CN110887586B - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压力传感器，其能够改善引起测量误差的带电的问题和异物堆积的问题。压敏电极(104)由配置在压力室(103)的中央部的中央部分(141)和从中央部分(141)向远离中心部的方向呈放射状地延伸的多个叶片部(142)构成，参考电极(105)由配置在压力室(103)的周缘部的周缘部分(151)和从周缘部分(151)起的多个突入部分(152)构成。多个突入部分(152)配置成进入多个叶片部(142)之间的区域的状态，多个叶片部(142)和多个突入部分(152)配置成咬合的状态。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及通过检测静电电容的变化来测量压力的压力传感器。
背景技术
在静电电容式的隔膜真空计等压力传感器中，将包含膜片(隔膜)的传感器芯片安装在供测定对象的气体流动的配管等之上，将受到压力的膜片的挠曲量即位移转换为静电电容值，并根据静电电容值输出压力值。该压力传感器由于气体种类依赖性小，因此以半导体设备为代表，在工业用途中被广泛使用(参照专利文献1)。
如图5所示，上述隔膜真空计等压力传感器的传感器芯片具备：基台401，其由绝缘体构成；膜片402，其由支承部401a支承在基台401上，在可动区域402a与基台401分离地配置，由在可动区域402a能够向基台401的方向位移的绝缘体构成，并且承受来自测定对象的压力；以及气密室403，其形成在可动区域402a中的膜片402与基台401之间。各部分由蓝宝石构成。
另外，具备：可动压敏电极404，其形成于膜片402的可动区域402a；以及固定压敏电极405，其与可动压敏电极404对置地形成在基台401上。另外，具备：可动参考电极406，其在膜片402的可动区域402a上形成于可动压敏电极404的周围；以及固定参考电极407，其与可动参考电极406对置地形成在固定压敏电极405的周围的基台401上。
在如上那样构成的传感器芯片中，由可动压敏电极404和固定压敏电极405形成电容。如果膜片402由于与外部的压力差而使中央部向基台401的方向或反方向位移，则可动压敏电极404与固定压敏电极405的间隔发生变化，从而它们之间的电容发生变化。如果检测出该电容变化，就能够检测出膜片402所受到的压力。
另外，在可动参考电极406与固定参考电极407之间也形成电容。只是，由于可动参考电极406设置在离支承部401a近的位置，因此膜片402的翘曲所引起的位移量比配置在更靠近中央部的可动压敏电极404小。因此，通过以固定参考电极407与可动参考电极406之间的电容变化为基准来捕捉固定压敏电极405与可动压敏电极404之间的电容变化，能够抑制膜片402的位移量的偏差而进行检测。
但是，在由绝缘体构成膜片、基台的情况下，在压敏电极与参考电极之间会露出绝缘体的表面。该区域在传感器工作中通过带电而使库仑力作用于隔膜。在利用上述的压力传感器测量绝对压力的情况下，由于膜片、基台的表面暴露在真空中，因此成为带电电荷难以泄漏的状况。在测定低压范围等需要高灵敏度的情况下，由于膜片非常薄，因此由于上述库仑力的影响，容易成为传感器输出的误差原因。
在由绝缘材料构成膜片、基台，并且例如它们的表面电阻在1014Ω/□以上的情况下，如果压敏电极与参考电极的间隔宽，则绝缘体表面的露出面积多，容易因彼此的表面的接近、接触或交流驱动等而带电。其结果，由带电产生的库仑力作用于膜片。这里，相对于参考电极的内径与压敏电极的外径的比例的上述静电引力大小如图6B所示那样变化。图6B表示膜片的厚度不同的两个压力传感器的结果，黑四边形为黑圆的厚度的0.8倍。
从图6B可知，内径与外径的比例越接近1，换言之，压敏电极与参考电极的间隔越小，静电引力的大小越小。因此，如图6A所示，使压敏电极501与参考电极502的间隔在规定的范围内变窄，使得它们之间的区域不容易带电，或者即使带电，电荷也会提前泄漏。
另外，虽然根据上述压敏电极与参考电极的间隔来确定两个电极间的表面电阻值，但只要设计间隔的最小值，使得时间常数τ与测量时施加于电极的交流电压的周期相比足够大即可。在将压敏电极与参考电极之间的电阻设为R、将静电电容设为C、进而将测量电压的交流的振动周期设为T(振动频率f的倒数)时，优选RC＞＞T。
另一方面，已知在膜片表面的副产物堆积成为传感器输出误差产生的原因，但现在为了对其进行检测而监视压力传感器的零点电容值。构成为，在该值超过某个阈值的情况下，从测量电路发出警报。伴随该警报发出，终端用户自身进行判断，复位压力传感器的零点并进行调整。但是，在超过了可调整范围的情况下，不能进行该操作。例如，降低在半导体制造工序等中的真空测量误差的增大这样的不良情况是特别重要的，要求进一步的改善。
与此相对，如图7A所示，通过增大压敏电极601的外径与参考电极602的内径之差，从而如图7B所示，明确了相对于没有异物堆积在膜片表面的情况下的正常的压力灵敏度的值，由异物堆积引起的输出变化的占比小(＝SN比大)。另外，图7B中也表示膜片的厚度不同的两个压力传感器的结果，黑四边形是黑圈的厚度的0.8倍。另外，这是将从压敏电极测量的压敏电容值与从参考电极测量的参考电容值的差分用作传感器输出的构成的情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3339565号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
然而，如上所述，对于带电的问题，减小压敏电极的外径与参考电极的内径的差来减小压敏电极与参考电极的间隔，但对于异物堆积，则增大压敏电极的外径与参考电极的内径的差。因此，简单来说，针对带电问题的对策和针对异物堆积的对策为相反的关系。
本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于，使得能够应对带电的问题和异物堆积的问题这两者。
[用于解决问题的技术手段]
本发明的压力传感器具备：基台，其由绝缘体构成；受压部，其由支承部支承在基台上，在可动区域与基台分离地配置，由在可动区域能够向基台的方向或反方向位移的绝缘体构成，并承受来自测定对象的压力；压力室，其形成在可动区域中的受压部与基台之间；压敏电极，其在压力室的内部相互对置地形成在受压部的可动区域以及基台的各自之上；以及参考电极，其在压力室的内部相互对置地形成在受压部的可动区域以及基台之上的各自的未形成压敏电极的区域，受压部的可动区域以及基台上的至少一方的压敏电极由配置在压力室的中央部的中央部分和从中央部分向远离中心部的方向呈放射状地延伸的多个叶片部构成，受压部的可动区域以及基台上的至少一方的参考电极由配置在压力室的周缘部的周缘部分和配置成从周缘部分进入多个叶片部之间的区域的状态的多个突入部分构成，多个叶片部和多个突入部分配置成咬合的状态。
在上述压力传感器中，受压部的可动区域以及基台上的双方的压敏电极由中央部分和多个叶片部构成，受压部的可动区域以及基台上的双方的参考电极由周缘部分和多个突入部分构成。
在上述压力传感器中，也可以是，受压部的可动区域以及基台上的一方的压敏电极由中央部分和多个叶片部构成，受压部的可动区域以及基台上的一方的参考电极由周缘部分和多个突入部分构成，受压部的可动区域以及基台上的另一方的压敏电极以及参考电极一体地形成。
在上述压力传感器中，可以是，多个叶片部以及多个突入部分在周向上以相等的间隔形成。
在上述压力传感器中，可以是，压敏电极以及参考电极旋转对称地形成。
在上述压力传感器中，可以是，多个叶片部和多个突入部分的各自为相互相等的面积。
在上述压力传感器中，多个叶片部以及多个突入部分各自设置有偶数个。
在上述压力传感器中，中央部分形成为圆形形状。
在上述压力传感器中，叶片部形成为扇形形状。
在上述压力传感器中，周缘部分形成为圆环形状。
[发明的效果]
通过以上的说明，根据本发明，能够获得能够应对带电的问题和异物堆积的问题这两者的优异效果。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中的压力传感器的构成的截面图。
图2A是表示本发明的实施方式中的压力传感器的一部分构成的俯视图。
图2B是表示本发明的实施方式中的压力传感器的一部分构成的俯视图。
图2C是表示本发明的实施方式中的压力传感器的一部分构成的俯视图。
图3是表示本发明的实施方式中的其他压力传感器的一部分构成的俯视图。
图4是表示本发明的实施方式中的其他压力传感器的一部分构成的俯视图。
图5是表示一般的压力传感器的构成的立体图。
图6A是表示压力传感器的一部分构成的俯视图。
图6B是表示相对于参考电极的内径与压敏电极的外径的比例的作用在膜片上的静电引力的变化的特性图。
图7A是表示压力传感器的一部分构成的俯视图。
图7B是表示相对于参考电极的内径与压敏电极的外径的比例的异物堆积的影响的变化的特性图。
具体实施方式
以下，参照图1、图2A、图2B、图2C说明本发明的实施方式中的压力传感器。该压力传感器具备基台101、膜片102、压力室103、压敏电极104以及参考电极105。
成为受压部的膜片102由支承部101a支承在由绝缘体构成的基台101上，在可动区域102a与基台101分离地配置。膜片102在可动区域102a的外侧的接合区域102b与支承部101a的上表面接合。另外，膜片102在可动区域102a能够向基台101的方向或反方向位移，承受来自测定对象的压力。在该例中，膜片102以及可动区域102a在俯视下形成为圆形。另外，压力室103在俯视下也为大致圆形。
膜片102也与基台101同样地由绝缘体构成。基台101以及膜片102例如由蓝宝石、氧化铝陶瓷构成。另外，也可以为如下构成，将膜片102和支承部101a形成为一体，将支承部101a的下表面接合在基台101上。
在可动区域102a中的膜片102与基台101之间形成有压力室103，在压力室103的内部形成有压敏电极104、参考电极105。压敏电极104与参考电极105绝缘分离。压敏电极104由压敏固定电极104a以及压敏可动电极104b构成，它们相互对置地形成在基台101以及膜片102的可动区域102a的各自之上。压敏固定电极104a和压敏可动电极104b例如在俯视下为相同的形状。另外，压敏固定电极104a和压敏可动电极104b不需要为相同的大小(面积)。
压敏可动电极104b形成于膜片102的可动区域102a。压敏固定电极104a与压敏可动电极104b对置地形成在基台101上。众所周知，静电电容式的压力传感器根据在压敏固定电极104a和压敏可动电极104b之间形成的电容的变化，来测定在膜片102的受压区域受到的压力。
参考电极105由参考固定电极105a和参考可动电极105b构成，它们在压力室103的内部相互对置地形成在膜片102的可动区域102a以及基台101之上的各自的未形成有压敏电极104的区域。参考固定电极105a和参考可动电极105b例如在俯视下为相同的形状。另外，参考固定电极105a和参考可动电极105b不需要是相同的大小(面积)。
这里，如图2A所示，压敏电极104(压敏固定电极104a、压敏可动电极104b的每一个)由配置在压力室103的中央部的中央部分141和从中央部分141向远离中心部的方向呈放射状地延伸的多个叶片部142构成。在该例中，在周向上以相等的间隔形成多个叶片部142。另外，在该例中，与俯视呈圆形的膜片102(可动区域102a)的形状一致，中央部分141形成为圆形，叶片部142形成为扇形形状。
另外，如图2B所示，参考电极105(参考固定电极105a、参考可动电极105b的每一个)由配置在压力室103的周缘部的周缘部分151和从周缘部分151起的多个突入部分152构成。在该例中，在周向上以相等的间隔形成多个突入部分152。另外，周缘部分151与膜片102、可动区域102a的形状一致地形成为圆环形状。
如图2C所示，多个突入部分152配置成进入多个叶片部142之间的区域的状态，多个叶片部142和多个突入部分152配置成咬合的状态。另外，多个叶片部142和多个突入部分152的各自可以为相互相等的面积。压敏电极相对于参考电极的信号比例的调整变得容易。
另外，该压力传感器具备压力值输出部108。压力值输出部108以参考固定电极105a与参考可动电极105b之间的电容为基准，对由膜片102的翘曲(位移)引起的压敏固定电极104a与压敏可动电极104b之间的电容变化进行检测。压力值输出部108使用设定的传感器灵敏度将检测出的电容变化转换为压力值并输出。
根据上述实施方式，由于将压敏电极104的多个叶片部142和参考电极105的多个突入部分152设为相互组合的形状，因此在压敏电极104与参考电极105之间的差分中，双方的电极的中间区域分量被抵消。其结果，能够降低静电引力的影响，并能够降低异物堆积的影响而不会降低压力灵敏度。
另外，在上述中，电极由4个叶片部142以及4个突入部分152构成，但不限于此。如图3所示，首先，压敏电极也可以为设置8个叶片部242的形状，该8个叶片部242在周向上以相等的间隔，从中央部分241向远离中心部的方向呈放射状地延伸。另外，参考电极也可以为设置8个突入部分252的形状，该8个突入部分252从周缘部分251起在周向上以相等的间隔配置。
另外，膜片(可动区域)不限于俯视呈圆形，也可以为俯视呈矩形，在该情况下，如图4所示，首先，压敏电极也可以为设置有多个叶片部342的形状，该叶片部342从矩形的中央部分341向远离中心部的方向呈放射状地延伸。另外，参考电极也可以从矩形的框状的周缘部分351起设置多个突入部分352。在该情况下，多个突入部分352配置成进入多个叶片部342之间的区域的状态，多个叶片部342和多个突入部分352配置成咬合的状态。在该例中，叶片部342和突入部分352的各自为相对于通过正方形的膜片的中心和顶点的线呈线性对称的形状。
另外，在任何一种情况下，只要压敏电极以及参考电极旋转对称地形成即可。另外，多个叶片部以及多个突入部分可以分别设置有偶数个。形成有压敏电极以及参考电极的膜片只要为对膜片中心均匀地施加压力，由于受压而能够相对于膜片中心均匀地变形的状态即可。
另外，在上述实施方式中，由中央部分和多个叶片部构成受压部的可动区域以及基台上的双方的压敏电极，由周缘部分和多个突入部分构成受压部的可动区域以及基台上的双方的参考电极，但不限于此。只要由中央部分和叶片部构成受压部的可动区域以及基台上的至少一方的压敏电极，由周缘部分和多个突入部分构成受压部的可动区域以及基台上的至少一方的参考电极即可。
例如，也可以是，受压部的可动区域以及基台上的一方的压敏电极由中央部分和多个叶片部构成，受压部的可动区域以及基台上的一方的参考电极由周缘部分和多个突入部分构成，受压部的可动区域以及基台上的另一方的压敏电极以及参考电极一体地形成。
如以上所说明的，根据本发明，由于压敏电极由圆形的中央部分和多个叶片部构成，参考电极由周缘部分和多个突入部分构成，多个叶片部和突入部分为相互组合的形状，因此能够应对带电的问题和异物堆积的问题这两者。
另外，本发明不限于以上说明的实施方式，显然本领域中具有通常知识的人可以在本发明的技术思想内实施多种变形以及组合。
[符号说明]
101…基台、101a…支承部、102…膜片、102a…可动区域、102b…接合区域、103…压力室、104…压敏电极、104a…压敏固定电极、104b…压敏可动电极、105…参考电极、105a…参考固定电极、105b…参考可动电极、108…压力值输出部、141…中央部分、142…叶片部、151…周缘部分、152…突入部分。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于，具备：
基台，其由绝缘体构成；
受压部，其由支承部支承在所述基台上，在可动区域与所述基台分离地配置，由在所述可动区域能够向所述基台的方向或反方向位移的绝缘体构成，并承受来自测定对象的压力；
压力室，其形成在所述可动区域中的所述受压部与所述基台之间；
压敏电极，其在所述压力室的内部相互对置地形成在所述受压部的所述可动区域以及所述基台的各自之上；以及
参考电极，其在所述压力室的内部相互对置地形成在所述受压部的所述可动区域以及所述基台之上的各自的未形成所述压敏电极的区域，
所述受压部的所述可动区域以及所述基台上的至少一方的所述压敏电极由配置在所述压力室的中央部的中央部分和从所述中央部分向远离中心部的方向呈放射状地延伸的多个叶片部构成，
所述受压部的所述可动区域以及所述基台上的至少一方的所述参考电极由配置在所述压力室的周缘部的周缘部分和配置成从所述周缘部分进入所述多个叶片部之间的区域的状态的多个突入部分构成，
所述多个叶片部和所述多个突入部分配置成咬合的状态，
所述受压部在垂直于所述受压部的承受来自所述测定对象的压力的表面的方向上与所述基台分离。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述受压部的所述可动区域以及所述基台上的双方的所述压敏电极由所述中央部分和所述多个叶片部构成，
所述受压部的所述可动区域以及所述基台上的双方的所述参考电极由所述周缘部分和所述多个突入部分构成。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述受压部的所述可动区域以及所述基台上的一方的所述压敏电极由所述中央部分和所述多个叶片部构成，
所述受压部的所述可动区域以及所述基台上的一方的所述参考电极由所述周缘部分和所述多个突入部分构成，
所述受压部的所述可动区域以及所述基台上的另一方的所述压敏电极以及所述参考电极一体地形成。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个叶片部以及所述多个突入部分在周向上以相等的间隔形成。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，
所述压敏电极以及所述参考电极旋转对称地形成。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的压力传感器，其特征在于，
多个叶片部和所述多个突入部分的各自为相互相等的面积。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个叶片部以及所述多个突入部分各自设置有偶数个。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述中央部分形成为圆形形状。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述叶片部形成为扇形形状。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述周缘部分形成为圆环形状。
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