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KR102271591B1 - 차압 센서 - Google Patents

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KR102271591B1
KR102271591B1 KR1020167026967A KR20167026967A KR102271591B1 KR 102271591 B1 KR102271591 B1 KR 102271591B1 KR 1020167026967 A KR1020167026967 A KR 1020167026967A KR 20167026967 A KR20167026967 A KR 20167026967A KR 102271591 B1 KR102271591 B1 KR 102271591B1
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KR
South Korea
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support structure
diaphragm
differential pressure
fluid
die
Prior art date
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KR1020167026967A
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KR20160143660A (ko
Inventor
데이비드 이. 와그너
나타샤 브이. 카첸코
빈센트 엠. 웡
Original Assignee
메저먼트 스페셜티스, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 메저먼트 스페셜티스, 인크. filed Critical 메저먼트 스페셜티스, 인크.
Publication of KR20160143660A publication Critical patent/KR20160143660A/ko
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Publication of KR102271591B1 publication Critical patent/KR102271591B1/ko
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Abstract

차압 센서는, 격판을 형성하는 얇은 부분이 있는 반도체 다이를 포함하는 감압 다이를 포함한다. 격판은, 격판에 가해지는 힘에 기초하여 가변 저항을 나타내는 압전 저항 소자들을 포함한다. 제1 지지 구조는, 격판의 제1 면이 애퍼처를 통해 노출되도록 제1 지지 구조를 통해 정의되는 애퍼처를 갖는 반도체 다이의 제1 면에 결합된다. 제2 지지 구조는 반도체 다이의 반대측 면에 유사하게 결합된다. 압전 저항 소자들과 전기적으로 연통하는 전기 부품들은, 제1 지지 구조, 제2 지지 구조, 및 반도체 다이 간의 결합에 의해 정의되는 영역의 외측에 배열된다. 오일 채움 볼륨은, 반도체 다이에 유체 압력을 전달하는 격렬한 매체와 반도체 다이가 서로 접촉하지 않으면서 그 격렬한 매체와 반도체 다이 간에 정의될 수 있다.

Description

차압 센서{DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR}
본원은 센서에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본원은 유체와 가스의 차압(differential pressure)을 검출하는 센서에 관한 것이다.
차압 센서는 두 개의 분리된 유체 또는 가스 간의 차압을 측정한다. 차압 센서는 전도성 또는 부식성 가스 또는 유체를 포함하는 환경에서 사용되는 경우, 센서 자체를 보호하고 또한 차압 센서에 부착된 전자 부품이나 전기 부품을 보호하도록 이러한 격렬한 매체로부터 분리되어야 한다. 차압 센서는, 차압 센서의 대향하는 측면들에 부착되는 두 개의 압력 소스로 인해 게이지 또는 절대 압력 센서보다 격렬한 매체로부터 분리하기 어렵다. 따라서, 차압 센서의 양측 면은 소정의 방식으로 분리되어야 하며, 그렇지 않은 경우 전자 압력 센서 디바이스가 손상될 수 있다.
차압 센서(또는 트랜듀서)는 차압값을 결정하도록 차압을 측정될 수 있는 전기 신호로 변환한다. 감압(pressure-sensing) 디바이스는, 통상적으로, 마이크로 기계 가공 또는 미소 전자 기계 시스템(MEMS)형 방법들을 이용하여 제조된다. 이 기술은, 차압을 전기 신호를 변환하는 매우 작고 저가의 디바이스들을 제조하도록 에칭 및 본딩 기술과 함께 상업용 반도체를 제조하는 데 사용된다.
이러한 디바이스들에 사용되는 물질, 및 공지되어 있는 기타 내부식성 금속, 예컨대, 통상적으로 부식성 유체와 가스 배관에 사용되는 스테인리스 스틸, 티타늄, 구리, 황동은 부식에 저항하지 못한다. 이러한 이유로 인해, 부식에 대한 장벽으로서 기능하지만 신호를 실질적으로 열화시키지 않고 압력이 감압 디바이스에 대하여 연통될 수 있게 하는 분리 방법이 필요하다.
감압 다이는 실리콘 등의 반도체 물질로 형성된다. 도 1은 종래 기술의 MEMS형 감압 다이(100)의 단면도이다. 다이(100)는 실리콘 구조(101)를 제조하는 다이싱 등의 방법들에 의해 실리콘 웨이퍼로부터 형성된다. 실리콘 구조(101)는, 캐비티(105) 및 격판(103)을 정의하는 얇은 부분을 생성하도록 얇게 된다. 반도체 구조(101)는 임의의 적절한 수단에 의해 얇게 될 수 있는데, 예를 들어, 반도체 구조(101)는 당업계에 공지되어 있는 이방성 에칭을 이용하여 얇게 될 수 있다. 저항 소자들은 격판(103)의 표면 상에 형성된다. 저항 소자들은, 격판(103)을 형성하는 얇게 된 반도체 물질 상에 가해지는 스트레인에 비례하는 저항을 나타낸다.
도 2는 감압 다이(100)를 사용하여 게이지 또는 절대 압력 측정 디바이스로서 설계된 종래 기술의 MEMS 압력 센서를 도시한다. 감압 디바이스(100)는, 통상적으로, 지지 구조(207)에 장착되며, 이러한 지지 구조는 예를 들어 스테인리스 스틸 등의 비부식성 물질로 형성된 베이스 판(201)에 다시 결합된다. 감압 다이(100)와 지지 구조(207)는, 접착제(205)에 의해, 헤더라고도 칭할 수 있는 베이스 판(201)에 결합될 수 있다. 지지 구조(207)는, 감압 디바이스(100)와 베이스 판(201) 간에 가변되는 열 팽창 등의 압력에 관련 없는 스트레인의 소스로부터 감압 디바이스(100)를 분리하는 것으로서 사용된다. 개구(203)는, 베이스 판(201)에서 정의되어, 감압 디바이스(100)의 격판의 아랫면과 유체 연통하는 애퍼처를 정의한다. 개구(203)는, 주변 압력이, 기준 압력을 제공하는 감압 디바이스(100)의 일면과 접촉할 수 있게 한다. 기준 압력은, 감압 다이(100)의 반대 면에 압력을 가하는 테스트 유체의 압력을 측정하는 데 사용될 수 있다. 감압 다이(100)는 지지 구조(207)를 통해 개구(203) 위의 베이스 판(201)에 부착된다. 지지 구조(207)는, 베이스 판(201)을 이루는 스테인리스 스틸의 열 팽창 계수에 비해 실리콘 감압 다이(100)의 열 팽창 계수에 더 가까운 열 팽창 계수를 갖는 유리 또는 유사한 물질로 형성될 수 있다. 이러한 열 팽창 계수의 매칭은, 압력에 관련되지 않은 다이(100)에 힘이 가해지는 것을 방지하지만, 오히려 다이(100)와 베이스 판(201) 간의 서로 다른 팽창률에 관련된 스트레인을 야기한다. 컨스트레인트(constraint; 207)는 당업계에 공지되어 있듯이 적절한 접착제(205)에 의해 베이스 판(201)에 부착된다. 예를 들어, 실리콘 접착제, 에폭시, 솔더, 브레이즈, 또는 기타 공지되어 있는 기술에 의해 결합을 수행할 수 있다.
감압 디바이스(200)는 상측 하우징(223)을 포함한다. 상측 하우징(223)은 베이스 판(201)에 대한 밀봉 부착을 제공하도록 구성된다. 밀폐된 볼륨은 상측 하우징(223)과 베이스 판(201) 간에 정의된다. 유연한 주름형 격판(221)은 밀폐된 볼륨을 제1 볼륨(219)과 제2 볼륨(227)으로 나누도록 기능한다. 포트(225)는 상측 하우징(223)의 벽을 통해 정의되며 제1 볼륨(219)과 연통한다. 포트(225)는 압력 테스트될 유체 소스에 결합될 수 있다. 감압 다이(100)는, 감압 다이(100)에 가해지는 압력을 나타내는 전기 신호를 생성 및 송신하는 전기 부품들을 더 포함한다. 테스트되는 유체가 연료나 오일 등의 격렬한 매체인 응용분야에서, 이러한 매체는 감압 다이(100)의 전기 부품들을 부식시킬 수 있다. 따라서, 테스트되는 유체로부터 감압 다이(100)를 분리하도록 주의를 기울어야 한다. 분리는 유연한 주름형 격판(221)에 의해 달성된다. 오일 채움 포트(215)는 베이스 판(201)을 통해 제공된다. 오일 채움 포트는, 감압 다이(100)와 격판(221) 간의 볼륨(219)이 실리콘 오일 등의 비부식성 유체로 채워질 수 있게 한다. 캐비티 정의 볼륨(219)이 채워지면, 오일 채움 포트(215)가, 예를 들어, 오일 채움 포트(215)의 개구에 걸쳐 볼(217)을 용접함으로써 밀봉된다. 따라서, 볼륨(219) 내의 오일은, 완전히 밀폐되며, 감압 다이(100)의 상면과 유체 연통한다.
포트(225)는, 감압 디바이스(200)가 테스트되거나 측정되는 유체와 유체 연통하는 라인 또는 기타 전달 수단에 부착될 수 있도록 스레딩(threading)될 수 있다. 측정되는 유체는 포트(225)에 진입하여 내측 볼륨(227)을 채운다. 내측 볼륨(227)이 채워지면, 측정되는 유체가 유연한 격판(221)의 상면과 접촉하게 된다. 측정되는 유체에 의해 가해지는 압력은 유연한 격판(221)을 통해 오일이 밀폐되어 있는 볼륨(219)으로 전달된다. 유연한 격판(221)에 의해 오일에 가해지는 힘은, 오일 전체에 걸쳐 감압 다이(100)의 상면을 포함한 오일과 접촉하고 있는 표면들로 전달된다.
힘이 감압 다이(100)에 가해지면, 감압 다이(100)의 격판의 상면에 형성된 압전 저항 소자들을 통한 전기 신호는 압전 저항 소자들의 변동에 응답하여 가변된다. 전기 신호는 감압 다이(100)의 표면에 가해지는 힘을 나타낸다. 전기 신호는, 본드 와이어(209)를 통해, 제어 회로 등의 다른 시스템 회로에 전기적으로 접속될 수 있는 도전성 핀들(211)로 전도되거나, 비제한적인 일례로 전자 메모리에 저장될 수 있는 압력 데이터로 변환된다.
유연한 격판(221)과 오일 채움 볼륨(219)은, 다이(100), 본드 와이어(209), 및 도전성 핀들(211)을, 포트(225)를 통해 측정되는 부식성 또는 격렬한 매체로부터 분리한다. 또한, 오일을 함유하는 볼륨(219)은, 볼륨(210) 내에 오일의 누출이나 오염이 발생하지 않도록 밀봉되어야 한다. 감압 다이(100)로부터의 전기 신호를 전달하는 도전성 핀들(211)은 다른 시스템 부품들의 외부 접속이 가능하도록 베이스 판(201)을 통과해야 한다. 도전성 핀들(211)은, 베이스 판(201)과의 기밀한 밀봉부를 형성하는 튜브나 홀(213) 내에 발포된 유리 또는 세라믹 물질 내에 밀폐된다. 기밀한 밀봉부는, 생산하는 데 고가이며 취약하지만, 볼륨(219)의 무결성을 확실히 하는 데 필요하다. 따라서, 간단하면서도 저비용의 폼 팩터에서 측정되는 격렬한 매체로부터 감지 부품들 및 연관된 회로를 분리하는 압력 센서가 필요하다.
일 실시예에서, 두 개의 유체 간의 차압을 측정하기 위한 차압 감지 다이는, 상면과 하면을 갖는 반도체 다이를 포함한다. 반도체 다이는 적어도 하나의 압전 저항 소자를 갖는 일체형 격판을 포함한다. 적어도 하나의 압전 저항 소자는 격판의 편향 및/또는 스트레인에 응답하여 가변 저항을 나타낸다. 제1 지지 구조는 반도체 다이의 상면 상에 배치된다. 제1 지지 구조는 제1 지지 구조를 관통하여 정의된 애퍼처를 갖는 단단한 본체이다. 애퍼처는, 격판과 정렬되어 위치하며, 이에 따라 격판을 제1 지지 구조를 통해 노출한다. 제2 지지 구조는 반도체 다이의 하면 상에 배치된다. 제2 지지 구조도, 단단한 본체이며, 격판을 제2 지지 구조를 통해 노출하도록 구성된, 제2 지지 구조를 관통하여 정의되는 애퍼처를 갖는다.
일 실시예에서, 차압 감지 다이는, 상면과 하면을 갖고 제1 두께의 제1 영역 및 제1 영역의 내측에서 제1 두께보다 작은 제2 두께의 격판을 갖는 반도체 다이를 포함하고, 격판은 적어도 하나의 압전 저항 소자를 갖고, 적어도 하나의 압전 저항 소자는 상기 격판의 편향에 응답하여 가변 저항을 나타낸다. 차압 감지 다이는 반도체 다이의 상면에 결합된 제1 지지 구조를 더 포함하고, 제1 지지 구조는 제1 지지 구조를 관통하여 정의되는 애퍼처를 갖고, 애퍼처는 격판과 정렬된다. 차압 감지 다이는 반도체 다이의 하면에 결합된 제2 지지 구조를 더 포함하고, 제2 지지 구조는, 제2 지지 구조를 관통하여 정의되며 격판과 정렬된 애퍼처를 갖는다.
일 실시예에서, 차압 센서는, 일체형 감지 격판이 있는 반도체 다이, 일체형 감지 격판 상에 정의되는 압전 저항 소자, 반도체 다이의 표면에 결합되고 제1 지지 구조를 관통하여 정의되며 제1 애퍼처를 통해 상기 감지 격판을 노출하는 제1 애퍼처를 갖는 제1 지지 구조, 및 반도체 다이의 반대면에 결합되고 제2 지지 구조를 관통하여 정의되며 제2 애퍼처를 통해 감지 격판을 노출하는 제2 애퍼처를 갖는 제2 지지 구조를 구비하는 차압 감지 다이; 상기 제1 애퍼처와 유체 연통하는 상위 내측 볼륨을 정의하며 상위 내측 볼륨의 벽을 정의하는 유연한 상측 격판을 갖는 상측 하우징; 상기 제2 애퍼처와 유체 연통하는 하위 내측 볼륨을 정의하며 하위 내측 볼륨의 벽을 정의하는 유연한 하측 격판을 갖는 하측 하우징; 및 감지 격판에 가해지는 차압을 결정하도록 압전 저항 소자에 결합된 전기 회로를 포함한다.
일 실시예에서는, 내측 볼륨을 정의하는 하우징을 포함하는 차압 센서를 개시한다. 내측 볼륨 내에는 차압 다이가 설치된다. 차압 다이는, 격판의 표면 상에 형성된 적어도 하나의 압전 저항 소자가 있는 격판을 갖는 반도체 압력 감지 다이를 포함한다. 제1 지지 구조는 반도체 압력 감지 다이의 일면에 결합된다. 제1 지지 구조는 제1 지지 구조를 관통하는 애퍼처 또는 통로를 갖는 단단한 본체이며, 애퍼처는 상기 격판의 일측면과 정렬된다. 제1 지지 구조는 하우징에 또한 결합된다. 제2 지지 구조는, 제1 지지 구조의 반대측인 상기 반도체 압력 감지 다이의 제2 면에 결합된다. 제2 지지 구조는 제2 지지 구조를 관통하는 애퍼처 또는 통로를 갖는 단단한 본체이다. 애퍼처는 격판의 제2 측면과 정렬되고, 상기 제2 지지 구조는 하우징에 또한 결합된다. 오일 또는 기타 유체를 함유하는 두 개의 밀봉된 볼륨은, 각 외측 격판으로부터의 압력을 유체의 개별적인 볼륨들로 및 다이의 격판의 반대측 면들로 전달하도록 기능한다. 접촉 패드 및 기타 전기 부품은, 두 개의 밀봉된 볼륨의 외측 영역에서 다이 상에 정의될 수 있으며 따라서 각 유체로부터 분리될 수 있다. 다이 격판의 압전 저항 소자들은, 격판의 편향과 스트레인에 응답하며, 각 외측 격판에 가해지는 압력의 차이를 나타내는 신호를 출력하도록 전기 회로 패키지와 연통한다.
일 실시예에서, 압력 센서는, 일체형 감지 격판과 일체형 감지 격판 상에 정의된 제1 압전 저항 소자를 갖는 제1 반도체 다이를 구비하는 차압 감지 다이, 제1 반도체 다이의 일면에 결합되고 제1 지지 구조를 관통하여 정의되며 상기 감지 격판을 제1 애퍼처를 통해 노출하는 제1 애퍼처를 갖는 제1 지지 구조, 및 제1 반도체 다이의 반대 면에 결합되고 제2 지지 구조를 관통하여 정의되며 감지 격판을 제2 애퍼처를 통해 노출하는 제2 애퍼처를 갖는 제2 지지 구조를 포함한다. 압력 센서는 절대 압력 감지 다이를 더 포함하고, 절대 압력 감지 다이는, 일체형 절대 압력 감지 격판과 일체형 절대 압력 감지 격판 상에 정의된 제2 압전 저항 소자를 구비하는 제2 반도체 다이, 제2 반도체 다이의 일면에 결합되고 절대 압력 감지 격판 상의 제2 압전 저항 소자 주위로 밀봉부를 형성하는 제1 절대 압력 지지 구조, 및 절대 압력 감지 반도체 다이의 반대 면에 결합되고 제2 절대 압력 지지 구조를 관통하여 정의되어 절대 압력 감지 격판을 제3 애퍼처를 통해 노출하는 제3 애퍼처를 갖는 제2 절대 압력 지지 구조를 포함한다. 압력 센서는, 상기 제1 애퍼처와 유체 연통하는 상위 내측 볼륨을 정의하고 상위 내측 볼륨의 벽을 정의하는 유연한 상측 격판을 갖는 상측 하우징; 및 상기 제2 애퍼처 및 상기 제3 애퍼처와 유체 연통하는 하위 내측 볼륨을 정의하고 하위 내측 볼륨의 벽을 정의하는 유연한 제2 격판을 갖는 하측 하우징을 더 포함한다. 압력 센서는, 차압 감지 다이의 격판에 가해지는 차압을 결정하도록 차압 감지 다이의 압전 저항 소자에 결합된 제1 전기 회로; 및 절대 압력 감지 다이의 격판에 가해지는 절대 압력을 결정하도록 절대 압력 감지 다이의 압전 저항 소자에 결합된 제2 전기 회로를 더 포함한다.
일 실시예에서는, 차압 감지 다이를 수용하기 위한 패키지를 개시하며, 차압 감지 다이는, 일체형 격판의 대향면들에 가해지는 차압을 측정하도록 구성된 일체형 격판을 구비하는 반도체 다이를 포함한다. 패키지는, 차압 감지 다이를 수용하도록 구성된 제1 하우징 부재; 적어도 하나의 제2 하우징 부재로서, 제1 하우징 부재와 적어도 하나의 제2 하우징 부재가 하우징을 형성하게끔 서로 정합하도록 구성되고, 하우징은 상기 차압 감지 다이를 수용하기 위한 내측 볼륨을 내부에 정의한, 상기 적어도 하나의 제2 하우징 부재; 상기 제1 하우징 부재의 벽을 통해 정의되고, 상기 차압 감지 다이가 상기 제1 하우징 부재 내에 수용되는 경우 상기 차압 감지 다이의 제1 측면에 정의된 애퍼처와 정렬되도록 위치하는 제1 포트; 및 상기 제1 하우징 부재가 상기 제1 하우징 부재와 정합되는 경우 상기 제2 하우징 부재의 벽을 통해 정의되고, 상기 제1 측면의 반대측인 상기 차압 감지 다이의 제2 측면에 정의된 제2 애퍼처와 정렬되도록 위치하는 제2 포트를 포함한다.
일 실시예에서는, 차압 감지 다이를 수용하기 위한 패키지를 개시하며, 차압 감지 다이는, 격판의 대향면들에 가해지는 차압을 측정하도록 구성된 일체형 격판을 구비하는 반도체 다이를 포함한다. 패키지는, 하나 이상의 하우징 부재에 의해 정의되고, 차압 감지 다이를 지지 및 수용하도록 구성된 내측 볼륨을 정의하는 벽을 갖는 하우징; 상기 하우징의 벽을 통해 정의되고, 상기 차압 감지 다이가 하우징 내에 수용되는 경우 상기 차압 감지 다이의 제1 측면에 정의되는 애퍼처와 정렬되도록 위치하는 제1 포트; 상기 하우징의 벽을 통해 정의되고, 상기 제1 하우징 부재가 상기 제1 하우징 부재와 정합되는 경우 차압 감지 다이가 하우징 내에 수용되면 상기 제1 측면의 반대측인 상기 차압 감지 다이의 제2 측면에 정의된 제2 애퍼처와 정렬되도록 위치하는 제2 포트; 및 하우징으로부터 외측으로 연장되고, 상기 격판의 표면에 형성된 압전 저항 소자와 전기적으로 연통하는 리드(lead)와의 접속을 위해 벽을 통해 전기적으로 연통하는 적어도 하나의 전기 접속 핀을 포함한다.
도 1은 종래 기술의 압력 센서 다이의 단면도.
도 2는 종래 기술의 분리된 오일 채움 게이지 압력 센서의 단면도.
도 3a는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 차압 다이의 단면도.
도 3b는, 반도체와 지지 구조 간의 계면을 더욱 구체적으로 나타내는, 본 개시 내용에 따른 차압 다이의 일 실시예의 부분 단면도.
도 4a는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 분리된 차압 디바이스의 단면도.
도 4b는 오일 채움 라인을 나타내도록 90도 회전된 도 4a의 차압 디바이스의 단면도.
도 5a는 본 개시 내용의 차압 디바이스의 일 실시예에 따른 하우징과 차압 센서의 등측도.
도 5b는 도 5a의 하우징과 차압 센서의 예상도.
도 6a는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 차압 디바이스의 등측도.
도 6b와 도 6c는 도 6a의 차압 디바이스의 실시예들의 단면도.
도 7은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 O-링 장착부를 갖는 차압 디바이스의 단면도.
도 8a는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 비분리(non-isolated) 차압 센서의 부분 단면도.
도 8b는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 비분리 차압 센서와 하우징의 상승도.
도 8c는 도 8b의 비분리 차압 센서의 단면도.
도 9는, 본 개시 내용의 일 실시예에 따라 2개의 다이인 제1 차압 감지 다이와 절대 압력 감지 다이를 포함하는 분리된 오일 채움 압력 센서의 예상도.
유체의 압력을 측정하는 것은, 시스템 내의 유체의 동작 압력 등의 파라미터들을 결정하고 감시하는 데 있어서 유용하다. 차량 등의 일부 시스템에서는, 연료, 오일 또는 냉각제 등의 부식성 또는 격렬한 유체의 압력을 감시하는 것이 바람직하다. 감압 디바이스들 및 이들의 관련한 회로는 이러한 격렬한 매체로부터 보호되어야 한다. 압력 센서는, 일반적으로 반도체 물질의 한 가지로 형성된 다이를 포함한다. 다이는, 격판을 정의하는 비교적 얇은 일체형 부분을 포함한다. 격판은 압력 인가에 응답하여 편향하도록 구성된다. 압전 저항 소자들은 격판 상에 또는 격판 내에 정의된다. 압전 저항 소자들은, 압전 저항 소자들 상의 스트레인에 응답하여 가변되는 전기 저항을 나타낸다. 압력에 응답하는 격판의 편향은 스트레인을 압전 저항 소자들에 가한다. 따라서, 압전 저항 소자들을 포함하는 회로는, 다이의 격판에 대하여 유체에 의해 가해지는 힘에 응답하는 전기 신호를 제공할 수 있다. 적절한 교정 및 처리 부품들은 유체 압력을 나타내는 출력 신호를 제공한다. 전기 신호에 의해 표시되는 압력 측정값은, 신호를 표시하고 제어하기 위해, 진단을 위해 또는 기타 목적을 위해 다른 처리 부품들에 제공될 수 있다.
압전 저항 소자들, 압전 저항 소자들 간의 접속부들, 컨택트 패드, 리드 라인들 등은, 금속 또는 반도체 표면에 정의된 도펀트의 확산 영역 등의 도전성 물질로 형성된다. 이러한 부품들에 채택되는 물질들은 격렬한 매체에 의한 부식에 민감하다. 또한, 도전성 유체는, 이러한 도전성 트레이스와 와이어 본드 등의 금속 접속부의 전기 신호에 영향을 끼칠 수 있다. 다이를 보호하면서 압력 측정을 수행하도록, 다이의 격판의 표면으로부터 연장되는 밀폐된 볼륨을 정의하는 압력 센서들을 개발해 왔다. 밀폐된 볼륨은 오일 등의 매체로 채워지며, 이는 다이에서 금속 부품들을 공격하지 않는다. 예를 들어, 실리콘계 다이에서, 실리콘 오일을 사용할 수 있다. 밀폐된 볼륨은, 측정될 유체와 접촉하는 외측 격판에 의해 부분적으로 정의된다. 외측 격판은, 손상 없이 격렬한 매체와 접촉할 수 있는 스테인리스 스틸 또는 티타늄 등의 내부식성 금속으로 형성될 수 있다. 측정되는 유체의 압력은 외측 격판에 힘을 가한다. 외측 격판은 압력에 응답하여 편향하며, 편향은 힘을 밀폐된 볼륨 내의 오일에 전달한다. 오일은 힘을 격판에 전달한다. 이러한 식으로, 측정되는 유체가 가하는 압력은, 측정되는 유체가 다이 또는 다이 상의 전기 부품들과 접촉하지 않고 다이로 전달된다.
도 3a는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 차압 감지 다이(300)의 단면도를 도시한다. 차압 감지 다이(300)는, 제1 유체와 제2 유체 간의 차압을 측정할 수 있고, 제1 유체와 제2 유체 간에 측정된 차압을 나타내는 출력 신호를 생성할 수 있다. 반도체 다이(310)는, 실질적으로 균일한 제1 두께의 제1 영역 및 제1 두께보다 작으며 또한 실질적으로 균일한 제2 두께의 제2 영역을 갖는 단단한 본체이다. 제2 영역은, 반도체 다이(310)의 주변 영역들의 두께보다 실질적으로 작은 두께를 갖는 일체형 격판(313)을 정의한다. 격판(313)은 반도체 다이(310)의 일체형 부분이다. 반도체 다이(310)는, 대략 평면인 제1 상면(310u) 및 제1 상면(310u)의 반대측인 제2 하면(310l)을 포함한다. 제2 하면(310l)은, 일체형 격판(313)을 형성하는 제2 영역을 제외하고는 대략 평면이다. 격판(313)에 의해 일 단부에서 폐쇄된 챔버(311)는, 반대측 단부에서 개방되며, 차압 감지 다이(300)의 내측에 있는 연속 측벽에 의해 정의된 것으로 도시되어 있다.
("컨스트레인트"라고도 칭할 수 있는) 제1 지지 구조(301)는 반도체 다이(310)의 상면(310u) 상에 있으며 이러한 상면에 부착된다. 제1 지지 구조(301)는, 평면이면서 평행한 상면과 하면을 갖는 단단한 본체일 수 있다. 오목부(308)는 지지 구조(301)의 하면에 정의될 수 있다. 오목부(308)는, 격판(313)에 의해 정의되는 영역보다 큰 영역을 갖는 상측 지지 구조(301)의 하면에 공간을 정의하는 직사각형 또는 정사각형 오목부이다. 제1 지지 구조(301)의 하면은 반도체 다이(310)의 상면(310u)과 접촉하며 이러한 상면에 부착된다. 애퍼처(307)는 제1 지지 구조(301)를 관통하여 정의되어, 제1 지지 구조(301)의 하면에 정의되어 있는 오목부(308)에서 종단된다. 애퍼처(307)는, 제1 지지 구조(301)의 상면과 제1 지지 구조(301)의 하면 간에 연속 개방 통로를 제공한다. 애퍼처(307)는 도시한 바와 같이 원통형 단면을 가질 수 있다. 애퍼처(307)는 격판(313)과 정렬될 수 있다. 애퍼처(307)는, 격판(313)의 직경에 대응하거나 격판의 직경을 약간 초과하는 직경을 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 애퍼처(307)의 내부는 격판(313)의 상면과 연통할 수 있다. 제1 지지 구조(301)와 반도체 다이(310)의 상면 간의 결합부에는 유체가 침투할 수 없다.
("컨스트레인트"라고도 칭할 수 있는) 제2 지지 구조(303)는 반도체 다이(310)의 하면(310l)에 부착된다. 제2 지지 구조(303)는, 평면이면서 평행한 상면과 하면을 갖는 단단한 본체이다. 제2 지지 구조(303)는 제2 지지 구조(303)를 관통하여 정의되는 애퍼처(309)를 갖는다. 애퍼처(309)는, 제2 지지 구조(303)의 상면과 제2 지지 구조(303)의 하면 간에 연속 개방 통로를 제공한다. 애퍼처(309)는, 도시한 바와 같이 원통형일 수 있고, 챔버(311)의 개방 단부와 정렬될 수 있다. 따라서, 애퍼처(309)의 내부는 챔버(311)를 통해 격판(313)의 하면과 연통한다. 애퍼처(309)는, 애퍼처(309)의 내측 치수가 격판(313)의 직경과 실질적으로 같거나 격판의 직경보다 약간 크게 되는 크기를 가질 수 있다. 제2 지지 구조(303)는, 챔버(311)의 개방 단부 주위로 유체 불침투성 밀봉부를 제공하도록 반도체 다이(310)의 하면(310l)에 결합된다.
접촉 패드들(305)은 반도체 다이(310)의 상면(310u) 상에 정의된다. 접촉 패드들(305)은, 금속으로 된 것이며, 상측 지지 구조(301)의 외측에 있는 반도체 다이(310)의 상면(310u)의 일부 상에 정의된다.
도 3b는, 도 3a의 차압 감지 다이(300)와 유사한 차압 다이(350)의 부분 단면도를 도시한다. 도 3b에서, 상측 지지부(351), 반도체 다이(360), 및 하측 지지 구조(353) 간의 계면을 정의하는 영역은 더욱 상세히 도시되어 있다. 구조(375)는 반도체 격판(363)의 상면에서 적절히 확산된 도펀트들에 의해 정의된다. 구조는, 반도체 격판(363)의 에지를 넘어 반도체 다이(360)의 상면의 다른 부분들로 연장된다. 구조(375)는, 압전 저항 소자(365), 및 압전 저항 소자들로부터 반도체 다이의 외부에 있는 회로에 대한 접속을 용이하게 하는 접촉부들로 전기 신호를 반송하기 위한 도전성 라인으로서 기능하는 도전성 영역(373)을 포함한다. 압전 저항 소자(365)와 도전성 영역(373)은, 당업계에 공지되어 있는 기술들과 물질들을 이용하여, 압전 저항 소자들과 도전성 회로 소자들을 정의하도록 반도체 물질 내의 하나 이상의 도펀트를 서로 다르게 확산함으로써 형성될 수 있다. 도전성 영역(373)은 압전 저항 소자(365)와 접촉 패드(355) 간의 전기적 통신을 제공한다. 압전 저항 소자(365)는 복수의 압전 저항 소자를 나타낼 수 있고, 도전성 영역(373)은, 압전 저항 소자들(365)과 다수의 접촉 패드들(355)을 포함하는 회로들을 완성하도록 반도체 물질의 도전성 경로를 나타낼 수 있다. 산화물층(362)은, 구조(375)와 반도체 격판(363)의 상면을 포함하는 반도체 다이(360)의 상면 위에 배치될 수 있다. 접촉 패드들(355)은 산화물층(362) 상에 배치될 수 있다. 금속화된 비아들은, 접촉 패드들(355)과 도전성 라인 또는 영역(373) 간의 전기적 접속을 제공하도록 산화물층(362)을 통해 제공될 수 있다.
결합층(367)은, 중간 산화물층(362)과 상측 지지 구조(351)로 도시되어 있다. 결합층(367)은, 예를 들어, 반도체 다이(360)의 상면 상에 배치된 폴리실리콘층일 수 있다. 상측 지지 구조(351)는 결합층(367)에 애노드식으로(anodically) 결합될 수 있다. 하측 지지 구조(353)는 반도체 다이(360)의 아랫면 상에 노출된 실리콘의 영역에 애노드식으로 결합될 수 있다. 결합층(367)은 유체가 침투할 수 없는 적절한 물질로 될 수 있다.
상측 지지 구조(351)는 외측 오목부(371)를 정의하도록 상측 지지 구조의 하측 외측 에지 주위에서 언더컷될 수 있다. 외측 오목부(371)는, 차압 감지 다이(300)의 전기 회로에서 사용되는 전기 트레이스 등의 전기적 접속부를 잇기 위한 공간을 제공한다.
제2 지지 구조(353)의 하면(369)은 외측 결합면을 제공할 수 있다. 외측 결합면은 패키지 내에 접착제에 의해 부착될 수 있다. 패키지는, 압전 저항 소자들로부터 저항 값들을 취득하고, 그러한 값들을 처리하며, 검출된 차압값들을 나타내는 처리된 데이터를 출력하기 위한 회로와 접속부를 포함할 수 있다.
반도체 다이(360)는 단결정 실리콘 또는 다른 적절한 반도체 물질로 될 수 있다. 제1 및 제2 지지 구조들(351, 353)은, 반도체 다이(360)를 구성하는 반도체 물질의 열 팽창 계수와 유사한 열 팽창 계수를 갖는 물질들로 된 것이다. 제1 및 제2 지지 구조들(351, 353)은, 또한, 센서 하우징을 반도체 물질에 직접 부착할 필요 없이 반도체 다이(350)를 압력 센서의 하우징에 부착하기 위한 영역을 제공하는 반도체 다이(360)를 위한 안정적인 지지 구조를 제공한다. 예를 들어, 제1 및 제2 지지 구조들(351, 353)은, 실리콘, 또는 화학적으로 불활성이며 반도체 다이(360)의 실리콘에 결합될 수 있는 유리나 PYREX 등의 기타 물질로 형성될 수 있다.
지지 구조(351, 353)의 열 팽창 계수를 반도체 다이(360)의 열 팽창 계수에 가깝게 유지함으로써, 반도체 다이와 지지 구조 간의 서로 다른 열 팽창 율들 등의 압력에 관련되지 않은 반도체 다이(360)에 가해지는 힘을 감소시키거나 제거한다.
다시 도 3a를 참조해 보면, 반도체 다이(310)는 반도체 웨이퍼를 직사각형 단편들로 다이싱(dice)함으로써 제조될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각 반도체 다이(310)는 약 2mm의 외측 치수를 갖는 반도체 큐브에 기초한다. 두께가 더 작은 영역은, 격판(313)을 형성하는 영역을 정의하도록 반도체 큐브의 일부를 제거함으로써 정의된다. 그 일부는 당업계에 공지되어 있는 에칭 또는 기타 프로세스에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 일 실시예에 따르면 이방성 에칭을 이용하여 1mm의 외측 치수를 갖는 실질적으로 정사각형 격판(313)을 제조할 수 있다. 지지 구조들(301, 303)을 형성할 때, 애퍼처들(307, 309)은, 에칭 프로세스에 의해 형성되고, 모서리가 둥근 정사각형과 닮은 단면 프로파일을 갖는 애퍼처를 생성할 수 있다. 애퍼처들(307, 309)은, 격판(313)의 경계 치수와 같거나 그 경계 치수보다 약간 큰 내측 치수를 갖도록 생성된다. 상측 지지 구조(301)는, 반도체 격판(313)의 어떠한 부분도 상측 지지 구조(301)에 의해 커버되지 않음을 확실히 하는 상측 지지 구조(301)의 하면의 개구를 정의하는 오목부를 상측 지지 구조의 하면에 포함할 수 있다. 이는, 유체가 애퍼처(307, 309)를 통과하여 격판(363)의 전체 표면과 유체 연통할 수 있게 한다. 지지 구조들은 임의의 적절한 접착제를 사용하여 반도체 다이(310)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 제1 지지 구조(301)는, 반도체 다이(310)의 상면 상의 폴리실리콘층(367)에 애노드식으로 결합될 수 있고, 제2 지지 구조(303)는 반도체 다이(310)의 아랫면 상에 노출된 반도체 물질에 애노드식으로 결합될 수 있다. 반도체 다이와 지지 구조들의 각 물질에 따라, 애노드 결합, 실리콘 융합 결합, 유리 프릿(frit) 결합 또는 기타 기술 등의 기타 결합 프로세스들을 이용하여 지지 구조들을 반도체 다이(310)에 결합할 수 있다.
이제, 차압 감지 다이(300)의 동작을 설명한다. 차압 감지 다이(300)는, 애퍼처(307)에 대한 밀봉 결합을 이용하는 제1 유체 포트 및 애퍼처(309)에 대한 밀봉 결합을 이용하는 제2 유체 포트를 제공하는 차압 센서 패키지 등의 구조에 통합된다. 제1 유체 포트는 압력 하에 있는 제1 유체를 수용하고, 제2 유체 포트는 압력 하에 있는 제2 유체를 수용한다. 지지 구조(301)의 외측에 있는 반도체 다이(310)의 상측 부분은 제1 및 제2 유체 모두로부터 분리된다. 제1 및 제2 유체는 애퍼처들(307, 309)과 챔버(311)를 채우며, 격판(313)의 상측면과 하측면에 압력을 각각 가한다. 격판(313)은 휘어져 스트레인을 겪게 되어, 압전 저항 소자들(315)의 저항이 변화하게 된다. 차압은, 압전 저항 소자들(365)의 저항을 나타내고 이에 따라 각 제1 및 제2 유체에 의해 격판(313)에 가해지는 차압을 나타내는 신호들을 처리함으로써 결정될 수 있다. 접촉 패드들(305)과 전기적으로 연통하는 처리 디바이스들은, 압전 저항 소자들(315)로부터의 데이터에 기초하여 차압값을 결정할 수 있다. 산화물층(362)은, 격판(313)의 상면 상의 금속 부품들을 제1 유체로부터 보호한다. 제2 유체는, 반도체 다이의 하측면과 애퍼처에 있는 실리콘 및 유리와 접촉한다.
소정의 응용분야들에서, 측정되는 유체들은 본질적으로 부식될 수 있다. 부식성 유체들은, 차압 감지 다이(300) 상의 전기 부품들을 손상시킬 수 있고, 또는 심지어 결합을 공격할 수 있다. 부품들을 보호하도록, 오일 등의 유체의 분리 볼륨이 차압 감지 다이(300)와 측정되는 유체 사이에 배치될 수 있다. 본 실시예에서는, 애퍼처(307)와 밀봉 연통하는 제1 유체 포트를 갖는 제1 볼륨이 정의된다. 유연한 상측 격판은 제1 볼륨의 벽을 형성한다. 유연한 상측 격판은, 측정되는 유체가 침투할 수 없는 스테인리스 스틸, 티타늄, 또는 황동 등의 금속으로 형성될 수 있다. 제1 볼륨은 오일 등의 덜 격렬한 유체로 채워진다. 측정되는 유체의 압력은 격판을 편향시키고, 이에 따라 압력을 애퍼처(307)를 통해 격판에 도달하는 제1 볼륨의 오일에 전달한다. 유사하게, 유연한 하측 제2 격판은, 오일로 채워지고 애퍼처(309)를 채우고 격판(313)의 하측면에 도달하는 제2 볼륨의 벽을 정의한다. 유연한 하측 격판은, 측정될 제2 유체와 접촉할 수 있고, 유사하게, 제2 유체의 압력을 제2 볼륨의 오일을 통해 격판의 하측면으로 전달할 수 있다. 따라서, 두 개의 밀봉된 볼륨의 오일을 갖는 차압 감지 다이(300)의 이러한 구조는 부식성 유체들의 차압 측정을 허용한다. 이러한 식으로, 차압 감지 다이(300)는, 다이 상의 민감한 전기 부품들을 보호하도록 측정되는 유체로부터 분리된다.
이제 도 4a를 참조해 보면, 도 3a의 차압 감지 다이(300)를 통합하는 패키지를 포함하는, 오일로 채워지는 차압 센서(400)의 일 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 도 4b는 오일 채움 튜브(417) 및 용접된 볼 밀봉부를 더욱 양호하게 예시하도록 90도 회전된 도 4a의 오일로 채워지는 차압 센서(400)를 도시한다. 차압 감지 다이(300)를 수용하기 위한 패키지는 제1 상측 하우징(401)과 제2 하측 하우징(411)을 포함한다. 양측 하우징들(401, 411)은, 내측이 오일로 채워지는 볼륨을 갖는 단단한 본체들(405, 415)을 포함한다. 상측 하우징(401)의 단단한 본체(405)의 하위 벽은 제1 지지 구조(301)에서 차압 감지 다이(300)에 결합된다. 결합은, 제1 지지 구조(301)와 상측 하우징(401) 간에 유체 밀봉부(420)를 생성한다. 제1 지지 구조(301)는, 반도체 압력 다이(310)의 반도체 격판(313)의 최상위 면에 대한 액세스를 제공하는 상측 포트를 형성하는 애퍼처(도 3a에 도시한 307)를 갖는다. 도 4a의 차압 센서(400)의 실시예에서, 상측 하우징(401)은 유연한 격판(403)을 포함한다. 유연한 격판(403)은 차압 감지 다이(300)에 결합된 상측 하우징(401)의 단단한 본체의 하위 벽의 반대 측이다. 유연한 격판(403)은, 센서(400)가 배치되면, 격렬한 매체일 수 있는 측정될 유체와 유체 접촉한다. 유연한 격판(403)은 격렬한 매체와의 접촉으로 인해 부식에 저항하는 금속으로 형성될 수 있다. 비제한적인 예로, 유연한 격판(403)은, 스테인리스 스틸 또는 티타늄으로 형성될 수 있으며, 이들 모두는 가장 격렬한 매체에 대한 내부식성을 제공한다.
상측 하우징(401)은, 오일 등의 유체로 채워지는 데 적절하고, 채워지고, 밀봉되는 볼륨을 포함한다. 유체로 채워지고 밀봉되는 볼륨을 갖는 본원에 개시된 실시예들의 각각에 있어서, 볼륨의 한 벽은 유연한 격판이며, 볼륨의 다른 벽들은 단단하며, 볼륨은 센서 다이 격판과 맞물린다. 유연한 격판의 외측면에 가해지는 압력은, 센서 다이 격판에 스트레스를 가하고 및/또는 센서 다이 격판을 편향 시킨다. 볼륨의 다른 벽들은, 예를 들어, 비교적 두꺼운 스틸로 되거나 지지 구조들의 유리나 실리콘으로 된 상대적 두께에 의해 단단하다. 실시예들에서, 상측 또는 하측 하우징은 완전히 중공형일 수 있고, 따라서 오일로 완전히 채워지는 데 적절할 수 있다. 다른 실시예들에서, 상측 또는 하측 하우징은, 일단에서 유연한 상측 또는 하측 격판에 개방되고 타단에서 지지 구조에 개방된 중공 중심 보어를 갖는, 스테인리스 스틸 합금, 티타늄 합금, 또는 기타 금속의 단단한 본체 등의 단단한 본체일 수 있다. 다른 실시예들에서는, 유체로 채워지는 데 적절한 볼륨이 다른 형상과 형태를 가질 수도 있다.
유연한 격판(403)은 오일로 채워지는 볼륨의 벽으로서 기능한다. 본 실시예에서, 튜브(404)는 유연한 격판(403)으로부터 지지 구조(301)의 대응하는 애퍼처로 연장될 수 있다. 유연한 격판(403)은, 실시예들에서, 유체로 채워질 볼륨의 일부인 캐비티를 정의하도록 단단한 본체(405)의 상위 벽 주위의 립(lip) 또는 림(rim) 상에서 지지될 수 있다. 내측 볼륨(405)은, 유연한 격판(403)에 의해 가해지는 힘을 수용하도록 오일로 완전히 채워지는 데 적절할 수 있다. 대안으로, 하우징 내에 오일로 채워지는 더 작은 볼륨을 정의할 수도 있다. 오일은, 유연한 격판(403)과 유체 연통하는 볼륨(406) 내에 튜브(404)를 통해 도입된다. 도 4b에서 가장 도시된 채움 튜브(407)는, 튜브(404)로부터 단단한 본체(405)의 외벽으로 연장된다. 이 튜브(407)는, 이 캐비티를 유체로 채우는 데에만 사용되듯이 금속 격판(403)과 감지 다이(300) 사이에서 비워져 있는 캐비티의 임의의 부분에 결합될 수 있다. 볼륨이 채워지면, 채움 튜브는, 단단한 본체에 용접될 수 있는 볼(408)로 플러그 결합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 채움 튜브는, 에지들을 함께 크림핑하고 용접하고 핀을 채움 튜브 내에 가압함으로써 또는 다른 방식으로 폐쇄될 수 있다. 튜브(404)는, 일반적으로, 일단에서 개방되며 유연한 격판(403)에 인접하는 볼륨에 대하여 개방되고 타단에서 개방되며 차압 감지 다이(300)의 제1 지지 구조(301)의 애퍼처와 밀봉 접촉하는 포트를 정의하는 튜브이다. 볼륨을 채우도록 채택되는 오일 또는 다른 유체는 반도체 압력 다이(310)와의 양립성을 위해 선택된다. 일 실시예에서는, 실리콘 오일을 사용한다. 다른 실시예들에서, 상측 하우징(401)은, 원주 벽들을 가질 수 있고 유체로 완전하게 채워질 수 있다. 이러한 실시예에서, 측벽과 최하위 벽은 단단하도록 충분히 두꺼워야 하며, 이에 따라 격판(403)의 외측에 가해지는 압력이, 반도체 다이의 격판에 전달되며, 상측 하우징의 벽들을 변형시키도록 기능하지 않는다.
하측 하우징(411)은 제2 지지 구조(303)에서 차압 감지 다이(300)에 결합된다. 제2 지지 구조(303)는, 제2 지지 구조(303)와 하측 하우징(411) 간의 유체 밀봉부(421)를 생성하도록 결합된다. 하측 하우징(411)은, 상측 하우징과 하측 하우징에 대하여 중간에 있는 볼륨을 정의하는 한편 상측 하우징(401)과 접촉하고 용접, 브레이징 또는 접착제에 의해 상측 하우징에 부착되는 단단한 본체(415)를 포함한다. 볼륨은, 다이(300)를 포함하며, 다이(300)의 압전 저항 소자들과 통신하는 전자 회로(419)를 위한 공간을 제공한다. 이 중간 볼륨은 상측 하우징과 하측 하우징의 유체 채움가능 볼륨들로부터 밀봉식으로 분리된다. 지지 구조(303)는, 단단한 본체(415)의 상면과 접촉하여 이러한 상면에 결합된다. 단단한 본체(415)는, 격판(313)의 최하위 면에 대한 액세스를 제공하도록 제2 지지 구조(303)의 애퍼처와 정렬된 통로 또는 튜브(416)를 갖는다. 내측 볼륨(415)은, 유연한 격판(403)에 의해 가해지는 힘을 수용하도록 오일로 완전히 채워질 수 있다. 대안으로, 더 작은 볼륨(408)을 정의할 수도 있다. 오일은, 튜브(416)를 통해 유연한 격판(413)과 유체 연통하는 볼륨(408) 내에 도입된다. 따라서, 제2 지지 구조(303)의 애퍼처는 튜브의 일단과 밀봉 상태로 연통한다. 튜브(416)의 반대 측 일단은, 실시예들에서, 하측 격판(413)에 의해 폐쇄되거나 격판(413)과 접촉하는 볼륨과 연통한다. 오일 채움 튜브(417)는, 튜브(416) 또는 격판(413)과 다이(300) 사이의 오일의 다른 볼륨과 연통하며 하측 하우징의 외측과 연통한다. 오일 채움 튜브(417)는 도 4b에 도시한 볼(418) 등에 의해 폐쇄될 수 있다. 격판(413)은, 다이(300)의 반대측인 하측 하우징(411)의 밀봉부 및 하위벽을 형성한다. 격판(403)과 유사한 유연한 격판(413)은, 격렬한 매체와 접촉할 수 있고, 격렬한 매체와의 접촉으로 인한 부식에 저항하는 금속으로 형성될 수 있다. 하측 하우징의 오일로 채워지는 볼륨에 배치되어 있는 오일은 실리콘 압력 다이(100)와의 양립성을 위해 선택된다. 일 실시예에서는, 실리콘 오일을 사용할 수 있다.
이제, 차압 센서(400)의 동작을 설명한다. 차압 센서(400)는, 압력이 측정될 두 개의 유체를 수용하는 패키지에 설치된다. 제1 유체는 패키지의 제1 포트를 통해 유연한 상측 격판(403)에 도입된다. 유연한 상측 격판(403)은 제1 유체와 유체 연통하며, 제1 유체의 압력으로부터의 힘은 유연한 상측 격판(403)의 상면에 가해진다. 유연한 상측 격판(403)의 상면에 가해지는 힘에 의해, 그 격판이 휘어져 상측 하우징의 오일에 압력을 가한다. 밀폐된 오일에 가해지는 압력은 오일을 통해 격판(313)의 상측면에 전달된다. 제2 포트는, 차압 센서(400)를 포함하는 패키지에 제공되며, 유연한 상측 격판(413)과 유체 연통하는 제1 유체와 유사한 방식으로 도입되는 제2 유체를 수용하며, 이는 하측 하우징의 오일에 힘을 가하고, 이러한 하층 하우징은 반도체 압력 다이(310)의 반도체 격판(313)의 아랫면과 유체 연통한다. 제1 유체의 압력은 (도 4에 도시한 배향에 있어서) 하향 압력을 가하는 한편 제2 유체의 압력은 실리콘 격판(313)의 아랫면에 대향하는 상향 압력을 가한다. 격판에 가해지는 압력들의 차이는 격판(313)의 편향 및/또는 스트레인을 야기하며, 이는, 차압 감지 다이(300)의 압전 저항 소자들 및 연관된 회로에서의 저항의 변화를 검출함으로써 측정될 수 있다. 전기 신호는, 회로(419)에 또한 전기적으로 접속된 도전성 접촉 패드들(305)을 통해 차압 감지 다이(300)로부터의 출력으로서 제공된다. 회로(419)는, 센서를 위한 교정을 제공하고 센서들에 의해 공통으로 사용되는 디지털 또는 아날로그 전기 출력을 제공하도록 주문형 집적 회로들(ASIC) 또는 기타 회로를 포함할 수 있다. 도전성 접촉 패드들은, 상측 지지 구조(301)의 외측에 있으므로, 다이의 격판에 힘을 전달하는 데 사용되는 유체에 의해 접촉되지 않는다. 와이어, 핀, 또는 커넥터 등의 적절한 접촉부들은 데이터 신호의 출력을 제공하도록 회로(419)에 접속되고 또한 입력 전력 접속 접촉부들이 차압 센서(400)에 제공될 수 있다.
오일 채움형 압력 센서를 사용하는 경우, 밀봉된 오일의 온도 변동으로 인해 오일의 농도가 증가 또는 감소되지 않도록 주의해야 한다. 이러한 농도 변화는 측정되는 압력에 관련되지 않은 감압 다이에 힘을 가할 수 있다. 도 4a의 차압 센서(400)에서, 상측 하우징과 하측 하우징의 오일 채움 볼륨들의 비교 볼륨들은 실질적으로 같다. 따라서, 한 볼륨의 농도에 있어서 임의의 온도 변화 유도형 변동은 반대측 볼륨에 의해 반대 방향으로의 같은 변동에 의해 상쇄된다. 그 결과, 온도 변화를 보상하기 위한 반도체 압력 다이(310)의 교정이 감소될 수 있거나 불필요해질 수 있다.
도 5a와 도 5b는 도 4의 차압 센서(400)를 수용하도록 구성될 수 있는 패키지(500)를 도시한다. 패키지(500)는, 차압 센서(400)를 수용하기 위한 내측 볼륨을 정의하는 메인 하우징(505)을 포함한다. 패키지(500)는, 제1 유체 및 제2 유체를 각각 수용하는 제1 유체 포트(501) 및 제2 유체 포트(503)를 포함한다. 유체 포트들(501, 503)은, 도 5a와 도 5b에 도시한 실시예에 따라 측정될 제1 및 제2 유체들을 반송하는 호스 또는 튜빙을 수용하기 위한 플랜지형(flanged) 또는 리지형(ridged) 단부를 포함할 수 있고, 유체 포트들(501, 503)은 호스 또는 튜빙의 끼움부를 수용하도록 스레딩된다.
패키지(500)는, 차압 센서(300)의 회로와 전기적으로 연통하는 회로를 포함하는 전기 회로 영역(519)을 포함한다. 보상형 응용분야를 위해서는, 다른 칩과 회로를 통상적으로 하우징의 압력 센서(400)의 측면을 따라 설치한다. 이 회로는, 센서를 교정하고 또한 센서들을 위해 공통으로 사용되는 아날로그 또는 디지털 출력을 제공하는 데 사용된다. 전기 회로 영역(519)은, 플러그 또는 와이어링 하니스를 통한 시스템 회로의 전기적 접속이 가능하도록 자동차 스타일 커넥터 와이어(513) 등의 도전성 단자들과 전기적으로 연통할 수 있다. 회로 영역(519)은 하우징(420) 내에 위치한다. 회로 영역(519)은 메인 하우징(505) 내에서 테스트되는 유체로부터 분리된다. 상측 하우징과 하측 하우징은, 테스트되는 유체들 및 반도체 격판에 힘을 전달하는 데 사용되는 오일이나 기타 유체들로부터 회로 영역이 물리적으로 분리되도록 구성될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 차압 센서(300)를 수용하기 위한 패키지를 도시한다. 패키지는, 비부식성 또는 약 부식성 유체를 견딜 수 있는 플라스틱 또는 기타 물질로 형성될 수 있다. 패키지는, 스크류나 볼트 등의 파스너에 의해 패키지(600)를 표면에 부착할 수 있게 하는 구멍(609)을 포함하는 플랜지형 부분(607)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 패키지(500)는 트럭 또는 기타 차량의 프레임에 부착되도록 적응될 수 있다. 하우징(602)은 패키지(600)의 내측 볼륨에 대한 액세스를 가능하게 하는 덮개(도시하지 않음)와 함께 구성될 수 있다. 내측 볼륨은 패키지(600)를 표면에 부착하기 위한 추가 고정 구멍들(509)을 포함할 수 있고, 이러한 구멍들은, 스크류 구멍을 패키지(600)가 장착되는 표면 상의 장착 구멍과 정렬하도록 메인 하우징(602)으로부터 연장되는 벽을 포함할 수 있다.
패키지(600)는, 차압 센서(400)의 회로와 전기적으로 연통하는 회로를 포함하는 전기 회로 영역(도시하지 않음)을 포함한다. 전기 회로 영역은, 플러그 또는 와이어링 하니스를 통한 시스템 회로의 전기적 접속이 가능하도록 도전성 단자들 또는 핀들(513)과 전기적으로 연통할 수 있다. 패키지(600)는, 차량에 연관된 엔진 부품의 차압을 감지하도록 그 차량, 예를 들어, 트럭 상에 장착될 수 있다. 예를 들어, 차량은, 스레딩 스터드에 의해 엔진에 스크류 결합되는 교체가능한 오일 필터를 구비할 수 있다. 오일은, 스레딩 스터드를 통해, 교체가능한 오일 필터의 필터 소자들을 통해 펌핑되고, 엔진에 필터링된 오일로서 복귀한다. 필터링 소자들이 새것이거나 비교적 깨끗한 경우, 필터를 통한 오일 흐름의 제한은 최소로 된다. 오물과 퇴적물은, 오일로부터 필터링되므로, 필터링 소자들을 막기 시작하며 필터를 통한 오일 흐름을 제한하기 시작한다. 흐름 제한이 작은 경우, 교체가능한 오일 필터의 유입구 대 유출구에서의 오일 압력의 차는 작다. 그 흐름이 제한됨에 따라, 압력은 유한한 볼륨의 오일의 백업으로 인해 오일 필터의 유입구에서 증가되는 한편, 오일 필터의 유출구에서의 오일 압력은 감소된 오일 흐름으로 인해 강하되어, 흐름이 더욱 제한됨에 따라, 유입구와 유출구 간의 차압이 증가하게 된다.
패키지(600)는 차량 엔진 또는 섀시 등의 기타 적절한 위치에 장착될 수 있다. 호스는, 오일 필터의 유입구와 패키지(600)의 제1 유체 포트(601) 사이에 및 오일 필터의 유출구와 패키지(600)의 제2 유체 포트(603) 사이에 배치될 수 있다. 오일 필터에 걸친 오일 압력의 차를 나타내는 전기 신호는 전기 접속 핀들(613)에서 제공된다. 전기 신호는, 교체가능한 오일 필터의 상태를 결정하도록 진단 또는 제어 회로에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 오일 필터에 걸친 오일 차압이 소정의 레벨에 도달하거나 그 소정의 레벨을 초과하면, 차량의 제어 시스템은 필터를 교체할 필요가 있음을 나타내는 경고를 조작자에게 제공하도록 적응될 수 있다. 시간이 경과함에 따라, 오일 필터에 걸친 오일 차압을 나타내는 전기 신호를 사용하여 오일 필터의 동작가능 상태를 결정할 수 있다. 전기 신호로부터 도출되는 데이터를, 예를 들어, 컴퓨터 메모리에 저장할 수 있고, 미래 분석을 위해 사용할 수있다. 예를 들어, 엔진 고장의 경우에, 엔진의 수명에 대한 오일 필터의 동작가능 상태의 이력 뷰(historical view)를 분석하여, 오일 필터가 엔진 고장에 기여한 요인이었는지 여부를 결정할 수 있다. 또한, 오일 필터의 동작가능 상태의 이력 기록을 이용하여, 제조사의 권고 서비스 및 유지보수 스케쥴에 따라 엔진 오일 및/또는 오일 필터가 교체되었는지를 결정할 수 있다.
도 6c는 도 4의 차압 센서를 통합하는 차압 센서 패키지(600)의 단면도이다. 차압 센서 패키지(600)는, 측정될 압력을 갖는 제1 및 제2 유체를 갖는 제1 유체 포트(601)와 제2 유체 포트(603)를 정의하는 하우징(602)을 포함한다. 실시예들에서, 하우징(602)은 제1 및 제2 하우징 부재들로서 정의되며, 이 하우징 부재들은 서로 정합하도록 구성된다. 제1 및 제2 하우징 부재들은 밀봉부(605)에서 결합될 수 있다. 실시예들에서, 하우징(602)은, 단일체일 수 있고, 또는 서로 정합하도록 구성된 두 개보다 많은 하우징 부재를 포함할 수 있다. 하우징(602)의 하우징 부재들이 서로 정합하면, 내측 볼륨이 하우징 내에 정의된다. 내측 볼륨은, 차압 센서를 수용하고 지지하기 위한 크기를 갖고 구성된다. 도 4a의 차압 감지 디바이스 등의 차압 센서는 하우징(602)의 내측 공간 내에 삽입된다. 그 두 개의 부재는, 하우징(602)의 차압 센서를 유체 밀봉식으로 밀폐하도록 밀봉부(605)에서 연결 및 밀봉된다.
차압 다이(300)와 유체 포트들(601, 603) 사이에는, 도 4a와 도 4b에 관하여 전술한 바와 같이 상측 및 하측 하우징들이 개재된다.
제1 유체는, 유체 포트(601)에 유입되고 유연한 격판(403)을 휘어지게 하며, 이에 따라 유연한 격판은 (도 4c의 배향으로 도시한 바와 같이) 힘을 오일 또는 분리된 기타 유체를 차압 감지 다이의 아랫면으로 전달한다. 유사하게, 제2 유체는, 유체 포트(603)에 유입되고 유연한 격판(413)을 휘어지게 하며, 이에 따라 유연한 격판은 (도 4c의 배향으로 도시한 바와 같이) 힘을 오일 또는 분리된 기타 유체를 통해 차압 감지 다이(300)의 최상위 면으로 전달한다. 제1 및 제2 유체 각각은 압력을 반도체 격판의 대향 측면들에 간접적으로 가한다. 제1 및 제2 유체들의 각 압력들이 서로 다르면, 그 결과로 인한 두 개의 유체 간의 차압이 반도체 격판에 스트레스를 가하고 및/또는 반도체 격판을 변형시킨다. 반도체 격판의 표면 상에 배치된 압전 저항 소자들의 전기 저항은 이러한 스트레스 및/또는 변형에 응답하여 변한다. 전기 저항은, 본드 와이어를 통해 전기 회로에 반송되는 전류를 압전 저항 소자를 통해 공급함으로써 측정된다. 전기 신호는, 회로에서 처리되고, 도 5a에 도시한 전기 접촉 핀들 또는 와이어들(513)을 통해 또는 커넥터 등의 다른 접속 방법을 통해 외부 회로들이 이용할 수 있게 된다.
패키지는 패키지를 차량 프레임 또는 섀시에 부착하기 위한 장착 구멍들(609)을 구비하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 유체 포트들(601, 603)은, 차량을 작동시키는 데 사용되는 유체에 연결된 유체 호스 또는 라인에 부착될 수 있다. 예를 들어, 엔진 오일은, 차량의 오일 순환 시스템에서의 두 개의 지점 간의 차압을 측정하도록 유체 포트들(601, 603)을 통해 도입될 수 있다.
도 6c는 도 4의 차압 센서를 통합하는 차압 센서 패키지(600)의 단면도이다. 센서 패키지(600)는, 측정될 압력을 갖는 제1 및 제2 유체를 수용하기 위한 제1 유체 포트(601)와 제2 유체 포트(603)를 정의하는 하우징(602)을 포함한다. 하우징(602)은 밀봉부(605)에서 결합되는 두 개의 부재들로서 정의된다. 도 4a의 차압 감지 디바이스 등의 차압 센서는 하우징(602)의 내측 공간 내에 삽입된다. 그 두 개의 부재는, 하우징(602) 내에 차압 센서를 유체 밀봉식으로 밀폐하도록 밀봉부(605)에 연결되고 밀봉부에서 밀봉된다.
제1 유체는 제1 유체 포트(601)와 유체 연통하도록 배치되고, 제1 유체는, 제1 유체 포트를 채우며, 유연한 격판(403)과 유체 연통하는 제1 압력 챔버(604)에 유입한다. 유연한 격판(403)은, 유연한 격판(403)의 제1 유체의 반대측 면 상에서 오일 채움 볼륨과 유체 접촉한다. 제2 유체 포트(603)는, 제1 유체 포트(601)와 유사하게, 제2 유체가 제2 압력 챔버(606)에 유입할 수 있도록 구성된다. 제2 압력 챔버(606)는 유연한 격판(413)과 유체 연통한다. 유연한 격판(413)은 오일 채움 볼륨과 유체 연통하며, 다시 오일 채움 볼륨은 차압 감지 다이(300)의 격판과 연통한다. 제1 압력 챔버(604)의 제1 유체와 제2 압력 챔버(606)의 제2 유체 간의 차압은, 차압 감지 다이(300)의 실리콘 격판에 대하여 가해지는 순 힘(net force)으로서 구현된다. 그 힘은, 압전 저항 소자들의 하나 이상의 저항값으로 변환되며, 이는 다시 회로(419)에 통신될 수 있고 처리될 수 있다. 회로(419)의 출력은 검출된 차압을 나타내는 데이터를 포함한다. 회로(419)에 대한 커넥터들은 차압 센서 패키지(600)의 외측에서 액세스가능하다. 압력 챔버들(604, 606)은, 제1 및 제2 유체와 차압 감지 다이(300) 간의 유체 연통을 확립하도록 각자의 유체 포트들(601, 603)에 대하여 수직이도록 적응될 수 있다.
도 7은, O-링 접속 끼움부를 구비하는 분리된 오일 채움 압력 센서(700)의 단면도이다. 압력 센서(700)는, 감압 다이를 테스트되는 유체들에 대한 직접적인 노출로부터 분리하고 있는 동안 차압을 측정한다. 감압 다이는, 테스트되는 제1 유체를 감압 다이로부터 분리하는 튜브(713) 내의 오일의 제1 볼륨 및 테스트되는 제2 유체를 감압 다이로부터 분리하는 튜브(723) 내의 오일의 제2 볼륨에 의해 테스트 유체들로부터 분리된다.
감압 다이는, 일체형 격판(도 3a와 도 3b에서 도시한 바와 같은 313)을 포함하는 반도체 압력 다이(310)를 포함한다. 격판은, 압력에 의해 반도체 압력 다이(310)의 격판에 가해지는 힘에 기초하여 가변적인 전기 저항을 나타내는, 반도체 에 정의된 압전 저항 소자들을 구비한다. 반도체 압력 다이의 상면과 하면은 제1 지지 구조(301)와 제2 지지 구조(303)에 의해 지지된다. 지지 구조들(301, 303)은 해당 지지 구조들을 관통하여 정의되는 애퍼처들을 갖고, 애퍼처들은, 튜브들(713, 723)과 오일 채움 볼륨들(717, 727) 내의 오일이 격판의 상면 및 하면과 각각 유체 연통할 수 있도록 격판과 정렬된다.
튜브들과 기타 볼륨들은, 오일이 도입되는 포트들(715, 725)을 갖는 오일 채움 라인들을 통해 채워질 수 있다. 포트들(715, 725)은 포트 개구 위로 금속 볼을 용접함으로써 밀봉될 수 있고, 또는 포트는, 예를 들어, 포트를 밀봉하도록 크림핑되거나 접히는 세장형(elongated) 섹션을 가질 수 있다.
유연한 격판(403, 413)은 오일 채움 볼륨들의 벽을 구성하는 표면을 정의한다. 실시예들에서, 하우징들은, 오일로 채워질 수 있고, 지지 구조들(301, 303)이 부착되는 단단한 베이스 벽들과 단단한 측벽들을 구비한다. 단단한 벽들은, 예를 들어, 스틸 판에 의해 제공될 수 있다. 유연한 격판(403, 413)은, 부식성 유체, 예를 들어, 산 또는 연료일 수 있는 테스트되는 유체에 노출시 부식에 저항하는 물질로 형성된다. 예를 들어, 유연한 격판(403, 413)은, 존재하는 대부분의 유체들에 대한 내부식성을 제공하는 스테인리스 스틸 또는 티타늄으로 구축될 수 있다. 유연한 격판(403, 413)의 외측면들은, 압력들이 측정되는 제1 및 제2 유체들을 수용한 포트(705, 707)의 벽을 정의한다. 포트들은, 내부식성 물질로 형성된 측벽들(709, 711)을 갖는다. 외측 스레드(703)는, 측정되는 유체를 반송하는 도관에 대한 연결을 위한 스레딩 끼움부를 부착할 수 있는 포트(705, 707)의 외벽 상에 정의된다. 제1 및 제2 포트들(705, 707)의 측벽들(709, 711) 또한, O-링(701)을 수용하기 위한 채널을 정의한다. O-링(701)은, 포트(705, 707)와 포트(705, 707)에 스레딩되는 끼움부 간의 유체 밀봉부를 형성한다.
제1 유체는, 포트(705)에 유입되고 압력으로 인해 유연한 격판(403)에 힘을 가한다. 유연한 격판(403)은, 휘어지고, 자신에게 가해지는 힘을 예를 들어 오일 채움 볼륨(717) 내의 오일에 전달한다. 압력은, 반도체 감압 다이(310)의 격판의 상면 및 제1 지지 구조(301)의 애퍼처에 의해 정의되는 영역을 포함하는, 오일 채움 볼륨(717) 내의 오일 전체를 통해 전달된다. 제2 유체는, 포트(707)에 유입되고 압력으로 인해 유연한 격판(413)에 힘을 가한다. 유연한 격판(413)은, 휘어지고, 자신에게 가해지는 힘을 오일 채움 볼륨(727) 내의 오일에 전달한다. 압력은, 반도체 감압 다이(310)의 격판의 하면 및 제2 지지 구조(303)의 애퍼처에 의해 정의되는 영역을 포함하는, 오일 채움 볼륨(727) 내의 오일 전체를 통해 전달된다.
인쇄 회로 기판(PCB; 419)은 본드 와이어(721)에 의해 반도체 감압 다이(310)에 전기적으로 접속된다. PCB 회로(419)는, 또한, 측정된 차압값을 나타내는 전기 신호를 차압 센서(700)의 외측에 있는 외부 시스템에 제공하는 전기 접촉 핀(714)에 전기적으로 접속된다.
포트 측벽들(709, 711), 유연한 격판들(403, 413), 및 오일 채움 볼륨들(712, 727)의 접촉점들은, 차압 센서(700)를 제조하도록 용접부(719)에 의해 접속될 수 있다.
도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 6b, 도 6c, 및 도 7에 도시한 패키지의 실시예는 테스트되는 유체를 차압 센서 다이(300)로부터 분리하는 오일 채움 차압 센서를 수용하는 데 사용되지만, 이는 일례일 뿐이다. 통상의 기술자라면 다른 구성을 사용및 고려할 수 있다. 예를 들어, 패키지의 하우징(602)은, 일부 비부식성 또는 반부식성 유체로부터의 부식에 저항하는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 패키지는, 오일 채움 볼륨 없이 차압 감지 다이(300)만을 포함하는 차압 센서를 수용할 수 있다. 본 실시예에서, 테스트되는 유체는, 유체 포트들(501, 503)을 통해 직접 액세스가능한 도 3a에 도시한 제1 및 제2 지지 구조들(307, 309)의 애퍼처들을 통해 차압 다이(300)에 유입될 수 있다. 이러한 구성의 예시적인 일 실시예를 도 8을 참조하여 상세히 후술한다.
도 8a는, 본 개시 내용의 일 실시예에 따라, 도시된 차압 감지 다이(300)가 내부에 장착되어 있는, 차압 감지 다이를 위한 패키지(800)의 등측 부분 단면도이다. 패키지(800)는, 반부식성 또는 비부식성 유체의 차압을 측정하기 위한 차압 감지 다이를 수용하도록 구성된다. 패키지(800)는 하우징(802)을 포함한다. 예시한 실시예에서, 하우징(802)은 두 개의 부재를 구비한다. 예시된 실시예에서, 하측 하우징 부재(803)는 베이스 및 베이스 주위로 직립 원주 벽을 포함한다. 상측 하우징 부재(801)는, 하측 하우징 부재(803) 상에 배치되는 경우, 특히, 하측 하우징 부재(803)의 원주 벽의 최상위 림 상에 배치되는 경우, 덮개 또는 밀봉부로서 기능한다. 개스킷 또는 접착 밀봉부(805)는 상측 하우징 부재(801)와 하측 하우징 부재(803) 사이에 배치된다. 밀봉부(805)는 하우징의 내측을 외측 오염물로부터 밀봉한다. 두 개의 포트(807, 809)는 하우징의 대향 측면들을 통해 정의된다. 예시한 실시예에서, 포트들은, 상측 하우징 부재(801)와 하측 하우징 부재(803)의 베이스를 통해 각각 정의되지만, 하우징의 다른 부분들을 통해 정의될 수 있다. 포트(809)는, 포트의 내측 개구가, 차압 감지 다이(300)의 애퍼처(309) 등의 차압 감지 다이의 애퍼처와의 정렬에 적절하고 이러한 애퍼처와의 유체 불투과성 밀봉에 적절하도록 위치한다. 유사하게, 포트(807)는, 포트의 내측 개구가, 차압 감지 다이(300)의 애퍼처(307) 등의 차압 감지 다이의 다른 애퍼처와의 정렬에 적절하고 이러한 다른 애퍼처와의 유체 불투과성 밀봉에 적절하도록 위치한다. 따라서, 차압 감지 다이(300)의 격판의 대향 측면들에 대하여 포트들(807, 809)을 통해 유체 연통을 확립한다. 차압 센서 패키지(800)는 비부식성 또는 반부식성 유체의 차압을 측정하도록 설계되기 때문에, 반도체 압력 다이(310)와 지지 구조들(301, 303)은 테스트되는 유체들로부터 분리되지 않는다. 그러나, 포트들(807, 809)과 애퍼처들(307, 309) 간의 각 밀봉의 결과, 하우징(802)의 내측 볼륨이 테스트되는 유체들로부터 분리된다. 하우징(802)은, 또한, 내측 볼륨을 외부 환경으로부터 분리한다.
패키지(800)는, 하우징(802)의 외벽으로부터 연장되는 전기 접속 핀들(813)을 더 포함한다. 전기 접속 핀들(813)은, 하우징(802)의 벽을 통해 하우징(802)의 내측에 있는 접촉부들에 전기적으로 연통한다. 실시예들에서, 접촉부들은 ASIC과 전기적으로 연통할 수 있고, 회로를 갖는 PCB(419)와도 전기적으로 연통할 수 있다. 패키지(800)의 PCB 회로(419)와 ASIC은, 반도체 압력 다이의 압전 소자들과 통신하고 차압 데이터를 출력하도록 구성될 수 있다. 반도체 압력 다이(310)는, 반도체 압력 다이(310)가 본딩 와이어들(811)에 접속된 전기 접촉점들을 포함한다. 본딩 와이어들(819)은, 반도체 압력 다이(310)를 PCB 회로(419)에 전기적으로 접속한다. PCB 회로(419)는, 반도체 압력 다이(310)로부터 수신되는 전기 신호에 기초하여 차압값을 결정하도록 마이크로프로세서 및 마이크로프로세서와 통신하는 메모리를 포함할 수 있다. 전기 접속 핀들(813)은, 하우징의 벽을 통해 연장되며 PCB 회로(419)에 전기적으로 접속된다. 전기 접속 핀들은 제1 및 제2 유체 간에 측정된 차압에 관한 전기 신호를 외부 시스템에 반송한다. 도 8a에 도시한 바와 같이, 전기 접속 핀들(813)은 접촉 핀들의 단일 행을 갖는 싱글 인라인 패키지(SIP)로서 배열될 수 있다. 이 구성은 예로 제공된 것일 뿐이며, 다른 구성을 사용할 수 있다. 예를 들어, 듀얼 인라인 패키지(DIP)를 사용할 수 있고 또는 차압 센서 패키지(800)가, 와이어링 하우징에 접속된 어댑터를 수용하기 위한 포트를 갖는 실장 하우징으로서 구성될 수 있다. 외부 시스템은, 차압 측정값을 사용하여 비정상적 상태를 결정하고 경고 신호를 송신할 수 있는 제어부 또는 표시 시스템에 관한 것일 수 있고, 또는, 외부 시스템은, 예를 들어, 밸브로부터 상류측 지점과 하류측 지점 간에 측정되는 차압에 기초하여 밸브를 작동시키는 밸브 제어부일 수 있다. 차압 감지 패키지(800)의 일 실시예를 이용하는 예시적인 응용 분야에서, 제1 유체는, 오일이 차량의 오일 필터에 유입되기 전의 차량 엔진의 오일이다. 제2 유체는, 오일이 오일 필터를 통과한 후의 차량 엔진 오일이다. 오일 필터로의 유입 전과 오일 필터로부터의 유출에 후속하는 엔진 오일의 차압은 오일 필터의 상태를 나타낼 수 있다. 오일 필터 내의 흐름이 제한되었다고 결정되면, 유지보수가 필요하거나 오일 필터를 교체해야 한다는 경고를 차량 조작자에게 제공할 수 있다.
제1 유체는 적절한 끼움부(도시하지 않음)를 거치 포트(807)를 통해 유입된다. 제1 유체는, 제1 지지 구조 또는 컨스트레인트(301)의 단면 길이를 통과하는 애퍼처(307)와 정렬되어 있는 포트(807)에 유입된다. 제1 유체는, 제1 지지 구 조(301)를 통해 흐르며, 반도체 압력 다이(310)의 격판의 상면과 유체 접촉한다.
제2 유체는 적절한 끼움부(도시하지 않음)를 통해 포트(809)에 유입되고, 제2 유체는, 제2 지지 구조 또는 컨스트레인트(303)의 단면 길이를 통과하는 애퍼 처(309)와 정렬된 포트(809)를 통과한다. 유체는, 제2 지지 구조(303)를 통과하며, 반도체 압력 다이(310)에 정의된 격판의 하측면과 연통하는 유체와 접촉하게 된다. 제1 및 제2 유체들이 각자의 압력을 격판의 대향하는 면들에 가함에 따라, 반도체 격판의 표면 상의 압전 저항 소자들은, 압전 저항 소자들에 가해지는 차압의 양에 상관되는 전기 저항을 생성한다. 압전 저항 소자들을 통해 흐르는 전류는, 차압에 의해 생성되는 저항에 비례하며, 제1 유체의 압력과 제2 유체의 압력 간의 차압값을 도출하는 데 사용될 수 있는 전류 측정값을 생성한다.
도 8a는, 제1 포트(807)가 하우징의 상측 하우징 부재(801)에 배치되는 한편 제2 포트(809)가 하우징의 하측 하우징 부재(803)의 아랫면에 배치되는 차압 센서를 도시한다. 이러한 구성은 단지 예로서 제공된 것이다. 다른 구성을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 제1 포트(807)는 하우징의 하측 하우징 부재(803)의 측벽에 정의될 수 있다. 제2 포트(809)는, 제1 포트(807)의 반대측인 하측 하우징 부재(803)의 측벽에 정의될 수 있고, 또는 대안으로, 제2 포트(809)가, 제1 포트(807)를 포함하는 측벽에 인접하는 측벽에 정의될 수 있다.
차압 센서 패키지(800)의 일 실시예에 따르면, 하우징 부재들(801, 803)은 플라스틱으로 제조된다. 플라스틱은, 포트들(807, 809)을 정의하는 애퍼처들을 형성하도록 성형될 수 있다. 플라스틱은, 포트들(807, 809)을 통해 테스트되는 유체로부터 내부식성을 제공하도록 선택된다. 이러한 식으로, 테스트되는 유체는 포트들(807, 809)에 의해 직접 유입될 수 있다. 유체는, 포트들(807, 809)에 유입되며, 제1 지지 구조(301)와 제2 지지 구조(303)의 개구들에 의해 정의된 볼륨을 채운다. 따라서, 유체는, 반도체 감압 다이(310)에 정의된 격판(313)의 상측면 및 하측면과 유체 연통한다. (도 3a에 도시한) 차압 감지 다이(300)는, 포트들(807, 809)이 차압 감지 다이(300)의 애퍼처들(307, 309)과 정렬되도록, 하우징 부재들(801, 803)에 의해 정의된 패키지 내에 설치될 수 있다. 플라스틱 패키지는, 다이의 하우징 부재들(801, 803)과 지지 구조들(301, 303) 간에 유체 밀봉부(821)를 제공하는 적절한 접착제에 의해 차압 감지 다이에 부착될 수 있다. 대안으로, 플라스틱 패키지는, 예를 들어, 차압 감지 다이(300)의 프로파일에 대응하는 프로파일을 갖는 내벽 또는 리브를 통해 내측 볼륨이 정의되도록 성형될 수 있다. 예를 들어, 내측 볼륨은 패키지의 하측 하우징 부재(803)에 정의될 수 있다. 다이는, 패키지의 포트들(807, 809)과 정렬된 다이의 애퍼처들(307, 309)이 있는 내측 볼륨 내에 놓인다. 상측 하우징 부재(801)는 유체 밀봉 패키지를 정의하도록 하측 하우징 부재(803)에 정합된다.
도 8b와 도 8c는, 성형된 패키지(800) 내의 오일로 채워지지 않은 차압 센서의 일 실시예의 상승도 및 단면도를 각각 도시한다. 제1 유체 포트(810)와 제2 유체 포트(812)는, 패키지에 진입되며, 차압 감지 다이(300)의 대향 단부들과 유체 접촉한다. 하우징은, 개스킷 또는 접착 밀봉부(805)에 의해 밀봉될 수 있는 상측 하우징 부재(801)와 하측 하우징 부재(803)를 구비한다. 유체 포트들(810, 812)은, 호스가 유체 포트에 대하여 끼워질 수 있고 제 위치에서 유지될 수 있고 바브(barb; 806, 808)에 의해 또는 호스나 튜빙을 유체 포트(810, 812)에 고정하기 위한 링 클램프의 추가에 의해 밀봉될 수 있도록 바브형으로 된다. 제1 유체 포트(810)와 제2 유체 포트(812) 간의 유체의 차압을 나타내는 신호를 포함하는 전기 신호는 전기 접촉부(813)를 통해 송신되거나 반송될 수 있다.
도 9는, 차압 센서 및 절대 압력 센서와 함께 구성된 분리된 오일 채움 압력 센서의 단면 상승도이다. 센서 하우징은, 도 4a와 도 4b에 도시한 바와 같은 차압 센서의 오일 채움 실시예와 유사하다. 그러나 도 9의 압력 센서(900)에서는, 추가 절대 감압 다이(350)가 추가되어 있다. 절대 감압 다이(350)는, 차압 감지 다이(300)와 유사한 반도체 감압 다이와 함께 구성된다. 그러나, 절대 감압 다이(350)의 상측 컨스트레인트(901)는, 유체가 상측 컨스트레인트(901)에 유입되어 반도체 다이와 유체 접촉할 수 있게 하는 애퍼처를 갖지 않는다. 대신에, 상측 컨스트레인트(901)는, 진공으로 유지되는 내측 볼륨을 가질 수 있는 밀봉된 유리 컨스트레인트이다. 이러한 식으로, 센서(900)의 유연한 금속 격판(913)과 유체 접촉하는 유체는, 압력을 오일 채움 볼륨을 통해 절대 감압 다이(350)의 하측면으로 전달하게 된다. 따라서, 감지된 압력은, 진공 등의 기준 압력에 비해 하측 격판(913)으로부터 가해지는 압력만의 인자이다. 따라서, 도 9의 압력 센서(900)는, 차압 센서 또는 절대 압력 센서, 또는 둘 다로서 사용될 수 있다. 차압 신호는, 신호가 생성된 감압 다이(300, 350)를 식별함으로써, 절대 압력 신호와 구별될 수 있다.
전술한 발명은 전술한 실시예에 관하여 설명되었지만, 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 다양한 수정과 변경을 행할 수 있다. 이에 따라, 이러한 모든 수정과 변경은 청구범위 내에 있는 것으로 여겨진다. 이에 따라, 명세서와 도면은 제한적인 의미라기보다는 예시적인 것으로 간주해야 한다. 본원의 일부를 형성하는 첨부 도면은, 개시 내용이 실시될 수 있는 구체적인 실시예들을 한정하는 것이 아니라 예시하는 것이다. 예시한 실시예들은, 통상의 기술자가 본원에 개시된 교시를 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되어 있다. 다른 실시예들은, 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고 구조적 및 논리적 대체와 변경을 행할 수 있도록 이용 및 유도될 수 있다. 따라서, 발명의 설명을 한정하는 의미로 취해서는 안 되며, 다양한 실시예들의 범위는, 청구범위 및 이러한 청구범위의 균등물의 전체 범위에 의해서만 정의된다.
본 개시 내용의 이러한 실시예들은, 본원에서, 개별적으로 및/또는 집합적으로, 하나보다 많은 발명이나 개념이 개시되어 있다면 본원의 범위를 임의의 하나의 발명이나 개념으로 자발적으로 한정하려 하지 않고 단지 편의상 "발명"이라는 용어로 지칭될 수 있다. 따라서, 본원에서는 구체적인 실시예들을 예시 및 설명하였지만, 동일한 목적을 달성하도록 산출되는 임의의 구조가 도시된 구체적인 실시예들을 대체할 수 있음을 인식하도록 한다. 본 개시 내용은, 다양한 실시예들의 변형예들 중 임의의 것 및 모든 적응예를 커버하려는 것이다. 전술한 실시예들 및 본원에서 구체적으로 설명하지 않은 기타 실시예들의 조합은 위 설명을 검토하는 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (11)

  1. 차압 센서(differential pressure sensor; 400)로서,
    일체형 감지 격판(313)이 있는 반도체 다이(310), 상기 일체형 감지 격판 상에 정의된 압전 저항 소자(365), 상기 반도체 다이의 표면에 결합되고, 제1 애퍼처를 통해 상기 감지 격판을 노출하도록 관통 정의된 상기 제1 애퍼처(307)를 갖는 제1 지지 구조(301), 및 상기 반도체 다이의 반대면에 결합되고, 제2 애퍼처를 통해 상기 감지 격판을 노출하도록 관통 정의된 상기 제2 애퍼처(309)를 갖는 제2 지지 구조(303)를 구비하는, 차압 감지 다이(300);
    상기 제1 애퍼처와 유체 연통하는 상측 내측 볼륨(405, 406)을 정의하고, 상기 상측 내측 볼륨의 벽을 정의하는 유연한 상측 격판(403)을 구비하는 상측 하우징(401);
    상기 제2 애퍼처와 유체 연통하는 하측 내측 볼륨(408, 415)을 정의하고, 상기 하측 내측 볼륨의 벽을 정의하는 유연한 하측 격판(413)을 구비하는 하측 하우징(411); 및
    상기 감지 격판에 가해지는 차압을 결정하도록 상기 압전 저항 소자에 결합되고, 상기 제1 및 제2 지지 구조 및 상기 상측 및 하측 내측 볼륨의 외부에서 상기 반도체 다이 상에 있는 전기 회로(419)를 포함하고,
    상기 상측 및 하측 내측 볼륨(405, 415)은 유체로 채워지고, 이에 따라 상기 상측 및 하측 격판(403, 413)에 가해지는 압력이 상기 유체에 의해 상기 감지 격판에 전달되는, 차압 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 유체는 오일(717, 727)을 포함하는, 차압 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유연한 상측 및 하측 격판(403, 413)은 스테인리스 스틸로 형성된, 차압 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 지지 구조(301)와 상기 반도체 다이(310) 간의 결합부에는, 상기 제1 지지 구조의 상기 제1 애퍼처(307) 내의 유체가 침투할 수 없고, 상기 제2 지지 구조(303)와 상기 반도체 다이 간의 결합부에는, 상기 제2 지지 구조의 상기 제2 애퍼처(309) 내의 유체가 침투할 수 없는, 차압 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 지지 구조(301)와 상기 상측 하우징(401) 간의 결합부 및 상기 제2 지지 구조(303)와 상기 하측 하우징(411) 간의 결합부에는, 상기 제1 지지 구조의 상기 제1 애퍼처(307) 내의 유체 및 상기 제2 지지 구조의 상기 제2 애퍼처(309) 내의 유체가 침투할 수 없는, 차압 센서.
  7. 차압 센서를 제조하는 방법으로서,
    일체형 감지 격판(313)이 있는 반도체 다이(310)로부터 차압 다이(300)를 제공하는 단계로서, 상기 차압 다이는, 상기 일체형 감지 격판 상에 정의된 압전 저항 소자(365), 상기 차압 다이(300)의 상면에 결합된 제1 지지 구조(301), 및 상기 차압 다이(300)의 하면에 결합된 제2 지지 구조(301)를 포함하고, 상기 제1 지지 구조는 상기 제1 지지 구조를 관통하여 정의되는 애퍼처(307)를 갖고, 상기 제1 지지 구조의 애퍼처는 상기 감지 격판의 상면과 정렬되고, 상기 제2 지지 구조는 상기 제2 지지 구조를 관통하여 정의되는 애퍼처(309)를 갖고, 상기 제2 지지 구조의 애퍼처는 상기 감지 격판의 하면과 정렬되는, 상기 차압 다이를 제공하는 단계;
    상기 차압 다이의 상면에 상측 하우징(401)을 제공하는 단계로서, 상기 상측 하우징은 상기 제1 지지 구조의 애퍼처와 유체 연통하는 상측 내측 볼륨(405)을 정의하고, 상기 상측 하우징의 상벽은 유연한 격판(403)에 의해 정의되는, 상기 상측 하우징을 제공하는 단계;
    상기 차압 다이(300)의 하면에 하측 하우징(411)을 제공하는 단계로서, 상기 하측 하우징은 상기 제2 지지 구조의 애퍼처와 유체 연통하는 하측 내측 볼륨(408)을 정의하고, 상기 하측 하우징의 하벽은 유연한 격판(413)에 의해 정의되는, 상기 하측 하우징을 제공하는 단계; 및
    상기 상측 및 하측 내측 볼륨(405, 415)을 유체로 채우는 단계; 를 포함하고,
    상기 상측 및 하측 유연한 격판(403, 413)에 가해지는 압력이 상기 유체를 통해 상기 감지 격판(313)에 전달되는, 차압 센서 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 유체는 오일을 포함하는, 차압 센서 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 유연한 제1 및 제2 격판(403, 413)은 스테인리스 스틸로 형성되는, 차압 센서 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제1 지지 구조와 상기 반도체 다이 간의 결합부에는, 상기 제1 지지 구조의 애퍼처에 유입된 유체가 침투할 수 없고, 상기 제2 지지 구조와 상기 반도체 다이 간의 결합부에는, 상기 제2 지지 구조의 애퍼처에 유입된 유체가 침투할 수 없는, 차압 센서 제조 방법.
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