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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024117080
(43)【公開日】2024-08-28
(54)【発明の名称】ダイヤフラムを有するセンサダイ
(51)【国際特許分類】
G01L 13/00 20060101AFI20240821BHJP
【ＦＩ】
G01L13/00 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024019110
(22)【出願日】2024-02-13
(31)【優先権主張番号】18/169939
(32)【優先日】2023-02-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】518345815
【氏名又は名称】ティーイー コネクティビティ ソリューソンズ ゲーエムベーハー
(74)【代理人】
【識別番号】100100077
【弁理士】
【氏名又は名称】大場 充
(74)【代理人】
【識別番号】100136010
【弁理士】
【氏名又は名称】堀川 美夕紀
(74)【代理人】
【識別番号】100203046
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 聖子
(74)【代理人】
【識別番号】100229736
【弁理士】
【氏名又は名称】大場 剛
(72)【発明者】
【氏名】ジェフリー シー フォング
(72)【発明者】
【氏名】ダニエル ティー オブライエン
【テーマコード（参考）】
2F055
【Ｆターム（参考）】
2F055BB01
2F055BB05
2F055CC02
2F055EE14
2F055FF43
2F055GG15
(57)【要約】 （修正有）
【課題】絶対圧および差圧の両方の測定を必要とする。しかしながら、既存の圧力センサは、別個の構成要素を用いて絶対圧および差圧それぞれを測定するため、圧力センサに必要な構成要素の数が増大し、それにより製造コストや専有面積が増大する。
【解決手段】センサダイ（１００）は、第１の膜（１３０）と、第１の膜（１３０）内に配置される第２の膜（１４０）とを有するダイヤフラム（１１０）を含む。第１の膜（１３０）は、ダイヤフラム（１１０）の第１の面（１１２）と第１の面（１１２）の反対側にあるダイヤフラム（１１０）の第２の面（１１４）との間の差圧に比例してたわみ可能である。第２の膜（１４０）は、ダイヤフラム（１１０）の第１の面（１１２）における絶対圧に比例して第１の膜（１３０）と同時にたわみ可能である。
【選択図】図３
【解決手段】センサダイ（１００）は、第１の膜（１３０）と、第１の膜（１３０）内に配置される第２の膜（１４０）とを有するダイヤフラム（１１０）を含む。第１の膜（１３０）は、ダイヤフラム（１１０）の第１の面（１１２）と第１の面（１１２）の反対側にあるダイヤフラム（１１０）の第２の面（１１４）との間の差圧に比例してたわみ可能である。第２の膜（１４０）は、ダイヤフラム（１１０）の第１の面（１１２）における絶対圧に比例して第１の膜（１３０）と同時にたわみ可能である。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の膜（１３０）と、前記第１の膜（１３０）内に配置されている第２の膜（１４０）とを有するダイヤフラム（１１０）を備え、
前記第１の膜（１３０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の第１の面（１１２）と前記第１の面（１１２）の反対側にある前記ダイヤフラム（１１０）の第２の面（１１４）との間の差圧に比例してたわみ可能であり、
前記第２の膜（１４０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の前記第１の面（１１２）における絶対圧に比例して前記第１の膜（１３０）と同時にたわみ可能である、
センサダイ（１００）。
前記第１の膜（１３０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の第１の面（１１２）と前記第１の面（１１２）の反対側にある前記ダイヤフラム（１１０）の第２の面（１１４）との間の差圧に比例してたわみ可能であり、
前記第２の膜（１４０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の前記第１の面（１１２）における絶対圧に比例して前記第１の膜（１３０）と同時にたわみ可能である、
センサダイ（１００）。
【請求項2】
前記ダイヤフラム（１１０）は、第１の層（１１６）と、前記第１の層（１１６）に配されている第２の層（１２０）とを含み、
前記第１の膜（１３０）は、前記第１の層（１１６）および前記第２の層（１２０）から形成され、
前記第２の膜（１４０）は、前記第２の層（１２０）から形成されている、
請求項１に記載のセンサダイ（１００）。
前記第１の膜（１３０）は、前記第１の層（１１６）および前記第２の層（１２０）から形成され、
前記第２の膜（１４０）は、前記第２の層（１２０）から形成されている、
請求項１に記載のセンサダイ（１００）。
【請求項3】
前記第１の層（１１６）は、前記第１の層（１１６）に延びるダイヤフラムキャビティ（１１８）を有し、
前記第２の膜（１４０）は、前記ダイヤフラムキャビティ（１１８）の上に延びる前記第２の層（１２０）の部分により形成されている、
請求項２に記載のセンサダイ（１００）。
前記第２の膜（１４０）は、前記ダイヤフラムキャビティ（１１８）の上に延びる前記第２の層（１２０）の部分により形成されている、
請求項２に記載のセンサダイ（１００）。
【請求項4】
前記第１の膜（１３０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の前記第１の面（１１２）に延びる凹部（１３４）を有し、
前記凹部（１３４）は、前記第２の膜（１４０）から分離している、
請求項１に記載のセンサダイ（１００）。
前記凹部（１３４）は、前記第２の膜（１４０）から分離している、
請求項１に記載のセンサダイ（１００）。
【請求項5】
前記ダイヤフラム（１１０）が配されている支持部（１６０）をさらに備え、
前記支持部（１６０）は、支持部キャビティ（１６２）を有し、
前記ダイヤフラム（１１０）の前記第２の面（１１４）は、前記支持部キャビティ（１６２）に向く、
請求項１に記載のセンサダイ（１００）。
前記支持部（１６０）は、支持部キャビティ（１６２）を有し、
前記ダイヤフラム（１１０）の前記第２の面（１１４）は、前記支持部キャビティ（１６２）に向く、
請求項１に記載のセンサダイ（１００）。
【請求項6】
前記第１の膜（１３０）に配置されている第１のホイートストンブリッジを形成する第１のセット（１７２）と、前記第２の膜（１４０）に配置されている第２のホイートストンブリッジを形成する第２のセット（１７４）とを含む複数のピエゾ抵抗素子（１７０）をさらに備える、請求項１に記載のセンサダイ（１００）。
【請求項7】
ダイヤフラム（１１０）の第１の層（１１６）を設けることと、
前記第１の層（１１６）にダイヤフラムキャビティ（１１８）をエッチングすることと、
前記ダイヤフラム（１１０）の第２の層（１２０）を前記第１の層（１１６）に取り付けることと
を含み、
前記ダイヤフラムキャビティ（１１８）の外側にある前記第１の層（１１６）および前記第２の層（１２０）の部分が、第１の膜（１３０）を形成し、
前記ダイヤフラムキャビティ（１１８）の上に延びる前記第２の層（１２０）の部分が、前記第１の膜（１３０）内に配置されている第２の膜（１４０）を形成し、
前記第１の膜（１３０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の第１の面（１１２）と前記第１の面（１１２）の反対側にある前記ダイヤフラム（１１０）の第２の面（１１４）との間の差圧に比例してたわみ可能であり、
前記第２の膜（１４０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の前記第１の面（１１２）における絶対圧に比例して前記第１の膜（１３０）と同時にたわみ可能である、
センサダイ（１００）を製造する方法。
前記第１の層（１１６）にダイヤフラムキャビティ（１１８）をエッチングすることと、
前記ダイヤフラム（１１０）の第２の層（１２０）を前記第１の層（１１６）に取り付けることと
を含み、
前記ダイヤフラムキャビティ（１１８）の外側にある前記第１の層（１１６）および前記第２の層（１２０）の部分が、第１の膜（１３０）を形成し、
前記ダイヤフラムキャビティ（１１８）の上に延びる前記第２の層（１２０）の部分が、前記第１の膜（１３０）内に配置されている第２の膜（１４０）を形成し、
前記第１の膜（１３０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の第１の面（１１２）と前記第１の面（１１２）の反対側にある前記ダイヤフラム（１１０）の第２の面（１１４）との間の差圧に比例してたわみ可能であり、
前記第２の膜（１４０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の前記第１の面（１１２）における絶対圧に比例して前記第１の膜（１３０）と同時にたわみ可能である、
センサダイ（１００）を製造する方法。
【請求項8】
前記第１の層（１１６）は、シリコン（１５０）と、前記シリコン（１５０）に配されている酸化物（１５２）とを含み、
前記ダイヤフラムキャビティ（１１８）は、前記第１の層（１１６）の前記酸化物（１５２）に形成されている、
請求項７に記載の方法。
前記ダイヤフラムキャビティ（１１８）は、前記第１の層（１１６）の前記酸化物（１５２）に形成されている、
請求項７に記載の方法。
【請求項9】
支持部（１６０）を前記ダイヤフラム（１１０）の前記第２の面（１１４）に接合することと、前記支持部（１６０）に支持部キャビティ（１６２）をエッチングすることとをさらに含み、
前記ダイヤフラム（１１０）の前記第２の面（１１４）は、前記支持部キャビティ（１６２）に向く、
請求項８に記載の方法。
前記ダイヤフラム（１１０）の前記第２の面（１１４）は、前記支持部キャビティ（１６２）に向く、
請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記第２の層（１２０）に複数のピエゾ抵抗素子（１７０）を埋め込むことをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の第１のセット（１７２）が、前記第１の膜（１３０）に配され、前記支持部キャビティ（１６２）の周囲部（１６４）と位置合わせされ、
前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の第２のセット（１７４）が、前記第２の膜（１４０）に配され、前記ダイヤフラムキャビティ（１１８）の周囲部（１１９）と位置合わせされる、
請求項１０に記載の方法。
前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の第２のセット（１７４）が、前記第２の膜（１４０）に配され、前記ダイヤフラムキャビティ（１１８）の周囲部（１１９）と位置合わせされる、
請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
第１の膜（１３０）と、前記第１の膜（１３０）内に配置されている第２の膜（１４０）とを有するダイヤフラム（１１０）を含むセンサダイ（１００）を備え、
前記第１の膜（１３０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の第１の面（１１２）と前記第１の面（１１２）の反対側にある前記ダイヤフラム（１１０）の第２の面（１１４）との間の差圧に比例してたわみ可能であり、
前記第２の膜（１４０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の前記第１の面（１１２）における絶対圧に比例して前記第１の膜（１３０）と同時にたわみ可能である、
センサアセンブリ（１０）。
前記第１の膜（１３０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の第１の面（１１２）と前記第１の面（１１２）の反対側にある前記ダイヤフラム（１１０）の第２の面（１１４）との間の差圧に比例してたわみ可能であり、
前記第２の膜（１４０）は、前記ダイヤフラム（１１０）の前記第１の面（１１２）における絶対圧に比例して前記第１の膜（１３０）と同時にたわみ可能である、
センサアセンブリ（１０）。
【請求項13】
前記センサダイ（１００）は、前記第１の膜（１３０）に配置されている第１のホイートストンブリッジを形成する第１のセット（１７２）と、前記第２の膜（１４０）に配置されている第２のホイートストンブリッジを形成する第２のセット（１７４）とを含む複数のピエゾ抵抗素子（１７０）を含み、
前記ピエゾ抵抗素子（１７０）に接続されている複数の接続部（３００）をさらに備え、
前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の前記第１のセット（１７２）および前記第２のセット（１７４）は、前記接続部（３００）の供給部（３１０）およびグランド（３２０）のうちの少なくとも１つを共有する、
請求項１２に記載のセンサアセンブリ（１０）。
前記ピエゾ抵抗素子（１７０）に接続されている複数の接続部（３００）をさらに備え、
前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の前記第１のセット（１７２）および前記第２のセット（１７４）は、前記接続部（３００）の供給部（３１０）およびグランド（３２０）のうちの少なくとも１つを共有する、
請求項１２に記載のセンサアセンブリ（１０）。
【請求項14】
複数の第１の出力部（３３０）により前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の前記第１のセット（１７２）に接続され、複数の第２の出力部（３４０）により前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の前記第２のセット（１７４）に接続されているコントローラ（２００）をさらに備え、
前記コントローラ（２００）は、前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の前記第１のセット（１７２）により測定された前記差圧、および前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の前記第２のセット（１７４）により測定された前記絶対圧を受信する、
請求項１３に記載のセンサアセンブリ（１０）。
前記コントローラ（２００）は、前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の前記第１のセット（１７２）により測定された前記差圧、および前記ピエゾ抵抗素子（１７０）の前記第２のセット（１７４）により測定された前記絶対圧を受信する、
請求項１３に記載のセンサアセンブリ（１０）。
【請求項15】
前記コントローラ（２００）は、前記差圧に基づいて補償アルゴリズム（２２２）を実行して、前記絶対圧の誤差を補正する、請求項１４に記載のセンサアセンブリ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、センサダイに関し、より詳細には、センサダイのダイヤフラムに関する。
【背景技術】
【0002】
圧力センサは通常、センサダイヤフラムと、センサダイヤフラムに配されるピエゾ抵抗器とを含む。印加される力または圧力がセンサダイヤフラムをたわませ、それにより、ダイヤフラムにおけるピエゾ抵抗器の抵抗が変化し、それに対応して、その力または圧力を反映する圧力センサの測定出力が変化する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
マスフローコントローラなどの特定の適用例は、絶対圧および差圧の両方の測定を必要とする。しかしながら、既存の圧力センサは、別個の構成要素を用いて絶対圧および差圧それぞれを測定する。例えば、ピエゾ抵抗器を有する１つのセンサダイヤフラムが絶対圧を測定し、異なるピエゾ抵抗器を有するもう１つの別個のセンサダイヤフラムが差圧を測定する。複数のダイヤフラムを用いてこれらの圧力を測定することにより、圧力センサに必要な構成要素の数が増大し、それにより製造コストが増大する。さらに、複数のダイヤフラムを用いることにより、圧力センサのサイズまたは占有面積が増大し、それにより、特定の適用例における圧力センサの使用が制限される場合がある。
【課題を解決するための手段】
【0004】
センサダイは、第１の膜と、第１の膜内に配置される第２の膜とを有するダイヤフラムを含む。第１の膜は、ダイヤフラムの第１の面と第１の面の反対側にあるダイヤフラムの第２の面との間の差圧に比例してたわみ可能（ｄｅｆｌｅｃｔａｂｌｅ）である。第２の膜は、ダイヤフラムの第１の面における絶対圧に比例して第１の膜と同時にたわみ可能である。
【0005】
ここで、添付の図面を参照して、本発明を例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】一実施形態に係るセンサダイの斜視図である。
【図4A】センサダイを製造する方法のステップの模式的断面図である。
【図4B】センサダイを製造する方法の別のステップの模式的断面図である。
【図4C】センサダイを製造する方法の別のステップの模式的断面図である。
【図5】一実施形態に係るセンサアセンブリの模式的ブロック図である。
【図6】一実施形態に係る補償アルゴリズムの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0007】
添付の図面を参照して、本開示の例示的実施形態を以下で詳細に説明する。図面において、同様の参照符号は同様の要素を指す。しかしながら、本開示は、多数の異なる形態で実施されてもよく、本明細書に記載の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が開示の概念を当業者に伝達するように提供されている。加えて、以下の詳細な説明においては、説明の目的で、多数の具体的な詳細事項が、開示の実施形態の完全な理解をもたらすために記載されている。しかしながら、１つまたは複数の実施形態がこれらの具体的な詳細事項なしで実現されてもよいことは明らかである。
【0008】
図面の全体にわたって、図面を明確にするために、図中で複数の同一の要素のうちの１つのみに符号を付している場合があるが、本明細書における要素の詳細な説明は、その図中で同一のものとして出現する要素の各々に等しく当てはまる。本明細書の全体にわたって、「垂直方向」などの方向の記述語が用いられる。これらの記述語は、単に説明を明確にするためのものであり、様々な方向を区別するためのものである。これらの方向の記述語は、開示されている要素の任意の特定の向きを意味する、または要求するものではない。
【0009】
一実施形態に係るセンサダイ１００を図１～図３に示す。センサダイ１００は、ダイヤフラム１１０と、ダイヤフラム１１０に配される複数のピエゾ抵抗素子１７０と、ダイヤフラム１１０が配される支持部１６０とを含む。
【0010】
図１～図３に示すように、ダイヤフラム１１０は、第１の面１１２と、垂直方向Ｖにおいて第１の面１１２の反対側にある第２の面１１４とを有する。ダイヤフラム１１０の第１の面１１２は、露出しており、センサダイ１００から外方に向く。ダイヤフラム１１０の第２の面１１４は、支持部１６０に当接する。図３において詳細に示すように、第１の面１１２と第２の面１１４との間において、ダイヤフラム１１０は、第１の層１１６と、垂直方向Ｖにおいて第１の層１１６に配される第２の層１２０とを有する。
【0011】
図１～図３に示すように、第１の層１１６および第２の層１２０を有するダイヤフラム１１０は、第１の膜１３０と、第１の膜１３０内に配置される第２の膜１４０とを形成する。第１の膜１３０は、第１の膜１３０の外縁を画定するダイヤフラム１１０における第１の周囲部１３２を有し、一方で、第２の膜１４０は、第１の膜１３０内に配置され第２の膜１４０の外縁を画定する第２の周囲部１４２を有する。第１の膜１３０は、第２の膜１４０を取り囲み、第１の周囲部１３２と第２の周囲部１４２との間に延びる。
【0012】
第１の膜１３０は、図３に示す第１の層１１６および第２の層１２０から形成される。第１の膜１３０は、垂直方向Ｖにおいて第１の面１１２と第２の面１１４との間に延びる第１の厚さ１３３を有する。図３に示すように、第１の層１１６は、第１の層１１６に延びるダイヤフラムキャビティ１１８を有する。ダイヤフラムキャビティ１１８は、第２の膜１４０の第２の周囲部１４２と位置合わせされるダイヤフラム周囲部１１９を有する。
【0013】
図３に示すように、第２の膜１４０は、ダイヤフラムキャビティ１１８の上に延びる第２の層１２０の部分により形成され、第１の層１１６におけるダイヤフラムキャビティ１１８の位置が、第２の膜１４０の位置および範囲を画定する。図示の実施形態において、第２の膜１４０は、第２の層１２０のみから形成される。第２の膜１４０は、垂直方向Ｖにおいて、第１の膜１３０の第１の厚さ１３３よりも小さい第２の厚さ１４３を有する。
【0014】
一実施形態において、第１の層１１６と第２の層１２０との間のダイヤフラムキャビティ１１８は、真空圧を有する空隙である。他の実施形態においては、ダイヤフラムキャビティ１１８は、任意の他の所定の圧力を有する空隙であってもよい。
【0015】
図１および図２に示す実施形態において、ダイヤフラム１１０は、ダイヤフラム１１０の第１の面１１２に延びる凹部１３４または複数の凹部１３４を有する。凹部１３４は、垂直方向Ｖにおいてダイヤフラム１１０の第２の層１２０に延び、凹部１３４の位置における第１の膜１３０の第１の厚さ１３３を減少させる。図示の実施形態における凹部１３４は、第１の周囲部１３２内において第１の膜１３０に配置され、凹部１３４を有しない第２の層１２０の部分により第２の膜１４０の第２の周囲部１４２から分離される。図１および図２に示す凹部１３４のサイズおよび範囲は、単に例示的なものであり、他の実施形態においては、凹部１３４が第１の面１１２に沿って異なる領域を有してもよい。
別の実施形態においては、第１の膜１３０は、凹部１３４を有せず、第１の周囲部１３２と第２の周囲部１４２との間の領域の全体にわたって第１の層１１６および第２の層１２０から形成される。
別の実施形態においては、第１の膜１３０は、凹部１３４を有せず、第１の周囲部１３２と第２の周囲部１４２との間の領域の全体にわたって第１の層１１６および第２の層１２０から形成される。
【0016】
図３に示す実施形態において、第１の層１１６は、シリコン材料から形成されるシリコン部分１５０と、シリコン部分１５０に配される二酸化シリコンなどの酸化物から形成される酸化物部分１５２とを含む。下記でより詳細に説明するように、本実施形態におけるダイヤフラムキャビティ１１８は、酸化物部分１５２に形成される。別の実施形態においては、第１の層１１６は、酸化物部分１５２なしで全体がシリコン材料から形成され、ダイヤフラムキャビティ１１８は、第１の層１１６のシリコン材料に形成される。様々な実施形態において、第２の層１２０は、シリコン材料から形成される。
【0017】
図２に示すように、支持部１６０は、支持部１６０の略中央に配置され、垂直方向Ｖにおいて支持部１６０を通して延びる支持部キャビティ１６２を有する。支持部キャビティ１６２は、ダイヤフラム１１０の第２の面１１４が支持部キャビティ１６２に向くように、垂直方向Ｖにおいてダイヤフラム１１０の第１の膜１３０および第２の膜１４０の下方に配置される。支持部キャビティ１６２の支持部キャビティ周囲部１６４は、垂直方向Ｖにおいて第１の膜１３０の第１の周囲部１３２と位置合わせされる。一実施形態において、支持部１６０は、ダイヤフラム１１０の第１の層１１６および第２の層１２０と同じシリコン材料から形成される。
【0018】
図１～図３に示すように、ピエゾ抵抗素子１７０は、第１の膜１３０に配されるピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２と、第２の膜１４０に配されるピエゾ抵抗素子１７０の第２のセット１７４とを含む。ピエゾ抵抗素子１７０は、ダイヤフラム１１０の第２の層１２０のシリコン材料にパターニングされまたは埋め込まれた元素材料であり、ピエゾ抵抗素子１７０は、第２の層１２０の表面にまたは第２の層１２０内に配置されてよい。一実施形態において、元素材料は、ｐ型ホウ素などの正のドーパントであるが、ピエゾ抵抗器をシリコン材料に形成するために用いられる任意のタイプの材料であり得る。
【0019】
図１～図３に示すように、ピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２は、第１の膜１３０の第１の周囲部１３２に沿って配置され、垂直方向Ｖにおいて支持部キャビティ１６２の支持部キャビティ周囲部１６４と位置合わせされる。ピエゾ抵抗素子１７０の第２のセット１７４は、第２の膜１４０の第２の周囲部１４２に沿って配置され、垂直方向Ｖにおいてダイヤフラムキャビティ１１８のダイヤフラム周囲部１１９と位置合わせされる。
【0020】
図示の実施形態において、ピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２は、第１の周囲部１３２にわたって分散し、第１のホイートストンブリッジを第１の膜１３０に形成する４つのピエゾ抵抗素子を含む。ピエゾ抵抗素子１７０の第２のセット１７４は、第２の周囲部１４２にわたって分散し、第２のホイートストンブリッジを第２の膜１４０に形成する４つのピエゾ抵抗素子を含む。他の実施形態においては、ピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２および第２のセット１７４は、３つ以下または４つよりも多くのピエゾ抵抗素子１７０を含んでよい。
【0021】
【0022】
図４Ａに示すように、ダイヤフラム１１０は、シリコン部分１５０、およびシリコン部分１５０に配される酸化物部分１５２から形成される第１の層１１６を有する。酸化物部分１５２が、第１の層１１６にダイヤフラムキャビティ１１８を形成するようにエッチングされ、第２の層１２０が、ダイヤフラムキャビティ１１８を包囲するように第１の層１１６に取り付けられる。別の実施形態においては、第１の層１１６は、全体がシリコン部分１５０から形成され、シリコン部分１５０が、ダイヤフラムキャビティ１１８を形成するようにエッチングされる。
【0023】
図４Ｂに示すように、支持部１６０が、第２の酸化物部分１５４によりダイヤフラム１１０の第２の面１１４に接合される。ピエゾ抵抗素子１７０が、ダイヤフラム１１０の第２の層１２０に埋め込まれる。ピエゾ抵抗素子１７０の第２のセット１７４は、垂直方向Ｖにおいてダイヤフラムキャビティ１１８のダイヤフラム周囲部１１９と位置合わせされる。ピエゾ抵抗素子１７０は、ダイヤフラム１１０の第１の面１１２上および／または第１の面１１２内に配されてよい。
【0024】
次いで、図４Ｃに示すステップにおいて、支持部キャビティ１６２が支持部１６０の裏面から支持部１６０にエッチングされる。このエッチングは、ダイヤフラム１１０の第２の面１１４まで延び、図示の実施形態においては第２の酸化物部分１５４の一部を除去する。このエッチングは、垂直方向Ｖにおいてピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２と位置合わせされる支持部キャビティ１６２の支持部キャビティ周囲部１６４を形成する。
【0025】
一実施形態に係るセンサアセンブリ１０を図５に示す。センサアセンブリ１０は、上記の実施形態に従って説明したセンサダイ１００と、コントローラ２００と、センサダイ１００のピエゾ抵抗素子１７０をコントローラ２００に電気的に接続する複数の接続部３００とを含む。
【0026】
図５に示すように、コントローラ２００は、プロセッサ２１０と、プロセッサ２１０に接続されるメモリ２２０とを含む。メモリ２２０は、非一時的コンピュータ可読媒体から形成され、そこに記憶された複数のアルゴリズムを有する。これらのアルゴリズムは、プロセッサ２１０により実行されると、本明細書に詳細に説明されているコントローラ２００の機能を実行する。メモリ２２０に記憶されたアルゴリズムのうちの１つが、図６を参照して下記でより詳細に説明する補償アルゴリズム２２２である。
【0027】
図５に示す実施形態における接続部３００は各々、電気信号を伝送することが可能な電線または導電要素である。図５に示すように、接続部３００は、供給部３１０、グランド３２０、第１の一対の出力部３３０、および第２の一対の出力部３４０を含む。供給部３１０は、ピエゾ抵抗素子１７０に電圧を供給する、ピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２および第２のセット１７４の間で共有される単一の接続部である。図示の実施形態において、グランド３２０もまた、ピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２および第２のセット１７４の間で共有される単一の接続部である。第１の出力部３３０は、ピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２をコントローラ２００に接続し、第２の出力部３４０は、ピエゾ抵抗素子１７０の第２のセット１７４をコントローラ２００に接続する。
【0028】
【0029】
センサダイ１００は、それが配置される環境において、物理的要素または流体から圧力を測定するために用いられる。図１および図２に示す第１の圧力Ｐ１は、ダイヤフラム１１０の第１の面１１２に働く。図１および図２に示す第１の圧力Ｐ１の位置は、単に例示的なものであり、第１の圧力Ｐ１は、垂直方向Ｖにおいて第１の膜１３０および第２の膜１４０の両方にわたって働く。ダイヤフラム１１０の層１１６、１２０により形成される第１の膜１３０および第２の膜１４０は、たわみ可能であり、第１の圧力Ｐ１の大きさに比例して垂直方向Ｖにおいて支持部キャビティ１６２に向かってたわむ。
【0030】
図２に示すように、支持部キャビティ１６２は、ダイヤフラム１１０の第２の面１１４に働く第２の圧力Ｐ２を有する。図２における第２の圧力Ｐ２の位置は、単に例示的なものであり、第２の圧力Ｐ２は、第１の圧力Ｐ１とは反対の垂直方向Ｖにおいてダイヤフラム１１０の第２の面１１４にわたって働く。第１の膜１３０の第２の面１１４における第２の圧力Ｐ２は、第１の膜１３０の第１の面１１２における第１の圧力Ｐ１に逆らって働くので、第１の膜１３０は、第１の面１１２における第１の圧力Ｐ１と第２の面１１４における第２の圧力Ｐ２との間の差圧に比例してたわみ可能である。
【0031】
ピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２の抵抗は、第１の膜１３０のたわみに比例して変化する。第１のセット１７２の抵抗が変化することに伴い、図５に示すコントローラ２００へと第１の一対の出力部３３０に沿って出力される第１の信号も変化し、ピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２を介してコントローラ２００に伝送される第１の信号は、第１の膜１３０のたわみ量および第１の圧力Ｐ１と第２の圧力Ｐ２との間の差圧を表す。
【0032】
第２の膜１４０は、第１の圧力Ｐ１の下で第１の膜１３０と同時にたわみ可能である。ダイヤフラムキャビティ１１８は、真空圧または既知の圧力を有するので、この真空圧または既知の圧力は、第１の圧力Ｐ１に逆らって第２の膜１４０に働く。それにより、第２の膜１４０は、ダイヤフラム１１０の第１の面１１２における第１の圧力Ｐ１の絶対測定値に比例してダイヤフラムキャビティ１１８へとたわみ可能である。第１の膜１３０内に配置される第２の膜１４０は、第１の膜１３０と同時に、しかし第１の膜１３０とは異なる圧力の尺度に比例してたわむ。
【0033】
ピエゾ抵抗素子１７０の第２のセット１７４の抵抗は、第２の膜１４０のたわみに比例して変化する。第２のセット１７４の抵抗が変化することに伴い、図５に示すコントローラ２００へと第２の一対の出力部３４０に沿って出力される第２の信号も変化し、ピエゾ抵抗素子１７０の第２のセット１７４を介してコントローラ２００に伝送される第２の信号は、第２の膜１４０のたわみ量および第１の圧力Ｐ１の絶対測定値を表す。
【0034】
図１および図２に示す凹部１３４を有する第１の膜１３０の実施形態において、凹部１３４は、絶対圧に対する第２の膜１４０のたわみの感度に影響を与えることなく、差圧に対する第１の膜１３０のたわみの感度を増大させる。
【0035】
一部の適用例において、第１の膜１３０における差圧により生じる応力およびたわみは、同時に生じる第２の膜１４０のたわみ、およびピエゾ抵抗素子１７０の第２のセット１７４からの絶対圧の測定に影響を与える場合がある。一実施形態において、コントローラ２００は、ピエゾ抵抗素子１７０を介して受信される差圧および絶対圧の測定値を処理して、ピエゾ抵抗素子１７０の第２のセット１７４に応力を伝達する第１の膜１３０のたわみを補償してもよい。
【0036】
図６は、メモリ２２０に記憶され、プロセッサ２１０により実行可能である補償アルゴリズム２２２のグラフ表示である。補償アルゴリズム２２２は、ピエゾ抵抗素子１７０の第１のセット１７２からの測定差圧２２６およびピエゾ抵抗素子１７０の第２のセット１７４からの測定絶対圧２２８に関する複数の出力誤差２２４を記憶する。所与の差圧２２６および所与の絶対圧２２８について、絶対圧２２８を修正するために測定絶対圧２２８に適用されるべき出力誤差２２４が、補償アルゴリズム２２２における関係から決定されてよい。例えば、０．６ｐｓｉの測定差圧２２６および５０ｐｓｉの測定絶対圧２２８は、－０．５％の出力誤差２２４を与える。
【0037】
測定差圧２２６、測定絶対圧２２８、および出力誤差２２４の間の関係は、制御された条件におけるキャリブレーション、差圧として印加される０ｐｓｉ、－１ｐｓｉ、および１ｐｓｉとの様々な組み合わせで絶対圧として０ｐｓｉおよび５０ｐｓｉを印加すること、および出力を測定することにより決定される。差圧を０ｐｓｉに設定した状態で、絶対圧において基準誤差が決定される。次いで、絶対圧を０ｐｓｉおよび５０ｐｓｉに保持しつつ、差圧に対する誤差の傾きが決定される。次いで、この基準および傾きを用いて、測定差圧２２６および測定絶対圧２２８の範囲における出力誤差２２４を決定することができる。
【0038】
次いで、コントローラ２００のプロセッサ２１０は、補償アルゴリズム２２２を実行して、出力誤差２２４を乗じた測定絶対圧２２８に基づいて実際の絶対圧を算出してよい。上記で用いられる例において、実際の絶対圧は５０．２５ｐｓｉとなり、これは５０ｐｓｉの測定絶対圧２２８よりも０．２５ｐｓｉ、すなわち０．５％大きい。図６のグラフにおける負の出力誤差は、測定絶対圧２２８が低く、より高くなるように補償する必要があることを示す。実際の絶対圧は、第１の膜１３０のたわみにより生じる測定絶対圧２２８の誤差を補正したものである。
【0039】
センサダイ１００のピエゾ抵抗素子１７０からの差圧Ｐ１－Ｐ２の測定値および絶対圧Ｐ１の測定値を受信したコントローラ２００は、補償済みまたは未補償の測定値を、さらなる使用および処理のために外部に送信してよい。
【0040】
本発明に係るセンサダイ１００、およびセンサダイ１００を含むセンサアセンブリ１０は、差圧を測定する第１の膜１３０と、同じダイヤフラム１１０内に形成された絶対圧を同時に測定する第２の膜１４０とを有する。同じダイヤフラム１１０の膜１３０、１４０内に差圧測定および絶対圧測定の両方を組み込むことにより、センサダイ１００の構成要素数および全体的なサイズが減少し、それにより、製造コストの低減および小型の適用例における柔軟性の向上が可能となる。さらに、第１の膜１３０のたわみにより生じる絶対測定の潜在的誤差を補償することで、センサダイ１００を用いて行われる絶対圧測定および差圧測定の両方の高い精度を維持する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【外国語明細書】