带有双测量刻度和高满刻度值的集成式压力传感器

摘要

本发明涉及带有双测量刻度和高满刻度值的压力传感器。具体而言，具有双测量刻度的压力传感器(15)，包括：半导体材料单块体(16)，该单块体(16)具有第一主表面(16a)、主体区(17)、和压力(P)作用于其上的敏感部分(33)；形成在单块体(16)中、并由膜片(19)与第一主表面(16a)分隔的空腔(18)，膜片(19)设置在敏感部分(33)中、并由主体区(17)环绕，膜片(19)是柔性的，并作为压力(P)的函数是可变形的；对压力(P)的第一值敏感的压力电阻型低压力感应元件(28)，压力电阻型低压力感应元件(28)集成在膜片(19)内，并具有作为膜片(19)变形的函数而可变化的电阻；另外，同样是压力电阻型的高压力感应元件(29)形成在主体区(17)中的敏感部分(33)内，并具有作为压力(P)的函数而可变的电阻。高压力感应元件(29)对压力(P)的第二值敏感。

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有双测量刻度和高满刻度值(high full-scalevalue)的集成式压力传感器。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，即Break-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本身中的流体加压。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(例如2000Kg/cm²)的情况下工作。进一步地说，需要用以双测量刻度的方式完成压力测量，也即是，以第一精度来测量低压力，并且以小于第一精度的第二精度来测量高压力。

目前，已存在能够测量高压力值的传感器，其由安装有应变测量元件的铁芯制成。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变化而与应变测量元件相关联的芯的几何变形。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。另外，它们不具有高精度，并只装备有单个测量刻度。

由半导体技术制造的集成压力传感器也是已知的。这些传感器典型地包括悬在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。然而，这些传感器不能用于测量高压，因为它们只有低的满刻度值(尤其是大约10Kg/cm²)，明显低于在前面介绍的制动系统中产生的压力值。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种能够解决上述缺点和问题的压力传感器，尤其是具有双测量刻度和高满刻度值的压力传感器，以使得高压力值和低压力值都能够测量。

根据本发明，提供了一种由权利要求1限定的、带有双测量刻度的压力传感器。

附图简述

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压力传感器的截面，

图3和4显示了图2中所示压力传感器生产工艺的初始步骤，

图5显示了本发明的第二实施例中的压力传感器的截面图，

图6是图5中压力传感器的相应电路图，

图7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8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显示了机电类型(所谓的″线控制动″)的制动系统1的方块图，其中包括：制动踏板2；适于感应制动踏板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包括集成压力传感器15(图2)，其由半导体技术制成，并配置成用于测量活塞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。

具体如图2中(并未如下面图一样按比例)所示，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15mm，第一主外表面16a(待测量的压力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相对并平行，并与第一主表面16a分开大致一致的例如等于375μm的距离w。

单块体16包括主体区17和内置于单块体16内的空腔18。空腔18具有正方形截面，其边长例如为300μm，并且其厚度为大约1μm(尤其是，空腔18的尺寸与单块体16的尺寸相比是相当小的)。空腔18通过厚度例如为0.5μm的膜片19而与第一主外表面16a隔开，并由主体区17围绕。膜片19是柔性的，并能够在外部作用力下发生挠曲；尤其是如下文中详细介绍的那样，作为作用在单块体16上的压力P的函数，膜片19会发生变形。另外，膜片19的厚度小于空腔18的深度，以避免可能引起断裂的、与膜片19的约束点相对应的剪切应力。

例如，空腔18能够根据在2004年3月19日以相同的申请人姓名提出的欧洲专利申请04425197.3中所介绍的制造工艺而形成。

简而言之，图3中的工艺最初设想用于待沉积在第一主外表面16a上的抗蚀层，抗蚀层然后被刻划以形成掩模22。掩模22具有近似正方形区域，并包括限定了蜂窝栅格(如图3的局部放大图所示)的许多六角形掩模部分22a。例如，掩模部分22a的相对两边之间的距离t等于2μm，而相邻掩模部分22a相对边之间的距离d等于1μm。

然后到图4，通过使用掩模22来执行单块体16的非匀质蚀刻，并根据该工艺而形成具有例如深度为10μm的槽23，这些槽23互通并限定了硅柱24的数量。在实践中，槽23形成了形状复杂的、且柱24在其中延伸的开放区25。

然后，把掩模22移除，并在脱氧环境中实现外延生长。结果是，外延层在柱24的上部生成并在上部闭合了开放区25。然后执行加热退火步骤，这一步骤引起硅原子的迁移，硅原子倾向于移进低能量位置。因上述原因和柱24之间的紧密距离的原因，硅原子从柱24部分完全迁移进入开放区25，因而形成了内置于单块体16内的空腔18(图2)。薄硅层留在空腔18顶部，并且部分地由外延生长的硅原子形成，且部分地由形成膜片19的迁移的硅原子所形成。

由P^-型掺杂区构成的第一压力电阻感应元件28设在膜片19内。通过适合的扩散掩模而使掺杂原子扩散，从而形成第一压力电阻感应元件28，它们具有例如近似于矩形的截面；另外，将压力电阻感应元件28连接在惠斯登桥接电路中。如下面介绍的那样，第一压力电阻感应元件28的电阻作为膜片19的变形的函数而变化。

在主体区17的表面部分中，在相对于膜片19分开的单独位置，提供了第二压力电阻感应元件29，它们也由扩散形成的P^-类掺杂区构成。第二抗压感应元件29与膜片19分开一段不小于50μm的距离，以使其不受作用在膜片19上的应力的影响。尤其是，第二压力电阻感应元件29集成在厚度基本上等于距离w的主体区17的实心紧凑部分中。

一氧化硅类型的集中区30设置在单块体16第一主外表面16a的上且邻近膜片19，以集中膜片19上的压力P，迫使膜片19变形。另外，钝化层31(例如也是由一氧化硅制成)覆盖第一主外表面16a和集中区30，并且，由弹性材料例如聚酰胺制成的第一和第二垫层32a和32b设置在钝化层31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，在同时引起压力电阻元件尺寸变化的同时，所施加的应力将引起晶格的变化、主要电荷载体迁移率的变更和电阻变化。例如，在硅中，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。电阻的改变尤其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。通常，压力电阻元件电阻的改变能够由下面关系式表达：

$\frac{\mathrm{\Delta R}}{R}=\frac{{\pi }_{44}}{2}({\sigma }_l-{\sigma }_t)$

其中R是压力电阻元件的电阻，ΔR是电阻的改变，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138.1·10^-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。

压力P尤其会导致通过集中区30而被迫变形的膜片19的变形。这一变形诱发了在第一压力电阻感应元件28上的纵向和横向机械应力，并因而改变电阻值。第一压力电阻感应元件28通常设置成能够在其一部分上产生压应力、而在其余部分产生拉应力的形式，以此增加惠斯登桥接电路的灵敏度。第一压力电阻感应元件28的电阻变化引起惠斯登桥接电路的不平衡，并被适当的读出电路感应

另外，压力P基本上在每个第二压力电阻感应元件29上都引起横向压应力σ_t(负值)，而纵向应力σ_l在第二压力电阻感应元件29的作用基本上是零(假设挠曲或弯曲现象并未出现在单块体16中)。具体而言，第一垫层32a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，第二压力电阻感应元件29的电阻变化由下面关系式表达：

$\frac{\mathrm{\Delta R}}{R}=-\frac{{\pi }_{44}}{2}·{\sigma }_t$

由此得到，压力P将引起各个第二压力电阻感应元件29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

具体而言，本发明的一个方面是基于对压力P低值的观察基础上的，实践证明第二压力电阻感应元件29的变形可以忽略；相反地，膜片19强制变形，这一变形将引起第一压力电阻感应元件28相应的变形，第一压力电阻感应元件28的变形由读出电路测得，以提供所施加压力P的测量值。随着压力P增加，膜片19的变形也增大，直到膜片19与下方空腔18的底部接触，从而使在输出处提供的压力值饱和(因为进一步的变形是不可能的)。这种饱和尤其出现在压力P值在10÷15Kg/cm²范围内时。这时，压力P的进一步增大将开始影响整个第一主外表面16a，并引起第二压力电阻感应元件29的电阻的显著变化，压力P值由此而导出。

因此，由第一和第二压力电阻感应元件28和29提供的压力是相互独立和相互补充的，它们出现在不同的压力P值时。因此，压力传感器15具有对压力P的低值有效的、且满刻度值为大约10÷15Kg/cm²(由膜片19和形成低压力敏感元件的第一压力电阻感应元件28决定，并共同形成低压敏感元件)的第一测量刻度，以及对压力P的高值有效的、且满刻度值为大约2000Kg/cm²(由共同形成低压力敏感元件的第二压力电阻感应元件29决定)的第二测量刻度。假定膜片19对压力P的平缓小变化敏感，那么第一测量刻度具有比第二测量刻度高的精度。

压力传感器15对高压力具有相当大的阻力。事实上，如已知的单晶硅对压应力表现出高的断裂阻力，具有的阻力值在11200Kg/cm²到35000Kg/cm²范围内，根据晶体的取向，单晶硅完全能够耐受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31和垫层32a、32b能够耐受这一数量级的压力。此外，膜片19在垂直方向上的挠曲将通过减少空腔18的深度来限制，这样就避免膜片19在高压力值下断裂。

根据本发明的另一个方面，在图5中，压力P仅仅被引导至单块体16一部分上。单块体16尤其具有压力敏感部分33，压力敏感部分33相对于单块体设置在中心位置(如图5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33之外的压力而是基本上为零。

第一和第二压力电阻感应元件28和29形成在压力敏感部分33之内，而压力电阻基准元件34，尤其是P^-型扩散电阻器，形成在主体区17部分中，区别于压力敏感部分33并与其分开。因此，压力电阻基准元件34并不表现出作为压力P之函数的电阻变化。尽管如此，压力电阻基准元件34对感应元件所处的相同环境参数(例如温度)敏感。

图5详细地显示了四个由R_a-R_d表示的第一压力电阻感应元件28，两个由R₁和R₂表示的第二压力电阻感应元件29，以及由R₃和R₄表示的两个压力电阻基准元件34。

其中两个第一压力电阻感应元件28的R_a和R_b设置在膜片19的相对的外围部分，从而主要用于感应拉应力，而其余的第一压力电阻感应元件28的R_c和R_d设置在膜片19的内部，主要用于感应压应力。连接第一压力电阻感应元件28，以形成第一惠斯登桥接电路36(图6)，其中可在相同的方向上变化的电阻器设置在桥的相对两侧，以增加电路的灵敏度。第一惠斯登桥接电路36被供给第一供应电压V_in1，并提供第一输出电压V_out1。

压力电阻基准元件34又连接到第二压力电阻感应元件29上，以形成第二惠斯登桥接电路37，其中，压力变电阻器R₁和R₂设置在桥的相对两侧，以增加其灵敏度。第二惠斯登桥接电路37被供给第二供应电压V_in2，并提供第二输出电压V_out2。第二惠斯登桥接电路37特别的内部设置有利于允许进行微分测量，根据这种微分测量可以消除由于环境参数引起的电阻变化，使得第二输出电压V_out2和因此测得的压力P值对这些参数不敏感。

尤其是，第一和第二压力电阻感应元件28和29是非电气式连接地在一起的，并是两个单独的独立电子读出电路(如前面指出地实现压力传感器15的两个测量刻度)的一部分。尤其是，对于压力P的低值，第二输出电压V_out2基本上是零，而第一输出电压V_out1由适合的电子测量电路(已知类型并包括至少一个测试装置放大器)使用，以测量压力P。相反，对于压力P的高值，第一输出电压V_out1饱和，而电子测量电路通过第二输出电压V_out2测量压力P。

压力传感器15的可能实施例在图7中示意性地说明。

具体而言，第一压力电阻感应元件28在压力敏感部分33的中心区域33a形成，并相互连接以形成第一惠斯登桥接电路36(图6)。另外，四个第二压力电阻感应元件29形成在压力敏感部分33中，并两两串联，从而形成第一和第二电阻器(也由R₁和R₂表示)。P⁺型扩散区构成的第一互连部40在压力敏感部分33内提供电气式连接，而同样是由P⁺型扩散区构成的第二互连部41提供了至压力敏感部分33外部的连接，从而提供了用于接触第二互连部41的电接触部42。

四个压力电阻基准元件34形成在压力敏感部分33外侧，并相对于第二压力电阻感应元件29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末端通过第一金属线44(例如铝)连接到电接触部42，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)。同样为铝的第二金属线45将每个电接触部42都连接到单块体16第一主表面16a上的各垫片48。在图7中，出于图示清楚的原因，仅仅将第一和第二金属线44和45中的一个通过举例的方式显示出。通过本身已知的线焊接工艺方式，能够在垫片48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。相对于制动系统而言，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，它具有高满刻度值，并能够以双测量刻度来测量压力，其中更高精度的第一测量刻度用于低压力测量，而低精度的测量刻度用于测量高压力值。尤其是，所述的压力传感器将高压力敏感元件和低压力敏感元件集成在半导体材料制成的同一单块体上，相对于传统的压力传感器，降低了成本和生产工艺复杂性。

该压力传感器在一个或多个感应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33内的压力电阻感应元件之间的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33的外部，以建立感应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。甚至空腔18可以具有与所显示的形状不同的形状，诸如多边形截面。

另外，第一和第二压力电阻感应元件28和29和压力电阻基准元件34的数量和设置可以不同。

感应元件和压力电阻基准元件可以通过离子注入工艺(替代扩散工艺)而形成。

电子测量电路50能够集成在单块体16(见图8)内主体区17的与压力敏感部分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51。尤其是在图8中，连接到压力传感器15(未示出)的电子测量电路5通过单个双极性晶体管(single bipolar transistor)52来表达。未示出的电绝缘区能够为电子电路50的测量提供电绝缘。

另外，低压敏感元件能够与不同于所介绍类型的、对待测压力P高值敏感的高压力敏感元件相关联。在这种情况下，一般的构思同样是继续适用的，即，用低压敏感元件(膜片和相关的压力电阻元件)测量压力P低值和用高压力敏感元件来测量高于低压敏感元件饱和阈值的压力P值(这两个敏感元件因此提供了独立且互补的测量)。

单块体16可具有多个压力敏感区，每个压力敏感区都包括高压力敏感元件和低压敏感元件，并测量不同的压力。

最后，很显然，压力传感器15也可有优势地用于需要以双测量刻度来测量高压力值的其它应用中。