幅部51、52は各検出部200、300に対応して設けられ、各検出部200、300から入力される検出信号を増幅してそれぞれ出力するものである。また、出力比較判定部53は、各増幅部51、52から入力された増幅された検出信号を比較して各検出部200、300の故障・特性変動の有無を判定するものである。
These states are shown in FIG. FIG. 5 is a block diagram showing the flow of each detection signal of each
各検出部200、300から出力された各検出信号は、図2に示されるようにボンディングワイヤ46を介してプリント基板40の回路に入力されると共に、回路チップ50に入力される。そして、図5に示される各増幅部51、52にて増幅され、出力比較判定部53に入力される。
The detection signals output from the
そして、当該出力比較判定部53にて、各検出部200、300の各出力信号に基づく各圧力値の差が基準値の範囲内にない場合、各検出部200、300のうちいずれか一方が故障や特性変動を起こしていると判定される。
And in the said output
すなわち、拡散抵抗歪みゲージ式検出部300においては、圧力センサ1のハウジング10内部に進入した異物や当該異物による汚染によって特性変動・故障が起こる場合や、半導体センサチップ100における製造工程に起因したリード220の断線等によって故障が起こる場合が考えられる。また、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200においては、各薄膜抵抗歪みゲージ210の形成やリード220の形成時における不具合によって故障する場合がある。
In other words, in the diffusion resistance strain gauge
このように、各検出部200、300において、特性変動や故障が生じたとしても、上述のように、各検出部200、300における各歪みゲージ210、310は異なる構造のもので形成されている。このため、各検出部200、300において、それぞれ同じ原因で特性変動や故障が起こる可能性は極めて低く、検出部200、300のうちいずれか一方が特性変動や故障を起こす場合があると考えられる。
In this way, even if characteristic fluctuations or failures occur in the
したがって、上記のように故障診断の結果、検出部200、300のうちいずれか一方が故障していると判定された場合、検出部200、300のうち故障していないものからの出力を圧力値のデータとして採用され、外部に出力される。また、判定の結果も外部に出力される。
Therefore, when it is determined that one of the
一方、出力比較判定部53にて、各検出部200、300の各検出信号が比較され、各検出信号に基づく各圧力値の差が基準値の範囲内であれば、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200および拡散抵抗歪みゲージ式検出部300に故障や特性変動はないと判定される。この場合、各出力信号に基づく各圧力値のうちいずれかが圧力値のデータが外部に出力される。
On the other hand, in the output
以上説明したように、本実施形態では、ステム20上に圧力を検出するための検出部200、300を2つ設け、各検出部200、300にそれぞれ異なる構造の圧力検出用のゲージ、すなわち薄膜抵抗歪みゲージ210および拡散抵抗歪みゲージ310を設けたことが特徴となっている。このように、異なる構造のゲージで圧力検出を行うようにすることで、同じ原因で各検出部200、300が特性変動や故障を起こすことを防止することができる。すなわち、各検出部200、300にて検出された圧力値を比較することで、各検出部200、300のうち一方の故障やゲージの特性変動を確実に判定することができる。
As described above, in the present embodiment, two
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、半導体センサチップ100のうち拡散抵抗歪みゲージ式検出部300が形成された面の反対側の面に薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200を設けたものを用いることが特徴となっている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described. The present embodiment is characterized in that a
図6は、本実施形態に係る圧力センサ1の半導体センサチップの概略断面図である。この図に示されるように、本実施形態に係る半導体センサチップ110は、第1実施形態と同様に、一方の端面に拡散抵抗歪みゲージ式検出部300を備えている。本実施形態では、拡散抵抗歪みゲージ式検出部300は、樹脂等による保護膜340によって覆われている。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor sensor chip of the
また、半導体センサチップ110は、他方の端面に薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200を備えている。なお、拡散抵抗歪みゲージ式検出部300の平面図は、図4(b)に示されるものと同じ形態をなしている。
In addition, the
上記半導体センサチップ110には貫通孔111が設けられており、当該貫通孔111内に貫通電極112が形成されている。これにより、拡散抵抗歪みゲージ式検出部300の電極330は、当該拡散抵抗歪みゲージ式検出部300が形成された面とは反対側の面に設けられている。
The
このような半導体センサチップ110をステム20のダイヤフラム22上に低融点ガラス24を介して設置する。この様子を図7に示す。図7は、ステム20に半導体センサチップ110を搭載したときの平面図である。なお、図7において、破線は低融点ガラス24の範囲を示している。
Such a
図7に示されるように、半導体センサチップ110において薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200が形成された面に、拡散抵抗歪みゲージ式検出部300の電極330が形成されている。このようにして半導体センサチップ110がステム20に搭載されると、各電極230、330はボンディングワイヤ46を介してプリント基板40の電気回路に接続される。これにより、各検出部200、300で検出された検出信号が回路チップ50に入力されるようになっている。
As shown in FIG. 7, the
このような各検出部200、300を有する半導体センサチップ110は、以下のように製造することができる。まず、Si基板の一方の端面に第1実施形態と同様の方法により拡散抵抗歪みゲージ式検出部300を形成した後、Si基板に貫通孔111および貫通電極112を形成する。この後、Si基板の他方の端面に第1実施形態と同様の方法により薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200を形成し、貫通電極112に接続される電極330を形成する。
The
続いて、ステム20のダイヤフラム22上に低融点ガラス24を印刷して半導体センサチップ110の拡散抵抗歪みゲージ式検出部300がダイヤフラム22に対向するように半導体センサチップ110を接合する。そして、各電極230、330をプリント基板40の電極45にワイヤボンディングする。
Subsequently, the low
このように、半導体センサチップ110に各検出部200、300が形成されている場合、圧力よってダイヤフラム22が歪むと、その歪みが低融点ガラス24を介して半導体センサチップ110を歪ませる。これにより、各検出部200、300において圧力に応じた検出信号が出力されることとなる。
As described above, when the
以上説明したように、本実施形態のように1つの半導体センサチップ110の両端面にそれぞれ各検出部200、300を形成したものを用いるようにしても構わない。このような場合であっても、各検出部200、300における各歪みゲージ210、310の構造が異なる。したがって、各検出部200、300が同じ原因で故障することはなく、また各歪みゲージ210、310が同じ原因で特性変動を起こすこともなく、各検出部200、300の出力の診断を確実に行うようにすることができる。
As described above, a configuration in which the
(第3実施形態)
本実施形態では、上記第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、半導体センサチップ100において、拡散抵抗歪みゲージ式検出部300上に保護膜を形成し、当該保護膜上に薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200を形成したものを用いることが特徴となっている。
(Third embodiment)
In the present embodiment, only the parts different from the first embodiment will be described. In this embodiment, the
図8は、本実施形態に係る半導体センサチップ100の概略断面図である。この図に示されるように、半導体センサチップ100において拡散抵抗歪みゲージ式検出部300を覆うように樹脂等の保護膜350が形成されている。なお、図8には図示されていないが、拡散抵抗歪みゲージ式検出部300における電極330はプリント基板40の電極45とワイヤボンディングされるため、保護膜350に完全に覆われていない。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the
また、保護膜350上に拡散抵抗歪みゲージ式検出部300が形成されている。本実施形態における拡散抵抗歪みゲージ式検出部300は、上記第1実施形態と同様の方法により形成されている。このように、半導体センサチップ100において、保護膜350を介することで各検出部200、300を積層した形態とすることもできる。
Further, a diffusion resistance strain gauge
(第4実施形態)
本実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記各実施形態では、圧力を検出する場合、歪みゲージの抵抗値の変化を利用していた。しかしながら、圧力を検出する場合、容量式ゲージを用いても圧力を検出することができる。すなわち、本実施形態では、圧力センサ1において、容量式ゲージを用いることが特徴となっている。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, only different portions from the above embodiments will be described. In each of the above embodiments, when detecting pressure, a change in resistance value of a strain gauge is used. However, when detecting the pressure, the pressure can also be detected using a capacitive gauge. That is, the present embodiment is characterized in that a capacitive gauge is used in the
図9は、ステム20を拡大した断面図である。この図に示されるように、ステム20のダイヤフラム22上には、可撓性の接着剤26を介して上部電極410が設けられている。また、接着剤26の膜厚を一定に保つため、接着剤26中に同じサイズの樹脂ビーズ27が多数混入されている。
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of the
図10は、図9に示されるステム20をダイヤフラム22側から見た図であって、(a)は上部電極410、接着剤26および樹脂ビーズ27を取り除いた図、(b)はステム20に上部電極410を設置した図である。
FIG. 10 is a view of the
図10(a)に示されるように、ステム20のダイヤフラム22上にはその半分の領域に薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200が設けられており、残りの半分の領域に下部電極420が形成されている。なお、図10(a)に示される破線は、接着剤26の範囲を示している。
As shown in FIG. 10A, on the
下部電極420は上部電極410と共に容量式ゲージを構成するものであり、ダイヤフラム22に例えば蒸着やスパッタリングの方法により形成されている。また、当該下部電極420にはプリント基板40の回路と電気的接続を行うための電極421が形成されている。
The
図10(b)に示されるように、ステム20上には上部電極410が設けられている。当該上部電極410は、例えば金属板により形成されたものであり、プリント基板40の回路と電気的接続を行うための電極411が形成されている。この上部電極410は、上述のように樹脂ビーズ27が混入された接着剤26にて下部電極420上に取り付けられているため、下部電極420との間に一定の間隔が保持されている。
As shown in FIG. 10B, the
すなわち、本実施形態では、ダイヤフラム22上に、上部電極410と下部電極420とによる静電容量式圧力センシング部430によって構成された容量式ゲージ検出部400と、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200と、が設置された状態となっている。
That is, in the present embodiment, on the
そして、容量式ゲージ検出部400においては、各電極410、420間の距離の変化に応じたレベルの容量値が検出されるようになっている。そして、この容量値が圧力値に変換されることとなる。なお、図10(b)に示される破線は、図10(a)に示される場合と同様に、接着剤26の範囲を示している。
In the
本実施形態では、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200および容量式ゲージ検出部400それぞれの歪みゲージは、機械的な構造の差異を有している。したがって、各検出部200、400の各歪みゲージ210、310が同じ原因で同時に故障したり特性変動を起こすことはない。
In the present embodiment, the strain gauges of the thin film resistance strain
上記構成を有する圧力センサ1では、圧力導入孔13から導入された圧力によってダイヤフラム22が撓むと上部電極410と下部電極420との距離が変化する。これにより、各電極410、420間の距離に応じた容量値を示す電気信号が検出信号としてプリント基板40の回路に出力される。また、ダイヤフラム22が歪むことで薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200において各薄膜抵抗歪みゲージ210が歪み、その歪みに応じた抵抗値を示す電気信号が検出信号としてプリント基板40の回路に出力される。
In the
そして、回路チップ50にて各検出部200、400の各出力信号に基づく各圧力値の差が基準値の範囲内であるか否かを判定することで、各検出部200、400のうちいずれか一方が故障や特性変動を起こしているか否かを判定することができる。
The
以上説明したように、異なる構造の歪みゲージとして、容量式ゲージと歪みゲージの2つの構造のゲージをステム20に搭載するようにしても構わない。
As described above, two strain gauges, that is, a capacitive gauge and a strain gauge, may be mounted on the
(他の実施形態)
上記第1実施形態では、圧力センサ1内に備えられた回路チップ50にて各検出部200、300の各検出信号の判定を行っていたが、各検出信号を圧力センサ1の外部に信号を取り出して、圧力センサ1の外部にて各検出信号の比較を行うようにしても構わない。この場合について、図11および図12にブロック図を示す。
(Other embodiments)
In the first embodiment, the detection signals of the
図11は、各検出部200、300のみを圧力センサ1内に備え、各検出部200、300に対応した増幅部51、52および出力比較判定部53を圧力センサ1の外部に設けたブロック図である。この図に示されるように、各検出信号を圧力センサ1の外部に設けた各増幅部51、52にてそれぞれ増幅すると共に、出力比較判定部53にて故障・特性変動の判定を行うようにしても良い。
FIG. 11 is a block diagram in which only the
また、図12は、各検出部200、300および各検出部200、300に対応した増幅部51、52を圧力センサ1内に備え、出力比較判定部53を圧力センサ1の外部に設けたブロック図である。この図に示されるように、各検出部200、300から出力された各検出信号を各増幅部51、52で増幅した信号を外部に出力し、圧力センサ1の外部に設けた出力比較判定部53にて各検出信号の故障・特性変動の判定を行うようにすることもできる。
12 is a block in which the
なお、このように増幅部51、52や出力比較判定部53を外部に設ける場合は、上記第2〜第4実施形態についても同様に採用することができる。
In addition, when the
上記第2実施形態では、半導体センサチップ110において拡散抵抗歪みゲージ式検出部300がダイヤフラム22に対向するように半導体センサチップ110がステム20に搭載されているが、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200がダイヤフラム22に対向するように半導体センサチップ110をステム20に搭載しても構わない。この場合、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200の電極230を貫通孔111および貫通電極112を介して拡散抵抗歪みゲージ式検出部300が形成された面に導くようにすれば良い。また、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部200を保護膜で覆い、保護することが好ましい。
In the second embodiment, the
上記拡散抵抗歪みゲージ式検出部300と容量式ゲージ検出部400とをダイヤフラム22上に設けることもできる。すなわち、半導体センサチップ100と各電極410、420とをそれぞれダイヤフラム22上に設けるようにすれば良い。このような場合であっても、構造が異なる歪みゲージが用いられるので、各検出部300、400のうちいずれかが故障や特性変動を起こしても、他方が圧力を検出し続けることができる。
The diffusion resistance strain gauge
10…ハウジング、13…圧力導入孔、20…ステム、22…ダイヤフラム、23…通路、24…低融点ガラス、26…接着剤、27…樹脂ビーズ、100、110…半導体センサチップ、111…貫通孔、112…貫通電極、200…薄膜抵抗歪みゲージ式検出部、210…薄膜抵抗歪みゲージ、220…リード、230…電極、300…拡散抵抗歪みゲージ式検出部、310…拡散抵抗歪みゲージ、320…リード、350…保護膜、400…容量式ゲージ検出部、410…上部電極、420…下部電極、430…静電容量式圧力センシング部。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
中空筒形状であって、この中空筒形状の軸の一端側に前記ハウジングに導入された圧力によって変形可能なダイヤフラム(22)を有し、前記軸の他端側に前記圧力導入孔と連通する通路(23)を有するステム(20)と、
前記ダイヤフラム上に設けられ、当該ダイヤフラムの変形に応じた電気信号を出力する検出部(200、300、400)と、を備えた圧力センサであって、
前記検出部は、構造が異なる歪みゲージがそれぞれ備えられた第1の検出部および第2の検出部を有し構成されていることを特徴とする圧力センサ。 A housing (10) having a pressure introducing hole (13);
It has a hollow cylindrical shape, and has a diaphragm (22) that can be deformed by pressure introduced into the housing on one end side of the hollow cylindrical shaft, and communicates with the pressure introducing hole on the other end side of the shaft. A stem (20) having a passage (23);
A pressure sensor provided on the diaphragm, and including a detection unit (200, 300, 400) that outputs an electrical signal corresponding to the deformation of the diaphragm,
The pressure sensor is characterized in that the detection unit includes a first detection unit and a second detection unit each provided with a strain gauge having a different structure.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9975970B2 (en) | 2011-09-27 | 2018-05-22 | Sekisui Plastics Co., Ltd. | Spacer particle for resin composition layer and use thereof |
US10001424B2 (en) | 2014-03-05 | 2018-06-19 | Denso Corporation | Physical quantity detector |
-
2006
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DE112015001090B4 (en) | 2014-03-05 | 2022-09-15 | Denso Corporation | Physical quantity detection device |
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