CN100353153C - 电容压力传感器 - Google Patents
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Abstract
电容压力传感器(1)，包括：基体(10)，其在一端面具有带有凹陷中心区域的支撑薄膜床(11)；与基体沿着接合位置气密连接的薄膜(17)，其中薄膜(17)覆盖薄膜床(11)。测量电极(13)设置在薄膜床的中心区域；参考电极(14)设置在凹槽(12)中，以增加其到在薄膜(17)上的相对电极(18)的距离。因此，在参考电极和相对电极之间的参考电容对于薄膜(17)的与压力相关的偏移变得敏感。结果，这导致压力传感器敏感性的增大。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容压力传感器，特别是陶瓷电容压力传感器。
背景技术
为了测量过程介质的压力，这种压力传感器在过程测量技术中多次使用，过程介质包括液体、气体或蒸汽。
基本上这种压力传感器由基体和薄膜构成，特别地由陶瓷基体和陶瓷薄膜构成。在基体上设置一个浅的凹口，其也被称作为薄膜床并且能被薄膜完全覆盖。
薄膜床和薄膜限定了一个压力室，其与真正的过程介质分开并且通常充入作为压力传输介质的硅酮树脂油或者对于绝对压力传感器可能被抽空。压力室必须是气密或者液密的，这在制造薄膜和基体之间的连接时，就要求昂贵的成本。
在薄膜床和对着薄膜床的薄膜下表面上分别设置电极，其例如使用溅射技术、蒸发过程或者丝网印刷过程设置，如在US-A 50 50 035中所述的。这两个电极一起构成一个测量电容器，它的测量信号被利用。
过程介质以压力p作用在薄膜的上面，并且该压力不同于在压力室中产生的参考压力pR，所以薄膜弹性变形。这就导致两个电极的距离变化，因此改变标准电容器的电容。标准电容器的电容是表示压力差别的一个指标。它将作为测量信号通过连结到两极上的测量电子仪器的辅助被采集和利用。
为了使温度、湿度、气体成分和偏差的干扰作用最小化，根据图3中示出现有技术除了测量电容器还设置一个参考电容器。在圆柱的基体端面上设置一个中心全圆形的测量电极123，其被平面圆环形参考电极124包围。通过触点125和126，可以计算出在测量电极123或参考电极124与薄膜电极128之间的电容Cm和Cr。在与相对电极平行的结构时，也就是说在薄膜没有压力加载时，电容Cm和Cr应该是相等的。干扰量对电容Cm和Cr实现近似并且可比较的影响，然而加载应该对Cr作用尽可能的小。对于一个压力加载的Cm-Cr压力值是一个对压力传感器的敏感性的指标。
对于压力传感器的这种结构，材料的选择也是有限制的。特别陶瓷薄膜对机械拉应力是相当敏感的。在如图3中下面120示出的圆柱薄膜床时，在较高的压力下特别在基体支撑边缘的范围内受到能导致薄膜断裂的强拉力。这里也仅给出一个限制的过载兼容性。
从EP-0291393中已知一种压差传感器，其中薄膜床具有一个专门的形式来提高过载兼容性。因此薄膜床的切线或者结构仿制薄膜的弹性曲线。在过载的情况下，也就是说，压力差远超过传感器的测量范围，薄膜到达压力传感器，压力传感器产生较大的过程压力，同样到达具有薄膜床的设备。在过载情况下，这对在基体上的薄膜产生一个有效的支撑作用。欧洲专利申请EP 1010973A1公开了一种传感器，它的薄膜床不完全与弹性曲线符合但是逐段相似，为了一方面在过载情况下保证足够的支撑，另一方面避免薄膜在薄膜床上完全连结，因为这样被很大的粘附力连结，能粘住薄膜或者在由于过载薄膜断裂时损坏电极。
上述支撑的薄膜床是普通的，它具有在过载时候至少逐段支撑薄膜的结构，其支撑的范围取决于，薄膜床的结构和薄膜的弹性曲线的相似程度。在通常情况下支撑薄膜床具有凹的中心区域和凸的边缘区域的轮廓，它不取决于与现在相关的薄膜床的形式的细节。
根据图2中示出的压力室2，明显的在薄膜床上的参考电极24不再与测量电极23平行设置。因此该压力传感器有很多缺点。
首先在对着参考电极的边缘范围上薄膜的扰度具有很小的偏移。因为在参考电极和相对电极之间的距离已经是很小的，所以很小的偏移产生很大的参考电容Cr的电容变化。所以压力Cm-Cr减小，因此减小压力传感器的敏感性。
其次，由于减小的距离参考电极必须具有比测量电极小的表面，如果参考电极在薄膜的平衡位置也具有和测量电极应该有的电容相同的电容。这就需要提高加工精度的要求。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种能克服上述缺陷的电容压力传感器，其具有支撑薄膜床以及测量电极和参考电极。
根据本发明的电容压力传感器，包括：基体，其在一端面具有带有凹陷中心区域的支撑薄膜床；与基体沿着接合位置气密连接的薄膜，其中薄膜覆盖薄膜床；第一电极，其设置在薄膜床的中心部分上；第二电极，其设置在第一电极和基体端面接合位置之间的范围内；相对电极，其设置在对着基体的薄膜面上；其中薄膜床在第一电极和接合位置之间的范围内具有凹处，其中设置第二电极。
优选地，第二电极环形地包围第一电极。进一步优选地，当薄膜松弛时，即当不存在压力加载时，第一电极和第二电极具有几乎相等的电容。这种结构说明，第一电极和第二电极在面积一样时优选地具有到相对电极相等的平均距离。
由于第一电极首先设置在薄膜床的凹陷部分，所以对于不同范围的第一电极到相对电极的距离是不同的。(对于轴对称的第一电极，距离例如是半径的函数。)同样的第二电极具有不同的到相对电极的距离，虽然现在优选的是固定的距离。这种情况下，第二电极和相对电极的距离等于第一电极与相对电极距离的平均值。
如开始提及的参考电容与压力相关的变化应该尽可能的小，这就是说，在压力传感器额定的压力范围内，在参考电极和相对电极之间的电容与压力相关的变化dCr(p)不多于在测量电极和相对电极之间的电容与压力相关的变化dCm(p)的约20％，优选的不多于10％，更优选的不多于5％，特别优选的不多于2.5％。
特别为了满足严格要求dCr(p)＜＝10％(dCm(p))，要求参考电极和相对电极之间的平均距离大于测量电极和相对电极之间的平均距离。为了在平衡位置取得相同的电容，就意味着，参考电极的面积要相应地大于测量电极的面积。
如前所述，支撑薄膜床具有凹陷的中心区域，其优选地被一个凸起区域环形地包围，以近似薄膜的弹性曲线。用于参考电极的凹处优选地与薄膜床的凸起区域重叠。
在特别的结构中，凹处覆盖全部凸起区域，所以实际上不再存在凸起区域。尽管这种特别的情况不属于本发明现在优选的实施例，但是它存在于根据本发明的一般原理中，在支撑薄膜床中设置一个用于参考电极的凹处。
提供根据本发明结构的目的是争取减小参考电极的压敏特性并且具有很好的加工优点。如前所述，参考电容应该等于测量电容。随着参考电极与相对电极之间的距离增大，因此参考电极可以具有更大的面积。这就意味着能轻易地制造参考电极，在给定参考电极面积的相对制造误差的上限值时，加工的绝对误差随着面积的增加而增加。
优选的在陶瓷电容压力传感器时，通过磨削而在基体的一端面中加工支撑薄膜床。同时，用于参考电极的凹处可以在同一工序中加工出来。
为了控制在薄膜和薄膜床之间的距离，或者在相对电极(一方面如测量电极另一方面是参考电极)之间的距离，在基体的端面上构造有至少一个轴向接触面，它超过薄膜床要求的距离。轴向的接触面例如可以加工成在轴向方向上环绕的环形突出部分。
轴向接触面的位置可以通过接合材料的厚度距离调整，利用该接合材料基体和薄膜被连结起来。对此，活性黄铜焊料(Aktivhartlote)或者玻璃特别适合作为接合材料。
结果，根据本发明的压力传感器在过载情况下使薄膜能被支撑，同时继续使大的压力差Cp-Cr是可能。
结合本发明，术语压力传感器可以理解为绝对压力传感器、相对压力传感器和压差传感器。现在根据绝对压力传感器的实施例解释本发明。
附图说明
示出：
图1是根据本发明的压力传感器的截面图；
图2是根据具有支撑薄膜床的现有技术的压力传感器的截面图；以及
图3是根据具有方形截面薄膜床的现有技术的压力传感器的截面图。
具体实施方式
图1中示出压力传感器1包括圆柱形基体10和由Al2O3构成的薄膜17，其中薄膜17通过它的边缘固定到基体10的端面上。在端面上铸造一个薄膜床11，其与过载情况下的薄膜17的弹性曲线相似。这就是说，在过载的情况下，薄膜17逐段位于薄膜床上并且以这种方式支撑。
在图1中描述的尺寸关系不是真实的比例，为了清楚说明的目的特别是薄膜床的深度与其它尺寸的关系在数量级上夸大了。基体的直径和厚度通常以几厘米为数量级，然而薄膜床的深度例如约为50μm。
薄膜床11的中心凹陷区域具有一个测量电极13，其通过第一电线15接触。第一测量电极13被一个环形的参考电极14包围，其设置在与基本平面平行的环形沟或者凹槽12中。参考电极通过第二电线16接触。
在现在优选的结构形式中，参考电极14与测量电极13在同一平面。
薄膜17的对着基体10的一面具有一个相对电极18，其与参考电极14所处的平面平行。相对电极18覆盖所有的薄膜面积并且与压力传感器的外壳表面接触。
沟12的几何形状是可选的，使得在参考电极14和相对电极18之间的电容等于测量电极13和相对电极18之间的电容。也就是说，参考电极14和相对电极18之间的平均距离等于测量电极13和相对电极18之间的平均距离。在描述的实施例中，沟12的横截面是方形，也可以是梯形，其他多边形或任意不规则的形状。
薄膜床11的径向向内与沟12连结的部分，在本实施形式中如此设置，以便在过载情况下薄膜17的弹性曲线与下面渐进相似。所以保证，在过载的情况下不会绝缘的点负载。
现在优选的，在薄膜床11和沟12之间的过渡如此设置，以便在全部测量压力范围下，薄膜17不会位于该过渡范围中。因此，由于在薄膜和基体之间的摩擦减小了滞后影响。另一方面，在薄膜和薄膜床之间的距离必须足够小，以便保证期望的过载特性。
在不偏离本发明基本思想下，本发明其它的结构和改型，特别是以相对压力传感器或压差传感器实现本发明的原理，对本领域技术人员是显而易见的。
Claims (10)
1.电容压力传感器(1)，包括：
基体(10)，其在一端面具有带有凹陷中心区域的支撑薄膜床(11)；
与基体(10)沿着接合位置气密连接的薄膜(17)，其中薄膜(17)覆盖薄膜床(11)；
第一电极(13)，其设置在薄膜床(11)的中心部分上；
第二电极(14)，其设置在第一电极(13)和基体(10)端面接合位置之间的范围内；
相对电极(18)，其设置在薄膜对着基体(10)的面上；其特征在于
薄膜床(11)在第一电极(13)和接合位置之间的范围内具有凹处(12)，其中设置第二电极(14)。
2.根据权利要求1中的压力传感器，其中第二电极(14)环形地包围第一电极(13)。
3.根据权利要求1或2中的压力传感器，其中当薄膜松弛时，在第一电极和相对电极之间的电容几乎等于在第二电极和相对电极之间的电容。
4.根据权利要求1的压力传感器，其中在压力传感器额定的压力范围内，在第二电极和相对电极之间的与压力相关的电容变化不多于在第一电极和相对电极之间的与压力相关的电容变化的20％。
5.根据权利要求4的压力传感器，其中在压力传感器额定的压力范围内，在第二电极和相对电极之间的与压力相关的电容变化不多于在第一电极和相对电极之间的与压力相关的电容变化的10％。
6.根据权利要求5的压力传感器，其中在压力传感器额定的压力范围内，在第二电极和相对电极之间的与压力相关的电容变化不多于在第一电极和相对电极之间的与压力相关的电容变化的5％。
7.根据权利要求6的压力传感器，其中在压力传感器额定的压力范围内，在第二电极和相对电极之间的与压力相关的电容变化不多于在第一电极和相对电极之间的与压力相关的电容变化的2.5％。
8.根据权利要求1的压力传感器，其中薄膜没有压力加载时，第一电极(13)与相对电极(18)的平均距离小于第二电极(14)与相对电极(18)的平均距离。
9.根据权利要求1的压力传感器(1)，其中压力传感器具有陶瓷基体(10)和陶瓷薄膜(17)。
10.根据权利要求1的压力传感器，其中基体在其端面上的边缘区域中具有一个止端，通过它可以确定相对电极与第一电极或第二电极的距离。
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