JP6269303B2 - 圧力センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサ出力の温度特性成分を補正する補正値を有する圧力センサの製造方法に関する。

従来より、圧力センサのセンサ出力の温度特性を補正する方法が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、圧力センサの使用温度範囲内の３点の温度におけるセンサ出力を測定し、各センサ出力を補償した値が、極が使用温度範囲の中間点に位置する二次曲線上にあるように温度特性を補正する方法が提示されている。

特開平１−１５０８３１号公報

しかしながら、上記従来の技術では、３点の温度におけるセンサ出力に基づいて二次曲線の極の位置を補正しているので、当該二次曲線の曲率が大きい場合は温度特性曲線が不均一な曲がり特性に補正されてしまう。これにより、ある温度のときに温度特性の曲がり量が極端に大きくなるので、圧力センサの特性保証が困難になってしまうという問題がある。

そこで、本発明は上記点に鑑み、センサ出力の温度特性曲線を均一な曲がり特性に補正することができる圧力センサの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力媒体の圧力が印加されることで歪むダイヤフラム（１２）の歪みに応じたセンサ出力を取得するセンシング部（２５、２８）と、センサ出力の温度特性成分を補正する補正値が記憶されており補正値に基づいてセンサ出力の補正を行う補正回路部（２９）と、を備えた圧力センサの製造方法であって、以下の点を特徴としている。

すなわち、センシング部（２５、２８）の使用温度範囲において少なくとも３点の温度に対するセンシング部（２５、２８）のセンサ出力を取得する（取得工程）。

続いて、センシング部（２５、２８）の使用温度範囲におけるセンサ出力の温度特性曲線を示す二次曲線の基礎データを用意する一方、取得工程で取得した各センサ出力をそれぞれ同一の第１狙い値に合わせると共に、第１狙い値に合わせた各センサ出力のうちの隣同士のセンサ出力間の温度特性曲線である二次曲線の曲がり量を基礎データに基づいて推定する（推定工程）。

また、各センサ出力のいずれかの温度を補正することにより、推定工程で推定された隣同士のセンサ出力間の二次曲線の曲がり量を均一化する（均一化工程）。そして、均一化工程で取得されたセンサ出力の補正成分を補正値として補正回路部（２９）に記憶する（記憶工程）ことを特徴とする。

これにより、各センサ出力間の二次曲線のそれぞれの曲がり量を均一化することができる。したがって、センサ出力の温度特性曲線を均一な曲がり特性に補正することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した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。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの一部断面図である。 第１実施形態に係る圧力センサの回路構成を示した図である。 圧力センサの製造方法を説明するための回路構成を示した図である。 圧力センサの製造工程のうちの取得工程を説明するための図である。 圧力センサの製造工程のうちの推定工程を説明するための図である。 圧力センサの製造工程のうちの均一化工程を説明するための図である。 第２実施形態に係る均一化工程を説明するための図である。

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。

（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。本実施形態に係る圧力センサは、例えば自動車のコモンレ−ル等の燃料噴射系における燃料パイプに取り付けられ、この燃料パイプ内の圧力媒体としての気体または気液混合気の高圧力を検出するものである。図１に示されるように、圧力センサは、金属ステム１０及び半導体チップ２０を備えている。

金属ステム１０は、圧力媒体が導入される圧力導入孔１１が設けられた中空筒形状の金属製の部材である。金属ステム１０は、例えばＳＵＳ４３０等を材料として形成されたものが採用される。また、金属ステム１０は、圧力導入孔１１の一方を閉じると共に圧力導入孔１１に導入された圧力媒体の圧力によって歪むダイヤフラム１２を有している。ダイヤフラム１２は圧力の印加によって変形可能な薄肉状の受圧手段である。

金属ステム１０は、図示しないハウジングに取り付けられる。ハウジングには、半導体チップ２０の信号を処理する回路チップや外部との電気的接続のためのターミナル等が設けられている。

半導体チップ２０は、接合ガラス１３を介してダイヤフラム１２に接合され、ダイヤフラム１２の歪みに応じたセンサ信号を出力する圧力検出手段である。半導体チップ２０は例えばシリコン基板等の半導体基板から形成された板状のものである。

図２に示されるように、半導体チップ２０は、４個のゲージ抵抗２１〜２４によって構成されたセンサ部２５を有している。各ゲージ抵抗２１〜２４は、例えば半導体基板に形成された拡散抵抗である。センサ部２５は、４個のゲージ抵抗２１〜２４がホイートストンブリッジ回路を構成するように形成されている。これにより、半導体チップ２０に圧力が印加されるとピエゾ抵抗効果により各ゲージ抵抗２１〜２４の抵抗値が変化する。

そして、センサ部２５は、ホイートストンブリッジ回路に印加される入力電圧に基づいてゲージ抵抗２１とゲージ抵抗２２との第１中点２６の第１電圧を出力する。また、センサ部は、ゲージ抵抗２３とゲージ抵抗２４との第２中点２７の第２電圧を出力する。つまり、センサ部２５は、第１電圧と第２電圧との差電圧をセンサ信号として出力する。

また、圧力センサは、増幅回路部２８及び補正回路部２９を有している。なお、増幅回路部２８及び補正回路部２９は、半導体チップ２０に形成されていても良いし、ハウジングに実装された回路チップ等に形成されていても良い。

増幅回路部２８は、センサ部２５からセンサ信号を入力し、第１電圧と第２電圧との差電圧を所定の増幅率で増幅するように構成された増幅手段である。増幅回路部２８は、オペアンプ等の差動増幅器を備えて構成されている。増幅回路部２８は、センサ信号を増幅したセンサ出力を出力する。

補正回路部２９は、増幅回路部２８からセンサ出力を入力し、センサ出力を補正して外部に出力する信号調整手段である。補正回路部２９は、センサ部２５の感度、オフセット、センサ出力の温度特性成分等を補正する補正値が記憶されており、各補正値に基づいてセンサ出力の補正を行う。補正回路部２９は、図示しないＥＰＲＯＭやデータを処理する処理回路等を備えている。以上が、本実施形態に係る圧力センサの構成である。

次に、圧力センサの製造方法について説明する。まず、ダイヤフラム１２が形成された金属ステム１０と半導体チップ２０を用意する。そして、ダイヤフラム１２の上にガラスタブレットを介して半導体チップ２０を配置し、所定の温度でダラスタブレットを焼成する。これにより、タブレットガラスを溶かして半導体チップ２０をダイヤフラム１２に接合する。一方、回路チップ等が実装されたハウジングを用意する。そして、金属ステム１０をハウジングに取り付ける。

続いて、センサ出力の温度特性を補正するための補正値を補正回路部２９に書き込む工程を行う。この工程を行うに際し、圧力センサの使用温度範囲におけるセンサ出力の温度特性曲線を示す二次曲線の基礎データを予め用意しておく。

ここで、基礎データは、例えば１℃毎のセンサ出力のデータの集合体から導き出された二次関数である。このように、複数のセンサ出力のデータの集合体を二次関数で近似した近似式を予め用意しておく。

具体的には、まず、圧力センサのセンサ出力を取得する取得工程を行う。このため、図３に示されるように、増幅回路部２８の出力を補正装置３０で取得するように、圧力センサと補正装置３０とを電気的に接続する。

そして、圧力センサの使用温度範囲において３点の温度に対する増幅回路部２８のセンサ出力を補正装置３０で取得する。図４に示されるように、本実施形態では、−３０℃、２５℃、及び１２５℃の各温度における増幅回路部２８のセンサ出力を取得する。

なお、図４に示された二次曲線が基礎データの曲線である。取得工程で取得された３点のデータは、概ね、基礎データである二次曲線上に位置している。

この後、補正装置３０において推定工程を行う。具体的には、図５に示されるように、取得工程で取得した３点のセンサ出力をそれぞれ同一の第１狙い値に合わせる。本実施形態では、３点のセンサ出力を例えば「０」に合わせる。

また、第１狙い値に合わせた３点のセンサ出力のうちの隣同士のセンサ出力間の温度特性曲線である二次曲線の曲がり量を基礎データである二次曲線に基づいて推定する。具体的には、−３０℃のセンサ出力と２５℃のセンサ出力とを結ぶ二次曲線の曲がり量を推定する。また、２５℃のセンサ出力と１２５℃のセンサ出力とを結ぶ二次曲線の曲がり量を推定する。ここで、「曲がり量」とは、例えば二次曲線の曲率である。

つまり、図４に示された３点のセンサ出力を第１狙い値である０にそれぞれ移動させたときの各センサ出力間の温度特性曲線がどのように変化するのかを基礎データである二次曲線に基づいて推定する。この結果、図５に示されるように、曲がり量がそれぞれ異なる温度特性曲線を得る。すなわち、−３０℃と２５℃の各センサ出力間の二次曲線の曲がり量は、２５℃と１２５℃の各センサ出力間の二次曲線の曲がり量よりも小さくなっている。

この後、各センサ出力のいずれかの温度を補正する均一化工程を行う。例えば、図５に示されたセンサ出力のうち２５℃の点を、第１狙い値を維持しつつ２５℃よりも高い温度に移動させる。これにより、図６に示されるように、−３０℃と２５℃の各センサ出力間の二次曲線の曲がり量と、２５℃と１２５℃の各センサ出力間の二次曲線の曲がり量と、が均一になる。

このように、各センサ出力のいずれかの温度を補正することにより、隣同士のセンサ出力間の二次曲線の曲がり量を均一化する。そして、隣同士のセンサ出力間の二次曲線の曲がり量を均一化する補正成分が補正値となる。

次に、記憶工程を行う。すなわち、図３に示されるように、均一化工程で取得されたセンサ出力の補正成分を補正値として補正装置３０から圧力センサの補正回路部２９のＥＰＲＯＭに記憶する。これにより、圧力センサの温度特性を、図６に示された温度特性曲線に補正する。

なお、記憶工程では、温度特性曲線の補正値だけでなく、センサ部２５の感度やオフセット値等の他の補正値も補正装置３０から補正回路部２９に記憶する。

そして、−３０℃、２５℃、及び１２５℃の各温度における補正回路部２９のセンサ出力を補正装置３０で取得する。取得したセンサ出力が特性保証を満たすか否かをチェックし、特性保証を満たす場合は圧力センサが完成する。

以上説明したように、本実施形態では、予め用意した基礎データである二次曲線に基づいて隣同士のセンサ出力間の二次曲線の曲がり量を推定しているので、各センサ出力間の二次曲線のそれぞれの曲がり量を均一化することができる。したがって、センサ出力の温度特性曲線を均一な曲がり特性に補正することができる。

また、ある温度のときに温度特性の曲がり量が極端に大きくなるということもないので、圧力センサの特性保証を充分満たすことができる。特に、圧力センサは温度の変化が大きな環境で使用されるので、このような使用環境においても圧力センサの規格割れの発生を防止することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、センサ部２５及び増幅回路部２８が特許請求の範囲の「センシング部」に対応する。

（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説明する。本実施形態では、均一化工程において、図７に示されるように、隣同士のセンサ出力間の二次曲線の頂点がそれぞれ第２狙い値となるように、各センサ出力間の二次曲線のそれぞれの曲がり量をオフセット補正する。これにより、各センサ出力間の温度特性曲線を第１狙い値と第２狙い値との間に収めることができる。したがって、圧力センサの特性保証を確実に満たすようにすることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された圧力センサの製造方法は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、取得工程では、３点の温度ではなく例えば５点やそれ以上の数のセンサ出力を取得しても良い。

また、取得工程では、増幅回路部２８の出力ではなく、センサ部２５の出力を補正装置３０で取得しても良い。センサ部２５及び増幅回路部２８のどちらの信号を補正装置３０に出力するかは適宜決めれば良い。

１２ ダイヤフラム
２５ センサ部（センシング部）
２８ 増幅回路部（センシング部）
２９ 補正回路部

Claims (2)

1. 圧力媒体の圧力が印加されることで歪むダイヤフラム（１２）の歪みに応じたセンサ出力を取得するセンシング部（２５、２８）と、
   前記センサ出力の温度特性成分を補正する補正値が記憶されており、前記補正値に基づいて前記センサ出力の補正を行う補正回路部（２９）と、
   を備えた圧力センサの製造方法であって、
   前記センシング部（２５、２８）の使用温度範囲において少なくとも３点の温度に対する前記センシング部（２５、２８）のセンサ出力を取得する取得工程と、
   前記センシング部（２５、２８）の使用温度範囲における前記センサ出力の温度特性曲線を示す二次曲線の基礎データを用意する一方、前記取得工程で取得した前記各センサ出力をそれぞれ同一の第１狙い値に合わせると共に、前記第１狙い値に合わせた前記各センサ出力のうちの隣同士のセンサ出力間の温度特性曲線である二次曲線の曲がり量を前記基礎データに基づいて推定する推定工程と、
   前記各センサ出力のいずれかの温度を補正することにより、前記推定工程で推定された前記隣同士のセンサ出力間の二次曲線の曲がり量を均一化する均一化工程と、
   前記均一化工程で取得された前記センサ出力の補正成分を前記補正値として前記補正回路部（２９）に記憶する記憶工程と、
   を含んでいることを特徴とする圧力センサの製造方法。
2. 前記均一化工程では、前記隣同士のセンサ出力間の二次曲線の頂点がそれぞれ第２狙い値となるように、前記各センサ出力間の二次曲線のそれぞれの曲がり量をオフセット補正することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの製造方法。

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