帶有高滿刻度值的集成式壓力傳感器的製作方法

2023-09-18 18:29:00

專利名稱：帶有高滿刻度值的集成式壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種由半導體技術製成的集成式壓力傳感器。該傳感器具有高滿刻度值(high Mi-scale value)，並因此能夠測量高壓力。在 不失任何通用性的情況下，下面的說明尤其對這種壓力傳感器，在 BBW(線控制動(Brake-By-Wire ))機電制動系統中的使用做了具體參考。
背景技術：
眾所周知，用於車輛的常用的圓盤制動系統包括固定在車輛相應 車輪上的圓盤、與圓盤相結合的制動鉗和液壓控制電路。摩擦材料墊 片(通常數量是兩個)和連接在液壓控制電路上的一個或多個活塞被容 納在制動鉗內。在使用者操作制動踏板之後，液壓控制電路中的泵使 電路中的流體加壓。因此，裝備了密封元件的活塞離開它們各自的座 位、並將墊片壓向圓盤表面，由此施加對車輪的制動作用。近來，已經提出了所謂的"線控驅動"(Drive-by-Wire)系統，其為車 輛的主要功能提供了電子式控制，諸如轉向系統、離合器和制動系統。 尤其提出了電子式控制的制動系統，在該制動系統中設想用機電促動 器替代液壓式制動鉗。具體而言，適當的傳感器感應制動踏板的操作、 並產生將由電子控制單元接收和解譯的相應電信號。電子控制單元控 制機電促動器(例如由電動機驅動的活塞)的操作，機電促動器通過墊 片在相應的制動圓盤上施加制動動作。電子控制單元還從傳感器接收 信息，該傳感器與包括機電促動器施加的制動作用的制動系統相結 合，以實現閉環反饋控制(例如，通過比例-積分-微分控制器-PID)。電 子控制單元特別接收各促動器施加在相應制動圓盤上的壓力信息。在測量這個壓力時，需要具有高滿刻度值的壓力傳感器。事實上，墊片施加在圓盤上的力在0到最高達15000+35000N範圍內。作用於 墊片的活塞具有的截面面積為大約2 cm2,因此壓力傳感器必須能夠 在滿刻度值高達大約17 00 Kg/cm2或更高的情況下工作。目前，能夠測量如此高壓力值的傳感器製成為帶有應變測量元件 安裝在其上的鐵芯。在壓力的作用下，鐵芯根據胡克定律而變形其中AL表示芯的線尺寸的幾何變化，￡是構成芯的材料的Young's ;溪型，o"是作用在芯上、並與變形尺寸方向平行的壓力。應變測量元 件檢測通過電阻的改變而與應變測量元件相聯繫的芯的幾何變形。然而，出於可靠性、尺寸和成本的原因，這些傳感器僅僅可以應 用和適用於前述類型的制動系統的表徵和研發的目的，而非生產製造 階段。由半導體技術製成的集成壓力傳感器也是已知的。這些傳感器包 括懸在單晶矽矽體空腔上的薄膜片(membrane)。相互連接並形成惠斯 登橋(wheatstone bridge)的壓力電阻元件散布於空腔內。當受壓力時， 膜片變形、並引起壓力電阻元件電阻的改變，因此惠斯登橋不平衡。 特別地,為了形成平衡的惠斯登橋， 一些壓力電阻元件通常受到壓應 力，而其餘的壓力電阻元件受到拉應力。然而，在高壓力時，膜片在垂直方向上受到如此的變形，以至於 其與下部空腔的底部接觸，這樣在輸出提供飽和壓力值。典型地，這 種飽和發生在與前述制動系統中出現的壓力相比明顯要小的壓力(特 別是壓力為大約10Kg/cm2)時。結果，這些壓力傳感器不可用於測量 高壓力。發明內容本發明的目的因此是提供一種具有高滿刻度值、並能夠解決上述 缺點和問題的集成式壓力傳感器。根據本發明，提供了一種由權利要求1限定的集成式壓力傳感器。


為了更好地理解本發明，現在將僅僅通過非限制性的示例並參考附圖來說明本發明的優選實施例，其中圖1圖示了機電線控制動的制動系統的方塊圖，圖2顯示了根據本發明第一實施例而製成的集成式壓力傳感器的透視截面圖，圖3顯示了本發明的第二實施例中的壓力傳感器的截面圖， 圖4是圖5中壓力傳感器的相應電路圖，圖5顯示了根據第二實施例製造的壓力傳感器的示意性頂視圖， 並且，圖6顯示了根照本發明一方面的壓力測量器件。本發明的最佳實施方式圖1顯示了線控制動機電類型的制動系統1的方塊圖，其中包括 制動踏板2;適於檢測制動踏板2的行程C和促動速度v的第一傳感 器3;與第一傳感器3連接的電子控制單元4;與電子控制單元4連 接、並由電動機6和通過蝸杆類型的連接元件(未示出)與電動機6連 接的活塞7所構成的機電促動器5;連接到機電促動器5上、並(以未 示出的本身已知的方式)固定在車輛車輪上的制動圓盤8;適用於採集 關於機電促動器5施加在制動圓盤8上的制動作用的信息的第二傳感 器9,它與電子控制單元4形成反饋連接。在使用中，第一傳感器3向電子控制單元4發送關於制動踏板2 行程C和促動速度v的數據，基於該數據，電子控制單元4為機電促 動器5(尤其是為電動機6)產生控制信號(電壓V或電流I信號)。根據 這個控制信號，電動機6產生驅動轉矩，並通過蝸杆類型的連接元件 將其轉換成活塞7的線性運動。因此，活塞7(通過磨損材料墊片，未示出)壓在制動圓盤8上，以此減慢它的旋轉。第二傳感器9檢測活塞7施加在制動圓盤8上的壓力P的值，並檢測活塞7相對於制動圓盤 8的位置x，並將這些數據在反饋中傳送給電子控制單元4。這樣，電 子控制單元4就對制動動作執行閉環控制(例如PID控制)。根據本發明的一個方面，第二傳感器9包括集成式壓力傳感器 15(圖2)，其由半導體技術製成，並適用於測量活塞7施加在制動圓盤 8上的壓力P。如圖中未示出地，壓力傳感器15容納於機電促動器5 的外殼中，並且它配置成對活塞7施加的壓力P^t感。具體而言，壓力傳感器15包括半導體材料的單塊體16，該半導 體材料優選是具有晶面晶向(100)的N型單晶矽。單塊體16具有正方 形截面，其邊l為例如800um，第一主外表面16a (壓力P作用於其 上)，和第二主外表面16b,其中第二主外表面16b與第一主表面16a 分開大致一致的例如等於400^im的距離w。第一主外表面16a與第二 主表面16b尤其是彼此相對並平行的。單塊體16包括主體區17，在主體區17內、鄰近第一主外表面 16a的位置，形成了由P —型摻雜區構成的壓力電阻檢測元件18 (例如 圖在2中顯示了 4個壓力電阻檢測元件18)。壓力電阻檢測元件尤其 是藉助於摻雜物擴散通過合適的擴散掩模而形成，並具有例如近似矩 形的截面。正如下面將要介紹的那樣，壓力電阻檢測元件的電阻作為 作用在單塊體16上的壓力的函數而變化。單塊體16的主體區17尤 其是實心和緊湊的區域，並具有基本恆定並與距離w相等的厚度。鈍化層20(例如也是由一氧化矽製成)覆蓋單塊體16的第一主外 表面16a，並且，由彈性材料例如聚醯胺構成的第一和第二墊層22a 和22b設置在鈍化層20頂部，並且處於單塊體16的第二主外表面16b 之下。壓力傳感器15的操作是在所謂的壓力電阻效應基礎之上的，根 據壓力電阻效應，作用在壓力電阻元件上的應力引起電阻改變。在半 導體材料諸如矽的情況下，所施加的應力將引起晶格的變化，因此引起主要電荷載體遷移率變更。例如，在矽的情況下，晶格1%的變形 將對應於主要電荷載體遷移率大約30%的變化。這將導致形成在半導 體材料中的電阻元件的電阻發生變化。電阻的改變由同時作用在平行 方向(相對於壓力電阻元件安放平面)的應力(所謂的縱向應力)和垂 直方向(相對於壓力電阻元件安放平面)的應力(所謂的橫向應力)引 起。具體而言，壓力電阻元件電阻的改變通常能夠由下面關係式表達其中A是壓力電阻元件的電阻， 是半導體材料的壓力電阻係數，例 如對於P型單晶矽等於138.1.10-"屍a-'， cr,和q各為作用於壓力電阻元件上的縱向應力和4黃向應力。參考圖2中的壓力傳感器15,單塊體16以能夠測量第一主外表 面16a的在垂直方向上的應力的方式設置。與壓力P重合的橫向壓應 力cjf(負值)和基本上為0的縱向應力cr,(假設撓曲或彎曲現象並未出 現在單塊體16中)作用在各壓力電阻檢測元件18上。具體而言，第 一墊層22a將壓應力均勻地分布在單塊體16第一主外表面16a上，從 而避免能夠引起沿晶格軸線擴展的裂紋的局部(應力)集中。因此， 壓力電阻檢測元件18的電阻變化由下面關係式表達i一—~由此得到，壓力P將引起各個壓力電阻感應元件18的電阻R的增加， 這個電阻R的增加能夠由適當的讀出電路測量得到，以決定壓力P的 值。根據本發明的另一個方面，在圖3中，單塊體16的主體區17尤 其具有壓力敏感部分23，壓力敏感部分23相對於單塊體例如設置在 中心位置(如圖3中的虛線部分的矩形示意性地所示)，待測量的壓力P施加在該中心位置上。作用在壓力敏感部分23之外的壓力而是基本 上為零。壓力電阻檢測元件18形成在壓力敏感部分23之內，同樣是P-型擴散壓力電阻構成的基準元件24,形成在主體區17中、並與壓力 敏感部分23區別並分開的部分。這樣，基準元件24並不表現出作為 壓力P的函數的而變化電阻。圖3具體地顯示了兩個壓力電阻檢測元件18， Ri和R2，和兩個 基準元件24, R3和R4。基準元件24連接到壓力電阻檢測元件18,以 形成惠斯登橋接電路25(圖4)，在惠斯登橋接電路25中可變電阻R! 和R2設置在橋的相對兩側，以增加^:感度。在使用中，惠斯登橋接電路25被供給第一供應電壓Vin，並提供 輸出電壓V。ut。作用在壓力敏感部分23上的壓力P引起壓力電阻檢測 元件18電阻的變化(近似或相同的原理)，而基準元件24的電阻保持 恆定。因此出現惠斯登橋接電路25的不平衡，給出非0輸出電壓V。ut。 適當的電子測量電路(包括至少一個測試裝置放大器)能夠從輸出電壓 V。也測量壓力P。如溫度)中。惠斯登橋接電路25特別的內部設置有利於實現差分測量， 在實現差分測量中，能夠消除由上述環境因素的電阻改變，使得輸出 電壓V。ut和因此測量到的壓力P的值對這些參數不敏感。 壓力傳感器15的可能實施例在圖5中示意性地說明。 具體而言，四個壓力電阻檢測元件18形成在壓力敏感部分23中， 並由P +型擴散區構成的第一互連部30兩兩串聯，/人而形成第一和第 二電阻器(也由Ri和R2表示)。同樣是由P+型擴散區構成的第二互連 部31將第一和第二電阻器R！和R2與壓力敏感部分23的外部連接， 而電接觸部32被提供用來接觸第二互連部41。四個基準元件24形成 在主體區17、與壓力敏感部分33區別並分開的表面部分，並相對於壓力電阻檢測元件18構成類似於鏡面的形式，即，同樣通過兩兩串 聯，而形成第三和第四電阻器(也由R3和R4表示)。第三和第四電阻器113和R4的末端通過第一金屬線34 (例如鋁) 連接到電接觸部32，並與第一和第二電阻器和R2共同形成惠斯登 橋接電路37(圖6)。在圖5中，出於圖示清楚的原因，僅僅將電阻檢 測元件18之間的連接中的一個和基準元件24之間的連接中的一個通 過舉例的方式顯示出。同樣為鋁的第二金屬線35將每個電接觸部32都連接到單塊體16 的第一主表面16a上的各墊片38 (同樣以舉例的方式，僅僅將第二金 屬線中的一個顯示出)。用已知的線焊接工藝方式，例如用電線，能 夠在墊片38與集成有壓力傳感器15所用讀出電子元器件的電子測量 電路之間形成連接。例如，這個電子電路可能放置在更受保護的環境 中，例如通過屏蔽電纜而安放在連接到壓力傳感器15上的控制單元 內。該壓力傳感器具有很多優點。首先，其允許測量極高的壓力值，並且，相對於傳統的壓力傳感 器，降低了成本和生產工藝複雜性。尤其是，壓力傳感器並不是基於 膜片的變形(單塊體16事實上即沒有膜片也沒有空腔)來工作，而M 於發生在實心緊湊單晶矽單塊體中的壓力電阻效應來工作，因此這種 壓力傳感器尤其能夠支持和測量具有極高值的壓力。事實上，如已知 的，單晶矽對在11200Kg/cm4)J 35000Kg/cn^範圍內的壓應力表現出 高的抗斷裂性能，根據晶體取向，它完全有能力支持在制動系統中出 現的最大壓力值(大約1700Kg/cm2)。以相似的方式，鈍化層20和墊層 22a、 22b能夠支持這一數量級的應力。該壓力傳感器在一個或多個檢測元件與一個或多個壓力電阻基 準元件之間進行微分式測量，並因此證明對環境參數或生產範圍的改 變不敏感。其次，在壓力敏感區23內部存在壓力電阻檢測元件18之間的P +型擴散互連是具有優勢的。事實上，假設壓力P的值很高，那麼就 不可能使用常規的連接工藝(例如鍍鋁法)。相反，這些常規的連接工 藝能夠用在壓力敏感區23的外部，以建立檢測元件和基準元件之間 的連接，以及與墊片之間的連接。最後，很顯然，在不背離所附權利要求所限定的本發明範圍的情 況下，可以對本文所述和所示進行修改和變化。尤其是，很顯然，單塊體16的形狀和尺寸能夠與本文所述和所 示的不同；尤其是，單塊體16的截面可以是矩形或圓形的，而不是 正方形。另外，壓力電阻檢測元件18和基準元件34的數量可以不同。甚 至可以僅提供一個適於測量壓力P的壓力電阻檢測元件18。惠斯登橋 接電路25內電阻元件的設置也可以與舉例說明的不同。壓力電阻檢測元件可以通過離子注入工藝(替代擴散工藝)而形成。另外，在圖6中，與壓力傳感器15相聯的電子測量電路40能夠 集成在同一單塊體16(見圖8)內、主體區17中與壓力敏感部分33分 開的區域中，以形成集成在單個晶片上的壓力測量裝置41。尤其是在 圖6中，電子測量電路40以極其簡化的方式(通過單個雙極性晶體 管(single bipolar transistor ) 42 )表達。未示出的電絕緣區能夠為電子 電路50的測量提供電絕緣。最後，很顯然，壓力傳感器15也可有優勢地用於不同於所說明 的制動系統、但需要測量高壓力值的其它應用中。
權利要求
1.一種壓力傳感器(15)，包括具有第一和第二主表面(16a和16b)的半導體材料單塊體(16)，所述第一和第二主表面(16a和16b)彼此相對，並由距離(w)分開，所述單塊體(16)還具有主體區(17)，所述主體區(17)具有敏感部分(23)，所述敏感部分(23)與壓力(P)作用於其上的所述第一主表面(16a)鄰近，和第一壓力電阻檢測元件(18)，且集成在所述敏感部分(23)上，並具有作為壓力(P)的函數而可變的電阻，其特徵在於，所述主體區(17)是實心和緊湊的區域，並具有與所述距離(w)基本相等的厚度。
2. 根據權利要求1所述的壓力傳感器，其特徵在於，所述距離(w) 基本上是恆定的。
3. 根據權利要求1或2所述的壓力傳感器，其特徵在於，所述 主體區(17)顯示第一類傳導率；所述壓力傳感器還包括集成在所述敏 感部分(23)內的其它壓力電阻檢測元件(18),與所述第一類型傳導率相 對，所述第一和所述其它壓力電阻檢測元件(18)各自包括具有第二類 傳導率的摻雜區，所述摻雜區通過在所述敏感部分(23)內引進摻雜物 實現。
4. 根據上述權利要求中任一項所述的壓力傳感器，其特徵在於， 所述敏感部分(23)設置在相對於所述主體區(17)的中間位置。
5. 根據上述權利要求中任一項所述的壓力傳感器，其特徵在於， 還包括集成在所述主體區(17)的部分中、並相對於所述敏感部分(23) 區別並分開的第一壓力電阻基準元件(24),所述第一壓力電阻基準元 件(24)具有隨所述壓力(P)改變而保持恆定的電阻。
6. 根據權利要求5所述的壓力傳感器5，其特徵在於，所述第一 壓力電阻檢測元件(18)和所述第 一壓力電阻基準元件(24)是電氣式地 連接的。
7. 根據權利要求5或6所述的壓力傳感器，其特徵在於，所述 第一壓力電阻檢測元件(18)和所述第一壓力電阻基準元件(24)電氣式 地連接在橋接電路(25)中。
8. 根據權利要求3至7中任一項所述的壓力傳感器，其特徵在 於，所述第一和所述其它壓力電阻檢測元件(18)是由互連部(30)相互連 接的，所述互連部(30)包括具有所述第二類傳導率的摻雜區，所述摻 雜區通過在所述敏感部分(23)內引入摻雜物形成。
9. 根據上述權利要求中任一項所述的壓力傳感器，其還包括彈 性材料墊層(22a)，所述墊層(22a)形成在所述第一主表面(16a)上，並構 造成能夠在所述敏感部分(23)上均勻地分布所述壓力(P)。
10. —種壓力測量裝置(41),包括壓力傳感器(15)和電氣式地連接 到所述壓力傳感器(15)上的測量電路(40)，其特徵在於，所述壓力傳感 器(15)根據權利要求1至9中任一項所述而製成。
11. 根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述壓力傳感 器(15)和所述測量電路(40)集成在所述單塊體(16)內。
12. 根據從屬於權利要求5的權利要求10或11所述的裝置，其 特徵在於，所述測量電路(40)根據所述第一壓力電阻檢測元件(18)和所 述第一壓力電阻基準元件(24)之間的電阻差異，來進行壓力測量。
13. —種制動系統(l),其特徵在於包括根據權利要求10至12中 任一項製成的壓力測量裝置(41)。
14. 根據權利要求13所述的系統，其包括制動圓盤(8)，電子控 制單元(4)和機電促動器(5),機電促動器(5)配置成對所述電子控制單 元(4)產生的控制信號作出響應而在所述制動圓盤(8)上施加制動作用， 其特徵在於，所述壓力測量裝置(41)配置成用於執行由所述機電促動 器(5)施加在所述制動圓盤(8)上的壓力(P)的測量，所述壓力測量裝置 (41)連接到所述電子控制單元(4)，以在反饋中向所述電子控制單元(4) 提供所述測量。
15. —種壓力測量方法，其特徵在於，使用根據權利要求1至9 中任一項製成的壓力傳感器(15)。
全文摘要
本發明涉及了帶有高滿刻度值的集成式壓力傳感器。具體而言，在帶有高滿刻度值的集成式壓力傳感器(15)中，半導體材料單塊體(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)相對，並由基本相等的距離(w)分開。單塊體(16)具有主體區(17)，主體區(17)具有鄰近於第一主表面(16a)(壓力(P)作用於其上)的敏感部分(23)。第一壓力電阻檢測元件(18)集成在敏感部分(23)中，並具有作為壓力(P)的函數的可變電阻。主體區(17)是實心並且緊湊的區域，並具有基本上等於距離(w)的厚度。
文檔編號G01L1/18GK101268348SQ200580051619
公開日2008年9月17日 申請日期2005年7月22日 優先權日2005年7月22日
發明者A·L·維塔利, G·裡科蒂, L·德拉託雷, M·莫雷利 申請人:意法半導體股份有限公司