CN100430707C - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力计，包括：隔膜，具有刚性的外部部分和响应所述隔膜的第一和第二侧之间的压力差而位移的可位移的半弹性材料构成的内部部分；位于所述隔膜附近并适用于检测所述隔膜的内部部分的位移的传感器；以及和所述传感器相连并适用于由隔膜的位移确定所述压力差的监视器和控制系统。传感器包括光发射模块；以及光检测模块，适用于直接接收由光发射模块发射的第一光束，并接收由光发射模块发射并从所述隔膜反射的第二光束；其中所述监视器和控制系统由第一和第二个光产生的干涉图案计算隔膜的位移。本发明还提供一种用于平版印刷的接近传感器。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及高灵敏度、高带宽的低压传感器，尤其涉及这些装置在例如用于平板印刷装置中的气压计中的应用。

背景技术

常规的低压气压计利用质量流量传感器，其具有相对长的响应时间或者一般在几十赫兹范围内的低的带宽。相对低的带宽不适用于在较高的速度下操作，例如平板印刷扫描应用。

因此，需要一种高灵敏度的具有比目前可得到的较高的带宽的低压气压计。

发明内容

本发明涉及高灵敏度的具有比目前可得到的较高的带宽的低压气压计。

根据本发明的一种压力计，包括：隔膜，具有刚性的外部部分和响应所述隔膜的第一和第二侧之间的压力差而位移的可位移的半弹性材料构成的内部部分；位于所述隔膜附近并适用于检测所述隔膜的内部部分的位移的传感器；以及和所述传感器相连并适用于由隔膜的位移确定所述压力差的监视器和控制系统。其中所述传感器包括：光发射模块；以及光检测模块，适用于直接接收由光发射模块发射的第一光束，并接收由光发射模块发射并从所述隔膜反射的第二光束；其中所述监视器和控制系统由第一和第二个光产生的干涉图案计算隔膜的位移。所述压力计还包括监视器和控制系统，其和所述传感器耦连(有线或无线)，并适用于由隔膜的位移确定压力差。

本发明提供多种可选的检测结构，其中包括但不限于，光学检测结构和电容检测结构。

对于低压应用，例如用于平板印刷应用中的纳米接近传感器(Proximitysensor)，传感器的工作压力范围大约为0.1-0.5英寸水柱压力。压力计压力传感器的分辫率优选地大约为0.001Pa，这大约为4×10^-5英寸水柱压力。这将使得压力计能够分辫几纳米。注意1英寸水柱压力＝254帕斯卡。

这种隔膜和传感器具有相对高的带宽，因而可以在相对高的速度应用中被实施。例如，本发明可以在平板印刷接近(lithography proximity)检测设备和平板印刷构形映象(lithography topographical mapping)设备中被实施。

根据本发明的另一方面，提供一种用于平版印刷的接近传感器，包括：测量引线，具有和其相连的侧量探针；参考引线，具有和其相连的参考探针；被连接在测量引线和参考引线之间的桥部分；以及被设置在所述桥部分内的压力传感器。其中压力传感器包括：隔膜，具有刚性的外部部分和响应测量引线和参考引线之间的压力差而位移的可位移的半弹性材料构成的内部部分；位于所述隔膜附近并适用于检测所述隔膜的内部部分的位移的传感器；以及和所述传感器相连并适用于确定隔膜的位移还适用于由所述位移确定所述压力差的监视器和控制系统。所述传感器包括：

光发射模块；以及光检测模块，适用于直接接收由光发射模块发射的第一光束，并接收由光发射模块发射并从所述隔膜反射的第二光束；其中所述监视器和控制系统由第一和第二个光产生的干涉图案计算隔膜的位移。

本发明的附加的特征和优点将在下面的说明中提出。而其它的一些特征和优点，对于本领域技术人员，根据这里给出的说明便可以看出，或者通过实施本发明便可以得知。通过在说明书和权利要求书以及附图中具体指出的结构，可以实现和获得本发明的优点。

应当理解，前面的综述和下面的详细说明是示例性的和解释性的，用于提供要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

下面参照附图说明本发明，其中相同的标号表示相同的或相似的元件。此外，标号的最左边的数字用于识别首次引入相关元件的附图。

图1是压力传感器100的侧平面图，包括隔膜102和传感器104；

图2A是隔膜102的前平面图；

图2B是隔膜102的基本上刚性的外部部分202的侧平面图；

图2C是隔膜102的侧平面图，包括基本上刚性的外部部分202，内部部分204和接近传感器表面206，被扩大地表示为好像处于不同的压力条件下；

图3是压力传感器100的侧向透视图，其中传感器104和监视器以及控制系统106利用白光干涉计来实现；

图4是压力传感器100的侧平面图，其中传感器104以及监视器和控制系统106利用光掠射角传感器(optical grazing angle sensor)实现；

图5是压力传感器100的侧平面图，其中传感器104包括电容传感器502，接近表面206包括接地平板504；

图6是空气系统600的侧平面图，包括第一引线602和第二引线604以及位于其间的桥中的压力传感器100；

图7是例如在用于平板印刷中的接近传感器700中实施的压力传感器100的侧平面图；以及

图8是在接近传感器800中实施的压力传感器100的侧平面图。

具体实施方式

I.引言

本发明涉及一种具有比目前可得到的较高的带宽的低压气压计。本发明可以不受限制地用于例如平板印刷接近检测设备和平板印刷构形映象设备中。

II.高带宽、低压差检测

图1是压力传感器100的侧平面图，包括扰曲板或隔膜102，位于隔膜102附近的隔膜位移传感器104(下文称“传感器”)，以及和传感器104电气耦连(有线或无线)的监视器和控制系统106。传感器104接近隔膜，但是不必在物理上和隔膜接触。

隔膜102和传感器104位于主体108内，在第一区域110和第二区域112之间。压力传感器100确定在第一区域110和第二区域112之间的压力差。

图2A是隔膜102的前平面图。隔膜102包括基本上刚性的外部部分202，用于把隔膜102连接到主体108的内壁114上(图1)。图2B是基本上刚性的外部部分202的侧平面图。基本上刚性的外部部分202由金属、塑料或其它合适的基本上刚性的材料或其组合材料制成。

参见图2A，隔膜102还包括可位移的内部部分204，其响应在第一和第二区域110和112(图1)之间的压力差而位移。

内部部分204是扰曲板，一个由半弹性材料构成的基于隔膜的部分，所述材料例如但不限于聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、橡胶或/与其组合物。内部部分204沿着低压力的方向延伸。内部部分204被设计成响应例如但不限于大约0.1-0.5英寸水柱压力的范围内的超低压差。或者，内部部分204被设计成响应其它的压差范围。

内部部分204以一种或几种不同的方式被连接到基本上刚性的外部部分202上，包括但不限于胶粘、整体成形、热密封、化学连接及其类似方式。

内部部分204选择地包括接近传感器表面206，其中传感器104(图1)对接近传感器表面206的运动是敏感的。接近传感器表面206可以是内部部分204，或者是内部部分的一个涂层或浸渍。示例的涂层和浸渍在下面的一个或几个部分中披露了。

图2C是隔膜102的侧平面图，包括基本上刚性的外部部分202，内部部分204，以及接近传感器表面206，图中所示被扩大为好像一个压差条件下。

在图1和图2A的例子中，主体108具有圆柱的形状，因而外部部分202具有互补的圆环的形状。不过，本发明不限于所示的圆环形状。本领域技术人员应当理解，也可以利用其它的形状，其中包括但不限于卵形，椭圆形和多边形。传感器104和接近传感器表面206可以利用一种或几种不同的技术实施。

传感器104和接近传感器表面206的实施的例子在下面披露了。不过本发明不限于这些示例的实施方式。根据这里的教导，本领域技术人员应当理解，传感器104和接近传感器表面206也可以利用其它技术来实施，这些都落在本发明的范围内。

压力传感器100是一种相对高带宽的装置。根据使用的材料和电路，这种压力传感器可以具有几千赫兹的带宽。因而本发明在相对低的速度的应用和相对高的速度的应用中都是有用的，前者例如平板印刷接近检测装置，后者例如平板印刷构形映象装置。

III.基于干涉器的接近检测

图3是压力传感器100的侧透视图，其中传感器104以及监视器和控制系统106利用干涉器来实施。干涉器利用接近表面206作为反射目标。接近表面206的偏转的改变引起由传感器104接收的反射光图案的相应的改变。监视器和控制系统106内的译码器确定接近表面206的相对偏转。然后监视器和控制系统106把接近表面206的偏转测量转换成第一和第二区域110和112之间的压力差。

干涉器可以利用现成的干涉器来实施，其中包括但不限于白光干涉器。

IV.光掠射角接近检测

图4是压力传感器100的侧平面图，其中传感器104以及监视器和控制系统106利用例如T.Qui，“Fiber Optics FocusSensors：Theoretical Model，”MIT Report，2000教导的光掠射角传感器来实施，该文的全部内容在此引入作为参考。

在操作时，分别在发射和接收光纤406和408之间形成第一和第二光通路402和404。第一光通路402在发射光纤406和接收光纤408之间。第二光通路404是从发射光纤406输出的，并在由接收光纤408接收之前由接近表面206反射。通过第一光通路402，由发射光纤406发射的并由接收光纤408接收的第一光束，和通过第二光通路404由发射光纤406发射并由接收光纤408接收的第二光束形成空间衍射图案。所述图案是接近表面206的相对位置的函数。

当接近表面206偏转时，如图4的“隔膜偏转”410所示，接收光纤408由第二光通路404接收被强度调制的光。在监视器和控制系统106中的译码器对所述的调制译码，并确定接近表面206的相对偏转。然后监视器以及控制系统106把接近表面206的偏转测量(即“隔膜偏转”410)转换成在第一和第二区域110和112之间的压力差。

在图4的例子中，发射光纤406包括用于把来自光源的光分列成第一和第二通路402和404的光学装置。或者，使用具有在声学上偏离的波长的两个发射光纤。在接收光纤408所得的干涉图案恒定地偏移或移动。当接近表面206不动时，干涉图案以恒速运动。当接近表面206移动时，相应的移动的干涉图案的速度改变。在监视器和控制系统106中的计数器根据图案的改变译码隔膜的相对偏转。监视器和控制系统106然后把接近表面206的偏转测量转换成在第一和第二区域110和112之间的压力差。

V.电容接近检测

图5是压力传感器100的侧平面图，其中传感器104包括电容传感器502，并且接近表面206包括接地板504。接地板504至少部分地由导电材料例如金属制成。电容传感器502可选地位于离开接地板504大约300-500微米。气体例如空气作为电容传感器502和接地板504之间的电介质，因而形成电容器。其电容是接地板离开电容传感器502的距离的函数。隔膜102的偏转的改变引起电容的改变。监视器和控制系统106包括电路装置例如谐振电路，例如产生相应于电容的改变的振荡或调制。所述振荡或调制被转换成接地板504的相对的偏转测量。然后监视器和控制系统106把接地板504的偏转测量转换成第一和第二区域110和112之间的压力差。

电容传感器是熟知的，并且在市场上可以得到，虽然本发明人不知道其和压力传感器一起被使用过。

VI.作为气压计的压力计

压力传感器100可选地作为气压计来实施，用于测量由空气流动引起的压力变化。这种气压计例如但不限于在平版印刷和进行平版构形映象中是有用的。

图6是空气系统600的前平面图，包括第一引线602和第二引线604。压力传感器100位于主体108内，所述主体在第一引线602和第二引线604之间形成一个桥。桥108借助于各自的T形连接和第一以及第二引线相连。

在图6的例子中，T形连接基本上是直角的T形连接。不过，本发明不限于直角的T形连接。根据这里的说明，本领域技术人员应当理解，也可以使用其它角度的连接。

通过第一引线602和第二引线604的空气流量用箭头表示。这个气流引起在区域110和112中的压力的降低。当在引线602中的空气流量和在引线604中的空气流量不同时，在区域110和112之间产生的压力差将引起隔膜102朝向较低压力的区域偏离。根据初始校准，监视器和控制系统106确定在第一引线602和第二引线604之间的空气流量的相对差值。所述空气流量的相对差值例如被用于平板印刷接近检测中，如下所述。

VII.平板印刷接近检测

图7是例如用于平板印刷中的接近传感器700的前平面图。平板印刷接近传感器例如在2002年12月9日申请的专利申请序列号为10/322768，名称为“High-Resolution Gas Gauge Proximity Sensor”的美国专利申请中描述了，该专利申请的全部内容在此引述作为参考。气压计传感器也在1990年9月4日公开的授予Barada的、名称为“AirGauge Sensor”的美国专利4,953,388中描述了，该专利的全文在此引述作为参考。

在图7中，接近传感器700包括第一引线602和第二引线604。第一引线602和测量探针702相连。第二引线604和参考探针708相连。第一引线602是测量引线，第二引线604是参考引线。测量探针位于晶片或其它的工作面704附近，其间具有测量间隙706。参考探针位于参考表面704附近，其间具有参考间隙712。

在第一引线602和第二引线604中的空气流量最初是平衡的，使得在区域110和区域112之间没有空气压力差。当测量间隙706相对于参考间隙712改变时，第一引线602中的空气流量相对于第二引线604中的空气流量改变，从而引起区域110相对于区域112的相应的压力改变。所述压力改变由压力传感器100检测，如上所述。

或者，参考引线604和参考探针708由参考压力代替。例如，图8是接近传感器800的侧平面图，其中参考引线604被参考压力802代替。参考压力802可以是环境压力或被控制的压力。

VIII.结论

上面借助于说明指定的功能性能及其关系的构成块说明了本发明。这些功能构成块的边界是任意限定的，以便进行说明。也可以限定另外的边界，只要能够合适地实现指定的功能及其关系。因而任何这种另外的边界都落在本发明的范围和构思内。本领域技术人员应当理解，这些功能构成块可以由离散元件、专用集成电路、执行合适的软件的处理器及其类似物以及它们的组合来实施。

虽然上面说明了本发明的不同的实施例，但是应当理解，这些都是以举例方式而不是以限制的方式提供的。因而，本发明的宽度和范围不应当由上述的任何示例的实施例限制，而应当按照下面的权利要求及其等效物限定。

Claims (9)

1.一种压力计，包括：

隔膜，具有刚性的外部部分和响应所述隔膜的第一和第二侧之间的压力差而位移的可位移的半弹性材料构成的内部部分；

位于所述隔膜附近并适用于检测所述隔膜的内部部分的位移的传感器；以及

和所述传感器相连并适用于由隔膜的位移确定所述压力差的监视器和控制系统，

其中所述传感器包括：

光发射模块；以及

光检测模块，适用于直接接收由光发射模块发射的第一光束，并接收由光发射模块发射并从所述隔膜反射的第二光束；

其中所述监视器和控制系统由第一和第二个光产生的干涉图案计算隔膜的位移。

2.如权利要求1所述的压力计，其中所述隔膜对于在大约为0.1-0.5英寸水柱压力的范围内的压力变化是敏感的。

3.如权利要求1所述的压力计，还包括在隔膜内部部分的第一侧上的光反射涂层，其中所述传感器包括和所述光反射涂层光学对准的发射器和接收器。

4.如权利要求3所述的压力计，其中所述传感器包括干涉器。

5.如权利要求3所述的压力计，其中所述传感器包括白光干涉器。

6.如权利要求1所述的压力计，其中光发射模块包括发射光纤，所述光纤具有和衍射装置相连的输出，所述衍射装置把光源的光分离成第一和第二光，其中隔膜位移的改变使得所述干涉图案包括强度调制的光，其中监视器和控制系统由强度调制的光计算隔膜位移。

7.如权利要求1所述的压力计，其中光发射模块包括第一和第二发射光纤，第一发射光纤输出第一波长的第一光，第二发射光纤输出第二波长的第二光，其中第二波长相对于第一波长具有相移，其中隔膜位移的改变引起干涉图案以基本上恒定的速度改变，其中监视器和控制系统包括计数器，其由基本上恒定的速度译码所述隔膜位移。

8.如权利要求1所述的压力计，其中所述隔膜的内部部分包括接地的金属表面，其中所述传感器包括位于所述接地的金属表面附近的电容检测装置，并且其中所述监视器和控制系统根据所述电容检测装置中的电容的改变确定所述位移。

9.一种用于平版印刷的接近传感器，包括：

测量引线，具有和其相连的测量探针；

参考引线，具有和其相连的参考探针；

被连接在测量引线和参考引线之间的桥部分；以及

被设置在所述桥部分内的压力传感器，

其中压力传感器包括：

隔膜，具有刚性的外部部分和响应测量引线和参考引线之间的压力差而位移的可位移的半弹性材料构成的内部部分；

位于所述隔膜附近并适用于检测所述隔膜的内部部分的位移的传感器；以及

和所述传感器相连并适用于确定隔膜的位移还适用于由所述位移确定所述压力差的监视器和控制系统，

而且所述传感器包括：

光发射模块；以及

光检测模块，适用于直接接收由光发射模块发射的第一光束，并接收由光发射模块发射并从所述隔膜反射的第二光束；

其中所述监视器和控制系统由第一和第二个光产生的干涉图案计算隔膜的位移。

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