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CN106197776B - 压力传感器、压力测量设备、制动系统和测量压力的方法 - Google Patents

压力传感器、压力测量设备、制动系统和测量压力的方法 Download PDF

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CN106197776B CN201510855249.5A CN201510855249A CN106197776B CN 106197776 B CN106197776 B CN 106197776B CN 201510855249 A CN201510855249 A CN 201510855249A CN 106197776 B CN106197776 B CN 106197776B
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Abstract

本发明涉及一种压力传感器、压力测量设备、制动系统和测量压力的方法，压力传感器(15)带有双测量刻度，包括：柔性本体(16，34)，设计成根据压力(P)而经受偏转；压阻转换器(28，29；94)，用于检测偏转；第一聚焦区域(30)，设计成在第一操作条件过程中将压力(P)的第一值(PINT1)集中在柔性本体的第一部分(19)中，以便使柔性本体的第一部分发生偏转；以及第二聚焦区域(33)，设计成在第二操作条件过程中将所述压力(P)的第二值(PINT2)集中在柔性本体的第二部分(17)中，以便使柔性本体的第一部分二部分()发生偏转。压阻转换器将柔性本体的第一部分的偏转关联至第一压力值(PINT1)，并且将柔性本体的第二部分的偏转关联至第二压力值(PINT2)。

Description

压力传感器、压力测量设备、制动系统和测量压力的方法
技术领域
本发明涉及具有双测量刻度的集成压力传感器、包括该集成压力传感器的压力测量设备、制动系统以及使用该集成压力传感器测量压力的方法。特别地，之后的处理将在不暗指失去任何一般性的情况下明确参照所述传感器在车辆的制动系统中的使用，特别是BbW(线控制动器)类型的机电制动系统。
背景技术
如已知的，车辆的常规类型的盘式制动系统包括相对于车辆的相应轮固定的盘、与盘相关联的卡钳(calliper)、以及液压控制电路。卡钳在其中容纳有摩擦材料制成的垫以及连接至液压控制电路的一个或多个活塞。当车辆的使用者在制动踏板上施加一个动作之后，液压控制电路中的泵对包含在电路自身中的流体加压。因此，配备有专门设置的密封元件的活塞脱出相应的支座并且按压垫以抵靠盘的表面，从而以这种方式在轮上施加制动动作。
目前，已提出所谓的DbW(线控驱动)系统，其构想车辆的主要功能的电子控制，例如转向系统、离合器和制动系统。特别地，已提出电子控制的制动系统，其构想使用机电类型的致动器来代替液压卡钳。详细而言，适当的传感器检测制动踏板的操作并且产生对应的电信号，该电信号由电子控制单元接收和解释。电子控制单元然后控制机电致动器(例如由电子电极驱动的活塞)的介入，其通过垫在对应制动盘上作用制动动作。电子控制单元进一步从与制动系统关联的传感器接收与由机电致动器作用的制动动作有关的信息，从而例如通过PID(比例积分微分)控制器提供适当的闭合环路反馈控制。
为了测量前述电压，同时在低压和高压下具有高灵敏度并且类似地具有高的全刻度值的压力传感器是必要的。实际上，特别需要以双测量刻度来测量压力，以便以高的精度同时测量低压和高压。此外，根据制动系统，垫按压抵靠盘的力可呈现从0N至处于10000N至35000N范围内的最大值。
当前已知存在能够测量高压值的传感器，其由钢芯制成，芯上固定有应变片元件。
应变片元件通过电阻的变化来检测它们所关联的芯的几何变形。然而，出于可靠性、尺寸和成本的原因，这些传感器仅仅应用和适用于先前描述类型的制动系统的表征和改进，而不用在制造阶段。此外，它们不具有高精度且仅仅具有一个测量刻度。
类似已知的是通过半导体技术获得的集成压力传感器。这些传感器通常包括悬置在硅本体中开出的腔之上。在薄膜内扩散的是连接在一起以形成惠特斯通电桥的压阻元件。当承受压力时，薄膜经受变型，导致压阻元件的电阻变化以及惠特斯通电桥的不平衡。然而，这种传感器可能不会用于测量高压，因为它们具有低的全刻度值(即10kg/cm2区域中的)，特别地显著低于先前描述的制动系统中产生的压力值。
EP1907811公开了一种对前述问题的解决方案，其中，为了测量高压，提议薄膜传感器设置有第一压阻元件和第二压阻元件，第一压阻元件设置在薄膜的邻近区域，第二压阻元件设置成与薄膜相距一定距离，处于实心和紧凑的块体区域中。第一压阻元件设计成检测在低压下经受变型的薄膜的偏转，直到到达最大偏转(饱和)。第二压阻元件设计成检测由于超出薄膜的饱和压力的压力增加而作用在第二压阻元件上的横向类型(但并非是纵向的，因为块体区域不存在弯折或弯曲现象)的压力。
这种类型的传感器提供低压(由第一压阻元件提供的信号)下的良好测量准确度，但在高压(由第二压阻元件提供的信号)下测量准确度差。此外，这种类型的传感器不会区分低于最小检测阈值的压力变化。
为了制动系统的反馈-控制系统可选地起作用，有利的还有使得高压下进行的测量准确并且对最小压力变化敏感。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种压力传感器、包括该集成压力传感器的压力测量设备、以及使用压力传感器测量压力的方法，它们使得能够克服前述缺点和问题，并且特别地将呈现双测量刻度、高的全刻度值、以及高准确度和灵敏度，以便以良好的精度水平同时测量高压和低压。
根据本发明，因此提供如在所附权利要求中限定的具有双测量刻度的集成压力传感器、包括该集成压力传感器的压力测量设备、制动系统、以及使用该集成压力传感器测量压力的方法。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将仅仅以实例的方式并参照附图描述本发明优选实施例，附图中：
-图1示出了线控制动机电类型的制动系统的框图；
-图2为根据本发明一个实施例获得的压力传感器的截面图(未成比例)；
-图3示出了集成在图2的压力传感器中由压阻元件形成的惠特斯通电桥；
-图4为图2的压力传感器的透视图；
-图5为根据本发明另一实施例获得的压力传感器的截面图(未成比例)；
-图6为根据本发明另一实施例获得的压力传感器的截面图(未成比例)；
-图7示出了根据传感器自身在使用中受到的压力而变的从图6的压力传感器的输出产生的电信号；以及
-图8至图12示出了设计成传递从压力传感器的输出处根据传感器传感器在使用中受到的压力而产生的电信号的传感器的相应实施例。
具体实施方式
图1示出了机电类型的制动系统1(所谓的“线控制动”系统)的框图，包括：制动踏板2；第一传感器3，设计成检测制动踏板2的行程C和致动速度v；电子控制单元4，连接至第一传感器3；机电致动器5，连接至电子控制单元4，并且由发动机6和活塞7构成，活塞例如通过蜗杆类型的连接元件(未示出)而连接至发动机6；制动盘8，连接至机电致动器5并且相对于车辆的轮固定(以已知的方式且未示出)；以及第二传感器9，设计成检测与由机电致动器5作用在制动盘上的制动动作有关的信息，并且反馈连接至电子控制单元4。
在使用中，第一传感器3将与制动踏板2的行程C和致动速度v有关的数据发送给电子控制单元4，该电子控制单元根据所述数据而产生用于机电致动器5(特别是用于发动机6)的控制信号(以电压V或电流I的形式)。根据是控制信号，发动机6产生转矩，该转矩由蜗杆类型的连接元件转化成活塞7的线性运动。因此，活塞7按压在制动盘8上(通过由摩擦材料制成的垫，未示出)，以便制动其旋转。第二传感器9检测由活塞7作用在制动盘8上的压力P以及活塞7相对于制动盘8的位置x，并且将所述反馈数据发送给电子控制单元4。电子控制单元4因此执行制动动作的闭合环路控制(例如PID控制)。
根据本发明的一个方面，第二传感器9包括根据在下文中描述的任一实施例的压力传感器，特别是集成类型的，该第二传感器通过MEMS技术获得并且设计成测量由活塞7作用在制动盘8上的压力P。以未示出的方式，压力传感器15容纳在机电致动器5的壳体中，并且以对由活塞7施加的压力P敏感的方式配置。
详细而言，如图2所示，在正交轴X、Y、Z的参考系中，压力传感器15包括由半导体材料(优选是硅，特别是单晶硅)制成的单片式本体16，例如为N型且晶面定向为(100)。该单片式本体16具有四边形截面，例如具有边1(沿着轴线X或Y测量)的方形，该边介于1mm与20mm之间，优选介于10mm与15mm之间，顶部由第一表面16a界定而底部由第二表面16b界定，第二表面与第一表面相反且平行。单片式本体16具有的厚度(在第一和第二表面16a、16b之间沿着Z测量)等于w且大致均匀，例如介于50μm与900μm之间，优选介于500μm与900μm之前，特别是等于720μm。
单片式本体16包括块体区域17和第一腔18，该第一腔埋置在单片式本体16中。第一腔18具有例如方形的横截面，其边长介于300μm与400μm之间并且厚度(沿着轴线Z)测量介于2μm与6μm之间，例如为4μm。第一腔18通过单片式本体16的纤薄部分而与第一表面16a分离，该纤薄部分形成薄膜19，该薄膜具有的厚度介于1μm与60μm之间，优选介于4μm与10μm之间。块体区域17因此为单片式本体16的围绕薄膜19和第一腔18的部分。
薄膜19为柔性的，且在存在外部负载的情况下能够经受偏转。特别地，如后文详细描述的，薄膜19根据作用在单片式本体16上的力或压力P而经受变形。根据一个实施例，薄膜19的厚度小于第一腔18的厚度，以便防止薄膜19的约束位置的剪切应力，所述剪切应力可能导致薄膜自身的失效。
可通过在欧洲专利No.EP1577656中描述的制造工艺获得第一腔18。
部分地处于薄膜19内的是第一压阻传感元件28(特别地个数为四个，设置在薄膜19中央处对中的理想交叉处的顶点处)，通过具有掺杂(例如P型)的区域构成。第一压阻感测元件28可借助于适当的扩散掩膜通过掺杂原子的扩散而获得，并且具有例如近似矩形的截面。另外，第一压阻感测元件28可连接至一起以形成惠特斯通电桥电路。
可替换地，第一压阻感测元件28可形成环形振荡电路的一部分。
在块体区域17的表面部分中，在与薄膜19隔开且分立的位置，存在第二压阻感测元件29(特别地，数量为四个，设置在薄膜19中央处对中的另一理想交叉处的顶点处)，其同样例如通过具有例如通过扩散获得的P型的掺杂的区域形成。第二压阻感测元件29与薄膜19(并且因此与第一压阻感测元件28)隔开，隔开的距离等于或大于例如10μm，优选为50μm，从而不会在力P作用时显著受到薄膜19上的应力的影响。特别地，第二压阻感测元件29集成在块体区域17的实心且紧凑部分中，该部分具有的厚度大致等于距离w。
根据一个实施例，界面层34涂覆单片式本体16的第一表面16a。界面层34可为包括弹性材料(例如聚酰胺)的单层或多层，或者可为由电解质材料(例如二氧化硅)形成的单层或多层，或者可替换地为包括聚酰胺层在其上延伸的二氧化硅层的多层。界面层34可包括通过连接引线互连的一个或多个金属化层级(未示出)。
例如由半导体材料(诸如硅)制成的第一衬底32在界面层34之上延伸，通过锚定元件31结合至界面层34，锚定元件31在界面层34与第一衬底32之间延伸，处于界面层34和下部单片式本体16的外围区域中。本文中考虑为外围区域的是单片式本体16的在第二感测元件29外部延伸的那些区域(当在平面XY、XZ和YZ中考虑时)。特别地，锚定元件31在第二压阻感测元件29外部沿着界面层34和单片式本体16的整个周围延伸。
锚定元件31例如由电介质材料(诸如二氧化硅或氮化硅)制成，并且通过自身已知的沉积和蚀刻步骤获得。
第一聚焦区域30(同样例如由诸如二氧化硅或氮化硅的电介质材料制成)在界面层34与第一衬底32之间延伸并与它们直接接触。特别地，第一聚焦区域30在薄膜19之上延伸，即沿着轴线Z至少部分地与薄膜19对齐。这样，在使用中，第一聚焦区域30将压力P聚焦在薄膜19自身上，从而迫使其经受变形。在生产锚定元件31的相同步骤过程中获得第一聚焦区域30。
压力传感器15进一步包括第二衬底35，该第二衬底例如由半导体材料(诸如硅，厚度例如介于50μm与900μm之间，优选介于500μm与900μm，特别是720μm)制成，或者由陶瓷材料或玻璃或具有类似弹性系数的某种其他材料制成，该第二衬底以面向单片式本体16的第二表面16b的方式延伸，通过锚定元件37机械结合至第二表面16b，这些锚定元件在单片式本体16的第二表面16b与第二衬底35的相应表面35a之间延伸，至少部分地处于单片式本体16的第二表面16b的周围区域中。如先前限定的，考虑为周围区域的是单片式本体的如在平面XY、XZ和YZ中看去在第二压阻感测元件29外部延伸。然而，在这种情况下，如另一方面在图2中所示，再次如在平面XY中看去，锚定元件37部分地在第二压阻感测元件29之上延伸。
特别地，锚定元件37沿着单片式本体16的第二表面16b或者第二衬底35的表面35a的整个周围延伸，从而在第二表面16b与表面35a之间限定第二腔38。
锚定元件37由例如二氧化硅或氮化硅的电介质材料制成，并且沿着Z具有的厚度介于0.1μm与20μm之间，例如1μm。第二表面16b与表面35a之间的距离(沿着Z)限定第二腔38的高度，该高度大致等于锚定元件37的厚度。
进一步在界面层34与第一衬底32之间延伸的是一个或多个第二聚焦区域33，它们结合至第一衬底32(但不结合至界面层34)并且沿着Z具有的厚度小于第一聚焦区域30也沿着Z的厚度。特别地，第二聚焦区域33具有的厚度使得，当薄膜19与第一腔18接触或饱和(即其完全偏转，从而关闭第一腔18)或者到达期望的全刻度值，第二聚焦区域33与界面层34直接接触。换言之，第二聚焦区域33与界面层34之间的距离(沿着Z)等于或小于第一腔18的厚度(沿着Z)。
作为对已描述内容的替换，第二聚焦区域33可结合至界面层34而不结合至第一衬底32，当薄膜19接触腔18的底部或者饱和或者到达期望的全刻度值时，第二聚焦区域与第一衬底直接接触。
根据另一实施例，第二聚焦区域33可设置成部分地结合至界面层34且部分地结合至第一衬底32。
因此，当在使用中在压力传感器上施加压力P时，薄膜19经受偏转直到其与墙体18的底部接触。使薄膜19接触腔18底部的最小压力值PMAX1取决于薄膜19的厚度并且取决于其由什么材料制成。例如，薄膜19以这样的方式制造，从而在至少经受介于8N与50N之间的压力PMAX1时接触腔18的底部。特别地，对于沿着Z的厚度等于8μm且由单晶硅制成的薄膜19而言，压力PMAX1为10N。
小于压力PMAX1的中间压力值PINT1使得薄膜19发生渐进的偏转(当前值PINT1越大，薄膜偏转越大)，但并不会使其与腔18底部接触。
当压力P增加时，第二聚焦区域33与第一聚焦区域30一起协作，以使单片式本体16偏转，该本体因此整体作为悬置在第二腔38之上的第二薄膜。最小压力PMAX2依据单片式本体16的厚度且依据其由什么材料制成而使得单片式本体16与腔38的底部35a接触。例如，单片式本体16以这样的方式制造，从而在其至少经受等于大于PMAX1的PMAX2(并且具有不对压力传感器造成损伤的最大值，例如介于10kN与20kN之间的全刻度值)时与腔38的底部35a接触。在特别实施例中，对于厚度w为720μm的由单晶硅制成的单片式本体16，压力值PMAX2为10kN。
满足PMAX1＜PINT2＜PMAX2的中间压力值PINT2使得单片式本体16发生渐进偏转(当前值PINT2越大，薄膜偏转越大)，但不会使单片式本体16与腔38的底部35a接触。
第二压阻感测元件29在使用中具有在第一薄膜19的偏转最大(饱和状态)时检测第二薄膜(即单片式本体16)的偏转度的作用。为此，优选地形成足够远离第一薄膜19的第二压阻感测元件29使得第二压阻感测元件不会被第一薄膜的偏转影响，但是第二压阻感测元件在任何情况下均形成在单片式本体16的在第一薄膜19饱和时经受偏转的区域中。例如，它们可相对于第二腔38的相应外围区域(即第二腔38的靠近或毗邻锚定元件37的区域)而沿着Z大致对齐。
如已预料到的，压力传感器15的一般操作基于所谓的压阻效应，施加在压阻元件上的应力借由该压阻效应而导致其电阻的变化。对于由诸如硅的半导体材料，所施加的应力除了确定压阻元件尺寸的变化之外还使得晶格发生变形并且使得主要电荷载体迁移性改变以及电阻率发生变化。例如，在硅中，对于晶格的1％的变形，主要电荷载体的迁移性的对应变化近似为30％。特别地，同时沿着平行方向(所谓纵向应力)和沿着与其中压阻元件排布平面成法向的方向(所谓横向应力)的应力导致电阻的变化。压阻元件的电阻变化可通常由以下关系式表达：
其中R为压阻元件的电阻，△R为所述电阻的变化，П44为半导体材料的一个压阻系数，例如对于P型单晶硅而言等于138.1·10-11Pa-1，并且σ1、σt分别为压阻元件经受的纵向应力和横向应力。
参照图2的压力传感器15，单片式本体16以这样的方式布置，使得待测量的压力P导致沿着与第一主外表面16a成法向的方向(即在该实施例中沿着Z)上的应力。
特别地，在第一操作条件下，压力P导致薄膜19的变形，薄膜受迫经受变形。该变形包括第一压阻感测元件28中的纵向和横向机械应力，这些应力因此改变电阻的值。考虑例如第一压阻感测元件28的惠特斯通电桥构造，通常它们以这样的方式设置，使得它们中的一部分(例如它们中的两个)经受压缩应力，而其余(在例如设置四个压阻器的情况下为另外两个)经受拉伸应力，从而增加对应惠特斯通电桥电路的灵敏度。第一压阻元件28的电阻变化因此导致惠特斯通电桥电路的不平衡，这在来自惠特斯通电桥电路的输出处产生电压信号，该电压信号可由适当的读取电路检测。
另外，在其中压力P呈现比用于使第二聚焦区域33接触界面层34所需压力更大的值的第二操作条件下，引发了单片式本体16的变形，该变形导致第二压阻感测元件29中的纵向和横向机械应力，这些应力因此改变电阻的值，如参照第一压阻感测元件28所描述的。
详细而言，本发明的一个方面基于以下事实的实现：对于压力P的低值而言，第二压阻感测元件29的变形实际上可忽略不计。然而，引发薄膜19经受变形，导致第一压阻感测元件28的对应变形，该变形可由读取电路检测，以便供应所施加压力P的测量。当压力P增加时，薄膜19的变形增加，直到薄膜19自身接触下方第一腔18的底部，因此使得在输出处供应的压力值饱和(因为任何进一步的变形是不可能的)。特别地，该变形可在例如压力P的值为大约10N的情况下发生。
在此，压力P的进一步增加开始影响整个第一主外表面16a，并且导致单片式本体16的偏转，从而导致第二压阻感测元件29的因此不可忽略的电阻变化，压力P的值来自于第二压阻感测元件。通过单片式本体16获得的第二薄膜的饱和可在压力P的值为大约10kN的情况下发生。
因此，由所述第一和第二压阻感测元件28、29提供的压力测量是独立且互补的(假定所述元件干预压力P的不同值)。压力传感器15因此具有第一测量刻度，其对于压力P的低值以及大约10N的全刻度值(由第一压阻感测元件28的薄膜19的动作确定，第一压阻感测元件因此一起形成对低压敏感的元件)是有效的；并且具有第二测量刻度，其对于压力P的高值以及大约10kN的全刻度值(由单片式本体16和第二压阻感测元件29的动作确定，第二压阻感测元件因此一起形成对高压敏感的元件)是有效的。假定薄膜19对压力P的均匀最小变化敏感，则第一感测刻度比第二感测刻度更精确。
压力传感器15在高压方面呈现出显著的强度。如已知的，实际上，单晶硅在压缩应力(特别是高达2GPa)方面根据晶体取向而具有高的极限强度，使得其能够以足够的裕度经受制动系统内产生的最大压力值。此外，薄膜19沿着竖直方向的偏转受到第一腔18的相对小的厚度的限制，因此防止了薄膜19对高压值的失效。
第一压阻感测元件28可例如连接在一起以形成惠特斯通电桥电路(图3)，具有设置在电桥相对侧上沿着相同方向变化的电阻器，从而增加电路的灵敏度。惠特斯通电桥电路供应有供给电压Vin1并且供应输出电压Vout1。
第二压阻感测元件29可依次连接从而形成自身的惠特斯通电桥电路，类似于图3所示。有利地，惠特斯通电桥电路中压阻器的特别布置使得能够进行差分测量，其中抵消了由于环境参数(例如温度)而导致的电阻变化，因此使得第二输出电压Vout1以及因此所测得的压力P的值对所述参数不敏感。
特别地，应当注意到，第一和第二压阻感测元件28、29并未电连接在一起，并且形成两个分立且独立的电子读取电路的一部分(从而提供压力传感器15的两个测量刻度，如先前强调的)。特别地，对于压力P的低值，来自由第二压阻元件29形成的电路的输出处的电压大致为零，而来自由第一压阻元件28形成的电路的输出处的电压Vout1由适当的电子测量电路(自身已知的类型，并且包括例如至少一个仪表放大器)用于测量压力P。相反，对于P的高值，由第一压阻元件28形成的电路的输出电压饱和Vout1，并且电子测量电路获得来自由第二压阻元件29形成的电路的输出电压Vout2的压力P的测量。
图4示出了图2的压力传感器15的一部分15'的透视图。特别地，图4呈现的部分15'为压力传感器15沿着图2的截平面切开的部分。两个镜面反射部分15'的连接形成压力传感器15。
如从图4可见，锚定元件31沿着单片式本体16的整个周围延伸，形成第一衬底32搁置于其上的框架。类似地，第二聚焦区域33在由锚定元件31限定的区域内延伸且与该区域机械隔离，从而能够与第一衬底32一起经受偏转。
另外，第二聚焦区域33具有第一聚焦区域30容纳在其内的凹部。第二聚焦区域33因此也与第一聚焦区域30分离，从而不构成限制，以便能够与第一衬底32一起经受偏转。在图4所示实施例中，第二聚焦区域33以彼此连接的方式延伸以形成单个区域。然而，根据不同实施例，它们可彼此机械分离/隔离，例如在容纳第一聚焦区域30的凹部处彼此隔离。
锚定元件37与锚定元件31具有类似的形状和延伸，并且限定第二腔38，该第二腔位于框架内部由锚定元件37形成。
根据另一实施例(图中未示出)，锚定元件31和第二聚焦区域33连接在一起，然而具有沿着轴线X变化的相应厚度(沿着Z)，使得锚定元件31和第二聚焦区域33具有不同的厚度，如已描述的。
图5为根据本公开另一方面的压力传感器50的另一实施例的横截面图。
压力传感器50包括底部衬底52，例如由诸如硅的半导体材料、或者陶瓷材料、或者玻璃、或者具有类似弹性系数的某种其他材料制成，该底部衬底通过一个或多个锚定元件54机械地结合至由诸如硅的半导体材料制成的单片式本体56。锚定元件54类似于图2和图4的锚定元件31，并且本文不再进行任何描述。
单片式本体56类似于先前描述的单片式本体16，并且容纳埋置腔58。埋置腔58对应于图2的第一腔18，并且通过相同的制造方法获得。在埋置腔58与单片式本体56的表面56a之间延伸的是柔性薄膜59，该柔性薄膜能够在存在外部负载的情况下经受偏转。特别地，如已参照图2的薄膜19详细描述的，薄膜59根据作用在单片式本体56上的压力P而经受变形。
至少部分地位于薄膜59内的是第一压阻感测元件68，该第一压阻感测元件类似于图2的压阻元件28，并且具有相同的用途。特别地，第一压阻感测元件68数量为四个，由具有P型掺杂的区域构成，并且连接在一起以形成惠特斯通电桥电路。以自身已知的方式，第一压阻感测元件68的电子可根据薄膜59的变形而变化。
在与薄膜59隔开且分立的位置，存在第二压阻感测元件69，该第二压阻感测元件类似于图2的压阻元件29，并且具有相同的用途。这些第二压阻感测元件由具有P型掺杂的区域构成，并且与薄膜59隔开一定距离，从而不会在力P(例如达10N)的动作的第一操作条件过程中收到作用在薄膜59上的应力的显著影响。后文中，力P将无差别地指代力或者该相同的力作用在表面上的压力。
类似于图2和图4的第一聚焦区域30的第一聚焦区域66在对应于薄膜59的区域中在衬底52与单片式本体56之间延伸。
类似于图2的第二聚焦区域33的第二聚焦区域73在第一聚焦区域66与锚定元件54之间延伸。第二聚焦区域73沿着Z具有的直径小于锚定元件54和第一聚焦区域66沿着Z的厚度。有利地，第二聚焦区域73已与第一和第二压阻感测元件68、69对齐。这里应当注意到，类似地在随后的图中，出于简单表示的目的，已省略界面层34。
在使用中，当施加压力P时，第一聚焦区域66的存在导致薄膜59的偏转，该薄膜以与所施加压力成比例的方式经受偏转，直到其接触腔58的内壁(第一操作条件)；当压力P增加时，单片式本体56在与其容纳第二聚焦区域73的部分对应的区域中(例如在与单片式本体56的在锚定元件54与第一聚焦区域66之间延伸的部分对应的区域中)经受偏转，直到第二聚焦区域73接触衬底52，因此确定用于测量偏转的全刻度值，并且防止单片式本体56的不理想的失效或损伤(第二操作条件)。单片式本体56因此用作第二薄膜，该第二薄膜悬置在存在于单片式本体56自身与衬底52之间的腔上。
图6示出了根据本公开的压力传感器80的另一实施例。
压力传感器80包括例如由半导体材料(例如硅)制成的单片式本体82。单片式本体82在第一衬底88与第二衬底84之间延伸。更详细而言，单片式本体82通过与参照图1描述的锚定元件37类似的锚定元件85而机械地结合至第二衬底84。因此锚定元件85沿着单片式本体82的外围或周围区域延伸，并且限定腔86。根据一个实施例，锚定元件85完全围绕腔86，使得所述腔86与外部完全隔离。根据不同实施例，腔86仅仅部分地由锚定元件85围绕。设置在单片式本体82的与锚定元件85在其上延伸的侧部相对的侧部上的是第一衬底88，该第一衬底例如由半导体材料(类似于参照图2描述的第一衬底)、或者陶瓷材料、或者玻璃、或者具有类似弹性系数的某种其他材料制成。特别地，第一衬底88通过与图2的锚定元件31类似的锚定元件91机械地接合至单片式本体82。此外，在第一衬底88与单片式本体82之间延伸的是第一和第二聚焦区域90、93，它们与图2的相应第一和第二聚焦区域30、31类似，并且因此不再进行任何描述。在变型(未示出)中，第二聚焦区域93可布置在单片式本体82上，如图5的第二聚焦区域73。
由具有P型掺杂的区域构成的压阻感测元件94(特别地数量为四个，电连接在一起以形成惠特斯通电桥电路)在单片式本体82中在其面向第一衬底88的表面的邻近区域中延伸。更特别地，压阻元件在单片式本体82的处于锚定元件91与第二聚焦区域93之间的部分中延伸，该第二聚焦区域相对于第一聚焦区域90成镜像。
在使用中，在第一操作条件过程中，压力或力P施加给第一衬底88并且通过锚定元件91和第一聚焦区域90而传递给单片式本体82。单片式本体82因此经受偏转，从而在与压阻感测元件94对应的区域中产生纵向和横向应力。图7定性地示出了在第一操作条件(Vout1)过程中和在第二操作条件(Vout2)过程中由惠特斯通电桥电路产生的输出电压信号的曲线。
如果所施加的力P使得第二聚焦区域93与单片式本体82接触(在图7的实例中，这甚至对应于10N的压力并且在来自电桥电路的输出处产生电压VMAX1)，压力传感器80进入第二操作条件，其中单片式本体82继续在与包括在锚定元件91与第二聚焦区域93之间的区域对应的区域中(即在其容纳压阻器94的部分中)经受显著的偏转。在图7的实例中，在10kN的压力下，第二聚焦区域93与单片式本体82接触，并且由电桥电路产生等于VMAX2(＞VMAX1)的输出电压Vout2。
如从图7可注意到的，在第二操作条件下，来自惠特斯通电桥电路的输出处的电压Vout2相对于电压Vout1改变斜度。在已知来自电桥电路的输出处的信号Vout的曲线(其可以自身已知的方式通过施加增大的力P并测量输出Vout而以实验的方式获得)的情况下，因此通过将输出电压值Vout与压力传感器受到的有效压力值P关联，可在压力传感器80的操作中的每个时刻识别其所处的操作条件。
图8为图2的压力传感器15的截面图，其中第二衬底35在平面XY中具有的延伸大于单片式本体16的相应延伸。而单片式本体16在平面XY中具有的延伸大于第一衬底32的相应延伸。这样，可提供适当连接(以已知的方式并且本文未示出)至例如第一和第二压阻感测元件28、29的电接触焊盘98，这些电接触焊盘位于单片式本体16的顶表面16a上与第一衬底32并排。举例而言，图8中仅有两个焊盘98可见，然而它们可依要求而具有任何数量。在焊盘98与第一和第二压阻感测元件28、29之间可存在另一电路，例如接口电路、采集电路或转换电路，从而对由压力传感器15测量的物理量的值进行适当解码。可类似地在第二衬底35的顶表面35a上设置相应的电接触焊盘99(电结合至导电路径，该导电路径未示出)。举例而言，图8中仅有两个焊盘99可见，然而它们可依要求而具有任何数量。
焊盘98分别通过第一压阻感测元件28和通过第二压阻感测元件29电连接至所形成的惠特斯通电桥电路的相应电输出端子。焊盘98与焊盘99之间的电连接通过结合引线97获得。通过使用结合至焊盘99的适当的导电路径，因此可将由位于压力设备15外部的惠特斯通电桥电路供应的电信号传递给例如图1的控制单元4。可设置其他电接触焊盘(未示出)，用于将功率供给发送给压力传感器。
图9示出了压力传感器101的另一实施例，其中由第一和第二压阻感测元件28、29产生的电信号通过导电结合部而传递至压力传感器101外部。
在该实施例中，以每个电感器102感应结合至相应电感器104的方式将一个或多个电感器102集成在界面层34中(或者可替换地集成在单片式本体16中位于表面16a上)并且将相应的一个或多个电感器104集成在第一衬底88中。在其中第一衬底88由半导体材料制成的情况下，需要将所述相应一个或多个电感器104集成在界面层(这里未示出且类似于层34)中。电感器102操作地结合至电路的相应输出端子(例如，它们可包括收发器/应答器、AC-DC转换器、有限状态数字电路、微控制器)，这里未示出，这些电路包括或结合至第一和第二压阻感测元件28、29，例如通过惠特斯通电桥连接或形成环形振荡电路的一部分，从而在压力传感器使用过程中接收由于薄膜19和单片式本体16的变形而产生的电压信号，并且将所述信号传递给相应电感器104。电感器104结合至导电路径(未示出)，以将压力传感器外部的压力P的检测信号传递给例如图1的控制单元4。压力传感器可以已知的方式通过其他电接触焊盘(未示出)或者通过电感器102、104被供应。
根据压力传感器105(在图10中示出)的另一实施例，一个或多个电感器106集成在界面层34中。然而，第一衬底88未集成有相应电感器。电感器109相反设置在外部板中，例如PCB(印刷电路板)110中。在图10的压力传感器105机械结合至PCB 110的过程中，压力传感器105以电感器106在使用中感应结合至电感器109的方式设置在PCB 110上。电感器106和109适当地设计尺寸以便确保感应结合，并且在它们之间延伸的衬底88应当优选具有高灵敏度(例如，其可为本征硅或者诸如陶瓷或玻璃的电介质材料)，以便防止涡电流的发生。例如，电感器109尺寸大于电感器106。
由于PCB 110的存在，压力P在该实例中施加在第二衬底35上。
适当的电连接部以自身已知的方式设置在PCB 110上，用于获得来自电感器109的电信号，并且将其发送给图1的控制单元4以待处理。压力传感器可以已知的方式通过其他电接触焊盘(未示出)或通过电感器106、109被供应。
图11以顶视图示出了压力传感器115的另一实施例，其中第一衬底32在平面XY中具有的延伸小于单片式本体16的相应延伸。特别地，第一衬底32设计成使得界面层34的表面的在单片式本体16之上延伸的选择性部分暴露。暴露的选择性部分为界面层34的在单片式本体16(这里假定为四边形，特别是方形)之上延伸的转角区域。在与界面层34的暴露区域对应的区域中延伸的是由导电材料制成的多个接触焊盘118，它们设计成例如通过金属条119(例如铜条)而电接触。接触焊盘118进而与包括第一和第二压阻元件28和29的电路的相应端子电接触，用于获得由它们转换的信号。可设置其他电接触焊盘(未示出)，用于将功率供给发送给压力传感器。
图12示出了压力传感器120的另一实施例。图12的压力传感器120类似于图5的压力传感器50。压力传感器120与压力传感器50共同的元件这里不再进行任何进一步的描述或阐述并且由相同参考表面指代。
压力传感器120进一步包括第一叶片连接器122和第二叶片连接器13(也已知为“端接器”；第一叶片连接器122在单片式本体56的暴露侧之上延伸，而第二叶片连接器124在底部衬底52的暴露侧之上延伸。这样，单片式本体56和底部衬底52夹置在第一和第二叶片连接器122、124之间。
由导电材料(特别是金属)制成的第一和第二叶片连接器122、124具有将功率供给发送给压力传感器120的作用。例如，第一叶片连接器122在供给电压VDD下偏置，而第二叶片连接器124在参考电压(例如接地电压GND)下偏置。为此，在单片式本体56与第一叶片连接器的结合区域中，并且在底部衬底52与第二叶片连接器124之间的结合区域中，延伸有相应的电接触焊盘(未示出)。为了将第二叶片连接器124电连接至单片式本体56中的电路(未示出，包括或连接至压阻感测元件68、69)，锚定元件54的至少一部分(例如外部环)必须是导电的。此外，底部衬底52和单片式本体56必须呈现有低的电阻率。
根据本发明一个实施例，第一和第二叶片连接器122、124进一步具有将由位于压力传感器120外部的压阻感测元件68、69转换的信号发送给例如图1的控制单元4的作用。在这种情况下，根据已知的技术，以用作数据承载媒介的方式对电载体信号(供给信号)进行调制，用于进一步承载由压阻元件68、69转换的信号(例如来自相应惠特斯通电桥电路的输出处的信号)，或者所述供给信号可为恒定电压，其上重叠有承载所测量物理量的信息的数字信号。
根据相应实施例描述的压力传感器呈现出许多优点。
首先，其呈现出高的全刻度值并且实现使用双测量刻度(用于测量低压的第一刻度以及用于测量高压的第二刻度)进行压力测量。两种测量均以高精度进行。特别地，所描述的压力传感器以节制的成本和有效的制造复杂性集成在由半导体材料制成的相同单片式本体内，其中元件对高压和低压敏感。
压力传感器在一个或多个感测元件以及一个或多个压阻参考元件之间进行差分类型的测量，并且因此对环境参数的变化以及对过程宽度不敏感。
最后，清楚的是，在不背离由所附权利要求中限定的本发明范围的情况下，可对本文已描述和示出的内容进行修改和变型。
特别地，清楚的是，单片式本体的形状可与已描述和示出的不同。特别地，单片式本体的截面可为圆形或一般的多边形，而不是所描述的四边形或方形。此外，第一腔18可具有不同于已示出的形状，例如具有圆形或一般多边形截面。类似地，此外，第二腔38可具有不同于已示出的形状，例如具有圆形或一般多边形截面。
无论所描述的特定实施例如何，可使用离子植入技术而非通过扩散来获得压阻传感器元件。
无论所描述的特定实施例如何，可在压阻元件之间使用不同于惠特斯通电桥的电连接部，例如环形振荡电路或某种其他连接。
类似地，可在压力传感器的第一操作条件过程中使用单个压阻感测元件用于检测第一薄膜的偏转，并且在第二操作条件过程中使用另一单个压阻感测元件用于检测第二薄膜(单片式本体)的偏转。
无论所描述的特定实施例如何，此外，压阻元件可依需要而位于不同于所示出的位置。
无论所描述的特定实施例如何，还可例如在第一衬底或第二衬底内形成电子测量电路，以便提供集成在单个芯模中的压力测量设备。
另外，还可使用非电介质材料(例如导电材料或半导体材料)获得聚焦区域和锚定区域。
此外，通过使用不同于硅的半导体材料(例如砷化镓)，感测元件可具有压电特性而非压阻特性。
最后，应当指出，压力传感器15可有利地也用于其中需要使用双测量刻度测量高压值的其他应用。

Claims (23)

1.一种压力传感器(15)，具有双测量刻度，所述压力传感器被配置成接收沿着一个方向(Z)作用的压力(P)，所述压力传感器包括：
-柔性本体(16，34)，适于根据所述压力(P)而至少部分地经受偏转；
-第一衬底(32；52)，被布置为面向所述柔性本体(16，34)的第一侧(16a)；
-转换组件(28，29；94)，被配置成根据所述柔性本体(16，34)的相应的第一部分(19)和第二部分(17)的偏转而产生第一输出信号(Vout1)和第二输出信号(Vout2)；
-第一聚焦区域(30)，被布置在所述第一衬底与所述柔性本体之间，所述第一聚焦区域被配置成在第一操作条件期间将所述压力(P)中的第一压力值(PINT1)集中在所述柔性本体(16，34)的所述第一部分(19)中，从而仅仅使得所述柔性本体(16，34)的所述第一部分(19)产生偏转；以及
-第二聚焦区域(33)，被布置在所述第一衬底与所述柔性本体之间，所述第二聚焦区域被配置成在第二操作条件期间将所述压力(P)中的第二压力值(PINT2)集中在所述柔性本体(16，34)的第二部分(17)中，从而使得所述柔性本体(16，34)的所述第二部分(17)产生偏转，
所述转换组件配置成：在所述第一操作条件期间，通过将所述柔性本体(16，34)的所述第一部分(19)的所述偏转关联至所述第一压力值(PINT1)来产生所述第一输出信号(Vout1)；以及在所述第二操作条件期间，通过将所述柔性本体(16，34)的所述第二部分(17)的所述偏转关联至所述第二压力值(PINT2)来产生所述第二输出信号(Vout2)，
其特征在于，所述压力传感器进一步包括位于所述第一衬底(32)与所述柔性本体(16，34)之间的第一腔，其中所述第一聚焦区域(30)在所述第一腔中延伸且具有等于存在于所述第一衬底与所述柔性本体(16，34)之间的距离的第一厚度，并且所述第二聚焦区域(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。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述第二聚焦区域(33)从所述第一衬底(32；52)伸出并且至少部分地围绕所述第一聚焦区域(30)，
并且其中所述第一衬底(32；52)被配置成沿着施加所述压力(P)的所述方向(Z)经受偏转，其中通过所述第二聚焦区域(33)与所述柔性本体(16，34)的接触而触发从所述第一操作条件向所述第二操作条件的过渡。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，进一步包括：
-第二衬底(35)，面向所述柔性本体(16，34)的与所述第一侧(16a)相反的第二侧(16b)；以及
-间隔件(37)，在所述第二衬底(35)与所述柔性本体(16，34)之间延伸，所述间隔件限定第二腔(38)，所述柔性本体(16，34)悬置在所述第二腔之上，使得所述柔性本体(16，34)形成适于在所述第二操作条件期间经受偏转的第二薄膜。
4.根据权利要求3所述的压力传感器，进一步包括在所述柔性本体(16，34)内延伸的埋置腔(18)，所述埋置腔直接地面向所述柔性本体(16，34)的所述第一部分(19)，使得所述柔性本体(16，34)的所述第一部分(19)以悬置在所述埋置腔(18)上的方式延伸以形成第一薄膜(19)。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其中，所述第二聚焦区域(33)沿着所述方向(Z)测量的厚度以及所述埋置腔(18)沿着所述方向(Z)测量的幅度被选择，以使得所述第一薄膜(19)在所述第二聚焦区域(33)与所述柔性本体(16，34)接触时与所述埋置腔(18)的底部接触。
6.根据权利要求5所述的压力传感器，其中，所述埋置腔(18)具有沿着所述压力(P)作用的所述方向(Z)测量的幅度，所述幅度等于在所述第二聚焦区域(33)处测量的所述第一腔的相应延伸。
7.根据权利要求4或权利要求6所述的压力传感器，其中，所述转换组件包括至少部分地布置在所述第一薄膜(19)中的第一压阻元件(28)。
8.根据权利要求7所述的压力传感器，其中，所述转换组件进一步包括第二压阻元件(29)，所述第二压阻元件在所述第一薄膜(19)外部布置在所述柔性本体(16，34)的所述第二部分(17)中。
9.根据权利要求8所述的压力传感器，其中，所述柔性本体(16，34)的容纳所述第二压阻元件(29)的所述第二部分(17)为所述柔性本体(16，34)的实心和紧凑区域。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的压力传感器，其中，所述第一压阻元件(28)一起被电连接成设计为供应所述第一输出信号(Vout1)的惠特斯通电桥电路或环形振荡电路；并且所述第二压阻元件(29)一起被电连接成设计为供应所述第二输出信号(Vout2)的惠特斯通电桥电路或环形振荡电路。
11.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，压力(P)的所述第一压力值(PINT1)小于压力(P)的所述第二压力值(PINT2)。
12.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述柔性本体(16，34)包括：
单片式区域(16)，具有沿着所述压力(P)作用的所述方向在所述第二部分(17)测量的厚度(w)，该厚度包括在50μm与900μm之间；以及
界面层(34)，在所述单片式区域与所述第一聚焦区域和所述第二聚焦区域之间延伸，所述界面层适于将所述压力(P)均匀分布在所述单片式区域上。
13.根据权利要求4-6中任一项所述的压力传感器，其中，所述第一薄膜(19)具有沿着所述压力(P)作用的所述方向(Z)测量的厚度，该厚度包括在1μm与60μm之间。
14.根据权利要求1所述的压力传感器，进一步包括电感器，所述电感器具有集成在所述柔性本体(16)中的第一绕组(102)以及集成在所述第一衬底(32)中的第二绕组(104)，以形成用于所述第一输出信号和/或所述第二输出信号与外部读取电路通信的接口。
15.根据权利要求1所述的压力传感器，进一步包括集成在所述柔性本体(16)中的第一绕组(106)，所述第一绕组被配置成与位于所述压力传感器外部的印刷电路板(110)的第二绕组(109)感应地耦合，以形成用于所述第一输出信号和/或所述第二输出信号与所述印刷电路板通信的接口。
16.根据权利要求11所述的压力传感器，其中压力(P)的所述第一压力值(PINT1)被包括在0-20N的范围之间，而压力(P)的所述第二压力值(PINT2)大于20N。
17.一种压力测量设备(9，4)，包括传感器组件(9)和测量电路(4)，所述测量电路被电连接至所述传感器组件(9)，其特征在于，所述传感器组件(9)包括根据权利要求1-16中任一项所述的压力传感器(15)。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述测量电路(4)集成在所述压力传感器(15)的所述柔性本体(16)中。
19.一种制动系统(1)，其特征在于，所述制动系统包括根据权利要求17或权利要求18所述的压力测量设备(9，4)。
20.根据权利要求19所述的制动系统，包括：
根据权利要求17或权利要求18所述的压力测量设备(9，4)；
制动盘(8)；以及
机电致动器(5)，被配置为使得响应于由所述压力测量设备(9，4)产生的控制信号而在所述制动盘(8)上施加制动动作。
21.一种通过具有双测量刻度的压力传感器(15)测量压力(P)的方法，所述压力传感器设置有：柔性本体(16，34)，适于根据所述压力(P)而至少部分地经受偏转；第一衬底(32；52)，被布置为面向所述柔性本体(16，34)的第一侧(16a)；转换组件(28，29；94)，被配置成根据所述柔性本体(16，34)的所述偏转而产生第一输出信号(Vout1)和第二输出信号(Vout2)；第一聚焦区域(30)；第二聚焦区域(33)；位于所述第一衬底(32)与所述柔性本体(16，34)之间的第一腔，其中所述第一聚焦区域(30)在所述第一腔中延伸且具有等于存在于所述第一衬底与所述柔性本体(16，34)之间的距离的第一厚度，并且所述第二聚焦区域(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，
所述方法包括以下步骤：
在第一操作条件期间对所述压力传感器(15)施加所述压力(P)的第一值(PINT1)；
通过所述第一聚焦区域(30)将压力(P)的所述第一值(PINT1)集中在所述柔性本体(16，34)的第一部分(19)处，使得所述柔性本体(16，34)的所述第一部分(19)产生偏转；
在第二操作条件期间对所述压力传感器(15)施加所述压力(P)的第二值(PINT2)；
通过所述第二聚焦区域(33)将压力(P)的所述第二值(PINT2)集中在所述柔性本体(16，34)的第二部分(17)处，使得所述柔性本体(16，34)的所述第二部分(17)产生偏转；
在所述第一操作条件期间，通过所述转换组件将所述柔性本体(16，34)的所述第一部分(19)的偏转关联至压力(P)的所述第一值(PINT1)；
根据所述柔性本体(16，34)的所述第一部分(19)的偏转度产生所述第一输出信号(Vout1)；
在所述第二操作条件期间，通过所述转换组件将所述柔性本体(16，34)的所述第二部分(17)的偏转关联至压力(P)的所述第二值(PINT2)；以及
根据所述柔性本体(16，34)的所述第二部分(17)的偏转度产生所述第二输出信号(Vout2)。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述压力传感器(15)进一步包括第一腔，所述第一腔位于所述第一衬底与所述柔性本体之间；以及埋置腔(18)，处于所述柔性本体(16，34)中，所述埋置腔直接地面向所述柔性本体(16，34)的所述第一部分(19)，使得所述柔性本体(16，34)的所述第一部分(19)以悬置在所述埋置腔(18)上的方式延伸以形成第一薄膜(19)，
所述方法进一步包括步骤：在压力值(P)下从所述第一操作条件向所述第二操作条件的过渡，使得所述第一薄膜(19)与所述埋置腔(18)的底部接触。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，其中，所述压力传感器(15)进一步包括：第二衬底(35)，面向所述柔性本体(16，34)的与所述第一侧(16a)相反的第二侧(16b)；以及间隔件(37)，在所述第二衬底(35)与所述柔性本体(16，34)之间延伸，所述间隔件限定第二腔(38)，所述柔性本体(16，34)被悬置在所述第二腔之上从而形成第二薄膜，
将所述压力(P)的所述第二值(PINT2)集中在所述柔性本体(16，34)的第二部分(17)中的步骤包括引起所述柔性本体(16，34)朝向所述第二腔(38)的内部的偏转。
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