(57)【要約】【課題】基板の薄肉部に設けた導体を抵抗体を介して電源と接続することにより、薄肉部が損傷したときにリーク電流を生じさせ、損傷を検出する。【解決手段】圧力センサ１の基板３には、薄肉部５に位置してピエゾ抵抗素子６を形成すると共に、絶縁膜８を介して導体層９を設ける。また、導体層９は、電源１６に対して電源側抵抗体１８の下流側に直列に接続し、導体層９と抵抗体１８との間には故障診断端子１９を接続する。そして、薄肉部５が絶縁膜８と共に損傷したときには、電源１６から抵抗体１８、導体層９等を介して薄肉部５にリーク電流が流れることにより、故障診断端子１９の電圧を低下させ、この電圧の低下により薄肉部５の損傷を検出する。これにより、導体層９を用いた簡単な回路構造で薄肉部５全体の損傷を検出でき、信頼性を高めることができる。【選択図】        図１
2004150944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン材料により形成され周囲の部位よりも薄肉となった薄肉部を有する基板と、該基板の薄肉部に設けられ前記薄肉部が外力により撓み変形するのを検出する撓み検出素子とを備えた外力センサにおいて、
前記基板の薄肉部には当該薄肉部と電気的に絶縁された導体を設け、電源に対して電源側抵抗体と前記導体とを直列に接続し、前記導体と電源側抵抗体との間には、前記薄肉部が損傷したときに前記導体から前記薄肉部側に電流が流れることによる電圧の変化を検出する故障診断端子を設ける構成としたことを特徴とする外力センサ。
【請求項２】
前記故障診断端子はグランド側抵抗体を介してグランドと接続する構成としてなる請求項１に記載の外力センサ。
【請求項３】
シリコン材料により形成され周囲の部位よりも薄肉となった薄肉部を有する基板と、該基板に固定的に設けられた固定電極に対して前記薄肉部に設けられた可動電極が近接，離間することにより前記薄肉部が撓み変形するのを検出する撓み検出素子とを備えた外力センサにおいて、
前記基板の薄肉部には前記可動電極と電気的に絶縁された導体を設け、電源に対して電源側抵抗体と前記導体とを直列に接続し、前記導体と電源側抵抗体との間には、前記薄肉部が損傷したときに前記導体から前記可動電極側に電流が流れることによる電圧の変化を検出する故障診断端子を設ける構成としたことを特徴とする外力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばシリコン基板に設けられた薄肉部（ダイヤフラム部）の撓み変形を利用して圧力、荷重、振動等の外力を検出するのに好適に用いられる外力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、外力センサとしては、シリコン基板にイオン注入等を行うことにより撓み検出素子を形成し、基板に加わる圧力を撓み変形量として検出する半導体型の圧力センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２８１０８５号公報
【０００４】
この種の従来技術による圧力センサは、シリコン基板の裏面側にエッチング加工等を施すことによって凹溝が形成され、シリコン基板のうち該凹溝に対応する表面側の部位は、外部から加わる圧力に応じて撓み変形する薄肉部として形成されている。
【０００５】
また、薄肉部の表面側には、ピエゾ抵抗素子等からなる複数個の撓み検出素子が設けられている。この場合、各撓み検出素子は、例えばシリコン基板の複数箇所に不純物イオン等を注入することによって形成され、これらは互いに接続されてブリッジ回路等を構成している。そして、撓み検出素子は、シリコン基板の薄肉部に圧力が加わるときに、薄肉部と一緒に撓み変形して抵抗値が変化し、この抵抗値の変化が圧力として検出されるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、例えばシリコン基板の薄肉部に不純物イオン等を注入することによって複数個の撓み検出素子を形成し、これらの撓み検出素子を薄肉部と一緒に撓み変形させる構成としている。
【０００７】
しかし、薄肉部には、過大な圧力等が加わった場合に、例えば亀裂、ひび割れ等の損傷が生じることがある。そして、例えば薄肉部が撓み検出素子の位置で損傷した場合には、シリコン結晶や不純物イオンに含まれる電子の状態が損傷部位の破断面等で不安定となり、この破断面等に沿って検出素子と周囲の基板との間に不規則なリーク電流が流れることがある。
【０００８】
このため、従来技術では、基板が僅かに損傷した場合でも、撓み検出素子の検出抵抗値にリーク電流の分だけ誤差が生じ、圧力の検出精度が低下する場合があり、このような検出精度の低下しか伴わない故障の有無はセンサの出力値によって容易に検出できないため、センサの信頼性を高めるのが難しいという問題がある。
【０００９】
特に、圧力センサ等にあっては、シリコン基板の複数箇所に撓み検出素子を配置することが多いため、全ての検出素子の損傷を検出しようとすると、検出用の配線の引回し等が複雑化し易いという問題がある。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、薄肉部や撓み検出素子が損傷したことを簡単な回路によって診断でき、検出素子の作動状態を確認しつつ、外力を検出できると共に、信頼性を向上できるようにした外力センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために請求項１の発明は、シリコン材料により形成され周囲の部位よりも薄肉となった薄肉部を有する基板と、該基板の薄肉部に設けられ前記薄肉部が外力により撓み変形するのを検出する撓み検出素子とを備えた外力センサにおいて、前記基板の薄肉部には当該薄肉部と電気的に絶縁された導体を設け、電源に対して電源側抵抗体と前記導体とを直列に接続し、前記導体と電源側抵抗体との間には、前記薄肉部が損傷したときに前記導体から前記薄肉部側に電流が流れることによる電圧の変化を検出する故障診断端子を設てなる構成を採用している。
【００１２】
このように構成することにより、基板の薄肉部が正常であるときには、導体と薄肉部とを絶縁した状態に保持することができる。この結果、電源から電源側抵抗体及び導体を介して薄肉部に電流が流れることはないので、故障診断端子には、抵抗体を介して電源電圧を印加することができる。
【００１３】
これに対し、薄肉部に亀裂等の損傷が生じた場合には、この損傷部位で導体と薄肉部との間の絶縁性が低下するため、薄肉部側には、電源から電源側抵抗体及び導体を介してリーク電流が流れる。そして、このリーク電流が電源側抵抗体を流れるときに電圧降下が生じるため、故障診断端子の電圧は、電源電圧に対して低下する。従って、この電圧の低下を検出することにより、薄肉部や撓み検出素子が損傷したことを確実に診断でき、信頼性を向上させることができる。
【００１４】
また、請求項２の発明によると、故障診断端子はグランド側抵抗体を介してグランドと接続する構成としている。これにより、電源とグランドとの間には、電源側抵抗体とグランド側抵抗体とを介した電流経路を形成できるから、薄肉部が正常であるときには、これらの抵抗値の比率に応じた電圧を故障診断端子に印加することができる。また、薄肉部が損傷したときには、正常時の電流経路だけでなく、電源側抵抗体から導体側にリーク電流が流れ、故障診断端子に印加される電圧値が変化するので、薄肉部が損傷したことを診断することができる。
【００１５】
また、例えば故障診断端子に対して電源側抵抗体、導体等を接続する配線が断線した場合には、故障診断端子が電源側抵抗体から絶縁され、グランド側抵抗体によってグランド側の電位（基準電位）に保持される。従って、この基準電圧を検出することにより、故障診断用の配線等の断線も診断することができる。
【００１６】
また、請求項３の発明によると、シリコン材料により形成され周囲の部位よりも薄肉となった薄肉部を有する基板と、該基板に固定的に設けられた固定電極に対して前記薄肉部に設けられた可動電極が近接，離間することにより前記薄肉部が撓み変形するのを検出する撓み検出素子とを備えた外力センサにおいて、前記基板の薄肉部には前記可動電極と電気的に絶縁された導体を設け、電源に対して電源側抵抗体と前記導体とを直列に接続し、前記導体と電源側抵抗体との間には、前記薄肉部が損傷したときに前記導体から前記可動電極側に電流が流れることによる電圧の変化を検出する故障診断端子を設ける構成としている。
【００１７】
これにより、静電容量型の外力センサにおいて、薄肉部に亀裂等の損傷が生じた場合には、この損傷部位で導体と可動電極との間の絶縁性が低下するため、電源から電源側抵抗体及び導体を介して可動電極にリーク電流を流すことができる。従って、このリーク電流による電圧の低下を故障診断端子によって検出することにより、薄肉部が損傷したことを確実に診断することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による外力センサを、添付図面に従って詳細に説明する。
【００１９】
ここで、図１ないし図６は本発明による第１の実施の形態を示し、本実施の形態では、圧力センサを例に挙げて述べる。
【００２０】
１は圧力センサ、２は該圧力センサ１の本体部分を構成するセンサ素子で、該センサ素子２は、後述の基板３、薄肉部５、ピエゾ抵抗素子６、導体層９等を含んで構成されている。
【００２１】
３はセンサ素子２を構成する基板で、該基板３は、例えばリン、砒素等の不純物イオンを含有したｎ型のシリコン基板からなり、図１、図２に示す如く四角形の平板状に形成されると共に、表面３Ａと裏面３Ｂとを有している。また、基板３の裏面３Ｂ側には、例えば酸化シリコン等の被膜材料４をマスクとして異方性のエッチング加工等を施すことにより、表面３Ａに向けて窪んだ略四角形状の凹溝３Ｃが設けられている。
【００２２】
５は基板３の中央寄りに位置して周囲の部位よりも薄肉に形成された四角形状の薄肉部（ダイヤフラム部）で、該薄肉部５は、基板３のうち凹溝３Ｃの底部側に位置する表面部位により構成され、薄肉部５の両面側に加わる圧力差に応じて撓み変形するものである。
【００２３】
６は基板３の薄肉部５に設けられた例えば４個の撓み検出素子としてのピエゾ抵抗素子で、該各ピエゾ抵抗素子６は、例えばホウ素等の不純物イオンを基板３の表面３Ａ側に注入することにより、細長い線状をなすｐ型の半導体領域として形成され、薄肉部５の４辺の近傍にそれぞれ配置されている。
【００２４】
ここで、基板３の表面３Ａ側には、ピエゾ抵抗素子６と一緒にイオン注入を行うことにより複数個の素子接続部７が設けられ、該各素子接続部７は、ピエゾ抵抗素子６よりも幅広で低抵抗に形成されている。そして、各素子接続部７は、個々のピエゾ抵抗素子６の両端側に接続され、薄肉部５の外側に延びている。
【００２５】
また、各ピエゾ抵抗素子６は、これらの素子接続部７と、後述の素子用配線パターン１１とを介して互いに接続され、後述のブリッジ回路１３（図３参照）を構成している。そして、ピエゾ抵抗素子６は、薄肉部５と一緒に撓み変形することにより、その変形量に応じて抵抗値が変化し、その抵抗値の変化は、圧力の検出信号として後述の検出回路１７に出力されるものである。
【００２６】
８は基板３の表面３Ａにほぼ全面にわたって設けられた絶縁膜で、該絶縁膜８は、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁性材料により形成され、各ピエゾ抵抗素子６と素子接続部７とを覆っている。
【００２７】
９は基板３の薄肉部５に絶縁膜８を介して設けられた導体としての導体層で、該導体層９は、例えば多結晶シリコン材料、または不純物イオンを含有した導電性の多結晶シリコン材料等により構成されている。また、導体層９は、図１、図２に示す如く、薄肉部５よりも大きな面積を有する四角形状の薄膜として形成され、薄肉部５、各ピエゾ抵抗素子６、素子接続部７の一部等を絶縁膜８の上側から覆っている。
【００２８】
また、導体層９は、絶縁膜８により薄肉部５と電気的に絶縁されると共に、後述の電源１６に対して電源側抵抗体１８の下流側に直列に接続されている。そして、圧力センサ１の作動時には、電源１６から電源側抵抗体１８等を介して導体層９に所定の正の電圧が印加され、この電圧値は、ブリッジ回路１３に印加される最大の電圧（電源電圧）とほぼ等しい大きさに設定されている。
【００２９】
このため、薄肉部５と絶縁膜８とに亀裂等の損傷が生じたときには、これらの損傷部位の破断面等に沿って導体層９から薄肉部５側にリーク電流が流れる。そして、このリーク電流が電源側抵抗体１８を流れることにより、後述する故障診断端子１９の電圧が低下するため、故障診断端子１９により薄肉部５の損傷を電圧値の変化として検出できる構成となっている。
【００３０】
１０は絶縁膜８の表面側に設けられた絶縁性の保護膜で、該保護膜１０は、導体層９を覆う四角形状に形成されている。
【００３１】
１１は保護膜１０の表面側に設けられた例えば４個の素子用配線パターンで、該各素子用配線パターン１１は、例えばアルミニウム等の金属材料により略Ｌ字状に形成され、薄肉部５の外側に配置されている。そして、配線パターン１１の両端側は、絶縁膜８及び保護膜１０に設けられたスルーホール１１Ａ等を介して素子接続部７と接続されている。また、各配線パターン１１には、後述の金属線２０，２１，２２が接続される電極パッド１１Ｂがそれぞれ形成されている。
【００３２】
１２は保護膜１０の表面側に設けられた導体層用配線パターンで、該導体層用配線パターン１２は、保護膜１０に設けられたスルーホール１２Ａ等を介して導体層９と接続されると共に、その端部側には、後述の金属線２３を介して導体層９に電圧を印加するための電極パッド１２Ｂが形成されている。
【００３３】
一方、図３において、１３は基板３に形成されたブリッジ回路で、該ブリッジ回路１３は、各ピエゾ抵抗素子６、素子接続部７、素子用配線パターン１１等を含んで構成され、これらは図３中の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄでブリッジ状に接続されている。
【００３４】
ここで、圧力センサ１は、例えばブリッジ回路１３の点Ａが電源用の金属線２０等を介して電源１６に接続され、点Ｂがグランド用の金属線２１等を介してグランド側に接続されると共に、ブリッジ回路１３の点Ｃ，Ｄは、検出用の各金属線２２等を介して後述の検出回路１７にそれぞれ接続されている。また、圧力センサ１は、導体層９が配線パターン１２、診断用の金属線２３等を介して故障診断端子１９に接続されている。
【００３５】
１４はセンサ素子２に付設された信号処理回路で、該信号処理回路１４は、基板３側の各電極パッド１１Ｂ，１２Ｂに対応して複数の電極パッド１５Ａが形成された回路基板１５と、該回路基板１５に搭載された後述の検出回路１７、電源側抵抗体１８、故障診断端子１９とを含んで構成されている。また、回路基板１５には、例えばグランド側の電位を基準電位（０Ｖ）として導体層９、ブリッジ回路１３等に所定の電圧ＶＯを供給する電源１６が接続されている。
【００３６】
１７はブリッジ回路１３の点Ｃ，Ｄに接続された検出回路で、該検出回路１７は、例えば差動アンプ等を含んで構成され、ブリッジ回路１３の点Ｃ，Ｄ間の電圧差を増幅して外部に出力するものである。
【００３７】
１８は回路基板１５に搭載された電源側抵抗体で、該電源側抵抗体１８は、後述の如く所定の抵抗値ＲＶをもって形成され、一端側（上流側）が電源１６に接続されると共に、他端側（下流側）が導体層用配線パターン１２、金属線２３等を介して導体層９に接続されている。
【００３８】
１９は導体層９と電源側抵抗体１８との間に設けられた故障診断端子で、該故障診断端子１９は、センサ素子２の薄肉部５等が損傷したときに、導体層９から薄肉部５側に電流が流れることによる電圧の変化を検出するための端子であり、例えば故障診断回路（図示せず）等に接続されるものである。
【００３９】
ここで、センサ素子２の薄肉部５、各ピエゾ抵抗素子６、素子接続部７等が正常な状態であるときには、図３、図５に示す如く、これらが絶縁膜８により導体層９と絶縁されている。このため、電源１６から電源側抵抗体１８を介して故障診断端子１９に印加される電圧は、電源電圧ＶＯに保持されている。
【００４０】
また、例えば薄肉部５に亀裂等の損傷が生じたときには、図４、図６に示す如く、絶縁膜８の破断面等において薄肉部５と導体層９との間の絶縁性が低下するため、これらの間には、電源１６から電源側抵抗体１８等を介してリーク電流ｉＬが流れる。そして、このリーク電流ｉＬが電源側抵抗体１８を流れるときに電圧降下が生じるため、故障診断端子１９の電圧は、後述の如く電源電圧ＶＯから低下して故障時の電圧Ｖｅとなる。
【００４１】
従って、故障診断回路等では、例えば正常時の電圧ＶＯと故障時の電圧Ｖｅとの中間となる電圧値を判定値として予め設定しておき、この判定値と、故障診断端子１９により検出した電圧とを比較することにより、薄肉部５等が正常な状態にあるか否かを診断できるものである。
【００４２】
ここで、図４、図６を参照しつつ、例えば薄肉部５がピエゾ抵抗素子６の位置で損傷した場合の故障診断端子１９の電圧Ｖｅについて述べる。
【００４３】
まず、ピエゾ抵抗素子６の損傷部位の電圧をＶＬとし、この損傷部位と導体層９との間で絶縁膜８の破断面等を介してリーク電流ｉＬが流れるときの抵抗値をＲＬ、電源側抵抗体１８の抵抗値をＲＶとする。これにより、リーク電流ｉＬは、これらの抵抗値ＲＬ，ＲＶ、電圧ＶＬ、電源電圧ＶＯを用いて下記数１の式のように表すことができる。
【００４４】
【数１】
2004150944.tif 000003
【００４５】
これにより、薄肉部５等が損傷したときの故障診断端子１９の電圧Ｖｅは、下記数２の式のようになり、この故障時の電圧Ｖｅは、正常時の電圧ＶＯ（電源電圧）よりも小さくなる（ＶＯ＞Ｖｅ）。
【００４６】
【数２】
2004150944.tif 000004
【００４７】
従って、故障診断回路は、故障診断端子１９の電圧が前述した判定値よりも大きいときに、薄肉部５、ピエゾ抵抗素子６、素子接続部７等が正常な状態であると診断でき、故障診断端子１９の電圧が判定値よりも小さくなったときには、これらの部位に亀裂等の損傷が生じて圧力センサ１が故障したことを診断することができる。
【００４８】
なお、２０，２１，２２，２３は金属線で、該金属線２０〜２３のうち金属線２０，２１，２２は、例えばワイヤボンディング等の手段によりセンサ素子２の電極パッド１１Ｂと信号処理回路１４の電極パッド１５Ａとの間に接続され、金属線２３は電極パッド１２Ｂ，１５Ａ間に接続されるものである。
【００４９】
本実施の形態による圧力センサ１は上述如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。
【００５０】
まず、圧力センサ１の作動時には、電源１６からブリッジ回路１３と導体層９とに電圧ＶＯが印加される。そして、例えば基板３の凹溝３Ｃに圧力が加わると、薄肉部５の両面側に生じる圧力差に応じて薄肉部５が各ピエゾ抵抗素子６と一緒に撓み変形し、その抵抗値が変化する。これにより、ブリッジ回路１３は、ピエゾ抵抗素子６の抵抗値の変化に応じた検出信号を検出回路１７に出力するので、この検出信号を用いて圧力を検出することができる。
【００５１】
また、薄肉部５に亀裂、ひび割れ等の損傷が生じたときには、故障診断端子１９の電圧が正常時の電圧ＶＯから故障時の電圧Ｖｅに低下するので、信号処理回路１４は、この電圧の変化を検出することによりセンサ素子２の故障を診断でき、例えば圧力の検出動作を停止して各種のフェールセーフ処理を実行したり、センサの故障を報知する故障信号の出力等を行うことができる。
【００５２】
この場合、薄肉部５は、各ピエゾ抵抗素子６や素子接続部７の形成部位を含めて薄肉部５の全体が電源電圧ＶＯよりも低い電圧に保持されている。これにより、薄肉部５がいずれの部位で損傷した場合でも、導体層９から薄肉部５側にリーク電流ｉＬが流れるため、薄肉部５の全体にわたって損傷を診断することができる。
【００５３】
かくして、本実施の形態によれば、薄肉部５には、絶縁膜８によって薄肉部５と絶縁された導体層９を設け、該導体層９を電源１６に対して電源側抵抗体１８の下流側に直列に接続し、導体層９と電源側抵抗体１８との間には、故障診断端子１９を設ける構成としている。
【００５４】
これにより、薄肉部５等が損傷したときには、導体層９から薄肉部５側にリーク電流ｉＬが流れることにより、故障診断端子１９の電圧を正常時の電圧ＶＯから故障時の電圧Ｖｅに変化させることができる。そして、この電圧の変化によって薄肉部５やピエゾ抵抗素子６等の損傷を確実に診断でき、診断結果に応じて各種の故障対策を実行することができる。
【００５５】
従って、圧力センサ１の作動時には、薄肉部５やピエゾ抵抗素子６の作動状態を確認しつつ、薄肉部５に加わる圧力を高い精度で検出でき、信頼性を向上させることができる。また、例えばセンサ素子２の製造時においても、異物の混入等により絶縁膜８にピンホールが生じると、このピンホールを介してリーク電流が流れるようになるので、製造時に不良品等を容易に選別することができる。
【００５６】
この場合、導体層９は、例えば多結晶シリコン材料により絶縁膜８を覆う被膜として形成したので、エッチング加工等の手段を用いて導体層９を容易に加工成形できると共に、圧力センサ１のように複数個のピエゾ抵抗素子６を薄肉部５の各部位に離して配置する場合でも、導体層９により絶縁膜８を介して各ピエゾ抵抗素子６を容易に覆うことができる。そして、薄肉部５や各ピエゾ抵抗素子６がいずれの部位で損傷した場合でも、損傷部位で薄肉部５と導体層９との間にリーク電流を流すことができ、これらの損傷を確実に検出することができる。
【００５７】
従って、基板３の薄肉部５等に均等な導体層９を形成するだけで、複数個のピエゾ抵抗素子６や薄肉部５が正常な状態であるか否かを容易に診断できるから、故障診断用の複雑な配線構造を形成する必要がなくなり、簡単な配線構造によって信頼性の高い故障診断を行うことができる。
【００５８】
また、導体層９には、ブリッジ回路１３に印加する電圧と等しい正の電圧ＶＯを印加するようにしたので、これらの電源回路を電源１６により共通化でき、回路構造を簡素化することができる。
【００５９】
さらに、導体層９に正の電圧を印加することにより、例えばセンサ素子２の表面側がナトリウム等の陽イオン雰囲気中にさらされる場合でも、この陽イオンが導体層９、絶縁膜８等を介して基板３側に浸透するのを導体層９の電気的な反発力（クーロン力）によって防止することができる。
【００６０】
また、陰イオンが存在する場合には、陰イオンをクーロン力により導体層９内に吸引して閉じ込めることができるから、基板３に対する陰イオンの浸透も防止することができる。従って、これらの異物イオンを遮断してピエゾ抵抗素子６の抵抗値（伝導度）を安定化でき、検出精度を良好に保持することができる。
【００６１】
また、導体層９による正の電界を基板３の表面３Ａ側に作用させることできるから、ｎ型のシリコン材料中に少数キャリアとして存在するホール（正孔）の密度を基板３の表面３Ａ側で減少させることができ、このホールの移動により各ピエゾ抵抗素子６間にリーク電流が流れるのを防止することができる。
【００６２】
次に、図７ないし図１１は本発明による第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、電源側の抵抗体と別個にグランド側抵抗体を設ける構成としたことにある。なお、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００６３】
３１は本実施の形態による圧力センサで、該圧力センサ３１のセンサ素子３２は、第１の実施の形態とほぼ同様に、後述の基板３３と、ピエゾ抵抗素子６、導体層９等とを含んで構成されている。
【００６４】
３３は例えばシリコン基板等により形成された基板で、該基板３３の表面３３Ａ側には、図７ないし図９に示す如く、第１の実施の形態とほぼ同様に、裏面３３Ｂ側の凹溝３３Ｃによって薄肉部３４が形成されている。また、基板３３の表面３３Ａ側には、ピエゾ抵抗素子６、素子接続部７、絶縁膜８、導体層９、保護膜１０、素子用配線パターン１１等が設けられ、各ピエゾ抵抗素子６等はブリッジ回路１３を構成している。
【００６５】
３５はセンサ素子３２の基板３３に設けられた電源側抵抗体で、該電源側抵抗体３５は、例えば基板３３の薄肉部３４の外側部位にイオン注入等を行うことにより形成され、所定の抵抗値ＲＶを有している。また、電源側抵抗体３５は、図９、図１０に示す如く、その一端側（上流側）が後述の抵抗体用配線パターン３６等を介して電源１６側に接続され、その他端側（下流側）が導体層用配線パターン３７等を介して導体層９と直列に接続されている。
【００６６】
３６は保護膜１０の表面側に設けられた抵抗体用配線パターンで、該抵抗体用配線パターン３６は、第１の実施の形態による配線パターン１１とほぼ同様に、アルミニウム等の金属材料により形成されている。そして、配線パターン３６は、電源用の配線パターン１１、金属線２０等と協働して電源１６と電源側抵抗体３５との間を接続している。
【００６７】
３７は導体層９と電源側抵抗体３５との間を接続する導体層用配線パターンで、該導体層用配線パターン３７には、診断用の金属線２３を介して後述の故障診断端子４０に接続される電極パッド３５Ａが設けられている。
【００６８】
３８はセンサ素子３２用の信号処理回路で、該信号処理回路３８は、回路基板１５、検出回路１７と、後述のグランド側抵抗体３９、故障診断端子４０とを含んで構成され、電源１６と接続されている。
【００６９】
３９は回路基板１５に搭載されたグランド側抵抗体で、該グランド側抵抗体３９は、所定の抵抗値ＲＧをもって形成され、故障診断端子４０とグランドとの間に接続されている。
【００７０】
この場合、抵抗体３９の抵抗値ＲＧは、例えば電源側抵抗体３５の抵抗値ＲＶと、ピエゾ抵抗素子６の破断部位と導体層９との間の抵抗値ＲＬとに対して、十分に大きな値として設定されている（ＲＧ≫ＲＶ、ＲＧ≫ＲＬ）。そして、グランド側抵抗体３９は、後述の如く金属線２０，２３等が断線したときに、故障診断端子４０をグランド側の基準電位（０Ｖ）に保持するものである。
【００７１】
４０は回路基板１５に搭載された故障診断端子で、該故障診断端子４０は、導体層９と電源側抵抗体３５との間（抵抗体３５，３９間）に設けられている。そして、故障診断端子４０は、第１の実施の形態とほぼ同様に、センサ素子３２の薄肉部３４等が損傷したときに、導体層９から薄肉部３４側に電流が流れることによる電圧の変化を検出するための端子であり、例えば故障診断回路（図示せず）等に接続されるものである。
【００７２】
この場合、薄肉部３４等が損傷したときには、後述の如く故障診断端子４０の電圧が正常時の電圧ＶＯから故障時の電圧Ｖｅ′に変化するため、故障診断回路等は、故障診断端子４０の電圧と所定の判定値とを比較することにより、薄肉部３４等が正常な状態にあるか否かを診断できる構成となっている。
【００７３】
また、本実施の形態では、故障診断端子４０がグランド側抵抗体３９を介してグランドと接続されている。このため、例えば電源用と診断用の金属線２０，２３のうち、いずれかの金属線が断線したときには、故障診断端子４０の電圧が抵抗体３９を介してグランド側の基準電位に保持される。従って、故障診断回路は、この基準電位を検出することによって金属線２０，２３の断線も診断できるものである。
【００７４】
ここで、図９ないし図１１を参照しつつ、薄肉部３４の状態と故障診断端子４０の電圧との関係について述べる。
【００７５】
まず、薄肉部３４等が正常な状態であるときには、図９、図１０に示す如く、薄肉部３４と導体層９とが絶縁膜８によって絶縁されると共に、電源１６から抵抗体３５，３９を介してグランド側に診断用の電流が流れ、この電流は、グランド側抵抗体３９の抵抗値ＲＧに対応して微小なものとなる。
【００７６】
このとき、故障診断端子４０の電圧Ｖは、抵抗体３５，３９の抵抗値ＲＶ，ＲＧと、電源電圧ＶＯとを用いて、下記数３の式のように表すことができ、この電圧Ｖは、抵抗値ＲＧが抵抗値ＲＶよりも十分に大きいことを考慮すると、電源電圧ＶＯとほぼ等しくなる。
【００７７】
【数３】
2004150944.tif 000005
【００７８】
これに対し、例えばピエゾ抵抗素子６と絶縁膜８とに亀裂等が生じたときには、図１１に示す如く、導体層９からピエゾ抵抗素子６の損傷部位等にリーク電流ｉＬ′が流れる。この場合、抵抗体３５，３９を流れる電流をｉＶ，ｉＧとすると、薄肉部３４に損傷が生じたときの故障診断端子４０の電圧Ｖｅ′は、抵抗体３５，３９の抵抗値ＲＶ，ＲＧ、電流ｉＶ，ｉＧと、ピエゾ抵抗素子６の破断部位の電圧ＶＬ及びリーク電流ｉＬ′及び抵抗値ＲＬと、電源電圧ＶＯとに対して、下記数４の各式に示す関係が成立する。
【００７９】
【数４】
2004150944.tif 000006
【００８０】
そして、これらの式を用いることにより、故障時の電圧Ｖｅ′は、下記数５の式のように表すことができる。
【００８１】
【数５】
2004150944.tif 000007
【００８２】
この場合、ＶＯ＞ＶＬであることを考慮すると、故障時の電圧Ｖｅ′は、正常時の電圧ＶＯよりも小さくなることが判る（ＶＯ＞Ｖｅ′＞０）。従って、故障診断回路等は、第１の実施の形態とほぼ同様に、電圧ＶＯ，Ｖｅ′の中間となる電圧を判定値として、この判定値と故障診断端子４０の電圧とを比較、判定することにより、薄肉部３４等が正常か否かを診断できるものである。
【００８３】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、グランド側抵抗体３９を設ける構成としたので、電源用と診断用の金属線２０，２３のうち、いずれかの金属線が断線したときにも、この断線による故障を確実に診断でき、センサ３１の信頼性をより高めることができる。
【００８４】
次に、図１２は本発明による第３の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、静電容量型の圧力センサに適用したことにある。なお、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００８５】
４１は本実施の形態による圧力センサで、該圧力センサ４１のセンサ素子４２は、第１の実施の形態とほぼ同様に、例えばシリコン基板等からなる基板４３を有している。そして、基板４３の表面４３Ａ側には、裏面４３Ｂ側の凹溝４３Ｃによって薄肉部４４が形成されると共に、絶縁膜８、導体層９、保護膜１０′等が設けられている。しかし、基板４３の表面４３Ａ側には、ピエゾ抵抗素子６等に代えて後述の電極支持板４５、電極４６，４８等が設けられ、これらは保護膜１０′の開口部１０Ａ′に対応する位置に配置されている。
【００８６】
４５は基板４３の表面４３Ａ側に設けられた電極支持板で、該電極支持板４５は、例えばガラス材料等を用いて形成され、陽極接合等の手段によって導体層９に接合されている。
【００８７】
４６は電極支持板４５のうち基板４３に面した部位に設けられた固定電極で、該固定電極４６は、例えば金属膜等により形成され、後述の可動電極４８と隙間をもって対向すると共に、これらの電極４６，４８は薄肉部４４の撓み変形を検出する撓み検出素子を構成している。
【００８８】
４７は導体層９の表面側に設けられた絶縁膜、４８は該絶縁膜４７を介して導体層９の表面側に設けられた可動電極で、該可動電極４８は、絶縁膜４７により導体層９と絶縁されている。
【００８９】
そして、薄肉部４４が圧力に応じて撓み変形するときには、可動電極４８が固定電極４６に対して近接，離間することにより、これらの電極間の隙間寸法（静電容量）が圧力に応じて変化する。これにより、圧力センサ４１の検出回路（図示せず）は、薄肉部４４に加わる圧力を電極４６，４８間の静電容量によって検出するものである。
【００９０】
また、薄肉部４４が絶縁膜４７と共に損傷したときには、この損傷部位で導体層９から可動電極４８にリーク電流が流れるため、故障診断端子１９により薄肉部４４が損傷したことを電圧の変化として診断できる構成となっている。
【００９１】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、静電容量型の圧力センサ４１においても信頼性を高めることができる。
【００９２】
なお、前記第１，第２の実施の形態では、電源１６から導体層９とブリッジ回路１３とに正の電圧ＶＯを印加する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば導体層９をグランド側の基準電位（０Ｖ）に保持する構成としてもよい。
【００９３】
また、導体層９に印加する電圧は、ブリッジ回路１３（ピエゾ抵抗素子６）の各部位に生じ得る電圧範囲（例えば０〜電源電圧ＶＯの範囲）よりも大きな電圧値としたり、この電圧範囲よりも小さな電圧値としてもよく、例えばグランド側の基準電位よりも低い負の電圧等を導体層９に印加する構成としてもよい。
【００９４】
また、実施の形態では、導体層９を多結晶シリコン材料により構成したが、本発明はこれに限らず、例えば金属膜等からなる他の導電性材料により構成してもよい。
【００９５】
また、実施の形態では、センサ素子２，３２，４２を基板３，３３，４３に形成し、信号処理回路１４，３８を回路基板１５に形成する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、これらを同一の基板に形成し、一体化する構成としてもよい。
【００９６】
さらに、実施の形態では、ｎ型のシリコン材料により形成された基板３，３３，４３を例に挙げて述べたが、本発明はこれに限らず、例えばｐ型のシリコン基板を用いてもよく、また２枚のシリコン板の間に酸化膜を介在させたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いる構成としてもよい。
【００９７】
また、実施の形態では、圧力センサ１，３１，４１を例に挙げて述べたが、本発明はこれに限るものではなく、例えば荷重、振動、加速度等を含めた各種の外力を検出する外力センサに適用できるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による圧力センサを示す縦断面図である。
【図２】図１中のセンサ素子を示す平面図である。
【図３】センサ素子と信号処理回路とを示す回路構成図である。
【図４】センサ素子の薄肉部が損傷した状態を示す回路構成図である。
【図５】センサ素子が正常な状態にあるときのピエゾ抵抗素子、抵抗体、故障診断端子等を示す等価回路図である。
【図６】センサ素子の薄肉部が損傷した状態を示す等価回路図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態による圧力センサを示す縦断面図である。
【図８】図７中のセンサ素子を示す平面図である。
【図９】センサ素子と信号処理回路とを示す回路構成図である。
【図１０】センサ素子が正常な状態にあるときのピエゾ抵抗素子、抵抗体、故障診断端子等を示す等価回路図である。
【図１１】センサ素子の薄肉部が損傷した状態を示す等価回路図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態による圧力センサを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，３１，４１  圧力センサ（外力センサ）
２，３２，４２  センサ素子
３，３３，４３  基板
５，３４，４４  薄肉部
６  ピエゾ抵抗素子（撓み検出素子）
９  導体層（導体）
１３  ブリッジ回路
１４，３８  信号処理回路
１６  電源
１８，３５  電源側抵抗体
１９，４０  故障診断端子
３９  グランド側抵抗体
４６，４８  電極（撓み検出素子）
【図１】
2004150944.tif 000008
【図２】
2004150944.tif 000009
【図３】
2004150944.tif 000010
【図４】
2004150944.tif 000011
【図５】
2004150944.tif 000012
【図６】
2004150944.tif 000013
【図７】
2004150944.tif 000014
【図８】
2004150944.tif 000015
【図９】
2004150944.tif 000016
【図１０】
2004150944.tif 000017
【図１１】
2004150944.tif 000018
【図１２】
2004150944.tif 000019