CN1864054A - 电容传感器 - Google Patents

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Abstract

一种包括具有密封腔体的外壳、腔体内的板、形成部分腔体并与该板分隔的膜片、第一膜片上的导电层，以及板上的第二导电层的电容传感器。该第一和第二导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着膜片相对于板的位置而变化。

Description

电容传感器
相关申请
本申请要求2003年8月11日申请的标题为“低成本压力传感器”的美国临时申请No.60/494,147的优先权，其在此结合作为参考。
技术领域
本发明一般涉及电容传感器，尤其涉及用于测量压力的改进型电容传感器。
背景技术
用于诸如轮胎压力监视系统等的应用中的压力传感器需要便宜，能抵抗恶劣环境，并且耗能非常小。尤其在由电池供电的系统中，这一点非常重要，因为传感器和相关电子电路在单个硬币大小电池上可以工作延长的时间周期。
比较而言，使用压阻元件来测量电阻变化以确定压力的常规压力传感器不是功率有效的，其限制了电池寿命。为了克服与压阻元件相关的问题，常规的电容式压力传感器测量电容以确定压力。电容压力传感器的一个例子使用MEMS技术，其中将膜片、电容电极以及腔体加工到硅上。电容传感器还包括测量电容电极的电容的电子电路。为了保护膜片电容电极和电子电路免受恶劣环境中的污染，一个盖子被设置在传感器封装内的腔体之上。然而，由于膜片必须被暴露于正在被测量的压力，该盖子必须包括一个或多个开口以允许暴露于正在被测量的压力。该开口允许不想要的污染物进入腔体，这影响正在测量的电容，导致测量不准确而且容易损坏传感器。
另一种现有技术的电容式压力传感器，如美国专利No.5,436,795，在此结合作为参考，通过利用具有在腔体内密封的两个电容电极板的密封封装腔体形成电容压力测量装置，克服了与其中具有开口的盖子有关的问题。’795专利的设计将膜片并入腔体外壳，其根据外部压力和内部腔体压力之间的差异而偏转。其中一个电极位于膜片上，因此电容取决于压力差值。然而，’795专利中所公开的传感器在电容板之间具有大约为0.5～2.5mil量级的有限间隔，因此无法容纳任何信号处理电路(例如集成电路管芯)。因此，’795专利中所公开的传感器的设计需要任何信号处理电路安装在独立的封装中，这就增大了传感器的尺寸和复杂度。
另一种现有技术的电容式压力传感器在美国专利No.6,278,379中公开，其在此结合作为参考。‘379专利中所公开的传感器装置包括位于腔体外壳的相对两侧的膜片上的具有两个电容电极的密封腔体。该设计便于增大电容电极的偏转，这提高了灵敏度。然而，’379专利公开了该间隙必须同样被最小化以使传感器的灵敏度最高。在理论上，腔体和间隙可以被扩大以容纳信号处理电路，例如集成电路管芯；然而，这种改变将限制最小间隙大于管芯厚度(通常为600um)，而且还将限制电容电极之间的区域重叠，这两者都将大大降低传感器对所施加的压力的灵敏度。
其它基于电容的压力传感器，如日本专利申请No.2002039893，在此结合作为参考，可以提供压力传感器和用于电子电路的外壳，这是通过利用第一腔体来容纳封装内的电子电路和严密密封的在其中密封有两个电容电极板的第二腔体来形成电容式压力测量装置而实现的。然而，这种设计很复杂，难于制造而且很昂贵。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的电容传感器。
本发明的另一目的是提供设计简单的电容传感器。
本发明的另一目的是提供制造便宜的电容传感器。
本发明的另一目的是提供比压阻传感器耗能更小的电容传感器。
本发明的另一目的是提供能有效保护电容电极和电子电路免受恶劣环境影响的电容传感器。
本发明的另一目的是提供无需独立的腔体来容纳电容电极和电子电路的电容传感器。
本发明源于这样一种实现方式：真正有效和健壮的集成电容传感器可以通过提供具有密封腔体的外壳、将一个板置于腔体内、并提供形成腔体的一部分并与该板隔开的膜片(diaphragm)来实现的，其中该膜片包括第一导电层，而该板包括第二导电层，第一和第二导电层一同形成电容器的电极，电容器的电容随着膜片相对于板子的位置而变化。
本发明的特征是一种电容传感器，其包括具有密封腔体的外壳，腔体中的第一板，形成部分腔体并与第一板分隔的第一膜片，第一膜片上的第一导电层，以及第一板上的第二导电层，第一和第二导电层是电容器的电极，电容器的电容随着第一膜片相对于第一板的位置而变化。
在一个实施例中，第一膜片可以置于外壳的顶面的附近，第一膜片可以置于外壳的底面的附近，第一膜片可以置于外壳的侧面的附近。第二导电层可以置于第一板的顶面的附近，第二导电层可以置于第一板的底面的附近，第二导电层可以置于第一板的侧面的附近。外壳可以包括选自陶瓷、塑料、金属或它们的任意组合物的组的材料。第一板可以包括集成电路管芯(die)，第一板可以包括印刷电路板。第一导电层可以嵌入到第一膜片中，第二导电层可以嵌入到第一板中，第一导电层可以置于第一膜片的外表面上。第一导电层可以置于第一膜片的内表面上，第一导电层可以置于第一膜片的一部分上。第二导电层可以置于第一板的一部分上。外壳可包括独立附着的盖。膜片可以是独立附着的盖。膜片可以包括选自陶瓷、塑料、金属或它们的任意组合物的材料。膜片可以由不同于外壳的材料组成。可以通过将盖钎焊到熔合到外壳内的金属层而将盖附着到外壳。可以通过将盖焊接到熔合到外壳的金属层而将盖附着到外壳。可以利用粘合材料将盖附着到外壳。可以用玻璃将盖附着到外壳。第一导电层可包括用于形成电极的导电材料的网格。第一导电层可以包括用于形成电极的导电材料的固体层。第一导电层可以包括其中有隔开的小孔的导电材料的固体层。第二导电层可以包括用于形成电极的导电材料的网格。第二导电层可以包括用于形成电极的导电材料的固体层。第二导电层可以包括其中有隔开的小孔的导电材料的固体层。第一板可包括选自包括硅、陶瓷、玻璃、石英、塑料、环氧树脂以及金属的组的材料。第一板可以包括电气子系统。电气子系统可以将电容转换为一个或多个电信号。电气子系统可以测量电容。电气子系统可以包括用于发送代表电容的一个或多个信号的发射机。电容传感器可以包括响应于一个或多个信号的天线。电容传感器可以另外包括用于接收启动信号的接收机。电气子系统可以测量子系统附近的温度。电气子系统可以发送代表温度的一个或多个信号。电气子系统可以管理电气子系统的功耗。电气子系统可以包括用于允许子系统将被外部询问的询问装置。电气子系统可以接收外部命令以管理子系统的功耗。电容传感器可进一步包括与由第一和第二导电层形成的电容器结合以形成谐振电路的电感器。第一板可以包括一个或多个传感器，一个或多个传感器可以选自包括加速度传感器、温度传感器以及运动传感器的组。第一板可以另外包括用于发送一个或多个传感器的一个或多个输出信号的发送装置。电容传感器可另外包括置于外壳中的第一电互连。电容传感器可另外包括用于将第一板上的第二导电层连接到第一电互连的第二电互连。电容传感器可另外包括用于将膜片上的第一导电层连接到第一电互连的第三电互连。电容可代表压力。电容可代表腔体和外壳外部之间的压力差。电容传感器可另外包括置于膜片上的用于响应于加速度而改变膜片相对于板的位置的检测质量。第二导电层可以包括用于减小第一导电层和第二导电层之间的间隔距离的导电间隔件。电容可以随着响应于外力膜片相对于板的位置而改变。电容传感器可另外包括腔体内的第二板。第二板可以包括电气子系统。电气子系统可以将电容转换为一个或多个电信号。电气子系统可以测量电容。电气子系统可包括用于发送代表电容的一个或多个信号的发射机。电传感器可另外包括响应于一个或多个信号的天线。电容传感器可以另外包括用于接收启动信号的接收机。电气子系统可测量子系统附近的温度。电气子系统可发送一个或多个代表温度的信号。电气子系统可管理电气子系统的功耗。电气子系统可包括用于允许子系统将被外部询问的询问装置。电气子系统可接收外部命令以管理系统的功耗。第二板可包括一个或多个传感器。一个或多个传感器可选自包括加速度传感器、温度传感器以及运动传感器的组。第一板和/或第二板可以包括用于发送一个或多个传感器的一个或多个输出信号的发送装置。第二板可以置于第一板的顶面。第二板可以与第一板横向分隔。电容传感器可另外包括形成与第一板分隔的一部分腔体的第二膜片。电容传感器可另外包括第二膜片上的第三导电层。电容传感器可另外包括第一板上的第四导电层，第三和第四导电层是第二电容器的电极，该电容器的电容随着第二膜片相对于第一板的位置而改变。电容传感器可另外包括具有第四导电层的第二板和具有第三导电层、形成部分腔体、与第二板分隔的第二膜片。第二板上的第四导电层和第二膜片上的第三导电层可以形成第二电容器，该第二电容器的电容随着第二膜片相对于第二板的位置而改变。第一膜片可以置于外壳的顶面附近，而第二膜片可以位于外壳的底面附近。第一和第二膜片可以在外壳上横向隔开。第一膜片和第一板可以位于外壳的顶面附近，第二膜片和第二板可以位于外壳的底面附近。第一板和第一膜片以及第二板和第二膜片可以在外壳内横向隔开。每个第一和第二膜片可以遭受不同的压力，使得第一电容器的电容代表腔体和施加到第一膜片的压力之间的压力差，而第二电容器的电容代表腔体和施加到第二膜片的压力之间的压力差。每个膜片可以遭受不同的压力，使得第一电容器的电容代表腔体和施加到第一膜片的压力之间的压力差，而第二电容器的电容代表腔体和施加到第二膜片的压力之间的压力差。第一电容器的电容和第二电容器的电容可以相减以确定压力差。第一电容器的电容和第二电容器的电容可以相减以确定压力差。
本发明的特征还在于一种电容传感器，其包括具有密封腔体的外壳，腔体中的板，形成一部分腔体并与板隔开的导电膜片，以及板上的导电层，导电膜片和板上的导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着膜片相对于板的位置而变化。
本发明的特征还在于一种电容传感器，其包括具有密封腔体的外壳，腔体中的导电板，形成一部分腔体并与导电板隔开的膜片，以及膜片上的导电层，膜片上的导电层和导电板是电容器的电极，该电容器的电容随着膜片相对于板的位置而变化。
本发明的特征还在于一种电容传感器，其包括具有密封腔体的外壳，腔体中的导电板，形成一部分腔体并与导电板隔开的导电膜片，导电膜片和导电板是电容器的电极，该电容器的电容随着膜片相对于板的位置而变化。
本发明的特征还在于一种电容传感器，其包括具有密封腔体的外壳，腔体中的板，形成一部分腔体并与板隔开的膜片，膜片上的第一导电层，以及板上的第二导电层，第一和第二导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着响应于外力膜片相对于板的位置而变化。
本发明的特征还在于一种电容传感器，其包括具有密封腔体的外壳，腔体中的多个板，形成一部分腔体并与多个板隔开的膜片，膜片上的第一导电层，以及多个板上的一个或多个第二导电层，第一导电层和一个或多个第二导电层是一个或多个电容器的电极，该一个或多个电容器的电容随着膜片相对于一个或多个板的位置而变化。
本发明的特征还在于一种电容传感器，其包括具有密封腔体的外壳，腔体中的板，形成一部分腔体并与板隔开的多个膜片，多个膜片上的一个或多个第一导电层，以及板上的一个或多个第二导电层，一个或多个第一导电层和第二导电层是一个或多个电容器的电极，该一个或多个电容器的电容随着多个膜片相对于板的位置而变化。
本发明的特征还在于一种电容传感器，其包括具有密封腔体的外壳，腔体中的多个板，形成一部分腔体并与多个板隔开的多个膜片，多个膜片上的一个或多个第一导电层，以及多个板上的一个或多个第二导电层，一个或多个第一导电层和一个或多个第二导电层是一个或多个电容器的电极，该一个或多个电容器的电容随着多个膜片相对于多个板的位置而变化。
本发明的特征还在于一种电容压力监测传感器系统，其包括具有密封腔体的外壳，腔体中的集成电路管芯，形成一部分腔体并与集成电路管芯隔开的膜片，膜片上的第一导电层，管芯上的第二导电层，第一和第二导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着膜片相对于管芯的位置而变化以确定压力，以及管芯上的信号调节电路用于将电容转换为代表压力的电信号。
在一个实施例中，管芯可以包括用于无线传送代表压力的信号的装置。该系统可以安装于车胎内以测量胎内压力。
本发明的特征还在于一种电容传感器，其包括具有密封腔体的外壳，腔体中的板，形成一部分腔体并与板隔开的膜片，膜片上的第一导电层，板上的第二导电层，第一和第二导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着膜片相对于板的位置而变化，以及膜片上设置检测质量，其中可以通过检测质量的存在而放大膜片响应于所施加力的位置变化以提高该传感器的灵敏度。
在一个实施例中，所施加的力可能是由于加速度。所施加的力可能是离心力。
本发明的特征还在于一种制造电容传感器的方法，该方法包括提供一种具有密封腔体的外壳，利用与板隔开的膜片形成腔体的外壳的一部分，在膜片上形成第一导电层，在板上形成第二导电层，第一和第二导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着膜片相对于板的位置而变化，将板置于腔体内，并且密封腔体。
在一个实施例中，该方法可以另外包括在膜片上设置检测质量的步骤。
本发明还涉及一种测量外力的方法，该方法包括：将待测量的力暴露于与密封腔体中的具有第二导电层的板隔开的具有第一导电层的膜片，以及测量由于膜片的第一导电层相对于板上的第二导电层的位置的电容，该电容可以代表施加到膜片上的力。
在一个实施例中，该力可包括压力，该力可包括加速度。
附图说明
通过下面对优选实施例和附图的说明，本领域的技术人员可以想到其他目的、特征以及优点，其中：
图1是使用用于压力传感器的密封腔体和用于电子电路的另一独立腔体的现有技术压力传感器的原理侧视图；
图2是本发明的电容传感器的一个实施例的原理侧视图；
图3A～3D是表示图2所示的导电层的各个实施例的原理顶视图；
图4是本发明的电容传感器的另一个实施例的原理侧视图；
图5是表示置于外壳的底面上的膜片的一个例子的本发明的电容传感器的另一个实施例的原理侧视图；
图6是使用导电间隔件以降低板上的导电层和膜片上的导电层之间的间隙距离的图5所示的电容传感器的原理侧视图；
图7是使用用于测量压力差的每个具有导电层的两个膜片以及具有两个导电层的板的本发明的电容传感器的另一实施例的原理侧视图；
图8是使用用于测量压力差的每个具有导电层的两个膜片以及每个具有导电层的两个板的本发明的电容传感器的另一实施例的原理侧视图；
图9是图8所示的电容传感器的其它实施例的原理侧视图；
图10是图5所示的具有置于包括电气子系统的腔体中的第二板的电容传感器的另一实施例的原理侧视图；
图11是图10所示的表示第一板上堆叠的第二板的一个例子的电容传感器的另一实施例的原理侧视图；
图12是表示电气子系统的各种功能的一个例子的原理框图，该电气子系统可以包含在本发明的电容传感器的一个或多个板上；
图13A是使用电感器来形成谐振电路的本发明的电容传感器的另一实施例的原理侧视图；
图13B是图13A所示的电感器的原理顶视图；
图14是用作加速度计的本发明的基于电容的传感器的原理框图；
图15是用于制造本发明的电容传感器的方法的一个例子的框图。
具体实施方式
除了下面公开的优选实施例之外，本发明还能以各种各样的方式实施或执行其它实施例。因此应该理解，本发明并不局限于其对结构的细节的应用，以及在以下的说明书中描述的或在附图中示意的各种组件的排列。
如上述的背景部分所说明的，常规电容式压力传感器，如常规电容式压力传感器10(图1)，如同在前面引用的日本专利申请No.2002039893中所公开的，克服了与影响密封腔体18的电容电极的污染物有关的问题。密封腔体18包括电容电极板20和22，其形成密封腔体18内的电容测量装置。电容压力传感器10还包括容纳管芯14的腔体12。传感器10还包含连接导线24和26，用于将电容电极板20和22互连到管芯14。结果，导致一种非常复杂的设计，难于制造而且造价昂贵。
相反，本发明的电容传感器30(图2)包括包含密封腔体36的外壳32，板38置于密封腔体36内。板38可包含如以下详细描述的电气子系统或可以是本领域的技术人员已知的集成电路管芯或印刷电路板或类似装置。膜片40形成腔体36的一部分，并且与板38隔开。膜片40包括导电层42，而板38包括导电层44，它们一起形成电容器45的电极，电容器45的电容随着膜片40相对于板38的位置而变化，如箭头46所示。在一个实例中，从外部压力P(在50指示)如箭头52所示，可能发生在其上具有导电层42的膜片40相对于具有导电层44的板38的位置变化，其使膜片朝向板38弯曲并且改变电容器45的电容。
利用密封腔体36内的板38上的导电层44以及膜片40上的导电层42来形成电容器45的电极无需独立的密封腔体用于压力传感器，以及无需另一独立的腔体来容纳现有技术中找到的集成电路管芯。结果导致一种健壮的电容传感器，其可用于各种各样的压力传感器应用中，例如轮胎气压监视系统、高度计、工业处理压力传感器、引擎管理系统传感器等等，其设计简单并且容易制造。电容传感器30使用比背景技术部分所述的压阻设计更低的功率，并且更适合于电池供电的应用。此外，电容传感器30能够对抗恶劣环境。
外壳32可包括本领域的技术人员已知的陶瓷、金属、塑料或类似材料。导电层42可以置于膜片40的底面41上，置于膜片40之内，如43所示，或置于膜片40的顶面51上。在一种设计中，膜片40被置于接近以下所说明的外壳32的顶面48。膜片40也可被置于接近外壳32的底面33或侧面35。导电层44可置于板38的顶面49上，或在其它设计中，导电层44可置于板38的底面47或侧面90上，或嵌入板38中。导电层42和44通常可包括导电材料，例如金属合金或类似材料。
膜片40也可配置作为独立连附的盖子，如短划线60和62所示，通过将盖子焊接到外壳32内的金属触点61和63而连附到外壳32。在其它设计中，可以利用焊接将盖子连附到外壳32。作为选择，可以使用粘接材料或玻璃以将盖子连附到外壳32。膜片40可类似地包括本领域的技术人员已知的陶瓷、金属、塑料或类似材料，而且可由不同于外壳32的材料组成。
膜片40还可由导电材料组成，而不是在其上设置导电层42。在本例中，导电膜片40和板38上的导电层44形成电容器45的电极。
第一导电层42和第二导电层44通常设置在膜片40和板38的表面的大部分，如图3A的部分53所示。导电层42和44可置于膜片40和板38的子部分之上，如图3B的部分55所示。导电层42和44可包括导电材料的网格，如图3C的导电材料的网格57所示，以形成电极。导电层42和44可包括导电材料的固体层75(图3D)，其可包括或不包括具有各种形状的隔开的小孔，例如65、67、69和71。
图2的电互连68，例如电导线，可以用电互连74连接到导电层44以提供与外部装置的连接。到导电层42的导电路径可以具有电互连92和附加的电互连(例如导电材料)93，以允许从层44经由电互连72电连接到板38或用电互连70电连接到外部装置。
由于电容传感器30的灵敏度与膜片40上的导电层42和板38上的导电层44之间的间隙距离39成反比，因此减小间隙距离39提高了传感器30的灵敏度。使用电互连72和74连接到板38的一个缺点是电互连72和74的高度对间隙距离39设置了下限。本发明的图4的电容传感器30’(其中相同的部件给予相同的标记)示出了用于将板38连接到电互连68和70的可选设计。在本实施例中，电互连68和70在板38之下伸展，并且通过粘结剂96和97(例如，焊锡或类似材料的粘结剂)粘结到金属焊盘94和95，以提供导线68和70到板38的电连接。由此通过电互连98提供了从膜片40上的导电层44到板38上的金属焊盘95的导电通路。通过去除如图2所示的电互连72和74，间隙距离39(图4)被大大减小，并且进行必要的限制以避免导电层42和44之间的电接触。如果导电层42和导电层44包括绝缘涂层(未示出)，膜片40在某些操作条件下可以接触板38。
本发明的图5中的电容传感器30”(其中相同的部件给予相同的标记)包括包含有上述的密封腔体36的外壳32。板38置于密封腔体36内。在此实施例中，导电层44置于板38底面47上。膜片40构成密封腔体36的一部分并且与板38分隔。在此设计中，膜片40设置得接近于外壳32的基底107的内部或底表面105，并且包括设置于膜片40的顶面35上的导电层42。膜片40还可设置得接近外壳32的基底107的外表面81，如短划线104所示，导电层也可以置于膜片40的顶面35和底面37两者上。例如，导电层106可位于膜片40的底面37上，而导电层42可位于膜片40的顶面35上。利用膜片40的顶面35和底面37上的两个导电层42和106导致一种对称结构，其使膜片40中的应力最小。导电层106也可与固定电压(未示出)电连接，以用作保护膜片40上的导电层42和板38上的导电层44不受不想要的电信号影响的电屏蔽。板38可以被焊接到外壳32上，如54和56所示。与以上所述类似的是，导电层42和44形成电容器45的电极，电容器45的电容随着膜片40相对于板38的位置变化而改变，如箭头46所示。外壳32也可通过在101和103所示的位置上的焊接或熔接连附到附加的衬底83(例如，印刷线路板)。衬底83通常与外壳分隔，如间隙距离99所示，以允许空气、气体和/或流体从膜片40附近流过，如箭头109和111所示。
图6中的电容传感器30(在此相同的部件给予相同的标记)可包括导电盘65，其减小了板38上的导电层44和膜片40上的导电层42之间的间隙距离39。减小间隙距离39提高了系统30的灵敏度，同时仅对膜片40的刚性有最小的影响。
本发明的电容传感器可包括置于腔体中的多个板，该腔体具有作为一个或多个电容器的电极的一个或多个导电层。在其它设计中，多个膜片可以形成部分腔体，并且包括限定一个或多个电容器的一个或多个导电层。在其它例子中，具有一个或多个导电层的多个板和具有一个或多个导电层的多个膜片均可形成一个或多个电容器的电极。以下说明这些实施例的各例子。
本发明的图7的电容传感器30IV(其中相同的部件给予相同的标记)包括两个膜片，其用于测量两种物理效果，例如同时测量两个不同的压力。电容传感器30IV包括上述的具有导电层42(以及可选的导电层106)的膜片40，其响应第一压力(P1)，如箭头52所示，引起膜片40上的导电层42和板38上的导电层44之间的电容45的变化。电容传感器30IV还包括其上具有导电层142的第二膜片140，导电层142形成腔体36的一部分。附加导电层144置于板38顶面160上。类似的，膜片140的导电层142和板38的顶面160上的导电层144形成第二电容器145，其电容随膜片140的位置变化而变化，如箭头146所示，例如膜片140响应于压力150(P2)而变形，如箭头152所示。外壳132还包括用于便于施加压力50(P1)和150(P2)的接入组件133和134。电容传感器30IV用于测量两个独立的压力，例如压力50(P1)和压力150(P2)，用于计算压力50(P1)和压力150(P2)之间的差压，其在自动质量气流传感器等中可用于HVAC系统中的流量测量。
本发明的图8的电容传感器30V(其中相同的部件给予相同的标记)包括两个膜片40和140以及两个板38和138。在此设计中，导电层42位于膜片40上，膜片40位于接近外壳32的下表面33，而导电层142位于膜片140上，膜片140位于接近外壳32的上表面48。导电层44位于接近板38的底面147，而导电层144位于接近板138的顶面224。板138上的导电层144和膜片140上的导电层142形成电容器145的电极。电容器145的电容随着膜片140相对于板138的位置变化而变化。如上所述，电容器45由膜片40上的导电层42和板38的底面147上的导电层44形成。具有各自构成独立的电容器45和145的两块板38和138以及两个膜片40和140允许独立改变电容器45和145的间隙距离39和226，这就提供了对每个电容器45和145的灵敏度的独立控制。
图9的电容传感器30VI(在此相同的部件给予相同的标记)示出了图8的电容传感器30V的另一实施例，其包括分别具有导电层42和142的两个膜片40和140，以及在底面147和228上分别设置具有导电层44和144的两块板38和138，它们横向分隔以允许在某些应用中更容易地安装板38和138。
图10的本发明的电容传感器30VII(在此相同的部件给予相同的标记)包括具有导电层42的单个膜片40和两块板38和238。在本例中，板38包括导电层42并且与导电层44形成电容器45。板238被封装在外壳32内并可包含电气子系统以处理来自电容器45的电容信号(以下说明)。板238也可包括其它传感器，如温度传感器或加速度计。如图10所示，板238可以与板38横向隔开，或者与置于板38之上的板238如图11所示，或者与置于板38之下的板238(未示出)处于堆叠结构，或者处于由本领域的技术人员已知的其它结构。
上面参考图2和图4～11所述的板38和/或板138可包括容纳导电层44的任何材料，以连同导电层42形成电容器45，或者包括容纳导电层144的任何材料，以连同导电层142形成电容器145。这种材料可包括硅、陶瓷、玻璃、石英、塑料以及金属。在一种设计中，膜片40和/或膜片140可基本上由金属组成，并用作导电层，无需诸如导电层42和/或导电层142的外在的导电层。板38和/或板138可以基本上由金属组成并用作导电层，无需诸如导电层44和/或导电层144的外在的导电层。板38和/或板138也可是电子工业中通常使用的印刷电路板，并可包括铜和环氧树脂或陶瓷。板38和/或板138也可是集成电路管芯。板38和/或板138可包含电气子系统，例如电路和/或电子元件。
例如，上面的图2和图4～11所示的板38和/或板138可包括电气子系统300(图12)，其提供用于电容传感器30的接口以发送所测量的压力数据，从而允许远程监视，如用于胎压监视应用。电气子系统300可将电容传感器30(上述的图2和图4～11)的电容45和/或145所产生的线路302上的电容信号转换为电信号并提供电容的测量值，如图12的方块304所示。电气子系统300可利用例如发射机306将所测量的电容通过天线308经射频手段发送到远程位置，天线308可以在电容传感器30内部或外部。电气子系统300可以执行功率管理功能，如方块310所示，以激活和去激活电气子系统300的各个组件，从而使电池供电的应用中的功率消耗最小，电池寿命最长。功率管理可以是通过内部定时器的312的自控或响应于来自用于检测运动的加速度计318的启动信号或响应于通过天线314和接收机316经无线链路接收的启动信号。天线314可以是与天线308共用的功能，并且接收机316可以与发射机306组合作为收发信机电路。电气子系统300也可以用诸如硅温度传感器的装置来测量温度，如方块320所示。线路322上的温度信号表示电气子系统300附近的温度，并可利用上述的发送技术用天线308发送到远程位置，或可被电气子系统300用于校正上述本发明的电容传感器的温度变化。线路324上的信号表示加速度，也可利用天线308发送到上述的远程位置，而且可用于胎压监视系统以通过使加速度信息与来自汽车的反锁制动系统中的轮速传感器的速度信息相关来识别传送轮。电气子系统300所执行的各种功能，例如转换和测量电容、传送、功率管理、温度测量等等，可以通过利用本领域的技术人员已知的电子和/或电气电路来实现。
本发明的图13A的电容传感器30VIII(其中相同的部件给予相同的标记)包括置于板38上的电感器350。电感器350可形成图13B中的线圈352。图13A中的电感器350也可以置于外壳32上或者外壳32、板38或膜片40之内或之上的任何其它适当位置。电感器350可以经由电互连354与导电层44相连，以及经由电互连356与导电层42相连，以与电容器45形成谐振电路，使得谐振频率取决于膜片40的变形。谐振频率还可以接着通过从远程收发信机(未示出)发送单音而被远程测量。如果该单音处于谐振频率，则谐振电路将在停止发送该单音之后继续响铃(但是衰变)。这种响铃将使得电容传感器30VIII重发该单音，该单音然后被远程收发信机拾取。作为选择，远程电路可以只是发射机，其发射频率可变并且能够监视发射机的发射功率。发射功率将在对应于电容传感器30VIII的谐振频率的发射频率处出现峰值，以允许通过询问电容传感器30VIII来检测代表电容45的信号，而实际上并不发送任何信号。
本发明的图14的电容传感器30IX(其中相同的部件给予相同的标记)包括设置在膜片40上的检测质量(proof mass)120，用于在当电容传感器30IX经受由箭头128所指示的方向上的加速时引入膜片40内的变形。检测质量120上的加速改变了膜片40上的第一导电层42和板38上的第二导电层44之间的距离，如箭头46所示，以测量代表加速度变化的电容变化。
本发明的特征还在于一种用于制造基于电容的传感器的方法，包括下列步骤：提供具有密封腔体的外壳(步骤400，图15)；形成膜片作为与板隔开的腔体的一部分(步骤402)。在膜片上形成第一导电层(步骤404)。在板上形成第二导电层(步骤406)，并将该板置于腔体内(步骤408)。然后密封该腔体(步骤410)。第一和第二导电层形成电容器的电极，该电容器的电极随着膜片相对于板的位置变化而变化。虽然如图15所示，步骤400～410是以所示的顺序执行，但这对于本发明不是一个必要的限制，因为这些步骤可以以本领域的技术人员已知的任何顺序执行。
虽然已经在一些附图中但没有在其它附图中示意本发明的特定特征，但这仅仅是为了方便起见，因为根据本发明每个特征都可以与其它特征中的任何一个或所有特征结合。在此使用的单词“包含”、“包括”、“具有”、“带有”取其广义和详尽解释，并不局限于任何物理互连。此外，在本申请中公开的任何实施例都不认为是唯一可能的实施例。
本领域的技术人员将会想到其它实施例，这些实施例在以下的权利要求书的范围之内。

Claims (102)

1.一种电容传感器，包括：
具有密封腔体的外壳；
所述腔体中的第一板；
形成所述腔体的一部分并与所述第一板分隔的第一膜片；
所述第一膜片上的第一导电层；以及
所述第一板上的第二导电层，所述第一和第二导电层是电容器的电极，电容器的电容随着所述第一膜片相对于所述第一板的位置而变化。
2.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一膜片置于所述外壳的顶面附近。
3.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一膜片置于所述第一外壳的底面附近。
4.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一膜片置于所述外壳的侧面附近。
5.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第二导电层置于所述第一板的顶面附近。
6.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第二导电层置于所述第一板的底面附近。
7.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第二导电层置于所述第一板的侧面附近。
8.权利要求1所述的电容传感器，其中所述外壳包括选自包括陶瓷、塑料、金属或它们的任意组合的组的材料。
9.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一板包括集成电路管芯。
10.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一板包括印刷电路板。
11.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一导电层被嵌入所述第一膜片中。
12.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第二导电层被嵌入所述第一板中。
13.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一导电层置于所述第一膜片的外表面上。
14.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一导电层置于所述第一膜片的内表面上。
15.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一导电层置于所述第一膜片的一部分上。
16.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第二导电层置于所述第一板的一部分上。
17.权利要求1所述的电容传感器，其中所述外壳包括独立附着的盖。
18.权利要求1所述的电容传感器，其中所述膜片是独立附着的盖。
19.权利要求18所述的电容传感器，其中所述膜片包括选自包括陶瓷、塑料、金属或它们的任意组合物的组的材料。
20.权利要求1所述的电容传感器，其中所述膜片由不同于所述外壳的材料组成。
21.权利要求18所述的电容传感器，其中通过将所述盖钎焊到融入所述外壳内的金属层，将所述盖附着到所述外壳。
22.权利要求18所述的电容传感器，其中通过将所述盖焊接到融入所述外壳内的金属层，将所述盖附着到所述外壳。
23.权利要求18所述的电容传感器，其中利用粘合材料将所述盖附着到所述外壳。
24.权利要求18所述的电容传感器，其中利用玻璃将所述盖附着到所述外壳。
25.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一导电层包括用于形成所述电极的所述导电材料的网格。
26.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一导电层包括用于形成所述电极的导电材料的固体层。
27.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一导电层包括其中有隔开的小孔的导电材料的固体层。
28.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第二导电层包括用于形成所述电极的所述导电材料的网格。
29.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第二导电层包括用于形成所述电极的导电材料的固体层。
30.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第二导电层包括其中有隔开的小孔的导电材料的固体层。
31.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一板包括选自包括硅、陶瓷、玻璃、石英、塑料、环氧树脂以及金属的组的材料。
32.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一板包括电气子系统。
33.权利要求32所述的电容传感器，其中所述电气子系统将所述电容转换为一个或多个电信号。
34.权利要求32所述的电容传感器，其中所述电气子系统测量所述电容。
35.权利要求32所述的电容传感器，其中所述电气子系统包括用于发送代表所述电容的所述一个或多个信号的发射机。
36.权利要求35所述的电容传感器，还包括响应所述一个或多个信号的天线。
37.权利要求32所述的电容传感器，还包括用于接收启动信号的接收机。
38.权利要求32所述的电容传感器，其中所述电气子系统测量所述子系统附近的温度。
39.权利要求38所述的电容传感器，其中所述电气子系统发送代表所述温度的一个或多个信号。
40.权利要求32所述的电容传感器，其中所述电气子系统管理所述电气子系统的功耗。
41.权利要求32所述的电容传感器，其中所述电气子系统包括用于允许所述子系统将被外部询问的询问装置。
42.权利要求32所述的电容传感器，其中所述电气子系统接收外部命令以管理所述子系统的功耗。
43.权利要求1所述的电容传感器，还包括与由所述第一和第二导电层形成的所述电容器结合以形成谐振电路的电感器。
44.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一板包括一个或多个传感器。
45.权利要求44所述的电容传感器，其中所述一个或多个传感器选自包括加速度传感器、温度传感器以及运动传感器的组。
46.权利要求45所述的电容传感器，其中所述第一板还包括用于发送所述一个或多个传感器的一个或多个输出信号的发送装置。
47.权利要求1所述的电容传感器，还包括置于所述外壳中的第一电互连。
48.权利要求47所述的电容传感器，还包括用于将所述第一板上的所述第二导电层连接到所述第一电互连的第二电互连。
49.权利要求48所述的电容传感器，还包括用于将所述膜片上的所述第一导电层连接到所述第一电互连的第三电互连。
50.权利要求1所述的电容传感器，其中电容代表压力。
51.权利要求1所述的电容传感器，其中所述电容代表所述腔体和所述外壳的外部之间的压力差。
52.权利要求1所述的电容传感器，还包括置于所述膜片上的检测质量，用于响应于加速度而改变所述膜片相对于所述板的位置。
53.权利要求1所述的电容传感器，其中所述第二导电层包括导电间隔件，用于减小所述第一导电层和所述第二导电层之间的间隔距离。
54.权利要求1所述的电容传感器，其中响应于外力，所述电容随着所述膜片相对于所述板的所述位置而改变。
55.权利要求1所述的电容传感器，还包括所述腔体内的第二板。
56.权利要求55所述的电容传感器，其中所述第二板包括电气子系统。
57.权利要求56所述的电容传感器，其中所述电气子系统将所述电容转换为一个或多个电信号。
58.权利要求56所述的电容传感器，其中所述电气子系统测量所述电容。
59.权利要求56所述的电容传感器，其中所述电气子系统包括用于发送代表所述电容的所述一个或多个信号的发射机。
60.权利要求59所述的电容传感器，还包括响应于所述一个或多个信号的天线。
61.权利要求56所述的电容传感器，还包括用于接收启动信号的接收机。
62.权利要求56所述的电容传感器，其中所述电气子系统测量所述子系统附近的温度。
63.权利要求62所述的电容传感器，其中所述电气子系统发送代表所述温度的一个或多个信号。
64.权利要求56所述的电容传感器，其中所述电气子系统管理所述电气子系统的功耗。
65.权利要求56所述的电容传感器，其中所述电气子系统包括用于允许所述子系统将被外部询问的询问装置。
66.权利要求56所述的电容传感器，其中所述电气子系统接收外部命令以管理所述子系统的功耗。
67.权利要求55所述的电容传感器，其中所述第二板包括一个或多个传感器。
68.权利要求67所述的电容传感器，其中所述一个或多个传感器选自包括加速度传感器、温度传感器以及运动传感器的组。
69.权利要求68所述的电容传感器，其中所述第一板和/或所述第二板还包括用于发送所述一个或多个传感器的一个或多个输出信号的发送装置。
70.权利要求55所述的电容传感器，其中所述第二板置于所述第一板的顶面上。
71.权利要求55所述的电容传感器，其中所述第二板与所述第一板横向分隔。
72.权利要求1所述的电容传感器，还包括形成与所述第一板分隔的部分所述腔体的第二膜片。
73.权利要求72所述的电容传感器，还包括所述第二膜片上的第三导电层。
74.权利要求73所述的电容传感器，还包括所述第一板上的第四导电层，所述第三和第四导电层是所述第二电容器的电极，该第二电容器的电容随着所述第二膜片相对于所述第一板的位置而改变。
75.权利要求1所述的电容传感器，还包括具有第四导电层的第二板和具有形成与所述第二板分隔的部分所述腔体的第三导电层的第二膜片。
76.权利要求75所述的电容传感器，其中所述第二板上的所述第四导电层和所述第二膜片上的所述第三导电层形成第二电容器，该第二电容器的电容随着所述第二膜片相对于所述第二板的位置而改变。
77.权利要求72所述的电容传感器，其中所述第一膜片置于所述外壳的顶面附近，而所述第二膜片位于所述外壳的底面附近。
78.权利要求72所述的电容传感器，其中所述第一和第二膜片在所述外壳上横向隔开。
79.权利要求75所述的电容传感器，其中所述第一膜片和第一板位于所述外壳的顶面附近，所述第二膜片和所述第二板位于所述外壳的底面附近。
80.权利要求75所述的电容传感器，其中所述第一板和所述第一膜片以及所述第二板和所述第二膜片在所述外壳内横向隔开。
81.权利要求74所述的电容传感器，其中每个所述第一和第二膜片可能遭受不同的压力，使得所述第一电容器的电容代表所述腔体和施加到所述第一膜片的压力之间的压力差，而所述第二电容器的电容代表所述腔体和施加到所述第二膜片的压力之间的压力差。
82.权利要求76所述的电容传感器，其中每个所述膜片可能遭受不同的压力，使得所述第一电容器的电容代表所述腔体和施加到所述第一膜片的压力之间的压力差，而所述第二电容器的电容代表所述腔体和施加到所述第二膜片的压力之间的压力差。
83.权利要求81所述的电容传感器，其中所述第一电容器的所述电容和所述第二电容器的所述电容相减以确定压力差。
84.权利要求82所述的电容传感器，其中所述第一电容器的所述电容和所述第二电容器的所述电容相减以确定压力差。
85.一种电容传感器，包括：
具有密封腔体的外壳；
所述腔体中的板；
形成一部分所述腔体并与所述板隔开的导电膜片；以及
所述板上的导电层，所述导电膜片和所述板上的导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着所述导电膜片相对于所述板的位置而变化。
86.一种电容传感器，包括：
具有密封腔体的外壳；
所述腔体中的导电板；
形成一部分所述腔体并与所述导电板隔开的膜片；以及
所述膜片上的导电层，所述膜片上的所述导电层和所述导电板是电容器的电极，该电容器的电容随着所述膜片相对于所述板的位置而变化。
87.一种电容传感器，包括：
具有密封腔体的外壳；
所述腔体中的导电板；以及
形成一部分所述腔体并与所述导电板隔开的导电膜片，所述导电膜片和所述导电板是电容器的电极，该电容器的电容随着所述膜片相对于所述板的位置而变化。
88.一种电容传感器，包括：
具有密封腔体的外壳；
所述腔体中的板；
形成一部分所述腔体并与所述板隔开的膜片；
所述膜片上的第一导电层；以及
所述板上的第二导电层，所述第一和第二导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着响应于外力所述膜片相对于所述板的位置而变化。
89.一种电容传感器，包括：
具有密封腔体的外壳；
所述腔体中的多个板；
形成一部分所述腔体并与所述多个板隔开的膜片；
所述膜片上的第一导电层；以及
所述多个板上的一个或多个第二导电层，所述第一导电层和所述一个或多个第二导电层是一个或多个电容器的电极，该一个或多个电容器的电容随着所述膜片相对于所述一个或多个板的位置而变化。
90.一种电容传感器，包括：
具有密封腔体的外壳；
所述腔体中的板；
形成一部分所述腔体并与所述板隔开的多个膜片；
所述多个膜片上的一个或多个第一导电层；以及
所述板上的一个或多个第二导电层，所述一个或多个第一导电层和所述第二导电层是一个或多个电容器的电极，该一个或多个电容器的电容随着所述多个膜片相对于所述板的位置而变化。
91.一种电容传感器，包括：
具有密封腔体的外壳；
所述腔体中的多个板；
形成一部分所述腔体并与所述多个板隔开的多个膜片；
所述多个膜片上的一个或多个第一导电层；以及
所述多个板上的一个或多个第二导电层，所述一个或多个第一导电层和所述一个或多个第二导电层是一个或多个电容器的电极，该一个或多个电容器的电容随着所述多个膜片相对于所述多个板的位置而变化。
92.一种电容传感器，包括：
具有密封腔体的外壳；
所述腔体中的集成电路管芯；
形成一部分所述腔体并与所述集成电路管芯隔开的膜片；
所述膜片上的第一导电层；
所述管芯上的第二导电层，所述第一和第二导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着所述膜片相对于所述管芯的位置而变化以确定压力；以及
所述管芯上的信号调节电路，用于将所述电容转换为代表所述压力的电信号。
93.权利要求92所述的电容传感器，其中所述管芯包括用于无线传送代表所述压力的信号的装置。
94.权利要求92所述的电容传感器，其中所述系统安装于车胎内用于测量所述胎内部的压力。
95.一种电容传感器，包括：
具有密封腔体的外壳；
所述腔体中的板；
形成一部分所述腔体并与所述板隔开的膜片；
所述膜片上的第一导电层；
所述板上的第二导电层，所述第一和第二导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着所述膜片相对于所述板的位置而变化；以及
所述膜片上设置的检测质量，其中所述膜片响应于施加的力的位置变化通过所述检测质量的存在而被放大，以提高所述传感器的灵敏度。
96.权利要求95所述的电容传感器，其中所述施加的力是由于加速度。
97.权利要求95所述的电容传感器，其中所述施加的力是离心力。
98.一种制造电容传感器的方法，该方法包括：
提供具有密封腔体的外壳；
用与板隔开的膜片形成所述腔体的外壳的一部分；
在所述膜片上形成第一导电层；
在所述板上形成第二导电层，所述第一和第二导电层是电容器的电极，该电容器的电容随着所述膜片相对于所述板的位置而变化；
将所述板置于所述腔体内；以及
密封所述腔体。
99.权利要求98所述的方法，还包括在所述膜片上设置检测质量的步骤。
100.一种测量外力的方法，该方法包括：
将待测量的力暴露于与具有第二导电层的密封腔体中的板隔开的具有第一导电层的膜片；以及
测量由于所述膜片的第一导电层相对于所述板上的第二导电层的位置的电容，该电容代表施加到所述膜片的所述力。
101.权利要求100所述的方法，其中所述力包括压力。
102.权利要求100所述的方法，其中所述力包括加速度。
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