CN106133493A - 具有电容联接源电极的压力转换器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的实施例的电容压力转换器的耦合基底(120)上的两个电极与隔膜电极，以形成转换电路而无需电极之间的物理连接。本发明的实施例具有基底(120)和附连的隔膜(110)，所述基底具有耦合电极(221)和传感电极，所述隔膜具有隔膜电极。位于基底和隔膜之间的间隔器(130)提供限定传感电极和隔膜电极(241)之间的间隙的腔。介电间隔器可以位于耦合电极之上以增加耦合电极(221)和隔膜电极(241)之间的电容。电容压力转换器具有与现存的电容压力转换器相似的电学特性，更容易制造，并且具有通过消除机械互连和额外的导电材料带来的长期可靠性和耐久性提高。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求于2014年1月16日递交的、申请号为No.14/157 235、题为“具有电容联接源电极的压力转换器”的美国专利申请的优先权，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
电容压力转换器将施加到其隔膜的压力的变化转换成相应的电容变化，以使得能够进行压力测量。在隔膜的后面是具有平行偏置导电板的压力腔，该平行偏置导电板组成可变的电容以检测由膜片上施加的压力导致的应变，其中一个平行偏置导电板相对于隔膜处于固定的位置，而另一个附着在隔膜上。
典型的压力传感器包括两个主要部分：(i)受压力变化影响的元件，如电容压力转换器，和(ii)电子器件，有时被称为信号调节器，用于提供调制的电信号至电容压力转换器，并且用于检测由电容压力转换器根据压力变化在调制信号上施加的影响。
典型的电容压力转换器使用金属、陶瓷或硅隔膜，一个平行偏置导电板附连到该隔膜上。另一板附连到对压力变化不敏感的基底上。压力变化引起隔膜弯曲，从而改变平行偏置导电板之间的距离，引起可测量的电容变化。这个变化可能是或不是线性的，并且通常不超过50-100pF总电容中的几皮法。电容的这个变化可以用于控制振荡器的频率或用于改变AC信号的耦合。用于信号调节的电子器件通常靠近转换元件，防止由于杂散电容造成的误差。
发明内容
本发明的示例实施例是包括基底、隔膜和间隔器的电容压力转换器，基底上具有传感电极和耦合(源)电极，隔膜上具有隔膜电极，间隔器位于基底与隔膜之间。间隔器提供传感电极与隔膜电极之间的腔，并且形成耦合电极与隔膜电极之间的固定电容间隙和传感电极与隔膜电极之间的动态电容间隙。耦合电极和隔膜电极一起限定了耦合电容，并且传感电极和隔膜电极一起限定了传感电容，其中隔膜上的压力变化引起传感电容相应的变化。耦合电极、隔膜电极和传感电极一起形成电路，该电路可以建模为两个串联的电容器。电极可以是定位为形成平行板电容器的导电板电极。
传感电极和耦合电极可以布置为同中心的样式，并且耦合电极可以布置在传感电极外，使得耦合电极至少部分地围绕传感电极。
在本发明的一个实施例中，间隔器位于耦合电极之上。间隔器可以是介电材料，如玻璃，放置在耦合电极之上以增加耦合电极与隔膜电极之间的电容。在替代实施例中，介电材料可以放置在耦合电极之上，并且间隔器不位于耦合电极之上。
在另一实施例中，耦合、隔膜和传感电极分别形成具有两个电容器的串联电容器电路，该串联电容器电路具有约等于传感电容的等效电容。耦合电容可以至少比传感电容大三倍，或耦合电容可以替代地至少比传感电容大五倍，以减小由于电容耦合造成的传感信号振幅损失量。
在示例实施例中，隔膜电容不与基底上的电极引线进行物理电接触。
在另一实施例中，电容压力转换器由与耦合电极电通信的调制信号源驱动，调制信号源通过耦合电极电容使隔膜电极通电。调制信号源可以输出100kHz到1MHz之间或适于驱动特定电极构造的其它频率范围的AC信号。
在另一实施例中，电容压力转换器与信号调节器电通信以接收来自传感电极的电传感信号。信号可以包括调制信号源。信号调节器可以提高应用到电传感信号的增益，以补偿由于隔膜电极的电容激励相比于隔膜电极的物理接触激励导致的灵敏度损失。
本发明的另一示例实施例是转换压力的方法，包括将耦合电极与隔膜电极电容耦合和将传感电极与隔膜电极电容耦合，使具有隔膜电极的隔膜响应于压力变化偏转，该压力变化和与隔膜压力连通的流体相关联，并且根据隔膜偏转调制传感电容。耦合电极和隔膜电极形成具有耦合电容的耦合电容器，并且传感电极和隔膜电极形成具有传感电容的传感电容器。另一实施例包括通过串联电容器电路使传感电极通电，串联电容器电路包括耦合电容器和传感电容器，串联电容器电路具有约等于传感电容的等效电容。
在另一实施例中，使隔膜响应于与流体相关联的压力变化偏转包括借助间隔器保持隔膜远离基底的间隔，所述间隔器限定所述隔膜的内表面与基底之间的间隙距离，和响应于与流体相关联的压力变化改变间隙距离。
在另一实施例中，借助间隔器保持隔膜远离基底的间隔还包括借助由介电材料制成的间隔器增大耦合电容。
由于排除了装配过程中的所有旋转对齐要求，具有电容耦合的耦合(源)电极的压力转换器更容易制造，并且比采用物理连接到隔膜电极的转换器更耐用，因为装配没有使用焊料或导电环氧树脂或其它附连材料，从而排除了那些材料的关联失败模式。
本发明的另一示例实施例是制造电容压力转换器的方法，包括将耦合电极和传感电极附着到基底表面，将间隔器附着到基底和隔膜的内表面，和形成具有传感电容器和耦合电容器的串联电容器电路，间隔器保持隔膜远离基底的间隔和限定所述隔膜的内表面与基底之间的间隙距离。传感电容器包括传感电极和隔膜电极，并且耦合电容器包括耦合电容器和隔膜电极。
附图说明
如在附图中说明的，从本发明示例实施例的以下更详细描述，上述将更清晰，在附图中，相同的参考标记遍及不同视图表示相同的部分。附图不一定是按比例的，相反重点放在说明本发明的实施例上。
图1A和1B分别是根据本发明的实施例的电容压力转换器的透视和侧视图。
图2A和2B是具有本发明的实施例的元件的压力转换器的导电板电极的示意图。
图3A和3B是依据本发明的实施例的示例压力传感器的电路图。
图4是具有本发明的实施例的柴油发电机的示意图。
具体实施方式
以下是本发明的示例实施例的说明
图1A和1B分别是根据本发明的实施例的电容压力转换器的实施例的透视和侧视图。电容压力转换器100包括由小内部间隙123分开的刚性基底120和柔性隔膜110。间隙由用于连结隔膜110至基底120的间隔器130形成。电极引线121、122提供电连接至隔膜110上的导电板电极141和基底120上的导电板电极142。导电板电极141、142形成平行板电容器，如图1B所示。当隔膜110暴露于流体中时，由于流体中的压力变化，柔性隔膜110发生偏转。导电板电极141、142之间的间隙123距离相应于隔膜110的偏转而变化，并且平行板电容器的电容作为间隙123距离的函数变化。
图2A和2B是本发明的实施例的图。该实施例使电容压力转换器和相应的方法能够消除基底上的电极引线与隔膜上的导电板电极之间的物理电连接，通过减小的对齐要求使得装配变得更容易，并且提高长期的耐久性和可靠性。
参考图2A和2B，示出了具有间隔器230的基底组件201。间隔器230构造为使隔膜组件202结合到基底组件201以形成电容压力转换器，并且提供刚性基底220与柔性隔膜210之间的间隙。间隔器230通常是非导电材料，如玻璃，其在高温下融化以产生基底220与隔膜210之间气密的连结。
基底组件201具有包括三个电极引线221、222、223的基底220。
耦合(源)电极引线221连接到耦合(源)导电板电极250以形成具有图2B的隔膜组件202的隔膜导电板电极241的耦合(源)电容器(Cc)。
传感电极引线222连接到放置于基底220中心的传感导电板电极242，并且形成具有图2B的同一隔膜组件202的隔膜导电板电极241的可变压力传感电容器(Cp)。
参考电极引线223连接到靠近基底220外径的外围参考导电板电极243，并且形成具有图2B的隔膜导电板电极241的非可变参考电容器(Cr)。
压力传感电容器(Cx)的电容值通常在皮法(10-12F)范围内，并且通过以下等式给出：
C＝(ε*A)/d,
其中ε是间隙中的介质(通常为空气)的介电常数，“A”是重叠的电极的面积，并且“d”是电极之间的距离或间隙。
电容压力传感器通过施加随时间变化或交替的电压或电流到电极以使压力传感转换器电极通电来工作。电容器对于随时间变化的电信号作为低阻抗导体。另一个电容器(Cc)可以与压力传感电容器(Cp)和参考电容器(Cr)串联连接，如果增加的电容器(Cc)相比于传感电容器(Cp)具有显著更高的值，则从阻抗角度没有显著改变组合电路在电学上将看到的总电容值。
本发明的实施例利用的原理是，假如增加的电容器具有显著更高的值，则与传感电容器(Cp)比较，耦合电容器(Cc)可以与Cp和Cr电容器串联连接以替代物理连接，而没有显著改变组合电路具有的总电容值。这表示在以下的电路方程中：
如果Cc》Cp,则
以上所示的两个串联连接的电容器的电容通过以下给出：
如果Cc>>Cp
相同的方程适用于Cr。
继续参考图2A和2B，隔膜导电板电极241使用上述原理激励传感电容器(Cp)，并且可选地激励参考电容器(Cr)，而不需物理连接到隔膜210上的隔膜导电板电极241。传感电容器(Cp)的激励通过增加与Cp和Cr电容器串联的耦合电容器(Cc)进行。耦合导电板电极250被添加到基底220，并且通过延伸在隔膜210上的隔膜导电板电极241的直径以重叠基底220上的耦合导电板电极250，实现了第三耦合电容器Cc。因为这种方法消除了隔膜210上的接触垫的需要，所以这种方法消除了将隔膜310旋转对齐到基底220的需要。
此外，耦合导电板电极250可以印刷在玻璃间隔器230下的区域内。典型的玻璃间隔器230的介电常数在4到10之间，显著高于空气的介电常数1.0006，并且玻璃间隔器的存在产生了耦合电容器Cc，其值显著高于电极之间不存在额外的介电材料(如玻璃)的相同电容器。这对传感电容器Cp和参考电容器Cr都是正确的。当在耦合电容器Cc中使用玻璃间隔器时，取决于考虑哪个电路，观察串联连接的耦合电容器Cc和传感电容器Cp或参考电容器Cr的电子装置看到的整体电容是接近原始的Cp或Cr电容的整体电路电容。
图3A和3B是依据本发明的实施例的图3A和3B的电容压力传感器的电路图。图3A是图2A和2B的电容压力转换器201、202的示意图，而图3B是图3A重新布置的图，以示出隔膜导电板341电极怎样与基底上的电极引线361、362和363物理分离。
图3A中，信号源360提供施加到电极引线361、362和363的随时间变化或交替的电压(或电流)(Vm)。
信号(Vm)可以在100kHz到1MHz之间，或可以是施加到所使用的特定电容构造的其它频率。信号通过电容连接350用隔膜导电板电极341提供的。因为电容器对于随时间变化的电信号是低阻抗导体，所以可以测量隔膜导电板电极341与传感器导电板电极342(即Cp电容器)之间的电容变化。
继续参考图3A和3B，参考电容器在隔膜导电板电极341与参考导电板电极343(Cr电容器)之间形成，并且如本领域已知的，可以被包括和构造为或使用以校正影响Cc和Cp电容器两者的电磁干扰或温度影响。由电容连接350造成的任何信号增益损失可以通过信号调节器361校正，该信号调节器361提供具有根据Cc和Cp电容器的电容而增加的增益的输出信号362。作为增益增加的函数的噪音增加不显著，并且具有电容耦合源电极的压力转换器减少制造和增加可靠性的益处喜欢传感信号噪音中的任何小增加。
图4是具有依据本发明实施例的图2A和2B的压力转换器的柴油内燃发动机400的图。本发明的特征适用于包括隔膜和基底的并且在基底和隔膜上使用一个或多个电极的任何电容压力传感器。诸如这些的电容压力传感器用于汽车、航空航天、工业、医疗或其它应用中。电容压力传感器的典型应用是在柴油发电机400中，在该柴油发电机中，来自具有本发明实施例的电容压力传感器410的压力信号411用于测量发动机的工作流体413的压力。
在图4中，电容压力传感器410与排气歧管420流体连通。电容压力传感器410提供压力信号411(通常在0.5伏到4.5伏之间)到发动机控制器499。发动机控制器499使用压力信号411作为用于控制与节气门子系统402的电通信401的反馈。
在电容压力传感器410中，陶瓷隔膜的使用允许电容压力传感器410的电容转换器与排气歧管420中的流体413直接压力连通，而在电容压力传感器410中无需压力传递流体(例如油)来保护隔膜。
虽然本发明已参考其示例实施例特别示出和说明，但是本领域技术人员将理解可以做出形式和细节上各种变化，而不脱离权利要求涵盖的本发明的范围。
Claims (20)
1.一种电容压力转换器，包括：
基底，该基底上具有耦合电极和传感电极；
隔膜，该隔膜上具有隔膜电极；
间隔器，该间隔器位于所述基底与所述隔膜之间，所述间隔器提供包括所述耦合电极与所述隔膜电极之间以及所述传感电极与所述隔膜电极之间的间隙的腔，所述耦合电极和所述隔膜电极限定耦合电容，并且所述传感电极和所述隔膜电极限定传感电容，其中隔膜上的压力变化引起传感电容中相应的变化。
2.权利要求1所述的电容压力转换器，其中，所述耦合电极和所述传感电极是同心的。
3.权利要求2所述的电容压力转换器，其中，所述耦合电极布置在所述传感电极外。
4.权利要求1所述的电容压力转换器，其中，所述间隔器进一步位于所述耦合电极之上。
5.权利要求4所述的电容压力转换器，其中，所述间隔器由介电稳定材料制成。
6.权利要求1所述的电容压力转换器，还包括位于所述耦合电极之上的介电材料。
7.权利要求1所述的电容压力转换器，其中，所述耦合、隔膜和传感电极分别形成串联电容器电路，所述串联电容器电路具有约等于所述传感电容的等效电容。
8.权利要求1所述的电容压力转换器，其中，所述耦合电容比所述传感电容至少大三倍。
9.权利要求1所述的电容压力转换器，其中，所述耦合电容比所述传感电容至少大五倍。
10.权利要求1所述的电容压力转换器，其中，所述隔膜电极与基底上的电极没有物理、电导接触。
11.权利要求1所述的电容压力转换器，其中，所述隔膜电极与所述传感电极和所述耦合电极没有物理电接触。
12.权利要求1所述的电容压力转换器，其中，调制信号源(AC)与所述耦合电极电连通，所述调制信号源电容地激励所述隔膜电极。
13.权利要求12所述的电容压力转换器，其中，所述调制信号源输出在100kHz到1MHz之间的AC信号。
14.权利要求1所述的电容压力转换器，其中，信号调节器与所述传感电极电连通。
15.权利要求14所述的电容压力转换器，其中，所述信号调节器增加应用到从所述传感电极接收到的传感信号的增益，以补偿由于所述隔膜电极的电容激励相比于所述隔膜电极的物理接触激励导致的灵敏度损失。
16.一种转换压力的方法，该方法包括：
电容地耦合耦合电极和隔膜电极，所述耦合电极和隔膜电极限定具有耦合电容的耦合电容器；
电容地耦合传感电极和所述隔膜电极，所述传感电极和隔膜电极限定具有传感电容的传感电容器；
使具有所述隔膜电极的隔膜响应于与所述隔膜压力连通的流体相关联的压力变化偏转；以及
根据隔膜偏转调制所述传感电容。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，使所述隔膜响应于与所述流体相关联的压力变化而偏转包括：
借助限定所述隔膜内表面与所述基底之间的间隙距离的间隔器来保持所述隔膜远离所述基底的间隔；以及
响应于与所述流体相关联的压力变化改变所述间隙距离。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，借助间隔器保持所述隔膜远离所述基底的间隔还包括：
借助由介电材料制成的间隔器增加所述耦合电容。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：
通过串联电容器电路激励所述传感电极，所述串联电容器电路包括所述耦合电容器和所述传感电容器，所述串联电容器电路具有约等于所述传感电容的等效电容。
20.一种制造电容压力转换器的方法，该方法包括：
将耦合电极和传感电极附着到基底的表面；
将隔膜电极附着到隔膜的内表面；
将间隔器附着到所述基底和所述隔膜的所述内表面，所述间隔器保持所述隔膜远离所述基底的间隔，并且限定所述隔膜的内表面与所述基底之间的间隙距离。
形成具有所述传感电极和所述隔膜电极的传感电容器；
形成具有所述耦合电极和所述隔膜电极的耦合电容器；以及
形成具有所述传感电容器和耦合电容器的串联电容器电路。
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