JP4379993B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を検出する圧力検出装置に関し、特に故障発生を自己診断可能な圧力検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧力センサにおいては、半導体基板に薄肉のダイヤフラム部を形成し、このダイヤフラム部の中央部および周辺部に圧力検出素子（ゲージ抵抗）を２個ずつ設けてホイートストンブリッジ回路を構成している。そして、ダイヤフラム部に圧力が印加されると、ピエゾ抵抗効果によって圧力検出素子の抵抗値が変化し、この結果として中央部および周辺部の圧力検出素子における中点電位に電位差（出力電圧）を生じる。圧力センサでは、この出力電圧に適当な増幅、調整処理を施して圧力に応じた電気信号を出力するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、圧力センサはブリッジ回路が出力する電位差を増幅、調整しているだけであり、例えばブリッジ回路が汚染や傷等によって誤った電位差を発生した場合には、そのまま誤った電気信号を出力してしまう可能性がある。
【０００４】
このような異常を検出する機能を持つ圧力センサとして、特表平１０−５０６７１８号公報に記載された圧力センサがある。この圧力センサは、１つのダイヤフラム内での応力分布状況の異常を検知するために、ダイヤフラム部を中央から２分割し、それぞれにブリッジ回路を形成して両者の電圧出力を比較してずれを検知して故障を検出している。しかしながら、この圧力センサではダイヤフラム部が１つであるため、ダイヤフラムの故障が発生した場合に精度よく故障を検出することが難しく、高い信頼性を確保することができない。
【０００５】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、ブリッジ回路の出力が故障により変化した場合に、精度よく故障を検出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。
【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に記載の発明では、半導体基板には複数の薄肉部（１４、１５）が設けられており、第１の薄肉部（１４）に設けられ、圧力に応じて電気信号を出力する圧力検出用回路と、第２の薄肉部（１５）に設けられ、圧力検出用回路に比較して高い感度で圧力に応じて電気信号を出力する故障検出用回路と、圧力検出用回路の出力信号と故障検出用回路の出力信号とに基づいて前記圧力検出用回路の故障判定を行う故障判定手段（２８）とを備え、第２薄肉部（１５）は、第１の薄肉部（１４）に比較して面積が大きくなるように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
このように、異なる感度を持つ圧力検出用回路の出力と故障検出用回路の出力を用いることにより、圧力検出用回路の出力が故障により変化した場合に、確実に故障を検出することができる。また、故障検出用路が圧力検出用回路より高感度になるように構成することで、故障検出用回路では薄肉部の故障や劣化（破壊）を圧力検出用回路より先に検出することが可能となり、高い精度で故障を検出でき、高い信頼性と故障に対する安全性を確保することができる。
【０００８】
また、請求項１に記載の発明のように、故障検出回路が形成された薄肉部（１５）の面積を圧力検出用回路が形成された薄肉部（１４）より大きくすることで、故障検出用回路の方が高感度になるように構成することができる。
【０００９】
また、上記圧力検出用回路および故障検出用回路は、請求項２に記載の発明のように、それぞれゲージ抵抗（ＲＡ〜ＲＤ；ＲＥ〜ＲＨ）から形成されるブリッジ回路とすることができる。さらに、ゲージ抵抗は具体的には、請求項３に記載の発明のように拡散抵抗とすることができ、あるいは請求項４に記載の発明のように薄膜抵抗とすることができる。
【００１０】
また、故障判定回路は、請求項５に記載の発明のように複数の薄肉部が設けられているのと同じ半導体基板に設けるように構成することができる。
【００１１】
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。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した実施形態を図１〜３に基づいて説明する。本実施形態における圧力センサは、例えば車両におけるブレーキ装置のブレーキ液圧や燃料噴射装置の燃料圧等の高い信頼性が必要とされる液圧制御系に用いられるものである。
【００１３】
図１（ａ）は本実施形態の圧力センサのダイヤフラム部の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本実施形態の圧力センサでは、半導体基板としてＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１０を用いている。ＳＯＩ基板１０は、シリコンで構成された第１の基板１１と第２の基板１２とが酸化膜１３を介して接合されている。第１の基板１１にはエッチングにより２つのダイヤフラム部（薄肉部）１４、１５が形成されている。なお、本実施形態の圧力センサでは、第１のダイヤフラム部１４の大きさは４５μｍ角、第２のダイヤフラム部１５の大きさは６０μｍ角、各ダイヤフラム部１４、１５の厚みは８．５μｍとなるように構成されている。
【００１４】
第１の基板１１におけるダイヤフラム部１４、１５には、それぞれピエゾ抵抗素子であるゲージ抵抗（拡散抵抗）ＲＡ〜ＲＤ、ＲＥ〜ＲＨが形成されている。本実施形態では（１００）面方位に拡散抵抗が形成されている。これらの拡散抵抗ＲＡ〜ＲＤ、ＲＥ〜ＲＨは、結線されて第１、第２のブリッジ回路を形成している。また、基板表面にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜１６が形成されている。この絶縁膜１６にはコンタクトホール１７が形成され、その上にＡｌ等よりなる配線１８がパターニングされ、さらにその上に保護膜（パッシベーション膜）１９が形成されている。
【００１５】
上記した構成において、ダイアフラム部１４、１５が圧力を受けて変形することによって生じる歪みを拡散抵抗ＲＡ〜ＲＤ、ＲＥ〜ＲＨが検出する。この拡散抵抗からの検出信号は、外部に設けられた信号処理回路に出力され、これにより圧力が検出される。
【００１６】
図２は、本実施形態の圧力センサの概略回路構成を示している。図２に示すように、定電圧電源Ｖｃｃから供給された電圧は、電圧調整回路２０を介して一定電圧（例えば５Ｖ）に変換された後、ブリッジ回路２１、２２に供給される。第１のブリッジ回路２１は、第１のダイヤフラム部１４に設けられた拡散抵抗ＲＡ〜ＲＤにより形成されたものであり、圧力検出用回路を構成する。同様に第２のブリッジ回路２２は、第２のダイヤフラム部１５に設けられた拡散抵抗ＲＥ〜ＲＨにより形成されたものであり、故障検出用回路を構成する。
【００１７】
これらのブリッジ回路２１、２２は並列接続されており、それぞれ中点電位ＶＢ、ＶＣと中点電位ＶＦ、ＶＧを出力するように構成されている。これらのブリッジ回路２１、２２の出力は、第１、第２切替回路２３、２４によって切り替えられ、増幅回路２５により増幅された後、第１、第２データ貯蔵部２６、２７において故障判定回路２８で比較できる形で格納されるように構成されている。故障判定回路２８では、２つのブリッジ回路２１、２２の出力値に基づいて故障判定が行われる。なお、第１、第２切替回路２３、２４は、タイミング回路３０によりデータ錯誤が生じないようにタイミング制御される。
【００１８】
なお、本実施形態では、２つのダイヤフラム部１４、１５に形成されたブリッジ回路２１、２２と、増幅回路２５や故障判定回路２８等の処理回路とが同一の半導体基板に形成されている。
【００１９】
図３は、シリコン基板１０におけるダイヤフラム部１４、１５の大きさ（面積）とブリッジ回路２１、２２の出力（感度）との関係を示している。図３に示すようにダイヤフラム部の大きさに比例して感度が上昇している。例えば本実施形態の圧力センサでは、６０μｍ角のダイヤフラム部１５に形成された故障検出用ブリッジ回路２２は４５μｍ角のダイヤフラム部１４に形成された圧力検出用ブリッジ回路２１に比較して、およそ２倍の出力が出ていることが分かる。すなわち、本実施形態では、故障検出用ブリッジ回路２２の方が高感度となるように構成されている。
【００２０】
次に、本実施形態の圧力センサの故障検出について説明する。まず、ダイヤフラム部１４、１５への圧力印可に対する圧力検出用ブリッジ回路２１の出力電圧値の変化特性と、故障検出用ブリッジ回路２２の出力電圧値の変化特性とを、記憶回路２９に予め記憶させておく。これらの出力値の変化特性を得るためには、少なくとも２点以上の圧力点におけるブリッジ回路２１、２２の出力値が分かればよい。このとき、ブリッジ回路２１、２２の出力値が圧力変動に対して必ずしも直線的に変化するとは限らないことを考慮すれば、より精度よく変化特性を得るために任意の３点以上の出力値をとることが望ましい。
【００２１】
これらの２つのブリッジ回路２１、２２の出力の間には、上記の図４に示すような固定された関係が成り立つ。すなわち、圧力センサが正常に作動していれば、ある圧力点における２つのブリッジ回路２１、２２の出力は、それぞれ常に同じ値になる。従って、圧力センサが作動している際に、圧力検出用ブリッジ回路２１の出力と故障検出用ブリッジ回路２２の出力とを比較し、これらの出力値の関係が記憶回路２９に記憶されている関係を満たさなければ、ブリッジ回路２１が正常な出力値を出力していないと判断することができる。
【００２２】
このとき本実施形態では、上記のように２つのダイヤフラム部１４、１５の大きさを変えることにより、故障検出用ブリッジ回路２２が圧力検出用ブリッジ回路２１より高感度になるように構成している。このため、故障検出用ブリッジ回路２２ではダイヤフラム部の故障や劣化（破壊）を圧力検出用ブリッジ回路２１より先に検出することが可能となり、高い精度で故障を検出することができる。高い信頼性と故障に対する安全性を確保することができる。
【００２３】
さらに、本実施形態の圧力センサでは、故障が発生していると判定された場合には、故障判定回路２８はセンサ出力を通常の出力電圧範囲（例えば０．５〜４．５Ｖ）の範囲外（ダイアグ領域）に強制的にシフトさせ、異常発生を示す信号を出力するように構成されている。
【００２４】
なお、本実施形態のように、２つの異なる出力変化特性を有するブリッジ回路を設けることにより、ブリッジ回路の感度の温度特性の補正を行うことができる。
【００２５】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態の圧力センサでは、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いたが、これに限らず、例えば図５に示す単結晶シリコン基板を用いても同様に実施できる。図５に示す圧力センサでは、単結晶シリコン基板３０に２つのダイヤフラム部１４、１５を形成し、面方位（１００）に拡散抵抗ＲＡ〜ＲＤ、ＲＥ〜ＲＨを形成している。単結晶シリコン基板３０はガラス台座３１に陽極接合によって接合されている。以上の圧力センサの構成でも、上記実施形態と圧力センサと同様の効果を得ることができる。
【００２６】
また、上記実施形態の圧力センサでは２つのダイヤフラム部１４、１５を備えているので、圧力検出用ブリッジ回路２１が故障した場合には、故障検出用ブリッジ回路２２を暫定的に圧力検出用ブリッジ回路として代用することも可能である。
【００２７】
また、上記実施形態の圧力センサでは、各ダイヤフラム部の大きさを変えることによって、それぞれに形成したブリッジ回路の出力が異なるように構成したが、各ダイヤフラム部の厚みを変えることにより、それぞれのブリッジ回路において異なる出力が得られるように構成してもよい。
【００２８】
また、上記実施形態では、シリコン基板に２つのダイヤフラム部を設け、それぞれに出力変化特性の異なるブリッジ回路を形成したが、シリコン基板にさらに多くのダイヤフラム部を設けてもよい。
【００２９】
また、上記実施形態では、圧力検出用ブリッジ回路および故障検出用ブリッジ回路を拡散抵抗から構成したが、これに限らず、拡散抵抗に代えて薄膜抵抗から構成することもできる。
【００３０】
また、上記実施形態では、圧力検出用回路および故障検出用回路としてブリッジ回路を用いたが、これに限らず、例えば容量型センサを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は上記実施形態の圧力センサのダイヤフラム部の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】図１の圧力センサの概略構成を示す回路図である。
【図３】ダイヤフラム部の大きさと感度の関係を示す特性図である。
【図４】圧力センサのブリッジ回路の出力特性を示す特性図である。
【図５】本発明の変形例における圧力センサのダイヤフラム部の断面図である。
【符号の説明】
１０…シリコン基板、１４、１５…ダイヤフラム部（薄肉部）、２１…圧力検出用ブリッジ回路、２２…故障検出用ブリッジ回路、２８…故障判定回路、ＲＡ〜ＲＤ、ＲＥ〜ＲＨ…ゲージ抵抗。

Claims (5)

1. 複数の薄肉部（１４、１５）が形成された半導体基板（１０、３０）と、
   第１の前記薄肉部（１４）に設けられ、圧力に応じて電気信号を出力する圧力検出用回路と、
   第２の前記薄肉部（１５）に設けられ、前記圧力検出用回路に比較して高い感度で圧力に応じて電気信号を出力する故障検出用回路と、
   前記圧力検出用回路から出力される電気信号と前記故障検出用回路から出力される電気信号とに基づいて前記圧力検出用回路の故障判定を行う故障判定手段（２８）とを備え、
   前記第２薄肉部（１５）は、前記第１の薄肉部（１４）に比較して面積が大きくなるように構成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧力検出用回路および前記故障検出用回路は、それぞれゲージ抵抗（ＲＡ〜ＲＤ；ＲＥ〜ＲＨ）から形成されるブリッジ回路（２１、２２）であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ゲージ抵抗は、拡散抵抗であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記ゲージ抵抗は、薄膜抵抗であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
5. 前記故障判定回路は、前記薄肉部が形成されている半導体基板に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力センサ。

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