CN1252524A - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器,包括蓝宝石基体、蓝宝石膜片、电容腔、静态电极和可动电极。其基体以R晶面为主表面。蓝宝石膜片形成在基体的主表面上并且以R晶面为主表面。电容腔的上表面由膜片盖住并具有形成在基体主表面上的凹部。静态电极固定在电容腔的底面上。可动电极与静态电极相对地固定在电容腔中的膜片的下表面上。可动电极和静态电极中至少一个电极具有在沿晶体C轴投影方向穿过膜片主表面中心的直线和沿与C轴投影方向垂直方向上的直线中至少一条直线上延伸的形状。

Description

压力传感器

本发明涉及一种通过检测静电电容的变化来测量压力的压力传感器。

通常，通过检测静电电容而测出压力的片状电容型压力传感器具有衬底、与衬底一起形成间隙的膜片、设在衬底上的静态电极、和与静态电极相对置地固定到膜片上的可动电极。在具有这种结构的压力传感器块中，当膜片因受压力作用而移动时，可动电极和静态电极之间的距离会发生变化从而改变了它们之间的静电电容。根据静电电容的变化可以测出施加到膜片上的压力。

已提出用蓝宝石(人造金刚砂)制造由这种压力传感器块的衬底和膜片构成的外壳。当用蓝宝石构成外壳时，既使测量目标是腐蚀性物质或液体，外壳也可以用其测量压力的膜片直接接触所述物质或液体。

图4A和4B表示已有压力传感器块的结构。

参照图4A，现有的压力传感器块由基体401和膜片402构成。在基体401的主表面中部形成有圆形凹状电容腔401a。围绕电容腔401a将膜片402粘合到主表面的边缘部分401b上并盖住所述主表面，由此在电容腔401a中形成封闭的空间。基体401和膜片402均用蓝宝石制做。

将圆形静态电极403固定到电容腔401a的底面上，而将小的盘状可动电极404固定到膜片402的下表面(电容空腔401a一侧)上使之与静态电极403相对置。可动电极404基本上设在膜片402的中部。此外，相对于静态电极403将环形参考电极405固定到膜片402的下表面上。参考电极405的环径小于静态电极403的直径，而且参考电极405围绕可动电极404设置。如图4B所示，在电容腔401a的周边处，从可动电极404引出的导线部分404a与穿过基体401的引线脚406相连。

在具有上述结构的压力传感器块中，彼此相对的静态电极403和可动电极404构成了一个电容器。因此，在受到外部压力的情况下，当膜片402的中部移向基体401时，静态电极403和可动电极404之间的距离发生变化从而改变了它们之间的电容。通过引线部分404a、引线部分406等可以电性地检测到电容的变化，由此可以检测到作用在膜片402上的压力。

在膜片402上形成的参考电极405和静态电极403两者彼此靠近，在它们之间也构成电容。由于参考电极405靠近边缘部分401b设置，所以参考电极405随膜片402变形而产生的变形量小于设在膜片402中部的可动电极404的变形量。

电容腔401a中空气的介电常数随湿度而变并由此改变各电极的电容。如果根据静态电极403和参考电极405之间的电容变化来观测静态电极403和可动电极404之间的电容变化，则既使是电容腔401a中空气的介电常数发生变化，也可以稳定地测得膜片402的变形量。

就在构成压力传感器的衬底和膜片中使用的蓝宝石而言，从成本和有效性的观点出发采用了以R晶面作为主表面的蓝宝石衬底。如图5中所示，蓝宝石晶体的R晶面是与C平面形成57.6°角的平面。

当用EFG(边缘确定的薄膜输送生长法)生长蓝宝石晶体从而使R晶面形成水平状时，可以较容易地得到面积大到一定程度的蓝宝石晶体板。与此相反，当沿C轴的方向向上拉蓝宝石的同时完成晶体生长时，不能得到大直径的晶体。因此，在现阶段很难得到具有较大C平面的晶体板。

在以R晶面作为平坦表面的廉价蓝宝石中，其杨氏模量和热膨胀系数等物理特性是各向异性的。当将两个以R晶面作为主表面的蓝宝石晶片彼此粘合到一起时，除非各晶片表面的晶轴相互重合否则粘合的晶片体将产生变形。发生的变形与上述R晶面的晶轴有关。这是由于因温度变化而引起的R晶面晶片的物理特性变化在某些晶轴上较大而在其它晶轴上较小的缘故。

图6表示在上述压力传感器中伴随膜片的温度变化(温度上升)而发生变形的情况。在图6中，横座标轴表示变形量测量点离中心的距离。膜片的中心处定义为0，从0向右的方向表示正值而从0向左的方向表示负值。应注意的是，沿纵座标轴绘制的膜片变形量是标准值。

当对蓝宝石膜片和基体进行加热使其镜面抛光的表面彼此紧密接触时，蓝宝石膜片和基体便更牢固地粘合到一起。膜片和基体彼此粘合到一起使得它们的晶体C轴投影方向彼此偏移约10°。

参照图6，黑点表示在沿膜片C轴投影方向的直线上的变形量，而白点表示在与一个膜片的C轴投影方向成45°角的直线上的变形量。白色三角表示在与膜片的C轴投影方向形成90°角的直线上的变形量，而实心方块表示在与膜片的C轴投影方向形成-45°角的直线上的变形量。所有这些直线都穿过膜片的中心。

用这种方式，当将由蓝宝石R晶面衬底构成的膜片粘合到由蓝宝石R衬底构成的基体上，并使它们的晶轴彼此偏离(例如约10°)时，便会出现因温度变化而产生的变形。该变形在与膜片的C轴投影方向形成45°或-45°角的直线上以及在膜片中心和膜片端部之间的中间区域上最大。

在通过粘接基体和膜片构成的压力传感器中，当基体的蓝宝石晶体C轴投影方向与膜片的C轴投影方向不同时，既使没有外部压力施加到膜片上，膜片也将产生变形。更具体地说，在现有的蓝宝石压力传感器中，当温度变化时，既使是没有施加外部压力，也要象实际上施加了压力那样对检测信号进行检测。

当在基体的蓝宝石晶体C轴投影方向和膜片的C轴投影方向之间出现任何位移时，膜片将随温度变化而产生变形。同时很难完全消除在基体和膜片之间产生的位移。

本发明的目的是提供一种既使在用R晶面蓝宝石板制成的基体蓝宝石晶体的C轴投影方向和膜片的C轴投影方向不同的情况下，也能高精度检测压力的压力传感器。

为了达到上述目的，按照本发明提供的压力传感器包括以R晶面为主表面的蓝宝石基体、在基体主表面上形成的并以R晶面为主表面的蓝宝石膜片、由盖有膜片的上表面和形成在基体主表面中的凹部构成的电容腔、固定在电容腔的底面上的静态电极、在电容腔中的膜片下表面上与静态电极相对地固定的可动电极，其中可动电极和静态电极中至少一个电极所具有的形状适合在沿晶体C轴投影方向穿过膜片主表面中心的直线和重直于C轴投影方向的直线中的至少一条直线上延伸。

图1A和1B分别是按照本发明第一实施例所述的压力传感器块的局部剖透视图和平面图；

图2A和2B分别是按照本发明第二实施例所述的压力传感器块的局部剖透视图和平面图；

图3是压力传感器块的平面图，其表示另一个可动电极的实例；

图4A和4B分别是现有压力传感器块的局部剖透视图和平面图；

图5是示意性表示蓝宝石晶体状态的透视图；

图6是表示蓝宝石压力传感器的膜片随温度变化(温度上升)而产生的变形量分布的曲线图。

下面将结合附图详细说明本发明。

第一实施例

参照图1A，压力传感器块由具有环形凹部电容腔101a的基体101和膜片102构成。膜片102粘合到围绕电容腔101a的主表面边缘部分101上以便盖住电容腔，由此在电容腔101a中形成封闭的空间。基体101和膜片102均由R晶面蓝宝石衬底构成。膜片102粘合到基体101上以便使它们的晶体C轴投影方向几乎彼此平行(在±15°的范围内)。

将圆形静态电极103固定在电容腔101a的底面上，并将矩形可动电极104与静态电极103相对地固定到膜片102的下表面(电容腔101a侧面)上。将可动电极104设置成使其中心与膜片102的中心几乎重合，并使可动电极的长边短于静态电极103的直径。如图1B所示，将可动电极104设置成使其沿蓝宝石晶体的C轴投影方向延伸。更具体地说，将可动电极104设置成使其长边平行于蓝宝石的C轴投影方向。

将环形参考电极105静态电极103与相对地固定到膜片102的下表面(电容腔101a侧面)上。参考电极105的环径小于静态电极103的直径，而且参考电极围绕可动电极104设置。

在电容腔101a的周边上，可动电极104通过导线104a与穿过基体101的接线脚106相连。同样，在电容腔101a的周边上，参考电极105通过导线105a与穿过基体101的接线脚(未示出)相连。在电容腔101a的周边上，静态电极103通过导线103a与穿过基体101的接线脚相连。电极103、104和105通过导线103a、104a、和105a以及包含接线脚106的多个接线脚电连接到外部。

在具有上述结构的压力传感器块中，静态和可动电极103、104构成了一个电容器。因此，当受到外部压力时，膜片102的中部移向基体101。所以静态和可动电极103和104之间距离的变化将使它们之间的电容发生变化。这种电容的变化可通过导线103a、104a、和105a以及接线脚106等以电压的形式检测到，由此可检测到作用在膜片102上的压力。

将可动电极104设置在膜片102上，使其在沿蓝宝石晶体的C轴投影方向穿过膜片102主表面中心的直线上延伸。更具体地说，将可动电极104制成在蓝宝石晶体的C轴投影方向上伸长的矩形形状。如上所述，膜片102有时会因温度变化而产生变形。

如图6所示，当将两个蓝宝石衬底彼此粘合到一起时会因温度变化而产生这种变形，因此，它们的轴线会彼此偏离(在图6中为约10°)。该变形在与一个衬底上的晶体C轴投影方向形成45°角或-45°角的直线上以及在膜片102的中心和膜片102的端部之间的中间区域上达到最大值。在该实施例中，基体101用作一个衬底，而膜片102用作粘合到基体101上的另一个衬底。

因此，当将蓝宝石膜片102粘合到蓝宝石基体101上时，除非它们的晶体C轴投影方向完全重合否则膜片102将产生变形。然而，如图6所示，膜片102的变形并不发生在沿晶体C轴投影方向穿过膜片102中心的直线上。而且，该变形通常并不发生在与晶体的C轴投影方向相重直的直线上。

因此，所述膜片既使在沿晶体C轴投影方向穿过膜片102主表面中心的直线上也基本上不会发生变形。所以，将矩形可动电极104设在膜片102上使其纵向平行于晶体C轴投影方向上的直线。

更具体地说，将可动电极104设置在膜片102上不会因温度变化而产生变形的区域内。既使在将基体101和膜片102彼此粘合在一起，而它们的晶体C轴投影方向彼此并不完全重合时，可动电极104和静态电极103之间的距离也基本上不会随温度的波动而发生变化。

当将晶体C轴投影方向上的可动电极104的长度(长边)与重直于长边方向的长度(短边)相比较时，如果短边比长边短则满足条件。在该实施例中，将可动电极104设置在沿晶体的C轴投影方向穿过膜片102主表面中心的直线上。然而，也可以不这样设置可动电极104，而代之以用这种方式来设置静态电极103。

下面将对此进行详细描述。如果将静态电极103设置在沿晶体的C轴投影方向穿过膜片102主表面中心的直线上，则仅在静态电极103上形成静态电极103和可动电极104之间的电容。因此，在这种情况下，静态电极103和可动电极104之间的电容同样形成在极少受因温度波动而使膜片102产生变形的影响的区域内。因此，可以将静态电极103设置在沿C轴投影方向穿过膜片102主表面的直线上。显然，静态电极103和可动电极104可以在沿C轴投影方向穿过膜片102主表面中心的直线上彼此相对地设置。

在膜片102上形成的参考电极105和静态电极103之间也构成电容。由于参考电极105形成在膜片102上靠近边缘部分101b的外周处，所以参考电极105随膜片102变形而产生的变形量小于设在膜片102中心处的可动电极104的变形量。

电容腔101a中空气的介电常数随温度发生变化从而改变各电极中产生的电容。如果根据静态电极103和参考电极105之间电容的变化可以得出静态电极103和可动电极104之间的电容变化，那么既使是电容腔101a中空气的介电常数发生变化也能稳定地检测出膜片102的变形量。

例如，假设因温度波动而引起的静态电极103和参考电极105之间的电容变化与静态电极104和可动电极104之间电容的变化之比是1∶X。当静态电极103和参考电极105之间的电容因温度波动而从“a”变到：“b”时，静态电极103和可动电极104之间的电容可以用“b/a·X”加以修正。

第二实施例

下面将描述本发明第二实施例的压力传感器。

如图1A和1B所示，为了用参考电极105来消除因电容腔中空气温度变化而引起的介电常数变化的影响，优选将参考电极105设在处于电容腔101a中的膜片102的外周上。这是由于以下原因，即，因为受压力作用时产生变形的膜片区102是与电容腔101a相对应的区域，膜片在靠近边缘部分101b的区域上基本上不产生变形。

然而，当将参考电极105设在膜片102的某一区域上使之与边缘部分101b接触时，考虑到在将膜片102和基体101(边缘部分101b)彼此粘合时会产生位置移动，所以将参考电极105夹在膜片102和边缘部分101b中间。当将参考电极105夹在膜片102和边缘部分101b之间时，膜片102和边缘部分101b不能通过它们的镜面抛光表面彼此粘合。

为了防止出现这种情况，而使设在膜片102上的参考电极105从电容腔101a的外端(侧壁位置)进入其内部一定距离。

当用金属薄膜制作可动电极104时，其热膨胀系数与蓝宝石膜片102的热膨胀系数不同。在这种情况下，可动电极104的热膨胀系数大于膜片102的热膨胀系数，而且在膜片102和可动电极104之间也出现因温度变化而引起的变形。膜片102越薄，因温度变化而引起的变形越明显。与之相反，膜片102越厚，膜片102和可动电极104之间的变形越小，而因膜片102和基体101之间的晶面取向偏移引起的变形越大。

按照该实施例，在检测低压时使用的薄蓝宝石膜片中，消除了因膜片和可动电极之间温度变化引起的变形。

下面将描述按照第二实施例的压力传感器的结构。

参照图2A，压力传感器块包括具有圆形凹状电容腔201a的基体201和膜片202。膜片202粘合到电容腔201a周围的主表面边缘部分201b上，从而在电容腔201a中形成封闭的空间。用R晶面蓝宝石衬底制作基体201和膜片202。

将静态电极203固定到电容腔201a的底面上，并与静态电极203相对地将用导电金属制成的矩形可动电极204固定到膜片202的下表面(电容腔201a一侧)上。将可动电极204设置成使其中心几乎与膜片202的中心重合，而且使其长边短于静态电极203的直径。如图2B所示，将可动电极204设置成使其在蓝宝石晶体的C轴投影方向上延伸。更具体地说，将可动电极204设置成使其长边平行于蓝宝石晶体的C轴投影方向。

在电容腔201a的周边上，可动电极204通过导线204a与穿过基体201的接线脚206相连。在电容腔201a的周边上，静态电极203通过导线203a与穿过基体101的接线脚(未示出)相连。

在膜片202上形成的可动电极204构成沿晶体C轴投影方向延伸的矩形形状。既使是基体201和膜片202的晶面取向彼此有一点偏离，也可以抑制因温度变化而引起的可动电极204和静态电极203之间的距离变化。

膜片202上的扇形参考电极205a和205b设置在与晶体C轴投影方向顺时针形成45°角的直线上。参考电极205a和205b通过导线205c彼此连接，并且通过导线205d在电容腔201a的外周上与穿过基体201的接线脚(未示出)相连接。在静态电极203中，与可动电极204以及参考电极205a、205b相应的各区域稍有扩大并相互连接。

当基体201上的晶体C轴投影方向与膜片202的C轴投影方向并不完全重合而是处于与晶体202的C轴投影方向顺时针成45°角的直线上时，膜片202的变形表现为朝着基体201的变化。金属可动电极204的热膨胀系数大于蓝宝石膜片202的热膨胀系数。在膜片202上形成可动电极204的区域内，随着温度的增加，膜片202发生朝向基体201的变形。

因此，处于与晶体C轴投影方向顺时针形成45°角的直线上的那部分膜片202和形成可动电极204的那部分膜片202在温度升高时沿相同的方向产生变形。换句话说，可动电极204和参考电极205a及205b在温度改变时沿相同的方向产生位移。

根据该实施例，用这种方式可使参考电极205a、205b和可动电极204在温度发生变化时在垂直于膜片202平面的相同方向上产生位移。结果，既使是温度发生变化，也能防止参考电极205a、205b和可动电极204之间以及它们相对于静态电极203发生位置关系的变化。

特别是，当在膜片202上在与晶体的C轴投影方向顺时针形成45°角的直线上调整参考电极205a和205b离中心的距离时，膜片202和参考电极205a、205b之间的相对位置关系基本上不随温度的改变而改变。

在该实施例中，可动电极204由金属例如金制成。然而，也可以用热膨胀系数比蓝宝石小的硅来制作可动电极204。用这种方式，当用热膨胀系数比蓝宝石小的材料来制作可动电极204时，可以将参考电极设置在与膜片主表面的C轴投影方向顺时针形成45°角的直线上。在这种情况下，随着温度的增加，可动电极和参考电极都发生远离基体的移动。

在该实施例中，静态电极203具有与可动电极204和参考电极205a、205b相对的、连续的形状。然而，本发明并不限于此。例如，静态电极203可以用与第一实施例同样的方式形成圆形形状。在该实施例中，由于静态电极203具有上述形状，所以可以消除因静态电极203和导线204a及205a之间的电容引起的检测误差。

在上述实施例中，将可动电极设置在沿晶体的C轴投影方向穿过膜片中心的直线上，而且可动电极具有沿晶体的C轴投影方向延伸的矩形形状。然而，本发明并不限于此。例如，可以将膜片主表面上的可动电极设置成使其矩形的纵向垂直于晶体的C轴投影方向。在这种情况下，将可动电极设置在垂直于晶体C轴投影方向和穿过电容腔中心的直线上。

如图3所示，可动电极304可以为在两个方向上延伸的十字交叉形状，即，晶体的C轴投影方向和垂直于该方向的方向。

如上所述，按照本发明，既使是基体晶体的C轴投影方向偏离膜片的晶体C轴投影方向，在静态电极和可动电极彼此相对的区域内，温度变化基本上不会引起膜片变形。

这样便抑制了产生电容的可动电极和静态电极之间距离的变化。当通过将用R晶面蓝宝石衬底制成的膜片粘合到由R晶面蓝宝石衬底构成的基体上而形成具有电容腔的电容型压力传感器时，既使衬底的晶体C轴投影方向不同于膜片的C轴投影方向，也能高精度地测出压力。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于包括：

以R晶面作为主表面的蓝宝石基体(101，201)；

形成在所述基体的所述主表面上且以R晶面作为主表面的蓝宝石膜片；

电容腔，其上表面由所述膜片盖住并且具有一个形成在所述基体主表面上的凹部；

固定到所述电容腔底面上的静态电极(103，203)；和

与所述静态电极相对地固定在所述电容腔内的所述膜片下表面上的可动电极，

其中所述可动电极和静态电极中至少一个电极具有在沿晶体的C轴投影方向穿过所述膜片主表面中心的直线和沿垂直于C轴投影方向的直线中的至少一条直线上延伸的形状。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述可动电极和静态电极中仅有一个电极具有在沿晶体的C轴投影方向穿过所述膜片主表面中心的直线和沿垂直于C轴投影方向的直线中的至少一条直线上延伸的形状。

3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述可动电极和静态电极都具有在沿晶体的C轴投影方向穿过所述膜片主表面中心的直线和沿垂直于C轴投影方向的直线中的至少一条直线上延伸的形状。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述可动电极和静态电极中的至少一个电极具有在沿晶体的C轴投影方向穿过所述膜片主表面中心的直线和沿垂直于C轴投影方向的直线中的仅仅一条直线上延伸的形状。

5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述可动电极和静态电极中的至少一个电极具有在沿晶体的C轴投影方向穿过所述膜片主表面中心的直线上和沿垂直于C轴投影方向的直线上延伸的十字交叉形状。

6.根据权利要求1所述的传感器，还包括围绕所述可动电极固定到所述膜片下表面上的参考电极(105，205)。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述参考电极具有环绕所述可动电极的环形形状。

8.根据权利要求6所述的传感器，其中所述参考电极设置在与晶体C轴投影方向成45°角且穿过所述膜片主表面中心的直线上。

9.根据权利要求6所述的传感器，其中所述静态电极具有连续地包含了至少与所述可动电极和参考电极相对的区域的形状。

10.根据权利要求9所述的传感器，其中所述静态电极为圆形。

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