壓力傳感器、壓力測(cè)量設(shè)備以及制動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本公開涉及一種壓力傳感器、壓力測(cè)量設(shè)備以及制動(dòng)系統(tǒng)，壓力傳感器(15)帶有雙測(cè)量刻度，包括：柔性本體(16，34)，設(shè)計(jì)成根據(jù)壓力(P)而經(jīng)受偏轉(zhuǎn)；壓阻轉(zhuǎn)換器(28，29；94)，用于檢測(cè)偏轉(zhuǎn)；第一聚焦區(qū)域(30)，設(shè)計(jì)成在第一操作條件過程中將壓力(P)的第一值(PINT1)集中在柔性本體的第一部分(19)中，以便使柔性本體的第一部分發(fā)生偏轉(zhuǎn)；以及第二聚焦區(qū)域(33)，設(shè)計(jì)成在第二操作條件過程中將所述壓力(P)的第二值(PINT2)集中在柔性本體的第二部分(17)中，以便使柔性本體的第二部分發(fā)生偏轉(zhuǎn)。壓阻轉(zhuǎn)換器將柔性本體的第一部分的偏轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)至第一壓力值(PINT1)，并且將柔性本體的第二部分的偏轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)至第二壓力值(PINT2)。
【專利說明】
壓力傳感器、壓力測(cè)量設(shè)備以及制動(dòng)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種具有雙測(cè)量刻度的集成壓力傳感器、包括該集成壓力傳感器 的壓力測(cè)量設(shè)備以及制動(dòng)系統(tǒng)。特別地，之后的處理將在不暗指失去任何一般性的情況下 明確參照所述傳感器在車輛的制動(dòng)系統(tǒng)中的使用，特別是BbW(線控制動(dòng)器)類型的機(jī)電制 動(dòng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 如已知的，車輛的常規(guī)類型的盤式制動(dòng)系統(tǒng)包括相對(duì)于車輛的相應(yīng)輪固定的盤、 與盤相關(guān)聯(lián)的卡鉗(cal I iper )、以及液壓控制電路。卡鉗在其中容納有摩擦材料制成的墊 以及連接至液壓控制電路的一個(gè)或多個(gè)活塞。當(dāng)車輛的使用者在制動(dòng)踏板上施加一個(gè)動(dòng)作 之后，液壓控制電路中的栗對(duì)包含在電路自身中的流體加壓。因此，配備有專門設(shè)置的密封 元件的活塞脫出相應(yīng)的支座并且按壓墊以抵靠盤的表面，從而以這種方式在輪上施加制動(dòng) 動(dòng)作。
[0003] 目前，已提出所謂的DbW(線控驅(qū)動(dòng)）系統(tǒng)，其構(gòu)想車輛的主要功能的電子控制，例 如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、離合器和制動(dòng)系統(tǒng)。特別地，已提出電子控制的制動(dòng)系統(tǒng)，其構(gòu)想使用機(jī)電類 型的致動(dòng)器來代替液壓卡鉗。詳細(xì)而言，適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳈z測(cè)制動(dòng)踏板的操作并且產(chǎn)生對(duì)應(yīng) 的電信號(hào)，該電信號(hào)由電子控制單元接收和解釋。電子控制單元然后控制機(jī)電致動(dòng)器(例如 由電子電極驅(qū)動(dòng)的活塞)的介入，其通過墊在對(duì)應(yīng)制動(dòng)盤上作用制動(dòng)動(dòng)作。電子控制單元進(jìn) 一步從與制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的傳感器接收與由機(jī)電致動(dòng)器作用的制動(dòng)動(dòng)作有關(guān)的信息，從而例 如通過PID(比例積分微分)控制器提供適當(dāng)?shù)拈]合環(huán)路反饋控制。
[0004] 為了測(cè)量前述電壓，同時(shí)在低壓和高壓下具有高靈敏度并且類似地具有高的全刻 度值的壓力傳感器是必要的。實(shí)際上，特別需要以雙測(cè)量刻度來測(cè)量壓力，以便以高的精度 同時(shí)測(cè)量低壓和高壓。此外，根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)，墊按壓抵靠盤的力可呈現(xiàn)從ON至處于10000N至 35000N范圍內(nèi)的最大值。
[0005]當(dāng)前已知存在能夠測(cè)量高壓值的傳感器，其由鋼芯制成，芯上固定有應(yīng)變片元件。
[0006] 應(yīng)變片元件通過電阻的變化來檢測(cè)它們所關(guān)聯(lián)的芯的幾何變形。然而，出于可靠 性、尺寸和成本的原因，這些傳感器僅僅應(yīng)用和適用于先前描述類型的制動(dòng)系統(tǒng)的表征和 改進(jìn)，而不用在制造階段。此外，它們不具有高精度且僅僅具有一個(gè)測(cè)量刻度。
[0007] 類似已知的是通過半導(dǎo)體技術(shù)獲得的集成壓力傳感器。這些傳感器通常包括懸置 在硅本體中開出的腔之上。在薄膜內(nèi)擴(kuò)散的是連接在一起以形成惠特斯通電橋的壓阻元 件。當(dāng)承受壓力時(shí)，薄膜經(jīng)受變型，導(dǎo)致壓阻元件的電阻變化以及惠特斯通電橋的不平衡。 然而，這種傳感器可能不會(huì)用于測(cè)量高壓，因?yàn)樗鼈兙哂械偷娜潭戎担磍Okg/cm 2區(qū)域中 的），特別地顯著低于先前描述的制動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的壓力值。
[0008] EP1907811公開了一種對(duì)前述問題的解決方案，其中，為了測(cè)量高壓，提議薄膜傳 感器設(shè)置有第一壓阻元件和第二壓阻元件，第一壓阻元件設(shè)置在薄膜的鄰近區(qū)域，第二壓 阻元件設(shè)置成與薄膜相距一定距離，處于實(shí)心和緊湊的塊體區(qū)域中。第一壓阻元件設(shè)計(jì)成 檢測(cè)在低壓下經(jīng)受變型的薄膜的偏轉(zhuǎn)，直到到達(dá)最大偏轉(zhuǎn)(飽和）。第二壓阻元件設(shè)計(jì)成檢 測(cè)由于超出薄膜的飽和壓力的壓力增加而作用在第二壓阻元件上的橫向類型(但并非是縱 向的，因?yàn)閴K體區(qū)域不存在彎折或彎曲現(xiàn)象)的壓力。
[0009] 這種類型的傳感器提供低壓（由第一壓阻元件提供的信號(hào)）下的良好測(cè)量準(zhǔn)確度， 但在高壓（由第二壓阻元件提供的信號(hào)）下測(cè)量準(zhǔn)確度差。此外，這種類型的傳感器不會(huì)區(qū) 分低于最小檢測(cè)閾值的壓力變化。
[0010] 為了制動(dòng)系統(tǒng)的反饋-控制系統(tǒng)可選地起作用，有利的還有使得高壓下進(jìn)行的測(cè) 量準(zhǔn)確并且對(duì)最小壓力變化敏感。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011] 本實(shí)用新型旨在解決前面突出強(qiáng)調(diào)的問題，特別是將呈現(xiàn)雙測(cè)量刻度、高的全刻 度值、以及高準(zhǔn)確度和靈敏度，以便以良好的精度水平同時(shí)測(cè)量高壓和低壓。
[0012] 根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供了一種壓力傳感器，具有雙測(cè)量刻度，所述壓力傳感 器被配置成接收沿著一個(gè)方向作用的壓力，所述壓力傳感器包括:柔性本體，適于根據(jù)所述 壓力而至少部分地經(jīng)受偏轉(zhuǎn);第一襯底，被布置為面向所述柔性本體的第一側(cè);轉(zhuǎn)換組件， 被配置成根據(jù)所述柔性本體的相應(yīng)的第一部分和第二部分的偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生第一輸出信號(hào)和 第二輸出信號(hào);第一聚焦區(qū)域，被布置在所述第一襯底與所述柔性本體之間，所述第一聚焦 區(qū)域被配置成在第一操作條件期間將所述壓力中的第一值集中在所述柔性本體的所述第 一部分中，從而僅僅使得所述柔性本體的所述第一部分產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)；以及第二聚焦區(qū)域，被布 置在所述第一襯底與所述柔性本體之間，所述第二聚焦區(qū)域被配置成在第二操作條件期間 將所述壓力中的第二值集中在所述柔性本體的第二部分中，從而使得所述柔性本體的所述 第二部分產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)換組件配置成:在所述第一操作條件期間，通過將所述柔性本體 的所述第一部分的所述偏轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)至所述第一壓力值來產(chǎn)生所述第一輸出信號(hào)；以及在所述 第二操作條件期間，通過將所述柔性本體的所述第二部分的所述偏轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)至所述第二壓力 值來產(chǎn)生所述第二輸出信號(hào)。
[0013] 優(yōu)選的，所述壓力傳感器進(jìn)一步包括位于所述第一襯底與所述柔性本體之間的第 一腔，其中所述第一聚焦區(qū)域在所述第一腔中延伸且具有等于存在于所述第一襯底與所述 柔性本體之間的距離的第一厚度，并且所述第二聚焦區(qū)域在所述第一腔中延伸且具有小于 所述第一厚度的第二厚度。
[0014] 優(yōu)選的，所述第二聚焦區(qū)域從所述第一襯底伸出并且至少部分地圍繞所述第一聚 焦區(qū)域，并且其中所述第一襯底被配置成沿著施加所述壓力的所述方向經(jīng)受偏轉(zhuǎn)，其中通 過所述第二聚焦區(qū)域與所述柔性本體的接觸而觸發(fā)從所述第一操作條件向所述第二操作 條件的過渡。
[0015] 優(yōu)選的，所述壓力傳感器進(jìn)一步包括:第二襯底，面向所述柔性本體的與所述第一 側(cè)相反的第二側(cè)；以及間隔件，在所述第二襯底與所述柔性本體之間延伸，所述間隔件限定 第二腔，所述柔性本體懸置在所述第二腔之上，使得所述柔性本體形成適于在所述第二操 作條件期間經(jīng)受偏轉(zhuǎn)的第二薄膜。
[0016] 優(yōu)選的，所述壓力傳感器進(jìn)一步包括在所述柔性本體內(nèi)延伸的埋置腔，所述埋置 腔直接地面向所述柔性本體的所述第一部分，使得所述柔性本體的所述第一部分以懸置在 所述埋置腔上的方式延伸以形成第一薄膜。
[0017] 優(yōu)選的，所述第二聚焦區(qū)域沿著所述方向測(cè)量的厚度以及所述埋置腔沿著所述方 向測(cè)量的幅度被選擇，以使得所述第一薄膜在所述第二聚焦區(qū)域與所述柔性本體接觸時(shí)與 所述第二腔的底部接觸。
[0018] 優(yōu)選的，所述埋置腔具有沿著所述壓力作用的所述方向測(cè)量的幅度，所述幅度等 于在所述第二聚焦區(qū)域處測(cè)量的所述第一腔的相應(yīng)延伸。
[0019] 優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)換組件包括至少部分地布置在所述第一薄膜中的第一壓阻元件。
[0020] 優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)換組件進(jìn)一步包括第二壓阻元件，所述第二壓阻元件在所述第一 薄膜外部布置在所述柔性本體的所述第二部分中。
[0021] 優(yōu)選的，所述柔性本體的容納所述第二壓阻元件的所述第二部分為所述柔性本體 的實(shí)心和緊湊區(qū)域。
[0022] 優(yōu)選的，所述第一壓阻元件一起被電連接成設(shè)計(jì)為供應(yīng)所述第一輸出信號(hào)的惠特 斯通電橋電路或環(huán)形振蕩電路;并且所述第二壓阻元件一起被電連接成設(shè)計(jì)為供應(yīng)所述第 二輸出信號(hào)的惠特斯通電橋電路或環(huán)形振蕩電路。
[0023]優(yōu)選的，壓力的所述第一值小于壓力的所述第二值，特別地，壓力的所述第一值被 包括在0-20N的范圍之間，而壓力的所述第二值大于20N。
[0024]優(yōu)選的，所述柔性本體包括:單片式區(qū)域，具有沿著所述壓力作用的所述方向在所 述第二部分測(cè)量的厚度，該厚度包括在50μπι與900μπι之間；以及界面層，在所述單片式區(qū)域 與所述第一聚焦區(qū)域和所述第二聚焦區(qū)域之間延伸，所述界面層適于將所述壓力均勻分布 在所述單片式區(qū)域上。
[0025]優(yōu)選的，所述第一薄膜具有沿著所述壓力作用的所述方向測(cè)量的厚度，該厚度包 括在Iwii與60μηι之間。
[0026]優(yōu)選的，所述壓力傳感器進(jìn)一步包括電感器，所述電感器具有集成在所述柔性本 體的第一繞組以及集成在所述第一襯底中的第二繞組，以形成用于所述第一輸出信號(hào)和/ 或所述第二輸出信號(hào)與外部讀取電路通信的接口。
[0027]優(yōu)選的，所述壓力傳感器進(jìn)一步包括集成在所述柔性本體中的第一繞組，所述第 一繞組被配置成與位于所述壓力傳感器外部的印刷電路板的第二繞組感應(yīng)地耦合，以形成 用于所述第一輸出信號(hào)和/或所述第二輸出信號(hào)與所述印刷電路板通信的接口。
[0028] 根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種壓力測(cè)量設(shè)備，包括傳感器組件和測(cè)量電路， 所述測(cè)量電路被電連接至所述組件傳感器，所述傳感器組件包括前述壓力傳感器。
[0029] 優(yōu)選的，所述測(cè)量電路集成在所述壓力傳感器的所述柔性本體中。
[0030] 根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種制動(dòng)系統(tǒng)，所述制動(dòng)系統(tǒng)包括前述壓力測(cè)量 設(shè)備。
[0031] 優(yōu)選的，所述的制動(dòng)系統(tǒng)包括:前述壓力測(cè)量設(shè)備;制動(dòng)盤；以及機(jī)電致動(dòng)器，被配 置為使得響應(yīng)于由所述壓力測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的控制信號(hào)而在所述制動(dòng)盤上施加制動(dòng)動(dòng)作。
[0032] 因此，本公開的實(shí)施例能夠克服前述缺點(diǎn)和問題，并且特別地將呈現(xiàn)雙測(cè)量刻度、 高的全刻度值、以及高準(zhǔn)確度和靈敏度，以便以良好的精度水平同時(shí)測(cè)量高壓和低壓。
【附圖說明】
[0033] 為了更好地理解本實(shí)用新型，現(xiàn)在將僅僅以實(shí)例的方式并參照附圖描述本實(shí)用新 型優(yōu)選實(shí)施例，附圖中：
[0034] 圖1示出了線控制動(dòng)機(jī)電類型的制動(dòng)系統(tǒng)的框圖；
[0035] 圖2為根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例獲得的壓力傳感器的截面圖（未成比例）；
[0036] 圖3示出了集成在圖2的壓力傳感器中由壓阻元件形成的惠特斯通電橋；
[0037]圖4為圖2的壓力傳感器的透視圖；
[0038] 圖5為根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例獲得的壓力傳感器的截面圖（未成比例）；
[0039] 圖6為根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例獲得的壓力傳感器的截面圖（未成比例）；
[0040] 圖7示出了根據(jù)傳感器自身在使用中受到的壓力而變的從圖6的壓力傳感器的輸 出產(chǎn)生的電信號(hào)；以及
[0041] 圖8至圖12示出了設(shè)計(jì)成傳遞從壓力傳感器的輸出處根據(jù)傳感器傳感器在使用中 受到的壓力而產(chǎn)生的電信號(hào)的傳感器的相應(yīng)實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 圖1示出了機(jī)電類型的制動(dòng)系統(tǒng)1(所謂的"線控制動(dòng)"系統(tǒng)）的框圖，包括：制動(dòng)踏 板2;第一傳感器3，設(shè)計(jì)成檢測(cè)制動(dòng)踏板2的行程C和致動(dòng)速度V;電子控制單元4，連接至第 一傳感器3;機(jī)電致動(dòng)器5,連接至電子控制單元4,并且由發(fā)動(dòng)機(jī)6和活塞7構(gòu)成，活塞例如通 過蝸桿類型的連接元件(未示出）而連接至發(fā)動(dòng)機(jī)6;制動(dòng)盤8,連接至機(jī)電致動(dòng)器5并且相對(duì) 于車輛的輪固定（以已知的方式且未示出）；以及第二傳感器9,設(shè)計(jì)成檢測(cè)與由機(jī)電致動(dòng)器 5作用在制動(dòng)盤上的制動(dòng)動(dòng)作有關(guān)的信息，并且反饋連接至電子控制單元4。
[0043] 在使用中，第一傳感器3將與制動(dòng)踏板2的行程C和致動(dòng)速度V有關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送給電 子控制單元4,該電子控制單元根據(jù)所述數(shù)據(jù)而產(chǎn)生用于機(jī)電致動(dòng)器5(特別是用于發(fā)動(dòng)機(jī) 6)的控制信號(hào)（以電壓V或電流I的形式）。根據(jù)是控制信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)6產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩由蝸 桿類型的連接元件轉(zhuǎn)化成活塞7的線性運(yùn)動(dòng)。因此，活塞7按壓在制動(dòng)盤8上(通過由摩擦材 料制成的墊，未示出），以便制動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。第二傳感器9檢測(cè)由活塞7作用在制動(dòng)盤8上的壓力 P以及活塞7相對(duì)于制動(dòng)盤8的位置X，并且將所述反饋數(shù)據(jù)發(fā)送給電子控制單元4。電子控制 單元4因此執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作的閉合環(huán)路控制(例如PID控制）。
[0044] 根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，第二傳感器9包括根據(jù)在下文中描述的任一實(shí)施例 的壓力傳感器，特別是集成類型的，該第二傳感器通過MEMS技術(shù)獲得并且設(shè)計(jì)成測(cè)量由活 塞7作用在制動(dòng)盤8上的壓力P。以未示出的方式，壓力傳感器15容納在機(jī)電致動(dòng)器5的殼體 中，并且以對(duì)由活塞7施加的壓力P敏感的方式配置。
[0045] 詳細(xì)而言，如圖2所示，在正交軸X、Y、Z的參考系中，壓力傳感器15包括由半導(dǎo)體材 料(優(yōu)選是硅，特別是單晶硅)制成的單片式本體16,例如為N型且晶面定向?yàn)椋?00)。該單片 式本體16具有四邊形截面，例如具有邊1(沿著軸線X或Y測(cè)量)的方形，該邊介于Imm與20_ 之間，優(yōu)選介于IOmm與15mm之間，頂部由第一表面16a界定而底部由第二表面16b界定，第二 表面與第一表面相反且平行。單片式本體16具有的厚度(在第一和第二表面16a、16b之間沿 著Z測(cè)量)等于w且大致均勻，例如介于50μπι與900μπι之間，優(yōu)選介于500μπι與900μπι之前，特別 是等于720μπι。
[0046] 單片式本體16包括塊體區(qū)域17和第一腔18,該第一腔埋置在單片式本體16中。第 一腔18具有例如方形的橫截面，其邊長(zhǎng)介于300μπι與400μπι之間并且厚度(沿著軸線Z)測(cè)量 介于2μηι與6μηι之間，例如為4μηι。第一腔18通過單片式本體16的纖薄部分而與第一表面16a 分離，該纖薄部分形成薄膜19,該薄膜具有的厚度介于Ιμπι與60μηι之間，優(yōu)選介于4μηι與ΙΟμπι 之間。塊體區(qū)域17因此為單片式本體16的圍繞薄膜19和第一腔18的部分。
[0047]薄膜19為柔性的，且在存在外部負(fù)載的情況下能夠經(jīng)受偏轉(zhuǎn)。特別地，如后文詳細(xì) 描述的，薄膜19根據(jù)作用在單片式本體16上的力或壓力P而經(jīng)受變形。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，薄 膜19的厚度小于第一腔18的厚度，以便防止薄膜19的約束位置的剪切應(yīng)力，所述剪切應(yīng)力 可能導(dǎo)致薄膜自身的失效。
[0048] 可通過在歐洲專利ΝΟ.ΕΡ1577656中描述的制造工藝獲得第一腔18。
[0049] 部分地處于薄膜19內(nèi)的是第一壓阻傳感元件28(特別地個(gè)數(shù)為四個(gè)，設(shè)置在薄膜 19中央處對(duì)中的理想交叉處的頂點(diǎn)處），通過具有摻雜(例如P型）的區(qū)域構(gòu)成。第一壓阻感 測(cè)元件28可借助于適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散掩膜通過摻雜原子的擴(kuò)散而獲得，并且具有例如近似矩形的 截面。另外，第一壓阻感測(cè)元件28可連接至一起以形成惠特斯通電橋電路。
[0050] 可替換地，第一壓阻感測(cè)元件28可形成環(huán)形振蕩電路的一部分。
[0051] 在塊體區(qū)域17的表面部分中，在與薄膜19隔開且分立的位置，存在第二壓阻感測(cè) 元件29(特別地，數(shù)量為四個(gè)，設(shè)置在薄膜19中央處對(duì)中的另一理想交叉處的頂點(diǎn)處），其同 樣例如通過具有例如通過擴(kuò)散獲得的P型的摻雜的區(qū)域形成。第二壓阻感測(cè)元件29與薄膜 19(并且因此與第一壓阻感測(cè)元件28)隔開，隔開的距離等于或大于例如ΙΟμπι，優(yōu)選為50μπι， 從而不會(huì)在力P作用時(shí)顯著受到薄膜19上的應(yīng)力的影響。特別地，第二壓阻感測(cè)元件29集成 在塊體區(qū)域17的實(shí)心且緊湊部分中，該部分具有的厚度大致等于距離w。
[0052]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，界面層34涂覆單片式本體16的第一表面16a。界面層34可為包括 彈性材料(例如聚酰胺)的單層或多層，或者可為由電解質(zhì)材料(例如二氧化硅)形成的單層 或多層，或者可替換地為包括聚酰胺層在其上延伸的二氧化硅層的多層。界面層34可包括 通過連接引線互連的一個(gè)或多個(gè)金屬化層級(jí)(未示出）。
[0053]例如由半導(dǎo)體材料(諸如硅)制成的第一襯底32在界面層34之上延伸，通過錨定元 件31結(jié)合至界面層34,錨定元件31在界面層34與第一襯底32之間延伸，處于界面層34和下 部單片式本體16的外圍區(qū)域中。本文中考慮為外圍區(qū)域的是單片式本體16的在第二感測(cè)元 件29外部延伸的那些區(qū)域(當(dāng)在平面XY、XZ和YZ中考慮時(shí)）。特別地，錨定元件31在第二壓阻 感測(cè)元件29外部沿著界面層34和單片式本體16的整個(gè)周圍延伸。
[0054]錨定元件31例如由電介質(zhì)材料(諸如二氧化硅或氮化硅)制成，并且通過自身已知 的沉積和蝕刻步驟獲得。
[0055]第一聚焦區(qū)域30(同樣例如由諸如二氧化硅或氮化硅的電介質(zhì)材料制成)在界面 層34與第一襯底32之間延伸并與它們直接接觸。特別地，第一聚焦區(qū)域30在薄膜19之上延 伸，即沿著軸線Z至少部分地與薄膜19對(duì)齊。這樣，在使用中，第一聚焦區(qū)域30將壓力P聚焦 在薄膜19自身上，從而迫使其經(jīng)受變形。在生產(chǎn)錨定元件31的相同步驟過程中獲得第一聚 焦區(qū)域30。
[0056]壓力傳感器15進(jìn)一步包括第二襯底35,該第二襯底例如由半導(dǎo)體材料(諸如硅，厚 度例如介于50μπι與900μπι之間，優(yōu)選介于500μπι與900μL?，特別是720μπι)制成，或者由陶瓷材 料或玻璃或具有類似彈性系數(shù)的某種其他材料制成，該第二襯底以面向單片式本體16的第 二表面16b的方式延伸，通過錨定元件37機(jī)械結(jié)合至第二表面16b，這些錨定元件在單片式 本體16的第二表面16b與第二襯底35的相應(yīng)表面35a之間延伸，至少部分地處于單片式本體 16的第二表面16b的周圍區(qū)域中。如先前限定的，考慮為周圍區(qū)域的是單片式本體的如在平 面XY、XZ和YZ中看去在第二壓阻感測(cè)元件29外部延伸。然而，在這種情況下，如另一方面在 圖2中所示，再次如在平面XY中看去，錨定元件37部分地在第二壓阻感測(cè)元件29之上延伸。 [0057]特別地，錨定元件37沿著單片式本體16的第二表面16b或者第二襯底35的表面35a 的整個(gè)周圍延伸，從而在第二表面16b與表面35a之間限定第二腔38。
[0058]錨定元件37由例如二氧化硅或氮化硅的電介質(zhì)材料制成，并且沿著Z具有的厚度 介于0 · Iym與20μηι之間，例如Ιμπι。第二表面16b與表面35a之間的距離(沿著Z)限定第二腔38 的高度，該高度大致等于錨定元件37的厚度。
[0059]進(jìn)一步在界面層34與第一襯底32之間延伸的是一個(gè)或多個(gè)第二聚焦區(qū)域33,它們 結(jié)合至第一襯底32(但不結(jié)合至界面層34)并且沿著Z具有的厚度小于第一聚焦區(qū)域30也沿 著Z的厚度。特別地，第二聚焦區(qū)域33具有的厚度使得，當(dāng)薄膜19與第一腔18接觸或飽和（即 其完全偏轉(zhuǎn)，從而關(guān)閉第一腔18)或者到達(dá)期望的全刻度值，第二聚焦區(qū)域33與界面層34直 接接觸。換言之，第二聚焦區(qū)域33與界面層34之間的距離(沿著Z)等于或小于第一腔18的厚 度(沿著Z)。
[0060] 作為對(duì)已描述內(nèi)容的替換，第二聚焦區(qū)域33可結(jié)合至界面層34而不結(jié)合至第一襯 底32,當(dāng)薄膜19接觸腔18的底部或者飽和或者到達(dá)期望的全刻度值時(shí)，第二聚焦區(qū)域與第 一襯底直接接觸。
[0061] 根據(jù)另一實(shí)施例，第二聚焦區(qū)域33可設(shè)置成部分地結(jié)合至界面層34且部分地結(jié)合 至第一襯底32。
[0062]因此，當(dāng)在使用中在壓力傳感器上施加壓力P時(shí)，薄膜19經(jīng)受偏轉(zhuǎn)直到其與墻體18 的底部接觸。使薄膜19接觸腔18底部的最小壓力值Pmax1取決于薄膜19的厚度并且取決于其 由什么材料制成。例如，薄膜19以這樣的方式制造，從而在至少經(jīng)受介于8N與50N之間的壓 力PMMdt接觸腔18的底部。特別地，對(duì)于沿著Z的厚度等于8μπι且由單晶硅制成的薄膜19而 言，壓力Pmaxi為10Ν。
[0063]小于壓力Pmax1的中間壓力值Pim使得薄膜19發(fā)生漸進(jìn)的偏轉(zhuǎn)（當(dāng)前值P inti越大，薄 膜偏轉(zhuǎn)越大），但并不會(huì)使其與腔18底部接觸。
[0064]當(dāng)壓力P增加時(shí)，第二聚焦區(qū)域33與第一聚焦區(qū)域30-起協(xié)作，以使單片式本體16 偏轉(zhuǎn)，該本體因此整體作為懸置在第二腔38之上的第二薄膜。最小壓力Pmm2依據(jù)單片式本 體16的厚度且依據(jù)其由什么材料制成而使得單片式本體16與腔38的底部35a接觸。例如，單 片式本體16以這樣的方式制造，從而在其至少經(jīng)受等于大于Pmax 1的Pmax2(并且具有不對(duì)壓力 傳感器造成損傷的最大值，例如介于IOkN與20kN之間的全刻度值）時(shí)與腔38的底部35a接 觸。在特別實(shí)施例中，對(duì)于厚度w為720μπι的由單晶硅制成的單片式本體16，壓力值Pmm 2為 IOkN0
[0065] 滿足Ρμαχι<Ριντ2<Ρμαχ2的中間壓力值Ριντ2使得單片式本體16發(fā)生漸進(jìn)偏轉(zhuǎn)（當(dāng)前 值Pint2越大，薄膜偏轉(zhuǎn)越大），但不會(huì)使單片式本體16與腔38的底部35a接觸。
[0066]第二壓阻感測(cè)元件29在使用中具有在第一薄膜19的偏轉(zhuǎn)最大(飽和狀態(tài))時(shí)檢測(cè) 第二薄膜（即單片式本體16)的偏轉(zhuǎn)度的作用。為此，優(yōu)選地形成足夠遠(yuǎn)離第一薄膜19的第 二壓阻感測(cè)元件29使得第二壓阻感測(cè)元件不會(huì)被第一薄膜的偏轉(zhuǎn)影響，但是第二壓阻感測(cè) 元件在任何情況下均形成在單片式本體16的在第一薄膜19飽和時(shí)經(jīng)受偏轉(zhuǎn)的區(qū)域中。例 如，它們可相對(duì)于第二腔38的相應(yīng)外圍區(qū)域（即第二腔38的靠近或毗鄰錨定元件37的區(qū)域） 而沿著Z大致對(duì)齊。
[0067] 如已預(yù)料到的，壓力傳感器15的一般操作基于所謂的壓阻效應(yīng)，施加在壓阻元件 上的應(yīng)力借由該壓阻效應(yīng)而導(dǎo)致其電阻的變化。對(duì)于由諸如硅的半導(dǎo)體材料，所施加的應(yīng) 力除了確定壓阻元件尺寸的變化之外還使得晶格發(fā)生變形并且使得主要電荷載體迀移性 改變以及電阻率發(fā)生變化。例如，在硅中，對(duì)于晶格的1 %的變形，主要電荷載體的迀移性的 對(duì)應(yīng)變化近似為30%。特別地，同時(shí)沿著平行方向（所謂縱向應(yīng)力）和沿著與其中壓阻元件 排布平面成法向的方向（所謂橫向應(yīng)力）的應(yīng)力導(dǎo)致電阻的變化。壓阻元件的電阻變化可通 常由以下關(guān)系式表達(dá)：
[0068]
[0069] 其中R為壓阻元件的電阻，AR為所述電阻的變化，Π 44為半導(dǎo)體材料的一個(gè)壓阻系 數(shù)，例如對(duì)于P型單晶硅而言等于138.1 · Hr11Pa^1,并且〇1、〇t分別為壓阻元件經(jīng)受的縱向 應(yīng)力和橫向應(yīng)力。
[0070] 參照?qǐng)D2的壓力傳感器15,單片式本體16以這樣的方式布置，使得待測(cè)量的壓力P 導(dǎo)致沿著與第一主外表面16a成法向的方向（即在該實(shí)施例中沿著Z)上的應(yīng)力。
[0071] 特別地，在第一操作條件下，壓力P導(dǎo)致薄膜19的變形，薄膜受迫經(jīng)受變形。該變形 包括第一壓阻感測(cè)元件28中的縱向和橫向機(jī)械應(yīng)力，這些應(yīng)力因此改變電阻的值?？紤]例 如第一壓阻感測(cè)元件28的惠特斯通電橋構(gòu)造，通常它們以這樣的方式設(shè)置，使得它們中的 一部分(例如它們中的兩個(gè))經(jīng)受壓縮應(yīng)力，而其余(在例如設(shè)置四個(gè)壓阻器的情況下為另 外兩個(gè))經(jīng)受拉伸應(yīng)力，從而增加對(duì)應(yīng)惠特斯通電橋電路的靈敏度。第一壓阻元件28的電阻 變化因此導(dǎo)致惠特斯通電橋電路的不平衡，這在來自惠特斯通電橋電路的輸出處產(chǎn)生電壓 信號(hào)，該電壓信號(hào)可由適當(dāng)?shù)淖x取電路檢測(cè)。
[0072]另外，在其中壓力P呈現(xiàn)比用于使第二聚焦區(qū)域33接觸界面層34所需壓力更大的 值的第二操作條件下，引發(fā)了單片式本體16的變形，該變形導(dǎo)致第二壓阻感測(cè)元件29中的 縱向和橫向機(jī)械應(yīng)力，這些應(yīng)力因此改變電阻的值，如參照第一壓阻感測(cè)元件28所描述的。
[0073] 詳細(xì)而言，本實(shí)用新型的一個(gè)方面基于以下事實(shí)的實(shí)現(xiàn):對(duì)于壓力P的低值而言， 第二壓阻感測(cè)元件29的變形實(shí)際上可忽略不計(jì)。然而，引發(fā)薄膜19經(jīng)受變形，導(dǎo)致第一壓阻 感測(cè)元件28的對(duì)應(yīng)變形，該變形可由讀取電路檢測(cè)，以便供應(yīng)所施加壓力P的測(cè)量。當(dāng)壓力P 增加時(shí)，薄膜19的變形增加，直到薄膜19自身接觸下方第一腔18的底部，因此使得在輸出處 供應(yīng)的壓力值飽和（因?yàn)槿魏芜M(jìn)一步的變形是不可能的）。特別地，該變形可在例如壓力P的 值為大約ION的情況下發(fā)生。
[0074] 在此，壓力P的進(jìn)一步增加開始影響整個(gè)第一主外表面16a，并且導(dǎo)致單片式本體 16的偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致第二壓阻感測(cè)元件29的因此不可忽略的電阻變化，壓力P的值來自于第 二壓阻感測(cè)元件。通過單片式本體16獲得的第二薄膜的飽和可在壓力P的值為大約IOkN的 情況下發(fā)生。
[0075]因此，由所述第一和第二壓阻感測(cè)元件28、29提供的壓力測(cè)量是獨(dú)立且互補(bǔ)的（假 定所述元件干預(yù)壓力P的不同值）。壓力傳感器15因此具有第一測(cè)量刻度，其對(duì)于壓力P的低 值以及大約ION的全刻度值（由第一壓阻感測(cè)元件28的薄膜19的動(dòng)作確定，第一壓阻感測(cè)元 件因此一起形成對(duì)低壓敏感的元件)是有效的；并且具有第二測(cè)量刻度，其對(duì)于壓力P的高 值以及大約IOkN的全刻度值（由單片式本體16和第二壓阻感測(cè)元件29的動(dòng)作確定，第二壓 阻感測(cè)元件因此一起形成對(duì)高壓敏感的元件)是有效的。假定薄膜19對(duì)壓力P的均勻最小變 化敏感，則第一感測(cè)刻度比第二感測(cè)刻度更精確。
[0076] 壓力傳感器15在高壓方面呈現(xiàn)出顯著的強(qiáng)度。如已知的，實(shí)際上，單晶硅在壓縮應(yīng) 力(特別是高達(dá)2GPa)方面根據(jù)晶體取向而具有高的極限強(qiáng)度，使得其能夠以足夠的裕度經(jīng) 受制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的最大壓力值。此外，薄膜19沿著豎直方向的偏轉(zhuǎn)受到第一腔18的相對(duì) 小的厚度的限制，因此防止了薄膜19對(duì)高壓值的失效。
[0077]第一壓阻感測(cè)元件28可例如連接在一起以形成惠特斯通電橋電路（圖3)，具有設(shè) 置在電橋相對(duì)側(cè)上沿著相同方向變化的電阻器，從而增加電路的靈敏度?；萏厮雇姌螂?路供應(yīng)有供給電壓Vinl并且供應(yīng)輸出電壓V ciutl。
[0078]第二壓阻感測(cè)元件29可依次連接從而形成自身的惠特斯通電橋電路，類似于圖3 所示。有利地，惠特斯通電橋電路中壓阻器的特別布置使得能夠進(jìn)行差分測(cè)量，其中抵消了 由于環(huán)境參數(shù)(例如溫度)而導(dǎo)致的電阻變化，因此使得第二輸出電壓V ciutl以及因此所測(cè)得 的壓力P的值對(duì)所述參數(shù)不敏感。
[0079] 特別地，應(yīng)當(dāng)注意到，第一和第二壓阻感測(cè)元件28、29并未電連接在一起，并且形 成兩個(gè)分立且獨(dú)立的電子讀取電路的一部分(從而提供壓力傳感器15的兩個(gè)測(cè)量刻度，如 先前強(qiáng)調(diào)的）。特別地，對(duì)于壓力P的低值，來自由第二壓阻元件29形成的電路的輸出處的電 壓大致為零，而來自由第一壓阻元件28形成的電路的輸出處的電壓V ciutl由適當(dāng)?shù)碾娮訙y(cè)量 電路（自身已知的類型，并且包括例如至少一個(gè)儀表放大器)用于測(cè)量壓力P。相反，對(duì)于P的 高值，由第一壓阻元件28形成的電路的輸出電壓飽和V ciutl，并且電子測(cè)量電路獲得來自由 第二壓阻元件29形成的電路的輸出電壓Vciut2的壓力P的測(cè)量。
[0080] 圖4示出了圖2的壓力傳感器15的一部分15 '的透視圖。特別地，圖4呈現(xiàn)的部分15 ' 為壓力傳感器15沿著圖2的截平面切開的部分。兩個(gè)鏡面反射部分15'的連接形成壓力傳感 器15。
[0081] 如從圖4可見，錨定元件31沿著單片式本體16的整個(gè)周圍延伸，形成第一襯底32擱 置于其上的框架。類似地，第二聚焦區(qū)域33在由錨定元件31限定的區(qū)域內(nèi)延伸且與該區(qū)域 機(jī)械隔離，從而能夠與第一襯底32-起經(jīng)受偏轉(zhuǎn)。
[0082]另外，第二聚焦區(qū)域33具有第一聚焦區(qū)域30容納在其內(nèi)的凹部。第二聚焦區(qū)域33 因此也與第一聚焦區(qū)域30分離，從而不構(gòu)成限制，以便能夠與第一襯底32-起經(jīng)受偏轉(zhuǎn)。在 圖4所示實(shí)施例中，第二聚焦區(qū)域33以彼此連接的方式延伸以形成單個(gè)區(qū)域。然而，根據(jù)不 同實(shí)施例，它們可彼此機(jī)械分離/隔離，例如在容納第一聚焦區(qū)域30的凹部處彼此隔離。 [0083]錨定元件37與錨定元件31具有類似的形狀和延伸，并且限定第二腔38,該第二腔 位于框架內(nèi)部由錨定元件37形成。
[0084]根據(jù)另一實(shí)施例（圖中未示出），錨定元件31和第二聚焦區(qū)域33連接在一起，然而 具有沿著軸線X變化的相應(yīng)厚度(沿著Z)，使得錨定元件31和第二聚焦區(qū)域33具有不同的厚 度，如已描述的。
[0085] 圖5為根據(jù)本公開另一方面的壓力傳感器50的另一實(shí)施例的橫截面圖。
[0086] 壓力傳感器50包括底部襯底52,例如由諸如硅的半導(dǎo)體材料、或者陶瓷材料、或者 玻璃、或者具有類似彈性系數(shù)的某種其他材料制成，該底部襯底通過一個(gè)或多個(gè)錨定元件 54機(jī)械地結(jié)合至由諸如硅的半導(dǎo)體材料制成的單片式本體56。錨定元件54類似于圖2和圖4 的錨定元件31，并且本文不再進(jìn)行任何描述。
[0087] 單片式本體56類似于先前描述的單片式本體16,并且容納埋置腔58。埋置腔58對(duì) 應(yīng)于圖2的第一腔18,并且通過相同的制造方法獲得。在埋置腔58與單片式本體56的表面 56a之間延伸的是柔性薄膜59,該柔性薄膜能夠在存在外部負(fù)載的情況下經(jīng)受偏轉(zhuǎn)。特別 地，如已參照?qǐng)D2的薄膜19詳細(xì)描述的，薄膜59根據(jù)作用在單片式本體56上的壓力P而經(jīng)受 變形。
[0088]至少部分地位于薄膜59內(nèi)的是第一壓阻感測(cè)元件68,該第一壓阻感測(cè)元件類似于 圖2的壓阻元件28,并且具有相同的用途。特別地，第一壓阻感測(cè)元件68數(shù)量為四個(gè)，由具有 P型摻雜的區(qū)域構(gòu)成，并且連接在一起以形成惠特斯通電橋電路。以自身已知的方式，第一 壓阻感測(cè)元件68的電子可根據(jù)薄膜59的變形而變化。
[0089]在與薄膜59隔開且分立的位置，存在第二壓阻感測(cè)元件69,該第二壓阻感測(cè)元件 類似于圖2的壓阻元件29,并且具有相同的用途。這些第二壓阻感測(cè)元件由具有P型摻雜的 區(qū)域構(gòu)成，并且與薄膜59隔開一定距離，從而不會(huì)在力P(例如達(dá)10N)的動(dòng)作的第一操作條 件過程中收到作用在薄膜59上的應(yīng)力的顯著影響。后文中，力P將無差別地指代力或者該相 同的力作用在表面上的壓力。
[0090] 類似于圖2和圖4的第一聚焦區(qū)域30的第一聚焦區(qū)域66在對(duì)應(yīng)于薄膜59的區(qū)域中 在襯底52與單片式本體56之間延伸。
[0091] 類似于圖2的第二聚焦區(qū)域33的第二聚焦區(qū)域73在第一聚焦區(qū)域66與錨定元件54 之間延伸。第二聚焦區(qū)域73沿著Z具有的直徑小于錨定元件54和第一聚焦區(qū)域66沿著Z的厚 度。有利地，第二聚焦區(qū)域73已與第一和第二壓阻感測(cè)元件68、69對(duì)齊。這里應(yīng)當(dāng)注意到，類 似地在隨后的圖中，出于簡(jiǎn)單表示的目的，已省略界面層34。
[0092]在使用中，當(dāng)施加壓力P時(shí)，第一聚焦區(qū)域66的存在導(dǎo)致薄膜59的偏轉(zhuǎn)，該薄膜以 與所施加壓力成比例的方式經(jīng)受偏轉(zhuǎn)，直到其接觸腔58的內(nèi)壁(第一操作條件）；當(dāng)壓力P增 加時(shí)，單片式本體56在與其容納第二聚焦區(qū)域73的部分對(duì)應(yīng)的區(qū)域中（例如在與單片式本 體56的在錨定元件54與第一聚焦區(qū)域66之間延伸的部分對(duì)應(yīng)的區(qū)域中）經(jīng)受偏轉(zhuǎn)，直到第 二聚焦區(qū)域73接觸襯底52,因此確定用于測(cè)量偏轉(zhuǎn)的全刻度值，并且防止單片式本體56的 不理想的失效或損傷(第二操作條件）。單片式本體56因此用作第二薄膜，該第二薄膜懸置 在存在于單片式本體56自身與襯底52之間的腔上。
[0093]圖6示出了根據(jù)本公開的壓力傳感器80的另一實(shí)施例。
[0094]壓力傳感器80包括例如由半導(dǎo)體材料(例如硅)制成的單片式本體82。單片式本體 82在第一襯底88與第二襯底84之間延伸。更詳細(xì)而言，單片式本體82通過與參照?qǐng)D1描述的 錨定元件37類似的錨定元件85而機(jī)械地結(jié)合至第二襯底84。因此錨定元件85沿著單片式本 體82的外圍或周圍區(qū)域延伸，并且限定腔86。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，錨定元件85完全圍繞腔86， 使得所述腔86與外部完全隔離。根據(jù)不同實(shí)施例，腔86僅僅部分地由錨定元件85圍繞。設(shè)置 在單片式本體82的與錨定元件85在其上延伸的側(cè)部相對(duì)的側(cè)部上的是第一襯底88,該第一 襯底例如由半導(dǎo)體材料(類似于參照?qǐng)D2描述的第一襯底）、或者陶瓷材料、或者玻璃、或者 具有類似彈性系數(shù)的某種其他材料制成。特別地，第一襯底88通過與圖2的錨定元件31類似 的錨定元件91機(jī)械地接合至單片式本體82。此外，在第一襯底88與單片式本體82之間延伸 的是第一和第二聚焦區(qū)域90、93,它們與圖2的相應(yīng)第一和第二聚焦區(qū)域30、31類似，并且因 此不再進(jìn)行任何描述。在變型(未示出）中，第二聚焦區(qū)域93可布置在單片式本體82上，如圖 5的第二聚焦區(qū)域73。
[0095]由具有P型摻雜的區(qū)域構(gòu)成的壓阻感測(cè)元件94 (特別地?cái)?shù)量為四個(gè)，電連接在一起 以形成惠特斯通電橋電路)在單片式本體82中在其面向第一襯底88的表面的鄰近區(qū)域中延 伸。更特別地，壓阻元件在單片式本體82的處于錨定元件91與第二聚焦區(qū)域93之間的部分 中延伸，該第二聚焦區(qū)域相對(duì)于第一聚焦區(qū)域90成鏡像。
[0096]在使用中，在第一操作條件過程中，壓力或力P施加給第一襯底88并且通過錨定元 件91和第一聚焦區(qū)域90而傳遞給單片式本體82。單片式本體82因此經(jīng)受偏轉(zhuǎn)，從而在與壓 阻感測(cè)元件94對(duì)應(yīng)的區(qū)域中產(chǎn)生縱向和橫向應(yīng)力。圖7定性地示出了在第一操作條件 (V ciutl)過程中和在第二操作條件(Vciut2)過程中由惠特斯通電橋電路產(chǎn)生的輸出電壓信號(hào)的 曲線。
[0097]如果所施加的力P使得第二聚焦區(qū)域93與單片式本體82接觸(在圖7的實(shí)例中，這 甚至對(duì)應(yīng)于ION的壓力并且在來自電橋電路的輸出處產(chǎn)生電壓Vmaxi)，壓力傳感器80進(jìn)入第 二操作條件，其中單片式本體82繼續(xù)在與包括在錨定元件91與第二聚焦區(qū)域93之間的區(qū)域 對(duì)應(yīng)的區(qū)域中（即在其容納壓阻器94的部分中）經(jīng)受顯著的偏轉(zhuǎn)。在圖7的實(shí)例中，在IOkN的 壓力下，第二聚焦區(qū)域93與單片式本體82接觸，并且由電橋電路產(chǎn)生等于Vmax 2OVmaxi)的輸 出電壓V〇ut2。
[0098] 如從圖7可注意到的，在第二操作條件下，來自惠特斯通電橋電路的輸出處的電壓 V〇ut2相對(duì)于電壓Vmjtl改變斜度。在已知來自電橋電路的輸出處的信號(hào)Vmjt的曲線(其可以自 身已知的方式通過施加增大的力P并測(cè)量輸出V ciut而以實(shí)驗(yàn)的方式獲得）的情況下，因此通 過將輸出電壓值Vcmt與壓力傳感器受到的有效壓力值P關(guān)聯(lián)，可在壓力傳感器80的操作中的 每個(gè)時(shí)刻識(shí)別其所處的操作條件。
[0099] 圖8為圖2的壓力傳感器15的截面圖，其中第二襯底35在平面XY中具有的延伸大于 單片式本體16的相應(yīng)延伸。而單片式本體16在平面XY中具有的延伸大于第一襯底32的相應(yīng) 延伸。這樣，可提供適當(dāng)連接（以已知的方式并且本文未示出）至例如第一和第二壓阻感測(cè) 元件28、29的電接觸焊盤98,這些電接觸焊盤位于單片式本體16的頂表面16a上與第一襯底 32并排。舉例而言，圖8中僅有兩個(gè)焊盤98可見，然而它們可依要求而具有任何數(shù)量。在焊盤 98與第一和第二壓阻感測(cè)元件28、29之間可存在另一電路，例如接口電路、采集電路或轉(zhuǎn)換 電路，從而對(duì)由壓力傳感器15測(cè)量的物理量的值進(jìn)行適當(dāng)解碼?？深愃频卦诘诙r底35的 頂表面35a上設(shè)置相應(yīng)的電接觸焊盤99(電結(jié)合至導(dǎo)電路徑，該導(dǎo)電路徑未示出）。舉例而 言，圖8中僅有兩個(gè)焊盤99可見，然而它們可依要求而具有任何數(shù)量。
[0100] 焊盤98分別通過第一壓阻感測(cè)元件28和通過第二壓阻感測(cè)元件29電連接至所形 成的惠特斯通電橋電路的相應(yīng)電輸出端子。焊盤98與焊盤99之間的電連接通過結(jié)合引線97 獲得。通過使用結(jié)合至焊盤99的適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電路徑，因此可將由位于壓力設(shè)備15外部的惠特 斯通電橋電路供應(yīng)的電信號(hào)傳遞給例如圖1的控制單元4?？稍O(shè)置其他電接觸焊盤（未示 出），用于將功率供給發(fā)送給壓力傳感器。
[0101] 圖9示出了壓力傳感器101的另一實(shí)施例，其中由第一和第二壓阻感測(cè)元件28、29 產(chǎn)生的電信號(hào)通過導(dǎo)電結(jié)合部而傳遞至壓力傳感器101外部。
[0102] 在該實(shí)施例中，以每個(gè)電感器102感應(yīng)結(jié)合至相應(yīng)電感器104的方式將一個(gè)或多個(gè) 電感器102集成在界面層34中（或者可替換地集成在單片式本體16中位于表面16a上)并且 將相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)電感器104集成在第一襯底88中。在其中第一襯底88由半導(dǎo)體材料制 成的情況下，需要將所述相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)電感器104集成在界面層(這里未示出且類似于層 34)中。電感器102操作地結(jié)合至電路的相應(yīng)輸出端子(例如，它們可包括收發(fā)器/應(yīng)答器、 AC-DC轉(zhuǎn)換器、有限狀態(tài)數(shù)字電路、微控制器），這里未示出，這些電路包括或結(jié)合至第一和 第二壓阻感測(cè)元件28、29,例如通過惠特斯通電橋連接或形成環(huán)形振蕩電路的一部分，從而 在壓力傳感器使用過程中接收由于薄膜19和單片式本體16的變形而產(chǎn)生的電壓信號(hào)，并且 將所述信號(hào)傳遞給相應(yīng)電感器104。電感器104結(jié)合至導(dǎo)電路徑(未示出），以將壓力傳感器 外部的壓力P的檢測(cè)信號(hào)傳遞給例如圖1的控制單元4。壓力傳感器可以已知的方式通過其 他電接觸焊盤(未示出)或者通過電感器102、104被供應(yīng)。
[0103] 根據(jù)壓力傳感器105(在圖10中示出）的另一實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)電感器106集成在 界面層34中。然而，第一襯底88未集成有相應(yīng)電感器。電感器109相反設(shè)置在外部板中，例如 PCB (印刷電路板）110中。在圖10的壓力傳感器105機(jī)械結(jié)合至PCB 110的過程中，壓力傳感 器105以電感器106在使用中感應(yīng)結(jié)合至電感器109的方式設(shè)置在PCB 110上。電感器106和 109適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)尺寸以便確保感應(yīng)結(jié)合，并且在它們之間延伸的襯底88應(yīng)當(dāng)優(yōu)選具有高靈 敏度(例如，其可為本征硅或者諸如陶瓷或玻璃的電介質(zhì)材料），以便防止渦電流的發(fā)生。例 如，電感器109尺寸大于電感器106。
[0104]由于PCB 110的存在，壓力P在該實(shí)例中施加在第二襯底35上。
[0105] 適當(dāng)?shù)碾娺B接部以自身已知的方式設(shè)置在PCB 110上，用于獲得來自電感器109的 電信號(hào)，并且將其發(fā)送給圖1的控制單元4以待處理。壓力傳感器可以已知的方式通過其他 電接觸焊盤(未示出)或通過電感器106、109被供應(yīng)。
[0106] 圖11以頂視圖示出了壓力傳感器115的另一實(shí)施例，其中第一襯底32在平面XY中 具有的延伸小于單片式本體16的相應(yīng)延伸。特別地，第一襯底32設(shè)計(jì)成使得界面層34的表 面的在單片式本體16之上延伸的選擇性部分暴露。暴露的選擇性部分為界面層34的在單片 式本體16(這里假定為四邊形，特別是方形)之上延伸的轉(zhuǎn)角區(qū)域。在與界面層34的暴露區(qū) 域?qū)?yīng)的區(qū)域中延伸的是由導(dǎo)電材料制成的多個(gè)接觸焊盤118,它們?cè)O(shè)計(jì)成例如通過金屬 條119(例如銅條)而電接觸。接觸焊盤118進(jìn)而與包括第一和第二壓阻元件28和29的電路的 相應(yīng)端子電接觸，用于獲得由它們轉(zhuǎn)換的信號(hào)?？稍O(shè)置其他電接觸焊盤(未示出），用于將功 率供給發(fā)送給壓力傳感器。
[0107] 圖12示出了壓力傳感器120的另一實(shí)施例。圖12的壓力傳感器120類似于圖5的壓 力傳感器50。壓力傳感器120與壓力傳感器50共同的元件這里不再進(jìn)行任何進(jìn)一步的描述 或闡述并且由相同參考表面指代。
[0108] 壓力傳感器120進(jìn)一步包括第一葉片連接器122和第二葉片連接器13(也已知為 "端接器"；第一葉片連接器122在單片式本體56的暴露側(cè)之上延伸，而第二葉片連接器124 在底部襯底52的暴露側(cè)之上延伸。這樣，單片式本體56和底部襯底52夾置在第一和第二葉 片連接器122、124之間。
[0109]由導(dǎo)電材料(特別是金屬)制成的第一和第二葉片連接器122、124具有將功率供給 發(fā)送給壓力傳感器120的作用。例如，第一葉片連接器122在供給電壓Vdd下偏置，而第二葉片 連接器124在參考電壓(例如接地電壓GND)下偏置。為此，在單片式本體56與第一葉片連接 器的結(jié)合區(qū)域中，并且在底部襯底52與第二葉片連接器124之間的結(jié)合區(qū)域中，延伸有相應(yīng) 的電接觸焊盤(未示出）。為了將第二葉片連接器124電連接至單片式本體56中的電路(未示 出，包括或連接至壓阻感測(cè)元件68、69)，錨定元件54的至少一部分(例如外部環(huán)）必須是導(dǎo) 電的。此外，底部襯底52和單片式本體56必須呈現(xiàn)有低的電阻率。
[0110]根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例，第一和第二葉片連接器122、124進(jìn)一步具有將由位 于壓力傳感器120外部的壓阻感測(cè)元件68、69轉(zhuǎn)換的信號(hào)發(fā)送給例如圖1的控制單元4的作 用。在這種情況下，根據(jù)已知的技術(shù)，以用作數(shù)據(jù)承載媒介的方式對(duì)電載體信號(hào)(供給信號(hào)） 進(jìn)行調(diào)制，用于進(jìn)一步承載由壓阻元件68、69轉(zhuǎn)換的信號(hào)(例如來自相應(yīng)惠特斯通電橋電路 的輸出處的信號(hào)），或者所述供給信號(hào)可為恒定電壓，其上重疊有承載所測(cè)量物理量的信息 的數(shù)字信號(hào)。 根據(jù)相應(yīng)實(shí)施例描述的壓力傳感器呈現(xiàn)出許多優(yōu)點(diǎn)。
[0112] 首先，其呈現(xiàn)出高的全刻度值并且實(shí)現(xiàn)使用雙測(cè)量刻度（用于測(cè)量低壓的第一刻 度以及用于測(cè)量高壓的第二刻度)進(jìn)行壓力測(cè)量。兩種測(cè)量均以高精度進(jìn)行。特別地，所描 述的壓力傳感器以節(jié)制的成本和有效的制造復(fù)雜性集成在由半導(dǎo)體材料制成的相同單片 式本體內(nèi)，其中元件對(duì)高壓和低壓敏感。
[0113] 壓力傳感器在一個(gè)或多個(gè)感測(cè)元件以及一個(gè)或多個(gè)壓阻參考元件之間進(jìn)行差分 類型的測(cè)量，并且因此對(duì)環(huán)境參數(shù)的變化以及對(duì)過程寬度不敏感。
[0114] 最后，清楚的是，在不背離由所附權(quán)利要求中限定的本實(shí)用新型范圍的情況下，可 對(duì)本文已描述和示出的內(nèi)容進(jìn)行修改和變型。
[0115] 特別地，清楚的是，單片式本體的形狀可與已描述和示出的不同。特別地，單片式 本體的截面可為圓形或一般的多邊形，而不是所描述的四邊形或方形。此外，第一腔18可具 有不同于已示出的形狀，例如具有圓形或一般多邊形截面。類似地，此外，第二腔38可具有 不同于已示出的形狀，例如具有圓形或一般多邊形截面。
[0116] 無論所描述的特定實(shí)施例如何，可使用離子植入技術(shù)而非通過擴(kuò)散來獲得壓阻傳 感器元件。
[0117] 無論所描述的特定實(shí)施例如何，可在壓阻元件之間使用不同于惠特斯通電橋的電 連接部，例如環(huán)形振蕩電路或某種其他連接。
[0118] 類似地，可在壓力傳感器的第一操作條件過程中使用單個(gè)壓阻感測(cè)元件用于檢測(cè) 第一薄膜的偏轉(zhuǎn)，并且在第二操作條件過程中使用另一單個(gè)壓阻感測(cè)元件用于檢測(cè)第二薄 膜(單片式本體)的偏轉(zhuǎn)。
[0119] 無論所描述的特定實(shí)施例如何，此外，壓阻元件可依需要而位于不同于所示出的 位置。
[0120] 無論所描述的特定實(shí)施例如何，還可例如在第一襯底或第二襯底內(nèi)形成電子測(cè)量 電路，以便提供集成在單個(gè)芯模中的壓力測(cè)量設(shè)備。
[0121]另外，還可使用非電介質(zhì)材料(例如導(dǎo)電材料或半導(dǎo)體材料)獲得聚焦區(qū)域和錨定 區(qū)域。
[0122] 此外，通過使用不同于硅的半導(dǎo)體材料(例如砷化鎵），感測(cè)元件可具有壓電特性 而非壓阻特性。
[0123] 最后，應(yīng)當(dāng)指出，壓力傳感器15可有利地也用于其中需要使用雙測(cè)量刻度測(cè)量高 壓值的其他應(yīng)用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種壓力傳感器（15)，其特征在于，具有雙測(cè)量刻度，所述壓力傳感器被配置成接收 沿著一個(gè)方向（Z)作用的壓力(P)，所述壓力傳感器包括： 柔性本體（16，34)，適于根據(jù)所述壓力(P)而至少部分地經(jīng)受偏轉(zhuǎn)； 第一襯底(32; 52 )，被布置為面向所述柔性本體(16，34)的第一側(cè)（16a); 轉(zhuǎn)換組件(28,29;94)，被配置成根據(jù)所述柔性本體（16,34)的相應(yīng)的第一部分（19)和 第二部分(17)的偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生第一輸出信號(hào)(V?tl)和第二輸出信號(hào)(Vmjt2); 第一聚焦區(qū)域(30)，被布置在所述第一襯底與所述柔性本體之間，所述第一聚焦區(qū)域 被配置成在第一操作條件期間將所述壓力(P)中的第一值(PmO集中在所述柔性本體(16， 34)的所述第一部分(19)中，從而僅僅使得所述柔性本體(16,34)的所述第一部分(19)產(chǎn)生 偏轉(zhuǎn)；以及 第二聚焦區(qū)域(33)，被布置在所述第一襯底與所述柔性本體之間，所述第二聚焦區(qū)域 被配置成在第二操作條件期間將所述壓力(P)中的第二值(Pm2)集中在所述柔性本體(16， 34)的第二部分(17)中，從而使得所述柔性本體(16,34)的所述第二部分(17)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)， 所述轉(zhuǎn)換組件配置成:在所述第一操作條件期間，通過將所述柔性本體(16，34)的所述 第一部分（19)的所述偏轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)至壓力(P)中的所述第一值(Ρ ΙΝΤ1)來產(chǎn)生所述第一輸出信號(hào) (VQUtl);以及在所述第二操作條件期間，通過將所述柔性本體（16,34)的所述第二部分（17) 的所述偏轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)至壓力(P)中的所述第二值(Ρι ΝΤ2)來產(chǎn)生所述第二輸出信號(hào)(ν_2)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包括位于所述第一襯底 (32) 與所述柔性本體（16,34)之間的第一腔，其中所述第一聚焦區(qū)域(30)在所述第一腔中 延伸且具有等于存在于所述第一襯底與所述柔性本體（16,34)之間的距離的第一厚度，并 且所述第二聚焦區(qū)域(33)在所述第一腔中延伸且具有小于所述第一厚度的第二厚度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其特征在于，所述第二聚焦區(qū)域 (33) 從所述第一襯底(32;52)伸出并且至少部分地圍繞所述第一聚焦區(qū)域(30)， 并且其中所述第一襯底(32;52)被配置成沿著施加所述壓力(Ρ)的所述方向（Ζ)經(jīng)受偏 轉(zhuǎn)，其中通過所述第二聚焦區(qū)域(33)與所述柔性本體（16,34)的接觸而觸發(fā)從所述第一操 作條件向所述第二操作條件的過渡。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包括： 第二襯底(35)，面向所述柔性本體(16，34)的與所述第一側(cè)（16a)相反的第二側(cè)（16b); 以及 間隔件(37)，在所述第二襯底(35)與所述柔性本體（16,34)之間延伸，所述間隔件限定 第二腔(38)，所述柔性本體（16,34)懸置在所述第二腔之上，使得所述柔性本體（16,34)形 成適于在所述第二操作條件期間經(jīng)受偏轉(zhuǎn)的第二薄膜。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包括在所述柔性本體（16， 34)內(nèi)延伸的埋置腔（18)，所述埋置腔直接地面向所述柔性本體（16,34)的所述第一部分 (19)，使得所述柔性本體（16,34)的所述第一部分（19)以懸置在所述埋置腔（18)上的方式 延伸以形成第一薄膜(19)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力傳感器，其特征在于，所述第二聚焦區(qū)域(33)沿著所述方 向（Z)測(cè)量的厚度以及所述埋置腔（18)沿著所述方向（Z)測(cè)量的幅度被選擇，以使得所述第 一薄膜（19)在所述第二聚焦區(qū)域(33)與所述柔性本體（16,34)接觸時(shí)與所述埋置腔（18) 的底部(35a)接觸。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓力傳感器，其特征在于，所述埋置腔（18)具有沿著所述壓力 (P)作用的所述方向（Z)測(cè)量的幅度，所述幅度等于在所述第二聚焦區(qū)域(33)處測(cè)量的所述 第一腔的相應(yīng)延伸。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力傳感器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換組件包括至少部分地布置 在所述第一薄膜(19)中的第一壓阻元件(28)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓力傳感器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換組件進(jìn)一步包括第二壓阻 元件(29)，所述第二壓阻元件在所述第一薄膜（19)外部布置在所述柔性本體（16,34)的所 述第二部分(17)中。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其特征在于，所述柔性本體（16，34)的容納所述 第二壓阻元件(29)的所述第二部分(17)為所述柔性本體(16,34)的實(shí)心和緊湊區(qū)域。11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其特征在于，所述第一壓阻元件（28) -起被電 連接成設(shè)計(jì)為供應(yīng)所述第一輸出信號(hào)(V。^)的惠特斯通電橋電路或環(huán)形振蕩電路;并且所 述第二壓阻元件(29)-起被電連接成設(shè)計(jì)為供應(yīng)所述第二輸出信號(hào)(ν_ 2)的惠特斯通電 橋電路或環(huán)形振蕩電路。12. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于，壓力(Ρ)的所述第一值(ΡΙΝΤ1)小 于壓力(Ρ)的所述第二值(Ρ ΙΝΤ2)。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的壓力傳感器，其特征在于，壓力(Ρ)的所述第一值(ΡΙΝΤ1)被包 括在0-20Ν的范圍之間，而壓力(Ρ)的所述第二值(Ρ ΙΝΤ2)大于20Ν。14. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于，所述柔性本體(16,34)包括： 單片式區(qū)域（16)，具有沿著所述壓力（Ρ)作用的所述方向在所述第二部分（17)測(cè)量的 厚度(w)，該厚度包括在50μπι與900μπι之間；以及 界面層(34)，在所述單片式區(qū)域與所述第一聚焦區(qū)域和所述第二聚焦區(qū)域之間延伸， 所述界面層適于將所述壓力(Ρ)均勻分布在所述單片式區(qū)域上。15. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力傳感器，其特征在于，所述第一薄膜（19)具有沿著所述 壓力(Ρ)作用的所述方向（Ζ)測(cè)量的厚度，該厚度包括在Ιμπι與60μπι之間。16. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包括電感器，所述電感 器具有集成在所述柔性本體(16)中的第一繞組（102)以及集成在所述第一襯底(32)中的第 二繞組（104)，以形成用于所述第一輸出信號(hào)和/或所述第二輸出信號(hào)與外部讀取電路通信 的接口。17. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包括集成在所述柔性本 體（16)中的第一繞組（106)，所述第一繞組被配置成與位于所述壓力傳感器外部的印刷電 路板（110)的第二繞組（109)感應(yīng)地耦合，以形成用于所述第一輸出信號(hào)和/或所述第二輸 出信號(hào)與所述印刷電路板通信的接口。18. -種壓力測(cè)量設(shè)備(9,4)，其特征在于，包括傳感器組件(9)和測(cè)量電路(4)，所述測(cè) 量電路被電連接至所述傳感器組件(9)，所述傳感器組件(9)包括根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一 項(xiàng)所述的壓力傳感器(15)。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，所述測(cè)量電路(4)集成在所述壓力傳感 器(15)的所述柔性本體(16)中。20. -種制動(dòng)系統(tǒng)（1)，其特征在于，所述制動(dòng)系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求18或權(quán)利要求19 所述的壓力測(cè)量設(shè)備(9,4)。21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的制動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，包括： 根據(jù)權(quán)利要求18或權(quán)利要求19所述的壓力測(cè)量設(shè)備(9,4); 制動(dòng)盤(8);以及 機(jī)電致動(dòng)器(5)，被配置為使得響應(yīng)于由所述壓力測(cè)量設(shè)備(9, 4)產(chǎn)生的控制信號(hào)而 在所述制動(dòng)盤(8)上施加制動(dòng)動(dòng)作。
【文檔編號(hào)】G01L5/28GK205426393SQ201520972088
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2015年11月30日
【發(fā)明人】A·帕加尼, B·穆拉里, M·費(fèi)雷拉, D·朱斯蒂, D·卡爾塔比亞諾
【申請(qǐng)人】意法半導(dǎo)體股份有限公司