CN118129972A - 电容式压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容式压力传感器及其制造方法，其中所述电容式压力传感器，包括第一测量组件、第二测量组件以及位于所述第一测量组件和所述第二测量组件之间的中心测量杯体，其中所述第一测量组件和所述第二测量组件背对背地设置在所述中心测量杯体的两个相对侧，其中所述第一测量组件与所述第二测量组件的朝向相反，所述第一测量组件和所述第二测量组件通过所述中心测量杯体传递压强，进而计算出所述第一测量组件和所述第二测量组件之间的压力。

Description

电容式压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电容式压力传感器及其制造方法。

背景技术

压力变送器测量原理主要由硅压阻压力传感器、硅谐振压力传感器、陶瓷电容式压力传感器、金属电容式压力传感器、电感式压力传感器等原理，其中金属电容式压力传感器多采用双电容差分结构。如图1所示为现有技术的一种金属电容式压力传感器，当传感器两侧收到差压时，中心测量膜片由于其受力不平衡，由中心测量膜片与高压测测量极板行程电容C1及中心测量膜片与低压测测量极板行程电容C2将发生变化，C1增大Δ，C2减小Δ，以此获得2Δ的信号变化量用于进行压力测量。

但在现有技术中存在以下问题：首先，由于测量的信号量为电容量，在测量时存在分布寄生电容，如果压力输入小导致电容量变化量过小会导致由于寄生电容的噪声使得测量更加困难，此问题导致电容式压力变送器普遍量程比只能做到40：1，无法如硅压阻变送器等原理一样做到100：1以上；其次，当需要对传感器进行温度补偿时，该结构传感器本身无温度测量方法，使得只能在传感器外侧增加温度测量元件，由于结构件为金属、玻璃等组成的组件，其比热容较大使得结构件与温度测量元件处于不同温场中，使得温度补偿效果不佳，影响产品的性能。

发明内容

本发明的一个主要优势在于提供一电容式压力传感器及其制造方法，其中所述电容式压力传感器可以解决上述压力变化产生的信号量较小，测量困难以及获得更优异的温度补偿结果。

本发明的另一个优势在于提供一电容式压力传感器及其制造方法，其中所述电容式压力传感器可以获得更大的信号变化量。

本发明的另一个优势在于提供一电容式压力传感器及其制造方法，其中所述电容式压力传感器包括至少两个相互连接的检测组件，其中所述检测组件之间相互传递压力信号，有利于提高传感器的灵敏度。

本发明的另一个优势在于提供一电容式压力传感器及其制造方法，其中所述电容式压力传感器可以测量温度信号及静压信号，进而在压力检测过程中获得温度补偿结果，提高检测的准确性。

依本发明的一个方面，能够实现前述目的和其他目的和优势的本发明的一电容式压力传感器，包括第一测量组件、第二测量组件以及位于所述第一测量组件和所述第二测量组件之间的中心测量杯体，其中所述第一测量组件和所述第二测量组件背对背地设置在所述中心测量杯体的两个相对侧，其中所述第一测量组件与所述第二测量组件的朝向相反，所述第一测量组件和所述第二测量组件通过所述中心测量杯体传递压强，进而计算出所述第一测量组件和所述第二测量组件之间的压力。

根据本发明的一个实施例，所述第一测量组件包括第一隔离膜片、第一测量基座、第一测量膜片、第一电极以及第二电极，其中所述第一隔离膜片和所述第一测量膜片被设置在所述第一测量基座的两相对侧，所述第一电极和所述第二电极被对称地设置在所述第一测量膜片的两侧，所述第一测量基座具有连通所述第一隔离膜片和所述第一测量膜片的第一连通通道，在所述第一连通通道内填充导压液。

根据本发明的一个实施例，所述中心测量杯体具有一中心连通通道，其中所述中心连通通道贯穿所述中心测量杯体的两侧，其连通所述第一测量组件和所述第二测量组件，其中该所述中心测量杯体的所述中心连通通道中被填充导压液，用于传导压力。

根据本发明的一个实施例，所述第一测量组件和所述中心测量杯体之间设有第一导压空间，其中所述第一测量膜片被设置在所述第一导压空间中，并且所述第一测量膜片将所述第一导压空间间隔成相互间隔且相互独立的第一容置腔和第二容置腔，其中所述第一容置腔与所述第一连通通道相连通，所述第一容置腔和所述第一连通通道内被填充所述导压液，用于传递压力。

根据本发明的一个实施例，所述第二测量组件包括第二隔离膜片、第二测量基座、第二测量膜片、第三电极以及第四电极，其中所述第二隔离膜片被设置在所述第二测量基座的端部，所述第二测量基座具有连通所述第二隔离膜片和所述第二测量膜片的第二连通通道，在所述第二连通通道内填充导压液。

根据本发明的一个实施例，所述第二测量基座与所述中心测量杯体形成第二导压空间，其中所述第二测量膜片被间隔地设置在所述第二导压空间中，并且由所述第二测量膜片将所述第二导压空间间隔成相互间隔且相互独立的第三容置腔和第四容置腔，其中所述第三容置腔通过所述中心测量杯体的所述中心连通通道与所述第二容置腔相连通，在所述第一容置腔、第二容置腔、第三容置腔以及所述第四容置腔内被填充导压液。

根据本发明的一个实施例，所述第一电极与金属外壳地形成第一电容C1，所述第二电极与金属外壳地形成第二电容C2，所述第三电极与金属外壳地形成第三电容C3，所述第四电极与金属外壳地形成第四电容C4。

根据本发明的一个实施例，当所述第一测量膜片和所述第二测量膜片发生变形时，由于所述第一测量膜片和所述第二测量膜片的变形量相同，则第一电容C1变为C1-Δ、第二电容C2变为C2+Δ、第三电容C3变为C3-Δ、第四电容C4变为C4+Δ。

根据本发明的一个实施例，所述第一测量组件检测到的压强P1通过所述第一隔离膜片和导压液将压强传导至所述第一测量膜片，其中所述第一测量膜片在导压液的作用下变形，并将压力通过所述导压液传导至所述第二测量膜片；所述第二测量组件检测到的压强P2通过所述第二隔离膜片和导压液将压强传导至所述第二测量膜片，其中所述第二测量膜片在导压液的作用下变形，并将压力通过所述导压液传导至所述第一测量膜片。

根据本发明的一个实施例，进一步包括第一防护环和第二防护环，其中所述第一防护环被设置在所述第一测量组件的外侧，所述第二防护环被设置在所述第二测量组件的外侧，所述第一防护环用户固定所述第一测量组件，所述第二防护环用于固定所述第二测量组件。

根据本申请的另一方面，本申请进一步提供一种电容式压力传感器的制造方法，其中所述制造方法包括如下步骤：

通过烧结的方式连接第一测量基座和第一电极，将所述第二电极、第三电极固定于中心测量杯体，以及通过烧结的方式连接第四电极和第二测量基座；

将第一测量膜片固定在所述第一测量基座和所述中心测量杯体之间，将第二测量膜片固定在所述中心测量杯体和所述第二测量基座之间；以及

通过中空的电极向所述第一测量基座、所述中心测量杯体以及所述第二测量基座中填充导压液，用于压力传导。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明和附图得以充分体现。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述。在附图中，除非另有说明，相同的附图标记用于表示相同的部件。其中：

图1是现有技术的一种金属电容式压力传感器的结构示意图。

图2是根据本发明的第一较佳实施例的一电容式压力传感器的结构示意图。

具体实施方式

需要指出，附图示出的实施例仅作为示例用于具体和形象地解释和说明本发明的构思，其在尺寸结构方面既不必然按照比例绘制，也不构成对本发明构思的限制。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各个附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

参照本申请说明书附图之图2所示，依照本申请第一较佳实施例的一电容式压力传感器在接下来的描述中被阐明。所述电容式压力传感器包括第一测量组件10、第二测量组件20以及位于所述第一测量组件10和所述第二测量组件20之间的中心测量杯体30，其中所述第一测量组件10和所述第二测量组件20背对背地设置在所述中心测量杯体30的两个相对侧，其中所述第一测量组件10与所述第二测量组件20的朝向相反。所述第一测量组件10和所述第二测量组件20被设置在所述中心测量杯体30的两侧，并且所述第一测量组件10和所述第二测量组件20通过所述中心测量杯体30传递压强，当所述第一测量组件10和所述第二测量组件20之间存在压强差时，所述第一测量组件10和所述第二测量组件20通过所述中心测量杯体30传递压强差，进而计算出所述第一测量组件10和所述第二测量组件20之间的压力，从而可以提高传感器的测量灵敏度和精准度。

详细地说，所述第一测量组件10包括第一隔离膜片11、第一测量基座12、第一测量膜片13、第一电极14以及第二电极15，其中所述第一隔离膜片11和所述第一测量膜片13被设置在所述第一测量基座12的两相对侧，所述第一电极14和所述第二电极15被对称地设置在所述第一测量膜片13的两侧，所述第一测量基座12具有连通所述第一隔离膜片11和所述第一测量膜片13的第一连通通道100，在所述第一连通通道100内填充导压液，比如硅油。

所述第一测量组件10和所述第二测量组件20被设置在所述所述中心测量杯体30的两侧，其中当所述第一测量组件10对应检测的压力信号(P1)和所述第二测量组件20对应检测的压力信号(P2)之间具有压力差时，所述中心测量杯体30传递所述第一测量组件10和所述第二测量组件20的压力信号，进而通过测得的电容进行计算可得到压力信号。所述中心测量杯体30具有一中心连通通道300，其中所述中心连通通道300贯穿所述中心测量杯体30的两侧，其连通所述第一测量组件10和所述第二测量组件20，其中该所述中心测量杯体30的所述中心连通通道300中被填充导压液，用于传导压力。当第一测量组件10检测到的压力信号P1＞P2时，所述第一测量组件10通过所述中心测量杯体30内的导压液将压强传递至所述第二测量组件20；当所述第二测量组件20检测到的压力信号P2＞P1时，所述第二测量组件20检测到想压力信号P2通过所述中心测量杯体30的所述导压液将压强传递至所述第一测量组件10。

所述第一测量组件10和所述中心测量杯体30之间设有第一导压空间101，其中所述第一测量膜片13被设置在所述第一导压空间101中，并且所述第一测量膜片13将所述第一导压空间101间隔成相互间隔且相互独立的第一容置腔和第二容置腔，其中所述第一容置腔与所述第一连通通道100相连通，所述第一容置腔和所述第一连通通道100内被填充所述导压液，用于传递压力。

在本申请的该优选实施例中，所述第一电极14被设置在所述第一测量基座12，所述第二电极15被设置在所述中心测量杯体30，且所述第一电极14和所述第二电极15相对所述第一测量膜片13呈对称布置。

所述第一隔离膜片11被设置在所述第一测量基座12的端部，其中所述第一隔离膜片11和所述第一测量膜片13被设置在所述第一测量基座12的两个端部，所述第一隔离膜片11传递外界的压力至所述第一连通通道100内的所述导压液，再由所述导压液将压力传导至所述第一测量膜片13，其中所述第一测量膜片13被所述导压液挤压而产生变形。

所述第二测量组件20被设置在所述中心测量杯体30的另一侧，用于测量另一侧的压力，其中所述第二测量组件20包括第二隔离膜片21、第二测量基座22、第二测量膜片23、第三电极24以及第四电极25，其中所述第二隔离膜片21被设置在所述第二测量基座22的端部，所述第二测量基座22具有连通所述第二隔离膜片21和所述第二测量膜片23的第二连通通道200，在所述第二连通通道200内填充导压液，比如硅油。

所述第二测量基座22与所述中心测量杯体30形成第二导压空间102，其中所述第二测量膜片23被间隔地设置在所述第二导压空间102中，并且由所述第二测量膜片23将所述第二导压空间102间隔成相互间隔且相互独立的第三容置腔和第四容置腔，其中所述第三容置腔通过所述中心测量杯体30的所述中心连通通道300与所述第二容置腔相连通，在所述第一容置腔、第二容置腔、第三容置腔以及所述第四容置腔内被填充导压液，用于传递压强信号。

所述第四容置腔与所述第二测量基座22的所述第二连通导通200相连通，其中所述第三电极24和所述第四电极25被设置在所述第二测量膜片22的两侧。所述第一电极14与金属外壳地形成第一电容C1，所述第二电极15与金属外壳地形成第二电容C2，所述第三电极24与金属外壳地形成第三电容C3，所述第四电极25与金属外壳地形成第四电容C4。所述第一测量组件10检测到的压强P1通过所述第一隔离膜片11和导压液将压强传导至所述第一测量膜片13，其中所述第一测量膜片13在导压液的作用下变形，并将压力通过所述导压液传导至所述第二测量膜片23；所述第二测量组件20检测到的压强P2通过所述第二隔离膜片21和导压液将压强传导至所述第二测量膜片23，其中所述第二测量膜片23在导压液的作用下变形，并将压力通过所述导压液传导至所述第一测量膜片13。

如果压强P1＞P2时，所述第一测量组件10的所述第一测量膜片13和所述第二测量组件20的第二测量膜片23从高压侧朝向低压侧形变，即所述第一测量膜片13和所述第二测量膜片23朝向所述第二隔离膜片21的方向变形。

由于C＝C’×S/d，当所述第一测量膜片13和所述第二测量膜片23发生变形时，由于所述第一测量膜片13和所述第二测量膜片23的变形量相同，则第一电容C1变为C1-Δ、第二电容C2变为C2+Δ、第三电容C3变为C3-Δ、第四电容C4变为C4+Δ。分别将测得的电容进行计算可得到单位压力下形成的电容变化量为4Δ比现有技术的方案2Δ大了一倍，有效提高了传感器的灵敏度。

所述电容式压力传感器进一步包括第一防护环40和第二防护环50，其中所述第一防护环40被设置在所述第一测量组件10的外侧，所述第二防护环50被设置在所述第二测量组件20的外侧，所述第一防护环40用户固定所述第一测量组件10，所述第二防护环50用于固定所述第二测量组件20。

在本申请的该优选实施了中，所述电容式压力传感器通过如下方法步骤制得：

通过烧结的方式连接第一测量基座12和第一电极14，将所述第二电极15、第三电极24固定于中心测量杯体30，以及通过烧结的方式连接第四电极25和第二测量基座22；

将第一测量膜片13固定在所述第一测量基座12和所述中心测量杯体30之间，将第二测量膜片23固定在所述中心测量杯体30和所述第二测量基座22之间；以及

通过中空的电极向所述第一测量基座12、所述中心测量杯体30以及所述第二测量基座22中填充导压液，用于压力传导。

作为示例的，在本申请的一个具体示例中，所述第一测量膜片13、所述第一测量基座12、所述中心测量杯体30以及所述第二测量膜片23依次进行氩弧焊接。

所述电容式压力传感器可以利用数字电路算法用来设计制造金属电容式多参数压力变送器。也就是说，本申请该优选实施例的所述电容式压力传感器可以测量温度信号及静压信号。当环境温度升高或者降低时，所述电容式压力传感器的导压液会随温度的变化而产生热胀冷缩的现象，即便P1＝P2，即所述第一测量组件10和所述第二测量组件测量的压差为0的情况下，所述第一测量膜片13和所述第二测量膜片23也会随着温度的升高或降低而发生位移。因此，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及所述第四电容C4也会随着所述第一测量膜片13和所述第二测量膜片23的移动而变化。由于电容C＝C’×S/d，其中当所述第一测量膜片13和所述第二测量膜片23发生变形时其变形量相同，则第二电容C2变为C2-Δ、第三电容C3变为C3-Δ；或者第二电容C2变为C2+Δ、第三电容C3变为C3+Δ，此时通过测量第二电容C2和所述第三电容C3的变化量可测得传感器的温度变化。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.电容式压力传感器，其特征在于，包括第一测量组件、第二测量组件以及位于所述第一测量组件和所述第二测量组件之间的中心测量杯体，其中所述第一测量组件和所述第二测量组件背对背地设置在所述中心测量杯体的两个相对侧，其中所述第一测量组件与所述第二测量组件的朝向相反，所述第一测量组件和所述第二测量组件通过所述中心测量杯体传递压强，进而计算出所述第一测量组件和所述第二测量组件之间的压力。

2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其中所述第一测量组件包括第一隔离膜片、第一测量基座、第一测量膜片、第一电极以及第二电极，其中所述第一隔离膜片和所述第一测量膜片被设置在所述第一测量基座的两相对侧，所述第一电极和所述第二电极被对称地设置在所述第一测量膜片的两侧，所述第一测量基座具有连通所述第一隔离膜片和所述第一测量膜片的第一连通通道，在所述第一连通通道内填充导压液。

3.根据权利要求2所述的电容式压力传感器，其中所述中心测量杯体具有一中心连通通道，其中所述中心连通通道贯穿所述中心测量杯体的两侧，其连通所述第一测量组件和所述第二测量组件，其中该所述中心测量杯体的所述中心连通通道中被填充导压液，用于传导压力。

4.根据权利要求3所述的电容式压力传感器，其中所述第一测量组件和所述中心测量杯体之间设有第一导压空间，其中所述第一测量膜片被设置在所述第一导压空间中，并且所述第一测量膜片将所述第一导压空间间隔成相互间隔且相互独立的第一容置腔和第二容置腔，其中所述第一容置腔与所述第一连通通道相连通，所述第一容置腔和所述第一连通通道内被填充所述导压液，用于传递压力。

5.根据权利要求4所述的电容式压力传感器，其中所述第二测量组件包括第二隔离膜片、第二测量基座、第二测量膜片、第三电极以及第四电极，其中所述第二隔离膜片被设置在所述第二测量基座的端部，所述第二测量基座具有连通所述第二隔离膜片和所述第二测量膜片的第二连通通道，在所述第二连通通道内填充导压液。

6.根据权利要求5所述的电容式压力传感器，其中所述第二测量基座与所述中心测量杯体形成第二导压空间，其中所述第二测量膜片被间隔地设置在所述第二导压空间中，并且由所述第二测量膜片将所述第二导压空间间隔成相互间隔且相互独立的第三容置腔和第四容置腔，其中所述第三容置腔通过所述中心测量杯体的所述中心连通通道与所述第二容置腔相连通，在所述第一容置腔、第二容置腔、第三容置腔以及所述第四容置腔内被填充导压液。

7.根据权利要求6所述的电容式压力传感器，其中所述第一电极与金属外壳地形成第一电容C1，所述第二电极与金属外壳地形成第二电容C2，所述第三电极与金属外壳地形成第三电容C3，所述第四电极与金属外壳地形成第四电容C4。

8.根据权利要求7所述的电容式压力传感器，其中当所述第一测量膜片和所述第二测量膜片发生变形时，由于所述第一测量膜片和所述第二测量膜片的变形量相同，则第一电容C1变为C1-Δ、第二电容C2变为C2+Δ、第三电容C3变为C3-Δ、第四电容C4变为C4+Δ。

9.根据权利要求7所述的电容式压力传感器，所述第一测量组件检测到的压强P1通过所述第一隔离膜片和导压液将压强传导至所述第一测量膜片，其中所述第一测量膜片在导压液的作用下变形，并将压力通过所述导压液传导至所述第二测量膜片；所述第二测量组件检测到的压强P2通过所述第二隔离膜片和导压液将压强传导至所述第二测量膜片，其中所述第二测量膜片在导压液的作用下变形，并将压力通过所述导压液传导至所述第一测量膜片。

10.根据权利要求1至9任一所述的电容式压力传感器，进一步包括第一防护环和第二防护环，其中所述第一防护环被设置在所述第一测量组件的外侧，所述第二防护环被设置在所述第二测量组件的外侧，所述第一防护环用户固定所述第一测量组件，所述第二防护环用于固定所述第二测量组件。

11.一种电容式压力传感器的制造方法，其特征在于，其中所述制造方法包括如下步骤：

通过烧结的方式连接第一测量基座和第一电极，将所述第二电极、第三电极固定于中心测量杯体，以及通过烧结的方式连接第四电极和第二测量基座；

将第一测量膜片固定在所述第一测量基座和所述中心测量杯体之间，将第二测量膜片固定在所述中心测量杯体和所述第二测量基座之间；以及

通过中空的电极向所述第一测量基座、所述中心测量杯体以及所述第二测量基座中填充导压液，用于压力传导。