CN101430232A - 静电电容隔膜型压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种静电电容隔膜型压力传感器，其包括彼此相对设置的固定电极和隔膜，其中隔膜在外力作用下产生变形，并且从固定电极与隔膜之间的静电电容中获得压力，其中所述静电电容随隔膜的变形而发生变化，该传感器包括：包围传感器的主体的外壳；设在外壳内表面上的加热器；测量外壳内部的温度的温度传感器；以及温度调节电路，其将由温度传感器获得的温度信号与预设值进行比较并且基于比较结果输出用于驱动加热器的驱动信号。

Description

静电电容隔膜型压力传感器

技术领域

本发明涉及一种静电电容隔膜型压力传感器，其中温度被调节在恒定水平上以使压力传感器高精度地工作。

背景技术

作为一种用于测量真空装置或类似物的内部压力的压力传感器实例，静电电容隔膜型压力传感器是可得到的。

图5是根据现有技术的静电电容隔膜型压力传感器的剖面图。

在此静电电容隔膜型压力传感器(与下文中一样，仅被叫做“压力传感器”)中，隔膜1隔开设在压力传感器中的参考压力室2的一部分。当大气压力通过通孔3作用在隔膜1上时，隔膜1根据压力强度而产生移动。在隔膜1被用作一个电极并且固定电极4被形成在参考压力室2内与隔膜1相对的情况下，隔膜1与固定电极4之间的静电电容发生变化。电路7通过引线脚5检测该变化量，并将其转换成电信号，所述电信号然后通过电信号连接器8输出到外部。由金属或者树脂材料制成的传感器壳体6覆盖电路7和压力检测结构。

当例如压力传感器所安装的环境的温度变化时，隔膜1和参考压力室2随着环境温度的变化而进行热膨胀或者收缩。这在隔膜1上形成应力，这种应力会使隔膜1产生移动。因此，即使在起初由压力计检测到的压力保持不变的时候，从电信号连接器8输出的电信号也会有变化，从而引起压力测量值的误差。结果，压力传感器不能精确地工作。

包含用于测量环境温度的温度传感器的静电电容隔膜型传感器是已知的(参见日本专利特许公开No 2001-13025)。该文献建议了一种使静电电容隔膜型传感器最不容易受环境温度影响的手段。具体地，采用温度校正方法的压力传感器成为可能。根据该方法，测量环境温度的温度传感器被附连到图5所示的电路7上。该温度传感器测量压力传感器的温度。电路7根据所测到的温度校正因热膨胀系数的差异引起的隔膜位移量。然而，在采用此温度校正方法的情况下，所测到的温度并不总与隔膜温度一致，并且温度监测并不足够精确。该方法还要求进行以下操作，即：测量校正数据(关于温度校正系数的数据)以允许事先进行温度校正，并将其输入校正电路。通过在传感器的工作温度范围内等间隔地对温度进行采样并且建立起采样温度与传感器输出值之间的对应关系来形成校正函数。然而，所述校正电路在用作高精度压力测量设备时具有一些限制，因为它在未采样的温度上会产生误差。

为了解决这个问题，提出了一种采用温度调节方法的静电电容隔膜型压力传感器，其中不管环境温度如何变化，压力传感器的温度总保持不变。

图6是采用温度调节方法的静电电容隔膜型压力传感器的剖面图。

这种采用温度调节方法的静电电容隔膜型压力传感器结合有盖子41和加热器42，以便一直将压力传感器中的隔膜1和参考压力室2的温度设定在恒定值上。电路7加热并且调节压力传感器的内部温度。例如，根据此温度调节方法，在参考压力室中设有加热器。该加热器周围的空间由另一配有加热器的盖子或类似物覆盖。设在各加热器附近的温度传感器附连到温度调节电路上以便对温度进行调节。在使用这种温度调节方法的情况下，由于整个压力传感器的温度几乎保持恒定并且得到调节，因此压力传感器不容易受到环境温度的影响。因此，能够获得比使用温度校正方法的压力传感器更为精确的压力传感器。

根据普通的温度调节方法，为了始终将整个压力传感器维持在恒定温度上，位于隔膜周围的各种构件结合有加热器，并且这些加热器是温度可调的。为了执行温度调节，温度传感器被附连到温度调节电路上。所述各种构件中的每一个均结合有这种温度传感器，并且执行温度调节以将附接有这些构件的部分维持在恒定温度上。

当环境温度发生变化时，压力传感器的温度也产生变化。在压力传感器的温度在温度调节的作用下重新达到恒定温度之前，位于隔膜周围的那些构件的温度容易分布不均。当压力传感器的温度变得不均匀时，隔膜表面的温度分布变差。因此在隔膜上形成应力，从而使之产生移动。随着压力传感器的主体--诸如近几年通过MEMS(微电子机械系统)技术制造的--变得更为紧凑，如果压力传感器采用温度调节方法，压力传感器主体的热容量变小。然后，在周围环境的温度发生变化时，整个压力传感器的温度容易出现剧烈波动。在持续至压力传感器的温度变为恒定的温度调节期间，整个压力传感器的温度容易产生“隆起”(hunching)从而引发问题，例如致使更难以维持恒定温度。测量值以这种方式受到温度影响的问题不仅出现在压力传感器上，而且还存在于普通的传感器中。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种静电电容隔膜型压力传感器，所述压力传感器不易受环境温度影响，并且其中整个传感器的温度可以轻易地维持在均匀、恒定的数值上。

根据本发明的一个方面，提供了一种静电电容隔膜型压力传感器，所述压力传感器包括彼此相对设置的固定电极和隔膜，其中所述隔膜在外力作用下产生变形，并且从固定电极与隔膜之间的静电电容中获得压力，其中所述静电电容随隔膜的变形而发生变化，所述传感器包括：

外壳，其包围传感器的主体；

加热器，其设在外壳的内表面上；

温度传感器，其用于测量外壳内部的温度；以及

温度调节电路，其将由温度传感器获得的温度信号与预设值进行比较，并且基于比较结果输出用于驱动加热器的驱动信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种静电电容隔膜型压力传感器，其包括彼此相对设置的固定电极和隔膜，其中隔膜在外力作用下产生变形，并且从固定电极与隔膜之间的静电电容中获得压力，所述静电电容随隔膜的变形而发生变化，所述传感器包括：

外壳，其包围传感器的主体；

加热器，其设在外壳的内表面上；

第一温度传感器，用于测量外壳内部的温度；

第二温度传感器，用于测量外壳外部的温度；以及

温度调节电路，其将由第一温度传感器获得并且指示外壳内部温度的温度信号与预设值进行比较，基于比较结果输出用于驱动加热器的驱动信号，计算校正输出以根据由第二温度传感器获得的外壳外部温度的变化校正加热器的操作，并且将校正输出加到驱动信号上。

根据本发明的静电电容隔膜型压力传感器，所述传感器与采用普通温度校正方法的情况相比受环境温度的影响更小，并且与采用普通温度调节方法的情况相比，能够更加容易地将整个传感器的温度维持在均匀、恒定的数值上。因此，传感器部件受到热应力的影响更小，测量精度得到改善。

根据本发明的另一静电电容隔膜型压力传感器，设有用于分别测量外壳内部和外部的温度的温度传感器。温度调节电路执行反馈控制和前馈控制。因此，除了上述效果之外，即使在环境温度发生变化的时候，这种变化也能够轻易地被抵消。这进一步增强了将整个传感器的温度始终维持在恒定值上的效果。

本发明的其他特征将参考附图从下面对示例性实施例的描述中变得显而易见。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的静电电容隔膜型压力传感器的剖面图；

图2是示出根据本发明第二实施例的静电电容隔膜型压力传感器的剖面图；

图3是一种壳体的剖面图，其中在外壳9与设在外壳9的内表面上的加热器10之间夹有由高导热性材料制成的碳片17；

图4是一种壳体的剖面图，其中在外壳9与设在外壳9的内表面上的加热器10之间夹有由高导热性材料制成的碳片17，并且在外壳9的外表面上加有由高导热性材料制成的铝板18；

图5是示出根据现有技术的静电电容隔膜型压力传感器的剖面图；以及

图6是示出根据现有技术的采用温度调节方法的静电电容隔膜型压力传感器的剖面图。

具体实施方式

利用MEMS技术制造的紧凑的静电电容隔膜型压力传感器将在下面作为第一和第二实施例得到描述。

[第一实施例]

图1是示出根据本发明第一实施例的静电电容隔膜型压力传感器的剖面图。

在图1中，用参考数字1至8指示的部分与构成图5所示的采用MEMS技术的静电电容隔膜型压力传感器的部分相同。此压力传感器具有彼此相对设置的固定电极4和隔膜1。外力使隔膜1发生变形。压力从固定电极4与隔膜1之间的静电电容中获得，其中所述静电电容随隔膜的变形而发生变化。

压力传感器由外壳9完全覆盖，其中壳体9具有均匀的厚度并且由低导热性树脂制成。在外壳9的内表面上形成有片状或者膜状加热器10，例如橡胶加热器，其具有相等的单位面积功率。在这种情况下，可以使用双面胶带将加热器10粘附在外壳9的内表面上。温度传感器11被设置在外壳9的内部，并且测量外壳9的内部温度。由温度传感器11检测出的温度信号被输入温度调节电路12。温度调节电路12将输入的温度信号与预定值进行比较，并且输出加热器10的驱动信号，由此调节外壳9的内部温度，即压力传感器的温度。这种调节是属于常规控制的反馈控制。

例如，关于加热温度，壳体内部空间的温度被设为45℃，其等于或者高于环境温度(例如15℃-35℃)。温度调节电路12执行调节外壳9的内部温度的PID控制，其中所述内部温度是由外壳9内的温度传感器11进行检测的。

温度调节电路12与设在外壳9的上部的电信号连接器13相连，并且向电信号连接器13提供功率。设在外壳9的上部的电信号连接器13与压力传感器主体的电信号连接器8相连。通孔3贯穿外壳9和加热器10。

如此，通过用厚度均匀且由低导热性树脂制成的外壳9包围整个压力传感器，热绝缘性增强并且与环境大气的热交换能够变得更加均匀和更少。此外，为了均匀加热整个压力传感器的温度，在外壳9的内表面上设置具有相同单位面积功率的加热器10。外壳9的内部温度受到外壳9内的温度传感器11和温度调节电路12的控制，并且在外部环境温度发生变化时均匀、适度地进行变化。外壳9的内部温度因此变得均匀，不容易出现隆起，并且能够轻易地维持在恒定值上。随着压力传感器温度以及压力传感器周边的温度的均匀性得到改善，压力传感器的隔膜上的热应力得到缓和，因此压力测量值变得稳定。

在使用此实施例时，采用MEMS技术紧凑制成的静电电容隔膜型压力传感器与采用普通的温度校正方法的情况相比受环境温度的影响更小。与采用普通的温度调节方法的情况相比，压力传感器可被制造得更为紧凑，并且在减小空间方面十分出色。整个压力传感器的温度可轻易地维持在均匀、恒定的数值上，因此改善了压力测量的精确度。

假设将此实施例应用于使用温度校正方法的现有的静电电容隔膜型压力传感器。当此实施例的温度调节机构被额外地装配在这种现有的压力传感器上时，所得到的压力传感器能够具有改善的功能，因为它既具有温度校正功能又具有温度调节功能，这是极大的优势。

[第二实施例]

图2是示出根据本发明第二实施例的静电电容隔膜型压力传感器的剖面图。

在图2中，用参考数字1至8指示的部分是构成图5所示的采用MEMS技术的静电电容隔膜型压力传感器的构件。下面将主要描述第二实施例与第一实施例在构造上的不同。

第一温度传感器14被设置在外壳9的内部，并且测量外壳内部的温度。第二温度传感器15被设置在外壳9的外部，并且测量外壳外部的温度。温度调节电路16具有这样的电路部分，其接收由第一温度传感器14检测到的温度信号，将该温度信号与预设值进行比较，并且输出加热器10的驱动信号。通过作为常规控制的反馈控制以这种方式对外壳9的内部温度(即压力传感器的温度)进行调节。这与第一实施例是一致的。

温度调节电路16还具有另一电路部分。该电路部分接收由第二温度传感器15感测的指示外壳9的外部温度的信号，并且计算与温度差(差分值)相对应的输出(即用温度差乘以系数得到的值)作为校正输出来校正加热器10的操作，并且将校正输出加到加热器10的驱动信号上。此电路部分将校正输出加到驱动信号上，从而通过前馈控制调节加热器10的校正操作以尽可能地使与外壳9的内部温度、即压力传感器的温度有关的影响最小。

根据此实施例，提供了用于分别测量外壳内部和外部的温度的温度传感器。除了第一实施例的反馈控制之外，温度调节电路16还执行前馈控制。因此，除了第一实施例的效果之外，即使在外部环境温度产生变化的时候，这种变化也能够被均匀地抵消。由此，压力传感器的温度总能轻易地维持在恒定值上。因此，压力测量精度得到改善，并且压力测量值更快地稳定下来。

将描述可额外地应用在第一和第二实施例中的外壳结构实例。

图3是一种壳体的剖面图，其中在外壳9与设在外壳9的内表面上的加热器10之间夹有由高导热性材料制成的碳片17。

在由低导热性材料制成的外壳9与设在外壳9的内表面上的加热器10之间夹有由高导热性材料制成的板或片。更具体地，将具有高导热性的碳片17设置在厚度均匀并且由低导热性树脂制成的外壳9与设在外壳9的内表面上并且具有相同的单位面积功率的加热器10(例如橡胶加热器)之间。碳片17用作热平衡板，以使外壳9的内表面的温度变得更加均匀。因此，外壳9的内部温度变得更加均匀，从而提高压力测量的精确度。虽然使用了碳片，但是它也可以用其它具有高导热性的构件来替换。

图4是一种壳体的剖面图，其中在外壳9与设在外壳9的内表面上的加热器10之间夹有由高导热性材料制成的碳片17，并且在外壳9的外表面上加有由高导热性材料制成的铝板18。

由高导热性材料制成的板或片进一步地被添加在图3所示的外壳9的外表面上。更具体地，以与图3所示的外壳9相同的方式，将具有高导热性的碳片17设置在厚度均匀并且由低导热性材料制成的外壳9的内表面与具有相同的单位面积功率的加热器10(例如橡胶加热器)之间。碳片17用作热平衡板，以使外壳9的内表面的温度变得更加均匀，外壳9的内部温度变得更加均匀。此外，当具有高导热性的铝板18被添加到外壳9的外表面上时，它用作热平衡板，因此使与外壳9的外部环境温度的热交换均匀化。由此，外壳9的内部温度变得更加均匀，从而进一步提高了压力测量的精确度。

虽然已参考示例性实施例对本发明进行了描述，但是应理解：本发明并不限于所公开的示例性实施例。下列权利要求的范围应被给予最宽泛的解释以涵括所有的这类改进以及等同结构和功能。

Claims (8)

1.一种静电电容隔膜型压力传感器，其包括彼此相对设置的固定电极和隔膜，其中所述隔膜在外力作用下变形，并且从所述固定电极与所述隔膜之间的静电电容中获得压力，其中所述静电电容随所述隔膜的变形而发生变化，所述传感器包括：

外壳，其包围所述传感器的主体；

加热器，其设在所述外壳的内表面上；

温度传感器，其用于测量所述外壳内部的温度；以及

温度调节电路，其将由所述温度传感器获得的温度信号与预设值进行比较，并且基于比较结果输出用于驱动所述加热器的驱动信号。

2.如权利要求1所述的传感器，其中，

所述外壳由低导热性材料制成，以及

在所述外壳的所述内表面与所述加热器之间设置具有高导热性的构件。

3.如权利要求1所述的传感器，其中在所述外壳的外表面上添加具有高导热性的构件。

4.一种静电电容隔膜型压力传感器，其包括彼此相对设置的固定电极和隔膜，其中所述隔膜在外力作用下变形，并且从所述固定电极与所述隔膜之间的静电电容中获得压力值，其中所述静电电容随所述隔膜的变形而发生变化，所述传感器包括：

外壳，其包围所述传感器的主体；

加热器，其设在所述外壳的内表面上；

第一温度传感器，用于测量所述外壳内部的温度；

第二温度传感器，用于测量所述外壳外部的温度；以及

温度调节电路，其将由所述第一温度传感器获得并且指示所述外壳内部的温度的温度信号与预设值进行比较，基于比较结果输出用于驱动所述加热器的驱动信号，计算校正输出以根据由所述第二温度传感器获得的所述外壳外部的温度的变化校正所述加热器的操作，并且将校正输出加到驱动信号中。

5.如权利要求4所述的传感器，其中：

所述外壳由低导热性材料制成，并且

在所述外壳的所述内表面与所述加热器之间设置具有高导热性的构件。

6.如权利要求4所述的传感器，其中在所述外壳的外表面上增加具有高导热性的构件。

7.如权利要求1所述的传感器，其中使用双面胶带将所述加热器附连在所述外壳的所述内表面上。

8.如权利要求4所述的传感器，其中使用双面胶带将所述加热器粘附在所述外壳的所述内表面上。

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