CN103998909B - 具有改善的电极结构的电容式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种改善的电容式压力计，所述压力计包括：(a)包括公共电极的膜片；以及(b)包括中心电极和环形电极的电极结构，其中所述膜片可相对于电极结构在(ⅰ)当膜片每一侧上的压力相同时的零位置，与(ii)当最大的可测量压差被施加到膜片时的最大差分位置之间移动；以及膜片支撑结构，其布置成支撑膜片，使得膜片相对于电极结构受到限制，并且所述公共电极与所述中心电极和所述环形电极间隔开并且相对于所述压力计的对准轴与所述中心电极和所述环形电极轴向对准；以及电极支撑结构，所述电极支撑结构被布置成支撑所述电极结构并且包括柔顺环，所述柔顺环包括一体形成于所述环中并且围绕所述对准轴成角度地间隔开的至少三个弯曲部分；其中所述电极支撑在所述柔顺环弯曲部分的位置处相对于所述膜片被夹持就位。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年9月29日提交的美国专利申请第13/248,521号的权益，所述美国专利申请是以StevenD.Blankenship的名义于2011年2月1日提交的名称为“CapacitivePressureSensor”的美国专利序列号13/018,941的部分继续申请(代理人案卷号为086400-0056(MKS-217))；所述申请又基于并且要求以StevenD.Blankenship的名义于2011年2月2日提交的名称为“CapacitivePressureSensor”并且转让给本受让人的美国临时专利申请61/300,620的优先权(代理人案卷号为056231-0984(MKS-217PR))，通过引用将上述申请全部并入本文。
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，其提供非常精确和准确的压力测量，特别是在非常低的(真空)压力下。
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)成形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，以便它们可以检测到压力上的微小变化。
使用非常窄的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电极间隙间距的变化。虽然行业内的通常做法是通过使用双电极设计方案来减小在电极间隙间距方面变化的影响，良好地控制电极间隙间距提供传感器输出的进一步增强的稳定性。当通过使用窄的电极间隙而使得能够测量极低的压力(非常小的膜片变形)时，这一点尤其重要。
电容测量基于对于平行板电容C是众所周知的公式：
C＝ere0A/s
其中C是两个平行板之间的电容；
e0是自由空间的电容率；
er是板之间的材料的相对电容率(对于真空而言，er＝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以及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)被平衡成在零压差下的第一阶。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。
当电容测量被设计成检测固定电极结构和膜片耐压元件之间的位移变化时，一个误差来源与固定电极结构形状和位置的任何变化相关，其产生与压力无关的传感器输出的变化。
为了保持压力测量系统的良好精确度，必须控制传感器几何形状的关键方面，其可以有助于使得传感器电容水平在所要求的系统精确度范围内进行变化。
沿着可重复和稳定的线条，对于现有技术的夹持电极支撑式的电容式压力传感器而言，不允许对电极支撑件和传感器外壳之间的膨胀差产生影响，在温度变化以及有时环境压力变化的作用下在这些组件之间发生的任何滑动是建立起来的较大剪切力的结果，当剪切力超过任何夹持接头中的摩擦结合力时被随后释放。在这些非守恒力上的变化造成机械滞后，使得配合组件的相对侧向位置通常不会重复且无法预测和补偿。
一些示例性的电容式压力传感器的结构在美国专利6,105,436中有所描述。这些装置采用独立的或集成的“柔顺环(compliantring)”，以减轻或降低从电极盘组件和所述传感器外壳之间形成的任何机械应变。
前述“集成的”柔顺环有效进行工作以便在电极盘和膜片之间提供良好的配准，降低电极结构中的机械应变；但其仍受限于最低的实际径向弹簧常数，所述最低的实际径向弹簧常数可只通过简单地减少其厚度就可达到。
需要一种电容式压力传感器，其能够改善在低压测量下的电极间隙形状的控制，从而提高压力计在这些较低压力下的测量能力。
参考了以下美国专利：7757563；7706995；7624643；7451654；7389697；7316163；7284439；7201057；7155803；7137301；7000479；6993973；6909975；6735845；6672171；6568274；6105436；6029525；5965821；5942692；5932332；5911162；5808206；5625152；5271277；4823603；4785669和4499773；以及以下美国专利申请公开：20090255342；20070023140；20060070447；20060000289；20050262946；20040211262；20040099061；以上全部都被转让给本受让人。
发明内容
根据改善的电容式压力计的一个方面，所述压力计包括：
(a)膜片，包括公共电极；以及(b)电极结构，包括中心电极和环形电极，其中所述膜片可以相对于电极结构在(ⅰ)当膜片每一侧上的压力相同时的零位置与(ii)当最大的可测量压差被施加到所述膜片时的最大差分位置之间移动；以及
膜片支撑结构，其被布置成支撑所述膜片，使得所述膜片相对于所述电极结构受到限制，并且所述公共电极与所述中心电极和环形电极间隔开并且相对于压力计的对准轴与所述中心电极和环形电极轴向对准；以及
电极支撑结构，其被布置成支撑所述电极结构并且包括柔顺环，所述柔顺环包括至少三个弯曲部分(flexure)，所述至少三个弯曲部分通过在它们之间形成多个槽而一体形成于所述环中并且围绕所述对准轴成角度地间隔开；
其中所述固定电极结构在柔顺环弯曲部分的位置处相对于膜片轴向地夹持在适当位置，从而形成主动测量电容。
现在从示例性实施例的以下详细描述、附图和权利要求的审阅将明了这些以及其它组件、步骤、特征、目的、益处和优点。
附图说明
在附图中：
图1是结合本文所述改善的传感器的一个实施例沿着传感器轴的截面视图；
图2是图1实施例的一部分的更详细的截面视图，其示出改善部分的几何细节；
图3是用于示出图1所示实施例的一些几何特征的几何图；
图4是在传感器中使用的间隔体的顶视图；
图5是通过传感器一部分的更详细的轴向截面视图；
图6是在图7中详述的改善部分中所用的间隔体的顶视图；
图7是图1所示实施例一部分的更详细的截面视图，其示出了额外改善的细节；
图8是包括柔顺环的电容式压力计的另一实施例的部分切除的轴向截面视图；以及
图9是图8所示实施例的柔顺环的透视图。
附图公开了示例性实施例。它们并未不阐述所有实施例。可另外或替代地使用其它实施例。显而易见的或非必要的细节可以省略以节省空间或为了更为有效的图示。相反，可以在没有所公开的所有细节的情况下来实践一些实施例。当相同的附图标记出现在不同的附图中时，其指代相同或相似的组件或步骤。
具体实施方式
现在论述示例性实施例。可另外或替代地使用其它实施例。显而易见的或非必要的细节可以省略以节省空间或为了更为有效的呈现。相反，可在没有所公开的所有细节的情况下来实践一些实施例。
根据本发明的一方面，将一系列的槽引进一体成型的柔顺环内，从而消除箍应力，生成一系列的独立弯曲部分，其允许减小在电极盘支撑件处的径向弹簧常数，而无需进一步减小(径向)厚度。这有效地减小径向弹簧常数以及电极盘和传感器外壳之间的最大可能径向剪切载荷，同时仍保持该元件的实际可用厚度。
为了精确测量最低的压力，需要对关键性的传感器几何形状进行改善的控制。通过本文所述的改善实现减少由于温度和大气压力导致的电极结构的形状的最大可能变化。这些环境的影响都有助于提供电极盘和传感器外壳之间的径向剪切载荷。
由于电极盘通常是陶瓷材料并且传感器外壳通常是金属的，它们的热膨胀系数上的差异导致它们随温度变化以不同的速率膨胀和收缩。甚至对于热膨胀系数接近匹配的材料而言，温度梯度仍能够导致电极盘和传感器外壳之间的不同膨胀。
环境压力和传感器工作压力之间的压差导致传感器外壳中的机械载荷和变形，尽管在测量电极结构中的局部尺寸变化方面显著地减少，但其中一些还是被传送到内部组件，这些载荷能在电极结构中导致程度小的机械应变和变形，除非引进一些减少或隔离的形式，否则其在低范围(或低量程)的传感器输出中是显著的。
根据本文所述改善的一个方面，提供一种结构，其增强会以其它方式存在于电极结构中的机械应变和剪切力的减小。
通过设计柔顺构件以响应于温度和环境压力的变化而弹性地操作，并以减小的径向弹簧常数提供增强的径向柔顺性，获得更宽的操作窗口，防止这些热和机械载荷作用于电极支撑结构。这在系统操作过程中实现了电极结构变形形状的减少，从而压力测量系统的精确度和稳定性得到提高，以及减少对电极结构形状因环境因素而造成的任何潜在的非守恒改变，因而维持校准系统的精确度。
因为当剪切力超过电极盘和传感器外壳之间的摩擦结合力时，这些剪切力中的变化和电极结构形状上的随后变化通常是不可重复的且无法加以补偿，所以降低这些环境因素在电极盘和传感器外壳之间形成最大可能的剪切力的影响是关键性的。当剪切力超过磨擦结合力时，则会在电极盘和与传感器外壳一体成型的柔顺环弯曲部分之间发生滑动。
根据本文所述改善的另一方面，实现电极盘和传感器外壳之间的最大可能剪切载荷的降低，以及降低在与这些作用有关的传感器输出中的任何偏移，从而减小由于这些非守恒的影响所造成的任何机械滞后的幅度。降低对电极结构形状的最大可能改变，从而允许改善维持对于具有最小电极间隙的最低压力范围而言的系统精确度。
电极结构和膜片形状的潜在变化包括电极盘的弯曲、电极盘的横向泊松收缩、在膜片形状随后从零压差改变至仪器操作压力范围内的任一压力下在电极支撑件邻近区域中的膜片边界位置的改变。
由于电容测量直接基于在电极间隙区域中所有点处在导体和电极盘相对于所述膜片的电介质之间的间隙大小，所以由于电极盘和传感器外壳之间的剪切力的幅度和变化而对这些个别电容造成的任何变化无法与由于压力的变化而对这些电容造成的变化加以区别。由于本发明减少了这些剪切力、机械应变以及电极间隙形状上的后续变化，所以可实现对这些电容的更稳定测量，从而提供稳定性和精确度改善的压力测量。
增强包括增加的操作温度范围、改善维持校准精确度、以及制备较低范围仪器的能力，所述仪器具有良好的精确度以及对温度和大气压力的改善压力测量稳定性，同时维持强健的超压能力。
参考附图，图1中所示的电容式压力计10包括用于支撑固定电极结构14与柔性膜片16的外壳12。外壳12包括工艺外壳区段18和参考外壳区段20，两个外壳区段由柔性膜片16分开。工艺外壳区段18包括Px盖22。参考外壳区段20包括环24和Pr盖26。在所示的实施例中，参考外壳区段20的环24包括中空腔室28，用于以预定的关系容纳和支撑固定电极结构14与柔性膜片16，因此它们以分开预定大小的间隙30的方式维持在稳定的、间隔开的关系。如图所示，固定电极结构14包括由电绝缘材料(例如陶瓷材料)制成的基板32，并形成为刚性的非柔性结构。唇状件34可以被设置在基板32的周边处以便接合设置于外壳12内的间隔体环36的台肩，并利用锁紧环38和波形弹簧40固定在适当位置。可以使用一个或多个薄间隔体41来方便地将电极间隙间距设定到预定值。此外，可以使用一个或多个薄的间隔体43来方便地将波形弹簧腔室高度设定到预定值，以便将夹持力设置成与所需的摩擦结合力和过压能力的设计目标相一致的预定值，从而以与公共电极膜片16、外壳环24以及径向柔顺间隔体环36成稳定几何形状的关系来夹持电极盘结构。在一个实施例中，可以使得基板32的尺寸和形状：当被定位于间隔体环36和锁紧环38之间时，基板将精确地定位在外壳12内，使得固定电极结构14的中心居中于中心轴线42上，在基板32与外壳环24以及间隔体环36之间具有足够的径向间隔。这有效地降低了电极与金属外壳24之间的杂散电容，以及由于电极盘径向位置的微小变化所导致的杂散电容的变化。波形弹簧40被设计成在环绕轴42等角度地隔开120度的至少三个位置处，通过所述径向柔性锁紧环38和薄间隔体43接触固定电极结构14的唇状件34并将轴向力施加到固定电极结构14的唇状件34上。类似地，波形弹簧40被设计成在围绕轴42间隔开120度并且当压力计10完全组装好时，与固定电极结构14的唇状件34接触的位置相距60度的至少三个位置处，接触Pr盖26并且向Pr盖26施加反向力。固定电极结构14还包括相对于中心轴42同心定位的中心电极44，以及外侧电极46，所述外侧电极46优选为与中心电极44和中心轴42同心的环形式。
柔性膜片16由合适的导电材料层或涂层制成或设置有合适的导电材料层或涂层，以形成公共电极。膜片16固定到外壳，从而在膜片一侧上形成工艺压力(Px)腔室50以及在膜片的另一侧上形成包括间隙30的参考压力(Pr)腔室。但应注意的是，可以在柔性膜片和参考外壳区段20之间设置路径(例如通过蚀刻间隔体的厚度减小部分)，从而允许在间隙30和外壳Pr部分的其余部分之间压力均衡。膜片被固定到外壳上，以便密封工艺压力腔室50与参考压力腔室的间隙30隔离，使得两个腔室可保持在不同的压力下。可以将待测量的气体或蒸气通过在Px盖22的一部分内限定的进气口52引入到工艺腔室50内。在正常操作下，用作绝对压力传感器和参考腔室28(和电极间隙30)的电容式压力计10在真空下密封；以及在一个实施例中，参考外壳区段20设有非蒸发性的吸收剂真空泵54以便在参考腔室28和电极间隙30内提供非常低的压力(充分地低于仪器的最小分辨率)。这是与工艺压力相比较的绝对真空参考。以这种模式，膜片两端的压差是绝对压力测量。另一种可能的建构方法是在参考外壳区段20中使用第二进气口代替吸收剂组件54，用于在参考压力下将气体从源或是在周围压力下从周围大气压力引入到参考腔腔内。因此，包括间隙30的参考腔室30包含在预定参考压力下的气体或蒸气。应当注意的是这两个腔室可以反转，这样参考压力腔室用作工艺压力腔室，而工艺压力腔室用作参考压力腔室，其中例如工艺气体相对于所述电极以及在包括间隙30的腔室中所提供的其它材料是惰性的。
中心电极44和外侧电极46优选是设置于基板32表面上的平坦电极，使得电极优选具有均匀的厚度且全部位于相同平面内。针对中心电极44和环形电极46分别提供合适的电引线(未示出)。在一个实施例中，公共电极膜片16与外壳区段20一体形成，其是电连接。另一种可能的结构可以是针对膜片16的公共电极提供电引线(未示出)。在优选实施例中，针对测量电极提供位于基板32上的电气保护45，以便控制电极边缘电容，将对外壳20的杂散电容最小化，以及在零压差下调节双电极电容平衡。引线适当地连接到电容测量装置(未示出)。
膜片16优选地固定在外壳内，使得当膜片两侧上的压力相同时，亦即存在零压差时，由公共电极所限定的平面基本平行于中心电极44和外侧电极46以及电气保护45的平面。当通过进气口52引入到工艺压力腔室50内的气体或蒸气处于与参考腔室中的参考压力不同的压力时，膜片会弯曲并且膜片16的公共电极和中心电极44之间的电容将限定一个不同于膜片16的公共电极和外侧电极46之间电容的电容。电气保护45通过阻断该区域内用于杂散电容的路径来降低电极和金属外壳之间的寄生杂散电容。应当认识到，通过使用如图1中所示的在基板32的主要直径和外壳环24之间的大的均匀间隙；并通过如图1所示在电极盘周边处设置电气保护45，由于电极盘潜在的轻微侧向位移而造成的这些杂散电容上的任何变化都是传感器电容行程的非常小的部分，从而允许更精确地测量压差，而不会将与压力测量无关的变化引入到传感器输出中。工艺压力腔室50中的压力从而是膜片16的公共电极和中心电极44之间的测量电容以及膜片16的公共电极和外侧电极46之间的测量电容的函数。
因此，在膜片的公共电极结构与中心电极44和外侧电极46的每一个之间建立预定的电容，使得当膜片上的压差为零时，该结构限定了可测量的“基础(base)”电容。在实践中，基础电容是电极间隙处的有效电容和对外壳的杂散电容的总和。此外，当膜片被暴露至最大的可测量差压时，膜片的公共电极结构将相对于电极44和46偏转，从而限定传感器的“行程”。传感器行程的一个测量是“电容”行程，其等于在零压差和满刻度压差之间在到膜片16的公共电极的中心电极44的电容减去到膜片16公共电极的外侧电极46的电容的差异。膜片偏转中从零压差至满刻度值的最大变化是膜片的变化范围。
限定传感器范围的关键参数之一是电极间隙间距，其等于在膜片16的公共电极结构的平面(当处于松弛的零位置时)与中心电极44和外侧电极46的平面之间的距离，在间隙30处指示，在外壳部分20(包括间隙30)的参考腔室中具有非常低的压力(真空参考压力)，处于低于工艺腔室50中仪器分辨率的压力下。对于给定的传感器结构而言，“基础”电容由电极间隙间距建立。设计成测量非常低的压力(高真空)的电容式压力计必须对非常小的压力变化非常敏感并能够测量非常小的压力变化。其结果是，膜片16的公共电极的平面与中心电极44和外侧电极46的平面之间的间隔必须非常小，使得能够响应于压差上的较小变化来检测膜片偏转中的较小变化。
使得间隙30更小以便使得压力计10更为敏感以用于测量较小的压差增大了对电极间隙形状上变化的灵敏度，这些变化与横跨膜片的差压测量无关。对于电极间隙形状的这些不利变化的其中之一是电极间隙间距上的变化。虽然行业内的通常做法是通过使用双电极设计方法来减小在电极间隙间距方面变化的影响，良好地控制电极间隙间距提供传感器输出的进一步增强的稳定性。当通过使用狭窄的电极间隙而使得能够测量极低的压力时，这一点尤其重要。
由于目前需要测量越来越小的压力，但当前的电容式压力传感器不具备对于稳定测量非常低的压力所需的固有电极间隙的稳定性。
本公开描述了一种电容式压力计，其中该装置的结构提供膜片和电极之间更大的稳定性，允许甚至更小的间隙并测量较低的压差。提供这样的结构改善了传感器电极间隙的尺寸稳定性，特别是在正常工作条件下以及特别地针对外部影响(例如温度、大气压力、超压、机械冲击和振动)相对于该膜片进行电极盘配准。致力于解决该新结构的关键传感器参数包括电极间隙间距、电极倾斜和电极扭曲。改善提供增强的能力，当与用于测量可比较的满刻度压力范围的现有技术传感器相比时，允许该换能器(即，能够提供高水平直流输出的传感器和信号调节电子装置-未示出)需要较少的电增益并表现出较少电噪声(作为较少电增益的结果)以及具有更好的零稳定性性能。并且如所提及的那样，传感器能够提供具有较少电噪声以及更好的全零稳定性性能的较低压力范围仪器的能力，包括但不限于降低大气压力的灵敏度(在零压力下和在一定压力下)，降低温度系数以及降低零点漂移。
先前为实现电极和膜片之间的稳定、降低间隙的努力包括使得Pr环外壳壁略薄以便试图使得电极盘唇状件与该Pr环阶梯部分接触更接近于膜片支撑件。通过使得Pr外壳壁更薄以便使得阶梯部分更接近该膜片支撑件弱化了传感器外壳(Pr环壁)，允许在制备过程中的更多扭曲，并进一步弱化Pr环阶梯部分抵制因热差膨胀所导致的力以及通过改变在传感器上由于大气压力和任何外部机械载荷驱动的表面载荷上的变化而致使的扭曲。
在图2中，示出了与改善后的新压力计相比现有技术压力计的细节。在现有技术中，膜片74绕其周边在位置点处(其中之一由62指示)固定到环60。以类似的方式，固定电极结构64可通过应用到电极结构64的周边边缘的环形盘(锁盘)(未示出)而保持在适当位置，并通过在至少三个点处(其中之一由70指示)的波形弹簧(在图2中未示出)所提供的轴向力68而保持在适当位置。如图所示，该构造限定一立体角，所述立体角在膜片附接到环60的位置点62与施加轴向力68以便将电极结构保持在适当位置的位置点70之间形成。该角度被示出为45°。与附接膜片的位置点(例如点62)的传感器轴(例如图1中的轴42)相距的径向距离是相同的，绕轴360度。
通过构建以及将膜片和电极结构固定在压力计内而实现本方法的优点，从而将膜片边界(和支撑件)72更直接地设置在所施加的夹持载荷下方，以便构成更直接的支撑件而非悬臂式(间接)支撑件。所得到的改善的几何形状也可以更多分析项进行描述，相对于膜片74的平面，通过限定从膜片边界支撑件72到电极盘的Pr外壳支撑件同时位于在Pr外壳和间隔体66之间的界面70处的交叉点的绘制线条角度α(参见图2和图3)。这种几何形状的优点是双重的。首先以及最重要的是，当大气压力或施加到Px盖表面的其它外部施加载荷发生变化时，针对作用于外部表面的正压力，该盖在该负荷下弯成弓形以及该盖的外径在该膜片边界处扩张(尺寸增加)。该扩张使得Pr外壳扭曲，且基本上导致Pr外壳的下部区段的片刻旋转，其可近似为在82的角度α上的变化(参见图2)。如上所提及的那样，在至少一个现有技术的压力计中该角度为在约45°。改善的压力计如此设计以至于将该角度增加至范围在约60度至90度的一个值。如在图3中可以看出的那样，对于小角度，例如在现有技术的实例(约45度)中，对于该角度上的变化而言，在支撑件的高度上存在相对大的变化ΔY1。针对大角度，如在本设计的一个实施例的一构造中(约75°)，针对支撑件角度中的相同变化，对于固定电极结构而言在该支撑件高度上具有一相对小的变化ΔY2。降低电极盘相对于膜片在支撑件高度上的这种变化转化为改善的电极间隙间距稳定性。其次，新的几何形状的优点提供更坚硬的支撑件，因此在电极盘顶部处所施加的轴向载荷上的任何变化导致该支撑件高度上的较小变化以及随后改善的电极间隙稳定性。
如于图2中以68示出的诸如由(图1的)波形弹簧40所提供的那些的波形弹簧力可能会因为如下变化发生变化：由于温度上的变化；在传感器腔室中波形弹簧安装和就座的变化，其可能由机械冲击和振动引起；以及波形弹簧腔室高度上的变化，其由Pr盖26(在图1中示出)的偏转所导致，Pr盖26的偏转由于大气压力变化而导致。本文所公开的改善结构提供电极盘支撑件(图1中的外壳环24与间隔体环36)的改善的尺寸稳定性以及更大的轴向刚度，并降低由于由波形弹簧40所施加的力上的变化而导致的电极间隙间距上的变化。
在改善的传感器中，膜片如此构造和固定，从而将膜片边界(以图2中的72示出)更直接地设置在所施加的夹紧载荷(以68示出)下方，以便构成更直接的支撑件而非悬臂式(间接)支撑件。这具有将在两组位置点之间的角度从45度增加到处于一定角度范围内的角度的效果，其显著减少在膜片和电极盘支撑件(图1中的外壳环24和间隔体环36)的之间的轴向移动量。提供最佳结果的角度范围在约60度至90度之间。在该范围内的实际选择是在将电极间隙稳定性最大化以及相对的易于制造、高品质拉伸膜片之间的设计折衷方案。一个折衷方案是在82处的角度α(图2和3)为约75°。
用于增加角度的一项制造技术是以两部分的方式形成环，一个(Pr环24)在接近膜片处具有减小的直径，而另一个(间隔体环36)如图1中所示。这两个部分可通过焊接或其它合适的方法固定在一起。这为本发明提供所需的几何形状，并允许相对于所述传感器外壳(Pr环24和Px盖22)简单地组装膜片16。
进一步的改善涉及径向柔顺间隔体。图5示出了现有技术的方法，其中内部传感器部件下落到适当位置以及隆起垫(rasiedpad)(施加夹紧载荷处)116仅在周向上而非径向地相对于中心轴100排列。压力计可在图5中所示的情况下进行组装，其中间隔体102恰好在位置108处接触到Pr环106的内壁104，在该处夹紧载荷(3)(位于隆起垫处)的其中之一由波形弹簧(未示出)传送。如所看到的那样，在位置108处的电极结构部分与壁104间隔开，而与位置108相对180度的电极结构在位置110处接触Pr环106的内壁104。
在现有技术传感器中利用这种不对准，当温度下降以及Pr环106比电极结构112收缩地更快且更进一步时，由于Pr环的热膨胀系数大于电极盘的热膨胀系数，因此在传感器中导致机械应变。该差分收缩在夹紧载荷107的位置处(在图5的右侧上示出)产生大的径向剪切力，并可超过电极结构112和间隔体102之间的摩擦夹紧力，导致电极盘滑动到一个新的位置。在该新的组装位置中一旦返回到先前的温度，该电极盘112在点107处经受相反方向上的大的径向力。该力偶使得传感器扭曲，包括电极间隙，并在膜片张力上发生变化。这些变化对压力计的精确度产生不利影响。
上述改善的传感器利用径向柔顺间隔体环(如在图6和图7中所示的118)，其被设计成只有径向定位的调整片120可以接触该Pr环孔，以及隆起垫(施加夹紧载荷处)122总是具有一通向Pr环孔的径向间隙。所以，当温度下降时，如果径向定位调整片120接触到该Pr环的壁时，则Pr环在一位置处径向向内驱动间隔体的定位调整片，该位置如图7中截面视图的右手侧所示距支撑该电极盘的隆起垫60度。薄的柔顺间隔体的60度区段是柔性的并相对地易于变形，这样只可将小的侧向力施加到被夹紧的接头(位于图6的右侧处以140示出)上。这消除了传感器的偶然力偶扭曲以及后续的压力计精确度上变化的任何可能性。
如图6中所示，径向柔顺间隔体118包括径向调整片120，其如此定位以至于当其被设置于压力计中时将该间隔体置于中心。示出三个调整片成角度地间隔开120度。调整片120在位置122(在该实例中为3个)之间(在给出的实例中为60度)移动，在上述位置处夹紧载荷被施加到电极结构。
如图7中所示，径向柔顺间隔体118安装在Pr环130内，使得在Pr环130的壁132与施加夹紧力的垫之间总是有一定的空间。间隔体仍可偶尔在径向定位调整片处接触该Pr环壁(距图7中所示的截面视图60度)。然而，由于具有一柔性的60度区段位于由薄的间隔体材料制成的定位调整片的任一侧上，其未被夹紧且可自由地移动，在安装垫处施加到电极盘的剪切力显著降低。
参照图8和图9，所示的实施例为包括膜片160的电容式压力计150。膜片160包括设置于膜片一个表面162上的公共电极(未完全示出)。压力计150还包括电极支撑结构170，其支撑设置于其表面172上的中心电极和环形电极，该表面172与设有公共电极的膜片162的表面162相对。膜片160可相对于该电极结构在(ⅰ)当膜片每一侧上的压力相同时的零位置与(ii)当最大的可测量压差被施加到膜片时的最大差分位置之间移动。在图8中所示实施例的电极支撑件包括圆盘，其具有围绕圆盘的外边缘沿周向形成的唇状件174，显示具有上部和下部唇状件表面176和178。膜片支撑结构被布置成支撑膜片，使得膜片相对于固定电极结构受限制，以及公共电极相对于压力计对准轴与中心电极和环形电极间隔开并与中心电极和环形电极轴向对准。如图8的实施例中所示，膜片支撑结构包括PR环182和Px盖184，其中所述膜片160如186示出的在这两个部件之间围绕其周边固定。
所述电极结构170通过包括弹簧188(优选为波纹弹簧的形式)、环190、垫192和194以及柔顺环200的电极支撑结构支撑在PR环182内。环200包括轴向槽202，使得至少三个弯曲部分204一体地成型于环内，优选地相对于对准轴208围绕该环等角度地间隔开。轴向槽消除环中的箍应力，使得弯曲部分204彼此独立，这允许降低在电极盘支撑件处的径向弹簧常数而无需进一步减小(径向)厚度。这有效地降低了径向弹簧常数以及电极盘和传感器外壳之间的最大可能的径向剪切载荷，同时仍保持该元件的实际可用厚度。唇状件174的上部唇状件表面176和下部唇状件表面178在接收夹持力的每一位置处分别接纳垫192和194。具体地，波形弹簧188被配置和定位成通过环190、垫176、唇状件174、垫178和环200的每个弯曲部分204均匀地施加夹紧力206。电极支撑件170被定位成固定在两个垫之间，而柔顺环200固定于环182内，且优选通过焊接或诸如胶接等的其它技术固定到其上。因此，电极支撑件170在每一弯曲部分204的位置处相对于膜片160夹紧在适当位置。
通过设计柔顺环200以弹性地操作并以减小的径向弹簧常数提供增强的径向柔顺性，获得更宽的操作窗口，防止这些热和机械载荷作用于电极支撑结构上。这在系统操作过程中实现了电极结构变形形状的减少，从而压力测量系统的精确度和稳定性得到提高，以及减少对电极结构形状因环境因素而造成的任何潜在的非守恒改变，因而维持校准系统的精确度。
此外，当剪切力超过电极盘和传感器外壳之间的摩擦结合力时，这些剪切力上的变化和电极结构形状上的随后变化通常是不可重复的(且无法加以补偿)，柔顺环200降低这些环境因素在电极盘和传感器外壳之间形成最大可能的剪切力的影响。当剪切力超过磨擦结合力时，则会在电极盘的下部唇状件表面178和与传感器外壳一体成型的柔顺环200的支撑面210之间发生滑动，所述柔顺环200固定以便相对于传感器外壳和膜片加以固定。
如图8和图9中所构建的那样，实现在电极盘170和包括环182的传感器外壳之间的最大可能剪切载荷，以及降低与这些影响相关的传感器输出方面的任何转移，以便降低由于这些非守恒的影响所造成的任何机械性滞后的幅度。降低了对于电极结构形状的最大可能改变，从而允许改善维持对于具有最小电极间隙的最低压力范围而言的系统精确度。
电极结构和膜片形状的潜在变化包括电极盘170的弯曲，电极盘170的横向泊松收缩，在膜片160的形状(和张力)随后从零压差改变至仪器操作压力范围内的任一压力下在电极支撑件邻近区域中的膜片边界186位置的改变。
显而易见的是在不脱离权利要求范围的情况下可对所述实施例进行各种改变。例如，虽然所述的实施例利用具有保护的双电极，但是其它电极配置也是可能的，包括单个电极结构，以及具有两个以上电极的多电极结构。所示的实施例是说明性的，并且可在电极盘上具有任何数量的导体和导体模式。此外，电气保护和额外的导体可保持在信号接地，或者处于一些其它的固定电位。进一步地，能够主动地驱动该保护。如果主动地驱动，则优选的是保护电压和相位与实体上相邻的电极的瞬时电压和相位匹配。
已经论述的组件、步骤、特征、目的、益处和优点仅仅是说明性的。它们以及与其相关的论述都不意旨以任何方式限制保护范围。也可以考虑许多的其它实施例。这些包括具有更少、附加的和/或不同的组件、步骤、特征、目的、益处和优点的实施例。这些还包括其中组件和/或步骤以不同的方式布置和/或排序的实施例。
除非另有说明，否则所有的测量、数值、评价、位置、幅度、尺寸以及在该说明书中提出的其它规范，包括随后的权利要求，是近似的而非确切的。它们意旨具有一合理的范围，且该范围与其相关的功能一致，并且在它们所属的领域中与业界惯例一致。
因此已在本公开中引用的所有文章、专利、专利申请和其它出版物通过引用并入本文。
当在权利要求中使用时短语“用于……的装置“意在并应解释为涵盖已加以描述的相应结构和材料及其等同物。类似地，当在权利要求中使用时短语”用于……的步骤“意在并应解释为涵盖已加以描述的相应动作及其等同物，在权利要求中缺少这些短语意味着权利要求并不意旨且不应解释为限制于任何相应的结构、材料或动作或它们的等同物。
不管是否在权利要求中加以详述，已经陈述或图示的内容不意旨或不应被解释为用以导致专属于公众的任何组件、步骤、特征、目的、益处和优点或等同物。
现在保护范围仅仅由下面的权利要求限定。该范围意旨并应尽可能广泛地解释为当根据本说明书及接续的专利申请历史加以解释时，与在权利要求中使用时的语言的通常含义相一致。
Claims (9)
1.一种电容式压力计，包括：
(a)膜片，所述膜片包括公共电极；以及(b)电极结构，所述电极结构包括中心电极和环形电极，其中所述膜片能够相对于所述电极结构在(ⅰ)当所述膜片的每一侧上的压力相同时的零位置，与(ii)当最大的可测量压差被施加到所述膜片时的最大差分位置之间移动；以及
膜片支撑结构，所述膜片支撑结构被布置成支撑所述膜片，使得所述膜片相对于所述电极结构被限制，并且所述公共电极与所述中心电极和所述环形电极间隔开并且相对于所述压力计的对准轴与所述中心电极和所述环形电极轴向对准；以及
电极支撑结构，所述电极支撑结构被布置成支撑所述电极结构并且包括柔顺环，所述柔顺环包括至少三个弯曲部分，所述至少三个弯曲部分通过在它们之间形成多个槽而一体形成于所述环中并且围绕所述对准轴成角度地间隔开；
其中所述电极支撑在所述柔顺环弯曲部分的位置处相对于所述膜片被夹持就位。
2.根据权利要求1所述的电容式压力计，其中所述弯曲部分围绕所述柔顺环等角度地间隔开。
3.根据权利要求2所述的电容式压力计，其中在所述环中形成的这些槽在相邻的槽对之间形成所述弯曲部分。
4.根据权利要求3所述的电容式压力计，其中所述槽在弹簧的轴向上形成，并且具有相等的长度。
5.根据权利要求1所述的电容式压力计，其中所述电极支撑结构包括弹簧，所述弹簧被配置成在每一个所述弯曲部分的位置处将轴向力施加到所述环上。
6.根据权利要求5所述的电容式压力计，其中所述弹簧为波形弹簧。
7.根据权利要求6所述的电容式压力计，其中所述波形弹簧被配置成在每一个所述弯曲部分的位置处通过所述电极结构来施加轴向力。
8.根据权利要求7所述的电容式压力计，其中所述电极支撑结构还包括用于在所述电极支撑结构中支撑所述电极结构的一对支撑垫，其中所述波形弹簧在每一个所述弯曲部分的位置处通过所述支撑垫和所述电极结构来施加轴向力。
9.根据权利要求6所述的电容式压力计，其中所述电极支撑结构包括被布置成支撑所述环形电极和所述中心电极的支撑基板。
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