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JP6920967B2 - 圧力センサの補正のための方法および装置 - Google Patents

圧力センサの補正のための方法および装置 Download PDF

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Description

本出願は、センサに関する。より詳細には、本出願は、感圧ダイアフラム構造を有する半導体圧力センサに関する。
差圧センサは、流体の２つの測定点（たとえば、Ｐ１およびＰ２）間の圧力の差を測定する。差圧センサ（またはトランスデューサ）は、この圧力差を、差圧を判定するために測定することができる電気信号に変換する。たとえば、オイルパイプ内で差圧センサを使用して、燃料パイプ内のオリフィス前後の圧力を測定することができ、この圧力から、オイルの流量を判定することができる。そのようなデバイスは、典型的には、微細機械加工または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく技法を使用して製造される。圧力センサを製造する１つの一般的な技法は、非常に小さい安価なデバイスを製作するエッチングおよびボンディング技法とともに、ＭＥＭＳデバイスをセラミックまたはプリント回路板（ＰＣＢ）基板などの基板上へ取り付けることである。
圧力検知ダイは、典型的には、シリコンなどの半導体材料から形成することができる。図１は、従来技術のＭＥＭＳタイプの圧力検知デバイスまたはダイ１００の断面図である。圧力検知デバイス１００は、シリコン基板構造１０１を形成するダイシングなどの方法によって、シリコンウェーハから形成することができる。構造１０１は、チャンバ１０５を形成するように薄くされており、薄くされた部分が、ダイアフラム１０３を画定する。半導体基板１０１は、任意の適した手段によって薄くすることができる。たとえば、基板１０１は、当技術分野では知られているような異方性エッチングを使用して薄くすることができる。ダイアフラム１０３の表面上には、抵抗素子１０７が形成される。抵抗素子１０７は、ダイアフラム１０３を形成する薄くされた半導体材料にかかる歪みに比例する抵抗を呈する。
図２は、圧力検知デバイス１００を使用する従来のＭＥＭＳ差圧センサ２００の図である。圧力検知デバイス１００は、支持構造２０１に取り付けることができ、支持構造２０１はベースプレート２０３に接合され、ベースプレート２０３は、非腐食性の材料、たとえばステンレス鋼から形成することができる。検知デバイス１００および支持構造２０１は、接着剤（図示せず）によってベースプレート２０３に接合することができる。ベースプレート２０３は、ヘッダと呼ぶこともできる。支持構造２０１は、圧力検知デバイス１００とベースプレート２０３との間で変動する熱膨張など圧力に無関係の歪み源から圧力検知デバイス１００を分離するために使用される。ベースプレート２０３内には、アパーチャを画定する開口２２１が画定され、アパーチャは、圧力検知デバイス１００のダイアフラムの下面と気体連通または流体連通している。
圧力検知デバイス１００の熱膨張係数と支持構造２０１の熱膨張係数との間に差がある限り、支持構造２０１は、ベースプレート２０３を構成するステンレス鋼の熱膨張係数と比較してシリコン圧力検知デバイス１００の熱膨張係数により近い熱膨張係数を有するガラスまたは類似の材料から形成することができる。これにより、圧力検知デバイス１００によって測定される圧力に関係しない誤差は低減するが、たとえば、圧力検知デバイス１００と支持構造２０１との間の熱膨張の差によって圧力検知デバイス１００に及ぼされる応力のためになくなることはない。圧力検知デバイス１００がベースプレート２０３に直接接合された場合、これらの圧力に関係しない誤差は、さらに大きくなる可能性がある。
圧力センサ２００は、上部ハウジング２２０を含む。上部ハウジング２２０は、ベースプレート２０３に封止取付けされるように構成される。上部ハウジング２２０とベースプレート２０３との間に、封入容積２１７が画定される。可撓性の波形ダイアフラム２１５が、封入容積２１７を第１の容積２１７と第２の容積２１３とに分割する働きをする。上部ハウジング２２０の壁を通ってポート２１９が画定され、ポート２１９は、測定するべき圧力Ｐ２を有する気体または流体の第２の部分（ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｒ ｐｏｒｔｉｏｎ）と連通しており、第１の容積２１７に隣接する圧力検知デバイス１００のもう一方の側に接触する。圧力検知デバイス１００は、デバイス１００に及ぼされる圧力を示す電気信号を形成および伝達する電気構成要素をさらに含む。
試験されている流体が燃料またはオイルなどの刺激の強い媒体である応用例では、刺激の強い媒体は、デバイス１００の電気構成要素を腐食する可能性がある。そのような実施形態では、試験されている流体からのデバイス１００の分離は、可撓性の波形ダイアフラム２１５によって実現される。ベースプレート２０３を通って、オイル充填ポート２０９が設けられる。オイル充填ポート２０９は、デバイス１００と可撓性ダイアフラム２１５との間の容積２１３をシリコーンオイルなどの非腐食性の流体で充填することを可能にする。容積２１３を画定する空胴が充填されたとき、オイル充填ポート２０９は、たとえばオイル充填ポート２０９の開口にボール２１１を溶接することによって封止される。したがって、容積２１３内のオイルは、完全に封入され、デバイス１００の上面と流体連通する。
ポート２１９は、試験または測定するべき気体または流体と連通しているラインまたは他の伝達手段へ継手を介して圧力センサ２００を取り付けることを可能にするようにねじ山を付けることができる。測定されている気体または流体は、ポート２１９に入り、内部容積２１７を充填する。内部容積２１７が充填されたとき、測定されている流体は、可撓性ダイアフラム２１５の上面に接触する。測定されている気体または流体によって及ぼされる圧力は、可撓性ダイアフラム２１５を通ってオイルの封入容積２１３へ伝達される。可撓性ダイアフラム２１５によってオイルに印加される力は、オイル全体を通って圧力検知デバイス１００の上面を含むオイルを収容する表面へ伝達される。
圧力Ｐ１およびＰ２が圧力検知デバイス１００に及ぼされたとき、圧力検知デバイス１００のダイアフラムの上面内に形成された圧電抵抗素子（図１に示す１０７）を通る電気信号が、圧電抵抗素子の変動に応答して変動する。電気信号は、圧力検知デバイス１００の表面に印加される力の差を表す。電気信号は、電気導体を介して制御回路などの他のシステム回路に電気的に接続することができる導電ピン２０５へボンドワイア２０２を介して伝えられ、または非限定的な例として電子メモリ内に記憶することができる圧力データに変換される。
可撓性ダイアフラム２１５およびオイルで充填された容積２１３は、ポート２１９を介して測定されている腐食性のあるまたは刺激の強い媒体から、圧力検知デバイス１００、ボンドワイア２０２、および導電ピン２０５を分離する。加えて、容積２１３内でオイルの漏れまたは汚染が生じないように、オイルを収容する容積２１３を封止しなければならない。圧力検知デバイス１００からの電気信号を運ぶ導電ピン２０５は、他のシステム構成要素の外部接続を可能にするために、ベースプレート２０３を通過しなければならない。導電ピン２０５は、管または開口２０７内に焼成されたガラスまたはセラミック材料内に封入され、それによりベースプレート２０３との気密封止を形成する。気密封止は、形成するのが高価であり、壊れやすいが、容積２１３の完全性を確保するために必要である。
図２のセンサなどの圧力センサは、試験されている流体の圧力変化にのみ応答することが意図される。しかし、少なくとも部分的に、設計および製造上の制約のため、さらなる刺激がもたらされ、それにより圧力に関係しない圧力センサ出力の変化が引き起こされる。たとえば、応力、温度、デバイス内の漏れ電流、振動などの刺激により、圧力に関係なくセンサの出力が変化する可能性がある。これらの圧力に関係しない変化は、センサの圧力の読取りに誤差をもたらす。圧力センサが受ける圧力に関係しない刺激の影響を低減させる検知システムが望まれている。
圧力センサは、感応性ダイアフラムを有する第１の半導体圧力検知ダイと、感応性ダイアフラムを有する第２の半導体圧力検知ダイとを含む。圧力検知ハウジングが、第１の圧力検知ダイおよび第２の圧力検知ダイを収容する。ハウジングは、第１の圧力の第１の流体を第１の圧力検知ダイの感応性ダイアフラムの第１の表面と流体連通させ、第２の圧力の第２の流体を第１の圧力検知ダイの感応性ダイアフラムの第２の表面と流体連通させ、第２の圧力検知ダイの感応性ダイアフラムの第１の表面および第２の表面を周囲圧力などの第３の圧力の第３の流体と流体連通させるように構成される。
第１の感応性ダイアフラムおよび第２の感応性ダイアフラムの表面に、圧電抵抗素子が形成される。圧電抵抗素子は、対応する感応性ダイアフラムの偏向に応答して変動する抵抗を呈する。第１の感応性ダイアフラムの表面に形成される圧電抵抗素子は、第１の圧力と第２の圧力の差圧を表す電気信号を生成する。第２の感応性ダイアフラムの表面に形成される圧電抵抗素子は、センサの圧力に関係しない誤差を表す電気信号を生成する。第２の感応性ダイアフラムの出力は、第２の感応性ダイアフラムによって測定される圧力に関係しない誤差を第１の感応性ダイアフラムによって測定される差圧信号から引いて、センサの補正された出力信号を生成するように、第１の感応性ダイアフラムの出力に電気的に接続される。
従来の半導体圧力検知ダイの断面図である。 図１の半導体圧力検知ダイを使用する従来の圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による２つの圧力検知ダイを利用して圧力でない刺激の影響を低減させる圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による２つの圧力検知ダイを利用して圧力でない刺激の影響を低減させる圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による刺激の強い媒体が測定されている環境で使用することができる２つの圧力センサダイを利用して圧力でない刺激の影響を低減させる圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による単一の圧力検知ダイ上で複数の感圧ダイアフラムを利用して圧力でない刺激の影響を低減させる圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による下部拘束体によって支持された単一の圧力検知ダイ上で複数の感圧ダイアフラムを利用して圧力でない刺激の影響を低減させる圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による単一の圧力検知ダイ上で複数の感圧ダイアフラムを利用して圧力でない刺激の影響を低減させる圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による下部拘束体によって支持された単一の圧力検知ダイ上で複数の感圧ダイアフラムを利用して圧力でない刺激の影響を低減させる圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による単一の圧力検知ダイ上で複数の感圧ダイアフラムを利用して圧力でない刺激の影響を低減させる圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による下部拘束体によって支持された単一の圧力検知ダイ上で複数の感圧ダイアフラムを利用して圧力でない刺激の影響を低減させる圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による単一の圧力検知ダイ上で複数の感圧ダイアフラムを利用する圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による単一の圧力検知ダイ上で複数の感圧ダイアフラムを利用する圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による単一の圧力検知ダイ上で複数の感圧ダイアフラムを利用する圧力センサの断面図である。 本開示の一実施形態による単一の圧力検知ダイ上で複数の感圧ダイアフラムを利用する圧力センサの断面図である。 図５および図６Ａ〜６Ｊの実施形態のダイアフラム上の並列接続されたブリッジ回路の回路図である。 図５および図６Ａ〜６Ｊの実施形態のダイアフラム上の直列接続されたブリッジ回路の回路図である。 図７Ａの直列接続されたブリッジ回路の機能概略図である。 本開示の一実施形態による複数のダイアフラム上の複数のブリッジ回路の回路図である。 本開示の一実施形態による複数のダイアフラム上の直列接続された複数のブリッジ回路の回路図である。 複数の直列接続されたブリッジ回路を有する一実施形態の機能概略図である。
本発明の図および説明は、本発明の明瞭な理解にとって重要な要素を示すために簡略化されており、明瞭にする目的で、ＭＥＭＳに基づくセンサなどの典型的な検知システム内で見られる多くの他の要素は除いていることを理解されたい。しかし、そのような要素は、当技術分野ではよく知られており、本発明のよりよい理解を容易にするものではないため、本明細書では、そのような要素に関する考察は提供しない。本明細書の開示は、当業者には知られているすべてのそのような変形および修正を対象とする。
以下の詳細な説明では、本発明を実施することができる特有の実施形態を例示として示す添付の図面を参照する。本発明の様々な実施形態は、異なっているが、必ずしも相互に排他的であるわけではないことを理解されたい。さらに、一実施形態に関連して本明細書に記載する特定の特徴、構造、または特性は、本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施形態でも実施することができる。加えて、開示する各実施形態における個々の要素の位置または配置は、本発明の範囲から逸脱することなく修正することができることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、適当に解釈された添付の特許請求の範囲と、特許請求の範囲が与えられる均等物の完全な範囲とによってのみ定義される。図面では、同様の数字は、いくつかの図にわたって、同じまたは類似の機能を指す。
図３は、本開示の一実施形態による差圧センサ３００の断面図である。圧力センサ３００は、第１のチャンバ３０４および対応する感応性ダイアフラム３０３を画定するように薄くされた第１の半導体圧力検知デバイスまたはダイ３０１を含む。感応性ダイアフラム３０３は、感応性ダイアフラム３０３の表面に圧力が及ぼされると、曲がる、または偏向する。感応性ダイアフラム３０３の偏向は、感応性ダイアフラム３０３の表面内に画定される圧電抵抗素子（図示せず）の抵抗の変化を引き起こす。圧力センサ３００は、第２のチャンバ３１４および対応する感応性ダイアフラム３１３を画定する第２の半導体圧力検知デバイスまたはダイ３１１をさらに含む。圧力検知ダイ３０１および圧力検知ダイ３１１は、ベース３２１上に支持される。圧力検知ダイ３０１、３１１は、接着剤３０５によってベース３２１に接合される。そのような接着剤は、当技術分野では知られている。圧力検知ダイ３１１の一部分は、ベース３２１に接合されず、通気チャネル３２３を画定する。
圧力検知ダイ３０１は、ボンドワイア３０９によってボンドパッド３０７に電気的に接続される。感応性ダイアフラム３０３の圧電抵抗素子が、圧力による感応性ダイアフラム３０３の偏向のために力にさらされたとき、圧電抵抗素子の抵抗は、感応性ダイアフラム３０３の偏向の量とともに変動する。抵抗の変化により、感応性ダイアフラム３０３によって検知された圧力を表す電気信号が生成される。圧力検知ダイ３１１は、ボンドワイア３１９によってボンドパッド３１７に電気的に接続される。感応性ダイアフラム３１３の圧電抵抗素子が、感応性ダイアフラム３１３の偏向のために力にさらされたとき、圧電抵抗素子の抵抗は、感応性ダイアフラム３１３の偏向の量とともに変動する。抵抗の変化により、感応性ダイアフラム３１３によって検知された圧力を表す電気信号が生成される。
圧力センサ３００は、上部ハウジング部材３３０および下部ハウジング部材３４０を備えるハウジングをさらに含む。上部ハウジング部材３３０は、圧力検知ダイ３０１および圧力検知ダイ３１１を覆い、２つの分離された容積を画定するセプタム３３１を含む。第１の分離された容積は、圧力検知ダイ３０１を収容し、感応性ダイアフラム３０３の上面との流体連通を提供する。上部ハウジング部材３３０の壁を通って入力ポート３３３が画定され、圧力検知ダイ３０１に関連する第１の分離された容積へのアクセスを提供する。入力ポート３３３へ導入される流体によって生成される第１の圧力Ｐ１は、感圧ダイアフラム３０３の上面に印加される。入力ポート３３３は、適当な継手を介して第１の流体源を入力ポート３３３に取り付けるためのねじ付きインターフェースを含むことができる。
第２の分離された容積は、圧力検知ダイ３１１を収容する。上部ハウジング部材３３０の壁を通ってアパーチャまたは開口３３５が画定され、圧力、例示のみを目的として周囲圧力Ｐａｍｂ（たとえば、圧力センサ３００の位置の環境圧力）が第２の分離された容積に入ることを可能にする。周囲圧力は、第２の分離された容積に入り、この周囲圧力が感応性ダイアフラム３１３の上面に印加される。周囲圧力は、通気チャネル３２３を通ってさらに延び、感応性ダイアフラム３１３の下面に印加される。周囲圧力は、感応性ダイアフラム３１３の上面および下面に等しく印加される。したがって、感応性ダイアフラムは、圧力による変化を検知しない。したがって、圧力検知ダイ３１１から生成されるあらゆる信号は、誤差を構成する圧力でない刺激を表し、補正されていない場合、センサ出力に誤差を生じさせる。
下部ハウジング部材３４０は、ベース３２１内に画定されるアパーチャまたは経路３２５を介して感応性ダイアフラム３０３の下面と流体連通している容積を画定する。下部ハウジング部材３４０の壁を通って入力ポート３４１が画定され、アパーチャ３２５を介して感応性ダイアフラム３０３の下面へのアクセスを提供する。入力ポート３４１へ導入される流体によって生成される第２の圧力Ｐ２は、感圧ダイアフラム３０３の下面に印加される。入力ポート３４１は、適当な継手を介して第２の流体源を入力ポート３４１に取り付けるためのねじ付きインターフェースを含むことができる。
動作の際、圧力Ｐ１は入力ポート３３３に入り、感応性ダイアフラム３０３の上面に力を及ぼす。圧力Ｐ２は入力ポート３４１に入り、感応性ダイアフラム３０３の下面に力を及ぼす。Ｐ１とＰ２の差圧の結果、感応性ダイアフラム３０３は変形を受ける。変形により、感応性ダイアフラム３０３の表面上の圧電抵抗器の抵抗に変化が生じ、差圧を表す信号が生成される。圧力検知ダイ３０１の出力信号は、圧力でない刺激が作用することによって引き起こされる圧力に関係しない誤差をさらに含む。
圧力検知ダイ３０１および圧力検知ダイ３１１は、近接している（たとえば、共通のセンサ内に取り付けられ、例としてこれを車両のシャーシに取り付けることができる）ため、圧力検知ダイ３０１および圧力検知ダイ３１１は、圧力に関係しない類似の誤差を受ける可能性が高い。しかし、圧力検知ダイ３０１だけが圧力の変化にさらされる。他方では、圧力検知ダイ３１１は、圧力（たとえば、周囲圧力）が感応性ダイアフラム３１３の上面および下面に等しく印加されるように構成される。したがって、圧力検知ダイ３０１と圧力検知ダイ３１１の両方が受ける圧力に関係しない誤差は、圧力検知ダイ３１１によって別個に測定されて出力される。感応性ダイアフラム３０３および感応性ダイアフラム３１３の圧電抵抗素子は、圧力検知ダイ３１１によって測定される圧力に関係しない誤差を圧力検知ダイ３０１の出力信号から引き、または他のやり方で除去して、補正された差圧信号を生成し、この補正された差圧信号を圧力センサ３００から出力することができるように、電気的に接続することができる。
図４は、本開示の別の実施形態による圧力センサ４００の断面図である。圧力センサ４００は、図３の圧力センサ３００と同様に機能する。しかし、圧力センサ４００は、２つの分離された容積を画定するセプタム４４１を含む下部ハウジング部材４４０を含む。第１の分離された容積は、ベース４２１内に画定されたアパーチャ４２５を介して入力ポート４４３および感応性ダイアフラム３０３の下面と流体連通している。アパーチャ４２５は、感応性ダイアフラム３０３の直径に実質上等しいまたはそれより大きい直径を有するように構成することができる。第２の分離された容積は、下部ハウジング部材４４０の壁を通って画定された開口４４５を介して圧力源、たとえば周囲圧力Ｐａｍｂと流体連通し、ベース４２１内に画定されたアパーチャ４２７を介して感応性ダイアフラム３１３の下面と流体連通している。アパーチャ４２７は、感応性ダイアフラム３１３の直径に実質上等しいまたはそれより大きい直径を有するように構成することができる。
図３の圧力検知ダイ３１１の場合と同様に、上部ハウジング部材３３０内の開口３３５を介して感応性ダイアフラム３１３の上面に圧力が印加される。圧力は、下部ハウジング部材４４０内の開口４４５を介して感応性ダイアフラム３１３の下面にも等しく印加される。したがって、圧力検知ダイ３１１は、圧力に関係する変化を検知しない。むしろ、圧力検知ダイ３１１からのあらゆる出力は、圧力に関係しない誤差を画定する圧力に関係しない刺激を表す。
動作の際、感応性ダイアフラム３０３の上面は、入力ポート３３３を介して圧力Ｐ１にさらされる。感応性ダイアフラム３０３の下面は、入力ポート４４３を介して圧力Ｐ２にさらされる。圧力検知ダイ３０１および圧力検知ダイ３１１は、近接している（たとえば、共通のセンサ内に取り付けられ、例としてこれを車両のシャーシに取り付けることができる）ため、圧力検知ダイ３０１および圧力検知ダイ３１１は、圧力に関係しない類似の誤差を受ける可能性がある。しかし、圧力検知ダイ３０１だけが圧力の変化にさらされる。他方では、圧力検知ダイ３１１は、周囲圧力が感応性ダイアフラム３１３の上面および下面に等しく印加されるように構成される。したがって、圧力検知ダイ３０１と圧力検知ダイ３１１の両方が受ける圧力に関係しない誤差は、圧力検知ダイ３１１によって別個に測定されて出力される。
したがって、感応性ダイアフラム３０３および感応性ダイアフラム３１３の圧電抵抗素子は、圧力検知ダイ３１１によって測定される圧力に関係しない誤差を圧力検知ダイ３０１の出力信号から引き、または他のやり方で消して、補正された差圧信号を生成し、この補正された差圧信号を圧力センサ４００から出力することができるように、電気的に接続することができる。
図５は、本開示の一実施形態による刺激の強い媒体の差圧を測定するように構成された圧力センサ５００の断面図である。圧力センサ５００は、動作に関して、図４の圧力センサ４００に類似している。圧力検知ダイ３１１は、上で論じたように、開口３３５、４４５を介して感応性ダイアフラム３１３の上面および下面に等しくかかる周囲圧力を受け取ることによって、圧力に関係しない共通の誤差を検出する。圧力センサ５００内で、上部ハウジング部材３３０内に画定された圧力検知ダイ３０１に関連する第１の分離された容積は、２つのさらに分離された容積にさらに細分される。２つの分離細分された容積は、可撓性ダイアフラム５０１によって画定される。可撓性ダイアフラム５０１は、酸性または腐食性の液体または気体などの刺激の強い媒体の影響に耐える材料から構成することができる。
たとえば、可撓性ダイアフラム５０１は、ステンレス鋼から構成することができる。第１の細分された容積は、入力ポート３３３と流体連通し、試験対象の圧力Ｐ１の第１の流体を受け取る。試験対象の第１の流体は、腐食性の液体または気体などの刺激の強い媒体である可能性があり、感応性ダイアフラム３０３の半導体表面に接触することが可能な場合、センサ５００に損傷を引き起こす可能性がある。
第２の分離細分された容積は、感応性ダイアフラム３０３の上面と流体連通している。第２の分離細分された容積は、感応性ダイアフラム３０３の材料に適合している流体で充填することができ、たとえばシリコーンオイルを使用して、第２の分離細分された容積を充填することができる。第２の分離細分された容積は、充填ポート５０３を使用して充填することができる。第２の分離細分された容積が充填されたとき、充填ポート５０３は、たとえば充填ポート５０３によって画定された開口の上にボール５０５を溶接することによって封止することができる。動作の際、試験対象の第１の流体または気体は、入力ポート３３３を介して第１の分離細分された容積へ導入される。試験対象の第１の流体または気体の圧力は、可撓性ダイアフラム５０１に力を及ぼす圧力を有する。可撓性ダイアフラム５０１は、印加された力を受けて曲がり、感応性ダイアフラム３０３の上面を含む第２の分離細分された容積内の流体へその力を伝達する。
同様に、下部ハウジング部材４４０内に画定された圧力検知ダイ３０１に関連する第１の分離された容積も、２つのさらに分離された容積にさらに細分される。２つの分離細分された容積は、可撓性ダイアフラム５１１によって画定される。可撓性ダイアフラム５１１は、酸性または腐食性の液体または気体などの刺激の強い媒体の影響に耐える材料から構成することができる。たとえば、可撓性ダイアフラム５１１は、ステンレス鋼から構成することができる。第１の細分された容積は、入力ポート４４３と流体連通し、試験対象の圧力Ｐ２の第２の流体を受け取る。試験対象の第２の流体は、腐食性の液体または気体などの刺激の強い媒体である可能性があり、感応性ダイアフラム３０３の半導体表面に接触することが可能な場合、センサ５００に損傷を引き起こす可能性がある。
第２の分離細分された容積は、感応性ダイアフラム３０３の下面と流体連通している。第２の分離細分された容積は、感応性ダイアフラム３０３の材料に適合している流体で充填することができ、たとえばシリコーンオイルを使用して、第２の分離細分された容積を充填することができる。第２の分離細分された容積は、充填ポート５１３を使用して充填することができる。第２の分離細分された容積が充填されたとき、充填ポート５１３は、たとえば充填ポート５１３によって画定された開口の上にボール５１５を溶接することによって封止することができる。動作の際、試験対象の第２の流体または気体は、入力ポート４４３を介して第１の分離細分された容積へ導入される。試験対象の第１の流体または気体の圧力は、可撓性ダイアフラム５１１に力を及ぼす。可撓性ダイアフラム５１１は、印加された力を受けて曲がり、ベース４２１内に画定されたアパーチャ４２５を介して感応性ダイアフラム３０３の下面を含む第２の分離細分された容積内の流体へその力を伝達する。
動作の際、圧力検知ダイ３０１は、Ｐ１とＰ２の差圧を測定する。圧力検知ダイ３０１は、圧力検知ダイ３１１に電気的に接続されており、圧力検知ダイ３１１は、図４に関して上述したように、圧力に関係しない誤差だけを検知する。この圧力に関係しない誤差を圧力検知ダイ３０１の出力信号から引いて、センサ５００の補正されて調整された出力を形成することができる。
図６Ａを参照すると、本開示の一実施形態による圧力センサ６００ａの断面図が示されている。圧力センサ６００ａは、単一の圧力検知ダイ６０１を含む。圧力センサダイ６０１は、第１の感応性ダイアフラム６０３および第２の感応性ダイアフラム６１３を形成するように、２つの位置で薄くされている。感応性ダイアフラム６０３の表面および感応性ダイアフラム６１３の表面には、複数の圧電抵抗素子（図示せず）が形成または配置される。感応性ダイアフラム６０３、６１３のそれぞれの表面に圧力が印加されると、これらの感応性ダイアフラムの偏向が生じ、それにより圧電抵抗素子に応力が及ぼされる。圧電抵抗素子の電気抵抗は、印加された圧力によって感応性ダイアフラムが偏向するときに生じる応力のために変動する。圧電抵抗素子は、ボンドワイア６１５を介してコンタクトパッド６１７に電気的に接続される。
圧力検知ダイ６０１は、接着ボンド６１９によってベースプレート６２１に接合される。接着ボンド６１９は、接着剤を使用して、またははんだもしくはガラスフリットなどの固定ボンディング技法によって、形成することができる。ベースプレート６２１は、第１のハウジング部材６３０および第２のハウジング部材６４０から形成されるハウジングに接続される。
第１のハウジング部材６３０は、第１のチャンバを画定する。第１のチャンバは、第１の圧力容積６５０および第１の流体充填可能な容積６１０を画定する可撓性ダイアフラム６３１によって分割される。第１の流体充填可能な容積６１０は、充填ポート６１１によって、圧力検知ダイ６０１または感応性ダイアフラム６０３、６１３に付随する圧電抵抗素子もしくは電気接続にとって有害でない流体で充填することができる。例として、圧力検知ダイ６０１が半導体材料から構成されるセンサにおいて、流体充填可能な容積６１０は、シリコーンオイルなどのオイルで充填することができる。流体充填可能な容積６１０は、充填された後、溶接ボール６１２または充填ポート６１１を封止する他の技法（たとえば、圧着）を使用して封止することができる。第１のハウジング部材６３０の壁には、第１の圧力Ｐ１の第１の流体が圧力センサ６００ａに入ることを可能にするねじ付きポート６３３が画定される。第１の流体はポート６３３に入り、第１の圧力容積６５０を充填する。
第１の流体は、可撓性ダイアフラム６３１に力を及ぼす第１の圧力である。可撓性ダイアフラム６３１は、及ぼされる力のために偏向し、流体充填可能な容積６１０内の流体を通じて感応性ダイアフラム６０３および感応性ダイアフラム６１３の表面へこの力を伝達する。圧力検知ダイ６０１は、圧力検知ダイ６０１とベースプレート６２１との間に空間を画定する通気チャネル６０２を含み、通気チャネル６０２は、流体充填可能な容積６１０内の流体によって及ぼされる圧力が、感応性ダイアフラム６１３の下の空間に入り、感応性ダイアフラム６１３の第１の表面とは反対側の感応性ダイアフラム６１３の第２の表面に第１の圧力を印加することを可能にする。第１の圧力Ｐ１が感応性ダイアフラム６１３の第１の表面および第２の表面に等しく印加されるため、感応性ダイアフラム６１３からの出力信号は、実質上、圧力に関係しない入力または要因のみを示す。
第２のハウジング部材６４０は、第２のチャンバを画定する。第２のチャンバは、第２の圧力容積６６０および第２の流体充填可能な容積６２０を画定する第２の可撓性ダイアフラム６６１によって分割される。第２の流体充填可能な容積６２０は、圧力検知ダイ６０１または感応性ダイアフラム６０３、６１３に付随する圧電抵抗素子もしくは電気接続にとって有害でない流体で充填することができる。第２の流体充填可能な容積６２０は、充填管６２４を介して有害でない流体で充填することができる。例として、圧力検知ダイ６０１が半導体材料から構成される場合、第２の流体充填可能な容積６２０は、シリコーンオイルなどのオイルで充填することができる。流体充填可能な容積６２０は、充填された後、溶接ボール６２３または充填管６２４を封止する他の技法（たとえば、圧着）を使用して封止することができる。
第２のハウジング部材６４０の壁には、第２の圧力Ｐ２の第２の流体が圧力センサ６００ａに入ることを可能にするねじ付きポート６６３が画定される。第２の流体はポート６６３に入り、第２の圧力容積６６０を充填する。第２の流体は、第２の可撓性ダイアフラム６６１に力を及ぼす第２の圧力である。第２の可撓性ダイアフラム６６１は、及ぼされる力のために偏向し、ベースプレート６２１を通じて画定される孔６２５に入ることによって、第２の流体充填可能な容積６２０内の流体を通じて感応性ダイアフラム６０３の下面へこの力を伝達する。感応性ダイアフラム６０３は、感応性ダイアフラム６０３の第１の表面に圧力Ｐ１を受け取り、第１の表面とは反対側の感応性ダイアフラム６０３の第２の表面に圧力Ｐ２を受け取る。したがって、感応性ダイアフラム６０３の出力は、圧力に関係しない信号に加えて、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の差圧を表す。
感応性ダイアフラム６０３の表面またはその上に画定される圧電抵抗素子は、感応性ダイアフラム６１３によって生成される出力信号が感応性ダイアフラム６０１によって生成される出力信号から引かれるように、感応性ダイアフラム６１３の表面またはその上に画定される圧電抵抗素子に電気的に接続することができる。上述したように、この減算の結果、検知された差圧のみを示す補正された出力信号が得られる。
本開示の実施形態によって軽減された圧力に関係しない信号は、流体導管継手がねじ付きポート６３３またはポート６６３上へねじ留めされるときに生じる応力を含む可能性がある。継手が取り付けられるときの締まりは、応力を生じさせる可能性があり、これはハウジング部材６３０、６４０を通ってベースプレート６２１へ伝達される。ベースプレート６２１は、半導体圧力検知ダイ６０１に直接取り付けられており、感応性ダイアフラム６０３、６１３に影響する応力を生じさせる可能性がある。圧力検知ダイ６０１、ベースプレート６２１、およびハウジング部材６３０、６４０の熱膨張係数などの他の特性も異なる可能性があり、その場合、隣接する構成要素を温度に応答して異なる速度で膨張または収縮させることがある。温度の変化と、変動する膨張または収縮速度とが組み合わさることで、さらなる応力が生じる可能性があり、これは感応性ダイアフラム６０３、６１３へ伝達されて、感応性ダイアフラム６０３、６１３の表面上の圧電抵抗素子の抵抗の変化を引き起こすことがある。
図６Ｂは、図６Ａのセンサ６００ａに多くの点で類似している圧力センサ６００ｂを示す。しかし、センサ６００ｂでは、圧力検知ダイ６０１は拘束体６８５に接続され、拘束体６８５はベースプレート６２１に取り付けられる。拘束体６８５は、通気チャネル６８２を含み、通気チャネル６８２は、拘束体６８５とベースプレート６２１との間の空間を画定する。通気チャネル６８２により、第１の圧力または別法として周囲圧力が、感応性ダイアフラム６１３の下の空間に入ることが可能になる。それによって、第１の圧力または周囲圧力は、感応性ダイアフラム６１３の第１の表面とは反対側の感応性ダイアフラム６１３の第２の表面に印加される。拘束体６８５は、ベースプレート６２１の熱膨張係数より圧力検知ダイ６０１の半導体材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料から構成することができる。
温度変動が圧力検知ダイ６０１、拘束体６８５、および／またはベースプレート６２１の材料の膨張または収縮を引き起こす条件下では、隣接する材料間の熱膨張係数の差を低減させることで、熱的な影響または圧力に関係しない刺激のために圧力検知ダイ６０１にかかる応力が低減される。
図６Ｃは、本開示の一実施形態による圧力センサ６００ｃの断面図である。圧力センサ６００ｂは、単一の圧力検知ダイ６０１を含む。圧力センサダイ６０１は、第１の感応性ダイアフラム６０３および第２の感応性ダイアフラム６１３を形成するように、２つの位置で薄くされている。感応性ダイアフラム６０３の表面および感応性ダイアフラム６１３の表面には、複数の圧電抵抗素子（図示せず）が形成または配置される。感応性ダイアフラム６０３、６１３の表面に圧力が印加されると、感応性ダイアフラムの偏向が生じ、それにより圧電抵抗素子に応力が及ぼされる。圧電抵抗素子の電気抵抗は、印加された圧力によって感応性ダイアフラム６０３、６１３が偏向するときに生じる応力のために変動する。圧電抵抗素子は、ボンドワイア６１５を介してコンタクトパッド６１７に電気的に接続される。
圧力検知ダイ６０１は、接着ボンド６１９によってベースプレート６２１に接合される。接着ボンド６１９は、接着剤を使用して、またははんだもしくはガラスフリットなどの固定ボンディング技法によって、形成することができる。ベースプレート６２１は、第１のハウジング部材６３０および第２のハウジング部材６４０から形成されるハウジングに接続される。
第１のハウジング部材６３０は、第１の圧力容積６５０を画定する。第１のハウジング部材６３０は、周囲圧力Ｐａｍｂなどの圧力が第１の圧力容積６５０に入ることを可能にする開口６７０を有する。圧力検知ダイ６０１は、圧力検知ダイ６０１とベースプレート６２１との間に空間を画定する通気チャネル６０２を含み、通気チャネル６０２は、周囲圧力が感応性ダイアフラム６１３の下の空間に入り、感応性ダイアフラム６１３の第１の表面とは反対側の感応性ダイアフラム６１３の第２の表面に周囲圧力を印加することを可能にする。周囲圧力が感応性ダイアフラム６１３の第１の表面および第２の表面に等しく印加されるため、感応性ダイアフラム６１３からの出力信号は、圧力に関係しない入力の結果である。
第２のハウジング部材６４０は、第２のチャンバを画定する。第２のチャンバは、第２の圧力容積６６０および流体充填可能な容積６２０を画定する可撓性ダイアフラム６６１によって分割される。流体充填可能な容積６２０は、充填ポート６２４を介して、圧力検知ダイ６０１または感応性ダイアフラム６０３、６１３に付随する圧電抵抗素子もしくは電気接続にとって有害でない流体で充填することができる。例として、圧力検知ダイ６０１が半導体材料から構成される場合、第２の流体充填可能な容積６２０は、シリコーンオイルなどのオイルで充填することができる。流体充填可能な容積６２０は、充填された後、溶接ボール６２３または充填ポート６２４を封止する他の技法（たとえば、圧着）を使用して封止することができる。第２のハウジング部材６４０の壁には、第２の圧力Ｐ２の第２の流体が圧力センサ６００ｃに入ることを可能にするねじ付きポート６６３が画定される。
第２の流体はポート６６３に入り、第２の圧力容積６６０を充填する。第２の流体は、可撓性ダイアフラム６６１に力を及ぼす第２の圧力である。可撓性ダイアフラム６６１は、及ぼされる力のために偏向し、ベースプレート６２１を通って画定される孔６２５に入ることによって、第２の流体充填可能な容積６２０内の流体を通じて感応性ダイアフラム６０３の下面へこの力を伝達する。感応性ダイアフラム６０３は、感応性ダイアフラム６０３の第１の表面で周囲圧力Ｐａｍｂを受け取り、第１の表面とは反対側の感応性ダイアフラム６０３の第２の表面で圧力Ｐ２を受け取る。したがって、感応性ダイアフラム６０３の出力は、圧力に関係しない信号に加えて、周囲圧力Ｐａｍｂと圧力Ｐ２の差圧を表す。感応性ダイアフラム６０３の表面に画定される圧電抵抗素子は、感応性ダイアフラム６１３によって生成される出力信号が感応性ダイアフラム６０１によって生成される出力から引かれるように、感応性ダイアフラム６１３の表面に画定される圧電抵抗素子に電気的に接続することができる。
感応性ダイアフラム６１３が、圧力に関係しない入力を含む出力だけを生成し、感応性ダイアフラム６０３が、差圧測定と、感応性ダイアフラム６１３の入力に類似している圧力に関係しない入力との両方を含むため、感応性ダイアフラム６１３の圧力に関係しない信号を感応性ダイアフラム６０３の出力信号から引くことで、差圧入力によって生成された信号のみを含むセンサ６００ｃの残りの出力信号が得られ、それによって補正された信号が提供される。
上に記載したように、圧力に関係しない信号は、流体導管継手がねじ付きポート６６３上へねじ留めされるときに生じる応力を含む可能性がある。継手が取り付けられるときの締まりは、応力を生じさせる可能性があり、これはハウジング部材６３０、６４０を通ってベースプレート６２１へ伝達される。ベースプレート６２１は、半導体圧力検知ダイ６０１に直接取り付けられており、感応性ダイアフラム６０３、６１３に応力を生じさせる可能性がある。圧力検知ダイ６０１、ベースプレート６２１、およびハウジング部材６３０、６４０の熱膨張係数などの他の特性も異なる可能性があり、その場合、隣接する構成要素を温度に応答して異なる速度で膨張または収縮させることがある。温度の変化と、変動する膨張または収縮速度とが組み合わさることで、さらなる応力が生じる可能性があり、これは感応性ダイアフラム６０３、６１３へ伝達されて、感応性ダイアフラム６０３、６１３の表面上の圧電抵抗素子の抵抗の変化を引き起こすことがある。
図６Ｄは、図６Ｃのセンサ６００ｃに多くの点で類似している圧力センサ６００ｄを示す。しかし、センサ６００ｄでは、圧力検知ダイ６０１は拘束体６８５に接続され、拘束体６８５はベースプレート６２１に取り付けられる。拘束体６８５は、ベースプレート６２１の熱膨張係数より圧力検知ダイ６０１の半導体材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料から構成することができる。温度変動が圧力検知ダイ６０１、拘束体６８５、および／またはベースプレート６２１の材料の膨張または収縮を引き起こす条件下では、隣接する材料間の熱膨張係数の差を低減させることで、熱的な影響および圧力に関係しない刺激のために圧力検知ダイ６０１にかかる応力が低減される。
図６Ｅは、本開示の一実施形態による圧力センサ６００ｅの断面図である。圧力センサ６００ｅは、単一の圧力検知ダイ６０１を含む。圧力センサダイ６０１は、第１の感応性ダイアフラム６０３および第２の感応性ダイアフラム６１３を形成するように薄くされている。感応性ダイアフラム６０３の表面および感応性ダイアフラム６１３の表面には、複数の圧電抵抗素子（図示せず）が形成される。感応性ダイアフラム６０３、６１３の表面に圧力が印加されると、感応性ダイアフラムの偏向が生じ、それにより圧電抵抗素子に応力が及ぼされる。圧電抵抗素子の電気抵抗は、印加された圧力によって感応性ダイアフラム６０３、６１３が偏向するときに生じる応力のために変動する。圧電抵抗素子は、ボンドワイア６１５を介してコンタクトパッド６１７に電気的に接続される。圧力検知ダイ６０１は、接着ボンド６１９によってベースプレート６２１に接合される。
接着ボンド６１９は、接着剤を使用して、またははんだもしくはガラスフリットなどの固定ボンディング技法によって、形成することができる。ベースプレート６２１は、第１のハウジング部材６３０および第２のハウジング部材６４０から形成されるハウジングに接続される。
圧力検知ダイ６０１の第１の表面には、キャップ６８０が取り付けられる。キャップ６８０は、キャップ６８０内に画定された空間または空隙を有し、これらの空間または空隙は、圧力検知ダイ６０１上で感応性ダイアフラム６０３および感応性ダイアフラム６１３が配置される場所に位置決めされる。キャップ６８０内に形成された空胴内には、真空が形成されて閉じ込められる。ダイアフラム６０３は、圧力Ｐ２に下からさらされており、ダイアフラム６０３の上面に接触しているキャップ６８０下の真空を基準として、この圧力を測定する。ダイアフラム６１３は、圧力、たとえば周囲圧力Ｐａｍｂに下からさらされており、ダイアフラム６１３の上面に接触しているキャップ６８０の下に形成された真空を基準として、圧力Ｐａｍｂを測定する。したがって、図６Ｅに示す実施形態は、ダイアフラム６０３を介して圧力Ｐ２に対する絶対圧力値を測定し、ダイアフラム６１３を介して周囲圧力Ｐａｍｂに対する絶対圧力値を測定する。
ダイアフラム６１３によって測定された圧力値をダイアフラム６０３によって測定された圧力値から引くことによって、圧力Ｐ２と周囲圧力Ｐａｍｂの差圧を判定することができる。判定された差圧は、圧力センサ６００ｅの出力として提供することができる。
第１のハウジング部材６３０は、第１の圧力容積６５０を画定する。第１のハウジング部材６３０は、周囲圧力Ｐａｍｂが第１の圧力容積６５０に入ることを可能にする開口６７０を有する。圧力検知ダイ６０１は、圧力検知ダイ６０１とベースプレート６２１との間に空間を画定する通気チャネル６０２を含み、通気チャネル６０２は、周囲圧力が感応性ダイアフラム６１３の下の空間に入り、感応性ダイアフラム６１３の第１の表面とは反対側の感応性ダイアフラム６１３の第２の表面に周囲圧力を印加することを可能にする。圧力Ｐ２と周囲圧力Ｐａｍｂの差圧は、たとえば、ダイアフラム６０３、６１３上の圧電抵抗素子の可変抵抗に基づいている感応性ダイアフラム６０３、６１３によって形成される出力を処理することによって判定することができる。たとえば、ダイアフラム６０３、６１３の可変抵抗に基づく出力は、以下で詳細に論じる図７に図示および参照する回路などの回路内で処理することができる。
第２のハウジング部材６４０は、第２のチャンバを画定する。第２のチャンバは、第２の圧力容積６６０および流体充填可能な容積６２０を画定する可撓性ダイアフラム６６１によって分割される。流体充填可能な容積６２０は、充填ポート６２４を介して、圧力検知ダイ６０１または感応性ダイアフラム６０３、６１３に付随する圧電抵抗素子もしくは電気接続にとって有害でない流体で充填することができる。例として、圧力検知ダイ６０１が半導体材料から構成される場合、流体充填可能な容積６２０は、シリコーンオイルなどのオイルで充填することができる。流体充填可能な容積６２０は、充填された後、溶接ボール６２３または充填ポート６２４を封止する他の技法（たとえば、圧着）を使用して封止することができる。第２のハウジング部材６４０の壁には、第２の圧力Ｐ２の第２の流体が圧力センサ６００ｅに入ることを可能にするねじ付きポート６６３が画定される。
第２の流体はポート６６３に入り、第２の圧力容積６６０を充填する。第２の流体は、可撓性ダイアフラム６６１に力を及ぼす第２の圧力である。可撓性ダイアフラム６６１は、及ぼされる力のために偏向し、ベースプレート６２１を通って画定される孔６２５に入ることによって、流体充填可能な容積６２０内の流体を通じて感応性ダイアフラム６０３の下面へこの力を伝達する。感応性ダイアフラム６０３は、キャップ６８０の下に形成された真空にその上面で接触しており、第１の表面とは反対側の感応性ダイアフラム６０３の第２の表面に圧力Ｐ２を受け取る。したがって、感応性ダイアフラム６０３の出力は、圧力に関係しない信号に加えて、真空に対する圧力Ｐ２を表す絶対圧力値を表す。
感応性ダイアフラム６０３の表面に画定される圧電抵抗素子は、感応性ダイアフラム６１３によって生成される出力信号が感応性ダイアフラム６０１によって生成される出力から引かれるように、感応性ダイアフラム６１３の表面に画定される圧電抵抗素子に電気的に接続することができる。感応性ダイアフラム６０３と感応性ダイアフラム６１３はどちらも、それぞれ圧力に関係しない入力を含む出力を生成するため、感応性ダイアフラム６０３の測定された信号を感応性ダイアフラム６１３の出力信号から引くことで、センサ６００ｅの補正された出力信号が得られる。
圧力に関係しない信号は、流体導管継手がねじ付きポート６６３上へねじ留めされるときに生じる応力を含む可能性がある。継手が取り付けられるときの締まりは、応力を生じさせる可能性があり、これはハウジング部材６３０、６４０を通ってベースプレート６２１へ伝達される。ベースプレート６２１は、半導体圧力検知ダイ６０１に直接取り付けられており、感応性ダイアフラム６０３、６１３に応力を生じさせる可能性がある。圧力検知ダイ６０１、ベースプレート６２１、およびハウジング部材６３０、６４０の熱膨張係数などの他の特性も異なる可能性があり、隣接する構成要素を温度に応答して異なる速度で膨張または収縮させることがある。温度の変化と、変動する膨張または収縮速度とが組み合わさることで、さらなる応力が生じる可能性があり、これは感応性ダイアフラム６０３、６１３へ伝達されて、感応性ダイアフラム６０３、６１３の表面上の圧電抵抗素子の抵抗の変化を引き起こすことがある。
図６Ｆは、本開示の一実施形態による圧力センサ６００ｆの断面図である。圧力センサ６００ｆは、単一の圧力検知ダイ６０１を含む。圧力センサダイ６０１は、第１の感応性ダイアフラム６０３および第２の感応性ダイアフラム６１３を形成するように、複数の位置で薄くされている。感応性ダイアフラム６０３の表面および感応性ダイアフラム６１３の表面上には、複数の圧電抵抗素子（図示せず）が形成または配置される。圧力検知ダイ６０１の第１の表面には、キャップ６８０が取り付けられる。キャップ６８０は、キャップ６８０内に画定された空間を有し、これらの空間は、圧力検知ダイ６０１上で感応性ダイアフラム６０３および感応性ダイアフラム６１３が配置される場所に位置決めされる。圧力検知ダイ６０１は、感応性ダイアフラム６０３、６１３とは反対側の圧力検知ダイ６０１の表面に位置する拘束体６８５にさらに取り付けられる。
拘束体６８５は、ベースプレート６２１の熱膨張係数より圧力検知ダイ６０１の半導体材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料から構成することができる。温度変動が圧力検知ダイ６０１、拘束体６８５、および／またはベースプレート６２１の材料の膨張または収縮を引き起こす条件下では、隣接する材料間の熱膨張係数の差を低減させることで、熱的な影響および圧力に関係しない刺激のために圧力検知ダイ６０１にかかる応力が低減される。加えて、拘束体６８５は、圧力検知ダイ構造の強度を増大させ、ダイおよび感圧ダイアフラムを応力の悪影響からさらに分離する。
図６Ｇは、本開示の一実施形態による圧力センサ６００ｇの断面図である。圧力センサ６００ｇは、単一の圧力検知ダイ６０１を含む。圧力センサダイ６０１は、第１の感応性ダイアフラム６０３および第２の感応性ダイアフラム６１３を形成するように薄くされている。感応性ダイアフラム６０３の表面および感応性ダイアフラム６１３の表面には、複数の圧電抵抗素子（図示せず）が形成される。感応性ダイアフラム６０３、６１３の表面に圧力が印加されると、感応性ダイアフラムの偏向が生じ、それにより圧電抵抗素子に応力が及ぼされる。圧電抵抗素子の電気抵抗は、印加された圧力によって感応性ダイアフラム６０３、６１３が偏向するときに生じる応力のために変動する。圧電抵抗素子は、ボンドワイア６１５を介してコンタクトパッド６１７に電気的に接続される。圧力検知ダイ６０１は、接着ボンド６１９によってベースプレート６２１に接合される。
接着ボンド６１９は、接着剤を使用して、またははんだもしくはガラスフリットなどの固定ボンディング技法によって、形成することができる。ベースプレート６２１は、第１のハウジング部材６３０および第２のハウジング部材６４０から形成されるハウジングに接続される。
圧力検知ダイ６０１の第１の表面には、キャップ６８０が取り付けられる。キャップ６８０は、キャップ６８０内に画定された空間または空隙を有し、これらの空間または空隙は、圧力検知ダイ６０１上で感応性ダイアフラム６０３および感応性ダイアフラム６１３が配置される場所に位置決めされる。キャップ６８０内に形成された空胴内には、真空が形成されて閉じ込められる。ダイアフラム６０３は、圧力Ｐ２に下からさらされており、ダイアフラム６０３の上面に接触しているキャップ６８０下の真空を基準として、この圧力を測定する。ダイアフラム６１３は、圧力検知ダイ６０１とベースプレート６２１との間に形成される通気チャネル６０２を介して、周囲圧力Ｐａｍｂなどの圧力に下からさらされる。感応性ダイアフラム６１３は、ダイアフラム６１３の上面に接触しているキャップ６８０の下に形成された真空を基準として、圧力Ｐａｍｂを測定する。
したがって、図６Ｇに示す実施形態は、感応性ダイアフラム６０３を介して圧力Ｐ２に対する絶対圧力値を測定し、感応性ダイアフラム６１３を介して周囲圧力Ｐａｍｂに対する絶対圧力値を測定する。感応性ダイアフラム６１３によって測定された圧力値を感応性ダイアフラム６０３によって測定された圧力値から引くことによって、圧力Ｐ２と周囲圧力Ｐａｍｂの差圧を判定することができる。判定された差圧は、圧力センサ６００ｇの出力として提供することができる。
第１のハウジング部材６３０は、第１の圧力容積６５０を画定する。第１のハウジング部材６３０は、周囲圧力Ｐａｍｂが第１の圧力容積６５０に入ることを可能にする開口６７０を有する。圧力検知ダイ６０１は、圧力検知ダイ６０１とベースプレート６２１との間に空間を画定する通気チャネル６０２を含み、通気チャネル６０２は、周囲圧力Ｐａｍｂが感応性ダイアフラム６１３の下の空間に入り、感応性ダイアフラム６１３の第１の表面とは反対側の感応性ダイアフラム６１３の第２の表面に周囲圧力を印加することを可能にする。圧力Ｐ２と周囲圧力Ｐａｍｂの差圧は、ダイアフラム６０３、６１３上の圧電抵抗素子の抵抗に基づいている出力を処理することによって判定することができる。たとえば、ダイアフラム６０３、６１３の可変抵抗に基づく感応性ダイアフラム６０３、６１３の出力は、以下で詳細に論じる図７に図示および参照する回路などの回路を使用して処理することができる。
第２のハウジング部材６４０は、第２のチャンバ６４１を画定する。第２のハウジング部材６４０の壁には、第２の圧力Ｐ２の第２の流体が圧力センサ６００ｇに入ることを可能にするねじ付きポート６６３が画定される。第２の流体はポート６６３に入り、第２の圧力容積６４１を充填する。第２の流体は、ベースプレート６２１を通って画定される孔６２５に入ることによって感応性ダイアフラム６０３の第２の側に力を及ぼす第２の圧力である。感応性ダイアフラム６０３は、キャップ６８０の下に形成された真空にその上面で接触しており、第１の表面とは反対側の感応性ダイアフラム６０３の第２の表面に圧力Ｐ２を受け取る。したがって、感応性ダイアフラム６０３の出力は、圧力に関係しない信号に加えて、真空に対する圧力Ｐ２を表す絶対圧力値を表す。
感応性ダイアフラム６０３の表面上に画定または配置される圧電抵抗素子は、感応性ダイアフラム６１３によって生成される出力信号が感応性ダイアフラム６０１によって生成される出力から引かれるように、感応性ダイアフラム６１３の表面に画定される圧電抵抗素子に電気的に接続することができる。感応性ダイアフラム６０３と感応性ダイアフラム６１３はどちらも、それぞれ圧力に関係しない入力を含む出力を生成するため、感応性ダイアフラム６０３の測定された信号を感応性ダイアフラム６１３の出力信号から引くことで、両感応性ダイアフラム６０３、６１３への圧力に関係しない入力が圧力センサ６００ｇの最終出力から引かれることから、差圧入力によって生成される信号を含むセンサ６００ｇの出力信号が得られる。
圧力に関係しない信号は、流体導管継手がねじ付きポート６６３上へねじ留めされるときに生じる応力を含む可能性がある。継手が取り付けられるときの締まりは、応力を生じさせる可能性があり、これはハウジング部材６３０、６４０を通ってベースプレート６２１へ伝達される。ベースプレート６２１は、半導体圧力検知ダイ６０１に直接取り付けられており、感応性ダイアフラム６０３、６１３に応力を生じさせる可能性がある。圧力検知ダイ６０１、ベースプレート６２１、およびハウジング部材６３０、６４０の熱膨張係数などの他の特性も異なる可能性があり、その場合、隣接する構成要素を温度に応答して異なる速度で膨張または収縮させることがある。温度の変化と、変動する膨張または収縮速度とが組み合わさることで、さらなる応力が生じる可能性があり、これは感応性ダイアフラム６０３、６１３へ伝達されて、感応性ダイアフラム６０３、６１３の表面上の圧電抵抗素子の抵抗の変化を引き起こすことがある。
図６Ｈは、本開示の一実施形態による圧力センサ６００ｈの断面図である。圧力センサ６００ｈは、単一の圧力検知ダイ６０１を含む。圧力センサダイ６０１は、第１の感応性ダイアフラム６０３および第２の感応性ダイアフラム６１３を形成するように、複数の位置で薄くされている。感応性ダイアフラム６０３の表面および感応性ダイアフラム６１３の表面上には、複数の圧電抵抗素子（図示せず）が形成または配置される。圧力検知ダイ６０１の第１の表面には、キャップ６８０が取り付けられる。キャップ６８０は、キャップ６８０内に画定された空間を有し、これらの空間は、圧力検知ダイ６０１上で感応性ダイアフラム６０３および感応性ダイアフラム６１３が配置される場所に位置決めされる。圧力検知ダイ６０１は、感応性ダイアフラム６０３および６１３とは反対側の圧力検知ダイ６０１の表面に位置する拘束体６８５にさらに取り付けられる。
拘束体６８５は、ベースプレート６２１の熱膨張係数より圧力検知ダイ６０１の半導体材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料から構成することができる。温度変動が圧力検知ダイ６０１、拘束体６８５、および／またはベースプレート６２１の材料の膨張または収縮を引き起こす条件下では、隣接する材料間の熱膨張係数の差を低減させることで、熱的な影響および圧力に関係しない刺激のために圧力検知ダイ６０１にかかる応力が低減される。加えて、拘束体６８５は、圧力検知ダイ構造の強度を増大させ、ダイおよび感圧ダイアフラムを応力の悪影響からさらに分離する。
図６Ｉを次に参照すると、本開示の一実施形態による圧力センサ６００ｉの断面図が示されている。圧力センサ６００ｉは、単一の圧力検知ダイ６０１を含む。圧力センサダイ６０１は、第１の感応性ダイアフラム６０３および第２の感応性ダイアフラム６１３を形成するように薄くされている。感応性ダイアフラム６０３の表面および感応性ダイアフラム６１３の表面には、複数の圧電抵抗素子（図示せず）が形成される。感応性ダイアフラム６０３、６１３の表面に圧力が印加されると、感応性ダイアフラムの偏向が生じ、それにより圧電抵抗素子に応力が及ぼされる。圧電抵抗素子の電気抵抗は、印加された圧力によって感応性ダイアフラム６０３、６１３が偏向するときに生じる応力のために変動する。圧電抵抗素子は、ボンドワイア６１５を介してコンタクトパッド６１７に電気的に接続される。
圧力検知ダイ６０１は、感応性ダイアフラム６０３および６１３とは反対側の圧力検知ダイ６０１の表面に位置する拘束体６８６に接合される。拘束体６８６は、感応性ダイアフラム６０３と位置合わせされたアパーチャを含み、アパーチャは、圧力Ｐ２が感応性ダイアフラム６０３の下面にアクセスすることを可能にする。拘束体６８６は固く、圧力検知ダイ６０１とベースプレート６２１との間で感応性ダイアフラム６１３の下に位置する凹部を封止する。感応性ダイアフラム６１３の下の凹部は、感応性ダイアフラム６１３の下側に真空を形成するために排気することができる。
拘束体６８６は、ベースプレート６２１の熱膨張係数より圧力検知ダイ６０１の半導体材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料から構成することができる。温度変動が圧力検知ダイ６０１、拘束体６８６、および／またはベースプレート６２１の材料の膨張または収縮を引き起こす条件下では、隣接する材料間の熱膨張係数の差を低減させることで、熱的な影響および圧力に関係しない刺激のために圧力検知ダイ６０１にかかる応力が低減される。加えて、拘束体６８６は、圧力検知ダイ構造の強度を増大させ、ダイおよび感圧ダイアフラムを応力の悪影響からさらに分離する。拘束体６８６は、接着ボンド６１９によってベースプレート６２１に取り付けられる。接着ボンド６１９は、接着剤を使用して、またははんだもしくはガラスフリットなどの固定ボンディング技法によって、形成することができる。ベースプレート６２１は、第１のハウジング部材６３０および第２のハウジング部材６４０から形成されるハウジングに接続される。
圧力検知ダイ６０１の第１の表面には、キャップ６８０が取り付けられる。キャップ６８０は、キャップ６８０内に画定された空間または空隙を有し、これらの空間または空隙は、圧力検知ダイ６０１上で感応性ダイアフラム６０３および感応性ダイアフラム６１３が配置される場所に位置決めされる。キャップ６８０内に形成された空胴内には、真空が形成されて閉じ込められる。ダイアフラム６０３は、圧力Ｐ２に下からさらされており、ダイアフラム６０３の上面に接触しているキャップ６８０下の真空を基準として、この圧力を測定する。ダイアフラム６１３は、上下から真空にさらされ、絶対真空圧を測定する。したがって、図６ｉに示す実施形態は、ダイアフラム６０３を介して圧力Ｐ２に対する絶対圧力値を測定し、ダイアフラム６１３を介して絶対真空圧を測定する。
ダイアフラム６１３によって測定された圧力値をダイアフラム６０３によって測定された圧力値から引くことによって、圧力Ｐ２の補正された絶対圧力値を判定することができる。判定された絶対圧力Ｐ２の値は、圧力センサ６００ｉの出力として提供することができる。
第１のハウジング部材６３０は、第１の圧力容積６５０を画定する。第１のハウジング部材６３０は、周囲圧力Ｐａｍｂが第１の圧力容積６５０に入ることを可能にする開口６７０を有する。絶対圧力Ｐ２は、ダイアフラム６０３、６１３上の圧電抵抗素子の抵抗に基づいている出力を処理することによって判定することができる。たとえば、ダイアフラム６０３、６１３の可変抵抗に基づく感応性ダイアフラム６０３、６１３の出力は、以下で詳細に論じる図７に図示および参照する回路などの回路を使用して処理することができる。感応性ダイアフラム６０３は、感応性ダイアフラム６０３にかかる圧力に関係しない応力を含む圧力Ｐ２の絶対圧力値を測定する。一方、感応性ダイアフラム６１３は、感応性ダイアフラム６１３に印加される圧力に関係しない応力をやはり含む絶対真空圧を測定する。
したがって、圧力に関係しない応力だけを表す感応性ダイアフラム６１３の出力信号を、絶対圧力Ｐ２の値および圧力に関係しない応力を含む感応性ダイアフラム６０３の出力信号から引くことで、圧力Ｐ２の絶対圧力値を表す補正された値を含む圧力センサ６００ｉの補正された出力信号が提供される。
第２のハウジング部材６４０は、第２のチャンバを画定する。第２のチャンバは、第２の圧力容積６６０および流体充填可能な容積６２０を画定する可撓性ダイアフラム６６１によって分割される。流体充填可能な容積６２０は、充填ポート６２４を介して、圧力検知ダイ６０１または感応性ダイアフラム６０３、６１３に付随する圧電抵抗素子もしくは電気接続にとって有害でない流体で充填することができる。例として、圧力検知ダイ６０１が半導体材料から構成される場合、流体充填可能な容積６２０は、シリコーンオイルなどのオイルで充填することができる。流体充填可能な容積６２０は、充填された後、溶接ボール６２３または充填ポート６２４を封止する他の技法（たとえば、圧着）を使用して封止することができる。第２のハウジング部材６４０の壁には、第２の圧力Ｐ２の第２の流体が圧力センサ６００ｅに入ることを可能にするねじ付きポート６６３が画定される。
第２の流体はポート６６３に入り、第２の圧力容積６６０を充填する。第２の流体は、可撓性ダイアフラム６６１に力を及ぼす第２の圧力である。可撓性ダイアフラム６６１は、及ぼされる力のために偏向し、ベースプレート６２１を通って画定される孔６２５に入ることによって、流体充填可能な容積６２０内の流体を通じて感応性ダイアフラム６０３の下面へこの力を伝達する。感応性ダイアフラム６０３は、キャップ６８０の下に形成された真空にその上面で接触しており、第１の表面とは反対側の感応性ダイアフラム６０３の第２の表面に圧力Ｐ２を受け取る。したがって、感応性ダイアフラム６０３の出力は、圧力に関係しない信号に加えて、真空に対する圧力Ｐ２を表す絶対圧力値を表す。感応性ダイアフラム６０３の表面上に画定または配置される圧電抵抗素子は、感応性ダイアフラム６１３によって生成される出力信号が感応性ダイアフラム６０１によって生成される出力から引かれるように、感応性ダイアフラム６１３の表面に画定される圧電抵抗素子に電気的に接続することができる。
感応性ダイアフラム６０３と感応性ダイアフラム６１３はどちらも、それぞれ圧力に関係しない入力を含む出力を生成するため、感応性ダイアフラム６０３の測定された信号を感応性ダイアフラム６１３の出力信号から引くことで、両感応性ダイアフラム６０３、６１３への圧力に関係しない入力が圧力センサ６００ｉの最終出力から引かれることから、差圧入力によって生成される信号を含む圧力センサ６００ｉの出力信号が得られる。
圧力に関係しない信号は、流体導管継手がねじ付きポート６６３上へねじ留めされるときに生じる応力を含む可能性がある。継手が取り付けられるときの締まりは、応力を生じさせる可能性があり、これはハウジング部材６３０、６４０を通ってベースプレート６２１へ伝達される。ベースプレート６２１は、半導体圧力検知ダイ６０１に直接取り付けられており、感応性ダイアフラム６０３、６１３に応力を生じさせる可能性がある。圧力検知ダイ６０１、ベースプレート６２１、およびハウジング部材６３０、６４０の熱膨張係数などの他の特性も異なる可能性があり、その場合、隣接する構成要素を温度に応答して異なる速度で膨張または収縮させることがある。温度の変化と、変動する膨張または収縮速度とが組み合わさることで、さらなる応力が生じる可能性があり、これは感応性ダイアフラム６０３、６１３へ伝達されて、感応性ダイアフラム６０３、６１３の表面上の圧電抵抗素子の抵抗の変化を引き起こすことがある。
図６Ｊは、可撓性ダイアフラムおよび流体充填可能な容積が省略されていることを除いて、図６Ｉの圧力センサ６００ｉに類似している絶対圧力センサ６００ｊの断面図である。したがって、圧力Ｐ２の流体が、第２のハウジング部材６４０内のポート６６３に導入される。流体は開口６２５に入り、ベースプレート６２１および拘束体６８６内の開口を通過して、圧力検知ダイ６０１内に画定された感応性ダイアフラム６０３の下側に流体接触する。
圧力センサ６００ｊは、圧力Ｐ２の絶対圧力値を表す補正された出力を提供する絶対圧力センサとして作用する。圧力検知ダイ６０１は、感応性ダイアフラム６０３、６１３を覆うキャップ６８０を含み、キャップ６８０は、真空で充填された空間を含み、この空間は、感応性ダイアフラム６０３、６１３の位置と位置合わせされる。拘束体６８６は、圧力検知ダイ６０１に取り付けられており、感応性ダイアフラム６０３の下に画定された開口を有する。拘束体６８６は固く、感応性ダイアフラム６１３の下の空胴を封止する。空胴は、感応性ダイアフラム６１３の下側に真空を形成するために排気される。
圧力センサ６００ｊ内で、感応性ダイアフラム６０３は、真空を基準として圧力Ｐ２の絶対圧力値を測定する。感応性ダイアフラム６０３の下側には、圧力Ｐ２が印加され、キャップ６８０の下の感応性ダイアフラム６０３の上側には、真空が印加される。同様に、感応性ダイアフラム６１３は、キャップ６８０の下のその頂面に印加される真空を有する絶対真空と、拘束体６８６によって封止された感応性ダイアフラム６１３の下に画定される別の真空空間とを測定する。その結果、感応性ダイアフラム６１３は、圧力に関係しない応力を表す出力を形成し、感応性ダイアフラム６０３は、圧力Ｐ２の絶対圧力ならびに圧力検知ダイ６０１に印加される圧力に関係しない応力を測定する。感応性ダイアフラム６１３の出力を感応性ダイアフラム６０３の出力から引いて、圧力に関係しない応力に対して補正されたＰ２に対する絶対圧力値を形成することができる。
たとえば、感応性ダイアフラム６０３、６１３の出力は、次に詳細に説明する図７に示す回路などの回路を使用して印加および処理することができる。
図７は、ダイアフラム３０３および３１３（図３に示す）の中または上に画定することができる２つの並列接続されたブリッジ回路７１０（Ｄ１）および７５０（Ｄ２）の概略図７００を示す。ブリッジ回路７１０は、圧力検知ダイ３０１のダイアフラム３０３の中または上に画定される回路に対応しており、ブリッジパターンで圧電抵抗素子を含み、これらの素子は、ダイアフラム３０３が曲がると変動する抵抗を有する可変抵抗器ａ、ｂ、ｃ、ｄを構成する。ブリッジ回路７５０は、ダイアセンブリ３１１のダイアフラム３１３の中または上に画定される回路に対応しており、ブリッジパターンで圧電抵抗素子を含み、これらの素子は、ダイアフラム３１３が曲がると変動する抵抗を有する可変抵抗器ｅ、ｆ、ｇ、ｈを構成する。
図７に示すように、ブリッジ回路７１０および７５０にはそれぞれ、励起電圧７３０（Ｅｘ＋）および７４０（Ｅｘ−）を印加することができ、これは、ブリッジ回路に接続された適した電気導体などの適した電気接続によってもたらすことができる。図７に示す実施形態では、ブリッジ回路７１０および７５０は、出力７２０で電気的に接続され、これもまた、ブリッジ回路間の電気導体などの適した電気接続によってもたらすことができる。
特に、出力７２０によって画定される電気コネクタは、ブリッジ回路７５０のコモンモード誤差出力を、ブリッジ回路７１０によって検知される差圧の出力へ接続し、その結果、出力７６（Ｏｕｔ＋）および出力７２０（Ｏｕｔ−）が、ブリッジ回路７１０、７５０の組合せによって測定されるコモンモード誤差が補正された差圧になるように構成される。圧電抵抗素子および導電トレースは、当技術分野ではよく知られている技法および材料を使用して圧電抵抗素子および導電回路素子を画定するように、ダイの半導体材料内に１つまたは複数のドーパントを差動的に拡散させることによって形成することができる。導電回路素子は、圧電抵抗素子を含む回路を完成させるための半導体材料内の導電経路を表すことができ、回路に外部導体を接続するためのコンタクトパッドを含むこともできる。
一実施形態では、圧力検知ダイの上または中のボンディングワイアまたは導電トレースによって、第１のダイアフラムの感圧電気素子の負の出力端子を第２のダイアフラムの感圧電気素子の正の出力端子に接続することができる。
ブリッジ回路７１０、７５０の出力は、加算増幅器７１８、７１９を使用して加算することができる。加算増幅器７１８、７１９は、アナログ加算増幅器とすることができ、または一実施形態では、デジタル加算増幅器として実装することができる。任意選択でデジタル加算増幅器として実装されるとき、ブリッジ回路７１０、７５０の出力は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）７１６、７１７へ入力される。これらの出力は、ＡＤＣ７１６、７１７によってデジタル化され、デジタル加算増幅器７１８、７１９によって加算される。特定の実施形態では、ＡＤＣ７１６、７１７を省略することができ、アナログ加算増幅器７１８、７１９を使用することができる。したがって、コモンモード補正をアナログまたはデジタルで実行することができる。デジタルアーキテクチャは、追加の構成要素を必要とし、それにより複雑さが増大する。
図７Ａは、図７に類似している配置の概略図７６０を示し、４つの可変抵抗器ａ、ｂ、ｃ、ｄが、差圧を受け取るように配置された第１のダイアフラム７６１および両側で同じ圧力源（たとえば、周囲）からの圧力を受け取るように配置された第２のダイアフラム７６５のそれぞれに設けられている。この配置では、各ダイアフラム上で、２対の抵抗器が互いに接続されており、各対は、２つのダイアフラムのうちの他方に画定された２対の抵抗器に直列接続される。別段の記載がない限り、感歪抵抗器が各ダイアフラム上にフルオープンブリッジ構成で配置される。第１のダイアフラム上の抵抗器対内のノードには、基準電圧が提供され、第２のダイアフラム上の抵抗器対内のノードには、出力が提供される。より具体的には、可変抵抗器ａおよびｂは、ダイアフラム７６１上に第１の抵抗器対を画定するように接続される。
可変抵抗器ｃおよびｄは、ダイアフラム７６１上に第２の抵抗器対を画定するように接続される。可変抵抗器ｅおよびｈは、ダイアフラム７６５上に第１の抵抗器対を画定するように接続される。可変抵抗器ｆおよびｇは、ダイアフラム７６５上に第２の抵抗器対を画定するように接続される。ダイアフラム７６１上の抵抗器対ａ／ｂは、ダイアフラム７６５上の抵抗器対ｅ／ｈおよび抵抗器対ｆ／ｇに直列接続される。同様に、ダイアフラム７６１上の抵抗器対ｃ／ｄは、ダイアフラム７６５上の抵抗器対ｅ／ｈおよびダイアフラム７６５上の抵抗器対ｆ／ｇに直列接続される。ダイアフラム７６１は、ダイ３０１のダイアフラム３０３と同様に、差圧を検出するように配置される。ダイアフラム７６５は、ダイアセンブリ３１１のダイアフラム３１３として、コモンモード圧力を検出するように配置することができる。
ダイアフラム７６１上の抵抗器ａおよびｂ間のノードには、正の励起電圧７３０（Ｅｘ＋）が印加される。ダイアフラム７６１上の抵抗器ｃおよびｄ間のノードには、負の励起電圧７４０（Ｅｘ−）が印加される。これらの電圧は、ブリッジ回路に接続された適した電気導体などの適した電気接続によってもたらすことができる。ダイアフラム７６５上の抵抗器ｆと抵抗器ｇとの間のノードには、正の出力７６（＋ＯＵＴ）が提供される。ダイアフラム７６５上の圧電抵抗器ｅと圧電抵抗器ｈとの間のノードには、負の出力７２０（−ＯＵＴ）が提供される。出力に対する接続は、圧電抵抗器間の電気導体などの適した電気接続によってもたらすことができる。ダイアフラム７６１上の抵抗器対間に励起電圧が印加されると、出力信号は、コモンモード誤差に関して事実上補正される。図７の配置と比較して、直列接続された抵抗器の結果、インピーダンスはより大きい。
その結果、全体的な消費電力が減少する。図７Ｂは、図７Ａの直列ブリッジ回路の高レベルの機能概略図を示す。図を簡単にするために、各ダイアフラム７６１、７６５が２度示されている。
図７Ｃを次に参照すると、本開示による差圧センサ７００Ｄの一実施形態は、差圧の影響を受けやすい複数のダイアフラムと、共通の周囲圧力の影響を受けやすい同じ数のダイアフラムとを利用する。図７Ｃの実施形態では、各タイプのダイアフラムが２つ示されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、より多くのダイアフラムを設けることができる。図７Ｃに示す実施形態は、４つのダイアフラム、すなわち２対のダイアフラムに対応して、４つのブリッジ回路７１０、７５０、７７０、および７８０を示すが、対応するブリッジ回路を有するさらなるダイアフラムを対で追加することもできる。コモンモード誤差は、ダイアフラムの２分の１が圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の差圧を受け、残りのダイアフラムが周囲圧力Ｐａｍｂのみを受けるようにセンサ７００Ｄを構成することによって補正することができる。
各ブリッジ回路は、閉フルブリッジ構成で配置され、４つの抵抗器はそれぞれ直列接続される。各ブリッジ回路には、正の励起電圧７３０（＋Ｅｘ）が印加される。電圧７３０は、圧電抵抗器ａと圧電抵抗器ｂとの間のノードでブリッジ７１０に印加され、圧電抵抗器ｅと圧電抵抗器ｆとの間のノードでブリッジ回路７５０に印加され、圧電抵抗器ｉと圧電抵抗器ｊとの間のノードでブリッジ回路７７０に印加され、圧電抵抗器ｍと圧電抵抗器ｎとの間のノードでブリッジ７８０に印加される。各ブリッジ回路には、正の励起電圧７３０（＋Ｅｘ）が印加されるノードとは反対側のノードで、負の励起電圧７４０（−Ｅｘ）が印加される。負の励起電圧７４０（−Ｅｘ）は、圧電抵抗器ｃと圧電抵抗器ｄとの間でブリッジ７１０に印加され、圧電抵抗器ｇと圧電抵抗器ｈとの間でブリッジ７５０に印加され、圧電抵抗器ｋと圧電抵抗器ｌとの間でブリッジ７７０に印加され、圧電抵抗器ｏと圧電抵抗器ｐとの間でブリッジ７８０に印加される。
負の出力７２０（−ＯＵＴ）は、ブリッジ７１０の圧電抵抗器ｂと圧電抵抗器ｃとの間に位置決めされたノードに接続され、ブリッジ７５０の圧電抵抗器ｅと圧電抵抗器ｈとの間に位置決めされたノードに接続され、ブリッジ７７０の圧電抵抗器ｊと圧電抵抗器ｋとの間に位置決めされたノードに接続され、ブリッジ７８０の圧電抵抗器ｍと圧電抵抗器ｐとの間に位置決めされたノードに接続される。正の出力７６（＋ＯＵＴ）は、各ブリッジ回路に共通して接続される。正の出力７６は、ブリッジ７１０の圧電抵抗器ａと圧電抵抗器ｄとの間に位置決めされ、ブリッジ７５０の圧電抵抗器ｆと圧電抵抗器ｇとの間に位置決めされ、ブリッジ７７０の圧電抵抗器ｉと圧電抵抗器ｌとの間に位置決めされ、ブリッジ７８０の圧電抵抗器ｎと圧電抵抗器ｏとの間に位置決めされる。
図７Ｄは、図７Ｃに類似している配置の概略図を示し、複数のダイアフラム４１０、４５０、４７０、４８０（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）のそれぞれの上に、１６個の可変抵抗器が４つの群で設けられる。図７Ｄには４つのダイアフラムを示すが、より多いまたはより少ないダイアフラムを使用することができる。ダイアフラムの２分の１は、差圧を受け取るように配置され、複数のダイアフラムの残りの２分の１は、両側で同じ圧力源からの圧力（たとえば、周囲圧力Ｐａｍｂ）を受け取るように配置される。この配置では、各ダイアフラム上で、２対の抵抗器が互いに接続されており、各対は、他のダイアフラム上に画定された２対の抵抗器に直列接続される。別段の記載がない限り、感歪抵抗器が各ダイアフラム上にフルオープンブリッジ構成で配置される。
第１のダイアフラム４１０上の抵抗器対内のノードには、基準電圧７３０、７４０が提供され、ダイアフラム４７０上の抵抗器対内のノードには、出力７６、７２０が提供される。より具体的には、可変抵抗器ａおよびｂは、ダイアフラム７１０上に第１の抵抗器対を画定するように接続される。可変抵抗器ｃおよびｄは、ダイアフラム４１０上に第２の抵抗器対を画定するように接続される。可変抵抗器ｅおよびｈは、ダイアフラム４５０上に第１の抵抗器対を画定するように接続される。可変抵抗器ｆおよびｇは、ダイアフラム４５０上に第２の抵抗器対を画定するように接続される。ダイアフラム４１０上の抵抗器対ａ／ｂは、ダイアフラムＤ２ ７５０上の抵抗器対ｅ／ｈおよび抵抗器対ｆ／ｇに直列接続される。
同様に、ダイアフラム４１０上の抵抗器対ｃ／ｄは、ダイアフラム４８０上の抵抗器対ｍ／ｐおよびダイアフラム４８０上の抵抗器対ｎ／ｏに直列接続される。ダイアフラム４１０および４７０は、ダイ３０１のダイアフラム３０３と同様に、差圧を検出するように配置される。ダイアフラム４５０および４８０は、ダイ３１１の１つまたは複数のダイアフラム３１３として、コモンモード圧力を検出するように配置することができる。ダイアフラム４１０上の抵抗器ａおよびｂ間のノードには、正の励起電圧４３０（Ｅｘ＋）が印加される。ダイアフラム４１０上の抵抗器ｃおよびｄ間のノードには、負の励起電圧４４０（Ｅｘ−）が印加される。これらの電圧は、ブリッジ回路に接続された適した電気導体などの適した電気接続によってもたらすことができる。ダイアフラム４７０上の抵抗器ｉと抵抗器ｌとの間のノードには、正の出力７６が提供される。ダイアフラム４７０上の圧電抵抗器ｊと圧電抵抗器ｋとの間のノードには、負の出力４２０（−ＯＵＴ）が提供される。
出力に対する接続は、圧電抵抗器間の電気導体などの適した電気接続によってもたらすことができる。ダイアフラム４１０上の抵抗器対間に励起電圧が印加されると、出力信号は、コモンモード誤差に関して事実上補正される。図７Ｃの配置と比較して、インピーダンスはより大きい。より大きいインピーダンスの結果、全体的な消費電力が減少する。
図７Ｅは、図７Ｄによって利用されるものなど、コモンモード誤差が補償された直列接続されたセンサ回路の高レベルの機能図であり、図７Ａに示す回路と同様に、４つのダイアフラムＤ１、Ｄ２、Ｄ３、およびＤ４上に配置されて直列接続された複数のフルオープンブリッジ回路を利用する。圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の差圧にさらされるダイアフラムＤ１上の第１のブリッジ回路の圧電抵抗器ａと圧電抵抗器ｂとの間のノードには、励起電圧７３０（＋Ｅｘ）が印加される。圧電抵抗器ａは、周囲圧力ＰａｍｂのみにさらされるダイアフラムＤ２上の第１のブリッジ回路の圧電抵抗器ｅおよびｈに直列接続される。圧電抵抗器ｈは、圧力Ｐ１および圧力Ｐ２にさらされるダイアフラムＤ３上の第２のブリッジ回路の圧電抵抗器ｉに結合される。圧電抵抗器ｉは、ダイアフラムＤ３上の圧電抵抗器ｌに接続されており、圧電抵抗器ｉおよびｌ間のノードには、正の出力７６（＋ＯＵＴ）が位置する。
圧電抵抗器ｌは、周囲圧力ＰａｍｂのみにさらされるダイアフラムＤ４上のｍおよびｐによって画定されるブリッジの一部である圧電抵抗器ｍに接続される。圧電抵抗器ｐは、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の差圧にさらされるダイアフラムＤ１上の圧電抵抗器ｄに接続される。抵抗器ｃおよびｄ間のノードには、負の励起電圧７４０（−Ｅｘ）が接続される。
圧電抵抗器ｂは、圧力Ｐ１のみにさらされる第１のブリッジ回路のダイアフラムＤ２上の圧電抵抗器ｆおよびｇに直列接続される。圧電抵抗器ｇは、圧力Ｐ１および圧力Ｐ２にさらされるダイアフラムＤ３上の第２のブリッジ回路の圧電抵抗器ｊに結合される。圧電抵抗器ｊは、出力７２０に提供されるｊとｋとの間のノードで圧電抵抗器ｋに接続される。圧電抵抗器ｋは、周囲圧力ＰａｍｂのみにさらされるダイアフラムＤ４上の圧電抵抗器ｎおよびｏに接続される。圧電抵抗器ｏは、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の差圧にさらされるダイアフラムＤ１上の第１のブリッジ回路の圧電抵抗器ｃに接続される。
上記の発明は前述の実施形態を参照して説明したが、本発明の趣旨から逸脱することなく、様々な修正および変更を加えることができる。したがって、すべてのそのような修正および変更は、添付の特許請求の範囲の範囲内であると見なされる。したがって、本明細書および図面は、限定的ではなく例示的な意味で見なされるべきである。本明細書の一部を形成する添付の図面は、主題を実施することができる特有の実施形態を、限定ではなく例として示す。例示した実施形態について、当業者であれば本明細書に開示する教示を実施できるように、十分に詳細に説明した。本明細書から他の実施形態を利用および導出することができ、したがって、本開示の範囲から逸脱することなく、構造上および論理上の置換えおよび変更を加えることができる。したがって、この詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ、そのような特許請求の範囲に与えられる均等物の完全な範囲とともに定義される。
本明細書では、本発明の主題のそのような実施形態は、単に便宜上「発明」という用語によって、個別および／または集合的に参照することができ、実際には２つ以上が開示されている場合、本出願の範囲を単一の発明または発明の概念に進んで限定することを意図するものではない。したがって、本明細書では、特有の実施形態について例示および説明したが、図示の特有の実施形態を、同じ目的を実現するために計算された任意の配置に置き換えることができることを理解されたい。本開示は、様々な実施形態の変形のあらゆる適合を包含することが意図される。上記の実施形態の組合せ、および本明細書に具体的に記載されていない他の実施形態は、上記の説明を検討すれば、当業者には明らかであろう。

Claims (18)

  1. 半導体材料から構成され、第１の感応性ダイアフラムを有する第１の圧力検知ダイと、
    半導体材料から構成され、第２の感応性ダイアフラムを有する第２の圧力検知ダイと、
    前記第１の圧力検知ダイおよび前記第２の圧力検知ダイを収容するハウジングとを備え、前記ハウジングは、前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムの第１の表面と流体連通している第１の圧力の第１の流体と、前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムの第２の表面と流体連通している第２の圧力の第２の流体とを収容し、前記第２の圧力検知ダイの前記第２の感応性ダイアフラムの第１の表面および第２の表面は、第３の圧力の第３の流体と流体連通している、圧力センサであって、
    前記圧力センサは、
    ベースをさらに備え、前記第１の圧力検知ダイは、前記ベースの第１の表面に取り付けられ、前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムは、前記ベースの前記第１の表面から前記第１の表面とは反対側の前記ベースの第２の表面まで前記ベースを通って延びるアパーチャと位置合わせされ、
    前記第２の圧力検知ダイは、前記第２の圧力検知ダイと前記ベースとの間の前記第２の圧力検知ダイの内側容積に対する通気チャネルが画定されるように、又は、前記第２の感応性ダイアフラムが、前記第１の表面から前記第１の表面とは反対側の前記第２の表面まで前記ベースを通って延びる第２のアパーチャと位置合わせされているように、前記ベースの前記第１の表面に取り付けられており、
    前記第２の圧力検知ダイは、圧力による変化を検知しない、
    圧力センサ。
  2. 前記ハウジングは、
    前記ベースの前記第１の表面に取り付けられた上部ハウジング部材を備え、前記上部ハウジング部材は、前記第１の圧力検知ダイを収容する第１の分離された容積と、前記第２の圧力検知ダイを収容する第２の分離された容積とを画定する第１のセプタムを、前記第１の圧力検知ダイと前記第２の圧力検知ダイとの間に画定し、前記第２の分離された容積は、前記第３の圧力になるように構成されている、請求項１に記載の圧力センサ。
  3. 前記上部ハウジング部材は、前記第１の圧力検知ダイおよび前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムを収容する前記第１の分離された容積と流体連通している第１の入力ポートを備えている、請求項２に記載の圧力センサ。
  4. 前記ハウジングは、前記ベースの前記第１の表面とは反対側の前記ベースの前記第２の表面に取り付けられた下部ハウジング部材をさらに備え、前記下部ハウジング部材は、前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムの前記第２の表面と流体連通している第２の入力ポートを有する、請求項３に記載の圧力センサ。
  5. 前記第１の圧力の前記第１の流体は、前記第１の入力ポートへ導入されると、前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムの前記第１の表面に前記第１の圧力を印加し、前記第２の圧力の前記第２の流体は、前記第２の入力ポートへ導入されると、前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムの前記第２の表面に前記第２の圧力を印加し、それによって前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムに印加される差圧を形成している、請求項４に記載の圧力センサ。
  6. 前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムは、第１のブリッジ回路内に配置された前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムの前記第１の表面内に画定された複数の圧電抵抗器を備え、前記第２の圧力検知ダイの前記第２の感応性ダイアフラムは、第２のブリッジ回路内に配置された前記第２の圧力検知ダイの前記第２の感応性ダイアフラムの前記第１の表面内に画定された第２の複数の圧電抵抗器を備え、前記第１のブリッジ回路および前記第２のブリッジ回路は、前記第２のブリッジ回路の出力信号が前記第１のブリッジ回路の出力信号から引かれるように接続されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  7. 前記第２のブリッジ回路の前記出力信号は、圧力に関係しない要因のための誤差を表し、前記第２のブリッジ回路の前記出力信号を前記第１のブリッジ回路の前記出力信号から引いた結果が、前記圧力センサの補正された出力信号を表している、請求項６に記載の圧力センサ。
  8. 前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムの第１の表面と流体連通している第１の圧力入口を備える第１の上部ハウジング部材と、
    前記第３の圧力と前記第２の圧力検知ダイの前記第２の感応性ダイアフラムの第１の表面との間の流体連通を可能にするように構成された開口と
    をさらに備える、請求項１に記載の圧力センサ。
  9. 前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムの第２の表面と流体連通している第２の圧力入口を備える第２の下部ハウジング部材と、前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムを前記第２の圧力検知ダイの前記第２の感応性ダイアフラムから分離する第２のセプタムと、前記第３の圧力と前記第２の圧力検知ダイの前記第２の感応性ダイアフラムの第２の表面との間の流体連通を可能にするように構成された開口と
    をさらに備える、請求項８に記載の圧力センサ。
  10. 前記第１の圧力検知ダイの前記第１の感応性ダイアフラムと流体連通し、かつ、流体で充填することができる第３の分離された容積を画定する可撓性ダイアフラムをさらに備える、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  11. ベースプレートを含むセンサハウジングであって、前記ベースプレート内に画定されたアパーチャを有し、前記ベースプレートの第１の側が、前記アパーチャで第１の圧力の第１の流体と流体連通するように構成され、前記ベースプレートの第２の側が、前記アパーチャで第２の圧力の第２の流体と流体連通するように構成されている、センサハウジングと、
    前記ベースプレートの前記第１の側に取り付けられた圧力検知ダイアセンブリとを備え、前記圧力検知ダイアセンブリは、
    前記ベースプレートに取り付けられた圧力検知ダイを備え、前記圧力検知ダイは、
    前記第１の流体と流体連通するように構成された第１の上側および前記アパーチャおよび前記第２の流体と流体連通するように構成された第１の下側を有する第１のダイアフラムを画定する第１のチャンバと、
    前記第１のダイアフラムの中または上に形成され、前記第１の圧力と前記第２の圧力との間の差圧を表す前記第１のダイアフラムの偏向に応答して変動する抵抗を呈する少なくとも１つの感圧電気素子と、
    周囲圧力と流体連通するように構成された第２の上側および前記周囲圧力と流体連通するように構成された第２の下側を含み、前記第２の上側の第１の表面と前記第２の下側の第２の表面に前記周囲圧力が等しく印加される第２のダイアフラムを画定する第２のチャンバと、
    前記第２のダイアフラムの中または上に形成され、前記圧力検知ダイアセンブリに対応するコモンモード誤差を表す前記第２のダイアフラムの偏向に応答して変動する抵抗を呈する少なくとも１つの感圧電気素子と、
    前記第１のダイアフラムに接合された前記少なくとも１つの感圧電気素子および前記第２のダイアフラムに接合された前記少なくとも１つの感圧電気素子の一方または両方に電気的に接続され、コモンモード誤差が補正された差圧出力を出力するように構成された１つまたは複数の電気導体とを備えており、
    前記圧力検知ダイは、前記第２のチャンバと前記周囲圧力との間の流体連通を可能にするように構成された通気チャネルを含んでいる、
    差圧センサ。
  12. 前記ベースプレートは、前記第１のチャンバが前記第２の流体と流体連通するが前記第１の流体とは流体連通しないように、かつ前記第２のチャンバを前記周囲圧力と流体連通させるが前記第２の流体とは流体連通させない通気チャネルがダイ取付け材料内に形成されるように、前記圧力検知ダイに取り付けられている、請求項１１に記載の差圧センサ。
  13. 前記ベースプレートは、シリコンおよびガラスの１つから形成されている、請求項１１に記載の差圧センサ。
  14. 前記第１のダイアフラムの前記少なくとも１つの感圧電気素子の負の出力端子が、前記第２のダイアフラムの前記少なくとも１つの感圧電気素子の正の出力端子に接続され、それによって前記第１のダイアフラムの前記少なくとも１つの感圧電気素子の正の出力端子で、コモンモードが補正された差圧を表す電気出力を提供し、前記１つまたは複数の電気導体の１つは、前記第１のダイアフラムの前記少なくとも１つの感圧電気素子の前記正の出力端子に接続されている、請求項１１に記載の差圧センサ。
  15. 前記第１のダイアフラムの前記少なくとも１つの感圧電気素子の負の出力端子が、前記圧力検知ダイの上または中のボンディングワイアおよび導電トレースの１つによって、前記第２のダイアフラムの前記少なくとも１つの感圧電気素子の前記正の出力端子に接続されている、請求項１１に記載の差圧センサ。
  16. 前記第１のダイアフラムの前記少なくとも１つの感圧電気素子および前記第２のダイアフラムの前記少なくとも１つの感圧電気素子のそれぞれが、ブリッジ回路を備えている、請求項１１に記載の差圧センサ。
  17. 前記第１の流体を前記第１の上側から分離する第１の可撓性ダイアフラムと、前記第２の流体を前記第１の下側から分離する第２の可撓性ダイアフラムとをさらに備えている、請求項１１に記載の差圧センサ。
  18. 前記第１の可撓性ダイアフラムと前記第１の上側との間のオイルで充填された容積と、前記第２の可撓性ダイアフラムと前記第１の下側との間の第２のオイルで充填された容積とをさらに備えている、請求項１７に記載の差圧センサ。
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