CN118999883B - 电容式压力传感器及压力检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力传感器技术领域，公开了电容式压力传感器及压力检测设备，其中该电容式压力传感器，主要包括：固定电极层、绝缘层和可变电极层。绝缘层设于固定电极层的上端，绝缘层的上表面开设有凹槽；可变电极层密封凹槽的槽口并形成密封腔，固定电极层与可变电极层形成可变电容；根据单位面积灵敏度确定可变电极层与密封腔对气压的响应，根据可变电极层与密封腔对气压的响应确定可变电极层的变形程度，根据可变电极层的变形程度确定电容读数变化，根据电容读数变化确定气压值。本发明提供的电容式压力传感器，电容式压力传感器的性能由密封腔等效弹簧系数主导，能够同时提升电容式压力传感器的灵敏度和线性测量范围。

Description

电容式压力传感器及压力检测设备

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及电容式压力传感器及压力检测设备。

背景技术

电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。一般通过测量可变电极层与固定电极层之间的电容变化来计算气压的变化。可变电极层通常为金属或硅基薄膜，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极层之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

由于电容式压力传感器的电容信号通常由薄膜直接对压力响应主导，若增加薄膜的灵敏度，则会降低线性测量范围，若提升线性测量范围，则需要降低薄膜的灵敏度。也即，现有的电容式压力传感器难以兼顾灵敏度与线性测量范围，导致电容式压力传感器的性能受限。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电容式压力传感器及压力检测设备，以解决现有的电容式压力传感器难以兼顾灵敏度与线性测量范围，导致电容式压力传感器的性能受限的问题。

第一方面，本发明提供了一种电容式压力传感器，包括：

固定电极层；

绝缘层，设于所述固定电极层的上端，所述绝缘层的上表面开设有凹槽；

可变电极层，密封所述凹槽的槽口并形成密封腔，所述固定电极层与所述可变电极层形成可变电容；

根据电容式压力传感器的单位面积灵敏度确定所述可变电极层与所述密封腔对气压的响应，根据所述可变电极层与所述密封腔对气压的响应确定所述可变电极层的变形程度，根据所述可变电极层的变形程度确定所述电容式压力传感器的电容读数变化，根据所述电容读数变化确定所述电容式压力传感器的气压值；

所述电容式压力传感器的单位面积灵敏度S的计算公式如下：

其中，C为电容，P_o为外界气压，ω_c为所述可变电极层的中心点位移，A为所述可变电极层的面积，M_C为电容C随所述可变电极层的中心点位移ω_c变化的单位面积灵敏度，K_m为可变电极层等效弹簧系数，K_P为密封腔等效弹簧系数；

所述密封腔等效弹簧系数K_P与所述可变电极层等效弹簧系数的K_m的比值大于等于预设值。

有益效果：本发明提供的电容式压力传感器，固定电极层与可变电极层形成可变电容，在外界气压发生变化后，可变电极层在外界气压与密封腔内的气压之差下受力变形。根据单位面积灵敏度确定可变电极层与密封腔对气压的响应，根据可变电极层与密封腔对气压的响应计算可变电极层的变形程度，再根据可变电极层的变形程度计算电容读数变化，最后根据电容读数变化得到气压值。在K_P/K_m大于预设值的情况下，电容式压力传感器的性能由密封腔等效弹簧系数K_P主导，电容随可变电极层变形的非线性与可变电极层的变形随外界气压变化的非线性能够相互抵消，因此本发明能够保持高灵敏度的同时兼顾高线性度，也即能够同时提升电容式压力传感器的灵敏度和线性测量范围，从而显著提高了电容式压力传感器的性能。

在一种可选的实施方式中，所述可变电极层为规则形状，所述规则形状包括圆形、椭圆形、多边形中的其中一种。

在一种可选的实施方式中，所述可变电极层为圆形导电膜片，所述可变电极层等效弹簧系数K_m的计算公式如下：

其中，E为所述可变电极层的杨氏模量，h为所述可变电极层的厚度，R为所述可变电极层的半径，σ_o为所述可变电极层的预应力，ν为所述可变电极层的泊松比。

在一种可选的实施方式中，所述密封腔等效弹簧系数K_P的计算公式如下：

其中，g为所述密封腔的深度，P_i为所述密封腔内的初始压强。

在一种可选的实施方式中，所述预设值为5。

在一种可选的实施方式中，所述可变电极层为正方形导电膜片，所述可变电极层等效弹簧系数K_m的计算公式如下：

其中，E为所述可变电极层的杨氏模量，h为所述可变电极层的厚度，R为所述可变电极层的半径，σ_o为所述可变电极层的预应力，ν为所述可变电极层的泊松比，B₁和B₂为无量纲常数，L为所述可变电极层的边长，f(ν) 为几何函数。

在一种可选的实施方式中，所述电容C随可变电极层的中心点位移ω_c变化的灵敏度M_C的计算公式如下：

其中，L_c为所述固定电极层与所述可变电极层之间的等效距离，ε₀为真空介电常数。

在一种可选的实施方式中，所述固定电极层与所述可变电极层之间的等效距离L_c的计算公式如下：

其中，g为所述密封腔的深度，t为所述密封腔底部的绝缘层的厚度，ε_g为密封腔的相对介电常数，ε_r为绝缘层的相对介电常数。

在一种可选的实施方式中，所述电容式压力传感器的非线性度的计算公式如下：

其中，ΔC_max为电容C的实测值与线性拟合值的差值的最大值，C_FS为满量程的电容变化。

第二方面，本发明还提供了一种压力检测设备，包括：上述的电容式压力传感器。

有益效果：因为压力检测设备包括电容式压力传感器，具有与电容式压力传感器相同的效果，即能够保持高灵敏度的同时兼顾高线性度，也即能够同时提升电容式压力传感器的灵敏度和线性测量范围，从而显著提高了电容式压力传感器的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的第一种电容式压力传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例的K_P/K_m与可变电极层直径厚度比D/h以及密封腔深度g的关系对应图；

图3为本发明实施例的灵敏度变化趋势图；

图4为本发明实施例的灵敏度与非线性度的关系对照图；

图5为本发明实施例的第二种电容式压力传感器的结构示意图；

图6为本发明实施例的第三种电容式压力传感器的结构示意图；

图7为本发明实施例的第四种电容式压力传感器的结构示意图；

图8为本发明实施例的第五种电容式压力传感器的结构示意图。

附图标记说明：

1、固定电极层；2、绝缘层；3、可变电极层；4、密封腔；5、引线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图8，描述本发明的实施例。

根据本发明的实施例，一方面，如图1所示，提供了一种电容式压力传感器，主要包括固定电极层1、绝缘层2和可变电极层3。绝缘层2设于固定电极层1的上端，绝缘层2的上表面开设有凹槽。可变电极层3密封凹槽的槽口并形成密封腔4，固定电极层1与可变电极层3形成可变电容。根据电容式压力传感器的单位面积灵敏度确定可变电极层3与密封腔4对气压的响应，根据可变电极层3与密封腔4对气压的响应确定可变电极层3的变形程度，根据可变电极层3的变形程度确定电容式压力传感器的电容读数变化，根据电容读数变化确定电容式压力传感器的气压值。

根据单位面积灵敏度S的定义，电容式压力传感器的单位面积灵敏度S的计算公式如下：

其中，C为电容，P_o为外界气压，ω_c为可变电极层3的中心点位移，A为可变电极层3的面积，M_C为电容C随可变电极层3的中心点位移ω_c变化的单位面积灵敏度，K_m为可变电极层等效弹簧系数，K_P为密封腔等效弹簧系数。

由上述公式可知，单位面积灵敏度S主要与M_C、K_m以及K_P相关。

密封腔等效弹簧系数K_P与可变电极层等效弹簧系数的K_m的比值大于等于预设值，以使电容式压力传感器的性能由密封腔等效弹簧系数K_P主导。

本发明实施例提供的电容式压力传感器，固定电极层1与可变电极层3形成可变电容，在外界气压发生变化后，可变电极层3在外界气压与密封腔4内的气压之差下受力变形。根据单位面积灵敏度确定可变电极层3与密封腔4对气压的响应，根据可变电极层3与密封腔4对气压的响应计算可变电极层3的变形程度，再根据可变电极层3的变形程度计算电容读数变化，最后根据电容读数变化得到气压值。电容随可变电极层3的位移的变化为非线性，可变电极层3的位移随外界气压的变化也为非线性。在K_P/K_m大于预设值的情况下，电容式压力传感器的性能由密封腔等效弹簧系数K_P主导，电容随可变电极层3的位移的变化的非线性与可变电极层3的位移随外界气压的变化的非线性可以相互抵消，因此本发明实施例能够保持高灵敏度的同时兼顾高线性度，也即能够同时提升电容式压力传感器的灵敏度和线性测量范围，从而显著提高了电容式压力传感器的性能。

传统的电容式压力传感器的K_P/K_m＜0.5，电容式压力传感器的性能主要由可变电极层等效弹簧系数K_m决定。本发明实施例提供的电容式压力传感器的性能主要由密封腔等效弹簧系数K_P决定。

需要说明的是，K_P/K_m预设值可以根据实际需要选择设置，只要电容式压力传感器的性能主要由密封腔等效弹簧系数K_P决定即可。

另外，本发明实施例不对固定电极层1和绝缘层2的结构进行限制，可以根据需要选择现有的任意结构。

在一个实施例中，如图1所示，绝缘层2的底部设于固定电极层1的上表面，固定电极层1可以采用导电衬底，可变电极层3可以采用导电膜，导电衬底和导电膜分别通过引线5与电路板连接以形成可变电容。引线5可以设置在导电衬底的顶面。导电膜与凹槽的槽底面平行，并具备密封性。通过检测可变电容的变化可以计算得出实际外界气压值。可变电容的变化由可变电极层3的变形程度决定，可变电极层3的变形程度由可变电极层3与密封腔4对气压的响应决定。设置绝缘层2能够避免固定电极层1与可变电极层3直接连接形成短路。

在其它的一些实施例中，如图5和图6所示，导电衬底的引线5还可以设置在其正面或背面或底面。

在一个实施例中，如图7所示，固定电极层1还可以设于绝缘层2的内部并位于凹槽的下端。此时，未采用衬底作为固定电极层1。绝缘层2分为形成凹槽的上半段，以及安装固定电极层1的下半段。

在一个实施例中，如图8所示，可变电极层3可以单独设置，也即膜本身不导电，而在膜上设置一层导电材料，导电材料可以设置在膜的上表面、下表面或内部。

当然，固定电极层1和可变电极层3的结构还可以根据需要选择其它形式，对此，本发明实施例不再一一列举。

在一个实施例中，可变电极层3为规则形状，规则形状包括圆形、椭圆形、多边形中的其中一种，其中多边形包括三角形、方形等。

进一步地，在一个实施例中，可变电极层3为圆形导电膜片，对应的，密封腔4为圆柱形腔室。相对于其它形状，将可变电极层3设置为圆盘状的导电膜，受同样压强作用下位移更大，还能均匀分摊气压差对可变电极层3的压力，利于提高电容式压力传感器的精度和稳定性。

具体地，可变电极层等效弹簧系数K_m的计算需要考虑可变电极层3变形的线性段和非线性段，即K_m= K_m1+ K_m2，具体地，

因此，可变电极层等效弹簧系数K_m的计算公式如下：

其中，E为可变电极层3的杨氏模量，h为可变电极层3的厚度，R为可变电极层3的半径，σ_o为可变电极层3的预应力，ν为可变电极层3的泊松比。由于可变电极层3的杨氏模量E、预应力σ_o以及泊松比ν为定值，因此可变电极层等效弹簧系数K_m可以通过调整可变电极层3的半径R以及可变电极层3的厚度h进行调节。具体地，增加可变电极层3的直径厚度比D/h，可以降低可变电极层等效弹簧系数K_m。

更进一步地，在一个实施例中，密封腔等效弹簧系数K_P的计算公式如下：

其中，g为密封腔4的深度，P_i为密封腔4内的初始压强。通过调整密封腔4的深度g以及密封腔4内的初始压强P_i，可以改变密封腔等效弹簧系数K_P。为了降低使用成本，密封腔4内的初始压强P_i一般在一定范围内。因此，通过降低密封腔4的深度g能够提升密封腔等效弹簧系数K_P。

根据K_m和K_P的计算公式可知，增加可变电极层3的半径R、降低可变电极层3的厚度h、降低密封腔4的深度g可以增加K_P/K_m，从而将电容式压力传感器的灵敏度和线性测量范围由可变电极层等效弹簧系数K_m决定调整为密封腔等效弹簧系数K_P决定。

示例性地，如图2所示，将密封腔4的深度g分别设置为100 nm，300 nm以及500 nm，可知，可变电极层3的直径厚度比D/h越大，密封腔4的深度g越小，K_P/K_m越大。在K_P/K_m提高至大于5的情况下，电容式压力传感器的性能主要由密封腔等效弹簧系数K_P决定。

在一个实施例中，可变电极层3为正方形导电膜片，此时，可变电极层等效弹簧系数K_m的计算公式如下：

其中，E为可变电极层3的杨氏模量，h为可变电极层3的厚度，R为可变电极层3的半径，σ_o为可变电极层3的预应力，ν为可变电极层3的泊松比，B₁和B₂为无量纲常数，L为可变电极层3的边长，f(ν)为几何函数，与泊松比相关，f(ν)可取为0.271×ν。

可以理解的是，可变电极层3还可以根据需要选择其它规则形状，对应的计算公式可以根据其具体形状计算得出，对此，本发明实施例不再一一列举。

为了便于描述，本发明实施例以可变电极层3采用圆形导电膜片为例进行描述。

在一个实施例中，电容C随可变电极层3的中心点位移ω_c变化的灵敏度M_C由固定电极层1和可变电极层3间的位置变化决定。根据平行板间电容的计算公式，可知电容C随可变电极层3的中心点位移ω_c变化的灵敏度M_C计算公式如下：

其中，L_c为固定电极层1与可变电极层3之间的等效距离，ε₀为真空介电常数。

进一步地，固定电极层1与可变电极层3之间的等效距离L_c的计算公式如下：

其中，g为密封腔4的深度，t为密封腔4底部的绝缘层2的厚度，ε_g为密封腔4的相对介电常数，ε_r为绝缘层2的相对介电常数。

根据M_C和L_c的计算公式可知，为了进一步将电容随可变电极层3的位移的变化的非线性与可变电极层3的位移随外界气压的变化的非线性相互抵消，还需要选择合适的绝缘层2的厚度t。

如图3所示，以可变电极层3的直径D为200 um，可变电极层3的厚度h为1.7 um，密封腔4内的初始压强P_i为101 kPa为例。在0-180 kPa的范围内，当密封腔4的深度g为2000um时，K_P/K_m为0.14，如图3中的虚线M_c/K_m所示。当密封腔4的深度g下降至50 um时，K_P/K_m为6.6，如图3中的点划线M_c/K_p所示。当密封腔4的深度g下降至50 um，且增加绝缘层2的厚度t，使得固定电极层1与可变电极层3之间的等效距离L_c为90 nm时，K_P/K_m仍然为6.6，但能够基本保持线性高度，如图3中的虚线M_c-end/K_p所示。

在一个实施例中，电容式压力传感器的非线性度越低，线性测量范围越宽，电容式压力传感器的非线性度δ的计算公式如下：

其中，ΔC_max为电容C的实测值与线性拟合值的差值的最大值，C_FS为满量程的电容变化。

本发明实施例通过提高K_P/K_m并调整L_c同步提升灵敏度和线性测量范围的方式对多种尺寸的可变电极层3均有效。以泊松比ν为0.4，预应力σ_o为150 Mpa，杨氏模量E为100Gpa的导电膜，在密封腔4内的初始压强P_i为101 kPa为例。灵敏度（Sensitivity）与非线性度（Nonlinearity）的对应关系如图4所示。

示例1：

可变电极层3的直径D为50 um，可变电极层3的厚度h为17 nm，密封腔4的深度g为300 nm，即可确保K_P/K_m＞5，同时将固定电极层1与可变电极层3之间的等效距离L_c设置为450 nm。

示例2：

可变电极层3的直径D为85 um，可变电极层3的厚度h为80 nm，密封腔4的深度g为200 nm，即可确保K_P/K_m＞5，同时将固定电极层1与可变电极层3之间的等效距离L_c设置为300 nm。

示例3：

可变电极层3的直径D为80 um，可变电极层3的厚度h为40 nm，密封腔4的深度g为350 nm，即可确保K_P/K_m＞5，同时将固定电极层1与可变电极层3之间的等效距离L_c设置为500 nm。

为实现电容式压力传感器的基本功能，本实施例中的电容式压力传感器还可以包括其他必需的模块或部件，例如壳体、导线等。需要说明的是，电容式压力传感器所包括的其他必需的模块或部件，可以选用任意合适的现有构造。为清楚简要地说明本实施例所提供的技术方案，在此将不再对上述部分进行赘述，说明书附图也进行了相应简化。但应该理解，本发明的实施例在范围上并不因此而受到限制。

根据本发明的实施例，另一方面，还提供了一种压力检测设备，包括：电容式压力传感器。

因为压力检测设备包括电容式压力传感器，具有与电容式压力传感器相同的效果，即能够保持高灵敏度的同时兼顾高线性度，也即能够同时提升电容式压力传感器的灵敏度和线性测量范围，从而显著提高了电容式压力传感器的性能。

具体地，根据压力检测设备通过电容式压力传感器检测到气压变化后，还可以根据气压值确定根据压力检测设备所在高度。因此，压力检测设备包括但不限于移动设备、室内导航设备、高度定位设备、工业气压监测设备等。

以移动设备为手环为例，在户外运动的场景下，通过手环内的电容式压力传感器可以检测用户所在环境实时气压。

以工业气压监测设备为例，在需要使用指定浓度范围的气压进行工业生产时，可以使用电容式压力传感器检测工业设备施加的气体浓度。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种电容式压力传感器，其特征在于，包括：

固定电极层（1）；

绝缘层（2），设于所述固定电极层（1）的上端，所述绝缘层（2）的上表面开设有凹槽；

可变电极层（3），密封所述凹槽的槽口并形成密封腔（4），所述固定电极层（1）与所述可变电极层（3）形成可变电容；

根据电容式压力传感器的单位面积灵敏度确定所述可变电极层（3）与所述密封腔（4）对气压的响应，根据所述可变电极层（3）与所述密封腔（4）对气压的响应确定所述可变电极层（3）的变形程度，根据所述可变电极层（3）的变形程度确定所述电容式压力传感器的电容读数变化，根据所述电容读数变化确定所述电容式压力传感器的气压值；

所述电容式压力传感器的单位面积灵敏度S的计算公式如下：

其中，C为电容，P_o为外界气压，ω_c为所述可变电极层（3）的中心点位移，A为所述可变电极层（3）的面积，M_C为电容C随所述可变电极层（3）的中心点位移ω_c变化的单位面积灵敏度，K_m为可变电极层等效弹簧系数，K_P为密封腔等效弹簧系数；

所述密封腔等效弹簧系数K_P与所述可变电极层等效弹簧系数的K_m的比值大于等于预设值。

2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述可变电极层（3）为规则形状，所述规则形状包括圆形、椭圆形、多边形中的其中一种。

3.根据权利要求2所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述可变电极层（3）为圆形导电膜片，所述可变电极层等效弹簧系数K_m的计算公式如下：

其中，E为所述可变电极层（3）的杨氏模量，h为所述可变电极层（3）的厚度，R为所述可变电极层（3）的半径，σ_o为所述可变电极层（3）的预应力，ν为所述可变电极层（3）的泊松比。

4.根据权利要求3所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述密封腔等效弹簧系数K_P的计算公式如下：

其中，g为所述密封腔（4）的深度，P_i为所述密封腔（4）内的初始压强。

5.根据权利要求4所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述预设值为5。

6.根据权利要求2所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述可变电极层（3）为正方形导电膜片，所述可变电极层等效弹簧系数K_m的计算公式如下：

其中，E为所述可变电极层（3）的杨氏模量，h为所述可变电极层（3）的厚度，R为所述可变电极层（3）的半径，σ_o为所述可变电极层（3）的预应力，ν为所述可变电极层（3）的泊松比，B₁和B₂为无量纲常数，L为所述可变电极层（3）的边长，f(ν)为几何函数。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述电容C随可变电极层（3）的中心点位移ω_c变化的灵敏度M_C的计算公式如下：

其中，L_c为所述固定电极层（1）与所述可变电极层（3）之间的等效距离，ε₀为真空介电常数。

8.根据权利要求7所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述固定电极层（1）与所述可变电极层（3）之间的等效距离L_c的计算公式如下：

其中，g为所述密封腔（4）的深度，t为所述密封腔（4）底部的绝缘层（2）的厚度，ε_g为密封腔（4）的相对介电常数，ε_r为绝缘层（2）的相对介电常数。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述电容式压力传感器的非线性度δ的计算公式如下：

其中，ΔC_max为电容C的实测值与线性拟合值的差值的最大值，C_FS为满量程的电容变化。

10.一种压力检测设备，其特征在于，包括：权利要求1至9中任一项所述的电容式压力传感器。