[发明专利]电容压力传感器

说明书

本发明的背景技术

本发明是关于压力传感器，更具体地说，这种压力传感器依靠电容变化来指示压力的涨落。

在先有技术中，电容压力传感器是众所周知的。这种传感器通常包括一个具有刚性平面导电表面的固定元件，构成基本上平行的平板电容器的一个极板。一个可变形导电元件，例如金属箔薄膜，构成该电容器的另一极板。通常，这个薄膜是由边缘支撑的，从而使其中央部分基本上平行于固定极板并与之相对。由于传感器一般具有平行板电容器的形状，所以传感器的特征电容与薄膜中央部分和固定元件导电表面之间的缝隙宽度d成反比。为了允许在薄膜两侧形成一个压力差，在薄膜一侧的区域被密封成与另一侧的区域隔绝。

在实践中，对薄膜的弹性加以选择，以使加在薄膜上的具有特定感兴趣范围的压力差引起薄膜中央部分的位移。这些由压力差引起的位移造成两个电容极板间缝隙d的相应变化，从而造成由传感器电容器产生的电容变化。为了有较高的灵敏度，这种传感器要求能以大的电容变化来响应相对较小的缝隙变化。为了从一个单元到一个单元地实现这种灵敏度，标称的缝隙尺度通常要求所制造的各组成部件具有很高精度的公差，以建立起所需要的尺度关系。此外，其结构和材料还必须在所使用的温度范围上保持这些关系。

以本发明的受让人Setra Systems公司制造的237型换能器中的传感器为例，这种先有技术的传感器的构成形式是：利用一个不导电的玻璃部分将固定的金属电极相对于薄膜支持部分支撑起来。由于玻璃部分、金属电极以及薄膜支持部件三者之间热膨胀系数的差异，所以温度变化会引起固定电极和薄膜(亦即电容器两极板)之间缝隙大小的变化，使得这种传感器在一个较小的温度区间才能给出可靠的压力读数。此外，这种传感器的制造费用较高。

再有，在制造这种传感器的过程中，通常是在玻璃处于熔融状态时将固定电极置入玻璃部分之中的。随着该组合件的冷却，形成了机械应力，这种机械应力通常会改变所希望的初始缝隙尺度或降低电容极板之间的平行程度。在组合件冷却之后，可能需要对固定电极进行机械加工(例如研磨或抛光)以重建这个至关重要的缝隙和平行度。考虑到这些处理步骤，这种传感器比较难于制造，相应地其制造费用也较高。

另一种类型的先有技术传感器是转让给本发明受让人的美国专利4,358,814号中披露的一种传感器。这种先有技术的传感器以Setra Systems公司制造的264型和C264型换能器和发射机为实例，它包括一个杯状或者凹形的金属基座部件，它与该基座部件底部中心处的一个基座支撑物相耦合。该基座部件包括一个从基座边缘向外扩展的外围凸缘部分，这个凸缘除了外缘降低之外总体上是一个平面。一个较薄的可变形的导电薄膜跨越基座部件的外围凸缘放置。一个其表面与基座凸缘互补的锁固环被固定在薄膜边缘及凸缘上，从而使薄膜在张力下锁固在凸缘上。

一个电极组合部件固定在基座支撑物上，并且处于基座部件和薄膜组合件形成的闭合空间中。该电极组合件包括一个具有平面部分的导电电极和一个不导电支撑部件。该支撑部件与基座支撑物相连，从而使电极的平面部分基本上平行基座部件凸缘并与其相距一个预先确定的距离d。在这种结构中，薄膜和电极平面部分构成一个平行板电容器。再有，响应于压力差，薄膜发生位移，造成相应的电容变化。与电容器的电连接是这样实现的：对基座部件的直接连接实现了与一个极板的电连接，而与电极平面部分形成的极板是通过引线来连接的。

后一种先有技术传感器在测量压力方面是有效的。再有，这里几乎没有高精度部件和复杂的组装操作，唯一的关键的尺度组合操作是使电极相对于基座部件凸缘的初始对位。因为这一步骤只涉及室温下的固体材料，所以建立的机械应力极小。再有，因为没有玻璃-金属支撑物，所以没有温度系数不匹配问题。因此，这种先有技术提供了一种高灵敏度宽温度范围的电容压力传感器。

然而，后一种类型的先有技术传感器由于其较为复杂和较高的制作费用，使得尚未实际投入某些市场。高制作费用的部分原因是必须控制该传感器金属电极的厚度及主容器的尺度公差。通常被支持在陶瓷盘上的金属电极也需要高成本。此外，还需要一个外壳来容纳传感器和测量电路。

本发明的目的是提供一种改进的压力传感器。

另一个目的是提供一种较便宜且易于制造的高性能压力传感器。

本发明概要