JP2008116287A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】２つの測定ブリッジうち一方の故障や特性変動を確実に検出できるようにすることができる圧力センサを提供する。
【解決手段】ステム２０に設けられたダイヤフラム上に、構造が異なる２つの歪みゲージを設ける。２つの歪みゲージのうち一つとして、薄膜抵抗歪みゲージ２１０で構成された薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００を設ける。もう一つとして、半導体センサチップ１００に拡散抵抗歪みゲージ３１０で構成された拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００を設け、低融点ガラス２４を介して薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００上に半導体センサチップ１００を設置する。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧力を検出する構造が異なる２つのゲージを備えた圧力センサに関する。

従来より、１つのダイヤフラム上に２つの歪みゲージを形成したものを備えた圧力センサが、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、多結晶質シリコン製の薄膜抵抗ゲージで構成されるホイートストン測定ブリッジが測定ダイヤフラム上に２つ互いに独立して設けられている圧力センサが提案されている。

このような圧力センサでは、各測定ブリッジから圧力に相当するブリッジ信号がそれぞれ出力されるようになっている。すなわち、各測定ブリッジから出力される各ブリッジ信号を比較することによって、各測定ブリッジのうちいずれか一方が特性変動を起こしている場合や故障している場合を検出することができるようになっている。また、一方の抵抗測定ブリッジが故障した場合でも、他方の測定ブリッジによって圧力測定を続行することが可能となっている。
特表平１０−５０６７１８号公報

しかしながら、上記従来の技術では、測定ダイヤフラム上に独立して２つの測定ブリッジが形成されているが、各測定ブリッジは同種の抵抗ゲージで形成されている。このため、各測定ブリッジに与えられる同じ機械的、物理的原因によって、各測定ブリッジが共に特性変動を起こす場合や故障する場合がある。このように、測定ブリッジが２つとも特性変動や故障を起こしてしまうと、測定ブリッジの故障診断を行うことができなくなってしまう可能性がある。

本発明は、上記点に鑑み、２つの測定ブリッジうち一方の故障や特性変動を確実に検出できるように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。

上記目的を達成するため、本発明は、中空筒形状の軸の一端側にハウジング（１０）に導入された圧力によって変形可能なダイヤフラム（２２）が設けられ、軸の他端側にハウジングの圧力導入孔（１３）と連通する通路（２３）を有するステム（２０）において、ダイヤフラムの変形に応じた電気信号を出力する検出部（２００、３００、４００）がダイヤフラム上に設けられた圧力センサにおいて、検出部は、構造が異なる歪みゲージがそれぞれ備えられた第１の検出部（２００、３００、４００）および第２の検出部（２００、３００、４００）を有し構成されていることが特徴となっている。

このように、ステムのダイヤフラム上に構造が異なる歪みゲージを備えて構成される第１の検出部および第２の検出部を設けることで、同じ原因、例えば機械的・物理的原因や異物による汚染等によって各検出部が同時に故障したり特性変動を起こしたりすることを防止することができる。すなわち、各検出部のうち一方が故障や特性変動を起こしたとしても、他方の検出部で圧力を検出することができる。したがって、各検出部の出力を比較することで、各検出部のうちいずれか一方の故障や特性変動を確実に検出できるようにすることができる。

このような比較および判定は、例えば圧力センサに備えられた処理回路で行うことができる。また、各検出部の出力を圧力センサの外部の処理回路に取り出し、当該処理回路で各検出部の出力の比較および判定を行うことができる。

このような場合、第１の検出部および第２の検出部それぞれを、薄膜抵抗の歪みゲージ（２１０）、拡散抵抗の歪みゲージ（３１０）、静電容量式圧力センシング部（４３０）のいずれかの組み合わせとすることができる。

各検出部のうちいずれかを薄膜抵抗の歪みゲージとした場合、当該薄膜抵抗の歪みゲージを、ダイヤフラム上にパターニングによって形成すると共に、各薄膜抵抗の歪みゲージをブリッジ回路状に接続したものを採用することができる。

また、各検出部のうちいずれかを拡散抵抗の歪みゲージとした場合、当該拡散抵抗の歪みゲージを半導体センサチップ（１００、１１０）に形成し、当該半導体センサチップに形成した各拡散抵抗の歪みゲージをブリッジ回路状に接続したものを採用することができる。

このように半導体センサチップを用いる場合、この半導体センサチップをガラス部材（２４）を介してダイヤフラム上に設置することができる。これにより、ガラス部材を介してダイヤフラムの撓みを半導体センサチップに伝えることができ、拡散抵抗の歪みゲージを歪ませて圧力を検出できるようにすることができる。

半導体センサチップを用いる場合においては、当該半導体センサチップの両端面のうち一方の面に拡散抵抗の歪みゲージを形成し、他方の面に薄膜抵抗の歪みゲージを形成したものを採用することもできる。

このように半導体センサチップの両端面に拡散抵抗の歪みゲージおよび薄膜抵抗の歪みゲージをそれぞれ形成したものを用いる場合、半導体センサチップに当該半導体センサチップの両端面を貫通する貫通孔（１１１）を設けてこの貫通孔内に貫通電極（１１２）を形成し、薄膜抵抗の歪みゲージに係る電極（２３０）を、この貫通電極を介することで半導体センサチップのうち拡散抵抗の歪みゲージが形成された面に設置することができる。これにより、各検出部の出力を半導体センサチップの一面から取り出すようにすることができる。

また、半導体センサチップの両端面のうち一方の面に拡散抵抗の歪みゲージが形成されたものにおいて、拡散抵抗の歪みゲージが形成された面上に保護膜（３５０）を形成し、当該保護膜上に薄膜抵抗の歪みゲージを形成したものを採用することができる。

さらに、検出部として、ダイヤフラム上に薄膜抵抗の歪みゲージを形成すると共に、下部電極（４２０）も形成し、当該下部電極上に接着剤（２６）を介して上部電極（４１０）を配置することで静電容量式圧力センシング部を構成したものを採用することもできる。

この場合、接着剤に同じサイズの樹脂ビーズ（２７）を多数混入し、当該樹脂ビーズによって上部電極と下部電極との間の距離を一定に保つようにすることが好ましい。これにより、圧力によってダイヤフラムが撓んだ際のコンデンサの容量変化のみを検出することができる。

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。

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。本実施形態で示される圧力センサは、例えば車両に搭載され、高圧センサとして用いられる。例えば、直噴エンジンの燃料圧の測定、ブレーキ油圧の測定、ＣＯ_２ガス圧の測定、燃料電池車の水素ガス圧の測定等に採用される。

図１は、本発明の第１実施形態に係る圧力センサの全体断面図である。この図に示されるように、圧力センサ１は、ハウジング１０と、ステム２０と、スペーサ３０と、プリント基板４０と、回路チップ５０と、スプリング６０と、コネクタケース７０とを備えて構成されている。

ハウジング１０は、切削や冷間鍛造等により加工された中空形状の金属製のケースであり、その一端側の外周面には、燃料配管等の被測定体にネジ結合可能なネジ部１１が形成されている。ハウジング１０の一端側には、ハウジング１０の一端に形成された開口部１２からハウジング１０の他端側に延びる孔、すなわち圧力導入孔１３が形成されており、この圧力導入孔１３が圧力導入通路としての役割を果たす。また、ハウジング１０は、ボディアースとしての役割を果たすものである。

ステム２０は、中空円筒形状に加工された金属製の部材であり、ステム２０の外周部に設けられた雄ねじ部２１が、ハウジング１０の圧力導入孔１３に形成された雌ねじ部１４にネジ止めされてハウジング１０内に固定されている。これにより、ステム２０は高いシール面圧を発生させる軸力を維持してハウジング１０に固定されている。

このステム２０は、その軸の一端側にハウジング１０に導入された圧力によって変形可能な薄肉状のダイヤフラム２２を有し、軸の他端側にダイヤフラム２２に繋がる通路２３を有する。そして、当該通路２３とハウジング１０の圧力導入孔１３とが連通された状態にされ、被測定体の圧力が圧力導入孔１３からダイヤフラム２２に伝えられるようになっている。後で詳しく説明するが、本実施形態では、当該ダイヤフラム２２上に構造が異なる２つの圧力検出ゲージが設けられている。

また、スペーサ３０は、ハウジング１０内で圧力導入孔１３から突出したステム２０のダイヤフラム２２側に設けられたものであり、ハウジング１０に接着剤によって固定されている。当該スペーサ３０にはハウジング１０の中心軸に沿って突出した複数の突起部３１〜３３（後述する図２参照）が設けられている。

プリント基板４０は、ステム２０のダイヤフラム２２上の２つの圧力検出ゲージから出力された各検出信号を増幅・特性調整すると共に両者を比較して各圧力検出ゲージの故障を判定する回路を備えた回路チップ５０が搭載されたものである。このプリント基板４０は、スペーサ３０上に接着固定されている。

図２は、スプリング６０およびコネクタケース７０をハウジング１０に実装する前の圧力センサ１においてハウジング１０の他端側を見た図である。この図に示されるように、プリント基板４０には、その中心部分にステム２０の径よりも大きい貫通した孔４１が設けられている。

すなわち、ハウジング１０に収納されたスペーサ３０上にプリント基板４０が配置されたとき、プリント基板４０の孔４１にステム２０のダイヤフラム２２が挿入された状態となる。これにより、プリント基板４０上の配線とダイヤフラム２２上の各圧力検出ゲージとの電気的接続が可能となる。

プリント基板４０には、上記孔４１とは別にプリント基板４０を貫通した複数の孔４２〜４４も設けられている。これら各孔４２〜４４には、スペーサ３０に設けられた各突起部３１〜３３がそれぞれ挿入され、プリント基板４０上に突出した状態となっている。

さらに、プリント基板４０には、上記圧力検出ゲージの出力信号を上記回路チップ５０に入力するための図示しない回路や当該回路に接続された複数の電極４５が形成されており、当該電極４５と各圧力検出ゲージとは金またはアルミのボンディングワイヤ４６で接続されている。

また、図１および図２に示されるように、スペーサ３０の各突起部３１〜３３にはスプリング６０の一端側がそれぞれ挿入されており、当該各スプリング６０がプリント基板４０の各孔４２〜４４の外縁部に設けられた電極４７〜４９に接触するようになっている。

コネクタケース７０は、圧力センサ１で検出された圧力値の信号を外部に出力するためのコネクタをなすものであり、樹脂等により形成されたものである。当該コネクタケース７０には、Ｌ字状の棒状部材で構成されたターミナル８０がインサート成型されている。

本実施形態では、圧力センサ１を稼働するための電源用および接地用、そして信号出力用の３本のターミナル８０がコネクタケース７０に固定されている。そして、各ターミナル８０の先端部分が図示しない外部コネクタに接続されることで、自動車のＥＣＵ等へ配線部材を介して電気的に接続される。

当該ターミナル８０の下端部には突起部８１が設けられていて、コネクタケース７０がハウジング１０の他端側にはめ込まれると、各スプリング６０の他端側が各ターミナル８０の突起部８１にそれぞれ挿入されることで、各スプリング６０を介して各ターミナル８０とプリント基板４０の各電極４７〜４９が電気的に接続されるようになっている。

本実施形態では、スペーサ３０の各突起部３１〜３３は、プリント基板４０を貫通することで、プリント基板４０の位置決めとして使用されると共に、コネクタケース７０のスプリング６０の位置決めとして使用される。

そして、ハウジング１０の他端がコネクタケース７０を押さえるようかしめ固定され、ハウジング１０内がシールされると共に、コネクタケース７０がハウジング１０に機械的保持される。これにより、コネクタケース７０はハウジング１０と一体化してパッケージを構成し、該パッケージ内部の回路チップ５０、プリント基板４０、電気的接続部等を湿気・機械的外力より保護するようになっている。

図３は、ステム２０を拡大した断面図である。ステム２０は、例えば鉄ニッケル合金等の金属製のものであり、上述のように、一端側に薄肉部としてのダイヤフラム２２が設けられている。このダイヤフラム２２上には、低融点ガラス２４（本発明のガラス部材に相当）を介して半導体センサチップ１００が設けられている。

また、図４は、ステム２０のうちダイヤフラム２２側の端面を見た図であって、（ａ）はステム２０から低融点ガラス２４および半導体センサチップ１００を取り除いた図、（ｂ）はステム２０に半導体センサチップ１００を搭載した図である。

図４（ａ）に示されるように、ステム２０のダイヤフラム２２上にはＳｉＯ_２等の絶縁膜２５が形成されており、当該絶縁膜２５上に薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００が設けられている。なお、図４（ａ）に示される破線は、絶縁膜２５の範囲を示している。

薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００は、ダイヤフラム２２の歪みに応じて歪むことで抵抗値が変化する４つの薄膜抵抗歪みゲージ２１０と、４つの薄膜抵抗歪みゲージ２１０をブリッジ回路状に接続するリード２２０と、当該薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００と外部とを接続するための電極２３０と、を備えて構成されている。

各薄膜抵抗歪みゲージ２１０は、例えば金属やポリシリコン等の薄膜が蒸着やスパッタリング等により絶縁膜２５上にパターニングされることで形成される。本実施形態では、各薄膜抵抗歪みゲージ２１０は、直線状に形成された配線が二度折り返された配線形状をなすように構成されており、折り返された抵抗配線の長手方向の歪みを検出できるようになっている。各薄膜抵抗歪みゲージ２１０が検出する歪みの方向はそれぞれ同じになっている。

また、薄膜抵抗歪みゲージ２１０がパターニングされた後、リード２２０および電極２３０も、各薄膜抵抗歪みゲージ２１０と同様の方法によりパターニングされて形成される。なお、電極２３０は、例えばＡｌ線、Ａｕ線等のボンディングワイヤを接続できるように当該ボンディングワイヤと同一の材質であることが好ましく、リード２２０上にＡｕ薄膜を蒸着するなどの処理が施されているものでも良い。

そして、リード２２０によって各薄膜抵抗歪みゲージ２１０がブリッジ回路を構成するように結線され、リード２２０は電極２３０に接続されている。この電極２３０は、ボンディングワイヤ４６を介してハウジング１０に設置されたプリント基板４０の電極５に接続される。これにより、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００で検出された検出信号が外部に取り出される。このように、薄膜抵抗歪みゲージ２１０にて、圧力を計測する第１の検出部が形成されている。

なお、上記薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００において、電極２３０を除く部分に図示しない保護膜が形成されており、薄膜抵抗歪みゲージ２１０およびリード２２０が保護された状態となっている。

また、図４（ｂ）に示されるように、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００上には印刷等によって設けられた低融点ガラス２４を介して拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００が形成された半導体センサチップ１００が設置されている。当該半導体センサチップ１００は、例えばＳｉ基板により形成されたものである。なお、図４（ｂ）に示される破線は、図４（ａ）に示される場合と同様に、絶縁膜２５の範囲を示している。

拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００は、低融点ガラス２４を介して伝えられたダイヤフラム２２の歪みに応じて歪むことで抵抗値が変化する４つの拡散抵抗歪みゲージ３１０と、４つの拡散抵抗歪みゲージ３１０をブリッジ回路状に接続するリード３２０と、半導体センサチップ１００とプリント基板４０の回路とを接続するための電極３３０と、を備えて構成されている。

各拡散抵抗歪みゲージ３１０は、半導体ウェハプロセスにより、Ｓｉ基板へのイオン注入や拡散処理等により形成されている。これら各拡散抵抗歪みゲージ３１０は、上記薄膜抵抗歪みゲージ２１０と同様に、半導体センサチップ１００の面方向に伸びる拡散領域が二度折り返された配線形状をなして構成され、折り返された拡散領域の長手方向の歪みを検出するようになっている。そして、これら各拡散抵抗歪みゲージ３１０がブリッジ回路を構成するようにリード３２０が結線され、各リード３２０に電極３３０が接続されている。

また、電極３３０は、ボンディングワイヤ４６を介してハウジング１０に設置されたプリント基板４０の電極５に接続される。これにより、拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００で検出された検出信号が外部に取り出される。このように、拡散抵抗歪みゲージ３１０にて、圧力を計測する第２の検出部が形成されている。

なお、上記図４（ａ）、（ｂ）では、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００のリード２２０、および拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００のリード３２０を斜線で表現してある。以下に示される図においてリード２２０、リード３２０が描かれている場合も同様である。

上記第１の検出部である薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００および第２の検出部である拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００の各歪みゲージ２１０、３１０は、それぞれ抵抗で構成されているが、機械的な構造の差異を有している。このように、各検出部２００、３００において各歪みゲージ２１０、３１０がそれぞれ異なる構造をなしていることから、同じ原因で同時に故障したり特性変動を起こすことはない。

上記の構成を有する圧力センサ１では、圧力導入孔１３から導入された圧力によってダイヤフラム２２が歪む。これにより、ダイヤフラム２２上に形成された薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００において各薄膜抵抗歪みゲージ２１０が歪み、その歪みに応じた抵抗値を示す検出信号がプリント基板４０上の回路チップ５０に入力される。

また、ダイヤフラム２２の歪みは、低融点ガラス２４を介して半導体センサチップ１００に設けられた拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００の各拡散抵抗歪みゲージ３１０に伝えられる。したがって、各拡散抵抗歪みゲージ３１０が歪み、その歪みに応じた抵抗値を示す検出信号がプリント基板４０上の回路チップ５０に入力される。

これらの様子を図５に示す。図５は、図１に示される圧力センサ１における各検出部２００、３００の各検出信号の流れを示したブロック図である。この図に示される増幅部５１、５２および出力比較判定部５３は、それぞれ上記した回路チップ５０に設けられているものである。各増幅部５１、５２は各検出部２００、３００に対応して設けられ、各検出部２００、３００から入力される検出信号を増幅してそれぞれ出力するものである。また、出力比較判定部５３は、各増幅部５１、５２から入力された増幅された検出信号を比較して各検出部２００、３００の故障・特性変動の有無を判定するものである。

各検出部２００、３００から出力された各検出信号は、図２に示されるようにボンディングワイヤ４６を介してプリント基板４０の回路に入力されると共に、回路チップ５０に入力される。そして、図５に示される各増幅部５１、５２にて増幅され、出力比較判定部５３に入力される。

そして、当該出力比較判定部５３にて、各検出部２００、３００の各出力信号に基づく各圧力値の差が基準値の範囲内にない場合、各検出部２００、３００のうちいずれか一方が故障や特性変動を起こしていると判定される。

すなわち、拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００においては、圧力センサ１のハウジング１０内部に進入した異物や当該異物による汚染によって特性変動・故障が起こる場合や、半導体センサチップ１００における製造工程に起因したリード２２０の断線等によって故障が起こる場合が考えられる。また、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００においては、各薄膜抵抗歪みゲージ２１０の形成やリード２２０の形成時における不具合によって故障する場合がある。

このように、各検出部２００、３００において、特性変動や故障が生じたとしても、上述のように、各検出部２００、３００における各歪みゲージ２１０、３１０は異なる構造のもので形成されている。このため、各検出部２００、３００において、それぞれ同じ原因で特性変動や故障が起こる可能性は極めて低く、検出部２００、３００のうちいずれか一方が特性変動や故障を起こす場合があると考えられる。

したがって、上記のように故障診断の結果、検出部２００、３００のうちいずれか一方が故障していると判定された場合、検出部２００、３００のうち故障していないものからの出力を圧力値のデータとして採用され、外部に出力される。また、判定の結果も外部に出力される。

一方、出力比較判定部５３にて、各検出部２００、３００の各検出信号が比較され、各検出信号に基づく各圧力値の差が基準値の範囲内であれば、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００および拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００に故障や特性変動はないと判定される。この場合、各出力信号に基づく各圧力値のうちいずれかが圧力値のデータが外部に出力される。

以上説明したように、本実施形態では、ステム２０上に圧力を検出するための検出部２００、３００を２つ設け、各検出部２００、３００にそれぞれ異なる構造の圧力検出用のゲージ、すなわち薄膜抵抗歪みゲージ２１０および拡散抵抗歪みゲージ３１０を設けたことが特徴となっている。このように、異なる構造のゲージで圧力検出を行うようにすることで、同じ原因で各検出部２００、３００が特性変動や故障を起こすことを防止することができる。すなわち、各検出部２００、３００にて検出された圧力値を比較することで、各検出部２００、３００のうち一方の故障やゲージの特性変動を確実に判定することができる。

（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のみ説明する。本実施形態では、半導体センサチップ１００のうち拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００が形成された面の反対側の面に薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００を設けたものを用いることが特徴となっている。

図６は、本実施形態に係る圧力センサ１の半導体センサチップの概略断面図である。この図に示されるように、本実施形態に係る半導体センサチップ１１０は、第１実施形態と同様に、一方の端面に拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００を備えている。本実施形態では、拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００は、樹脂等による保護膜３４０によって覆われている。

また、半導体センサチップ１１０は、他方の端面に薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００を備えている。なお、拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００の平面図は、図４（ｂ）に示されるものと同じ形態をなしている。

上記半導体センサチップ１１０には貫通孔１１１が設けられており、当該貫通孔１１１内に貫通電極１１２が形成されている。これにより、拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００の電極３３０は、当該拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００が形成された面とは反対側の面に設けられている。

このような半導体センサチップ１１０をステム２０のダイヤフラム２２上に低融点ガラス２４を介して設置する。この様子を図７に示す。図７は、ステム２０に半導体センサチップ１１０を搭載したときの平面図である。なお、図７において、破線は低融点ガラス２４の範囲を示している。

図７に示されるように、半導体センサチップ１１０において薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００が形成された面に、拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００の電極３３０が形成されている。このようにして半導体センサチップ１１０がステム２０に搭載されると、各電極２３０、３３０はボンディングワイヤ４６を介してプリント基板４０の電気回路に接続される。これにより、各検出部２００、３００で検出された検出信号が回路チップ５０に入力されるようになっている。

このような各検出部２００、３００を有する半導体センサチップ１１０は、以下のように製造することができる。まず、Ｓｉ基板の一方の端面に第１実施形態と同様の方法により拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００を形成した後、Ｓｉ基板に貫通孔１１１および貫通電極１１２を形成する。この後、Ｓｉ基板の他方の端面に第１実施形態と同様の方法により薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００を形成し、貫通電極１１２に接続される電極３３０を形成する。

続いて、ステム２０のダイヤフラム２２上に低融点ガラス２４を印刷して半導体センサチップ１１０の拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００がダイヤフラム２２に対向するように半導体センサチップ１１０を接合する。そして、各電極２３０、３３０をプリント基板４０の電極４５にワイヤボンディングする。

このように、半導体センサチップ１１０に各検出部２００、３００が形成されている場合、圧力よってダイヤフラム２２が歪むと、その歪みが低融点ガラス２４を介して半導体センサチップ１１０を歪ませる。これにより、各検出部２００、３００において圧力に応じた検出信号が出力されることとなる。

以上説明したように、本実施形態のように１つの半導体センサチップ１１０の両端面にそれぞれ各検出部２００、３００を形成したものを用いるようにしても構わない。このような場合であっても、各検出部２００、３００における各歪みゲージ２１０、３１０の構造が異なる。したがって、各検出部２００、３００が同じ原因で故障することはなく、また各歪みゲージ２１０、３１０が同じ原因で特性変動を起こすこともなく、各検出部２００、３００の出力の診断を確実に行うようにすることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、半導体センサチップ１００において、拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００上に保護膜を形成し、当該保護膜上に薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００を形成したものを用いることが特徴となっている。

図８は、本実施形態に係る半導体センサチップ１００の概略断面図である。この図に示されるように、半導体センサチップ１００において拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００を覆うように樹脂等の保護膜３５０が形成されている。なお、図８には図示されていないが、拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００における電極３３０はプリント基板４０の電極４５とワイヤボンディングされるため、保護膜３５０に完全に覆われていない。

また、保護膜３５０上に拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００が形成されている。本実施形態における拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００は、上記第１実施形態と同様の方法により形成されている。このように、半導体センサチップ１００において、保護膜３５０を介することで各検出部２００、３００を積層した形態とすることもできる。

（第４実施形態）
本実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記各実施形態では、圧力を検出する場合、歪みゲージの抵抗値の変化を利用していた。しかしながら、圧力を検出する場合、容量式ゲージを用いても圧力を検出することができる。すなわち、本実施形態では、圧力センサ１において、容量式ゲージを用いることが特徴となっている。

図９は、ステム２０を拡大した断面図である。この図に示されるように、ステム２０のダイヤフラム２２上には、可撓性の接着剤２６を介して上部電極４１０が設けられている。また、接着剤２６の膜厚を一定に保つため、接着剤２６中に同じサイズの樹脂ビーズ２７が多数混入されている。

図１０は、図９に示されるステム２０をダイヤフラム２２側から見た図であって、（ａ）は上部電極４１０、接着剤２６および樹脂ビーズ２７を取り除いた図、（ｂ）はステム２０に上部電極４１０を設置した図である。

図１０（ａ）に示されるように、ステム２０のダイヤフラム２２上にはその半分の領域に薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００が設けられており、残りの半分の領域に下部電極４２０が形成されている。なお、図１０（ａ）に示される破線は、接着剤２６の範囲を示している。

下部電極４２０は上部電極４１０と共に容量式ゲージを構成するものであり、ダイヤフラム２２に例えば蒸着やスパッタリングの方法により形成されている。また、当該下部電極４２０にはプリント基板４０の回路と電気的接続を行うための電極４２１が形成されている。

図１０（ｂ）に示されるように、ステム２０上には上部電極４１０が設けられている。当該上部電極４１０は、例えば金属板により形成されたものであり、プリント基板４０の回路と電気的接続を行うための電極４１１が形成されている。この上部電極４１０は、上述のように樹脂ビーズ２７が混入された接着剤２６にて下部電極４２０上に取り付けられているため、下部電極４２０との間に一定の間隔が保持されている。

すなわち、本実施形態では、ダイヤフラム２２上に、上部電極４１０と下部電極４２０とによる静電容量式圧力センシング部４３０によって構成された容量式ゲージ検出部４００と、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００と、が設置された状態となっている。

そして、容量式ゲージ検出部４００においては、各電極４１０、４２０間の距離の変化に応じたレベルの容量値が検出されるようになっている。そして、この容量値が圧力値に変換されることとなる。なお、図１０（ｂ）に示される破線は、図１０（ａ）に示される場合と同様に、接着剤２６の範囲を示している。

本実施形態では、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００および容量式ゲージ検出部４００それぞれの歪みゲージは、機械的な構造の差異を有している。したがって、各検出部２００、４００の各歪みゲージ２１０、３１０が同じ原因で同時に故障したり特性変動を起こすことはない。

上記構成を有する圧力センサ１では、圧力導入孔１３から導入された圧力によってダイヤフラム２２が撓むと上部電極４１０と下部電極４２０との距離が変化する。これにより、各電極４１０、４２０間の距離に応じた容量値を示す電気信号が検出信号としてプリント基板４０の回路に出力される。また、ダイヤフラム２２が歪むことで薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００において各薄膜抵抗歪みゲージ２１０が歪み、その歪みに応じた抵抗値を示す電気信号が検出信号としてプリント基板４０の回路に出力される。

そして、回路チップ５０にて各検出部２００、４００の各出力信号に基づく各圧力値の差が基準値の範囲内であるか否かを判定することで、各検出部２００、４００のうちいずれか一方が故障や特性変動を起こしているか否かを判定することができる。

以上説明したように、異なる構造の歪みゲージとして、容量式ゲージと歪みゲージの２つの構造のゲージをステム２０に搭載するようにしても構わない。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、圧力センサ１内に備えられた回路チップ５０にて各検出部２００、３００の各検出信号の判定を行っていたが、各検出信号を圧力センサ１の外部に信号を取り出して、圧力センサ１の外部にて各検出信号の比較を行うようにしても構わない。この場合について、図１１および図１２にブロック図を示す。

図１１は、各検出部２００、３００のみを圧力センサ１内に備え、各検出部２００、３００に対応した増幅部５１、５２および出力比較判定部５３を圧力センサ１の外部に設けたブロック図である。この図に示されるように、各検出信号を圧力センサ１の外部に設けた各増幅部５１、５２にてそれぞれ増幅すると共に、出力比較判定部５３にて故障・特性変動の判定を行うようにしても良い。

また、図１２は、各検出部２００、３００および各検出部２００、３００に対応した増幅部５１、５２を圧力センサ１内に備え、出力比較判定部５３を圧力センサ１の外部に設けたブロック図である。この図に示されるように、各検出部２００、３００から出力された各検出信号を各増幅部５１、５２で増幅した信号を外部に出力し、圧力センサ１の外部に設けた出力比較判定部５３にて各検出信号の故障・特性変動の判定を行うようにすることもできる。

なお、このように増幅部５１、５２や出力比較判定部５３を外部に設ける場合は、上記第２〜第４実施形態についても同様に採用することができる。

上記第２実施形態では、半導体センサチップ１１０において拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００がダイヤフラム２２に対向するように半導体センサチップ１１０がステム２０に搭載されているが、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００がダイヤフラム２２に対向するように半導体センサチップ１１０をステム２０に搭載しても構わない。この場合、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００の電極２３０を貫通孔１１１および貫通電極１１２を介して拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００が形成された面に導くようにすれば良い。また、薄膜抵抗歪みゲージ式検出部２００を保護膜で覆い、保護することが好ましい。

上記拡散抵抗歪みゲージ式検出部３００と容量式ゲージ検出部４００とをダイヤフラム２２上に設けることもできる。すなわち、半導体センサチップ１００と各電極４１０、４２０とをそれぞれダイヤフラム２２上に設けるようにすれば良い。このような場合であっても、構造が異なる歪みゲージが用いられるので、各検出部３００、４００のうちいずれかが故障や特性変動を起こしても、他方が圧力を検出し続けることができる。

本発明の第１実施形態に係る圧力センサの全体断面図である。 スプリングおよびコネクタケースをハウジングに実装する前の圧力センサにおいてハウジングの他端側を見た図である。 図１に示されるステムを拡大した断面図である。 ステムのうちダイヤフラム側の端面の図であって、（ａ）はステムから低融点ガラスおよびセンサチップを取り除いた図、（ｂ）はステムに半導体センサチップを搭載した図である。 図１に示される圧力センサにおける各検出部の各検出信号の流れを示したブロック図である。 第２実施形態に係る圧力センサの半導体センサチップの概略断面図である。 第２実施形態において、ステムに半導体センサチップを搭載したときの平面図である。 第３実施形態に係る半導体センサチップの概略断面図である。 第４実施形態におけるステムを拡大した断面図である。 第４実施形態において、図９に示されるステムをダイヤフラム側から見た図であって、（ａ）は上部電極、接着剤および樹脂ビーズを取り除いた図、（ｂ）はステムに上部電極を設置した図である。 他の実施形態において、各検出部のみを圧力センサ内に備え、各検出部に対応した増幅部および出力比較判定部を圧力センサの外部に設けたブロック図である。 他の実施形態において、各検出部および各検出部に対応した増幅部を圧力センサ内に備え、出力比較判定部を圧力センサの外部に設けたブロック図である。

符号の説明

１０…ハウジング、１３…圧力導入孔、２０…ステム、２２…ダイヤフラム、２３…通路、２４…低融点ガラス、２６…接着剤、２７…樹脂ビーズ、１００、１１０…半導体センサチップ、１１１…貫通孔、１１２…貫通電極、２００…薄膜抵抗歪みゲージ式検出部、２１０…薄膜抵抗歪みゲージ、２２０…リード、２３０…電極、３００…拡散抵抗歪みゲージ式検出部、３１０…拡散抵抗歪みゲージ、３２０…リード、３５０…保護膜、４００…容量式ゲージ検出部、４１０…上部電極、４２０…下部電極、４３０…静電容量式圧力センシング部。

Claims (12)

1. 圧力導入孔（１３）を有するハウジング（１０）と、
   中空筒形状であって、この中空筒形状の軸の一端側に前記ハウジングに導入された圧力によって変形可能なダイヤフラム（２２）を有し、前記軸の他端側に前記圧力導入孔と連通する通路（２３）を有するステム（２０）と、
   前記ダイヤフラム上に設けられ、当該ダイヤフラムの変形に応じた電気信号を出力する検出部（２００、３００、４００）と、を備えた圧力センサであって、
   前記検出部は、構造が異なる歪みゲージがそれぞれ備えられた第１の検出部および第２の検出部を有し構成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記第１の検出部および前記第２の検出部それぞれは、薄膜抵抗の歪みゲージ（２１０）、拡散抵抗の歪みゲージ（３１０）、静電容量式圧力センシング部（４３０）のいずれかの組み合わせ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. 前記薄膜抵抗の歪みゲージは、前記ダイヤフラム上にパターニングによって形成されていると共に、リード（２２０）によってブリッジ回路状に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記拡散抵抗の歪みゲージは、半導体センサチップ（１００、１１０）に形成されていると共に、リード（３２０）によってブリッジ回路状に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
5. 前記半導体センサチップはガラス部材（２４）を介して前記ダイヤフラム上に設置されていることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
6. 前記半導体センサチップの両端面のうち一方の面に前記拡散抵抗の歪みゲージが形成され、他方の面に前記薄膜抵抗の歪みゲージが形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の圧力センサ。
7. 前記半導体センサチップには当該半導体センサチップの両端面を貫通する貫通孔（１１１）が設けられていると共に、この貫通孔内に貫通電極（１１２）が形成されており、前記薄膜抵抗の歪みゲージに係る電極（２３０）が、前記貫通電極を介することで前記半導体センサチップにおいて前記拡散抵抗の歪みゲージが形成された面に設置されていることを特徴とする請求項６に記載の圧力センサ。
8. 前記半導体センサチップにおいて前記拡散抵抗の歪みゲージが形成された面上に保護膜（３５０）が形成されていると共に、当該保護膜上に前記薄膜抵抗の歪みゲージが形成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ。
9. 前記ダイヤフラム上に前記薄膜抵抗の歪みゲージが形成されていると共に、下部電極（４２０）が形成されており、当該下部電極上に接着剤（２６）を介して上部電極（４１０）が配置されることで前記静電容量式圧力センシング部が構成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
10. 前記接着剤には同じサイズの樹脂ビーズ（２７）が多数混入されており、当該樹脂ビーズによって前記上部電極と前記下部電極との間の距離が一定に保たれていることを特徴とする請求項９に記載の圧力センサ。
11. 前記薄膜抵抗の歪みゲージは、直線状の配線が折り返された形状をなしており、折り返された配線の長手方向の歪みを検出するようになっていることを特徴とする請求項２ないし１０のいずれか１つに記載に記載の圧力センサ。
12. 前記拡散抵抗の歪みゲージは、直線状の拡散領域が折り返された配線形状をなしており、折り返された配線の長手方向の歪みを検出するようになっていることを特徴とする請求項２ないし１１のいずれか１つに記載に記載の圧力センサ。

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