JPH10300615A - 半導体圧力センサの自己診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】流体の圧力を高精度に測定するセンサが正常か
否かをオンラインで自己診断することを目的とする。 【解決手段】半導体圧力センサを２出力信号型の構成に
し、この２出力信号をマイクロコンピュータで時分割的
に読み込んで演算，処理することにより、ダイアフラム
が破壊するかあるいは接続部が完全に断線するかなどの
極端な故障はもとより、検出部や信号処理回路の微妙な
経時変化並びに接続部の半導通状態に起因した圧力セン
サのゼロ点や感度の経時変化もオンラインで正確に自己
診断する方法。 【効果】本発明によって、あらゆる故障モードをオンラ
インで自己診断できる半導体圧力センサを提供すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体圧力センサの
診断方法に関し、特には気体，燃料，オイル，油圧など
の流体の圧力を高精度に測定するセンサが正常か否かを
オンラインで自己診断する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に係わる従来技術としては、圧力
センサが故障したとき出力信号を電源に吊り上げるか、
グランドに落としていた。あるいはブリッジ回路の合成
抵抗をチェックするなどの方法が用いられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術では
ダイアフラムが破壊するかあるいは接続部が完全に断線
するかなどの極端な故障にしか対応できなかった。検出
部や信号処理回路の微妙な経時変化や接続部の半導通状
態などに起因した圧力センサのゼロ点や感度の経時変化
をオンラインで正確に自己診断することができなかっ
た。

【０００４】本発明は以上の問題に鑑みてなされたもの
で、オンラインであらゆる故障モードに対応可能な半導
体圧力センサの自己診断方法を実現することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】基本的には圧力に対して
異なる出力特性を持つ２出力型の半導体圧力センサと
し、本圧力センサが使用されるシステム中のマイクロコ
ンピュータで所定の圧力に対する出力特性の初期値を読
み込んで記憶しておく。そして、実使用状態での圧力に
対する前記の２出力をマイクロコンピュータで演算，処
理することによって、全ての故障モードに対して本半導
体圧力センサが正常か否かをオンラインで自己診断でき
るようにする。

【０００６】より具体的には、ボス，ストッパ及び半導
体歪ゲージからなるブリッジ回路を表面に形成したダイ
アフラムを有するシリコンチップを台座に接合し、印加
された圧力に応じてダイアフラムが変形して、所定の圧
力でストッパを台座に接触させるようにする。そして、
ストッパが台座に接触する前後の圧力でブリッジ回路に
発生する信号に段折れ特性を持たせ、ストッパが台座に
接触する前後の圧力をそれぞれ増幅，調整して出力する
２出力型の信号処理回路を半導体圧力センサに付加す
る。半導体圧力センサが使用されるシステム中のマイク
ロコンピュータで前記２出力を演算，処理することによ
って、全ての故障モードに対して半導体圧力センサが正
常か否かをオンラインで自己診断できるようになる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施例
に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係わる半導
体圧力センサの全体構成図である。第１のシリコン基板
１，熱酸化膜２，第２のシリコン基板３よりなるＳＯＩ
基板を、パイレックスガラスよりなる台座４に陽極接合
で気密に接合している。台座４はハウジング７に溶接さ
れたステム６へ低融点ガラス５で接着される。コバール
などの材料で構成されるステム６には、リードピン１１
が高融点のガラス部材１２でハーメチックに装着されて
いる。台座４にはスルーホール１０が加工されており、
スルーホール１０内に挿入した半田９とリードピン１１
は接続されている。ＳＯＩ基板よりなる検出部は半田
９，リードピン１１，導線１３を介して信号処理回路８
と電気的に結線されるている。なお、後述する同一番号
の要素は全て同じ機能を有するものである。図２は本発
明による半導体圧力センサの検出部の詳細な断面図であ
る。第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板３を熱
酸化膜２を介して１１００℃以上の温度で直接接合した
ＳＯＩ基板をエッチング加工して、第１のシリコン基板
１へダイアフラム１６とボス１７を、第２のシリコン基
板３へストッパ１８，半導体歪ゲージ２０，シリコンパ
ッド１９を形成している。第１のシリコン基板１，熱酸
化膜２，第２のシリコン基板３の厚さはそれぞれ約数百
ミクロン，１ミクロン，１０ミクロンである。なお、ス
トッパ１８と台座４間にはギャップ２１が形成されてい
る。スルーホール１０の底面のシリコンパッド１９上に
は金属薄膜１４がスパッタあるいは蒸着などの方法で形
成されている。金属薄膜１４はＡｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ
などの多層膜で、この金属薄膜１４を介して半田９はシ
リコンパッド１９と電気的に接続される。シリコンパッ
ド１９は溝１５で第２のシリコン基板３の外枠部とは分
離されている。

【０００８】第２のシリコン基板３を台座４側から見た
平面図を図３に示す。４個のシリコンパッド１９は溝１
５により、第２のシリコン基板３の外枠部２２とは分離
されている。シリコンパッド１９のほぼ中央に金属薄膜
１４が成膜される。２個の半径方向半導体歪ゲージ２０
ａと２個の接線方向半導体歪ゲージ２０ｂは熱酸化膜２
の表面に形成され、この熱酸化膜２により第１のシリコ
ン基板１と第２のシリコン基板３の外枠部２２とは電気
的に絶縁されている。これらの４個の半導体歪ゲージで
ブリッジ回路が構成され、リード引き出し部２３を介し
てシリコンパッド部１９と電気的に接続されている。前
図のように、ストッパ１８はボス１７の下部に形成され
る。第１のシリコン基板１，第２のシリコン基板３は
(１００)Ｐ型の単結晶シリコンよりなり、シリコンパッ
ド１９とリード引き出し部２３にはボロンをドーピング
してこの部分を低抵抗にしている。半導体歪ゲージ２０
ａ，２０ｂとリード引き出し部２３の厚さは約０.５〜
３.０ミクロンの値に設計される。また、ストッパ１８
の厚さは前図で説明したギャップ２１が約１ミクロン前
後になるように加工される。

【０００９】ＳＯＩ検出部をダイアフラム側から見た平
面図を図４に示す。ダイアフラム１６の中央部分にボス
１７が形成される。傾斜部分２４と２５はダイフラム１
６とボス１７をアルカリ溶液でエッチング加工したとき
に生じたものである。また、半導体歪ゲージ２０ａ，２
０ｂはダイアフラム１６側からは見えないが、ダイアフ
ラム１６の下部のその位置に配置されているという意味
で図中に示した。

【００１０】２個の半導体歪ゲージ２０ａ，２０ｂより
なるブリッジ回路部に発生するブリッジ出力Ｖｂの例を
図５に示す。本図は測定すべき圧力Ｐに対するブリッジ
出力Ｖｂの関係を示したものである。出力特性（ａ）は
ストッパ１８がある場合で、１Ｍｐａの圧力でストッパ
１８を台座４へ接触させたときの例である。図に示すよ
うに、０〜１Ｍｐａの低圧領域と１〜１０Ｍｐａの高圧
領域の検出感度は異なり、低圧領域の感度を高圧領域の
約１０倍に設計した例である。ストッパ１８が台座４へ
接触するとダイアフラム１６が小さくなったことと等価
であり、結果的に単位圧力変化に対する感度は高圧領域
側で小さくなり、１Ｍｐａの圧力で出力特性は段折れに
なる。一方、ストッパ１８がない場合、ブリッジ出力Ｖ
ｂは(ｂ)のようになる。

【００１１】本発明によるオンラインでの半導体圧力セ
ンサの自己診断方法を図６に示す。本図は半導体圧力セ
ンサが使用される極めて一般的なシステム中での自己診
断方法を示したものである。例えば、自動車のエンジン
制御システムの場合は半導体圧力センサ２６の他に、流
量センサ２７，温度センサ２８など多数のセンサが使用
される。そして、これらのセンサの信号を処理してイン
ジェクタ３０や点火装置３１などのアクチュエータがマ
イクロコンピュータ２９でコントロールされる。今、本
発明による半導体圧力センサ２６は前述の信号処理回路
８で、測定すべき圧力Ｐに対して異なった形態の出力信
号ＶｘとＶｙを出す機能を持っている。半導体圧力セン
サ２６の製造，調整時の出力信号Ｖｘ，Ｖｙあるいはシ
ステムに組み込んだときの出力信号Ｖｘ，Ｖｙの初期値
をマイクロコンピュータ２９中のメモリ（図には記載し
ていない）へあらかじめ記憶しておく。そして、オンラ
インでマイクロコンピュータ２９で半導体圧力センサ２
６の出力信号ＶｘとＶｙを演算，処理することによっ
て、半導体圧力センサ２６自身を自己診断するものであ
る。演算，処理の内容はＶｘとＶｙの絶対値及びＶｘと
Ｖｙの比（即ち、Ｖｘ／Ｖｙ）を初期値と比較すること
によって自己診断を行うものである。ＶｘとＶｙの絶対
値の他にこれらの比を演算，処理することによって、半
導体圧力センサ２６が製造時あるいはシステムに組み込
んだときから経時的に変化したか？どうか、また完全に
故障していないか？どうかを容易に自己診断することが
可能になる。

【００１２】２出力を利用した自己診断方法の詳細を図
７及び図８を用いて説明する。図７における出力信号Ｖ
ｘとＶｙは、図５に示したブリッジ出力Ｖｂ中の出力特
性（ａ）を信号処理回路８で変換したものである。即
ち、出力特性（ａ）のオフセットと感度を信号処理回路
８中の差動増幅器で調整することによって、図７に示し
たような圧力Ｐに対する出力信号ＶｘとＶｙが容易に得
られる。なお、出力信号Ｖｘはストッパ１８が台座４に
接触する前の低圧領域（０〜１Ｍｐａ）の圧力Ｐを、出
力信号Ｖｙはストッパ１８が台座４に接触した後の高圧
領域（１〜１０Ｍｐａ）の圧力Ｐを特に高精度に検出で
きるように変換したものである。ここで、出力信号Ｖｘ
は図に示すように、１〜１０Ｍｐａの高圧領域でも測定
すべき圧力Ｐに対して十分な感度を有している。前図に
示したマイクロコンピュータ２９は半導体圧力センサ２
６からの出力信号ＶｘとＶｙを時分割的に読み込んで処
理することにより、測定すべき圧力Ｐの値を本図の特性
図から正確に決定することができる。図に示すように、
１〜１０Ｍｐａの高圧領域で出力信号ＶｘとＶｙはオー
バーラップしている。測定すべき圧力Ｐが高圧領域に入
ったとき、マイクロコンピュータ２９で出力信号Ｖｘと
Ｖｙを時分割的に読み込んで演算，処理することによ
り、これらの信号値が本図の出力特性曲線に乗っている
かどうか？を判定する。また、出力信号の比（即ち、Ｖ
ｘ／Ｖｙ）が半導体圧力センサ２６の製造時あるいはシ
ステムに組み込んだ時の初期値から変化していないかど
うか？も、マイクロコンピュータ２９で演算，処理する
ことによって判定することが容易である。

【００１３】この結果、ダイアフラムが破壊するかある
いは接続部が完全に断線するかなどの極端な故障はもと
より、検出部や信号処理回路の微妙な経時変化並びに接
続部の半導通状態に起因した圧力センサのゼロ点や感度
の経時変化もオンラインで正確に自己診断することが可
能になる。

【００１４】次に、ブリッジ回路のブリッジ出力Ｖｂが
図５に示した出力特性（ｂ）のように、測定すべき圧力
Ｐに対して段折れ特性を持たない場合でも、同様にあら
ゆる故障モードに対応した圧力センサの自己診断が可能
になる。この場合の自己診断方法を図８に示した。図に
おいて、圧力Ｐに対する出力信号Ｖｙは全領域（０〜１
０Ｍｐａ）の圧力を検出できるように、信号処理回路８
で前述の出力特性(ｂ)を調整したものである。一方、圧
力Ｐが０Ｍｐａのときの出力電圧Ｖｏの値を出力信号Ｖ
ｙのときと変え、且つ圧力Ｐに対する感度も変えて調整
した出力信号をＶｘ１及びＶｘ２として示した。図に示
すように、出力信号Ｖｘ１及びＶｘ２は圧力Ｐに対する
感度がそれぞれＶｙより大きく及び小さくなるように調
整したものである。なお、出力電圧の再現性が優れてい
れば、出力信号Ｖｘ１を用いて低圧領域の圧力Ｐをより
高分解能で検出できる。前図の場合と同様に、出力信号
Ｖｘ１とＶｙの関係あるいはＶｘ２とＶｙの関係をマイ
クロコンピュータ２９で演算，処理することにより、半
導体圧力センサが正常状態にあるのか？それとも故障状
態にあるのか？を自己診断することができる。なお、出
力信号Ｖｘ１を用いたときは０〜４Ｍｐａの低圧領域で
しか自己診断できないのに対して、出力信号Ｖｘ２を用
いたときは０〜１０Ｍｐａの全領域で自己診断を行うこ
とができる。

【００１５】最後に、本発明は図２に示したＳＯＩ構造
の検出部に限定される必要はなく、非ＳＯＩ構造の半導
体圧力センサにも適用できるのは言うまでもない。ま
た、１個の検出部に対して少なくとも２個以上の出力信
号を出すように構成することが本質的に重要であり、特
定の圧力値で必ずしも段折れ特性にする必要はない。従
って、ボスやストッパを有さない構造の半導体圧力セン
サにも適用できる。なお、検出部の実施例には半導体歪
ゲージからなる半導体圧力センサを示したが、２出力型
の信号形態にすれば静電容量式などの他の測定原理の圧
力センサに対しても適用できるのは言うまでもない。

【００１６】

【発明の効果】オンラインであらゆる故障モードに対し
て、半導体圧力センサを正確に自己診断することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる半導体圧力センサの全体構成図
を示した図。

【図２】本発明による半導体圧力センサの検出部の詳細
な断面構造の一実施例を示した図。

【図３】本発明による半導体圧力センサの第２のシリコ
ン基板の平面図の一実施例を示した図。

【図４】本発明による半導体圧力センサの第１のシリコ
ン基板の平面図の一実施例を示した図。

【図５】本発明による半導体圧力センサのブリッジ出力
の例を示した図。

【図６】本発明によるオンラインでの半導体圧力センサ
の自己診断方法を示した図。

【図７】本発明による２出力を利用した半導体圧力セン
サの自己診断方法の説明を示した図。

【図８】本発明による２出力を利用した半導体圧力セン
サの自己診断方法の説明を示した図。

【符号の説明】

１…第１のシリコン基板、２…熱酸化膜、３…第２のシ
リコン基板、４…台座、５…低融点ガラス、６…ステ
ム、７…ハウジング、８…信号処理回路、９…半田、１
０…スルーホール、１１…リードピン、１２…高融点の
ガラス部材、１３…導線、１４…金属薄膜、１５…溝、
１６…ダイアフラム、１６ａ…厚さの薄いダイアフラム
部、１６ｂ…厚さの厚いダイアフラム部、１７…ボス、
１８…ストッパ、１９…シリコンパッド、２０…半導体
歪ゲージ、２０ａ，２０ｃ…半径方向の半導体歪ゲー
ジ、２０ｂ，２０ｄ…接線方向の半導体歪ゲージ、２１
…ギャップ、２２…外枠部、２３…リード引き出し部、
２４，２５…傾斜部分、２６…半導体圧力センサ、２７
…流量センサ、２８…温度センサ、２９…マイクロコン
ピュータ、３０…インジェクタ、３１…点火装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三木 政之 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 園部 久雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 宮崎 敦史 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 久保田 正則 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 山口 真市 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 笹田 義幸 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ボス，ストッパ及び半導体歪ゲージからな
   るブリッジ回路を表面に形成したダイアフラムを有する
   シリコンチップを台座に接合し、印加された圧力に応じ
   て前記ダイアフラムが変形して、所定の圧力で前記スト
   ッパを前記台座に接触させるようにすることにより、該
   ストッパが該台座に接触する前後の圧力で該ブリッジ回
   路に発生する信号に段折れ特性を持たせ、該ストッパが
   該台座に接触する前後の圧力をそれぞれ増幅して出力す
   る２出力型の信号処理回路を持つ半導体圧力センサにお
   いて、本半導体圧力センサが使用されるシステム中のマ
   イクロコンピュータで前記２出力を演算，処理すること
   によって、半導体圧力センサが正常か否かをオンライン
   で自己診断できるようにしたことを特徴とする半導体圧
   力センサの自己診断方法。
2. 【請求項２】請求項１において、シリコンチップはＳＯ
   Ｉ基板からなりダイアフラムの一方の面にボス、他方の
   面にストッパとブリッジ回路を配置したことを特徴とす
   る半導体圧力センサの自己診断方法。
3. 【請求項３】請求項１または２において、台座はガラス
   基板よりなり陽極接合でシリコンチップと接合されてい
   ることを特徴とする半導体圧力センサ。
4. 【請求項４】請求項１または２または３において、２出
   力型の信号処理回路はそれぞれ低圧領域と高圧領域で調
   整された出力信号を出す機能を有することを特徴とする
   半導体圧力センサの自己診断方法。
5. 【請求項５】ストッパ及び半導体歪ゲージからなるブリ
   ッジ回路を表面に形成したダイアフラムを有するシリコ
   ンチップを台座に接合し、印加された圧力に応じて前記
   ダイアフラムが変形して、所定の圧力で前記ストッパを
   前記台座に接触させるようにすることにより、該ストッ
   パが該台座に接触する前後の圧力で該ブリッジ回路に発
   生する信号に段折れ特性を持たせ、該ストッパが該台座
   に接触する前後の圧力をそれぞれ増幅して出力する２出
   力型の信号処理回路を持つ半導体圧力センサにおいて、
   本半導体圧力センサが使用されるシステム中のマイクロ
   コンピュータで前記２出力を演算，処理することによっ
   て、半導体圧力センサが正常か否かをオンラインで自己
   診断できるようにしたことを特徴とする半導体圧力セン
   サの自己診断方法。
6. 【請求項６】圧力に対して異なる出力特性を出す２出力
   型の信号処理回路を持つ半導体圧力センサにおいて、本
   半導体圧力センサが使用されるシステム中のマイクロコ
   ンピュータで前記２出力を演算，処理することによっ
   て、該半導体圧力センサが正常か否かをオンラインで自
   己診断できるようにしたことを特徴とする半導体圧力セ
   ンサの自己診断方法。
7. 【請求項７】圧力に対して異なる出力特性を出す２出力
   型の信号処理回路を持つ圧力センサにおいて、本圧力セ
   ンサが使用されるシステム中のマイクロコンピュータで
   前記２出力を演算，処理することによって、該圧力セン
   サが正常か否かをオンラインで自己診断できるようにし
   たことを特徴とする圧力センサの自己診断方法。
8. 【請求項８】圧力に対して異なる出力特性を出す２出力
   型の信号処理回路を持つ半導体圧力センサにおいて、本
   半導体圧力センサが使用されるシステム中のマイクロコ
   ンピュータで所定の圧力に対する出力特性の初期値を読
   み込んで記憶しておき、実使用状態での圧力に対する前
   記２出力を該マイクロコンピュータで演算処理すること
   によって、該半導体圧力センサが正常か否かをオンライ
   ンで自己診断できるようにしたことを特徴とする半導体
   圧力センサの自己診断方法。
9. 【請求項９】圧力に対して異なる出力特性を出す２出力
   型の信号処理回路を持つ圧力センサにおいて、本圧力セ
   ンサが使用されるシステム中のマイクロコンピュータで
   所定の圧力に対する出力特性の初期値を読み込んで記憶
   しておき、実使用状態での圧力に対する前記２出力を該
   マイクロコンピュータで演算，処理することによって、
   該圧力センサが正常か否かをオンラインで自己診断でき
   るようにしたことを特徴とする圧力センサの自己診断方
   法。