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專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置的制作方法
首先，本發(fā)明涉及一種靜壓力和溫度特性極好的半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置。
其次，本發(fā)明的涉及一種具有良好的靜壓力和溫度特性的半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置，并提供一種低成本的差示壓力檢測(cè)機(jī)構(gòu)。


圖1是一個(gè)至今還在普遍使用的常規(guī)差示壓力測(cè)量裝置布置的實(shí)例，并且載入已發(fā)表的專(zhuān)利申請(qǐng)No.S59-56137(1984)的圖1中。
圖1中，凸緣2和凸緣3采用緊配合安裝，并通過(guò)焊接固定在外殼1的兩側(cè)。被測(cè)壓力PH的高壓液體輸入口5和被測(cè)壓力PL的低壓液體輸入口4分別設(shè)在兩個(gè)凸緣2和3中。
在外殼1中，形成一個(gè)壓力測(cè)量腔6，并且在壓力測(cè)量腔6中設(shè)有中心膜片7和硅膜片8。這些膜片7和8各自固定到壓力測(cè)量腔6的壁上，從而壓力測(cè)量腔6被膜片7和8分隔成兩部分。
在壓力測(cè)量腔6面向中心膜片7的壁上，形成護(hù)板6A和6B。中心膜片7的周邊焊接到外殼1上。整個(gè)硅膜片8由一個(gè)單晶硅基片構(gòu)成。
四個(gè)應(yīng)變片80通過(guò)在硅基片的一面有選擇地?cái)U(kuò)散雜質(zhì)例如硼來(lái)形成，而基片的另一面則通過(guò)加工、腐蝕使整個(gè)面成為一個(gè)凹形膜片。四個(gè)應(yīng)變片80用這樣的方式工作，當(dāng)硅膜片由于差示壓力ΔP而偏移時(shí)，四個(gè)應(yīng)變片中的兩片受到拉伸，另外兩片受到壓縮。這四個(gè)應(yīng)變片被連接成惠斯登電橋，并且電阻的變化被當(dāng)作差示壓力ΔP的變化檢測(cè)出來(lái)。
諸引腳81的一頭都連接到應(yīng)變片80上。數(shù)字82表示引腳81的另一頭所連接的密封端。支托9裝有密封端并且硅膜片8通過(guò)一種例如低熔點(diǎn)玻璃焊接的方法固著在支托9的壓力測(cè)量腔6的端面上。
壓力輸入小室10和11分別形成在外殼1和凸緣2之間以及外殼1和凸緣3之間。在這些壓力輸入小室10和11中，分別設(shè)置液體屏蔽膜片12和13，并且在面向液體屏蔽膜片12和13的外殼1的壁上形成具有與液體屏蔽膜片同樣形狀的護(hù)板10A和11A。
由液體屏蔽膜片12和13與護(hù)板10A和11A分別構(gòu)成的空間經(jīng)過(guò)連通孔14和15連到壓力測(cè)量腔6。液體屏蔽膜片12和13之間的空間填充諸如硅油一類(lèi)的液體101和102。這些填充液體經(jīng)由連通孔16和17到達(dá)硅膜片8的上表面和下表面。填充液體101和102被中心膜片7和硅膜片8隔開(kāi)，不過(guò)要設(shè)計(jì)得使這兩部分液體的體積接近相等。
在上面的結(jié)構(gòu)中，如果壓力由高壓側(cè)給出，則作用在液體屏蔽膜片13上的壓力通過(guò)填充液體102傳送給硅膜片8。而如果壓力由低壓側(cè)給出，則作用在液體屏蔽膜片12上的壓力通過(guò)填充液體101傳送給硅膜片8。
結(jié)果，硅膜片8按照高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的壓力差偏移。這一偏移通過(guò)應(yīng)變片80以電信號(hào)的方式取出，并實(shí)現(xiàn)差示壓力的測(cè)量。但是，這樣一種裝置受到引起靜壓力誤差的靜壓力影響。
為了補(bǔ)償這個(gè)靜壓力誤差，在圖2所示硅膜片的薄壁部分8a和厚壁部分8b上設(shè)置擴(kuò)散應(yīng)變片Gd和Gs。薄壁部分8a上應(yīng)變片Gd檢測(cè)薄壁部分8a由于差示壓力ΔP而發(fā)生的形變。當(dāng)靜壓力Sp施加于整個(gè)檢測(cè)器上時(shí)，厚壁部分8b上的應(yīng)變片Gs通過(guò)感受因硅膜片8與支托9之間的形變不同而在硅膜片8中引起的形變，檢測(cè)靜壓力Sp的數(shù)值。
在這一情形，應(yīng)變片Gd和Gs由于差示壓力ΔP而產(chǎn)生的輸出變化示于圖3，由于靜壓力Sp而產(chǎn)生的輸出變化示于圖4。也就是說(shuō)，如果加上差示壓力ΔP，則不僅應(yīng)變片Gd而且應(yīng)變片Gs的輸出都要變化。
因?yàn)檫@個(gè)緣故，外加差示壓力ΔP用下面這個(gè)闡述相關(guān)性的方程(1)確定。
ΔP＝∑ni＝0∑mj＝0Kij×Gdi×Gsi(1)在這一情形，由于應(yīng)變片Gd和Gs的輸出密切相關(guān)，因而把輸出分開(kāi)得不那么好，其間存在著必需進(jìn)行較高階(n，m)校正計(jì)算的問(wèn)題，而且校正后的精度也不能足夠高；所以靜壓力特性不很好。
本發(fā)明的目的就是解決這些問(wèn)題，并提供一種具有良好靜壓力和溫度特性的半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置。
圖1是一個(gè)說(shuō)明至今還在普遍使用的常規(guī)差示壓力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)的例子的圖。
圖2是一個(gè)說(shuō)明圖1的本質(zhì)部分的細(xì)節(jié)的圖。
圖3是一個(gè)描述圖1所示裝置的工作的簡(jiǎn)圖。
圖4是另一個(gè)描述圖1所示裝置的工作的簡(jiǎn)圖。
圖5是說(shuō)明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。
圖6是一個(gè)描述圖5所示裝置的真實(shí)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)部分的細(xì)節(jié)的圖。
圖7是圖6中的A-A橫剖面視圖。
圖8是圖6中的B-B橫剖面視圖。
圖9是圖6中的C-C橫剖面視圖。
圖10是說(shuō)明圖5所示裝置的本質(zhì)部分的細(xì)節(jié)的圖。
圖11示出一個(gè)說(shuō)明圖5所示裝置的計(jì)算電路的本質(zhì)部分的圖。
圖12是一個(gè)描述圖5所示裝置的工作的簡(jiǎn)圖。
圖13是另一個(gè)描述圖5所示裝置的工作的簡(jiǎn)圖。
圖14是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明另一實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。
圖15是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明第三實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。
圖16是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明第四實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。
圖17是一個(gè)描述圖16所說(shuō)明的實(shí)施例的本質(zhì)部分的細(xì)節(jié)的圖。
圖18是一個(gè)描述圖17所示部分的計(jì)算電路的本質(zhì)部分的圖。
圖19是一個(gè)描述圖16所示實(shí)施例的工作的圖。
圖20是另一個(gè)描述圖16所示實(shí)施例的工作的圖。
圖21是又一個(gè)描述圖16所示實(shí)施例的工作的圖。
圖22是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明第五實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。
圖23是一個(gè)描述圖22所示實(shí)施例的計(jì)算電路的本質(zhì)部分的圖。
圖24是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明第六實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。
圖25是一個(gè)描述圖24所示實(shí)施例的計(jì)算電路的本質(zhì)部分的圖。
圖26是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明第七實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。
圖27是一個(gè)描述圖26所示實(shí)施例的計(jì)算電路的本質(zhì)部分的圖。
圖5說(shuō)明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)。圖6描述圖5所示裝置的真實(shí)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)部分的細(xì)節(jié)。圖7是圖6中的A-A橫剖面視圖。圖8是圖6中的B-B橫剖面視圖。圖9是圖6中的C-C橫剖面視圖。
在這些圖中，與圖1中同樣的符號(hào)的結(jié)構(gòu)表示同樣的功用。下面反敘述與圖1的不同之處。
第一測(cè)量小室21是一個(gè)設(shè)在硅基片22上的特別小的凹口，并在硅基片的一側(cè)22a上形成第一測(cè)量膜片23。在第一測(cè)量膜片23的另一側(cè)，在硅基片22的一個(gè)側(cè)面22a上，設(shè)有一個(gè)很淺的第一凹面24。
第二測(cè)量小室25是一個(gè)設(shè)在硅基片22上的極小的專(zhuān)用凹口，并形成一個(gè)有與第一測(cè)量膜片23同樣作用面積的第二測(cè)量膜片26。在第二測(cè)量膜片26的另一側(cè)，在硅基片22的一個(gè)側(cè)面22a的表面上設(shè)有一個(gè)很淺的第二凹面27。
支托基片28以其一側(cè)28a與硅基片22的一側(cè)22a相接觸并與第一凹面24構(gòu)成第三測(cè)量小室29，而且還與第二凹面27構(gòu)成第四測(cè)量小室31。
此外，第一、第二、第三和第四測(cè)量小室21、25、29和31要在過(guò)壓支承方向以極小的間隙制作，以防止外加壓力過(guò)大時(shí)從支承方向損壞測(cè)量膜片。例如間隙近似等于1μm。在圖5中，支承方向的間隙過(guò)大，是為了更好理解本發(fā)明。
數(shù)字32表示設(shè)在硅基片22上的第一連通孔并且一側(cè)的測(cè)量壓力PH就從這個(gè)孔的一端輸入，其另一端則連通到第三測(cè)量小室29和第二測(cè)量小室25。數(shù)字33表示設(shè)在硅基片22上的第二連通孔并且另一側(cè)的測(cè)量壓力PL就從這個(gè)孔的一端輸入，其另一端則連通到第四測(cè)量小室31和第一測(cè)量小室21。
在圖5中，這些連通孔的連接用一種與實(shí)際方式不同的方式表示，以幫助理解第一連通孔32與第三測(cè)量小室29及第二測(cè)量小室25的連接關(guān)系或是第二連通孔33與第四測(cè)量小室31及第一測(cè)量小室21的連接關(guān)系。在實(shí)際中，連接之間的關(guān)系則如圖6至圖9所示。
數(shù)字34表示在使用剪切應(yīng)變檢測(cè)元件的情形下，用于檢測(cè)第一測(cè)量膜片23中產(chǎn)生的應(yīng)變的第一傳感器。數(shù)字35則表示在使用剪切應(yīng)變檢測(cè)元件的情形下，用于檢測(cè)第二測(cè)量膜片26中產(chǎn)生的應(yīng)變的第二傳感器。
第一傳感器34和第二傳感35(各用一個(gè)應(yīng)變檢測(cè)元件)分別位于第一測(cè)量膜片23和第二測(cè)量膜片26上，如圖10所示。
數(shù)字36如圖11所示，表示計(jì)算第一傳感器34的輸出和第二傳感器35的輸出之間的差的計(jì)算電路。在圖11中，數(shù)字363表示同第一傳感器34和第二傳感器35供應(yīng)電壓的電源，數(shù)字362和363分別表示放大第一傳感器和第二傳感器的輸出的放大器，以及數(shù)字363表示一個(gè)差分放大器，它將放大器362和363的輸出之差放大。
數(shù)字37表示一個(gè)將測(cè)量壓力PH輸入第一連通孔32的壓力輸入孔。數(shù)字38表示一個(gè)將測(cè)量壓力PL輸入第二連通孔33的壓力輸入孔。
在上面的結(jié)構(gòu)中，高壓側(cè)的測(cè)量壓力PH經(jīng)由第一連通孔32加到第三測(cè)量小室29和第二測(cè)量小室25。低壓側(cè)的測(cè)量壓力PL經(jīng)由第二連通孔33加到第四測(cè)量小室31和第一測(cè)量小室21。
根據(jù)高壓側(cè)的壓力PH和低壓側(cè)的壓力PL之間的壓力差，第一測(cè)量膜片23和第二測(cè)膜片26產(chǎn)生偏移和應(yīng)變。這些應(yīng)變通過(guò)應(yīng)變檢測(cè)元件34和應(yīng)變檢測(cè)元件35用電的方法檢測(cè)出來(lái)。
差示壓力通過(guò)使用計(jì)算電路36計(jì)算一應(yīng)變檢測(cè)元件34的輸出和第二應(yīng)變檢測(cè)元件35的輸出測(cè)量出來(lái)。
換句話說(shuō)，第一測(cè)量膜片23和第二測(cè)量膜片26由于其作用面積幾乎一樣，因而變得幾乎向相反的方向形變。對(duì)于差示壓力ΔP＝PH-PL，如圖12所示，應(yīng)變檢測(cè)元件34的測(cè)量輸出G1和應(yīng)變檢測(cè)元件35的測(cè)量輸出G2輸出完全反相的輸出量。而如果施加上靜壓力SP＝PH＝PL，則如圖13所示，第一測(cè)量膜片23的形變等于第二測(cè)量膜片26的形變，并且它們的輸出幾乎一樣。
如果對(duì)應(yīng)變檢測(cè)元件34的測(cè)量輸出G1和應(yīng)變檢測(cè)元件35的測(cè)量輸出G2執(zhí)行如像下面的方程(2)中的減法，則按照一個(gè)其變化量是單獨(dú)輸出變化量?jī)杀兜妮敵鯱得到一個(gè)正比于差示壓力ΔP的輸出。
如果對(duì)應(yīng)變檢測(cè)元件34的測(cè)量輸出G1和應(yīng)變檢測(cè)元件35的測(cè)量輸出G2執(zhí)行如像下面的方程(3)中的加法，則得到僅隨靜壓力SP變化而不受差示壓力ΔP影響的輸出V。
這個(gè)輸出V可用作靜壓力信號(hào)。靜壓力信號(hào)V可用于例如校正由靜壓力引起的靈敏度變化這樣的高精度計(jì)算。
ΔP＝U＝G1-G2……(2)SP＝V＝G1+G2……(3)如上所述，作用面積一樣的測(cè)量膜片23和26可利用半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)而在硅基片22上精確形成，并且測(cè)量膜片23和測(cè)量膜片26如此構(gòu)造以利用連通孔32和33向互相相板的方向動(dòng)作。
結(jié)果是(1)可得到第一應(yīng)變檢測(cè)元件34的輸出和第二應(yīng)變檢測(cè)元件35的輸出的減法信號(hào)，用作一個(gè)僅對(duì)差示壓力ΔP高度靈敏的信號(hào)。
(2)而且，其輸出(靈敏度)的變化率是單個(gè)元件輸出變化率的兩倍。
(3)可得到第一應(yīng)變檢測(cè)元件34的輸出和第二應(yīng)變檢測(cè)元件35的輸出的加法信號(hào)，用作一個(gè)僅對(duì)靜壓力SP高度靈敏的信號(hào)。
(4)因而，單純的減法或加法提供一個(gè)高精度的差示壓力信號(hào)ΔP或靜壓力信號(hào)SP。
(5)因?yàn)椴钍緣毫π盘?hào)ΔP和靜壓力信號(hào)SP在方程(4)所示的高精度計(jì)算中相互影響不大，所以?xún)H取小的計(jì)算階數(shù)(n，m)即已足夠。
(6)除了靜壓力SP以外的特性，例如溫度特性，通過(guò)第一應(yīng)變檢測(cè)元件和第二應(yīng)變檢測(cè)元件的輸出之間的相減也抵消了，從而提供極好的溫度特性。
圖14說(shuō)明本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)。
在本實(shí)施例中，其自然頻率隨應(yīng)變變化而變化的振動(dòng)梁41和42被用作第一傳感器34和第二傳感器35。本實(shí)施例具有的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可用頻率信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)。
差示壓力ΔP的信號(hào)的計(jì)算如下所示。
設(shè)由差示壓力ΔP所產(chǎn)生的高壓和低壓信號(hào)的改變量分別為fH和fL，并且另設(shè)由靜壓力SP產(chǎn)生的高、低壓信號(hào)的改變量分別為fHS和fLS。
如前所述，由于第一測(cè)量膜片23和第二測(cè)量膜片26是反相工作的，所以差示壓力ΔP輸出信號(hào)可通過(guò)計(jì)算來(lái)自振動(dòng)梁41和42和信號(hào)差得出，如下所示差示壓力ΔP＝PH-PL＝K(fH0-fL0)……(4)其中fH0＝高壓側(cè)總輸出信號(hào)的改變量，fL0＝低壓側(cè)總輸出信號(hào)的改變量，以及L＝常數(shù)由于fH0＝fH+fHS……(5)fL0＝-fL+fLS……(6)并且認(rèn)為fHS＝fLS，故差示壓力ΔP＝K〔fH-(-fL)〕……(7)圖15是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明第三實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。
在本實(shí)施例中，同心安裝在支托基片28的表面28a上面向第一測(cè)量膜片23和第二測(cè)量膜片26的兩組電極51、52和53、54分別用作第一傳感器34和第二傳感器35。這一結(jié)構(gòu)具有的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是用電容信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)。
差示壓力信號(hào)ΔP的計(jì)算如下所示。設(shè)由差示壓力引起的電極51、52與第一測(cè)量膜片23之間以及電極53、54與第二測(cè)量片26之間的電容信號(hào)分別為CH1、CH2、CL1和CL2并且設(shè)靜壓力SP產(chǎn)生的信號(hào)分別為CHS1、CHS2、CLS1和CLS2。如前所述，由于測(cè)量膜片23和26反相工作，故對(duì)于ΔP的輸出信號(hào)可通過(guò)進(jìn)行如下所示計(jì)算得出。
測(cè)量膜片23和26的位移δH0和δL0表示為δH0＝K(CH2-CH1)……(8)δL0＝K(CL2-CL1)……(9)位移δH0和δL0可進(jìn)而分別分為差示和靜壓力分量。
δH0＝δH+δHS……(10)δL0＝-δL+δLS……(11)因而，方程(8)和(9)之間的差構(gòu)成差示壓力信號(hào)，并且方程(8)與(9)的和構(gòu)成靜壓力信號(hào)。
差示壓力ΔP＝δH0-δL0＝K〔(CH2-CH1)-(CL2-CL1)〕……(12)結(jié)果，在根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明中，(1)通過(guò)計(jì)算第一應(yīng)變檢測(cè)元件的輸出和第二應(yīng)變檢測(cè)元件的輸出之間的差得到的信號(hào)可用作僅對(duì)差示壓力高度靈敏的信號(hào)。
(2)而且其輸出中的變化率(靈敏度)加倍；(3)通過(guò)計(jì)算第一應(yīng)變檢測(cè)元件的輸出和第二應(yīng)變檢測(cè)元件的輸出之和得到的信號(hào)可用作一個(gè)僅對(duì)靜壓力高度靈敏的信號(hào)；
(4)因而，單純計(jì)算差或和就提供一個(gè)高度精確的差示壓力信號(hào)或靜壓力信號(hào)；(5)因?yàn)椴钍緣毫π盘?hào)與靜壓力信號(hào)之間的交叉影響不大，故在高精度(如果必要的話)的計(jì)算中僅需要較低階的計(jì)算。
(6)除靜壓力以外，例如溫度特性通過(guò)計(jì)算第一應(yīng)變檢測(cè)元件的輸出和第二應(yīng)變檢測(cè)之件的輸出之間的差而被抵消了，從而產(chǎn)生極好的溫度特性。
此外，根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)明具有能把模擬信號(hào)用作測(cè)量信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)權(quán)利要求3的發(fā)明具有能把頻率信號(hào)用作測(cè)量信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)明具有能把電容信號(hào)用作測(cè)量信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。
概括以上所述，根據(jù)權(quán)利要求1、2、3及4的發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)靜壓力與溫度特性均非常好的半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置。
另一方面，在圖11所示的計(jì)算電路36中，至少需要放大器362、363以及差分放大器364，這會(huì)使計(jì)算電路變復(fù)雜并提高制造成本。
圖16是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明的第四實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。圖17是圖16所說(shuō)明的實(shí)施例中的測(cè)量膜片的平面視圖，并描述圖16的本質(zhì)部分的細(xì)節(jié)。圖18是一個(gè)描述17所示部分的計(jì)算電路的本質(zhì)部分的圖。在這些圖中，帶有與圖5同樣符號(hào)的元件表示同樣的功用。下面的敘述中僅說(shuō)明不同于圖5的部分。
在圖16中，數(shù)字61和62表示檢測(cè)在第一膜片23中產(chǎn)生的應(yīng)變的第一傳感器1和第一傳感器2，并如圖17所示，順著膜片23的垂直方向的各邊安裝。在這一情形，應(yīng)變片用作傳感器。
數(shù)字63和64表示檢測(cè)在第二測(cè)量膜片26中產(chǎn)生的應(yīng)變的第二傳感器1和第二傳感器2，并如圖17所示，順著膜片26的垂直方向的各邊安裝。在這一情形，應(yīng)變片用作傳感器。
數(shù)字65是一個(gè)如此構(gòu)造的計(jì)算電路，通過(guò)計(jì)算第一傳感器61和62的結(jié)果輸出與第二傳感器63和64的結(jié)果輸出之間的差得出對(duì)應(yīng)于被測(cè)差示壓力的電輸出信號(hào)，和圖18所示。
數(shù)字651是設(shè)在計(jì)算電路65中的一個(gè)橋式電路。這個(gè)電橋651具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中第一傳感器61和62連拉成互為對(duì)面的橋臂，而第二傳感63和64則連接成另一對(duì)互為對(duì)面的橋臂，如圖18所示。這表示，第一傳感器1-61、第二傳感器1-63、第一傳感器2-62以及第二傳感器2-64在圖18中按順時(shí)針?lè)较蛞来闻帕谐呻姌?51的各個(gè)橋臂。
數(shù)字652表示在連接傳感器61和63的一個(gè)電源端子與連接傳感器62和64的另一個(gè)電源端子之間給出電壓的電源。
數(shù)字653表示一個(gè)放大器，將連接傳感器61和64的一個(gè)輸出端子與連接傳感器62和64的另一個(gè)輸出端之間的輸出放大。
第一傳感器61與62以及第二傳感器63與64都檢測(cè)被測(cè)差示壓力的同一應(yīng)變，但對(duì)于溫度變化和靜壓力來(lái)說(shuō)，則根據(jù)位置排列的對(duì)稱(chēng)性，第一傳感器1-61和第二傳感器1-63檢測(cè)同一應(yīng)變，以及第一傳感器2-62和第二傳感器2-64檢測(cè)另一應(yīng)變。
因而，在如圖18所示這樣的連接方式下，即使溫度變化或施加靜壓力，電橋651的輸出也不會(huì)在第一傳感器1-61和第二傳感器1-63的輸出變化時(shí)改變。同樣地，電橋651的輸出不會(huì)在第一傳感器2-62和第二傳感器2-64變化時(shí)改變。
在這一結(jié)構(gòu)中，高壓側(cè)的測(cè)量壓力PH經(jīng)由第一連通孔32加到第三測(cè)量小室29和第二測(cè)量小室25。而低壓側(cè)的測(cè)量壓力PL則經(jīng)由第二連通孔33加到第四測(cè)量小室31和第一測(cè)量小室21上。
如圖19所示，與高壓側(cè)的測(cè)量壓力PH和低壓側(cè)的測(cè)量壓力PL之間的壓力差對(duì)應(yīng)，第一測(cè)量膜片23和第二測(cè)量膜片26偏移并產(chǎn)生應(yīng)變。這些應(yīng)變量通過(guò)第一傳感器61和62以及第二傳感器63和64以電的方式檢測(cè)出來(lái)。
計(jì)算電路65使用橋式電路651計(jì)算第一傳感器61和62的輸出與第二傳感器63和64的輸出之間的差，并輸出一個(gè)相應(yīng)于被測(cè)差示壓力的輸出信號(hào)，同時(shí)降低了由于靜壓力和溫度引起的誤差。也就是說(shuō)，在第一傳感器61和62以及第二傳感器63和64中，對(duì)于靜壓力和溫度來(lái)講，其電阻變化率ΔR/R接近相等，如圖20所示。于是電橋輸出QB的電阻變化率ΔR/R變小。而與此同時(shí)，第一傳感器61和62中對(duì)于差示壓力的電阻變化率ΔR/R與第二傳感器63和64中的相應(yīng)變化率相等但反相，因此，如圖21的示，橋輸出QB的電阻變化率ΔR/R變大。從而，只測(cè)量電橋651的輸出就能降低由靜壓力和溫度引起的誤差。
結(jié)果，通過(guò)使用分別裝在借助被測(cè)差示壓力反相連接的兩個(gè)測(cè)量膜片23和26上的第一傳感器61和62以及第二傳感器63和64組成電橋651，能夠簡(jiǎn)化計(jì)算電路65并且能夠降低制造成本。事實(shí)上，在計(jì)算電路36中必須有三個(gè)放大器，而在計(jì)算電路65中只需一個(gè)放大器。
圖22是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明第五實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。在本實(shí)施例中，數(shù)字71和72表示檢測(cè)第一測(cè)量膜片23中產(chǎn)生的應(yīng)變的第一傳感器1和第一傳感器2，它們順著膜片23水平方向的各邊安裝，如圖22所示。
數(shù)字73和74表示檢測(cè)第二膜片26中產(chǎn)生的應(yīng)變的第二傳感器1和第二傳感器2，它們質(zhì)著膜片26的水平方向的各邊安裝，如圖22所示。
數(shù)字75是一個(gè)如此構(gòu)造的計(jì)算電路，通過(guò)計(jì)算第一傳感器71和72的結(jié)果輸出與第二傳感器73和74的結(jié)果輸出之間的差得出對(duì)應(yīng)于被測(cè)差示壓力的電輸出信號(hào)，如圖23所示。
數(shù)字751表示設(shè)在計(jì)算電路75中的一個(gè)橋式電路。這個(gè)電橋751具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中第一傳感器71和72連成互為對(duì)面的橋臂，第二傳感器73和74連成另一對(duì)互為對(duì)面的橋臂，如圖23所示。這表示第一傳感器1-71、第二傳感器1-73、第一傳感器2-72以及第二傳感器2-74在圖23中按順時(shí)針?lè)较蛞来闻懦呻姌?51的各個(gè)橋臂。
數(shù)字752表示在連接傳感71和73和一個(gè)電源端子與連接傳感器72和74的另一個(gè)電源端子之間給出電壓的電源。
數(shù)字753表示一個(gè)放大器，放大電橋751中的一個(gè)連接傳感器71和傳感器74的輸出端子與另一個(gè)連接傳感器73和傳感器72的輸出端子之間的輸出。在上面的結(jié)構(gòu)中，其工作和作用與圖16所說(shuō)明的實(shí)施例的一樣。
圖24是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明的第六實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。在本實(shí)施例中，數(shù)字81和82表示檢測(cè)第一測(cè)量膜片中產(chǎn)生的應(yīng)變的第一傳感器1和第一傳感器2，它們平行于膜片23的邊并且安裝在膜片23的中心附近，如圖24所示。
數(shù)字83和84表示檢測(cè)第二測(cè)量膜片26中產(chǎn)生的應(yīng)變的第二傳感器1和第二傳感器2，它們平行于膜片26的邊并且安裝在膜片26的中心附近，如圖24所示。在這一情形，采用一個(gè)(110)硅片作為硅基片22。這是因?yàn)槿羰褂?110)硅片，則甚至在第一測(cè)量膜片23的中心和第二測(cè)量膜片26的中心附近，應(yīng)變片也是靈敏的。
數(shù)字85是一個(gè)如此構(gòu)造的計(jì)算電路，通過(guò)計(jì)算第一傳感器81和82的結(jié)果輸出與第二傳感器83和84的結(jié)果輸出之間的差得出對(duì)應(yīng)于被測(cè)差示壓力的電輸出信號(hào)，如圖25所示。
數(shù)字851是設(shè)在計(jì)算電路85中的一個(gè)橋式電路。這個(gè)電橋851具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中第一傳感器81和82連成互為對(duì)面的橋壁，第二傳感器83和84連成另一對(duì)互為對(duì)面的橋臂，如圖25所示。這表示，第一傳感器1-81、第二傳感器1-83、第一傳感器2-82以及第二傳感器2-84在圖25中按順時(shí)針?lè)较蛞来闻懦呻姌?51的各個(gè)橋臂。
數(shù)字852表示在電橋851中連接傳感器81和83的一個(gè)電源端子與連接傳感器82和84的另一個(gè)電源端子之間給出電壓的電源。
數(shù)字853表示一個(gè)放大器，放大電橋851中一個(gè)連接傳感器81和傳感器84的輸出端子與另一個(gè)連接傳感器83和傳感器82的輸出端子之間的輸出。在上述結(jié)構(gòu)中，其工作和作用如像在圖16中所說(shuō)明的實(shí)施例的一樣。
圖26是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明第七實(shí)施例的本質(zhì)部分的結(jié)構(gòu)的圖。在本實(shí)施例中，數(shù)字91表示檢測(cè)由被測(cè)差示壓力在第一測(cè)量膜片23中產(chǎn)生—的應(yīng)變的第一傳感器，并且第一傳感器91順著第一測(cè)量膜片23的垂直邊安裝，如圖26所示。
數(shù)字93表示檢測(cè)由被測(cè)差分壓力在第二測(cè)量膜片26中產(chǎn)生的應(yīng)變的第二傳感器，并且第二傳感器93順著第二測(cè)量膜片26的垂直邊安裝，如圖26所示。
數(shù)字92和94表示設(shè)在硅基片上圍繞第一和第二測(cè)量膜片23和26對(duì)稱(chēng)地放置的第三和第四傳感器，如圖26所示。
數(shù)字95是一個(gè)如此構(gòu)造的計(jì)算電路，通過(guò)計(jì)算第一傳感器91的結(jié)果輸出與第二傳感器93的結(jié)果輸出之間的差得到對(duì)應(yīng)于被測(cè)差示壓力的電輸出信號(hào)，如圖27所示。設(shè)置第三和第四傳感器為的是能獲得有效的靜壓力和溫度補(bǔ)償。
數(shù)字951表示設(shè)置在計(jì)算電路95中的一個(gè)橋式電路。這個(gè)電橋951具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中第一傳感器91和第三傳感器92連接成互為對(duì)面的橋臂，第二傳感器93和第四傳感器94連接成另一對(duì)互為對(duì)面的橋臂，如圖27所示。這表示，第一傳感器91、第二傳感器93、第三傳感器92以及第四傳感器94在圖27中按順時(shí)針?lè)较蛞来闻懦呻姌?51的各個(gè)橋臂。
數(shù)字952表示在電橋951中連接第一傳感器91和第二傳感器93的一個(gè)電源端子與另一個(gè)連接第三傳感器92和第四傳感器94的電源端子之間給出電壓的電源。
數(shù)字953表示一個(gè)放大器，它將電橋951中的一個(gè)連接第一傳感器91和第四傳感器94的輸出端子與另一個(gè)連接第二傳感器93的第三傳感器92的輸出端子之間的輸出放大。在上面的結(jié)構(gòu)中，其工作和作用如像在圖16中所說(shuō)明的實(shí)施例的一樣。
此外，在上面的實(shí)施例中，說(shuō)明了電橋651、751或851分別是由第一傳感器61和62、71和72或81和82與第二傳感器63和64、73、74或83、84構(gòu)成的。但是，這并不限于象圖26所示那樣的結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)言之，組成一個(gè)作為差示壓力檢測(cè)機(jī)構(gòu)的電橋使得至少一個(gè)第一傳感器和一個(gè)第二傳感器裝在相鄰的橋臂上并能夠獲得相應(yīng)于被測(cè)差示壓力的電輸出信號(hào)便已足夠。也就是說(shuō)，電橋的另外兩個(gè)橋臂可由普通的電阻元件組成。
再者，在上面的實(shí)施例中，說(shuō)明是使用硅基片22。但并不限于此點(diǎn)，例如說(shuō)也可使用砷化鎵基片或碳化硅基片。總之，裝置可由任何半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
雖然在上面的實(shí)施例中說(shuō)明的是第二測(cè)量膜片26具有像第一膜片23一樣的作用面積，這是較可取的，不過(guò)不限于此點(diǎn)。例如，若第一測(cè)量膜片23的厚度不同于第二測(cè)量膜片的厚度，就不必具有同樣的作用面積。若兩個(gè)測(cè)量膜片的作用面積不同。則使用校正系數(shù)校正也不要緊。總之，有兩個(gè)測(cè)量膜片23和26便已足夠。
如上所述，借助根據(jù)權(quán)利要求5至7的發(fā)明，通過(guò)使用分別安裝在兩個(gè)測(cè)量膜片(被測(cè)差示壓力構(gòu)成反相工作)上的第一傳感器和第二傳感器構(gòu)成一個(gè)電橋使計(jì)算電路可以一種較簡(jiǎn)單的方式構(gòu)成，并使且可制造成本降低。因而，根據(jù)權(quán)利要求5、6和7的發(fā)明能實(shí)現(xiàn)靜壓力和溫度特性極好的半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置，并提供一種低成本的差示壓力檢測(cè)機(jī)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種在其中將測(cè)量小室設(shè)在測(cè)量膜片的相對(duì)側(cè)的半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置，組成如下(1)一個(gè)設(shè)在半導(dǎo)體基片的一個(gè)表面附近的第一測(cè)量小室和一個(gè)在所述測(cè)量小室的同一基片表面?zhèn)刃纬傻牡谝粶y(cè)量膜片；(2)一個(gè)設(shè)在所述基片的表面上的第一凹面，位于與所述第一測(cè)量小室相對(duì)的所述第一測(cè)量膜片面上；(3)一個(gè)設(shè)在所述半導(dǎo)體基片表面附近的第二測(cè)量小室，和一個(gè)在所述第二測(cè)量小室的同一個(gè)基片表面?zhèn)刃纬傻牡诙y(cè)量膜片；(4)一個(gè)設(shè)在所述基片表面上的第二凹面，位于與所述第二測(cè)量小室相對(duì)的所述第二測(cè)量膜片面上；(5)一個(gè)支托基片，其表面接靠所述半導(dǎo)體基片的所述表面，它用所述第一凹面構(gòu)成一個(gè)第三測(cè)量小室，并用所述第二凹面構(gòu)成一個(gè)第四測(cè)量小室；(6)一個(gè)設(shè)在所述半導(dǎo)體基片內(nèi)的第一連通孔，在其一端輸入一個(gè)測(cè)量壓力，并且其另一端與所述第三和第二測(cè)量小室連通；(7)一個(gè)設(shè)在所述半導(dǎo)體基片內(nèi)的第二連通孔，在其一端輸入另一個(gè)測(cè)量壓力，并且其另一端與所述第四和第一測(cè)量小室連通；(8)一個(gè)第一傳感器，檢測(cè)由被測(cè)差示壓力在第一測(cè)量膜片中產(chǎn)生的位移或應(yīng)變；(9)一個(gè)第二傳感器，檢測(cè)由所述被測(cè)差示壓力在第二測(cè)量膜片中產(chǎn)生的位移或應(yīng)變；以及(10)一個(gè)計(jì)算電路，計(jì)算所述第一傳感器的輸出與所述第二傳感器的輸出之間的差，作為相應(yīng)于所述被測(cè)差示壓力的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置，其中應(yīng)變片用作所述第一和第二傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置，其中振動(dòng)式應(yīng)變傳感器用作所述第一和第二傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置，其中電容式傳感器用作所述第一和第二傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置，其中一種包括一個(gè)構(gòu)造得至少包含一個(gè)所述第一傳感器和一個(gè)所述第二傳感器的電橋的計(jì)算電路被用作所述計(jì)算電路，并被安排成通過(guò)將所述第一和第二傳感器放在所述電橋的鄰接橋臂中而獲得一個(gè)相應(yīng)于所述被測(cè)差示壓力的電輸出信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置，包括圍繞所述半導(dǎo)體基片上的所述第一和第二測(cè)量膜片互相對(duì)稱(chēng)地安裝的第三和第四傳感器；以及一個(gè)差示壓力檢測(cè)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)被安排得通過(guò)將所述第一和第二傳感器分別置于所述電述電橋的兩個(gè)橋臂中，且將所述二個(gè)橋臂的連接端接到所述電橋的一個(gè)電源端子上，并通過(guò)將所述第三和第四傳感器分別置于所述電橋的其余兩個(gè)橋臂中，且將所述其余兩個(gè)橋臂的連接端接到所述電橋的另一個(gè)電源端子上，以獲得一個(gè)相應(yīng)于所述被測(cè)差示壓力的電輸出信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置，包括一個(gè)差示壓力測(cè)量機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)被安排得通過(guò)將所述第一和第二傳感器分別置于所述電橋的兩個(gè)橋臂中，且將所述兩個(gè)橋臂的連接端接到所述電橋的一個(gè)電源端子上，并通過(guò)將兩個(gè)電阻元件分別置于所述電橋的其余兩個(gè)橋臂中，且將所述其余兩個(gè)橋臂的連接端接到所述電橋的另一個(gè)電源端子上，以獲得一個(gè)相應(yīng)于所述被測(cè)差示壓力的電輸出信號(hào)。
全文摘要
一種半導(dǎo)體差示壓力測(cè)量裝置，包括使用微加工技術(shù)安設(shè)在半導(dǎo)體基片上的兩個(gè)測(cè)量膜片和兩個(gè)檢測(cè)傳感器，以及計(jì)算這兩個(gè)傳感器之間的輸出差的計(jì)算電路。此外，計(jì)算電路可以被布置成僅僅使用至少一個(gè)第一傳感器和一個(gè)第二傳感器(各在一個(gè)測(cè)量膜片上)來(lái)構(gòu)成所需要的橋式電路，以減少制作成本。
文檔編號(hào)G01L19/04GK1140836SQ9610757
公開(kāi)日1997年1月22日 申請(qǐng)日期1996年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月14日
發(fā)明者池田恭一, 渡邊哲也, 福原聰, 吉田隆司, 本秀郎 申請(qǐng)人:橫河電機(jī)株式會(huì)社