KR20080041219A

KR20080041219A - Integrated pressure sensor with a high full-scale value

Info

Publication number: KR20080041219A
Application number: KR1020087004360A
Authority: KR
Inventors: 지울리오 리코티; 마르코 모렐리; 토레 루이지 델라; 안드레아 로렌조 비탈리
Original assignee: 에스티마이크로일렉트로닉스 에스.알.엘.
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2008-05-09

Abstract

In an integrated pressure sensor (15) with a high full-scale value, a monolithic body (16) of semiconductor material has a first and a second main surface (16a and 16b), opposite and separated by a substantially uniform distance (w). The monolithic body (16) has a bulk region (17), having a sensitive portion (23) next to the first main surface (16a), upon which pressure (P) acts. A first piezoresistive detection element (18) is integrated in the sensitive portion (23) and has a variable resistance as a function of the pressure (P). The bulk region (17) is a solid and compact region and has a thickness substantially equal to the distance (w).

Description

Integrated pressure sensor with a high full-scale value}

본 발명은 반도체 기술들을 사용하여 만들어진 통합된 압력 센서에 관한 것이며, 그 압력 센서는 높은 풀 스케일 값을 가지며 그래서 고압(high pressures)을 측정하도록 한다. 특히, 다음의 설명은 BBW (Brake-By-Wire) 전기 기계적인 브레이킹 시스템 내에서 이런 압력 센서를 사용하는 것을 특별하게 참조하지만, 이런 특별한 참조가 아니더라도 일반성이 훼손되는 것은 아니다.The present invention relates to an integrated pressure sensor made using semiconductor technologies, the pressure sensor having a high full scale value and thus allowing to measure high pressures. In particular, the following description specifically refers to the use of such pressure sensors in BBW (Brake-By-Wire) electromechanical braking systems, but without this particular reference the generality is not compromised.

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.As is known, traditional disc braking systems for a vehicle include a disc fixed to each wheel of the vehicle, a caliper associated with the disc and hydraulic control circuitry. A friction pad (usually two) and one or more pistons connected to the hydraulic control circuit are housed in the caliper. Following the brake pedal operation by the user, the pump in the hydraulic control circuit pressurizes the liquid contained in the circuit itself. Thus, pistons mounted with sealing elements leave their respective positions and apply pressure to the pads against the surface of the disc, thereby applying a braking action to the wheel.

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.Recently, a so-called "Drive-by-Wire" system has been proposed, which provides electronic control for the main functions of the vehicle, for example steering systems, clutches and braking systems. . In particular, electronically controlled braking systems have been proposed to replace hydraulic calipers with electromechanical actuators. Specifically, appropriate sensors detect the operation of the brake pedal and generate corresponding electrical signals so that these signals are received and interrupted by the electronic control unit. The electronic control unit then controls the operation of the electromechanical actuator (eg pistons driven by the electric motor), and the electromechanical actuator exerts a braking action on the relevant brake discs via the pads. . The electronic control unit is adapted from sensors associated with the braking system for the braking operation exerted by the electromechanical actuator to achieve closed loop feedback control (e.g., via proportional-integral-differential controller-PID). It also receives the information. In particular, the electronic control unit receives information about the pressure exerted on each brake disc by each actuator.

높은 정밀도의 풀 스케일 값을 가지는 압력 센서들이 이 압력을 측정하기 위해 필요하다. 실제, 디스크에 대해 패드들이 눌려지는 힘은 0부터 최대 15000 N에서 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.Pressure sensors with high precision full scale values are needed to measure this pressure. In practice, the force with which the pads are pressed against the disk can take a value from zero up to a range of 15000 N to 35000 N. The piston acting on the pads has a cross section of about 2 cm ² and therefore the pressure sensors must be able to operate up to full scale values of about 1700 Kg / cm ² or more (eg 2000 Kg / cm ² ).

현재, 높은 압력 값들을 측정할 수 있는 센서들이 알려져 있으며, 이 센서들 은 변형 측정 엘리먼트들이 그 위에 고정된 강철 코어로 만들어진다. 압력의 영향 하에, 그 강철 코어는 다음의 훅크의 법칙에 따라 변형된다. At present, sensors are known which can measure high pressure values, which are made of a steel core on which deformation measuring elements are fixed. Under the influence of pressure, the steel core is deformed according to the following Hooke's law.

ΔL = E ㆍσΔL = E

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. Where ΔL represents the geometrical variation in the linear dimension of the core, E is the Young's Module of the material constituting the core, and σ is applied to the core in a direction parallel to the dimension of deformation Pressure. The strain measuring elements detect geometrical variation of the core associated with the core via a change in electrical resistance.

그러나, 신뢰성, 차원들 및 가격의 이유로, 이런 센서들은 이전에 설명된 유형의 브레이킹 시스템의, 생산의 과정이 아니라, 특성화와 개발의 목적으로만 적용 가능하고 이용 가능하다.However, for reasons of reliability, dimensions and price, these sensors are applicable and available only for the purpose of characterization and development, not the process of production, of the braking system of the type previously described.

반도체 기술을 이용하여 만들어진 통합된 압력 센서들 역시 알려져 있다. 이런 센서들은 실리콘 몸체 내에 형성된 공동(cavity) 위에 매달려진 얇은 멤브레인 (membrane)을 포함한다. 서로가 연결되어 휘스톤 브리지를 형성하는 압전 저항 (piezoresistive) 소자들이 상기 멤브레인 내에 확산된다. 압력이 가해지면, 그 멤브레인은 변형되며, 상기 압전 저항 엘리먼트들의 저항을 변하게 하며, 그러므로 그 휘스톤 브리지의 불균형이 초래하게 된다. 특히, 균형이 잡힌 휘스톤 브리지를 형성하기 위해, 일부 압전저항 소자들이 보통 압축 압력에 담당하고, 반면 그 나머지들은 인장 압력을 담당한다.Integrated pressure sensors made using semiconductor technology are also known. Such sensors include a thin membrane suspended over a cavity formed in the silicon body. Piezoresistive elements that are connected to each other to form a Wheatstone bridge are diffused in the membrane. When pressure is applied, the membrane deforms and changes the resistance of the piezo resistor elements, thus resulting in an unbalance of the Wheatstone bridge. In particular, to form a balanced Wheatstone bridge, some piezoresistive elements are usually responsible for the compression pressure, while the others are responsible for the tensile pressure.

그러나, 고압에서 멤브레인은 수직 방향으로의 변형을 겪게 되고 멤브레인은 밑에 있는 공동(cavity)의 바닥과 접촉하며, 이런 방법으로 출력에서 제공되는 압력은 포화된다. 전형적으로, 이런 포화는 이전에 설명된 브레이킹 시스템 내에서 일어나는 압력값들보다 아주 더 낮은 압력값들에서 (특히 10 Kg/cm² 근방의 압력에서) 발생한다. 결과적으로 이런 압력 센서들은 고압을 측정하기에는 이용 가능하지 않다.At high pressure, however, the membrane undergoes a deformation in the vertical direction and the membrane contacts the bottom of the cavity below, in this way the pressure provided at the output is saturated. Typically, this saturation occurs at pressure values that are much lower than the pressure values occurring in the braking system described previously (particularly at pressures near 10 Kg / cm ² ). As a result, these pressure sensors are not available for measuring high pressures.

그러므로 본 발명의 목적은 높은 풀 스케일의 값을 가지고 상기에서 언급된 약점과 문제점들을 극복하도록 하는 압력 센서를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a pressure sensor which has a high full scale value to overcome the above mentioned weaknesses and problems.

본 발명에 따라서, 청구항 1에서 정의된 것과 같은 통합된 압력 센서가 제공된다. According to the invention there is provided an integrated pressure sensor as defined in claim 1.

본 발명을 더 잘 이해시키기 위해, 제한되지 않는 예에 의해 그리고 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들이 설명될 것이다.In order to better understand the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described by way of non-limiting example and with reference to the accompanying drawings.

도 1은 전기 기계적으로 와이어에 의해 브레이크되는 (Brake-By-Wire) 브레이킹 시스템의 블록도를 도시한 것이다.1 shows a block diagram of a braking-by-wire braking system that is electromechanically braked by a wire.

도 2는 본 발명의 첫 번째 실시예에 따라 만들어진 통합된 압력 센서의 단면의 투시도이다.2 is a perspective view of a cross section of an integrated pressure sensor made in accordance with the first embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명에서의 두 번째 실시예의 압력 센서의 횡단면을 도시한 것이다.Figure 3 shows a cross section of the pressure sensor of the second embodiment in the present invention.

도 4는 도 3의 압력 센서의 등가 회로도이다.4 is an equivalent circuit diagram of the pressure sensor of FIG. 3.

도 5는 두 번째 실시예에 따라서 만들어진 압력 센서를 위에서 개략적으로 도시한 것이다.Figure 5 shows schematically a pressure sensor made in accordance with the second embodiment from above.

도 6은 본 발명의 한 모습에 따라 만들어진 압력 측정 기기를 도시한 것이다.6 shows a pressure measuring device made in accordance with an aspect of the present invention.

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.1 shows a block diagram of a braking system 1 of the electromechanical type (so-called “Brake-By-Wire”), of which a brake pedal 2, a brake pedal 2 are provided. An electric motor connected to the first sensors 3, an electronic control unit 4 connected to the first sensors 3, an electronic control unit 4, suitable for detecting movement C and an actuation speed v; (6) and an electromechanical actuator (5) consisting of a piston (7) connected to the electric motor (6) by a worm screw type connecting element (not shown), which is connected to the electromechanical actuator (5) (not shown) By way of its own) suitable for collecting information relating to the braking action exerted on the brake disc 8 by means of the brake disc 8 and the electromechanical actuator 5 fixed to the wheels of the vehicle and the electronic control unit 4. ) Second sensors 9 connected in feedback.

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.In use, the first sensors 3 transmit data relating to the movement C and the actuation speed v of the brake pedal 2 to the electronic control unit 4, wherein the electronic control unit 4, Based on this data, a control signal (signal of voltage V or current I) for the electromechanical actuator 5 (especially for the electric motor 6) is generated. According to this control signal, the electric motor 6 generates a drive torque which is converted to linear movement of the piston 7 by a worm screw type connecting element. Thus, the piston 7 applies pressure to the brake disc 8 (via a pad of friction material, not shown), thereby slowing its rotation. The second sensors 9 detect the value of the pressure P exerted on the brake disc 8 by the piston 7 and the position x of the piston 7 relative to the brake disc 8. The data is fed back to the electronic control unit 4 and transmitted. In this way, the electronic control unit 4 performs closed-loop control (e.g. PID control) for the braking operation.

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. According to one embodiment of the invention, the second sensors 9 are made using semiconductor technology and are configured to measure the pressure P applied to the brake disc 8 by the piston 7. Sensor 15 (FIG. 2). Although not shown, the pressure sensor 15 is housed in a case of the electromechanical actuator 5 and is configured to sense the pressure P exerted by the piston 7.

자세하게는, 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 800 μm인, 사각형의 단면, 그 위에 가해지는 압력(P)이 측정될 제1 주(main) 외부 표면(16a) 및 제1 주 외부 표면(16a)과는 반대편에 평행하며, 제1 주 외부 표면(16a)과 예를 들면 400 μm와 같은 실질적으로 균일한 거리(w)만큼 떨어져서 분리되어 있는 제2 주 외부 표면(16b)을 구비한다. 특히, 제1 및 제2 주 외부 표면(16a, 16b)은 서로 반대편에 있으며, 평행하다.In detail, the pressure sensor 15 is a monolithic body 16 of semiconductor material, preferably of type N single crystal silicon, which is a crystallographic planar orientation 100. The unitary body 16 has a rectangular cross section, the length of the side 1 of which is, for example, 800 μm, the first main outer surface 16a and the first, on which the pressure P applied thereto is to be measured. A second major outer surface 16b that is parallel to the major outer surface 16a and is separated from the first major outer surface 16a by a substantially uniform distance w, such as 400 μm, for example. It is provided. In particular, the first and second major outer surfaces 16a, 16b are opposite each other and are parallel.

일체형 몸체(16)는 벌크 영역(17)을 포함하며, 그 벌크 영역(17)의 일부 내 부에 제1 주 외부 표면(16a)의 옆에 압전저항 탐지 소자들(18)이 형성되며, 이 압전저항 탐지 소자들(18)은 P^--유형으로 도프된(doped) 영역으로 구성된다 (예로서, 4개의 압전저항 탐지 소자들(18)이 도 2에서 보여진다). 특히, 압전저항 탐지 소자들(18)은 적절한 확산 마스크를 통해 도펀트(dopant) 원자들의 확산을 경유해서 형성되며, 예를 들면, 대략 직사각형의 단면을 가진다. 다음에 설명될 것과 같이, 압전저항 탐지 소자들(18)의 저항은 일체형 몸체(15)에 가해지는 압력(P)의 함수로서 변경된다. 특히, 일체형 몸체(16)의 벌크 영역(17)은 단단하고 치밀한 영역이며, 그 두께는 실질적으로 일정하고 거리(w)와 실질적으로 동일하다.The unitary body 16 includes a bulk region 17, wherein piezo-resistance detection elements 18 are formed within a portion of the bulk region 17 next to the first major outer surface 16a. Piezoelectric resistance detection elements 18 are composed of a region doped with a P ⁻ − type (eg, four piezoelectric resistance detection elements 18 are shown in FIG. 2). In particular, piezo-resistance detection elements 18 are formed via diffusion of dopant atoms through a suitable diffusion mask, for example having a substantially rectangular cross section. As will be explained below, the resistance of the piezoelectric resistance detection elements 18 is changed as a function of the pressure P applied to the integral body 15. In particular, the bulk area 17 of the unitary body 16 is a hard and dense area, the thickness of which is substantially constant and substantially equal to the distance w.

(예를 들면, 또한 실리콘 일산화물인) 패시베이션(passivation) 층(20)은 일체형 몸체(16)의 제1 주 외부 표면(16a)을 덮으며, 예를 들면 폴리아미드인, 탄성 물질로 만들어진, 제1 및 제2 완충 층 (22a, 22b)은 패시베이션 층(20)의 꼭대기이며 일체형 몸체(16)의 제2 주 외부 표면(16b) 아래에 형성된다.The passivation layer 20 (eg also silicon monoxide) covers the first major outer surface 16a of the unitary body 16 and is made of an elastic material, for example polyamide, The first and second buffer layers 22a, 22b are atop the passivation layer 20 and are formed below the second major outer surface 16b of the unitary body 16.

압력 센서(15)의 동작은 소위 압전저항 효과를 기반으로 하며, 그에 따라 압전저항 소자에 인가된 압력은 저항의 변화를 일으킨다. 실리콘과 같은 반도체 물질의 경우에, 압전저항 소자의 크기에 대한 변화도 초래하는, 인가된 압력은 결정 격자의 변형 그리고 그에 따른 다수 전하 캐리어들의 이동성에서의 변화를 일으킨다. 예를 들면, 실리콘의 경우에, 결정 격자의 1% 변형은 다수 전하 캐리어들의 이동성에서의 약 30%의 변화에 대응한다. 이는 반도체 물질 내에 형성된 저항 소자들의 저항에서의 변화를 일으키게 한다.The operation of the pressure sensor 15 is based on the so-called piezo-resistive effect, whereby the pressure applied to the piezo-resistive element causes a change in resistance. In the case of semiconductor materials such as silicon, the applied pressure, which also results in a change in the size of the piezo-resistive element, causes a deformation of the crystal lattice and thus a change in the mobility of the multiple charge carriers. For example, in the case of silicon, a 1% strain of the crystal lattice corresponds to a change of about 30% in the mobility of the multiple charge carriers. This causes a change in the resistance of the resistive elements formed in the semiconductor material.

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. 특히, 본 발명의 근간이 되는 아이디어는 단결정 실리콘의 고체의 치밀한 블록의 주 외부 표면들 중의 하나에 보통 방향으로 압력이 인가될 때에 그 단결정 실리콘 블록 내에서 일어나는 압전저항 효과를 이용하는 것이다.The change in resistance is caused by both the pressure applied in the direction parallel to the plane in which the piezo resistors are placed (so-called longitudinal pressure) and the pressure in the normal direction (so-called transverse pressure). In particular, the underlying idea of the present invention is to take advantage of the piezo-resistive effect that occurs within a single crystal silicon block when pressure is applied in one of the major outer surfaces of the dense block of solid block of single crystal silicon in the normal direction.

상세하게는, 압전저항 소자에서의 저항의 변화는 다음의 관계에 의해 표현될 수 있다:Specifically, the change in resistance in the piezo resistor can be expressed by the following relationship:

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, σ_l 및 σ_t 는 각각 압전저항 소자에 가해진 세로 압력과 횡단 압력이다. Where R is the resistance of the piezo-resistive element, ΔR is the amount of change in this resistance, and π ₄₄ is the piezo-resistance coefficient of the semiconductor material, for example, 138.1 x 10-11 Pa ^{-1 for} P-type single crystal silicon. Σ _l and σ _t are the longitudinal and transverse pressures applied to the piezo resistors, respectively.

도 2의 압력 센서(15)를 참조하면, 일체형 몸체(16)는 측정될 압력(P)이 제1 주 외부 표면(16a)에 보통인 방향으로의 압력을 일으키도록 배치된다. 그러므로 압력(P)과 부합하는 (음수 값인) 횡단 압축 압력 σ_t그리고 (일체형 몸체(16) 내에서 휨 또는 굽음 현상이 발생하지 않는다는 가정 하에서) 실질적으로 널(null)인 세로 방향 압력 σ_l이 각 압전저항 탐지 소자(18)에 작용한다. 특히, 제1 완충 층(22a) 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 압전저항 탐지 소자들(18)의 저항에서의 변화는 다음의 관계로 표현된다:Referring to the pressure sensor 15 of FIG. 2, the unitary body 16 is arranged such that the pressure P to be measured causes a pressure in a direction normal to the first main outer surface 16a. Therefore, the transverse compression pressure σ _t (negative value) corresponding to the pressure P and the substantially longitudinal longitudinal pressure σ _l (assuming no bending or bending occurs in the unitary body 16) are It acts on each piezo resistance detector 18. In particular, the first buffer layer 22a evenly distributes the compression pressure on the first major outer surface 16a of the unitary body 16 to avoid localized concentrations that can cause cracks along the axes of the crystal lattice. Let's do it. Therefore, the change in resistance of the piezo resistance detectors 18 is represented by the following relationship:

이 식으로부터 압력(P) 압전저항 탐지 소자들(18) 각각의 저항 R의 증가를 가져온다는 것이 따라오며, 이는 압력(P)의 값을 판별하기 위해 적절한 독출 회로에 의해 측정될 수 있다.It follows from this equation that it leads to an increase in the resistance R of each of the piezoelectric resistance detection elements 18 of pressure P, which can be measured by an appropriate reading circuit to determine the value of the pressure P.

도 3의 본 발명의 추가적인 모습에 의하면, 일체형 몸체(16)의 단일형 벌크 영역(17)은 제1 주 외부 표면(16a) 다음에, 압력 감지부(23)를 가지고 있으며, 압력 감지부(23)는, 예를 들면, 그 몸체에 대해서는 중앙의 위치에 배치되며 (도 3에서 점선의 사각형으로 표시됨), 측정될 압력이 그 위로 인가된다. 압력 감지부(23)의 외부에서 가해지는 압력은 본질적으로는 존재하지 않는다(null).According to a further aspect of the invention of FIG. 3, the unitary bulk region 17 of the unitary body 16 has a pressure sensing unit 23, after the first major outer surface 16a, and the pressure sensing unit 23. ) Is arranged, for example, in a central position with respect to the body (indicated by the dotted rectangle in FIG. 3), and the pressure to be measured is applied thereon. Pressure applied from the outside of the pressure sensing unit 23 is essentially null.

압전저항 탐지 소자(18)는 압력 감지부(23) 내부에서 형성되며, 그 반면, 그와 마찬가지로 도프된(doped) P^--유형의 압전저항들로 구성된 참조(reference) 소자(24)는, 압력 감지부(23)와는 구분되게 분리되어, 벌크 영역(17)의 일부 내에서 형성된다. 이런 방법으로, 참조 소자들(24)은 압력(P)의 함수로서의 저항에서의 변화를 나타내지 않는다.Piezoresistive detection element 18 is formed inside the pressure sensing portion 23, on the other hand, the same manner as the doped (doped) P ^- - Reference consisting of a piezoelectric resistance type (reference) element 24, Separated from the pressure sensing unit 23, it is formed in a portion of the bulk region 17. In this way, the reference elements 24 do not exhibit a change in resistance as a function of pressure P.

상세하게, 도 3은 두 개의 압전저항 탐지 소자들(18) R₁ 및 R₂ 그리고 두 개의 압전저항 참조 소자들(24) R₃ 및 R₄를 보여준다. 참조 소자들(24)은 압전저항 탐지 소자들(18)에 연결되어 휘스톤 브리지 회로(25) (도 4)를 형성하며, 그 내부에서 가변 저항 R₁ 및 R₂ 는 민감도를 증가시키기 위해 브리지의 반대 측에 위치한다.In detail, FIG. 3 shows two piezo-resistance detection elements 18 R ₁ and R ₂ and two piezo-resistance reference elements 24 R ₃ and R ₄ . Reference elements 24 are connected to piezoresistive detection elements 18 to form a Wheatstone bridge circuit 25 (FIG. 4) in which the variable resistors R ₁ and R ₂ are bridged to increase sensitivity. Is located on the opposite side of the.

사용 시에, 휘스톤 브리지 회로(25)는 공급 전압 V_in 으로 피드되고 출력 전압 V_out을 공급한다. 압력 감지부(23)에 가해지는 압력(P)은 압전저항 탐지 소자들(18)의 저항에 변화를 일으키게 하며 (동일한 그리고 같은 의미에서임), 그 반면에 참조 소자들(24)의 저항은 일정하게 유지된다. 그러므로 휘스톤 브리지 회로(25)의 불균형이 발생하고, 0 아닌 출력 전압 V_out이 주어지게 된다. 그러면 (최소한 적절한 하나의 증폭기 장치를 포함하는) 전자 측정 회로가 그 출력 전압 V_out으로부터 압력(P)을 측정할 수 있다.In use, the Wheatstone bridge circuit 25 is fed to a supply voltage V _in and supplies an output voltage V _out . The pressure P applied to the pressure sensing unit 23 causes a change in the resistance of the piezoelectric resistance detection elements 18 (in the same and in the same sense), while the resistance of the reference elements 24 Stays constant. Therefore, an unbalance of the Wheatstone bridge circuit 25 occurs and a non-zero output voltage V _out is given. The electronic measuring circuit (including at least one suitable amplifier device) can then measure the pressure P from its output voltage V _out .

특히, 참조 소자들(24)은 압전저항 탐지 소자들(18)이 종속되는 것과 동일한 환경 파라미터들 (예를 들면 온도)에 종속된다. In particular, the reference elements 24 are subject to the same environmental parameters (eg temperature) on which the piezoresistive detection elements 18 depend.

휘스톤 브리지 회로(25)의 특정한 내부 배열은 유리하게도 미분(differential) 측정을 취하게 허용하고, 그때에, 상기에 언급된 환경 파라미터들로 인한 저항에서의 변화들은 취소되며, 그래서 출력 전압 V_out 그리고 압력(P)의 측정된 값은 이런 파라미터들에 영향을 받지 않는다. The particular internal arrangement of the Wheatstone bridge circuit 25 advantageously allows to take a differential measurement, at which time the changes in resistance due to the above mentioned environmental parameters are canceled, so the output voltage V _out And the measured value of pressure P is not affected by these parameters.

압력 센서(15)의 가능한 실시예가 도 5에 개략적으로 도시된다.A possible embodiment of the pressure sensor 15 is shown schematically in FIG. 5.

상세하게는, 4개의 압전저항 탐지 소자들(18)은 압력 감지부(23) 내부에서 형성되며, P⁺-유형의 확산된 영역들로 구성된 제1 상호 연결(30)에 의해 2 x 2 의 직렬로 연결되어, 제1 및 제2 저항 (R₁ 및 R₂로 다시 지시됨)을 형성한다. 역시 P⁺-유형의 확산된 영역들로 구성된 제2 상호 연결들(31)은 제1 및 제2 저항 (R₁ 및 R₂)의 말단을 압력 감지부(23) 외부와 연결하며, 그 곳에서 전기적인 접점들(32)이 제2 상호 연결들(31)을 위해 제공된다. 압력 감지부(23)와 별개이며 분리된 4개의 압전저항 참조 소자들(24)은 벌크 영역(17)의 표면 부분에 형성되며, 압전저항 탐지 소자들(18)에 대해 거울과 같은 방법으로, 즉 2 x 2의 직렬로 또한 연결함으로써 구성되어, 제3 및 제4 저항 (다시 R₃ 및 R₄로 지시됨)을 형성한다.Specifically, the four piezoresistive detection elements 18 are formed inside the pressure sensing unit 23 and are formed of 2 x 2 by the first interconnect 30 composed of P ⁺ -type diffused regions. Connected in series, they form first and second resistors (indicated again by R ₁ and R ₂ ). The second interconnects 31, also composed of P ⁺ -type diffused regions, connect the ends of the first and second resistors R ₁ and R ₂ to the outside of the pressure sensing unit 23, where Electrical contacts 32 are provided for the second interconnects 31 at. Four piezoresistive reference elements 24 separate and separated from the pressure sensing unit 23 are formed in the surface portion of the bulk region 17 and in a mirror-like manner with respect to the piezoelectric resistance detection elements 18. That is, by connecting also in series of 2 × 2, forming third and fourth resistors (indicated again by R ₃ and R ₄ ).

제3 및 제4 저항(R₃ 및 R₄)의 말단들은, 예를 들면 알루미늄인, 제1 금속 라인들(34)을 경유하여 전자 접점들(32)로 적절하게 연결되어, 제1 및 제2 저항(R₁, R₂)과 더불어 휘스톤 브리지 회로(25)를 형성한다 (도 4). 도 5에서, 명료함을 위해, 압전저항 탐지 소자들(18)과 참조 소자들(24) 간의 연결들 중의 오직 하나만이 예로 도시된다.The ends of the third and fourth resistors R ₃ and R ₄ are suitably connected to the electronic contacts 32 via the first metal lines 34, for example aluminum, so that the first and the first The Wheatstone bridge circuit 25 is formed together with the two resistors R ₁ and R ₂ (FIG. 4). In FIG. 5, for the sake of clarity, only one of the connections between the piezoresistive detection elements 18 and the reference elements 24 is shown by way of example.

예를 들어 마찬가지로 알루미늄인, 제2 금속 라인들(35)은 전기 접점들(32)의 각각을 일체형 몸체(16)의 제1 주 외부 표면(16a) 상에 제공된 각 대응 패드 들(38)과 연결시킨다 (다시 언급하지만, 제2 금속 라인들(35) 중의 하나만이 예로 도시된 것이다). 압력 센서(15)를 위한 독출 전자 장치들을 통합하는 전자적인 측정 회로와 패드들(38) 간의 연결이 잘 알려진 유형의 와이어 접합 기술, 즉 전기 와이어를 사용하여 만들어질 수 있다. 예를 들면, 그 전자 측정 회로는 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. The second metal lines 35, for example likewise aluminum, are provided with respective corresponding pads 38 provided on the first major outer surface 16a of the unitary body 16, each of the electrical contacts 32. (As mentioned again, only one of the second metal lines 35 is shown by way of example). The connection between the pads 38 and the electronic measuring circuit incorporating the readout electronics for the pressure sensor 15 can be made using a well-known type of wire bonding technique, i.e. electrical wires. For example, the electronic measuring circuit may be located in a more protected environment compared to the circuit of the braking system, for example inside the control unit connected to the pressure sensor 15 via a shielded cable. You can do it.

상기에 설명된 압력 센서는 많은 이점들을 가진다.The pressure sensor described above has many advantages.

첫째, 종래의 압력 센서들에 비해 가격 및 제조의 복잡성에서 줄어들게 하면서도, 극도로 고압의 값을 측정할 수 있게 한다. 특히, 그 압력 센서는, 멤브레인의 변형에 따른 자신의 동작을 기반으로 하는 것이 아니라 (일체형 몸체(16)는 실제로 멤브레인도 동공도 구비하지 않는다) 오히려 단결정 실리콘의 고체이며 치밀한 구조의 일체형 몸체 내에서 발생하는 압전저항 효과들을 기반으로, 극도로 높은 값들을 지원하여 압력을 측정할 수 있다. 실제로, 알려진 것과 같이, 단결정 실리콘은 압축 압력에 대해서 높은 브레이크 저항을 가지며, 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(20) 및 완충 층들(22a, 22b)은 이런 강도의 차수를 가진 압력들을 견딜 수 있다. First, it makes it possible to measure extremely high pressure values while reducing the cost and complexity of manufacturing compared to conventional pressure sensors. In particular, the pressure sensor is not based on its own motion according to the deformation of the membrane (the integral body 16 actually has neither a membrane nor a pupil), but rather within a solid and dense unitary body of monocrystalline silicon. Based on the piezo-resistive effects that occur, pressures can be measured by supporting extremely high values. Indeed, as is known, monocrystalline silicon has a high brake resistance to compression pressure and, depending on the crystallographic direction, has high values in the range of 11200 Kg / cm ² to 35000 Kg / cm ² , so that it occurs within the braking system ( Maximum pressure values (near 1700 Kg / cm ² ) can be fully tolerated. In a similar manner, passivation layer 20 and buffer layers 22a and 22b can withstand pressures of this order of magnitude.

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.The pressure sensor in the present invention performs a differential type of measurement between one or more detection elements and one or more piezoresistive reference elements, and thus is not affected by variations in environmental parameters or expansion of manufacturing. Prove that it does not.

추가로, 압력 감지 영역(23) 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(23) 외부에서 사용될 수 있다.In addition, P ⁺ -type diffused interconnections between the piezo-resistance detection elements inside the pressure sensing region 23 are advantageous. In fact, at high values of pressure P, it is not possible to use ordinary connection techniques (eg aluminum hardening). Instead, these techniques can be used outside the pressure sensing unit 23 to create a connection between the detection elements and the reference elements and to the pads.

마지막으로, 첨부된 청구항들에서 정의된 본원 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서, 상기에 설명되고 예시되었던 것에 수정과 변형이 가해질 수 있다.Finally, modifications and variations may be made to what has been described and illustrated above without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.

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. In particular, the size or appearance of the unitary body 16 may differ from that described and illustrated; In particular, the cross section of the unitary body 16 may be rectangular or circular instead of square.

더 나아가, 압전저항 탐지 소자들(18)과 참조 소자들(24)의 개수는 달라질 수 있다; 심지어 압력(P)을 측정하기에 적합한 단일의 압전저항 탐지 소자(18)가 제공될 수도 있을 것이다. 또한, 휘스톤 브리지 회로(25) 내부의 저항 소자들의 배열도 도시된 것과 달라질 수 있다.Furthermore, the number of piezoresistive detection elements 18 and reference elements 24 may vary; Even a single piezoelectric resistance detection element 18 suitable for measuring the pressure P may be provided. In addition, the arrangement of the resistance elements inside the Wheatstone bridge circuit 25 may also be different from that shown.

압전저항 탐지 소자들(18)은 확산 대신에 이온 착상 기술을 사용하여 형성될 수도 있다.Piezoelectric resistance detection elements 18 may be formed using ion implantation techniques instead of diffusion.

추가로, 도 6에서, 전자 측정 회로(40)는 입력 측정 기기(41)가 단일 다이 상에서 집적되어 형성되도록 압력 감지부(23)와 분리되어 벌크 영역(17) 내의 영역에서 동일 일체형 몸체(16) 내부에 통합될 수 있을 것이다. 특히, 도 6에서, 전자 측정 회로(40)는, 단일의 바이폴라 트랜지스터(42)를 사용하여 극도로 단순화 된 방법으로 도시되었다. 도시되지 않은 방법으로, 전기 절연 영역들이 전자 측정 회로(40)의 전기적 절연을 위해 제공될 수 있을 것이다. In addition, in FIG. 6, the electronic measuring circuit 40 is separated from the pressure sensing unit 23 so that the input measuring device 41 is formed integrally on a single die, and is the same integral body 16 in the region within the bulk region 17. ) Can be integrated inside. In particular, in FIG. 6, the electronic measurement circuit 40 is shown in an extremely simplified manner using a single bipolar transistor 42. In a manner not shown, electrically insulating regions may be provided for electrical isolation of the electronic measurement circuit 40.

마지막으로, 압력 센서(15)는 상기에서 설명된 브레이킹 시스템과는 다른, 고압의 값들을 측정하는 것이 필요한, 응용 분야에서 사용될 수도 있을 것이다.Finally, the pressure sensor 15 may be used in applications where it is necessary to measure values of high pressure other than the braking system described above.

본 발명은 브레이킹 시스템 내에서의 극도로 높은 압력을 측정하는 분야에서사용될 수 있으며, 브레이킹 시스템이 아니더라도 높은 압력을 측정하는 분야에서 사용될 수 있다.The present invention can be used in the field of measuring extremely high pressures in a braking system, and in the field of measuring high pressures even if it is not a braking system.

Claims

As the pressure sensor 15,

A monolithic body 16 of semiconductor material with first and second main surfaces 16a, 16b opposite in direction and separated by a distance w, said monolithic body 16 being the first; An integral body 16 having a bulk area 17 with a sensing part 23, to which pressure P is applied, next to the major surface 16a and

A first piezo-resistance detection element 18 integrated within the sensing section 23 and having a variable resistance as a function of the pressure P,

Said bulk area (17) is a solid and dense area having a thickness substantially equal to said distance (w).

The method of claim 1,

The distance w is substantially constant.

The method according to claim 1 or 2,

The bulk region 17 exhibits a first type of conductivity;

In addition, it further includes piezoelectric resistance detection elements 18 integrated in the sensing unit 23,

The first and additional piezo-resistance detection elements 18 have a second type of conductivity opposite to the first type of conductivity and are obtained by accepting dopants in the detector 23. A pressure sensor each comprising a doped region.

The method according to any one of claims 1 to 3,

The sensor (23) is located at a central position with respect to the bulk area (17), pressure sensor.

The method according to any one of claims 1 to 4,

And further comprising a first piezo resistor reference element 24 which is separate from the sensing unit 23 and is integrated into a portion of the bulk region 17 which is separate from the sensing unit 23, wherein the first piezo resistor reference element 24 includes the pressure. (P) Pressure sensor with constant resistance as changes.

The method of claim 5,

And the first piezo-resistance detection element (18) and the piezoelectric charge reference element (24) are electrically connected.

The method according to claim 5 or 6,

The first piezo-resistance detection element (18) and the first piezo-resistance reference element (24) are electrically connected in a bridge circuit (25).

The method according to any one of claims 3 to 7,

The first and further piezoresistive detection elements 18 are connected to each other by interconnections 30,

The interconnects (30) comprise doped regions having the second type of conductivity and are formed by introducing dopants into the sensing section (23).

The method according to any one of claims 1 to 8,

And a buffer layer (22a) of elastic material, formed over said first major surface (16a) and configured to distribute said pressure (P) in a uniform manner on said sensing section (23).

As the pressure measuring device 41,

A measurement circuit 40 electrically connected to the pressure sensor and the pressure sensor 15,

The pressure sensor (15) is a pressure measuring device made according to any one of the preceding claims.

The method of claim 10,

The pressure sensor (15) and the measuring circuit (40) are integrated in the unitary body (16).

The method according to claim 10 or 11, which depends on claim 5,

The measuring circuit (40) performs a pressure measurement as a function of the difference between the resistances of the first piezo resistance resistor element (18) and the first piezo resistor reference element (24).

As the braking system 1,

Breaking system, characterized in that it comprises a pressure measuring device (41) made according to any of the claims 10-12.

The method of claim 13,

Brake disc (8),

Electronic control unit 4 and

An electromechanical actuator 5 configured to apply a braking action to the brake disc 8 in response to control signals generated by the electronic control unit 4,

The pressure measuring device 51 is configured to measure the pressure P exerted on the brake disc 8 by the electromechanical actuator 5, which is connected to the electronic control unit 4 and the electronics. Breaking system, which feeds back the result of the measurement to a control unit (4).

A pressure measuring method, characterized by using a pressure sensor (15) made according to any of the preceding claims.