[发明专利]压力传感器

说明书

一种或多种反应性气体被引入到内和外电容式电极之间的一个或多个特定区域处的电容式压力计，从而正和负弯曲的导致误差的测量影响被抵消或最小化。此外，保护结构可用于电容式压力计的电极结构。保护结构呈现对于气体扩散进入到膜片内相对不敏感的一个区域，结果改变表面张力、曲率和偏转，从而提供压力计的零读数和压力读数的提高的或最佳的稳定性。保护件也可提供电极的静电隔离。

本申请是申请日为2012年10月11日、发明名称为“压力传感器”的专利申请201280059759.6的分案申请

本申请要求于2011年10月11日提交的名为“压力传感器”的临时申请No.61/545,790号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及一种电容式压力传感器，并且更具体而言涉及一种改善的传感器，其尤其在非常低的(真空)压力下提供非常精确和准确的压力测量。

背景技术

压力换能器已经被应用在多种应用领域。一种这样的换能器是电容式压力计，其提供气体、蒸气或其它流体的非常精确和准确的压力测量。应用包括基于真空的工艺和半导体工艺控制的精确控制。示例包括半导体蚀刻工艺和物理气相沉积。

电容式压力计通常使用：(a)形成或包括电极结构的柔性膜片；以及(b)固定电极结构，其与膜片间隔开以便在其间建立电容。膜片一侧上的压力相对于膜片另一侧上的压力的变化导致膜片挠曲，使得膜片电极结构和固定电极结构之间的电容根据该压差而变化。通常，膜片一侧上的气体或蒸气处于所测量的压力(Px)下，而膜片另一侧上的气体或蒸气处于已知的参考压力(Pr)下，后者处于在大气压下或某些固定的高或低(真空)压力下，使得膜片的测量侧上的压力可以根据电容测量来确定。

已经并持续地开发需要极低压力(高真空)的许多应用导致对能够测量如此低压的电容式压力计存在需要。然而，增加在低压下提供非常精确和准确的压力测量的电容式压力计的灵敏度带来几项设计上的挑战。为了测量非常低的压力(高真空)，电容式压力计需要柔性膜片和固定电极结构之间的非常窄的间隙(“电极间隙”)，以便它们可以检测到压力上的微小变化。

使用非常窄的电极间隙的缺陷在于还检测到与横跨膜片的压差测量无关的电极间隙形状上的较小变化。对于电极间隙形状的这些不利变化的其中之一是通过与工艺相关的化学反应(例如气体分子或原子扩散进入到膜片表面内)所导致的膜片形状的变化。电容测量基于适于平行板电容C的众所周知的公式：

C＝e_re₀A/s (公式1)

其中：C是两个平行板之间的电容；

e₀是自由空间的电容率；

e_r是板之间材料的相对电容率(对于真空而言，e_r＝1)；

A是板之间的公共面积；以及

s是板之间的间距。

基于这一公式，可以推导出如下关系：对于每个测量电极而言，电容的分数变化等于负的电极间隙间距上的分数变化(ΔC/C＝-ΔS/S)。

因而可以很容易地看出为了对每个测量电极的电容提供稳定控制，保持对电极间隙间距的良好控制是很关键的。在简单的双电极设计中，对于给定的电测量技术，例如利用任意数目的公共电桥设计(例如惠斯登电桥)和/或其它的电气测量方法而言，这些作用对于平坦膜片和电极结构(每一个具有不同的真实平坦度值以及与真实平面的倾斜偏差)在零压差下的第一阶是平衡的。因为该传感器配置成测量极低压力(极小的膜片挠曲)，恰好平衡电极但并未构成稳定的电极间隙对于将压力测量的不确定性降低到足够低的水平以便实现最小压力的稳定检测而言是远远不够的。