CN101268348A - 带有高满刻度值的集成式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了带有高满刻度值的集成式压力传感器。具体而言，在带有高满刻度值的集成式压力传感器(15)中，半导体材料单块体(16)具有第一和第二主表面(16a和16b)，第一和第二主表面(16a和16b)相对，并由基本相等的距离(w)分开。单块体(16)具有主体区(17)，主体区(17)具有邻近于第一主表面(16a)(压力(P)作用于其上)的敏感部分(23)。第一压力电阻检测元件(18)集成在敏感部分(23)中，并具有作为压力(P)的函数的可变电阻。主体区(17)是实心并且紧凑的区域，并具有基本上等于距离(w)的厚度。

Description

带有高满刻度值的集成式压力传感器

技术领域

本发明涉及一种由半导体技术制成的集成式压力传感器。该传感器具有高满刻度值(high full-scale value)，并因此能够测量高压力。在不失任何通用性的情况下，下面的说明尤其对这种压力传感器，在BBW(线控制动(Brake-By-Wire))机电制动系统中的使用做了具体参考。

背景技术

众所周知，用于车辆的常用的圆盘制动系统包括固定在车辆相应车轮上的圆盘、与圆盘相结合的制动钳和液压控制电路。摩擦材料垫片(通常数量是两个)和连接在液压控制电路上的一个或多个活塞被容纳在制动钳内。在使用者操作制动踏板之后，液压控制电路中的泵使电路中的流体加压。因此，装备了密封元件的活塞离开它们各自的座位、并将垫片压向圆盘表面，由此施加对车轮的制动作用。

近来，已经提出了所谓的″线控驱动″(Drive-by-Wire)系统，其为车辆的主要功能提供了电子式控制，诸如转向系统、离合器和制动系统。尤其提出了电子式控制的制动系统，在该制动系统中设想用机电促动器替代液压式制动钳。具体而言，适当的传感器感应制动踏板的操作、并产生将由电子控制单元接收和解译的相应电信号。电子控制单元控制机电促动器(例如由电动机驱动的活塞)的操作，机电促动器通过垫片在相应的制动圆盘上施加制动动作。电子控制单元还从传感器接收信息，该传感器与包括机电促动器施加的制动作用的制动系统相结合，以实现闭环反馈控制(例如，通过比例-积分-微分控制器-PID)。电子控制单元特别接收各促动器施加在相应制动圆盘上的压力信息。

在测量这个压力时，需要具有高满刻度值的压力传感器。事实上，垫片施加在圆盘上的力在0到最高达15000÷35000N范围内。作用于垫片的活塞具有的截面面积为大约2cm²，因此压力传感器必须能够在满刻度值高达大约1700Kg/cm²或更高的情况下工作。

目前，能够测量如此高压力值的传感器制成为带有应变测量元件安装在其上的铁芯。在压力的作用下，铁芯根据胡克定律而变形：

ΔL＝E·σ

其中ΔL表示芯的线尺寸的几何变化，E是构成芯的材料的Young′s模型，σ是作用在芯上、并与变形尺寸方向平行的压力。应变测量元件检测通过电阻的改变而与应变测量元件相联系的芯的几何变形。

然而，出于可靠性、尺寸和成本的原因，这些传感器仅仅可以应用和适用于前述类型的制动系统的表征和研发的目的，而非生产制造阶段。

由半导体技术制成的集成压力传感器也是已知的。这些传感器包括悬在单晶硅硅体空腔上的薄膜片(membrane)。相互连接并形成惠斯登桥(wheatstone bridge)的压力电阻元件散布于空腔内。当受压力时，膜片变形、并引起压力电阻元件电阻的改变，因此惠斯登桥不平衡。特别地，为了形成平衡的惠斯登桥，一些压力电阻元件通常受到压应力，而其余的压力电阻元件受到拉应力。

然而，在高压力时，膜片在垂直方向上受到如此的变形，以至于其与下部空腔的底部接触，这样在输出提供饱和压力值。典型地，这种饱和发生在与前述制动系统中出现的压力相比明显要小的压力(特别是压力为大约10Kg/cm²)时。结果，这些压力传感器不可用于测量高压力。

发明内容

本发明的目的因此是提供一种具有高满刻度值、并能够解决上述缺点和问题的集成式压力传感器。

根据本发明，提供了一种由权利要求1限定的集成式压力传感器。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将仅仅通过非限制性的示例并参考附图来说明本发明的优选实施例，其中：

图1图示了机电线控制动的制动系统的方块图，

图2显示了根据本发明第一实施例而制成的集成式压力传感器的透视截面图，

图3显示了本发明的第二实施例中的压力传感器的截面图，

图4是图5中压力传感器的相应电路图，

图5显示了根据第二实施例制造的压力传感器的示意性顶视图，并且，

图6显示了根照本发明一方面的压力测量器件。

本发明的最佳实施方式

图1显示了线控制动机电类型的制动系统1的方块图，其中包括：制动踏板2；适于检测制动踏板2的行程C和促动速度v的第一传感器3；与第一传感器3连接的电子控制单元4；与电子控制单元4连接、并由电动机6和通过蜗杆类型的连接元件(未示出)与电动机6连接的活塞7所构成的机电促动器5；连接到机电促动器5上、并(以未示出的本身已知的方式)固定在车辆车轮上的制动圆盘8；适用于采集关于机电促动器5施加在制动圆盘8上的制动作用的信息的第二传感器9，它与电子控制单元4形成反馈连接。

在使用中，第一传感器3向电子控制单元4发送关于制动踏板2行程C和促动速度v的数据，基于该数据，电子控制单元4为机电促动器5(尤其是为电动机6)产生控制信号(电压V或电流I信号)。根据这个控制信号，电动机6产生驱动转矩，并通过蜗杆类型的连接元件将其转换成活塞7的线性运动。因此，活塞7(通过磨损材料垫片，未示出)压在制动圆盘8上，以此减慢它的旋转。第二传感器9检测活塞7施加在制动圆盘8上的压力P的值，并检测活塞7相对于制动圆盘8的位置x，并将这些数据在反馈中传送给电子控制单元4。这样，电子控制单元4就对制动动作执行闭环控制(例如PID控制)。

根据本发明的一个方面，第二传感器9包括集成式压力传感器15(图2)，其由半导体技术制成，并适用于测量活塞7施加在制动圆盘8上的压力P。如图中未示出地，压力传感器15容纳于机电促动器5的外壳中，并且它配置成对活塞7施加的压力P敏感。

具体而言，压力传感器15包括半导体材料的单块体16，该半导体材料优选是具有晶面晶向(100)的N型单晶硅。单块体16具有正方形截面，其边1为例如800um，第一主外表面16a(压力P作用于其上)，和第二主外表面16b，其中第二主外表面16b与第一主表面16a分开大致一致的例如等于400μm的距离w。第一主外表面16a与第二主表面16b尤其是彼此相对并平行的。

单块体16包括主体区17，在主体区17内、邻近第一主外表面16a的位置，形成了由P^-型掺杂区构成的压力电阻检测元件18(例如图在2中显示了4个压力电阻检测元件18)。压力电阻检测元件尤其是借助于掺杂物扩散通过合适的扩散掩模而形成，并具有例如近似矩形的截面。正如下面将要介绍的那样，压力电阻检测元件的电阻作为作用在单块体16上的压力的函数而变化。单块体16的主体区17尤其是实心和紧凑的区域，并具有基本恒定并与距离w相等的厚度。

钝化层20(例如也是由一氧化硅制成)覆盖单块体16的第一主外表面16a，并且，由弹性材料例如聚酰胺构成的第一和第二垫层22a和22b设置在钝化层20顶部，并且处于单块体16的第二主外表面16b之下。

压力传感器15的操作是在所谓的压力电阻效应基础之上的，根据压力电阻效应，作用在压力电阻元件上的应力引起电阻改变。在半导体材料诸如硅的情况下，所施加的应力将引起晶格的变化，因此引起主要电荷载体迁移率变更。例如，在硅的情况下，晶格1％的变形将对应于主要电荷载体迁移率大约30％的变化。这将导致形成在半导体材料中的电阻元件的电阻发生变化。电阻的改变由同时作用在平行方向(相对于压力电阻元件安放平面)的应力(所谓的纵向应力)和垂直方向(相对于压力电阻元件安放平面)的应力(所谓的横向应力)引起。

具体而言，压力电阻元件电阻的改变通常能够由下面关系式表达：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\frac{{\mathrm{\π}}_{44}}{2}({\mathrm{\σ}}_l-{\mathrm{\σ}}_t)$

其中R是压力电阻元件的电阻，π₄₄是半导体材料的压力电阻系数，例如对于P型单晶硅等于1381·10^-11Pa^-1，σ_l和σ_t各为作用于压力电阻元件上的纵向应力和横向应力。

参考图2中的压力传感器15，单块体16以能够测量第一主外表面16a的在垂直方向上的应力的方式设置。与压力P重合的横向压应力σ_t(负值)和基本上为0的纵向应力σ_l(假设挠曲或弯曲现象并未出现在单块体16中)作用在各压力电阻检测元件18上。具体而言，第一垫层22a将压应力均匀地分布在单块体16第一主外表面16a上，从而避免能够引起沿晶格轴线扩展的裂纹的局部(应力)集中。因此，压力电阻检测元件18的电阻变化由下面关系式表达：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=-\frac{{\mathrm{\π}}_{44}}{2}\·{\mathrm{\σ}}_t$

由此得到，压力P将引起各个压力电阻感应元件18的电阻R的增加，这个电阻R的增加能够由适当的读出电路测量得到，以决定压力P的值。

根据本发明的另一个方面，在图3中，单块体16的主体区17尤其具有压力敏感部分23，压力敏感部分23相对于单块体例如设置在中心位置(如图3中的虚线部分的矩形示意性地所示)，待测量的压力P施加在该中心位置上。作用在压力敏感部分23之外的压力而是基本上为零。

压力电阻检测元件18形成在压力敏感部分23之内，同样是P^-型扩散压力电阻构成的基准元件24，形成在主体区17中、并与压力敏感部分23区别并分开的部分。这样，基准元件24并不表现出作为压力P的函数的而变化电阻。

图3具体地显示了两个压力电阻检测元件18，R₁和R₂，和两个基准元件24，R₃和R₄。基准元件24连接到压力电阻检测元件18，以形成惠斯登桥接电路25(图4)，在惠斯登桥接电路25中可变电阻R₁和R₂设置在桥的相对两侧，以增加敏感度。

在使用中，惠斯登桥接电路25被供给第一供应电压V_in，并提供输出电压V_out。作用在压力敏感部分23上的压力P引起压力电阻检测元件18电阻的变化(近似或相同的原理)，而基准元件24的电阻保持恒定。因此出现惠斯登桥接电路25的不平衡，给出非0输出电压V_out。适当的电子测量电路(包括至少一个测试装置放大器)能够从输出电压V_out测量压力P。

基准元件24尤其处于与压力电阻检测元件18相同的环境参数(例如温度)中。惠斯登桥接电路25特别的内部设置有利于实现差分测量，在实现差分测量中，能够消除由上述环境因素的电阻改变，使得输出电压V_out和因此测量到的压力P的值对这些参数不敏感。

压力传感器15的可能实施例在图5中示意性地说明。

具体而言，四个压力电阻检测元件18形成在压力敏感部分23中，并由P⁺型扩散区构成的第一互连部30两两串联，从而形成第一和第二电阻器(也由R₁和R₂表示)。同样是由P⁺型扩散区构成的第二互连部31将第一和第二电阻器R₁和R₂与压力敏感部分23的外部连接，而电接触部32被提供用来接触第二互连部41。四个基准元件24形成在主体区17、与压力敏感部分33区别并分开的表面部分，并相对于压力电阻检测元件18构成类似于镜面的形式，即，同样通过两两串联，而形成第三和第四电阻器(也由R₃和R₄表示)。

第三和第四电阻器R₃和R₄的末端通过第一金属线34(例如铝)连接到电接触部32，并与第一和第二电阻器R₁和R₂共同形成惠斯登桥接电路37(图6)。在图5中，出于图示清楚的原因，仅仅将电阻检测元件18之间的连接中的一个和基准元件24之间的连接中的一个通过举例的方式显示出。

同样为铝的第二金属线35将每个电接触部32都连接到单块体16的第一主表面16a上的各垫片38(同样以举例的方式，仅仅将第二金属线中的一个显示出)。用已知的线焊接工艺方式，例如用电线，能够在垫片38与集成有压力传感器15所用读出电子元器件的电子测量电路之间形成连接。例如，这个电子电路可能放置在更受保护的环境中，例如通过屏蔽电缆而安放在连接到压力传感器15上的控制单元内。

该压力传感器具有很多优点。

首先，其允许测量极高的压力值，并且，相对于传统的压力传感器，降低了成本和生产工艺复杂性。尤其是，压力传感器并不是基于膜片的变形(单块体16事实上即没有膜片也没有空腔)来工作，而是基于发生在实心紧凑单晶硅单块体中的压力电阻效应来工作，因此这种压力传感器尤其能够支持和测量具有极高值的压力。事实上，如已知的，单晶硅对在11200Kg/cm²到35000Kg/cm²范围内的压应力表现出高的抗断裂性能，根据晶体取向，它完全有能力支持在制动系统中出现的最大压力值(大约1700Kg/cm²)。以相似的方式，钝化层20和垫层22a、22b能够支持这一数量级的应力。

该压力传感器在一个或多个检测元件与一个或多个压力电阻基准元件之间进行微分式测量，并因此证明对环境参数或生产范围的改变不敏感。

其次，在压力敏感区23内部存在压力电阻检测元件18之间的P⁺型扩散互连是具有优势的。事实上，假设压力P的值很高，那么就不可能使用常规的连接工艺(例如镀铝法)。相反，这些常规的连接工艺能够用在压力敏感区23的外部，以建立检测元件和基准元件之间的连接，以及与垫片之间的连接。

最后，很显然，在不背离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以对本文所述和所示进行修改和变化。

尤其是，很显然，单块体16的形状和尺寸能够与本文所述和所示的不同；尤其是，单块体16的截面可以是矩形或圆形的，而不是正方形。

另外，压力电阻检测元件18和基准元件34的数量可以不同。甚至可以仅提供一个适于测量压力P的压力电阻检测元件18。惠斯登桥接电路25内电阻元件的设置也可以与举例说明的不同。

压力电阻检测元件可以通过离子注入工艺(替代扩散工艺)而形成。

另外，在图6中，与压力传感器15相联的电子测量电路40能够集成在同一单块体16(见图8)内、主体区17中与压力敏感部分33分开的区域中，以形成集成在单个芯片上的压力测量装置41。尤其是在图6中，电子测量电路40以极其简化的方式(通过单个双极性晶体管(single bipolar transistor)42)表达。未示出的电绝缘区能够为电子电路50的测量提供电绝缘。

最后，很显然，压力传感器15也可有优势地用于不同于所说明的制动系统、但需要测量高压力值的其它应用中。

Claims (15)

1.一种压力传感器(15)，包括：

具有第一和第二主表面(16a和16b)的半导体材料单块体(16)，所述第一和第二主表面(16a和16b)彼此相对，并由距离(w)分开，所述单块体(16)还具有主体区(17)，所述主体区(17)具有敏感部分(23)，所述敏感部分(23)与压力(P)作用于其上的所述第一主表面(16a)邻近，和

第一压力电阻检测元件(18)，且集成在所述敏感部分(23)上，并具有作为压力(P)的函数而可变的电阻，

其特征在于，所述主体区(17)是实心和紧凑的区域，并具有与所述距离(w)基本相等的厚度。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述距离(w)基本上是恒定的。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述主体区(17)显示第一类传导率；所述压力传感器还包括集成在所述敏感部分(23)内的其它压力电阻检测元件(18)，与所述第一类型传导率相对，所述第一和所述其它压力电阻检测元件(18)各自包括具有第二类传导率的掺杂区，所述掺杂区通过在所述敏感部分(23)内引进掺杂物实现。

4.根据上述权利要求中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述敏感部分(23)设置在相对于所述主体区(17)的中间位置。

5.根据上述权利要求中任一项所述的压力传感器，其特征在于，还包括集成在所述主体区(17)的部分中、并相对于所述敏感部分(23)区别并分开的第一压力电阻基准元件(24)，所述第一压力电阻基准元件(24)具有随所述压力(P)改变而保持恒定的电阻。

6.根据权利要求5所述的压力传感器5，其特征在于，所述第一压力电阻检测元件(18)和所述第一压力电阻基准元件(24)是电气式地连接的。

7.根据权利要求5或6所述的压力传感器，其特征在于，所述第一压力电阻检测元件(18)和所述第一压力电阻基准元件(24)电气式地连接在桥接电路(25)中。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述第一和所述其它压力电阻检测元件(18)是由互连部(30)相互连接的，所述互连部(30)包括具有所述第二类传导率的掺杂区，所述掺杂区通过在所述敏感部分(23)内引入掺杂物形成。

9.根据上述权利要求中任一项所述的压力传感器，其还包括弹性材料垫层(22a)，所述垫层(22a)形成在所述第一主表面(16a)上，并构造成能够在所述敏感部分(23)上均匀地分布所述压力(P)。

10.一种压力测量装置(41)，包括压力传感器(15)和电气式地连接到所述压力传感器(15)上的测量电路(40)，其特征在于，所述压力传感器(15)根据权利要求1至9中任一项所述而制成。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述压力传感器(15)和所述测量电路(40)集成在所述单块体(16)内。

12.根据从属于权利要求5的权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述测量电路(40)根据所述第一压力电阻检测元件(18)和所述第一压力电阻基准元件(24)之间的电阻差异，来进行压力测量。

13.一种制动系统(1)，其特征在于包括根据权利要求10至12中任一项制成的压力测量装置(41)。

14.根据权利要求13所述的系统，其包括制动圆盘(8)，电子控制单元(4)和机电促动器(5)，机电促动器(5)配置成对所述电子控制单元(4)产生的控制信号作出响应而在所述制动圆盘(8)上施加制动作用，其特征在于，所述压力测量装置(41)配置成用于执行由所述机电促动器(5)施加在所述制动圆盘(8)上的压力(P)的测量，所述压力测量装置(41)连接到所述电子控制单元(4)，以在反馈中向所述电子控制单元(4)提供所述测量。

15.一种压力测量方法，其特征在于，使用根据权利要求1至9中任一项制成的压力传感器(15)。

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