JP2015108581A

JP2015108581A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2015108581A
Application number: JP2013252110A
Authority: JP
Inventors: 酒井　誠; Makoto Sakai; 誠酒井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2015-06-11

Abstract

【課題】センサの検出面全面のどこで異常が発生しても、センサ使用時に容易に検知することができる圧力センサを提供する。
【解決手段】シリコン基板２の薄肉部をダイアフラム３となし、前記ダイアフラムの外表面にピエゾ抵抗素子５ａ〜５ｄが形成され、前記ダイアフラムの内側に真空室４が形成されてなる圧力センサ１において、前記ダイアフラムは、連続した細導線でなる異常検知部７，８，９を備える。そのため、ダイアフラムのブリッジ回路部以外に亀裂が生じセンサの出力範囲内の小さな電圧変化を起こすような異常であっても、容易に、しかも常時検知できるという優れた効果を奏する。
【選択図】図３

Description

本発明は、異常検知機構を備えたピエゾ抵抗型圧力センサに関する。

ピエゾ抵抗型圧力センサは、真空室に設けたダイアフラム上にブリッジ状の抵抗体でセンサを形成し、ブリッジ状の抵抗体の互いに対向する二対の抵抗体の一方の端部同士を電源に接続し、他方の端部同士を制御機器に接続するものである。検出圧力によりダイアフラムが撓むとブリッジの抵抗体の抵抗値が変化し、ブリッジの平衡も変化して検出圧力に比例した電圧が出力される。

このように構成されたセンサにおいて、ダイアフラムに亀裂が生じた場合、真空室の真空度が低下し、検出圧力によるダイアフラムの撓み量が減少してしまう。また、真空室に侵入した空気の熱膨張により内部圧力は外部温度の影響を受けて変化する。そのため、センサの出力電圧は、センサの出力範囲内で変化するのである。ブリッジの抵抗体が断線する場合では、抵抗ブリッジの出力電圧に大きな変化が現れ、それを監視することにより比較的容易に異常を検知することができる。しかし、ブリッジの抵抗体の範囲は限定的であり抵抗体の無い箇所での亀裂に対しては比較的小さな出力変化にとどまる場合があるので、その検知は困難なものである。

センサの検出面の全面を検知するものとして例えば特許文献１が開示されている。特許文献１の技術は、第１及び第２の壁を含み、印加された圧力を受動するように構成されたキャビティと、前記第１の壁と共に印加された圧力に応じて変化する第１及び第２のキャパシタンス、並びに前記第２の壁と共に印加された圧力に応じて変化する第３及び第４のキャパシタンスを形成するようにキャビティ中に構成された偏向可能なダイアフラムであって、前記第１及び第３のキャパシタンスは第１の伝達関数を形成し、前記第２及び第４のキャパシタンスは第２の伝達関数を形成するものと、前記第１及び第２の伝達関数に従って診断出力を供給するように構成された回路とを含むものである。

特表２００９−５２４８２３号公報

しかしながら、特許文献１の技術によれば、この圧力センサの診断システムは、センサ自体が複雑となるうえ、コンピュータやモデム等を含んで構成され極めて複雑で高価なものであり、その診断作業も煩雑で長時間を要するものである。また、この圧力センサの診断システムでは、センサを通常使用する際に診断を実施することは不可能である。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、センサの検出面全面のどこで異常が発生しても、センサ使用時に容易に検知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。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、シリコン基板（２）の薄肉部をダイアフラム（３）となし、前記ダイアフラムの外表面にピエゾ抵抗素子（５ａ〜５ｄ）が形成され、前記ダイアフラムの内側に真空室（４）が形成されてなる圧力センサ（１）において、前記ダイアフラムは、連続した細導線でなる異常検知部（７，８，９）を備えることを特徴とする。

この構成によれば、圧力センサ（１）のダイアフラム（３）は、連続した細導線でなる異常検知部（７，８，９）を備える。よって、ダイアフラムのブリッジ回路部以外に亀裂が生じセンサの出力範囲内の比較的小さな電圧変化を起こすような異常であっても、容易に、しかも常時検知できるという優れた効果を奏する。

本発明に係る圧力センサの平面図である。図１のII−II線による断面図である。図１のIII−III線による断面図である。ピエゾ抵抗素子によるホイーストンブリッジの回路図である。第一実施形態の異常検知部を示す平面図である。第二実施形態の異常検知部を示す平面図である。第三実施形態の異常検知部を示す平面図である。

以下、本発明を具体化した各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図１乃至図３に示すように、圧力センサ１は、一の面における外周縁の内側を薄肉部としてのダイアフラム３となし、その対向面を開口させるようにエッチング等により加工された凹部を有する直方体のシリコン基板２と、その凹部開口を塞ぐ支持部材６と、ダイアフラム３の外表面に拡散やイオン打ち込みで形成されたピエゾ抵抗素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとからなる。

シリコン基板２と支持部材６とで形成された真空室４は、安定して圧力検出が実行できるように、真空状態が維持されている。

ピエゾ抵抗素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、ダイアフラム３の外表面に適宜に配置され、図４に示すように、ホイーストンブリッジ回路が構成されている。

ホイーストンブリッジ回路では、対向する二対のピエゾ抵抗素子５ａ，５ｄ、及び、ピエゾ抵抗素子５ｃ，５ｂの一方の端子同士が電源１２に接続され、他方の端部同士が出力１３として制御機器に接続される。

ダイアフラム３が圧力を受けて撓むと、各ピエゾ抵抗素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄにはダイアフラム３の撓み量に応じた応力が発生する。この応力に比例してピエゾ抵抗素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの抵抗率が変化する。各ピエゾ抵抗素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、ホイーストンブリッジを構成しているので、電源１２に電流や電圧を印加すると、出力１３には圧力に比例した出力電位差が現れる。

図２に示すように、ダイアフラム３の真空室４側の面である内表面には、異常検知部７，８，９が設けられている。また、他の実施例として、図３に示すように、ダイアフラム３の外表面には、絶縁層１１を介して異常検知部７，８，９が設けられている。絶縁層１１は、ピエゾ抵抗素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの形成工程等を含む一貫したＩＣ製造の工程中に形成され得るものである。

（第一実施形態）
図５に示すように、異常検知部７は、ダイアフラム３に生じた亀裂によって切断されるように、連続する比較的細い導線で構成されている。異常検知部７の導線パターン形状は、三角波状として図示したが、正弦波、矩形波、台形波、鋸歯状波等であってもよい。導線パターンは、ダイアフラム３の全面に及ぶように、波形の高さをダイアフラム３の外周形状に応じて変化させたものであることが好ましい。また、導線パターンの導線間隔は、可及的に狭いことが好ましい。

（第二実施形態）
図６に示すように、異常検知部８は、ダイアフラム３に生じた亀裂によって切断されるように、連続する比較的細い導線で構成されている。異常検知部８の導線パターン形状は、平行ペア線による螺旋状である。但し、異常検知部８の導線パターン形状は、ダイアフラム３の全面に及ぶように、ダイアフラム３の外周形状に応じた矩形等の相似形状の平行ペア線を等間隔で連続的に接続するようなものであってもよい。パターンの導線間隔は、可及的に狭いことが好ましい。

(第三実施形態)
図７に示すように、異常検知部の導線パターン形状が図６に示すような円形であって、ダイアフラムが方形であった場合には、ダイアフラムの四隅に異常検知部の存在しない領域が出現する。この領域に設けるものが補足部１０である。そして、異常検知部９は、補足部１０を含んで構成されている。

補足部１０は、ダイアフラム３に生じた亀裂によって切断されるように、ダイアフラムの導線パターンが存在しない領域に応じて屈曲し折り返して形成した連続する比較的細い導線で構成されている。補足部１０は、それが取り付けられる導線パターンの最外周で切り取られた導線間に接続される。なお、図７に示した補足部１０は、図６に示した導線パターン形状のものに設けた例であるが、補足部１０は、他の如何なる形状の導線パターンにも補足して設けることができる。

異常検知部７，８，９は、図示しない検出回路に接続され、常時通電されている。ダイアフラム３に亀裂が生じて異常検知部７，８，９の導線が切断されたときには、電流が遮断されるので、検出回路はダイアフラム３の亀裂を容易に検知することができる。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態の圧力センサ１のダイアフラム３は、連続した細導線でなる異常検知部７，８，９を備えるので、ダイアフラム３のブリッジ回路部以外に亀裂が生じセンサの出力範囲内の比較的小さな電圧変化を起こすような異常であっても、容易に、しかも常時検知できるという優れた効果を奏する。

また、図２に示す実施形態では、異常検知部７，８，９は、ダイアフラム３の内表面に設けられるので、ダイアフラム３の亀裂を効果的に検知することができる。

また、図３に示す実施形態では、異常検知部７，８，９は、ダイアフラム３の外表面に絶縁層１１を介して設けられるので、圧力センサ筺体の形成後であっても容易に配置することができる。さらに、絶縁層１１はダイアフラム３の亀裂に対する最後の砦となって真空室の気密保持を効果的に維持させることができる。

また、図５に示す実施形態では、異常検知部７の導線パターンは、波状であるから、異常検知部７の配置が容易となる。

また、図６に示す実施形態では、異常検知部８の導線パターンは、螺旋状であるから、線状に延びる亀裂に対して交差し易くなり、異常検知を効果的に行うことができる。

また、図７に示す実施形態では、異常検知部９は、導線パターンの存在しない領域を補う補足部１０を備えるので、ダイアフラム３の全面で異常検知を効果的に行うことができる。

なお、本発明は、当業者の知識に基づいて様々な変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものを含む。また、前記変更等を加えた実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りいずれも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

１圧力センサ
２シリコン基板
３ダイアフラム
４真空室
５ａ〜５ｄピエゾ抵抗素子
６支持部材
７，８，９異常検知部
１０補足部
１１絶縁層

Claims

シリコン基板（２）の薄肉部をダイアフラム（３）となし、前記ダイアフラムの外表面にピエゾ抵抗素子（５ａ〜５ｄ）が形成され、前記ダイアフラムの内側に真空室（４）が形成されてなる圧力センサ（１）において、
前記ダイアフラムは、連続した細導線でなる異常検知部（７，８，９）を備えることを特徴とする圧力センサ。
前記異常検知部は、前記ダイアフラムの内表面に設けられることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記異常検知部は、前記ダイアフラムの外表面に絶縁層（１１）を介して設けられることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記異常検知部の導線パターンは、波状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
前記異常検知部の導線パターンは、螺旋状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
前記異常検知部は、導線パターンの存在しない領域を補う補足部（１０）を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧力センサ。