WO2020084902A1

WO2020084902A1 - 圧力センサ

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Publication number: WO2020084902A1
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Inventors: 和宏松並
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Publication date: 2020-04-30
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Abstract

ダイアフラムが破損してブリッジ回路が故障した場合には、破損したことを早期に検出する。圧力センサは、ダイアフラムが設けられた基板と、ダイアフラムに設けられた４つの抵抗素子を含み、高圧側電圧および低圧側電圧が印加され、２つの出力端子を有するブリッジ回路と、ブリッジ回路の第１の出力端子における第１の出力と、第２の出力端子における第２の出力をそれぞれ検出する検出部と、検出部における検出結果に基づいて、ブリッジ回路の故障を検出する故障検出部とを備える。

Description

圧力センサ

　本発明は、圧力センサに関する。

　半導体基板に形成されたダイアフラムを有する圧力センサが広く用いられている。ダイアフラムには、高圧側電圧および低圧側電圧が印加されるブリッジ回路を配置される。ブリッジ回路は、２つの出力端子を有しており、この２つの出力端子間の電圧差に基づいて、ブリッジ回路を構成する抵抗の変化を検出する。ダイアフラムに対して過度の圧力が加わった場合にダイアフラムが破損する可能性があることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
　［特許文献１］　特開２００９－２６４８９０号公報

解決しようとする課題

　圧力センサにおいて、ダイアフラムが破損した場合には、破損したことを早期に検出することが好ましい。

一般的開示

　本発明の第１の態様においては、圧力センサが提供される。圧力センサは、基板を備えてよい。基板は、ダイアフラムが設けられてよい。圧力センサは、ブリッジ回路を備えてよい。ブリッジ回路は、４つの抵抗素子を含んでよい。４つの抵抗素子は、ダイアフラムに設けられてよい。ブリッジ回路には、高圧側電圧および低圧側電圧が印加されてよい。圧力センサは、検出部を備えてよい。検出部は、ブリッジ回路の第１の出力端子における第１の出力と、第２の出力端子における第２の出力をそれぞれ検出してよい。圧力センサは、故障検出部を備えてよい。故障検出部は、検出部における検出結果に基づいて、ブリッジ回路の故障を検出してよい。

　故障検出部は、第１の出力および第２の出力の少なくとも一方が、高圧側電圧と低圧側電圧の中間電圧を含む予め定められた範囲外の場合に、ブリッジ回路が故障していると判定してよい。

　圧力センサは、電圧制御部を更に備えてよい。電圧制御部は、高圧側電圧と低圧側電圧の中間電圧が変化するように、高圧側電圧と低圧側電圧の少なくとも一方を変化させてよい。故障検出部は、中間電圧を変化させたときの第１の出力および第２の出力の少なくとも一方の変化に基づいて、ブリッジ回路の故障を検出してよい。

　検出部はＡＤ変換器を有してよい。ＡＤ変換器は、第１の出力および第２の出力を時分割でＡＤ変換してよい。

　ＡＤ変換器は、第１の出力、第２の出力、および、第１の出力と第２の出力との差分を時分割でＡＤ変換してよい。圧力センサは、圧力算出部を更に備えてよい。圧力算出部は、第１の出力と第２の出力との差分のデジタル値に基づいて圧力を算出してよい。

　圧力センサは、温度検知部を更に備えてよい。温度検知部は、検知温度に応じた温度信号を出力してよい。ＡＤ変換器は、第１の出力、第２の出力、第１の出力と第２の出力との差分、および、温度信号を時分割でＡＤ変換してよい。

　圧力センサは、バッファを備えてよい。バッファは、入力される信号をＡＤ変換器に入力してよい。圧力センサは、選択部を備えてよい。選択部は、第１の出力、第２の出力、および、温度信号を時分割で選択してバッファに入力してよい。

　ブリッジ回路の高圧側電圧が、高圧側電源電圧としてＡＤ変換器に入力されてよい。

　なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の実施形態の圧力センサ１００を圧力媒体の圧力検知に適用した例を示す。圧力センサ１００のブリッジ回路の一例を示す。圧力センサ１００の平面図の一例である。ダイアフラムに破断がなくダイアフラムの表裏に圧力差がない場合の比較例の回路構成の一例を示す。ダイアフラムの第３領域および第４領域がそれぞれ破断した場合の比較例の回路構成の一例を示す。ダイアフラムの第１領域および第３領域がそれぞれ破断した場合の比較例の回路構成の一例を示す。本発明の実施形態における圧力センサ１００の回路構成の一例を示す。電圧制御部を有する圧力センサ１００の回路構成の一例を示す。圧力センサ１００による故障検出処理の一例を示すフローチャートである。電圧制御部を有する圧力センサ１００の回路構成の他例を示す。本発明の実施形態における圧力センサ１００による故障検出の一例を示す。

　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

　図１は、本発明の実施形態の圧力センサ１００を圧力媒体の圧力検知に適用した例を示す。図１に示される圧力センサ１００は、相対圧センサである。圧力センサ１００は、第１室１０内の第１圧力媒体１１の圧力と第２室２０内の第２圧力媒体２１の圧力との差圧を測定する。第１圧力媒体１１および第２圧力媒体２１は、気体または液体であってよい。圧力センサ１００は、一例において、自動車のエンジン制御または燃料タンク内の圧力制御に用いられる。但し、本発明は、相対圧センサに限れず、第２室２０がシリコン等で封止された真空基準室となっている絶対圧センサにも適用することができる。

　圧力センサ１００は、ガラス等の基材１１０と、半導体基板１２０とを備える。半導体基板１２０は、例えば、シリコン半導体基板である。半導体基板１２０は、裏面側に凹部１２１が形成されている。凹部１２１の底面は、１０μｍ以上５０μｍ程度の薄板状をしたダイアフラム１２２を構成する。

　ダイアフラム１２２は、周囲を厚い半導体基板で保持された薄い半導体薄板状となっている。したがって、第１圧力媒体１１および第２圧力媒体２１の圧力を受けると容易に変形する。ダイアフラム１２２上に設けたゲージ抵抗で構成されたブリッジ回路の出力変化で圧力を検知することができる。ブリッジ回路については後述する。

　第１圧力媒体１１と第２圧力媒体２１とは、ダイアフラム１２２によって隔たれている。ダイアフラム１２２の表面が受圧面となる。ダイアフラム１２２を保護するために、ダイアフラム１２２の表面は、ゲル等の保護材３０で覆われていてよい。本例では第１室１０側にのみ保護材３０が設けられているが、本例と異なり、第２室２０のダイアフラム１２２の裏面側にも、保護材が設けられてもよい。

　凍結破損またはサージ圧等に起因して、ダイアフラム１２２に過度の圧力が加わる場合を完全に予防することは困難である。ダイアフラム１２２が破損した場合には、第１圧力媒体１１および第２圧力媒体２１を隔てることができない。第２圧力媒体２１の圧力が、第１圧力媒体１１の圧力より高い場合には、第２圧力媒体２１が第１圧力媒体１１側に漏れ出す可能性がある。したがって、ダイアフラム１２２が破損した場合には、圧力センサ１００は、ダイアフラム１２２の破損を早急に検知し、外部の制御ユニット等に警報する。外部の制御ユニットは、必要に応じて、システムを停止し、または利用者に修理が必要であることを知らせる。

　図２は、圧力センサ１００のブリッジ回路１３０の一例を示す。圧力センサ１００は、図２に示されるブリッジ回路１３０を備える。ブリッジ回路１３０は、ダイアフラム１２２に設けられた４つの抵抗素子１２４－１、１２４－２、１２４－３、および１２４－４を含む。ブリッジ回路１３０は、ホイーストンブリッジを構成してよい。４つの抵抗素子１２４－１、１２４－２、１２４－３、および１２４－４は、ゲージ抵抗またはピエゾ抵抗と称される。隣接する抵抗素子１２４間は、半導体基板１２０に設けられた連結部１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄによって接続されている。

　図２に示されるとおり、抵抗素子１２４－１の高電位側端部Ａは、連結部１２５ａによって抵抗素子１２４－２の高電位側端部Ｃに電気的に接続される。連結部１２５ａは、高圧側電圧ＶＨが印加される高圧側端子１２６に電気的に接続される。一方、抵抗素子１２４－３の低電位側端部Ｆは、連結部１２５ｂによって抵抗素子１２４－４の低電位側端部Ｈに電気的に接続される。連結部１２５ｂは、低圧側電圧ＶＬが印加される低圧側端子１２７に電気的に接続される。

　抵抗素子１２４－１と抵抗素子１２４－３とは、連結部１２５ｃによって電気的に直列に接続されている。連結部１２５ｃは、第１出力端子Ｏｕｔ１として機能する第１中間電位端子１２８に電気的に接続される。抵抗素子１２４－２と抵抗素子１２４－４とは、連結部１２５ｄによって電気的に直列に接続されている。連結部１２５ｄは、第２出力端子Ｏｕｔ２として機能する第２中間電位端子１２９に電気的に接続される。

　図３は、圧力センサ１００の平面図の一例である。半導体基板１２０は、例えばＰ型シリコン半導体基板である。ダイアフラム１２２表面側には、Ｎウェル領域が形成されてよい。Ｎウェル領域の大部分にＰ型拡散領域１３２が形成される。Ｐ型拡散領域１３２は、Ｎウェル領域より浅い拡散領域として形成される。Ｎウェル領域の表面では、隣接するＰ型拡散領域１３２がＬＯＣＯＳ酸化膜１３４によって、複数のＰ型拡散領域１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄに分離される。さらに、Ｐ型拡散領域１３２の一部には、４つの抵抗素子１２４－１、１２４－２、１２４－３、および１２４－４が形成される。各抵抗素子は、ＬＯＣＯＳ酸化膜１３６で分離されて幅が限定された拡散抵抗であってよい。

　隣接するＰ型拡散領域１３２ａ、１３２ｃは、抵抗素子１２４－１を介して電気的に接続され、抵抗素子１２４－１以外の部分は、ＬＯＣＯＳ酸化膜１３４によって互いに電気的に分離される。隣接するＰ型拡散領域１３２ａ、１３２ｄは、抵抗素子１２４－２を介して電気的に接続され、抵抗素子１２４－２以外の部分は、ＬＯＣＯＳ酸化膜１３４によって電気的に分離される。隣接するＰ型拡散領域１３２ｃ、１３２ｂは、抵抗素子１２４－３を介して電気的に接続され、抵抗素子１２４－３以外の部分は、ＬＯＣＯＳ酸化膜１３４によって電気的に分離される。隣接するＰ型拡散領域１３２ｂ、１３２ｄは、抵抗素子１２４－４を介して電気的に接続され、抵抗素子１２４－４以外の部分は、ＬＯＣＯＳ酸化膜１３４によって電気的に分離される。

　したがって、本例では、Ｐ型拡散領域１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄが、それぞれ図２に示される連結部１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄに相当する。連結部１２５ａは、高圧側端子１２６に電気的に接続される。連結部１２５ｂは、低圧側電圧ＶＬが印加される低圧側端子１２７に電気的に接続される。連結部１２５ｃは、第１出力端子Ｏｕｔ１として機能する第１中間電位端子１２８に電気的に接続される。連結部１２５ｄは、第２出力端子Ｏｕｔ２として機能する第２中間電位端子１２９に電気的に接続される。

　高圧側端子１２６、低圧側端子１２７、第１中間電位端子１２８、および第２中間電位端子１２９は、ダイアフラム１２２上ではなく、ダイアフラム１２２を取り囲む周辺領域において形成されてよい。半導体基板１２０の底面側がＶＬに印加され、半導体基板１２０のダイアフラムの表面側のＮウェルがＶＨに印加されてよい。但し、導電型および構成は、上記の場合に限られない。

　図４は、ダイアフラム１２２に破断がなくダイアフラム１２２の表裏に圧力差がない場合の比較例の回路構成の一例を示す。図４に示されるとおり、比較例における圧力センサ１０１は、差動増幅器１４１を備える。差動増幅器１４１の第１入力端は、ブリッジ回路１３０の第１出力端子Ｏｕｔ１として機能する第１中間電位端子１２８に接続され、差動増幅器１４１の第２入力端は、ブリッジ回路１３０の第２出力端子Ｏｕｔ２として機能する第２中間電位端子１２９に接続される。

　ダイアフラム１２２に、ゲージ抵抗（ピエゾ抵抗）として、抵抗素子１２４－１から１２４－４が配置され、これらゲージ抵抗でブリッジ回路１３０が構成されている。ブリッジ回路１３０の第１中間電位端子１２８と第２中間電位端子１２９との電位差が、圧力の大きさ応じて変化する。第１中間電位端子１２８を差動増幅器１４１の第１入力端に電気的に接続し、第２中間電位端子１２９を差動増幅器１４１の第２入力端に入力する。差動増幅器１４１は、第１中間電位端子１２８と第２中間電位端子１２９との電位差を増幅し、増幅した信号をデジタル信号に変換する。

　ダイアフラム１２２に破断がなくダイアフラム１２２の表裏に圧力差がない場合には、差動増幅器１４１の第１入力端と第２入力端とに、それぞれ（ＶＨ＋ＶＬ）／２の電圧が印加される。本例では、ＶＬ＝０Ｖであるので、第１入力端と第２入力端とに、それぞれＶＨの半値の電圧が印加される。本例では、ＶＨが４Ｖであるので、差動増幅器１４１の第１入力端と第２入力端とに、それぞれ２Ｖの電圧が入力される。差動増幅器１４１の差動出力は、０である。

　なお、ダイアフラム１２２に破断がなくダイアフラム１２２の表裏に圧力差がある場合には、第１中間電位端子１２８と第２中間電位端子１２９との間には、数十ｍＶ程度（２０ｍＶ～４０ｍＶ）の電圧差が生じる。なお、ブリッジ回路１３０において、高圧側端子１２６と第１中間電位端子１２８との間の領域を第１領域（（１）と表記）、高圧側端子１２６と第２中間電位端子１２９との間の領域を第２領域（（２）と表記）、第１中間電位端子１２８と低圧側端子１２７との間の領域を第３領域（（３）と表記）、第２中間電位端子１２９と低圧側端子１２７との間の領域を第４領域（（４）と表記）とする。

　図５は、ダイアフラム１２２の第３領域（（３））および第４領域（（４））がそれぞれ破断した場合の比較例の回路構成の一例を示す。図５に示されるとおり、第３領域（（３））および第４領域（（４））が共に破断した場合には、差動増幅器１４１の第１入力端と第２入力端とに、それぞれＶＨの電圧が印加される。本例は、差動増幅器１４１の第１入力端と第２入力端とにそれぞれ４Ｖの電圧が印加され、差動増幅器１４１の差動出力は、０である。したがって、差動増幅器１４１の差動出力は、図４に示される場合と同じである。差動出力のみからは、故障発生を検出することが困難である。一方、ブリッジ回路１３０の第１出力端子における第１出力と、第２出力端子における第２出力はそれぞれ、４Ｖであり、図４に示される正常な場合と異なっている。

　図６は、ダイアフラム１２２の第１領域（（１））および第３領域（（３））がそれぞれ破断した場合の比較例の回路構成の一例を示す。図６に示されるように、第１領域および第３領域が共に破断した場合には、第１出力端子Ｏｕｔ１として機能する第１中間電位端子１２８は、オープン（ＯＰＥＮ）となり、フローティング状態となる。第２中間電位端子１２９の電圧は、２Ｖとなる。フローティング状態である第１中間電位端子１２８の電圧が、たまたま、２Ｖとなる場合には、差動増幅器１４１の第１入力端と第２入力端とには、それぞれ２Ｖの電圧が印加される。したがって、差動増幅器１４１の差動出力は、０である。この場合も、差動増幅器１４１の差動出力は、図４に示される場合と同じである。差動出力のみからは、故障発生を検出することが困難である。

　以上の比較例の圧力センサ１０１のように、ダイアフラム１２２に設けられたブリッジ回路１３０の第１出力端子（第１中間電位端子１２８）における第１出力と第２出力端子（第２中間電位端子１２９）における第２出力との差分（電位差）のみでは、異常を検知することが困難な場合がある。一方、電位差のみならず、第１中間電位端子１２８の第１出力、および第２中間電位端子１２９の第２出力をそれぞれ検出する場合には、圧力センサ１０１が正常か否かを判断できる場合がある。例えば、図５の場合においても、第１出力端子における第１出力と、第２出力端子における第２出力はそれぞれ、４Ｖであり、図４に示される正常な場合と異なっている。

　図７は、本発明の実施形態における圧力センサ１００の回路構成の一例を示す。圧力センサ１００は、ブリッジ回路１３０、ＡＤ変換器１４２、および故障検出部１５０を備える。ＡＤ変換器１４２は、ブリッジ回路１３０の第１出力端子（第１中間電位端子１２８）における第１出力と、第２出力端子（第２中間電位端子１２９）の第２出力とをそれぞれ検出する検出部の一例である。故障検出部１５０は、検出部における検出結果に基づいて、ブリッジ回路１３０の故障を検出する。本例では、故障検出部１５０は、ＡＤ変換器１４２における出力結果に基づいて、ブリッジ回路１３０の故障を検出する。

　本例の圧力センサ１００は、差動増幅器１４１、第１マルチプレクサ１４３、第２マルチプレクサ１４４、およびバッファ１４５を備える。第１マルチプレクサ１４３および第２マルチプレクサ１４４は、切替回路であってよい。第１マルチプレクサ１４３は、差動増幅器１４１によるアンプ出力のみならず、第１中間電位端子１２８の第１出力と、第２中間電位端子１２９の第２出力との入力を受ける。差動増幅器１４１のアンプ出力は、第１中間電位端子１２８の第１出力と第２中間電位端子１２９の第２出力との差分を増幅した信号である。

　図７に示される圧力センサ１００は、温度検知部１４６を備えてよい。抵抗素子１２４－１、１２４－２、１２４－３、および１２４－４の抵抗値は、温度に依存する。したがって、温度による抵抗値の変化を補正して正確に圧力を測定するために、温度検知部１４６は、検知温度に応じた温度信号を出力する。温度検知部１４６よって温度信号が第２マルチプレクサ１４４に入力される。そして、ブリッジ回路１３０の第１出力端子（第１中間電位端子１２８）における第１出力と、第２出力端子（第２中間電位端子１２９）の第２出力とが、第２マルチプレクサ１４４に入力されてよい。

　第２マルチプレクサ１４４の出力端は、バッファ１４５に接続されてよい。第２マルチプレクサ１４４は、第１出力と第２出力、および温度信号を時分割で選択してバッファ１４５に入力する選択部として機能する。バッファ１４５は、入力された信号をＡＤ変換器１４２に入力する。本例では、バッファ１４５の出力は、第１マルチプレクサ１４３を介してＡＤ変換器１４２に入力されてよい。バッファ１４５は、駆動力を与えるドライバであってよい。但し、第１中間電位端子１２８の第１出力と第２中間電位端子１２９の第２出力は、バッファ１４５を経ることなく、そのままＡＤ変換器１４２に入力されてもよい。

　本例では、第１マルチプレクサ１４３および第２マルチプレクサ１４４が、最終的にＡＤ変換器１４２に入力される信号を切り替える。第１マルチプレクサ１４３および第２マルチプレクサ１４４は、故障検出部１５０からのタイミング信号を受けて、ＡＤ変換器１４２に入力される信号を切り替えてよい。

　したがって、ＡＤ変換器１４２は、第１中間電位端子１２８の第１出力と、第２中間電位端子１２９の第２出力とを時分割でＡＤ変換する。なお、常時、ＡＤ変換器１４２は、時分割で動作してよい。一方、圧力センサ１００が用いられる自動車エンジン等のシステム始動時のタイミングにおいて、第１出力と第２出力とを時分割で動作してもよい。また、一定の診断期間が設定されて、診断期間ごとに、第１出力と第２出力とに基づく故障診断処理が実行されてもよい。

　本例では、第１マルチプレクサ１４３および第２マルチプレクサ１４４がＡＤ変換器１４２に入力される信号を切り替えることによって、ＡＤ変換器１４２は、第１出力、第２出力、第１出力と第２出力との差分、および温度信号を時分割でＡＤ変換してよい。特に、第１出力と第２出力との差分は、差動増幅器１４１によって差分を増幅された信号であってよい。ＡＤ変換器１４２が時分割してＡＤ変換する信号は、この場合に限られない。時分割してＡＤ変換する信号として、更に他の信号が含まれてもよく、一部の信号が省略されてもよい。一例において、ＡＤ変換器１４２は、第１出力、第２出力、第１出力と第２出力との差分を時分割でＡＤ変換してもよい。

　圧力センサ１００は、故障検出部１５０、記憶部１５２、出力部１５３、および圧力算出部１５４を備えてよい。ＡＤ変換器１４２からの出力信号は、故障検出部１５０および圧力算出部１５４が受信する。圧力算出部１５４は、第１出力と第２出力との差分のデジタル値に基づいて圧力を算出する。具体的には、第１出力と第２出力との差が差動増幅器１４１によって増幅されたアンプ出力がデジタル値にＡＤ変換される。圧力算出部１５４は、デジタル値に基づいて圧力を算出してよい。このとき圧力算出部１５４は、デジタル化された温度データに基づいて、圧力データを温度補正してよい。算出され圧力データおよび温度データは、出力部１５３が出力してよい。

　故障検出部１５０は、検出部として機能するＡＤ変換器１４２における検出結果に基づいて、ブリッジ回路１３０の故障を検出してよい。故障検出部１５０は、第１マルチプレクサ１４３および第２マルチプレクサ１４４の出力信号を切り替えるための信号を第１マルチプレクサ１４３および第２マルチプレクサ１４４に供給してよい。

　第１中間電位端子１２８の第１出力と、第２中間電位端子１２９の第２出力の少なくとも一方が、高圧側電圧（ＶＨ）と低圧側電圧（ＶＬ）の中間電圧（（ＶＨ＋ＶＬ）／２）を含む予め定められた範囲外の場合に、故障検出部１５０は、ブリッジ回路１３０が故障をしていると判定する。一例において、予め定められた範囲は、中間電圧（（ＶＨ＋ＶＬ）／２）±αであってよい。αは、圧力による変動幅（ｍＶレンジ）よりも大きい値に設定してよい。（ＶＨ＋ＶＬ）／２）が２Ｖである場合には、αは０．１Ｖ以上０．５Ｖ以下であってよい。

　予め定められた範囲は、αが０．１Ｖであるとき、下限値が２Ｖ－０．１Ｖ＝１．９Ｖであり、上限値が２Ｖ＋０．１Ｖ＝２．１Ｖであってよい。上限値および下限値は、記憶部１５２の記憶領域に予め記憶されてよい。但し、設定される上限値および下限値の値は、これらの場合に限られず、ノイズ等の影響を受けないように適宜に設定されてよい。

　故障検出部１５０は、ＡＤ変換器１４２によってＡＤ変換された第１出力および第２出力のデジタル値をそれぞれの上限値および下限値と比較する比較回路を含んでよい。故障検出部１５０は、第１出力および第２出力のデジタル値の少なくも一方が、上下限範囲内に含まれない場合に、故障判定条件を満たすとして、ブリッジ回路１３０が故障していると判定してよい。出力部１５３は、外部の制御ユニットへエラーが発生したことを示す信号を出力してよい。外部の制御ユニットは、例えば、自動車におけるＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）である。

　上述した図４によって説明したとおり、ブリッジ回路が正常の場合には、第１中間電位端子１２８の第１出力と、第２中間電位端子１２９の第２出力とは、共に、（ＶＨ＋ＶＬ）／２）±αの範囲内となる。一方、図５を用いて説明したとおり、第３領域（（３））および第４領域（（４））が共に破断した場合には、差動増幅器１４１の第１入力端と第２入力端とに、それぞれＶＨ（４Ｖ）の電圧が印加される。したがって、第１中間電位端子１２８の第１出力と、第２中間電位端子１２９の第２出力の少なくとも一方が、高圧側電圧（ＶＨ）と低圧側電圧（ＶＬ）の中間電圧（（ＶＨ＋ＶＬ）／２）を含む予め定められた範囲外となる。故障検出部１５０は、ブリッジ回路１３０が故障していると判定してよい。

　一方、上述した図６において説明したとおり、ダイアフラム１２２の破断によって、第１中間電位端子１２８と第２中間電位端子１２９の少なくとも一方がＯｐｅｎ（フローティング）となった場合には、Ｏｐｅｎ（フローティング）となった端子の出力電圧が不定である。この端子の電圧が偶然に、上記の予め定められた範囲、例えば、中間電圧（（ＶＨ＋ＶＬ）／２）±αとなる場合があり得る。第１中間電位端子１２８と第２中間電位端子１２９の少なくとも一方がＯｐｅｎ（フローティング）となった場合に、故障を検出するために、電圧制御部を有する圧力センサ１００を採用してよい。

　図８は、電圧制御部を有する圧力センサ１００の回路構成の一例を示す。圧力センサ１００は、電圧制御部１５５を備える。故障検出部１５０は、電圧制御部１５５に電圧の変動指令を送信する。変動指令を受信した電圧制御部１５５は、高圧側電圧と低圧側電圧の中間電圧、すなわち、（ＶＨ＋ＶＬ）／２が変化するように、高圧側電圧ＶＨと、低圧側電圧ＶＬとの少なくとも一方を変化させる。例えば、高圧側電圧ＶＨを、４Ｖ、３Ｖ、２Ｖと変化させる。順次に時分割のタイミングで、高圧側電圧ＶＨと、低圧側電圧ＶＬとの少なくとも一方を変化させてよい。

　故障検出部１５０は、中間電圧を変化させたときの第１の出力および第２の出力の少なくとも一方の変化に基づいて、ブリッジ回路１３０の故障を検出する。具体的には、故障検出部１５０は、中間電圧を変化させたときの第１中間電位端子１２８の第１出力の電圧変動または第２中間電位端子１２９の第２出力の電圧変動が、予め定められた範囲内であれば、ブリッジ回路１３０が故障していると判断してよい。当該範囲は中間電圧の変動幅よりも小さい。

　図９は、圧力センサ１００による故障検出処理の一例を示すフローチャートである。故障検出部１５０は、ＡＤ変換器１４２における出力結果に基づいて、ブリッジ回路１３０の故障を検出する。故障検出部１５０は、第１の出力および第２の出力の少なくとも一方が、高圧側電圧ＶＨと低圧側電圧ＶＬの中間電圧（ＶＨ＋ＶＬ）／２を含む予め定められた範囲外の場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、ブリッジ回路１３０が故障していると判定する（ステップＳ１０２）。

　例えば、ＶＨ＝４Ｖであり、ＶＬ＝０Ｖである場合、第１の出力および第２の出力の少なくとも一方が、中間電圧２Ｖ±αの範囲外であれば（ステップＳ１０１：ＮＯ）、故障検出部１５０は、ブリッジ回路１３０が故障していると判定する（ステップＳ１０２）。したがって、第１出力または第２出力が、予め定められた範囲外であれば、電圧変動処理等の結果を待つことなく、故障を判定することができる。

　一方、第１出力または第２出力が、予め定められた範囲内の場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、故障検出部１５０は、電圧制御部１５５に対して電圧変動指示を送信する（ステップＳ１０３）。電圧変動指示を受けた電圧制御部１５５は、高圧側電圧と低圧側電圧の中間電圧（ＶＨ＋ＶＬ）／２が変化するように、高圧側電圧ＶＨと、低圧側電圧ＶＬとの少なくとも一方を変化させる。例えば、高圧側電圧ＶＨを、４Ｖ、３Ｖ、２Ｖと複数の段階に変化させる（ステップＳ１０３）。

　電圧制御部１５５が、高圧側電圧ＶＨを高圧側電圧ＶＨ´に変動させ、低圧側電圧ＶＬを低圧側電圧ＶＬ´に変動させた場合、ブリッジ回路１３０が正常であれば、高圧側電圧と低圧側電圧の中間電圧（ＶＨ＋ＶＬ）／２が（ＶＨ´＋ＶＬ´）／２に変化する。そして、第１出力と第２出力が、（ＶＨ＋ＶＬ）／２から（ＶＨ´＋ＶＬ´）／２へと変化する。一方、第１中間電位端子１２８と第２中間電位端子１２９の少なくとも一方がＯｐｅｎ（フローティング）となっている場合には、高圧側電圧と低圧側電圧の中間電圧（ＶＨ＋ＶＬ）／２が（ＶＨ´＋ＶＬ´）／２に変化しても、第１出力の変動と第２出力の変動が（ＶＨ´＋ＶＬ´）／２へと変化しない。

　したがって、第１出力と第２出力が、（ＶＨ＋ＶＬ）／２から（ＶＨ´＋ＶＬ´）／２への変動幅に応じて変動する場合は（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、故障検出部１５０は、ブリッジ回路１３０が故障しておらず正常であると判定する（ステップＳ１０５）。一方、故障検出部１５０は、第１出力と第２出力の変動が、（ＶＨ＋ＶＬ）／２から（ＶＨ´＋ＶＬ´）／２への変動幅に応じて変動せずに（ステップＳ１０４：ＮＯ）、予め定められた範囲内である場合には、ブリッジ回路１３０が故障しており異常と判断する（ステップＳ１０６）。

　以上のとおり、故障検出部１５０は、第１出力または第２出力が予め設定された下限上限範囲から外れる場合、および予め設定された下限上限値範囲内であっても、中間電圧を変化させたときの第１出力および第２出力の少なくとも一方の変化が予め定められた値に比べて小さい場合には、ブリッジ回路１３０が故障していると判定してよい。

　図９において、高圧側電圧ＶＨと、低圧側電圧ＶＬとの少なくとも一方を変化させることによって、ブリッジ回路１３０からの出力が変動する。たとえば、高圧側電圧ＶＨ＝４Ｖで低圧側電圧ＶＬ＝０Ｖの場合に、第１中間電位端子１２８の第１出力および第２中間電位端子１２９の第２出力は、２Ｖ程度の値を示す。高圧側電圧ＶＨを３Ｖと変化させた場合には、第１出力および第２出力は、１．５Ｖ程度の値を示す。したがって、ＡＤ変換器１４２においては、高圧側電圧ＶＨ＝４Ｖ（２進数で４０９５）のとき、第１出力および第２出力のデジタル値は２Ｖ（２進数で２０４８）だったにもかかわらず、高圧側電圧ＶＨを３Ｖと変化させた場合には、第１出力および第２出力のデジタル値が、１３６５に変化してしまう。これを防止するために、電圧制御部１５５は、ＡＤ変換器１４２の高圧側電源電圧（駆動電圧）Ｖａについても変動させてＡＤ変換器１４２のダイナミックレンジについても調整してよい。

　図１０は、電圧制御部を有する圧力センサ１００の回路構成の他例を示す。図１０に示すとおり、ブリッジ回路１３０の高圧側電圧ＶＨが、高圧側電源電圧ＶａとしてＡＤ変換器１４２に入力されてもよい。この場合、電圧制御部１５５がＡＤ変換器１４２の高圧側電源電圧（駆動電圧）Ｖａを別途調整する必要がなくなる。

　図１１は、本発明の実施形態における圧力センサ１００による故障検出の一例を示す。断線の欄は、第１領域（（１））、第２領域（（２））、第３領域（（３））、第４領域（（４））のうちで断線が生じた領域を示している。第１出力端子の欄は、第１中間電位端子１２８の第１出力の電圧値を示し、第２出力端子の欄は、第２中間電位端子１２９の第２出力の電圧値を示す。本例は、高圧側電圧ＶＨ＝４Ｖであり、低圧側電圧ＶＬ＝０Ｖのときを示す。

　例えば、第１ケースに示されるとおり、ブリッジ回路１３０が正常のときは、第１出力の電圧が２Ｖであり第２出力の電圧が２Ｖである。第１の出力および第２の出力の少なくとも一方が、高圧側電圧と低圧側電圧の中間電圧を含む予め定められた範囲外とならないので、故障検出部１５０は、故障を検出しない。

　圧力センサ１００は、第１中間電位端子１２８の第１出力および第２中間電位端子１２９の第２出力をそれぞれ検出するＡＤ変換器１４２を有する。そして、故障検出部１５０は、ＡＤ変換器１４２における検出結果に基づいて、ブリッジ回路１３０の故障を検出する。したがって、図１１の第１１ケースのように、第１出力と第２出力の差分のみからでは、故障の判定が難しいケースについても、正確にブリッジ回路１３０の故障を判定することができる。なお、図１１に示されるとおり、第１出力および第２出力の値に基づいて、ブリッジ回路１３０の断線した箇所を特定してもよい。

　図１１の第７、第１０、第１６ケースの場合には、Ｏｐｅｎ（フローティング）となった端子の電圧は不定である。この端子の電圧が偶然に２Ｖとなる場合に、第１ケース（正常）の場合と同じになってしまうので、故障の判定が難しい。しかし、圧力センサ１００は、ブリッジ回路１３０の高圧側端子１２６および低圧側端子１２７に印加される電圧の何れかを変動させた場合の出力変化を測定し、故障の判定を実行することができる。

　以上のとおり、図１から図１１を用いて示される圧力センサ１００によれば、ブリッジ回路１３０の第１中間電位端子１２８における第１出力と第２中間電位端子１２９の第２出力との差分のみからでは判定が難しかったブリッジ回路１３０の故障モードについても、検出することができ、ダイアフラム１２２が破損した場合であっても、すぐに故障を判定することが可能となる。

　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・第１室、１１・・第１圧力媒体、２０・・第２室、２１・・第２圧力媒体、３０・・保護材、１００・・圧力センサ、１０１・・圧力センサ、１１０・・基材、１２０・・半導体基板、１２１・・凹部、１２２・・ダイアフラム、１２４・・抵抗素子、１２５・・連結部、１２６・・高圧側端子、１２７・・低圧側端子、１２８・・第１中間電位端子、１２９・・第２中間電位端子、１３０・・ブリッジ回路、１３２・・Ｐ型拡散領域、１３４・・ＬＯＣＯＳ酸化膜、１３６・・ＬＯＣＯＳ酸化膜、１４１・・差動増幅器、１４２・・ＡＤ変換器、１４３・・第１マルチプレクサ、１４４・・第２マルチプレクサ、１４５・・バッファ、１４６・・温度検知部、１５０・・故障検出部、１５２・・記憶部、１５３・・出力部、１５４・・圧力算出部、１５５・・電圧制御部

Claims

　ダイアフラムが設けられた基板と、
　前記ダイアフラムに設けられた４つの抵抗素子を含み、高圧側電圧および低圧側電圧が印加され、２つの出力端子を有するブリッジ回路と、
　前記ブリッジ回路の第１の出力端子における第１の出力と、第２の出力端子における第２の出力をそれぞれ検出する検出部と、
　前記検出部における検出結果に基づいて、前記ブリッジ回路の故障を検出する故障検出部と
　を備える圧力センサ。
　前記故障検出部は、前記第１の出力および前記第２の出力の少なくとも一方が、前記高圧側電圧と前記低圧側電圧の中間電圧を含む予め定められた範囲外の場合に、前記ブリッジ回路が故障していると判定する
　請求項１に記載の圧力センサ。
　前記高圧側電圧と前記低圧側電圧の中間電圧が変化するように、前記高圧側電圧と、前記低圧側電圧の少なくとも一方を変化させる電圧制御部を更に備え、
　前記故障検出部は、前記中間電圧を変化させたときの前記第１の出力および前記第２の出力の少なくとも一方の変化に基づいて、前記ブリッジ回路の故障を検出する
　請求項１に記載の圧力センサ。
　前記検出部はＡＤ変換器を有し、
　前記ＡＤ変換器は、前記第１の出力および前記第２の出力を時分割でＡＤ変換する
　請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
　前記ＡＤ変換器は、前記第１の出力、前記第２の出力、および、前記第１の出力と前記第２の出力との差分を時分割でＡＤ変換し、
　前記圧力センサは、前記第１の出力と前記第２の出力との差分のデジタル値に基づいて圧力を算出する圧力算出部を更に備える
　請求項４に記載の圧力センサ。
　検知温度に応じた温度信号を出力する温度検知部を更に備え、
　前記ＡＤ変換器は、前記第１の出力、前記第２の出力、前記第１の出力と前記第２の出力との差分、および、前記温度信号を時分割でＡＤ変換する
　請求項５に記載の圧力センサ。
　入力される信号を前記ＡＤ変換器に入力するバッファと、
　前記第１の出力、前記第２の出力、および、前記温度信号を時分割で選択して前記バッファに入力する選択部と
　を備える請求項６に記載の圧力センサ。
　前記ブリッジ回路の前記高圧側電圧が、高圧側電源電圧として前記ＡＤ変換器に入力される
　請求項４から７のいずれか一項に記載の圧力センサ。