JP3091775B2 - Capacitive sensor - Google Patents
Capacitive sensorInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、電極が形成された基板
同士を接合して形成した容量型センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitive sensor formed by joining substrates having electrodes formed thereon.
【０００２】[0002]
【従来技術】容量型センサとして、例えば、特開平１−
１５２３６９号公報にて開示されたものが知られてい
る。この種の容量型加速度センサは移動電極が形成され
た第１の基板と固定電極が形成された第２の基板とのそ
れら両電極間が微小ギャップを有し対向して接合されて
いる。その第１の基板の移動電極はその周囲からバネ性
を有した複数のビームにて支持されたおもり上に形成さ
れている。そして、加速度を受けるとそれらビームが撓
んで第１の基板のおもり上の移動電極と第２の基板に形
成された固定電極との間隔が変化する。容量型加速度セ
ンサはこの両電極間の間隔が変化することによる容量の
変化により加速度を測定している。一般に、容量Ｃは、
次式にて求められる。 Ｃ＝εＳ／ｄ （ε：誘電率，Ｓ：電極面
積，ｄ：電極間隔）2. Description of the Related Art Japanese Patent Laid-Open Publication No.
One disclosed in Japanese Patent Publication No. 152369 is known. In this type of capacitive acceleration sensor, a first substrate on which a moving electrode is formed and a second substrate on which a fixed electrode is formed are opposed to each other with a minute gap therebetween. The moving electrode of the first substrate is formed on a weight supported by a plurality of beams having a spring property from the periphery thereof. Then, upon receiving an acceleration, the beams bend and the distance between the moving electrode on the weight of the first substrate and the fixed electrode formed on the second substrate changes. The capacitive acceleration sensor measures the acceleration by a change in capacitance due to a change in the distance between the two electrodes. In general, the capacitance C is
It is obtained by the following equation. C = εS / d (ε: dielectric constant, S: electrode area, d: electrode interval)
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の容量
型加速度センサでは、製造工程における人的ミスなどに
よる初期性能不達成や移動電極を支持するビームの破損
や経時変化による性能劣化などが生じると、被測定加速
度が同じであっても正常時の電極間隔と違ってしまうこ
とになり、電極間の容量が正確に検出されないことにな
る。従来、容量型加速度センサなどの容量型センサにお
いて、電極間の容量に基づくアナログ出力が正確な値で
あるか否かの故障診断機能はなく、容量型センサが正常
か故障かの判定ができなかった。However, in the above-described capacitive acceleration sensor, if the initial performance is not achieved due to human error in the manufacturing process, the beam supporting the moving electrode is damaged, or the performance is deteriorated due to aging. Even if the measured acceleration is the same, the distance between the electrodes will be different from the normal interval, and the capacitance between the electrodes will not be detected accurately. Conventionally, in a capacitive sensor such as a capacitive acceleration sensor, there is no failure diagnosis function for determining whether or not an analog output based on the capacitance between electrodes is an accurate value, and it is not possible to determine whether the capacitive sensor is normal or failed. Was.
【０００４】近年、自動車の、例えば、ステアリングホ
イールの中央パッド内などに装備されて、車両衝突時に
乗員を保護しようとするエアバッグシステムが知られて
いる。このエアバッグシステムとしては、機械着火式エ
アバッグシステムと電気着火式エアバッグシステムとが
ある。このうち、電気着火式エアバッグシステムにおい
て、車両衝突を検出するＧセンサとして容量型加速度セ
ンサを用いることが考えられる。このようなシステムに
組み込まれた容量型加速度センサとしては、当然のこと
ながら常に、正常な動作をすることが要件である。ここ
で、自動車の衝突時に、容量型加速度センサが上述の原
因などにより正常に作動しなかったりするとエアバッグ
システムとしての機能が損なわれてしまうことになる。
そして、自動車が悪路走行時などに、容量型加速度セン
サからの出力値が誤って大きくなるとエアバッグシステ
ムが誤動作することも考えられる。[0004] In recent years, there has been known an airbag system which is provided in an automobile, for example, in a central pad of a steering wheel to protect an occupant in the event of a vehicle collision. The airbag system includes a mechanical ignition type airbag system and an electric ignition type airbag system. Among these, it is conceivable to use a capacitive acceleration sensor as a G sensor for detecting a vehicle collision in an electric ignition type airbag system. As a matter of course, it is necessary for the capacitive acceleration sensor incorporated in such a system to always operate normally. Here, if the capacitive acceleration sensor does not operate normally due to the above-described causes during the collision of the automobile, the function as the airbag system will be impaired.
When the output value from the capacitive acceleration sensor is erroneously increased, for example, when the vehicle is traveling on a rough road, the airbag system may malfunction.
【０００５】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的とするところは、製造工程
における人的ミスなどによる初期性能不達成や経時変化
による性能劣化などをプライマリチェック時に常にモニ
タでき、故障状態を診断することができる容量型センサ
を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to prevent the primary performance from being achieved due to human error in the manufacturing process and the performance degradation due to aging. An object of the present invention is to provide a capacitive sensor that can always be monitored at the time of checking and can diagnose a failure state.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の構成における第１の特徴は、第１の基板に形成
された移動電極に対して微小ギャップを有するように対
向させて第２の基板に固定電極を形成し、前記両電極間
の容量の変化により物理量を測定する容量型センサにお
いて、前記移動電極と前記固定電極との微小ギャップを
共有し対向させて前記第１の基板と前記第２の基板とに
第１の診断用電極と第２の診断用電極とをそれぞれ形成
し、プライマリチェック時には、前記第１の診断用電極
と前記第２の診断用電極との間に所定の電圧を印加して
静電力を発生させ、前記移動電極と前記固定電極との間
の微小ギャップを強制的に変化させ、その時の前記移動
電極と前記固定電極との間の容量の変化及び前記移動電
極と前記固定電極との間の容量が所定の閾値に到達する
までの遅れ時間に基づき正常・故障を診断するようにし
たことを特徴とする。A first feature of the present invention for solving the above-mentioned problems is that a second electrode is provided so as to have a small gap with respect to a moving electrode formed on a first substrate. A fixed electrode is formed on a substrate, and in a capacitive sensor that measures a physical quantity by a change in capacitance between the two electrodes, the movable substrate and the fixed electrode share a small gap, face each other, and face the first substrate. A first diagnostic electrode and a second diagnostic electrode are formed on the second substrate, respectively, and a primary check is performed between the first diagnostic electrode and the second diagnostic electrode during a primary check. To generate an electrostatic force by applying a voltage, forcibly changing the minute gap between the moving electrode and the fixed electrode, and changing the capacitance between the moving electrode and the fixed electrode at that time, and Mobile phone
The capacitance between the pole and the fixed electrode reaches a predetermined threshold
Normal / failure diagnosis based on the delay time until .
【０００７】又、第２の特徴は、第１の基板に形成され
た移動電極に対して微小ギャップを有するように対向さ
せて第２の基板に固定電極を形成し、前記両電極間の容
量の変化により物理量を測定する容量型センサにおい
て、前記第１の基板の前記移動電極が形成された裏面側
に第１の診断用電極を形成し、該第１の診断用電極に対
して微小ギャップを有するように対向させて前記第１の
基板に接合された第３の基板に第２の診断用電極を形成
し、プライマリチェック時には、前記第１の診断用電極
と前記第２の診断用電極との間に所定の電圧を印加して
静電力を発生させ、前記移動電極と前記固定電極との間
の微小ギャップを強制的に変化させ、その時の前記移動
電極と前記固定電極との間の容量の変化及び前記移動電
極と前記固定電極との間の容量が所定の閾値に到達する
までの遅れ時間に基づき正常・故障を診断するようにし
たことを特徴とする。A second feature is that a fixed electrode is formed on the second substrate so as to have a small gap with respect to the moving electrode formed on the first substrate, and a capacitance between the two electrodes is provided. In a capacitive sensor for measuring a physical quantity by a change in the first electrode, a first diagnostic electrode is formed on the back side of the first substrate on which the moving electrode is formed, and a minute gap is formed with respect to the first diagnostic electrode. A second diagnostic electrode is formed on a third substrate joined to the first substrate so as to face the first diagnostic electrode, and at the time of a primary check, the first diagnostic electrode and the second diagnostic electrode are formed. A predetermined voltage is applied between the electrodes to generate an electrostatic force, and the minute gap between the movable electrode and the fixed electrode is forcibly changed, and the gap between the movable electrode and the fixed electrode at that time is changed. Change in capacity and the mobile
The capacitance between the pole and the fixed electrode reaches a predetermined threshold
Normal / failure diagnosis based on the delay time until .
【０００８】[0008]
【作用】第１の特徴の作用としては、第１の基板と第２
の基板とにそれぞれ形成された移動電極と固定電極との
微小ギャップを共有し対向させて上記第１の基板と上記
第２の基板とに第１の診断用電極と第２の診断用電極と
がそれぞれ形成される。ここで、プライマリチェック時
には、上記第１の診断用電極と上記第２の診断用電極と
の間に所定の電圧を印加して静電力を発生させる。そし
て、上記移動電極と上記固定電極との間の微小ギャップ
を強制的に変化させる。その時の上記移動電極と上記固
定電極との間の容量の変化及び上記移動電極と上記固定
電極との間の容量が所定の閾値に到達するまでの遅れ時
間に基づき容量型センサの正常・故障が診断される。The first feature is that the first substrate and the second
A first diagnostic electrode and a second diagnostic electrode are provided on the first substrate and the second substrate by sharing a small gap between the movable electrode and the fixed electrode formed on the first substrate and the second electrode, respectively. Are respectively formed. Here, at the time of the primary check, a predetermined voltage is applied between the first diagnostic electrode and the second diagnostic electrode to generate an electrostatic force. Then, the minute gap between the moving electrode and the fixed electrode is forcibly changed. The change in capacitance between the moving electrode and the fixed electrode at that time, and the moving electrode and the fixed
When the capacitance between the electrode and the electrode reaches a predetermined threshold value
Normal or failure of the capacitive sensor on the basis of the between is diagnosed.
【０００９】第２の特徴の作用としては、第１の基板の
移動電極が形成された裏面側に第１の診断用電極が形成
される。又、その第１の診断用電極に対して微小ギャッ
プを有するように対向させて第３の基板に第２の診断用
電極が形成される。ここで、プライマリチェック時に
は、上記第１の診断用電極と上記第２の診断用電極との
間に所定の電圧を印加して静電力を発生させる。そし
て、上記移動電極と上記固定電極との間の微小ギャップ
を強制的に変化させる。その時の上記移動電極と上記固
定電極との間の容量の変化及び上記移動電極と上記固定
電極との間の容量が所定の閾値に到達するまでの遅れ時
間に基づき容量型センサの正常・故障が診断される。As a function of the second feature, a first diagnostic electrode is formed on the back surface of the first substrate on which the moving electrode is formed. Further, a second diagnostic electrode is formed on the third substrate so as to face the first diagnostic electrode so as to have a small gap. Here, at the time of the primary check, a predetermined voltage is applied between the first diagnostic electrode and the second diagnostic electrode to generate an electrostatic force. Then, the minute gap between the moving electrode and the fixed electrode is forcibly changed. The change in capacitance between the moving electrode and the fixed electrode at that time, and the moving electrode and the fixed
When the capacitance between the electrode and the electrode reaches a predetermined threshold value
Normal or failure of the capacitive sensor on the basis of the between is diagnosed.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図１は本発明に係る容量型センサである容量型
加速度センサ１０を示した中央縦断面図である。又、図
２は図１の容量型加速度センサ１０のシリコン基板２０
を移動電極２１側から見た平面図である。又、図３は図
１の容量型加速度センサ１０のガラス基板３０を固定電
極３１側から見た平面図である。容量型加速度センサ１
０は移動電極２１などが形成された第１の基板であるシ
リコン基板２０と固定電極３１が形成された第２の基板
であるガラス基板３０とガラスから成る第３の基板であ
る基台４０との三層構造にて主として構成されている。
上記移動電極２１と固定電極３１とが微小ギャップを有
するように対向させて両基板２０，３０を接合し、更
に、それらを基台４０上に接合している。上記移動電極
２１はシリコン基板２０の表面に不純物としてリン拡散
により形成され、その下部に加速度により移動するおも
り２２を有する。又、シリコン基板２０には移動電極２
１をその周囲からバネ性を有して支持する４本の細いビ
ーム２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが形成されてい
る。又、上記固定電極３１はガラス基板３０上にアルミ
ニウムなどの金属を蒸着して形成されている。尚、上記
移動電極２１の下部のおもり２２及びビーム２３ａ，２
３ｂ，２３ｃ，２３ｄ等はシリコン基板２０をエッチン
グすることで達成される。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to specific embodiments. FIG. 1 is a central longitudinal sectional view showing a capacitive acceleration sensor 10 which is a capacitive sensor according to the present invention. FIG. 2 shows a silicon substrate 20 of the capacitive acceleration sensor 10 of FIG.
FIG. 3 is a plan view as viewed from the moving electrode 21 side. FIG. 3 is a plan view of the glass substrate 30 of the capacitive acceleration sensor 10 of FIG. 1 as viewed from the fixed electrode 31 side. Capacitive acceleration sensor 1
Reference numeral 0 denotes a silicon substrate 20 which is a first substrate on which a moving electrode 21 and the like are formed, a glass substrate 30 which is a second substrate on which a fixed electrode 31 is formed, and a base 40 which is a third substrate made of glass. And a three-layer structure.
The movable electrode 21 and the fixed electrode 31 are opposed to each other so as to have a small gap, the two substrates 20 and 30 are joined, and further, they are joined on the base 40. The movable electrode 21 is formed on the surface of the silicon substrate 20 by diffusion of phosphorus as an impurity, and has a weight 22 below it under acceleration. The moving electrode 2 is provided on the silicon substrate 20.
There are formed four narrow beams 23a, 23b, 23c and 23d which support 1 from the periphery thereof with a spring property. The fixed electrode 31 is formed by depositing a metal such as aluminum on a glass substrate 30. Incidentally, the weight 22 and the beams 23a, 2 below the moving electrode 21 are arranged.
3b, 23c, 23d, etc. are achieved by etching the silicon substrate 20.
【００１１】シリコン基板２０の周辺部で接合されたガ
ラス基板３０の外側にはＣＭＯＳ回路を用いたＩＣ５０
が配設されている。又、シリコン基板２０の表面にはリ
ン拡散による移動電極２１と同時に配線２５が形成さ
れ、その配線２５により移動電極２１とＩＣ５０とが接
続されている。又、ガラス基板３０に形成された固定電
極３１の周囲にはシリコン基板２０に形成された第１の
診断用電極を兼ねた移動電極２１に対向して第２の診断
用電極である診断用電極３２が形成されている。そし
て、ガラス基板３０とシリコン基板２０との接合により
ガラス基板３０側の固定電極３１の端子部３１ａ及び診
断用電極３２の端子部３２ａはシリコン基板２０側の対
向した端子部２６，２７を介してＩＣ５０とそれぞれ接
続される。On the outside of the glass substrate 30 joined at the periphery of the silicon substrate 20, an IC 50 using a CMOS circuit is provided.
Are arranged. A wiring 25 is formed on the surface of the silicon substrate 20 at the same time as the moving electrode 21 by phosphorus diffusion, and the moving electrode 21 and the IC 50 are connected by the wiring 25. In addition, around the fixed electrode 31 formed on the glass substrate 30, a diagnostic electrode, which is a second diagnostic electrode, is opposed to the moving electrode 21 also serving as the first diagnostic electrode formed on the silicon substrate 20. 32 are formed. Then, by bonding the glass substrate 30 and the silicon substrate 20, the terminal 31 a of the fixed electrode 31 on the glass substrate 30 side and the terminal 32 a of the diagnostic electrode 32 on the side of the silicon substrate 20 via the opposing terminals 26 and 27. Each is connected to the IC 50.
【００１２】図４は本発明の容量型加速度センサ１０の
電気的構成を示したブロックダイヤグラムである。容量
型加速度センサ１０は移動電極２１と固定電極３１との
対向する電極面積やその時の電極間隔などにて容量ＣV
が決定される。又、移動電極２１と診断用電極３２との
対向する電極面積や電極間隔などにて容量ＣP が決定さ
れる。上記容量型加速度センサ１０は加速度の通常測定
時において、スイッチＳW は実線にて示された状態、即
ち、容量ＣV と容量ＣP とが並列に接続されている。そ
して、定電流回路Ｉ1,Ｉ2 、トランジスタＴr1，Ｔr2、
シュミットトリガ回路６１、インバータ回路６２，６６
にて構成されるＣ／ｆコンバータによりその時の容量Ｃ
V 及び容量ＣP を充電及び放電するときの端子電圧波形
が周波数ｆS に変換される。この周波数ｆS はｆ／Ｖコ
ンバータ６３にて電圧ＶS1に変換される。この電圧ＶS1
は高周波通過フィルタ（ＨＰＦ）６５に入力され低周波
数がカットされた電圧ＶS2に変換される。そして、この
電圧ＶS2は差動増幅器６４に入力され、差動増幅器６４
から容量型加速度センサ１０の加速度が零の時の容量Ｃ
V 及び容量ＣP に対応した電圧Ｖ1 との差に応じてアナ
ログ出力である電圧Ｖout が測定信号として出力され
る。FIG. 4 is a block diagram showing the electrical configuration of the capacitive acceleration sensor 10 according to the present invention. The capacitance type acceleration sensor 10 has a capacitance C V based on the electrode area of the movable electrode 21 and the fixed electrode 31 facing each other and the electrode interval at that time.
Is determined. Further, the capacitance CP is determined by the electrode area and the electrode interval between the moving electrode 21 and the diagnostic electrode 32. The capacitance type acceleration sensor 10 in the normal measurement of the acceleration, the state switch S W is shown by the solid line, that is, the capacitance C V and the capacitance C P is connected in parallel. Then, the constant current circuit I 1, I 2, transistor T r1, T r2,
Schmitt trigger circuit 61, inverter circuits 62 and 66
The C / f converter composed of
The terminal voltage waveform at the time of charge and discharge the V and capacitance C P is converted into a frequency f S. This frequency f S is converted to a voltage V S1 by the f / V converter 63. This voltage V S1
Is input to a high-pass filter (HPF) 65 and is converted into a voltage V S2 from which a low frequency is cut. Then, this voltage V S2 is input to the differential amplifier 64, and the differential amplifier 64
From the capacitance C when the acceleration of the capacitive acceleration sensor 10 is zero
Voltage V out is an analog output according to the difference between the voltages V 1 corresponding to the V and the capacitance C P is output as a measurement signal.
【００１３】次に、上述のＣ／ｆコンバータの通常測定
時における作動について詳述する。電源がオンされる
と、先ず、トランジスタＴr1がオンとなり、容量ＣV 及
び容量ＣP に対する放電が開始される。容量ＣV 及び容
量ＣP が放電され所定の電圧以上となるとシュミットト
リガ回路６１の出力電圧がＬo レベル、インバータ回路
６６の出力電圧がＨi レベルとなり、トランジスタＴr2
をオンとする。すると、容量ＣV 及び容量ＣP が充電さ
れて所定の電圧以下となるとシュミットトリガ回路６１
の出力電圧がＨi レベル、インバータ回路６６の出力電
圧がＬo レベルとなる。そして、上述の動作が繰り返さ
れることにより容量ＣV 及び容量ＣP に比例したパルス
信号が出力される。Next, the operation of the above-mentioned C / f converter during normal measurement will be described in detail. When the power is turned on, first, the transistor T r1 is turned on, discharge is started with respect to the capacitance C V and the capacitance C P. Capacitance C V and the capacitance C P is the output voltage Lo level when the discharge becomes higher than a predetermined voltage Schmitt trigger circuit 61, the output voltage of the inverter circuit 66 becomes Hi level, the transistor T r2
Is turned on. Then, when the capacitances C V and C P are charged and fall below a predetermined voltage, the Schmitt trigger circuit 61
Is at the Hi level, and the output voltage of the inverter circuit 66 is at the Lo level. Then, the pulse signal proportional to the capacitance C V and the capacitance C P by the above-described operation is repeated is outputted.
【００１４】次に、容量型加速度センサ１０が加速度の
通常測定状態に入る前の、正常或いは故障の作動チェッ
クであるプライマリチェック時における作動について述
べる。尚、前述のエアバッグシステムにおけるプライマ
リチェックとしては、例えば、イグニッションスイッチ
をオンにしてから、車両が走り出すまでの間に行われ
る。上記プライマリチェック時においては、プライマリ
チェック信号ＳP がＬo レベルのＶL からＨi レベルの
ＶH となり、スイッチＳW が破線で示された状態に切り
換えられる。そして、一方の診断用電極３２側が接地さ
れ、他方の移動電極２１側に、例えば、所定の電圧５V
が印加される。ここで、微小ギャップを有する電極間の
静電力Ｐe は次式にて算出される。 Ｐe＝εＳＶ2／２ｄ2 （ε：誘電率，Ｓ：電極面積，Ｖ：電圧，ｄ：電極間
隔） 上式に、例えば、ε＝ 8.854×10-12 、Ｓ＝１mm2 、Ｖ
＝５V 、ｄ＝ 2.4μmとして各数値を代入する。する
と、 Ｐe＝8.854×10-12×(１×10-3)2×52／｛2×(2.4×10-6)2｝ ＝1.92×10-5Ｎ＝1.96×10-6kgf となる。これを加速度Ｇに換算するため、 ｍｇ＝3.38×10-7kgf （ｍ：おもり２２の質
量，ｇ：重力加速度） で割ると、 1.96×10-6／(3.38×10-7)＝5.80Ｇ となる。従って、この時の静電力は 5.8Ｇ相当である。Next, a description will be given of the operation at the time of a primary check, which is a normal or faulty operation check, before the capacitive acceleration sensor 10 enters a normal acceleration measurement state. The primary check in the above-described airbag system is performed, for example, from when an ignition switch is turned on to when the vehicle starts running. During the primary check, the primary check signal S P is V H becomes a Hi level from Lo level V L, is switched to a state in which the switch S W is indicated by a broken line. Then, one diagnostic electrode 32 side is grounded, and the other movable electrode 21 side has a predetermined voltage of 5V, for example.
Is applied. Here, the electrostatic force P e between electrodes having a minute gap is calculated by the following equation. P e = εSV 2 / 2d 2 (ε: dielectric constant, S: electrode area, V: voltage, d: electrode interval) For example, ε = 8.854 × 10 −12 , S = 1 mm 2 , V
= 5V, d = 2.4 μm and each numerical value is substituted. Then, a P e = 8.854 × 10 -12 × (1 × 10 -3) 2 × 5 2 /{2×(2.4×10 -6) 2} = 1.92 × 10 -5 N = 1.96 × 10 -6 kgf Become. To convert this to acceleration G, divide by mg = 3.38 × 10 -7 kgf (m: mass of weight 22, g: gravitational acceleration) to obtain 1.96 × 10 -6 /(3.38×10 -7 ) = 5.80 G Becomes Therefore, the electrostatic force at this time is equivalent to 5.8 G.
【００１５】図５は、プライマリチェック信号ＳP とア
ナログ出力Ｖout とのタイミングチャートを示してい
る。このように、プライマリチェック信号ＳP がＶL か
らＶH となると、アナログ出力Ｖout は加速度０Ｇ相当
の電圧ＶoutLから上記 5.8Ｇ相当の電圧ＶoutHまで変位
する。このアナログ出力Ｖout が、図示しない後段のＥ
ＣＵ（ＥlectronicＣontrol Ｕnit ）に入力され、プ
ライマリチェックとして、電圧ＶoutL及び電圧ＶoutHが
規格値以内であるか否かが判定される。同時に、ＥＣＵ
において、アナログ出力Ｖout が加速度０Ｇ相当の電圧
ＶoutLから所定の閾値電圧ＶoutTH に到達するまでの遅
れ時間ｔについても規格値以内であるかが判定される。FIG. 5 shows a timing chart of the primary check signal SP and the analog output Vout . Thus, the primary check signal S P is V H from V L, the analog output V out is displaced from the voltage V out L substantial acceleration 0G to the voltage V out H equivalent above 5.8G. This analog output V out is connected to a subsequent E (not shown).
It is input to a CU (Electronic Control Unit), and as a primary check, it is determined whether or not the voltage V out L and the voltage V out H are within specified values. At the same time, ECU
In the analog output V out is whether within the specification values even for the delay time t from the voltage V out L substantial acceleration 0G to reach a predetermined threshold voltage V out T H is determined.
【００１６】このようにして、本発明の容量型加速度セ
ンサ１０は、通常測定となる以前でプライマリチェック
信号が出力される毎に、正常か故障かの判定が行われ
る。即ち、容量型加速度センサ１０は、製造上の人的ミ
スによる初期性能不達成や経時変化による性能劣化など
の故障をその都度確実にチェックできる。従って、本発
明の容量型加速度センサを用いたエアバッグシステムな
どにおいては、必要なときに作動しないとか逆に誤動作
することを未然に防止することが可能となる。As described above, in the capacitive acceleration sensor 10 of the present invention, each time the primary check signal is output before the normal measurement, it is determined whether the sensor is normal or faulty. That is, the capacitive acceleration sensor 10 can reliably check for failures such as failure to achieve initial performance due to human error in manufacturing and performance degradation due to aging. Therefore, in an airbag system or the like using the capacitive acceleration sensor according to the present invention, it is possible to prevent beforehand from not operating when necessary or from malfunctioning.
【００１７】図６は、図４の容量型加速度センサの電気
的構成のうちスイッチＳW の通常測定側の出力側をシュ
ミットトリガ回路６１から切り離した他の実施例を示し
ている。本実施例の容量型加速度センサにおけるプライ
マリチェック時の作動については上述と同様でありその
説明を省略する。通常測定時において、図６の容量型加
速度センサのアナログ出力は容量ＣV に対応しており、
図４の容量型加速度センサのアナログ出力は容量ＣV と
容量ＣP との合計したものに対応している。即ち、図４
の容量型加速度センサの感度は図６の容量型加速度セン
サの感度に比べて大きくできる。[0017] Figure 6 shows another embodiment in which disconnects the normal output side of the measuring side of the switch S W Schmitt trigger circuit 61 of the electrical configuration of a capacitance type acceleration sensor of FIG. The operation at the time of the primary check in the capacitive acceleration sensor according to the present embodiment is the same as that described above, and the description thereof is omitted. At the time of normal measurement, the analog output of the capacitive acceleration sensor in FIG. 6 corresponds to the capacitance C V ,
The analog output of the capacitance type acceleration sensor of Figure 4 corresponds to the sum of the capacitance C V and the capacitance C P. That is, FIG.
The sensitivity of the capacitive acceleration sensor can be made larger than the sensitivity of the capacitive acceleration sensor of FIG.
【００１８】容量型加速度センサの電極構成の他の実施
例としては、図７及び図８に示したようなものが考えら
れる。尚、図７及び図８における容量型加速度センサの
通常測定時とプライマリチェック時との動作について
は、上述の実施例における説明と何ら変わることがない
のでそれらの説明を省略する。又、図１と同様の構成の
ものについては、同符号を付して示してある。図７の容
量型加速度センサ７０では、移動電極２１と微小ギャッ
プを有するように対向させて移動電極２１側から移動電
極２１とおなじ面積にて逐次、アルミニウムなどの金属
から成る固定電極３１、ＬＴＯ（低温度ＳiＯ2）から成
る絶縁層３３及びアルミニウムなどの金属から成る診断
用電極３２とがサンドイッチ状に蒸着等にて形成されて
いる。又、図８の容量型加速度センサ８０では、固定電
極３１と微小ギャップを有するように対向させて形成さ
れたシリコン基板２０の拡散による移動電極２１の周囲
に同じく拡散による診断用電極２８が形成されている。As another embodiment of the electrode configuration of the capacitive acceleration sensor, the configuration shown in FIGS. 7 and 8 can be considered. The operation of the capacitive acceleration sensor in FIG. 7 and FIG. 8 at the time of the normal measurement and at the time of the primary check does not differ from the description in the above-described embodiment, so that the description thereof is omitted. The components having the same configuration as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In the capacitive acceleration sensor 70 of FIG. 7, the fixed electrode 31 made of metal such as aluminum and the LTO (LTO) are sequentially opposed to the moving electrode 21 with a small gap in the same area as the moving electrode 21 from the moving electrode 21 side. An insulating layer 33 made of low temperature SiO 2 ) and a diagnostic electrode 32 made of a metal such as aluminum are formed in a sandwich shape by vapor deposition or the like. In the capacitive acceleration sensor 80 of FIG. 8, the diagnostic electrode 28 is also formed by diffusion around the movable electrode 21 by diffusion of the silicon substrate 20 formed so as to face the fixed electrode 31 so as to have a small gap. ing.
【００１９】更に、容量型加速度センサの電極構成の実
施例を図９に示した。尚、図１と同様の構成のものにつ
いては、同符号を付して示してある。移動電極２１と固
定電極３１とは上述の実施例と同様に形成されている。
そして、シリコン基板２０の移動電極２１が形成された
おもり２２の裏面側に独立して第１の診断用電極２９が
形成されている。上記第１の診断用電極２９はシリコン
基板２０の移動電極２１と同様に拡散により形成されて
いる。又、その第１の診断用電極２９に対して微小ギャ
ップを有するように対向させて第３の基板である基台４
０に第２の診断用電極４１が形成されている。上記第２
の診断用電極４１はアルミニウムなどの金属を蒸着して
形成されている。このように構成された容量型加速度セ
ンサ９０では、プライマリチェック時に、第１の診断用
電極２９と第２の診断用電極４１との間に所定の電圧が
印加される。そして、第１の診断用電極２９と第２の診
断用電極４１との間に静電力を発生させる。すると、お
もり２２は上述の実施例とは逆に移動電極２１と固定電
極３１との微小ギャップを広げる方向に移動される。こ
の時の移動電極２１と固定電極３１との間の容量の変化
に対応したアナログ出力が上述と同様に規格値以内であ
るかを判定できるので、上述と同様の効果が期待でき
る。FIG. 9 shows an embodiment of the electrode configuration of the capacitive acceleration sensor. In addition, about the thing of the structure similar to FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and shown. The movable electrode 21 and the fixed electrode 31 are formed in the same manner as in the above embodiment.
A first diagnostic electrode 29 is formed independently on the back surface of the weight 22 on which the moving electrode 21 is formed on the silicon substrate 20. The first diagnostic electrode 29 is formed by diffusion similarly to the movable electrode 21 of the silicon substrate 20. The base 4 serving as a third substrate is opposed to the first diagnostic electrode 29 so as to have a small gap.
The second diagnostic electrode 41 is formed at 0. The second
The diagnostic electrode 41 is formed by evaporating a metal such as aluminum. In the capacitive acceleration sensor 90 configured as described above, a predetermined voltage is applied between the first diagnostic electrode 29 and the second diagnostic electrode 41 at the time of the primary check. Then, an electrostatic force is generated between the first diagnostic electrode 29 and the second diagnostic electrode 41. Then, the weight 22 is moved in a direction to widen the minute gap between the movable electrode 21 and the fixed electrode 31, contrary to the above embodiment. At this time, it is possible to determine whether the analog output corresponding to the change in the capacitance between the movable electrode 21 and the fixed electrode 31 is within the standard value in the same manner as described above, and the same effect as described above can be expected.
【００２０】図１０は本発明の容量型センサである容量
型圧力センサ１００を示した中央縦断面図である。容量
型圧力センサ１００は第１の基板であるシリコン基板２
００と第２の基板であるガラス基板３００とが接合さ
れ、微小ギャップを有する基準圧室２３０が形成されて
いる。シリコン基板２００には被測定圧力Ｐを受ける感
圧ダイヤフラム部２２０が形成されている。そして、感
圧ダイヤフラム部２２０の基準圧室２３０側には第１の
診断用電極を兼ねた移動電極２１０が拡散により形成さ
れている。又、ガラス基板３００にはシリコン基板２０
０の移動電極２１０に対向して固定電極３１０及びその
周囲に第２の診断用電極である診断用電極３２０がアル
ミニウムなどの金属を蒸着して形成されている。シリコ
ン基板２００の周辺部で接合されたガラス基板３００の
外側にはＣＭＯＳ回路を用いたＩＣ５００が配設されて
いる。又、シリコン基板２００の表面にはリン拡散によ
る移動電極２１０と同時に図２と同様な配線が形成さ
れ、移動電極２１０とＩＣ５００とが接続されている。
又、ガラス基板３００に形成された固定電極３１０及び
診断用電極３２０のそれぞれの図３と同様な端子部はシ
リコン基板２００側の図２と同様な対向した端子部を介
してＩＣ５００とそれぞれ接続されている。そして、ガ
ラス基板３００の固定電極３１０のほぼ中央には穴部３
４０が形成されている。即ち、この容量型圧力センサ１
００は、基準圧室２３０に被測定圧力Ｐを受ける感圧ダ
イヤフラム部２２０側と反対側から大気圧又は基準圧を
導入するゲージ圧型であり、特に、微圧を測定する場合
に適している。FIG. 10 is a central longitudinal sectional view showing a capacitive pressure sensor 100 which is a capacitive sensor according to the present invention. The capacitive pressure sensor 100 is a silicon substrate 2 as a first substrate.
00 and a glass substrate 300 as a second substrate are joined to form a reference pressure chamber 230 having a minute gap. On the silicon substrate 200, a pressure-sensitive diaphragm portion 220 that receives the measured pressure P is formed. On the reference pressure chamber 230 side of the pressure-sensitive diaphragm 220, a moving electrode 210 also serving as a first diagnostic electrode is formed by diffusion. In addition, the silicon substrate 20 is used as the glass substrate 300.
The fixed electrode 310 is opposed to the zero moving electrode 210, and a diagnostic electrode 320 as a second diagnostic electrode is formed by evaporating a metal such as aluminum around the fixed electrode 310. An IC 500 using a CMOS circuit is provided outside the glass substrate 300 joined at the periphery of the silicon substrate 200. Also, on the surface of the silicon substrate 200, a wiring similar to that shown in FIG. 2 is formed simultaneously with the moving electrode 210 by phosphorus diffusion, and the moving electrode 210 and the IC 500 are connected.
3 of the fixed electrode 310 and the diagnostic electrode 320 formed on the glass substrate 300 are connected to the IC 500 via opposed terminal portions similar to FIG. 2 on the silicon substrate 200 side. ing. A hole 3 is formed substantially at the center of the fixed electrode 310 of the glass substrate 300.
40 are formed. That is, this capacitive pressure sensor 1
Reference numeral 00 denotes a gauge pressure type for introducing the atmospheric pressure or the reference pressure from the side opposite to the pressure-sensitive diaphragm 220 receiving the measured pressure P in the reference pressure chamber 230, and is particularly suitable for measuring a minute pressure.
【００２１】このように構成された容量型圧力センサ１
００が被測定圧力Ｐの通常測定状態に入る前の、正常或
いは故障の作動チェックであるプライマリチェック時に
おける作動については、前述の容量型加速度センサ１０
と同様に説明できる。即ち、微小ギャップを有する移動
電極２１０と診断用電極３２０との間に静電力Ｐe を作
用させて、微小ギャップを変化させる。この変化に対す
る移動電極２１０と固定電極３１０との容量の変化に基
づくアナログ出力が規格値以内であるか否かにより容量
型圧力センサ１００の正常・故障が判定される。The capacitive pressure sensor 1 constructed as described above
Before 00 enters the normal measurement state of the measured pressure P, the operation at the time of the primary check, which is a normal or failure operation check, is performed in the above-described capacitive acceleration sensor 10.
Can be explained similarly. That is, by applying an electrostatic force P e between the moving electrode 210 with a small gap between diagnostic electrodes 320, changes the minute gap. The normal / failure of the capacitive pressure sensor 100 is determined based on whether or not an analog output based on a change in the capacitance between the movable electrode 210 and the fixed electrode 310 with respect to this change is within a standard value.
【００２２】[0022]
【発明の効果】本発明の第１の効果としては、第１の基
板に形成された移動電極と第２の基板に形成された固定
電極との微小ギャップを共有し対向させて第１の基板と
第２の基板とに第１の診断用電極と第２の診断用電極と
がそれぞれ形成されており、通常測定においては、移動
電極と固定電極との間の容量の変化により物理量が測定
される。そして、プライマリチェック時には、第１の診
断用電極と第２の診断用電極との間に所定の電圧を印加
して静電力を発生させ、移動電極と固定電極との間の微
小ギャップを強制的に変化させる。その時の移動電極と
固定電極との間の容量に関連した物理量である変量及び
移動電極と固定電極との間の容量が所定の閾値に到達す
るまでの遅れ時間がアナログ出力として検出される。本
発明の容量型センサでは、これら２つの出力値を各々の
規格値と比較することにより、従来の容量型センサでは
不可能であった製造工程における人的ミスなどによる初
期性能不達成や経時変化による性能劣化などが動作チェ
ックでき、正常・故障が診断できることになる。The first effect of the present invention is that a small gap between a movable electrode formed on a first substrate and a fixed electrode formed on a second substrate is shared and opposed to the first substrate. A first diagnostic electrode and a second diagnostic electrode are formed on the substrate and the second substrate, respectively. In a normal measurement, a physical quantity is measured by a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode. You. At the time of the primary check, a predetermined voltage is applied between the first diagnostic electrode and the second diagnostic electrode to generate an electrostatic force, thereby forcing a minute gap between the movable electrode and the fixed electrode. To change. A variable that is a physical quantity related to the capacitance between the moving electrode and the fixed electrode at that time, and
When the capacitance between the moving electrode and the fixed electrode reaches a predetermined threshold
Delay time until the are detected as an analog output. In the capacitive sensor of the present invention, by comparing these two output values with the respective standard values, initial performance failure due to human error or the like in a manufacturing process that was impossible with the conventional capacitive sensor was made. The operation can be checked for achievement or performance deterioration due to aging, and normality / failure can be diagnosed.
【００２３】第２の効果としては、第１の基板に形成さ
れた移動電極と第２の基板に形成された固定電極とが微
小ギャップを有するように対向させ、第１の基板の移動
電極が形成された裏面側に第１の診断用電極が形成さ
れ、その第１の診断用電極に対して微小ギャップを有す
るように対向させて第１の基板に接合された第３の基板
に第２の診断用電極が形成されている。このように構成
された容量型センサは、第１の効果と同様に、プライマ
リチェック時の２つの出力値を各々の規格値と比較する
ことにより、従来の容量型センサでは不可能であった製
造工程における人的ミスなどによる初期性能不達成や経
時変化による性能劣化などが動作チェックでき、正常・
故障が診断できることになる。The second effect is that the movable electrode formed on the first substrate and the fixed electrode formed on the second substrate are opposed to each other so as to have a small gap, and the movable electrode on the first substrate is A first diagnostic electrode is formed on the formed rear surface side, and a second diagnostic electrode is opposed to the first diagnostic electrode so as to have a small gap, and a second diagnostic electrode is bonded to the first substrate. Are formed. In the same manner as the first effect, the capacitive sensor configured as described above compares the two output values at the time of the primary check with the respective standard values, thereby making the manufacturing impossible with the conventional capacitive sensor. Operational checks such as failure to achieve initial performance due to human error in the process and performance degradation due to aging can be performed.
The failure can be diagnosed.
【図１】本発明の具体的な一実施例に係る容量型センサ
である容量型加速度センサの機械的構成を示した中央縦
断面図である。FIG. 1 is a central longitudinal sectional view showing a mechanical configuration of a capacitive acceleration sensor which is a capacitive sensor according to a specific embodiment of the present invention.
【図２】同実施例に係る容量型加速度センサのシリコン
基板を移動電極側から見た平面図である。FIG. 2 is a plan view of a silicon substrate of the capacitive acceleration sensor according to the same embodiment as viewed from a moving electrode side.
【図３】同実施例に係る容量型加速度センサのガラス基
板を固定電極側から見た平面図図である。FIG. 3 is a plan view of the glass substrate of the capacitive acceleration sensor according to the same embodiment as viewed from the fixed electrode side.
【図４】同実施例に係る容量型加速度センサの電気的構
成を示したブロックダイヤグラムである。FIG. 4 is a block diagram showing an electrical configuration of the capacitive acceleration sensor according to the embodiment.
【図５】同実施例に係るプライマリチェック信号とアナ
ログ信号との関係を示したタイミングチャートである。FIG. 5 is a timing chart showing a relationship between a primary check signal and an analog signal according to the embodiment.
【図６】本発明に係る容量型センサである容量型加速度
センサの電気的構成の他の実施例を示したブロックダイ
ヤグラムである。FIG. 6 is a block diagram showing another embodiment of the electrical configuration of the capacitive acceleration sensor which is the capacitive sensor according to the present invention.
【図７】本発明に係る容量型センサである容量型加速度
センサの第２の実施例を示した中央縦断面図である。FIG. 7 is a central longitudinal sectional view showing a second embodiment of the capacitive acceleration sensor which is the capacitive sensor according to the present invention.
【図８】本発明に係る容量型センサである容量型加速度
センサの第３の実施例を示した中央縦断面図である。FIG. 8 is a central longitudinal sectional view showing a third embodiment of the capacitive acceleration sensor which is the capacitive sensor according to the present invention.
【図９】本発明に係る容量型センサである容量型加速度
センサの第４の実施例を示した中央縦断面図である。FIG. 9 is a central longitudinal sectional view showing a fourth embodiment of the capacitive acceleration sensor which is the capacitive sensor according to the present invention.
【図１０】本発明に係る容量型センサである容量型圧力
センサを示した中央縦断面図である。FIG. 10 is a central longitudinal sectional view showing a capacitive pressure sensor which is a capacitive sensor according to the present invention.
１０−容量型加速度センサ ２０−シリコン基板
２１−移動電極 ２２−おもり ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ−ビ
ーム ３０−ガラス基板 ３１−固定電極 ３２−診断用
電極 ４０−基台 ５０−ＩＣ ６１−シュミットトリガ
回路 ６２，６６−インバータ回路 ６３−ｆ／Ｖコンバー
タ ６４−差動増幅器 ６５−高周波通過フィルタ（ＨＰ
Ｆ） Ｉ1 ，Ｉ2 −定電流回路 Ｔr1，Ｔr2−トランジスタ10-capacitive acceleration sensor 20-silicon substrate
Reference Signs List 21-moving electrode 22-weight 23a, 23b, 23c, 23d-beam 30-glass substrate 31-fixed electrode 32-diagnostic electrode 40-base 50-IC 61-Schmitt trigger circuit 62,66-inverter circuit 63-f / V Converter 64-Differential Amplifier 65-High Frequency Pass Filter (HP
F) I 1, I 2 - constant current circuit T r1, T r2 - transistor
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑原 史郎 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田 工機株式会社内 (72)発明者 重信 博道 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 石川 誠司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−134552（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−148833（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 15/125 G01P 21/00 G01L 9/12 G01L 27/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Shiro Kuwahara 1-1-1, Asahi-cho, Kariya-shi, Aichi Prefecture Inside Toyota Koki Co., Ltd. (72) Inventor Hiromichi Shigenobu 1, Toyota-cho, Toyota-shi, Aichi Prefecture Toyota Motor Corporation (72) Inventor Seiji Ishikawa 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Inside Toyota Motor Corporation (56) References JP-A-3-134552 (JP, A) JP-A-4-148833 (JP, A) ( 58) Investigated field (Int.Cl. 7 , DB name) G01P 15/125 G01P 21/00 G01L 9/12 G01L 27/00
Claims (2)
て微小ギャップを有するように対向させて第２の基板に
固定電極を形成し、前記両電極間の容量の変化により物
理量を測定する容量型センサにおいて、 前記移動電極と前記固定電極との微小ギャップを共有し
対向させて前記第１の基板と前記第２の基板とに第１の
診断用電極と第２の診断用電極とをそれぞれ形成し、プ
ライマリチェック時には、前記第１の診断用電極と前記
第２の診断用電極との間に所定の電圧を印加して静電力
を発生させ、前記移動電極と前記固定電極との間の微小
ギャップを強制的に変化させ、その時の前記移動電極と
前記固定電極との間の容量の変化及び前記移動電極と前
記固定電極との間の容量が所定の閾値に到達するまでの
遅れ時間に基づき正常・故障を診断するようにしたこと
を特徴とする容量型センサ。1. A fixed electrode is formed on a second substrate so as to face a moving electrode formed on a first substrate so as to have a small gap, and a physical quantity is measured by a change in capacitance between the two electrodes. In the capacitance type sensor, a first diagnostic electrode and a second diagnostic electrode are provided on the first substrate and the second substrate so that the movable electrode and the fixed electrode share a small gap and face each other. Are formed, and at the time of the primary check, a predetermined voltage is applied between the first diagnostic electrode and the second diagnostic electrode to generate an electrostatic force. Forcibly changing the minute gap between the movable electrode and the fixed electrode at that time, and changing the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode.
Until the capacitance between the fixed electrode and the fixed electrode reaches a predetermined threshold.
A capacitive sensor for diagnosing normality or failure based on a delay time .
て微小ギャップを有するように対向させて第２の基板に
固定電極を形成し、前記両電極間の容量の変化により物
理量を測定する容量型センサにおいて、 前記第１の基板の前記移動電極が形成された裏面側に第
１の診断用電極を形成し、該第１の診断用電極に対して
微小ギャップを有するように対向させて前記第１の基板
に接合された第３の基板に第２の診断用電極を形成し、
プライマリチェック時には、前記第１の診断用電極と前
記第２の診断用電極との間に所定の電圧を印加して静電
力を発生させ、前記移動電極と前記固定電極との間の微
小ギャップを強制的に変化させ、その時の前記移動電極
と前記固定電極との間の容量の変化及び前記移動電極と
前記固定電極との間の容量が所定の閾値に到達するまで
の遅れ時間に基づき正常・故障を診断するようにしたこ
とを特徴とする容量型センサ。2. A fixed electrode is formed on a second substrate facing a moving electrode formed on a first substrate so as to have a small gap, and a physical quantity is measured by a change in capacitance between the two electrodes. In the capacitive sensor, a first diagnostic electrode is formed on the back surface of the first substrate on which the moving electrode is formed, and the first diagnostic electrode is opposed to the first diagnostic electrode so as to have a minute gap. Forming a second diagnostic electrode on the third substrate bonded to the first substrate,
At the time of the primary check, a predetermined voltage is applied between the first diagnostic electrode and the second diagnostic electrode to generate an electrostatic force, and a minute gap between the movable electrode and the fixed electrode is formed. Forced change, the change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode at that time and the movable electrode
Until the capacitance between the fixed electrode reaches a predetermined threshold
A capacity-type sensor for diagnosing normality or failure based on a delay time of the sensor.
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