CN101169388B

CN101169388B - 液体特性传感器

Info

Publication number: CN101169388B
Application number: CN2007101668212A
Authority: CN
Inventors: 吉田贵彦; 村田稔
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: CN101169388A; BRPI0703895A; BRPI0703895B1; US20080100309A1; US7692432B2; DE102007050404A1; JP4821560B2; JP2008111669A

Abstract

用于检测液体特性的液体特性传感器(10)包括半导体板(1)、第一电极(4a)和第二电极(4b)、以及保护膜(3)。第一和第二电极(4a、4b)设置在半导体板(1)上，彼此间隔预定距离。保护膜(3)相对于该液体具有抵抗性。第一和第二电极(4a、4b)根据液体的相对介电常数来检测其间的电容作为液体的特性。半导体板(1)的电容-电压转换电路(6)将电容转换成电压值。

Description

液体特性传感器

技术领域

本发明涉及一种液体特性传感器。

背景技术

由于传统燃料飞涨的成本，或者出于环境保护的考虑，混合了乙醇的燃料日渐得到广泛地使用。混合了乙醇的燃料是通过将乙醇混合到诸如汽油等的汽车燃料当中来制得的。当使用混合了乙醇的燃料时，根据乙醇和汽油之间的混合比来改变最适宜的燃烧条件。因此，为了改善燃烧效率，需要预先检测乙醇和汽油之间的混合比。

美国专利号5,367,264(对应JP-A-5-507561)公开了一种通过测量电容器的电容和电导率来检测空气-燃料混合物中包含的乙醇含量的检测器。该检测器包括壳体和传感器元件。检测器的壳体具有空气-燃料混合物所通过的通道，并且该检测器的传感器元件暴露于通过该通道的空气-燃料混合物。该传感器元件被设置成与该壳体热绝缘和电绝缘。电容器包括由壳体的一部分壁形成的第一电极，以及由暴露于空气-燃料混合物流的传感器元件制成的第二电极。

上述检测器的尺寸通过变得较大，因而该检测器的设置可能变得较为困难。此外，壳体的通道错综复杂地弯曲，并且以在通道的内壁和传感器元件之间存在预定间隙的方式将传感器元件插入到通道中。因此，可能容易产生外来物体的堵塞。

发明内容

考虑到上述以及其他问题，本发明的目的是提供一种液体特性传感器。

根据本发明的一个例子，用于检测液体特性的液体特性传感器包括半导体板、第一电极和第二电极、以及保护膜。半导体板包括设置在半导体板的表面上的绝缘膜，以及具有电容-电压转换电路的信号处理电路。第一和第二电极设置在半导体板的表面上，且彼此之间间隔预定距离。将保护膜设置在该半导体板上，以便覆盖半导体板的其上设置了第一和第二电极的表面。该保护膜相对于液体具有抵抗性，并且暴露于该液体。第一和第二电极根据液体的相对介电常数检测其间的电容来作为该液体的特性。电容-电压转换电路将第一和第二电极之间的电容转换为电压值。

因此，可以减小液体特性传感器的尺寸，并且该液体特性传感器可以稳定地检测液体特性。

附图说明

从以下参照附图所进行的详细说明当中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1是示出根据本发明第一实施例的液体特性传感器的示意剖面图；

图2是示出液体特性传感器的测量部分的示意性放大的剖面图；

图3是示出乙醇比和液体特性传感器的输出之间的关系的曲线图；

图4A和4B是用于说明液体特性传感器在燃料管道中的设置的示意图；

图5A和5B是用于说明液体特性传感器在燃料管道中的另一种设置的示意图；

图6是示出根据本发明第二实施例的液体特性传感器的测量部分的示意性放大的剖面图；以及

图7是示出乙醇比和第二实施例的液体特性传感器的输出之间的关系的曲线图。

具体实施方式

第一实施例

图1所示的液体特性传感器10用于通过测量混合了乙醇的汽油的相对介电常数来检测汽油和乙醇之间的混合比。液体特性传感器10的半导体板1例如由硅制成。半导体板1其上具有测量部分5和电路元件部分6。测量部分5测量电容，其对应于混合了乙醇的汽油的相对介电常数。电路元件部分6具有用于对来自测量部分5的输出进行信号处理的各种电路元件。

如图2所示，将氧化硅膜制成的绝缘膜2设置在半导体板1的表面上。第一电极4a和与该第一电极4a成对的第二电极4b设置在绝缘膜2上以便彼此相对，并且彼此间隔预定距离。电极4a、4b中的每一个具有公共电极以及在预定单个方向上从该公共电极延伸的多个梳齿电极。如此设置电极4a、4b，使得电极4a、4b的梳齿电极交替设置。由于电极4a、4b具有梳齿形状，因此可以减少电极4a、4b的设置面积，并且可以增加电极4a、4b之间的相对区域。然而，在不脱离本公开内容范围的情况下电极4a、4b可以具有任何形状。

例如，通过利用溅射在半导体板1上施加例如铝、铜、铬、金或铂的金属材料，并且利用光刻将所施加的金属材料构图成梳齿形状来制造电极4a、4b。或者，电极4a、4b可以由导电的非金属材料制成，例如多晶硅。

形成氮化硅膜，以便作为保护膜3来覆盖电极4a、4b和半导体板1。利用等离子化学汽相淀积(CVD)或者溅射将保护膜3淀积在半导体板1上，使其具有大致均匀的厚度，例如10μm。或者，可以使用氧化硅膜作为保护膜3。氮化硅膜或者氧化硅膜对于液体特性传感器10要检测的液体，例如汽油、乙醇或者石油具有更好的抵抗力。此外，氮化硅膜或者氧化硅膜可以通过普通的半导体制造技术容易地制造。

液体特性传感器10被设置成保护膜3暴露于混合了乙醇的汽油，并且通过液体特性传感器10检测混合了乙醇的汽油的相对介电常数。由此，在电极4a、4b之间形成电容器，并且该电容器具有由保护膜3和与保护膜3的表面相邻的混合了乙醇的汽油构造的电介质。因此，可以测量在电极4a、4b之间形成的电容器的电容，并且该电容除了保护膜3的相对介电常数之外还对应于与保护膜3的表面相邻的混合了乙醇的汽油的相对介电常数。

这里，混合了乙醇的汽油的相对介电常数根据汽油和乙醇之间的混合比而改变。汽油的相对介电常数处于从3到4的范围，并且乙醇的相对介电常数处在从20到30的范围。因此，可以通过测量电极4a、4b之间的电容来检测汽油和乙醇之间的混合比。例如，如图3所示，已经预先测量了液体特性传感器10的输出(电极4a、4b之间的电容)和乙醇比(汽油和乙醇之间的混合比)之间的关系，以便进行储存，从而从测量的电容可以提供将要检测的混合比。

然而，汽油或者乙醇的相对介电常数随着温度而变化。因此，将要检测混合了乙醇的汽油的温度，并且将要根据所检测的温度来校正用于计算混合比的上述关系。或者，可以预先在每个温度测量乙醇比和电容之间的关系，并且将根据所检测的温度来选择合适的关系。

此外，当保护膜3和混合了乙醇的汽油之间的相对介电常数的差异增加时，电极4a、4b之间的电场变得难以从保护膜3朝向混合了乙醇的汽油扩展。当限制电场从保护膜3朝向混合了乙醇的汽油扩展时，由混合了乙醇的汽油的相对介电常数引起的电极4a、4b之间的电容的变化变得较小。在这种情况下，可能降低检测灵敏度。因此，为了减少保护膜3和混合了乙醇的汽油之间的相对介电常数的差异，保护膜3的相对介电常数可以处在混合了乙醇的汽油的相对介电常数的变化范围中。

在本实施例中，氮化硅膜或者氧化硅膜用作保护膜3。氮化硅膜具有大约7的相对介电常数，而氧化硅膜具有大约4的相对介电常数。即，氮化硅膜或者氧化硅膜的相对介电常数处在混合了乙醇的汽油的相对介电常数的变化范围中。因此，可以准确地检测混合了乙醇的汽油的相对介电常数。

此外，当保护膜3的厚度增加时，对于电极4a、4b之间的电场来说难以到达与保护膜3的表面相邻的混合了乙醇的汽油。在这种情况下，可能降低检测灵敏度。因此，可以将保护膜3的厚度制成等于或小于10μm。

图1所示的电路元件部分6构造有元件，例如CMOS晶体管和电容器，并且这些元件构造了电容-电压(C-V)转换电路，样本保持电路或者放大电路。C-V转换电路将测量部分5测量的电极4a、4b之间的电容转换成电压值。样本保持电路将转换的电压采样并保持预定的期间。放大电路将样本保持电路输出的电压进行放大。

由此，这种半导体型传感器被用作液体特性传感器10。此外，用于处在来自测量部分5的输出的信号处理电路与液体特性传感器10一体地构造。因此，可以大大减小液体特性传感器10的尺寸。

液体特性传感器10例如被布置在设置在用于车辆的燃料泵和喷射器之间的燃料管道中。因为易于减小液体特性传感器10的尺寸，因此可以将液体特性传感器10自由地设置在燃料管道中。

这里，当液体特性传感器10设置在燃料管道中时，如此设置液体特性传感器10，使得燃料可以从燃料泵平稳地朝向喷射器流动。如图4A和4B所示，将液体特性传感器10的一部分插入到燃料管道P中。由此，具有半导体板10的测量部分5的板表面大致平行于燃料流F，并且测量部分5突出到燃料管道P中。

或者，如图5A和5B所示，液体特性传感器10安装到燃料管道P，使得燃料管道P的内表面的一部分对应于具有半导体板10的测量部分5的板表面。由此，在燃料管道P中流动的混合了乙醇的汽油沿着液体特性传感器10的板表面流动，从而当将液体特性传感器10设置在燃料管道P中时，混合了乙醇的汽油可以平稳地流动。

根据第一实施例，液体特性传感器10具有由通过层叠半导体板1、电极4a、4b和保护膜3而构造的简单结构。因此，可以容易减小液体特性传感器10的尺寸。此外，保护膜3相对于待检测的液体具有抵抗性，并且将保护膜3的表面暴露于该液体。由此，在液体特性传感器10中不设置任何用于液体的通道。因此，在液体特性传感器10中不产生堵塞。

第二实施例

如上所述，当保护膜3和混合了乙醇的汽油之间的相对介电常数的差异增加时，由混合了乙醇的汽油的相对介电常数引起的电极4a、4b之间的电容的变化变得较小。即，在混合了乙醇的汽油的相对介电常数完全在其变化范围上变化时，如果保护膜3的相对介电常数具有均匀的值(如果液体特性传感器10的保护膜3由单个膜制成)，则可能降低检测灵敏度。

然而，在第二实施例中，液体特性传感器10包括具有不同相对介电常数的多个保护膜3，并且第一和第二电极4a、4b被相应地提供到保护膜3中的每一个。

在混合了乙醇的汽油的相对介电常数完全在其变化范围上变化时，计算保护膜3和混合了乙醇的汽油之间的相对介电常数的差异，并且在多个保护膜3之间比较所计算的差异。然后，具有最小差异的保护膜被选择作为保护膜3，并且对应于所选择的保护膜的电极4a、4b提供电容作为液体特性。因此，可以使检测混合了乙醇的汽油的相对介电常数的变化的灵敏度更好。

如图6所示，例如，第二实施例的液体特性传感器10包括第一保护膜3a和第二保护膜3b，并且保护膜3a、3b的相对介电常数彼此不同。类似于第一实施例，保护膜3a、3b由氮化硅膜或氧化硅膜制成。

在这种情况下，例如，第一保护膜3a具有等于或小于5的相对介电常数，其大致等于汽油的相对介电常数。相比之下，第二保护膜3b具有等于或大于20的相对介电常数，其大致等于乙醇的相对介电常数。

第一对电极4a1、4b1设置为对应于第一保护膜3a，而第二对电解4a2、4b2设置为对应于第二保护膜3b。因此，第一测量部分51构造有第一保护膜3a和第一对电极4a1、4b1，而第二测量部分52构造有第二保护膜3b和第二对电极4a2、4b2。通过绝缘膜2将第一测量部分51和第二测量部分52设置在半导体板1上。

这里，当通过利用离子注入方法添加了磷或硼时增加了保护膜3a、3b的相对介电常数。此外，在保护膜3a、3b由化学汽相淀积(CVD)方法或溅射制造的情况下，当通过调节温度或真空度使保护膜3a、3b的组成物变稀时减少了保护膜3a、3b的相对介电常数。由此，保护膜3a、3b被制造为具有预定的相对介电常数。

根据第二实施例，如果乙醇与混和了乙醇的汽油的比率从0％变到100％，则可以准确地检测对应于混合了乙醇的汽油的相对介电常数的电容。即，在乙醇是混合了乙醇的汽油的主要部分和汽油是混合了乙醇的汽油的主要部分这两种情况下都可以准确地检测乙醇和汽油之间的混合比。

如图7所示，当乙醇的比率小时(即，当汽油的比率大)，混合了乙醇的汽油的相对介电常数相对较小。因此，通过利用来自第一测量部分51的输出来检测乙醇和汽油之间的混合比，因为第一测量部分51在这个范围中具有更好的检测灵敏度。相反，当乙醇的比率大时(即，当汽油的比率小)，混合了乙醇的汽油的相对介电常数相对较大。因此，通过利用来自第二测量部分52的输出来检测乙醇和汽油之间的混合比，因为第二测量部分52在这个范围中具有更好的检测灵敏度。

此外，当保护膜3a、3b的相对介电常数处在混合了乙醇的汽油的变化范围中时，检测准确度可以更好，因为保护膜3a、3b和混合了乙醇的汽油之间的相对介电常数的差异小，如第一实施例中所述。

在图6中，具有不同相对介电常数的第一和第二保护膜3a、3b被设置在液体特性传感器10中。然而，可以在液体特性传感器10中设置三个或多个保护膜。

在上述实施例中，液体特性传感器10用于检测混合了乙醇的汽油的混合比。然而，液体特性传感器10可以用于检测其他液体特性。

例如，当混合了乙醇的轻油用作柴油发动机燃料时，可以类似地检测乙醇和轻油之间的混合比。此外，可以检测发动机油(engineoil)的退化程度，因为发动机油由于氧化而退化，并且由于发动机油的相对介电常数随着退化(氧化)程度而改变。

这种变化和修改应当被认为是处在由所附权利要求书所限定的本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于检测液体特性的液体特性传感器(10)，该液体特性传感器包括：

半导体板(1)，其包括

设置在该半导体板的表面上的绝缘膜(2)，以及

具有电容-电压转换电路的信号处理电路(6)；

第一电极(4a)和第二电极(4b)，所述电极设置在该半导体板的该表面上以便彼此间隔预定距离；以及

保护膜(3)，其设置在该半导体板上以覆盖该半导体板的其上设置了所述第一和第二电极的所述表面，所述保护膜对于该液体具有抵抗性，并且所述保护膜被暴露于所述液体，其中

所述第一和第二电极(4a、4b)根据所述液体的相对介电常数来检测其间的电容作为所述液体的特性，

所述电容-电压转换电路(6)将所述第一和第二电极之间的电容转换成电压值，并且

所述保护膜(3)具有相对介电常数，其处在所述液体的相对介电常数的变化范围内。

2.根据权利要求1所述的液体特性传感器(10)，其中

所述保护膜(3)构造有具有在所述液体的相对介电常数的变化范围中的不同相对介电常数的多个膜(3a、3b)，并且

所述第一和第二电极(4a、4b)被相应地设置到所述多个膜中的每一个。

3.根据权利要求1所述的液体特性传感器(10)，其中

所述液体是第一液体和第二液体构成的混合液体，

所述液体具有相对介电常数，其随着所述第一液体和所述第二液体之间的混合比而改变，

所述保护膜(3)包括第一膜(3a)和第二膜(3b)，该第一膜(3a)具有大致等于所述第一液体的相对介电常数的相对介电常数，该第二膜(3b)具有大致等于所述第二液体的相对介电常数的相对介电常数，并且

所述第一和第二电极(4a、4b)被相应地设置到所述第一膜和所述第二膜中的每一个。

4.根据权利要求1所述的液体特性传感器(10)，其中

所述保护膜(3)由氧化硅膜和氮化硅膜中的一种制成。

5.根据权利要求1所述的液体特性传感器(10)，其中

所述保护膜(3)具有等于或小于10μm的厚度。

6.根据权利要求1所述的液体特性传感器(10)，其中

所述第一电极(4a)和所述第二电极(4b)中的每一个都构造有公共电极以及在预定的单个方向上从所述公共电极延伸的多个梳齿电极，并且

所述第一和第二电极(4a、4b)被设置成使得所述第一电极的所述梳齿电极和所述第二电极的所述梳齿电极交替设置。

7.根据权利要求1所述的液体特性传感器(10)，其中

所述半导体板(1)被设置成使得所述液体沿着所述半导体板的所述表面流动。

8.根据权利要求1所述的液体特性传感器(10)，其中

所述液体是混合了乙醇的汽车燃料，

所述混合了乙醇的汽车燃料具有相对介电常数，其根据乙醇和汽车燃料之间的混合比而改变，并且

所述第一和第二电极(4a、4b)之间的电容对应于所述混合了乙醇的汽车燃料的组成比。

9.根据权利要求1所述的液体特性传感器(10)，其中

所述液体是发动机油，

所述发动机油具有相对介电常数，其根据所述发动机油的退化程度而改变，并且

所述第一和第二电极(4a、4b)之间的电容对应于所述发动机油的退化程度。