KR20080031970A - 두 배의 측정 스케일 및 높은 정밀도의 풀 스케일의 통합된압력 센서 - Google Patents

두 배의 측정 스케일 및 높은 정밀도의 풀 스케일의 통합된압력 센서 Download PDF

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마르코 모렐리
토레 루이지 델라
안드레아 로렌조 비탈리
우발도 마스트로마테오
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Abstract

두 배의 측정 스케일을 가지는 압력 센서(15) 내에서: 반도체 물질의 일체형 몸체(16)가 제1의 주 표면 (16a), 벌크 영역 (17) 및 그 위에 압력 (P)이 가해지는 감지부(33)를 구비하며; 공동(cavity)(18)이 상기 일체형 몸체(16) 내에 형성되고 멤브레인(19)에 의해 상기 제1 주 표면(16a)으로부터 분리되며, 상기 멤브레인(19)은 유연하여 상기 압력 (P)의 함수로서 변형될 수 있으며, 상기 멤브레인(19)은 상기 감지부(33) 내부에 배치되며 상기 벌크 영역(17)에 의해 둘러싸이며; 상기 압력의 제1 값들을 감지하는 압전저항 유형의 제1 저압 탐지 소자(28)는 상기 멤브레인(19) 내에서 통합되며 상기 멤브레인(19) 변형의 함수로서 가변 저항을 구비하며; 추가로, 역시 압전저항 유형의 고압 탐지 소자(29)가 상기 멤브레인(19)의 외부에 배치되고 상기 압력(P)의 제1 값들보다는 높은 상기 압력(P)의 제2 값들을 감지한다. 고압 탐지 소자(29)는 압력(P)의 제2 값들을 감지한다.

Description

두 배의 측정 스케일 및 높은 정밀도의 풀 스케일의 통합된 압력 센서 {Integrated pressure sensor with double measuring scale and a high full-scale value}
본 발명은 두 배의 측정 스케일 및 높은 풀 스케일의 통합된 압력 센서에 관한 것이다. 특히, 다음의 설명은 BBW (Brake-By-Wire) 전기 기계적인 브레이킹 시스템 내에서 이런 압력 센서를 사용하는 것에 특별하게 참조하지만, 이런 특별한 참조가 아니더라도 일반성이 훼손되는 것은 아니다.
알려진 것과 같이, 차량을 위한 전통적인 디스크 브레이킹 시스템은 차량의 각 바퀴에 고정된 디스크, 그 디스크와 연관된 캘리퍼 및 유압 제어 회로를 포함한다. 마찰 물질 패드 (보통은 2개임) 및 상기 유압 제어 회로에 연결된 하나 또는 그 이상의 피스톤들이 상기 캘리퍼 내에 하우징된다. 사용자에 의한 브레이크 페달 조작에 이어서, 유압 제어 회로 내의 펌프가 그 회로 자체 내에 포함된 액체에 압력을 가한다. 따라서, 밀봉 엘리먼트들과 같이 장착된 피스톤들은 자신들의 각 자리를 떠나서 상기 디스크의 표면에 대해 패드들에 압력을 가하며, 그럼으로써 바퀴에 브레이킹 행동을 가한다.
최근에, 소위 "와이어에 의한 구동 (Drive-by-Wire)" 시스템이 제안되었고, 이는 예를 들면 조향(steering) 시스템, 클러치 및 브레이킹 시스템과 같은 차량의 주요 기능들에 전자적인 제어를 제공한다. 특히, 전자적으로 제어되는 브레이킹 시스템이 제안되어 유압 캘리퍼를 전기 기계적인 액튜에이터로 대체하도록 한다. 상세하게는, 적절한 센서들이 브레이크 페달의 동작을 탐지하고 대응하는 전기적인 신호들을 생성하여 이 신호들이 전자 제어 유닛에 의해 수신되고 인터럽트된다. 그러면 그 전자 제어 유닛은 전기 기계적 액튜에이터 (예를 들면, 전기 모터에 의해 구동되는 피스톤들)의 동작을 제어하고, 그 전기 기계적 액튜에이터는 상기 패드들을 경유하여 관계되는 브레이크 디스크들에 브레이킹 동작을 가한다. 그 전자 제어 유닛은 (예를 들면, 비례-적분-미분 제어기- PID를 경유하여) 폐쇄 루프 피드백 제어를 달성하기 위해, 상기 전기 기계적 액튜에이터에 의해 가해지는 브레이킹 동작에 관한 브레이킹 시스템과 연관된 센서들로부터 정보를 또한 수신한다. 특히, 그 전자 제어 유닛은 각 액튜에이터에 의해 각 브레이크 디스크에 가해지는 압력에 대한 정보를 수신한다.
높은 정밀도의 풀 스케일 값을 가지는 압력 센서들이 이 압력을 측정하기 위해 필요하다. 실제, 디스크에 대해 패드들이 눌려지는 힘은 0부터 최대 15000 ÷ 35000 N의 구간까지의 값을 취할 수 있다. 패드들에게 동작하는 피스톤은 약 2 cm2의 단면을 가지며 그러므로 그 압력 센서들은 약 1700 Kg/cm2 또는 그 이상 (예를 들면 2000 Kg/cm2)의 풀 스케일 값들까지 동작할 수 있어야 한다. 더 나아가, 2배의 측정 스케일(scale)를 가지는 압력 측정, 즉 첫 번째 정밀도로 저압을 측정하고, 그 첫 번째 정밀도보다는 작은 두 번째 정밀도로 고압을 측정하는 압력 측정이 실행될 필요가 느껴진다.
현재, 높은 압력 값들을 측정할 수 있는 센서들이 알려져 있으며, 이 센서들은 변형 측정 엘리먼트들이 그 위에 고정된 강철 코어로 만들어진다. 압력의 영향 하에, 그 강철 코어는 다음의 훅크의 법칙에 따라 변형된다.
ΔL = E ㆍσ
이때에 ΔL은 그 코어의 선형 차원에서의 기하학적인 변이를 나타내며, E는 그 코어를 구성하는 물질의 영 모듈(Young's Module)이며, σ는 변형의 차원에 평행한 방향에서의 그 코어에 가해지는 압력이다. 상기의 변형 측정 엘리먼트들은 전기적인 저항에서의 변화를 경유하여 상기 코어와 연관되는 그 코어의 기하학적인 변이를 탐지한다. 그러나, 신뢰성, 차원들 및 가격의 이유로, 이런 센서들은 이전에 설명된 유형의 브레이킹 시스템의, 생산의 과정이 아니라, 특성화와 개발의 목적으로만 적용 가능하고 이용 가능하다. 또한, 그 센서들은 높은 정밀도를 가지고 있지 않으며 단일의 측정 스케일로 갖추어진다.
반도체 기술을 이용하여 만들어진 통합된 압력 센서들 역시 알려져 있다. 이런 센서들은 실리콘 몸체 내에 형성된 공동(cavity) 위에 매달려진 얇은 멤브레인 (membrane)을 전형적으로 포함한다. 서로가 연결되어 휘스톤 브리지를 형성하는 압전 저항 (piezoresistive) 엘리먼트들이 상기 멤브레인 내에 확산된다. 압력이 가해지면, 그 멤브레인은 변형되며, 상기 압전 저항 엘리먼트들의 저항을 변하게 하며, 그러므로 그 휘스톤 브리지의 불균형이 초래하게 된다. 그러나, 이런 센서들은 이전에 설명된 브레이킹 시스템들 내에서 생성되는 압력값들 보다 아주 더 작은 풀 스케일 값들 (특히 대략 10 Kg/cm2)을 가지기 때문에, 높은 압력을 측정하기 위해 사용될 수 없다.
본 발명의 목적은 상기에 언급된 결점 및 문제들을 극복하도록 하며, 특히, 높은 압력과 낮은 압력 값들 측정하도록, 두 배의 측정 스케일 및 높은 정밀도의 풀 스케일 값을 가지는 압력 센서들을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 청구항 1에 정의된 두 배의 측정 스케일을 가지는 압력 센서가 제공된다.
본 발명을 더 잘 이해시키기 위해, 제한되지 않는 예에 의해 그리고 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들이 설명될 것이다.
도 1은 전기 기계적인 와이어에 의해 브레이크되는 (Brake-By-Wire) 브레이킹 시스템의 블록도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 첫 번째 실시예에 따라 만들어진 압력 센서의 횡단면을 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 압력 센서들에 대한 제조 공정의 시작 단계를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 두 번째 실시예에서의 압력 센서의 횡단면을 도시한 것이 다.
도 6은 도 5의 압력 센서의 동등한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 두 번째 실시예에 따라 만들어진 압력 센서를 위에서 본 의 개략적인 모습을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 한 모습에 따른 압력 측정 기기를 도시한 것이다.
도 1은 전기 기계적인 유형 (소위, "와이어에 의한 브레이크 (Brake-By-Wire)") 의 브레이킹 시스템(1)의 블록도를 도시한 것이며, 브레이크 페달(2), 브레이크 페달(2)의 이동(C)과 발동 속도(v)를 탐지하기에 적합한 제1 센서들(3), 제1 센서들(3)에 연결된 전자 제어 유닛(4), 전자 제어 유닛(4)에 연결되며 전기 모터(6) 및 웜 스크루 유형 연결 소자(도시되지 않음)에 의해 전기 모터(6)에 연결되는 피스톤(7)으로 구성된 전기 기계적 액튜에이터(5), 전기 기계적 액튜에이터(5)에 연결되며 (도시되지 않은 자체적인 방법으로) 차량의 바퀴에 고정된 브레이크 디스크(8) 및 전기 기계적 액튜에이터(5)에 의해 브레이크 디스크(8) 상에 가해지는 브레이킹 동작에 관련된 정보를 수집하기에 적합하며 전자 제어 유닛(4)에 피드백으로 연결된 제2 센서들(9)을 포함한다.
사용에 있어, 제1 센서들(3)은 브레이크 페달(2)의 이동(C) 및 발동 속도(v)에 관한 데이터를 전자 제어 유닛(4)에 전송하며, 전자 제어 유닛(4)은, 이 데이터를 기반으로, 전기 기계적인 액튜에이터(5)를 위한 (특히 전기 모터(6)를 위한) 제어 신호(전압 V 또는 전류 I의 신호)를 생성한다. 이 제어 신호에 따라서, 전기 모 터(6)는 웜 스크루 유형의 연결 소자에 의해 피스톤(7)의 선형 이동으로 전환되는 구동 토크를 생성한다. 따라서, 피스톤(7)은 (도시되지 않은, 마찰 물질의 패드를 경유해서) 브레이크 디스크(8)에 압력을 가하여, 그 회전을 느리게 한다. 제2 센서들(9)은 피스톤(7)에 의해 브레이크 디스크(8)에 가해지는 압력(P)의 값 및 브레이크 디스크(8)에 대한 피스톤(7)의 위치(x)를 탐지하고, 이 데이터를 전자 제어 유닛(4)으로 피드백하여 전송한다. 이런 방법으로, 전자 제어 유닛(4)은 브레이킹 동작에 대해 폐쇄-루프 제어(예를 들면, PID 제어)를 실행한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 센서들(9)은, 반도체 기술을 사용하여 만들어지고 피스톤(7)에 의해 브레이크 디스크(8)에 가해진 압력(P)을 측정하도록 구성된, 통합된 압력 센서(15) (도 2)를 포함한다. 도시되지는 않았지만, 압력 센서(15)는 전기 기계적 액튜에이터(5)의 케이스 내에 하우징되며 피스톤(7)에 의해 가해지는 압력(P)을 감지하도록 구성된다.
자세하게는, (스케일에 따라 도시된 것이 아니라, 다음의 도면으로서) 도 2에 도시된 것과 같이, 압력 센서(15)는 반도체 재질의 일체형 몸체(16)로, 바람직하게는 결정학 상의 평면의 방위(100)인 N 유형의 단결정 실리콘이다. 일체형 몸체(16)는, 측면(l)의 길이가 예를 들면 15 mm인, 사각형의 단면, 그 위에 가해지는 압력(P)이 측정될 제1 주 외부 표면(16a) 및 제1 주 외부 표면(16a)과는 반대편에 평행하며, 제1 주 외부 표면(16a)과 예를 들면 375 μm와 같은 실질적으로 균일한 거리(w)만큼 떨어져서 분리되어 있는 제2 주 외부 표면(16b)을 구비한다.
일체형 몸체(16)는 일체형 몸체(16) 내에 묻혀 있는 벌크 영역(17)과 공동 (cavity)(18)을 포함한다. 공동(18)은, 예를 들면 측면이 300 μm이고 두께가 약 1 μm인 사각형 단면을 가진다 (특히, 공동(18)의 크기는 일체형 몸체(16)의 크기와 비교하면 매우 작다). 공동(18)은, 예를 들면 0.5 μm 두께의, 멤브레인(19)에 의해 상기 제1 주 외부 표면(16a)으로부터 분리되며, 벌크 영역(17)에 의해 둘러싸인다. 멤브레인(19)은 유연하며 외부의 압력으로 인해 변형될 수 있다; 특히, 다음에서 상세하게 설명되는 것과 같이, 멤브레인(19)은 일체형 몸체(16)에 작용하는 압력(P)의 함수로서 변형된다. 더 나아가, 멤브레인(19)의 두께는 공동(18)의 두께보다 더 작으며, 멤브레인(19)의 억제(restraint)점들에 대응하는 전단 압력(shear stress)을 피하기 위한 것이며, 그 전단 압력은 파괴를 초래할 수도 있다.
예를 들면, 공동(18)은 본 출원과 동일 출원인에 의해 2004.3.19.에 출원된 유럽 특허 04 425 197.3에서 설명된 제조 프로세스에 따라서 형성될 수 있을 것이다.
간단하게, 도 3에서, 이 과정은 초기에는 제1 주 외부 표면(16a) 상에 도포된 저항층을 위한 것으로 구상되며, 제1 주 외부 표면(16a)은 마스크(22)를 형성하기 위해 윤곽이 그려진다. 마스크(22)는 대략 사각형 모습의 영역을 가지며 (도 3에 확대된 상세가 도시된 것과 같은) 벌집 격자의 경계를 정하는 많은 육각형 마스크부들(22a)을 포함한다. 예를 들면, 마스크부(22a)의 반대측 변들 간의 거리(t)는 2 μm와 같으며, 인접한 마스크부들(22a)의 마주하는 변들 간의 거리(d)는 1 μm와 같다.
그러면, 도 4에서, 일체형 몸체(16)의 이방성(anisotropic) 식각(etching)은 마스크(22)를 이용해서 실행되어, 홈(trench)들(23)이 그에 따라 형성되며, 홈들(23)의 깊이는 예를 들면 10 μm이며, 수많은 실리콘 지주(column)들(24)의 범위를 정하고 서로 통한다. 실제로, 홈들(23)은 지주들(24)이 퍼진 복잡한 모습의 열린 영역(25)을 형성한다.
그 다음에, 마스크(22)는 제거되고 탈산소화의 환경에서 에피택셜(epitaxial) 성장이 실행된다. 그 결과로, 애피택셜 층이 지주(24)의 꼭대기에서 성장하고 꼭대기에서 열린 영역(25)을 닫는다. 그러면 열 단련 (thermal annealing)이 실행되어, 더 낮은 에너지 준위로 이동하는 경향이 있는 실리콘 원자들이 이주하도록 초래한다. 따라서, 지주들(24) 간의 가까운 거리 덕분에, 실리콘 원자들은 열린 영역(25) 내부의 지주들(24) 간의 부분들로부터 완전히 이주되며, 그럼으로써, 일체형 몸체(16) 내에 묻히는, 공동(18) (도 2)을 형성한다. 실리콘의 얇은 층이 공동(18)의 꼭대기에 남아 있으며, 이는 애피택셜하게 성장한 실리콘 원자들에 의해 부분적으로 형성되며 멤브레인(19)을 형성하는 이주된 실리콘 원자들에 의해 부분적으로 형성된다.
p--유형으로 도프된(doped) 영역으로 구성된 제1 압전저항 탐지 소자들(28)이 멤브레인(19) 내부에 제공된다. 제1 압전저항 탐지 소자들(28)은 적절한 확산 마스크를 통해 도펀트(dopant) 원자들의 확산을 경유해서 형성되며, 예를 들면, 대략 직사각형의 단면을 가지며; 더 나아가, 그 탐지 소자들은 휘스톤 브리지 회로 내에서 연결된다. 다음에 설명될 것과 같이, 제1 압전저항 탐지 소자들(28)의 저항 은 멤브레인(19) 변형의 함수로서 변경된다.
벌크 영역(17)의 표면부 내의, 멤브레인(19)에 대해 별개의 구분된 위치에서, 제2 압전저항 탐지 소자들(29)이 제공되며, 이들 또한 확산을 경유하여, p--유형 도프된 영역들로 구성된다. 제2 압전저항 탐지 소자들(29)은 멤브레인(19)에 가해지는 압력을 겪지 않기 위해 멤브레인(19)으로부터 적어도 50 μm의 거리로 분리되어 있다. 특히, 제2 압전저항 탐지 소자들(29)은 벌크 영역(17) 내의 단단하고 치밀한 부분 내에 통합되며, 그 부분은 거리(w)와 실질적으로 동일하다.
실리콘 일산화물인 집중 영역(30)은 일체형 몸체(16)의 제1 주 외부 표면(16a) 꼭대기에 멤브레인(19) 옆에 배치되어, 멤브레인(19)에 가해지는 압력(P)을 집중시켜서 멤브레인이 변형되도록 강제한다. 추가로, (예를 들면, 또한 실리콘 일산화물인) 패시베이션(passivation) 층(31)은 제1 주 외부 표면(16a) 및 집중 영역(30)을 덮으며, 예를 들면 폴리아미드인, 탄성 물질로 만들어진, 제1 및 제2 완충 층 (32a, 32b)은 패시베이션 층(31)의 꼭대기이며 일체형 몸체(16)의 제2 외부 표면(16b) 아래에 배치된다.
압력 센서(15)의 동작은 소위 압전저항 효과를 기반으로 하며, 그에 따라 압전저항 소자에 인가된 압력은 저항의 변화를 초래한다. 실리콘과 같은 반도체 물질의 경우에, 압전저항 소자의 크기에 대한 변화도 초래하는, 인가된 압력은 결정 격자의 변형, 그에 따른 다수 전하 캐리어들의 이동성에서의 변화 및 저항의 변화를 일으킨다. 예를 들면, 실리콘 내에서, 결정 격자의 1% 변형은 다수 전하 캐리어들 의 이동성에서의 약 30%의 변화에 대응한다. 특히, 저항에서의 변화는 압전저항 소자들이 놓여있는 평면에 대해 평행한 방향으로 가해지는 압력 (소위 세로 압력) 및 보통 방향의 압력 (소위 횡단 압력)의 모두에 의해서 초래된다. 원칙적으로, 압전저항 소자에서의 저항의 변화는 다음의 관계에 의해 표현될 수 있다:
Figure 112008013376226-PCT00001
이때에 R은 압전저항 소자의 저항이며, ΔR은 이 저항의 변화량이며, π44는 반도체 물질의 압전저항 계수이며, 예를 들면, P-유형의 단결정 실리콘에 대해서는 138.1 x 10-11 Pa-1과 같으며, σl 및 σt 는 각각 압전저항 소자에 가해진 세로 압력과 횡단 압력이다.
도 1의 압력 센서(15)를 참조하면, 일체형 몸체(16)는 측정될 압력(P)이 제1 주 외부 표면(16a)에 보통인 방향으로의 압력을 일으키도록 배치된다.
특히, 압력(P)은 멤브레인(19)의 변형을 초래하며, 멤브레인(19)은 집중 영역(30)에 의해 변형이 강제된다. 이 변형은 제1 압전저항 탐지 소자들(28) 상에 세로 및 횡단의 기계적인 압력들을 유발하고, 이는 결국 저항값을 변화시킨다. 제1 압전저항 탐지 소자들(28)은 그들 중의 일부에는 압축 압력이 발생하고 나머지에서는 잡아당기는 압력이 일어나도록 배치되며, 휘스톤 브리지 회로의 감도를 증가시킨다. 제1 압전저항 탐지 소자들(28)의 저항에서의 변화는 휘스톤 브리지 회로의 불균형을 일으키게 하며, 이는 적절한 독출 회로에 의해 탐지된다.
추가로, 압력(P)은 제2 압전저항 탐지 소자들(29) 각각에 (음수 값인) 횡단 압축 압력 σt 을 실질적으로 일으키고, 반면에 (일체형 몸체(16) 내에서 휨 또는 굽음 현상이 발생하지 않는다는 가정 하에서) 제2 압전저항 탐지 소자들(29) 각각에 가해지는 세로 방향 압력 σl 은 실질적으로 존재하지 않는다. 특히, 제1 완충 층(32a)은 일체형 몸체(16)의 제1 주 외부 표면(16a) 상에서 압축 압력을 균일하게 분배하여, 결정 격자의 축들을 따르는 균열을 발생시킬 수 있는 국부적인 집중을 피하게 한다. 그러므로 제2 압전저항 탐지 소자들(29)의 저항에서의 변화는 다음의 관계로 표현된다:
Figure 112008013376226-PCT00002
이 식으로부터 압력(P) 제2 압전저항 탐지 소자들(29) 각각의 저항 R의 증가를 가져온다는 것이 따라오며, 이는 적절한 독출 회로에 의해 측정될 수 있다.
상세하게, 본 발명의 일 형태는 저압의 압력(P)에 대해 제2 압전저항 탐지 소자들(29)의 변형은 실제적으로 무시할 수 있다는 것을 입증하는 것을 관찰한 것에 기반하며; 역으로, 멤브레인(19)은 변형되도록 강제되어, 제1 압전저항 탐지 소자들(28)의 대응하는 변형을 초래하며, 이는 독출 회로에 의해 탐지되어 인가된 압력(P)을 측정하는 것을 제공한다. 압력(P)이 증가하면, 멤브레인(19)이 밑에 있는 공동(18)의 밑바닥과 접촉할 때까지 멤브레인(19)이 변형되고, 출력에 제공되는 압력의 값을 포화시킨다 (그러므로 더 이상의 변형은 불가능하다). 특히. 이런 포화 는 10 ÷ 15 Kg/cm2 근방의 압력(P)의 값에 대해 발생한다. 이 시점에서, 압력(P)에서의 추가적인 증가는 제1 주 외부 표면(16a)의 전체에 영향을 미치고, 제2 압전저항 탐지 소자들(29)의 저항에 큰 변화를 끼치기 위해 시작되며, 저항의 변화로부터 압력(P)의 값이 유도된다.
그러므로, 제1 및 제2 압전저항 탐지 소자들(28, 29)에 의해 제공되는 압력 측정들은 독립적이고 상호 보충적이며, 서로 다른 값들의 압력(P)에서 발생한다. 그러므로 압력 센서(15)는 압력(P)의 낮은 값들에 대해 정당하며 (같이 저압을 감지하는 소자를 형성하는, 멤브레인(19) 및 제1 압전저항 탐지 소자들(28)에 의해 결정되는) 10 ÷ 15 Kg/cm2 근방의 풀 스케일 값을 가지는 제1 측정 스케일 그리고 압력(P)의 높은 값들에 대해 정당하며 (같이 고압을 감지하는 소자를 형성하는 제2 압전저항 탐지 소자들(29)에 의해 결정되는) 2000 Kg/cm2 근방의 풀 스케일 값을 가지는 제2 측정 스케일을 가진다. 멤브레인(19)이 압력(P)에서의 극미한 변화도 감지한다면, 제1 측정 스케일은 두 번째 측정 스케일보다 더 높은 정밀도를 가진다.
압력 센서(15)는 높은 압력들에 대해서는 상당한 저항을 가진다. 실제로, 잘 알려진 것과 같이, 단결정 실리콘은 압축 압력들에 대해서는 높은 브레이크 저항을 나타내어, 결정학적인 방향에 따라서 11200 Kg/cm2 내지 35000 Kg/cm2 범위의 높은 값들을 가지며, 그래서 브레이킹 시스템 내에서 발생하는 (1700 Kg/cm2 근방의) 최대 압력 값들을 완전하게 견딜 수 있다. 유사한 방법으로, 패시베이션 층(31) 및 완충 층들(32a, 32b)은 강도의 이런 차수를 견디어낼 수 있다. 또, 수직 방향에서의 멤브레인(19)의 휨은 공동(18)의 줄어든 깊이에 의해 제한되며, 이런 방법으로 높은 압력값들에서 멤브레인(19)이 파괴되는 것을 피한다.
도 5의 본 발명의 추가적인 면모에 따라서, 압력(P)은 일체형 몸체(16)의 일 부분에만 향한다. 특히, 일체형 몸체(16)는 몸체에 대해 중앙의 위치에 배치되는 (도 5에서 사각형의 점선들로 개략적으로 도시된) 압력 감지부(33)를 구비하며, 측정된 압력(P)이 그 압력 감지부 상으로 인가된다. 압력 감지부(33)의 외부에 작용하는 압력은 그 대신에 본질적으로 존재하지 않는다.
제1 및 제2 압전저항 탐지 소자들(28, 29)은 압력 감지부(33) 내에서 형성되며, 반면, 특히 확산된 P--유형 저항인, 압전저항 참조 소자들(34)은 압력 감지부(33)와는 별개이고 분리된 벌크 영역(17)의 일 부분 내에 형성된다. 따라서, 압전저항 참조 소자들(34)은 압력(P)의 함수로서의 저항 변화들을 나타내지 않는다. 그럼에도 불구하고, 압전저항 참조 소자들(34)은 탐지 소자들이 종속되는 동일한 환경 파라미터들(예를 들면 온도)을 탐지한다.
상세하게, 도 5는 4개의 Ra-Rd로 표시된 제1 압전저항 탐지 소자들(28), R1 및 R2로 표시된 두 개의 제2 압전저항 탐지 소자들(29) 및 R3 및 R4로 표시되는 두 개의 압전저항 참조 소자들(34)을 보여준다.
제1 압전저항 탐지 소자들(28) Ra 및 Rb 는 멤브레인(19)의 반대편 주변 부분에 배치되어 주로 잡아당기는 압력들을 감지하며, 남아있는 제1 압전저항 탐지 소자들 Rc 및 Rd 는 멤브레인(19)의 내부의 부분에 배치되어 주로 압축 압력들을 감지한다. 제1 압전저항 탐지 소자들(28)은 연결되어, 브리지의 반대편 측면에 동일 방향으로 배치된 가변 저항과 함께, 제1 휘스톤 브리지 회로(36) (도 6)를 형성하여 회로의 민감도를 증가시킨다. 제1 휘스톤 브리지 회로(36)는 제1 공급 전압 Vin1와 함께 피드되고 제1 출력 Vout1을 공급한다.
압전저항 참조 소자들(34)은, 차례로, 제2 압전저항 탐지 소자들(29)과 연결되어 제2 휘스톤 브리지 회로(37)를 형성하며, 압력-가변의 저항들 R1 및 R2는 브리지 반대 측면에 배치되어 브리지 회로의 민감도를 증가시킨다. 제2 휘스톤 브리지 회로(37)는 제2 공급 전압 Vin2와 함께 피드되고 제2 출력 Vout2을 공급한다. 제2 휘스톤 브리지 회로(37)의 특정한 내부 배열은 유리하게도 미분(differential) 측정을 취하게 허용하고, 환경 파라미터들로 인한 저항에서의 변화들은 취소되며, 그래서 제2 출력 전압 Vout2 그리고 압력(P)의 측정된 값은 이런 파라미터들에 영향을 받지 않는다.
특히, 제1 및 제2 압전저항 탐지 소자들(28, 29)은 서로 전기적으로 연결되지 않으며, (이전에 지적된 것과 같이 압력 센서(15)의 두 개의 측정 스케일들을 얻기 위해) 두 개의 구분되고 독립적인 전자적으로 독출하는 회로들의 부분이다. 특히, 압력(P)의 낮은 값들에 대해, 제2 출력 전압 Vout2 는 본질적으로 존재하지 않으며, 그 반면 제1 출력 전압 Vout1 은 압력(P)을 측정하기 위해 (잘 알려진 유형이 며 적어도 하나의 증폭기 장치를 포함하는) 적절한 전자적인 측정 회로에 의해 사용된다. 역으로, 압력(P)의 높은 값들에 대해, 제1 출력 전압 Vout1 은 포화되고, 전자 측정 회로는 제2 출력 전압 Vout2 로부터 압력(P)을 측정한다.
압력 센서(15)의 가능한 실시예가 도 7에 개략적으로 도시된다.
상세하게는, 제1 압전저항 탐지 소자들(28)이 압력 감지부(33)의 중앙 영역(33a)에서 형성되며, 서로 연결되어 제1 휘스톤 브리지 회로(36) (도 6)를 형성한다. 추가로, 4개의 제1 압전저항 탐지 소자들(29)은 압력 감지부(33) 내부에서 형성되며, 2 x 2 의 직렬로 연결되어, 제1 및 제2 저항 (R1 및 R2로 다시 지시됨)을 형성한다. P+-유형의 확산된 영역들로 구성된 제1 상호 연결들(40)은 압력 감지부(33) 내부에서 전기적인 연결을 제공하며, 그 반면 역시 P+-유형의 확산된 영역들로 구성된 제2 상호 연결들(41)은 압력 감지부(33) 외부에서 연결을 제공하며, 그 곳에서 전기적인 접점들(42)이 제2 상호 연결들(41)을 위해 제공된다.
4개의 압전저항 참조 소자들(34)은 압력 감지부(33) 외부에서 형성되며, 제2 압전저항 탐지 소자들(29)에 대해 거울과 같은 방법으로 2 x 2의 직렬로 또한 연결함으로써 구성되어, 제3 및 제4 저항 (다시 R3 및 R4로 지시됨)을 형성한다. 제3 및 제4 저항(R3 및 R4)의 말단들은 제1 금속 라인들(44)을 경유하여, 예를 들면 알루미늄의 전자 접점들(42)로 연결되어, 제1 및 제2 저항(R1, R2)과 더불어 휘스톤 브리 지 회로(37)를 형성한다. 역시 알루미늄인 제2 금속 라인들(45)은 일체형 몸체(16)의 제1 주(main) 표면(16a) 상에 제공되는 대응하는 패드들(48)과 함께 전자 접점들(42) 각각에 연결된다. 도 7에서, 명료함을 위해, 제1 및 제2 메달 라인들(44, 45) 중의 하나만이 예로 도시된다. 본질적으로 알려진 방법의 와이어 접합 기술을 통해 압력 센서(15)를 위한 독출 전자 장치들을 통합한 전자적인 측정 회로와 패드들(48) 간의 연결이 만들어질 수 있다. 이 전자 회로는 가능하면 브레이킹 시스템의 회로에 비해 더 보호받는 환경에 위치할 수 있을 것이며, 예를 들면, 실드된 케이블을 경유하여 압력 센서(15)로 연결되는 제어 유닛의 내부에 위치할 수 있을 것이다.
상기에 설명된 압력 센서는 많은 이점들을 가진다.
첫째, 그것은 풀 스케일의 값을 가지며, 저압 측정에 대해서는 더 정밀한 첫 번째 스케일로 그리고 고압값 측정에 대해서는 더 작은 정밀도로 두 배의 측정 스케일로 압력이 측정되도록 한다. 특히, 설명된 압력 센서들은 반도체 물질로 된 동일한 일체형 몸체(16) 내에 고압 및 저압 감지 소자들을 통합하며, 종래의 압력 센서들에 비해 가격 및 제조의 복잡성에서 줄어들게 한다.
본 발명에서의 압력 센서는 하나 또는 그 이상의 탐지 소자들과 하나 또는 그 이상의 압전저항 참조 소자들 간의 미분 유형의 측정을 수행하며, 그래서 환경의 파라미터들 또는 제조의 확장에서의 변이에 대해 영항을 받지 않는다는 것을 입증한다.
추가로, 압력 감지 영역(33) 내부의 압전저항 탐지 소자들 간의 P+-유형의 확산된 상호 연결들은 유리하다. 실제, 압력(P)의 높은 값인 경우에는, 보통의 연결 기술들(예를 들면 알루미늄 경화)을 사용하는 것이 불가능하다. 대신 이런 기술들은 탐지 소자들과 참조 소자들 간의 연결 및 패드들로의 연결을 생성하기 위해 압력 감지부(33) 외부에서 사용될 수 있다.
마지막으로, 첨부된 청구항들에서 정의된 본원 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서, 상기에 설명되고 예시되었던 것에 수정과 변형이 가해질 수 있다.
특히, 일체형 몸체(16)의 크기나 모습은 설명되고 예시되었던 것과 다를 수 있다; 특히, 일체형 몸체(16)의 단면은 정사각형 대신에 직사각형 또는 원형일 수 있을 것이다. 심지어 공동(18)이, 예를 들면 일반적인 다각형 단면과 같이, 도시된 것과 다른 모습을 가질 수도 있을 것이다.
더 나아가 제1 및 제2 압전저항 탐지 소자들(28, 29) 및 압전 참조 소자들(34)의 숫자와 배열은 달라질 수 있다.
탐지 소자들 및 압전저항 참조 소자들은 확산 대신에 이온 착상 기술을 사용하여 형성될 수도 있다.
전자 측정 회로(50)는 입력 측정 기기(51)가 단일 다이 상에서 집적되도록 일체형 몸체(16) (도 8 참조) 내부의 벌크 영역(17) 내에 압력 감지부(33)와 분리되어 통합될 수 있을 것이다. 특히, 도 8에서, (도시되지 않은 방법으로) 압력 센서(15)와 연결된 전자 측정 회로(50)는 단일의 바이폴라 트랜지스터(52)를 경유하 여 도식화되어 있다. 도시되지 않은 방법에서, 전기 절연 영역들이 전자 측정 회로(50)의 전기적 절연을 위해 제공될 수 있을 것이다. 추가로, 저압 감지소자는 설명된 것에 대해 다른 유형이며, 측정될 압력(P)의 높은 값들을 감지하도록 구성된 고압 감지 소자와 연관될 수 있을 것이다. 이런 경우에도, 압력(P)의 낮은 값들을 측정하기 위한 저압 감지 소자 (멤브레인 및 연관된 압전저항 소자들) 및 저압 감지 소자의 포화 문턱값보다는 더 큰 압력(P)의 값들을 측정하기 위한 고압 감지 소자를 사용한다는 것을 적용하는 일반적인 아이디어가 계속된다 (그러므로 두 개의 감지 소자들은 독립적이고 상호 보완적인 측정을 제공한다).
일체형 몸체(16)는 어쩌면 여러개의 압력 감지 영역들을 가질 수 있을 것이며, 그 영역들 각각은 고압 감지 소자 및 저압 감지 소자를 포함하여, 서로 다른 압력을 측정한다.
마지막으로, 압력 센서(15)는 두 배의 측정 스케일을 가지고 고압을 측정하는 것이 필요한 다른 애플리케이션에서도 유용할 수 있다.
본 발명은 브레이크 시스템과 같은 곳에서 사용되는 압력 센서에 사용될 수 있으며, 그 압력 센서를 사용하는 압력 측정 기기 및 압력 측정 방법 그리고 그와 같은 압력 센서를 사용하여 압력을 측정하고 차량을 브레이킹하는 브레이크 시스템에 사용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 두 배의 측정 스케일을 가지는 압력 센서(15)로서,
    - 제1의 주 표면 (16a), 벌크 영역 (17) 및 그 위에 압력 (P)이 가해지는 감지부(33)를 구비하는 반도체 물질의 일체형 몸체(16),
    - 상기 일체형 몸체(16) 내에 형성되고 멤브레인(19)에 의해 상기 제1 주 표면(16a)으로부터 분리되는 공동(cavity)(18)으로서, 상기 멤브레인(19)은 유연하여 상기 압력 (P)의 함수로서 변형될 수 있고, 상기 멤브레인(19)은 상기 감지부(33) 내부에 배치되며 상기 벌크 영역(17)에 의해 둘러싸이는, 공동(18) 및
    - 상기 압력의 제1 값들을 감지하고, 상기 멤브레인(19) 내에서 통합되며 상기 멤브레인(19) 변형의 함수로서 가변 저항을 구비하는, 압전저항 유형의 제1 저압 탐지 소자(28)를 포함하며,
    상기 멤브레인(19)의 외부에 배치되고 상기 압력(P)의 제1 값들보다는 높은 상기 압력(P)의 제2 값들을 감지하는 고압 탐지 소자(29)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고압 감지 소자는 상기 감지부(33) 내부의 상기 벌크 영역(17) 내에 형성되며 상기 압력(P)의 함수로서 가변 저항을 구비하는, 압전저항 유형의 제1 고압 탐지 소자(29)를 포함하는 압력 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 일체형 몸체(16)는 상기 제1 주 표면(16a)의 반대편에 상기 제1 주 표면(16a)과 거리(w)만큼 분리되어 있는 제2 주 표면(16b)을 또한 구비하며,
    상기 제1 고압 탐지 소자(29)는, 고체이며 치밀한, 상기 벌크 영역(17)의 제1 부분 내에 형성되며, 상기 거리(w)와 실질적으로 동일한 두께를 가지는, 압력 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 거리(w)는 실질적으로 일정한 압력 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 공동(18)은 상기 일체형 몸체(16) 내에 포함되어 완전히 분리되어 있는 압력 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 저압 탐지 소자(28) 및 상기 고압 감지 소자(28)는 서로 전기적으로 연결되지 않은 압력 센서.
  7. 제2항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 벌크 영역(17)은 제1 유형의 전도성을 나타내며,
    상기 제1 저압 탐지 소자(28) 및 상기 제2 고압 탐지 소자(29)는, 상기 제1 유형의 전도성과는 반대인 제2 유형의 전도성을 가지며 상기 일체형 몸체(16) 내에 도펀트(dopant)를 받아들여서 형성된 도프된(doped) 영역을 각각 포함하는, 압력 센서.
  8. 제2항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인(19) 내부에 통합된 압전저항 유형의 저압 탐지 소자들(28)을 또한 추가로 포함하며,
    상기 고압 감지 소자는 상기 벌크 영역(17) 내 및 상기 감지부(33) 내에서 집적된 압전저항 유형의 고압 탐지 소자들(29)을 또한 추가로 포함하고,
    상기 제1 저압 탐지 소자(28) 및 상기 추가의 저압 탐지 소자들(28)은 제1 브리지 회로(36) 내에서 연결되며, 상기 제1 고압 탐지 소자(29) 및 상기 추가의 고압 탐지 소자들(29)은 상기 제1 브리지 회로(36)와는 별개의 제2 브리지 회로(37) 내에서 연결되는, 압력 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 벌크 영역(17)은 제1 유형의 전도성을 나타내며,
    상기 제1 저압 탐지 소자(28) 및 상기 추가의 저압 탐지 소자들(28) 그리고, 상기 제1 고압 탐지 소자(29) 및 상기 추가의 고압 탐지 소자들(29)은 각각의 상호 연결들(30)에 의해 서로 연결되며, 상기 상호 연결(30)은 상기 제1 유형의 전도성과는 반대인 제2 유형의 전도성을 가지며 상기 감지부(33) 내에 도펀트를 받아들여서 형성된 도프된 영역을 포함하는, 압력 센서.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 벌크 영역(17)의 제2 부분 내에 집적되며 상기 감지부(33)와는 분리되고 별개인 압전저항 유형의 하나 이상의 참조 소자(34)를 또한 포함하며,
    상기 하나 이상의 참조 소자(34)는 상기 압력(P)이 변하여도 일정한 저항을 가지며, 상기 제2 브리지 회로(37) 내에서 상기 제1 고압 탐지 소자(29) 및 상기 추가의 고압 탐지 소자들(29)과 연결되는, 압력 센서.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인(19)은 상기 감지부(33)에 대해 중앙의 위치에 배치되며,
    상기 감지부(33)는 상기 일체형 몸체(16)에 대해 중앙의 위치에 배치되는, 압력 센서.
  12. 제2항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 고압 탐지 소자(29)는 상기 멤브레인(19)으로부터 적어도 50 μm의 거리로 분리되어 있는, 압력 센서.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 주 표면(16a)의 위에 형성되며 상기 압력(P)을 상기 감지부(33) 상에 균일한 방법으로 분배하도록 구성된 탄성 물질의 완충 층(32a)을 또한 포함하는 압력 센서.
  14. 압력 측정 기기(51)로서,
    압력 센서(15) 및
    상기 압력 센서에 전기적으로 연결된 측정 회로(50)를 포함하며,
    상기 압력 센서(15)는 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 따라 만들어진 것을 특징으로 하는 압력 측정 기기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 압력 센서(15) 및 상기 측정 회로(50)는 상기 일체형 몸체(16) 내부에서 통합된 압력 측정 기기.
  16. 제10항에 의존하는 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 측정 회로(50)는, 일정한 동작 환경 하에서, 상기 제1 고압 탐지 소자(29) 및 상기 제1 참조 소자(34)의 저항들 간의 차이의 함수로서 압력 측정을 실행하는 압력 측정 기기.
  17. 브레이킹 시스템(1)으로서,
    제14항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 따른 압력 측정 기기(51)를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이킹 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    브레이크 디스크(8),
    전자 제어 유닛(4) 및
    상기 전자 제어 유닛(4)에 의해 생성된 제어 신호들에 응답하여 상기 브레이크 디스크(8)에 브레이킹 동작을 가하도록 구성된 전기 기계적인 액튜에이터(5)를 포함하고,
    상기 압력 측정 기기(51)는 상기 전기 기계적인 액튜에이터(5)에 의해 상기 브레이크 디스크(8) 상에 가해지는 압력(P)을 측정하도록 구성되며, 상기 전자 제어 유닛(4)에 연결되어 상기 전자 제어 유닛(4)에 상기 측정의 결과를 피드백하여 공급하는, 브레이킹 시스템.
  19. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 따라 만들어진 압력 센서(15)를 사용하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 방법.
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