CN209355951U - 一种电容传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电容传感器，包括感测膜、背极板以及用于支撑感测膜和背极板的基板，感测膜包括用于接收外部信号而振动的振动部和环设于振动部外周以用于与基板连接的安装部，振动部和安装部之间设有通孔，背极板包括与振动部相对设置形成电容的主体部和从主体部朝向基板延伸的延伸部，延伸部穿过通孔后与基板连接。本实用新型的电容传感器，通过设置感测膜包括振动部和安装部，背极板包括主体部和延伸部，主体部与振动部相对设置且与其配合形成电容，振动部和安装部之间设有通孔，延伸部穿过通孔后与基板连接，这样将振动部作为感测区域，而振动部又是感测膜的高位移量区域，因此提高了电容传感器的灵敏度。

Description

一种电容传感器

技术领域

本实用新型涉及微机电技术领域，尤其涉及一种电容传感器。

背景技术

MEMS电容式传感器通常为一感测膜搭配一背极板，形成两平行板电容板结构用于感测振动或者压力变化。感测膜与背极板重合部位会产生电容讯号即初始电容，其与在受外力变形后的电容讯号相减即得到感测灵敏度。灵敏度越高，MEMS电容式传感器就能感测到更微弱的信号，但现有MEMS电容式传感器普遍存在灵敏度低的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种电容传感器，用以解决现有MEMS电容式传感器灵敏度低的问题。

本实用新型的目的采用如下技术方案实现：

一种电容传感器，包括感测膜、背极板以及用于支撑所述感测膜和所述背极板的基板，所述感测膜包括用于接收外部信号而振动的振动部和环设于所述振动部外周以用于与所述基板连接的安装部，所述振动部和所述安装部之间设有通孔，所述背极板包括与所述振动部相对设置形成电容的主体部和从所述主体部朝向所述基板延伸的延伸部，所述延伸部穿过所述通孔后与所述基板连接。

进一步地，所述延伸部包括与所述主体部连接并向所述振动部延伸的第一连接件、与所述基板连接并向所述振动部延伸的第二连接件以及连接于所述第一连接件与所述第二连接件之间的第三连接件，所述第二连接件与所述基板之间绝缘。

进一步地，所述延伸部的数量与所述通孔的数量相同，且各所述延伸部沿所述主体部的周向均匀间隔设置，每个所述延伸部分别穿过相应所述通孔后与所述基板连接。

进一步地，所述感测膜还包括设于所述振动部与所述安装部之间的应力分散部，所述应力分散部设有若干用于释放应力的通槽，所述通孔设于所述应力分散部与所述振动部之间。

进一步地，所述感测膜还包括若干连接于所述应力分散部与所述振动部之间的连接部，相邻两所述连接部与所述应力分散部和所述振动部共同围合形成一所述通孔。

进一步地，定义所述振动部的振动方向为所述电容传感器的轴向，所述背极板之所述主体部与所述感测膜之所述振动部正对，且所述主体部沿所述轴向在所述感测膜上的投影位于所述应力分散部的内侧。

进一步地，所述安装部的厚度大于所述应力分散部的厚度，所述应力分散部的刚性低于所述振动部的刚性。

进一步地，所述应力分散部包括若干个间隔设置的振动弹簧，每个所述振动弹簧的一端与所述连接部远离所述振动部的一端连接、另一端沿所述振动部的周向延伸至所述安装部。

进一步地，每个所述振动弹簧包括沿周向延伸的第一半簧和第二半簧，所述第一半簧远离所述第二半簧的一端与所述连接部连接，所述第一半簧与相邻两所述连接部及所述振动部共同围合形成一所述通孔，所述第二半簧远离所述第一半簧的一端与所述安装部连接，且所述第二半簧位于一相邻所述振动弹簧之所述第一半簧与所述安装部部之间，所述通槽包括设于所述第一半簧与一相邻所述振动弹簧之所述第二半簧之间的第一开槽。

进一步地，所述通槽还包括设于所述第二半簧与所述安装部之间的第二开槽，所述第二开槽的槽壁上设有防粘结构。

相比现有技术，本实用新型的电容传感器，包括感测膜、背极板和基板，感测膜包括振动部和安装部，振动部接收信号后可发生振动，安装部用于与基板连接，背极板包括主体部和延伸部，主体部与振动部相对设置且与振动部配合形成电容，振动部和安装部之间设有通孔，延伸部穿过通孔后与基板连接，这样将振动部作为感测区域，而振动部又是整个感测膜的高位移量区域，因此提高了电容传感器的灵敏度。

本实用新型的电容传感器，延伸部包括第一连接件、第二连接件及第三连接件，第一连接件与主体部连接，第二连接件与基板连接且与基板绝缘，第三连接件连接于第一连接件与第二连接件之间，这样，当背极板安装在基板上时，第二连接件和第三连接件会在振动部和基板之间形成一个声学防护墙，可防止低频声音泄露，从而拓宽了电容传感器的可辨识范围，提高了电容传感器感测的精确性。

本实用新型的电容传感器，通过在振动部和安装部之间设置应力分散部，应力分散部上设置有通槽，可以释放残余的应力，进一步提高了电容传感器的灵敏度。

本实用新型的电容传感器，通过在应力分散部与振动部之间设置连接部，相邻两个连接部与应力分散部和振动部围合形成一个通孔，避免了在应力分散部受到外力变形时将形变产生的力传递至振动部，提高了振动部的稳定性。

本实用新型的电容传感器，通过设置数量与通孔数量一致的延伸部，各延伸部沿主体部的周向均匀间隔设置，每个延伸部分别穿过一个通孔后与基板连接，因此增强了背极板安装在基板上的稳定性。

本实用新型的电容传感器，通过使背极板的主体部与感测膜的振动部正对，且主体部沿轴向在感测膜上的投影位于应力分散部的内侧，此种设计方式，在选取高位移量区域即振动部作为感测部的同时，减少了低位移量感测区域的面积，振动部的信号较为纯净，进一步提高电容传感器的灵敏度，也提高了电容传感器的线性输出特性。

本实用新型的电容传感器，应力分散部包括若干个间隔设置的振动弹簧，每个振动弹簧都包括沿周向延伸的第一半簧和第二半簧，第一半簧与连接部连接，第二半簧与安装部连接，第二半簧位于一相邻振动弹簧之第一半簧与安装部之间，且两者之间设有第一开槽，这样，相邻振动弹簧之间的连接部位较少，增强了应力分散部释放残余应力的效果。

本实用新型的电容传感器，第二半簧与安装部之间设有第二开槽，第二开槽的槽壁上设有防粘结构，防粘结构能使第二半簧与安装部粘接时自动分开。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的电容传感器的部分剖视图；

图2为本实用新型实施例提供的电容传感器未安装基板时的结构示意图；

图3为图2中所示感测膜与感测膜电极的装配示意图；

图4为图3中A处的局部放大示意图；

图5为图2中所示背极板与背极板电极的装配示意图；

图6为图5中所示延伸部的结构示意图。

图中：100、电容传感器；10、感测膜；20、背极板；30、基板；40、感测膜电极；50、背极板电极；11、振动部；12、连接部；13、应力分散部；14、安装部；15、通孔；21、主体部；22、延伸部； 31、音腔；211、声孔；221、第一连接件；222、第二连接件；223、第三连接件；131、振动弹簧；1311、第一半簧；1312、第二半簧；1313、第一开槽；1314、第二开槽；1315、防粘结构。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

需要说明的是，本实用新型实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后、内、外、顶部、底部……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件上时，该组件可以直接在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被称为“连接”另一个组件，它可以是直接连接另一个组件或者可能同时存在居中组件。

请参阅图1与图2，本实用新型实施例提供的一种电容传感器100，包括感测膜10、背极板20、基板30、感测膜电极40及背极板电极50，感测膜10与感测膜电极40电性连接，背极板20与背极板电极50电性连接，感测膜10与背极板20相对设置，感测膜10可感测外部压力，如声压即可发生上下振动，定义感测膜10的振动方向为电容传感器100的轴向，感测膜10振动后，其与背极板20之间的距离发生改变，两者之间的电容也一起跟着变化。基板30的材质在本实施例中优选为单晶硅但不局限于单晶硅，感测膜10的材质在本实施例中优选为多晶硅但不局限于多晶硅，感测膜10和背极板20的形状可以是圆形、椭圆形或者方形，在本实施例中优选为圆形。

请参阅图1与图3，感测膜10包括振动部11、若干连接部12、应力分散部13以及安装部14，相邻两个连接部12与振动部11和应力分散部13共同围合形成一个通孔15，各通孔15分别沿振动部11的周向间隔均匀分布，振动部11用于感测压力而振动，应力分散部13上设有通槽以用于释放和分散残余应力，以提高电容传感器100的灵敏度，连接部12连接在应力分散部13与振动部11之间，应力分散部13的外侧固定在安装部14的内侧，安装部14朝向基板30延伸，并与基板30固定连接，且安装部14的厚度大于振动部11、连接部12和应力分散部13的厚度，这样，将感测膜10固定在基板30上时，振动部11、连接部12及应力分散部13都会与基板30之间存在间隙，给其振动留出所需的空间。振动部11、连接部12、应力分散部13及安装部14在本实施例中为一体成型，并通过蚀刻工艺制成。

请参阅图1、图5与图6，背极板20包括主体部21和延伸部22，主体部21与振动部11正相对，且主体部21与振动部11之间的间距大于振动部11的振幅，延伸部22从主体部21朝向基板30延伸，延伸部22包括第一连接件221、第二连接件222及第三连接件223，第一连接件221与主体部21连接，第二连接件222与基板30连接，且与基板30绝缘，第二连接件222在本实施例中优选为通过绝缘材料制成，第三连接件223连接在第一连接件221与第二连接件222之间，三者都呈弧形，且第一连接件221、第三连接件223和第二连接件222在径向上的尺寸依次增大，第二连接件222在径向上的尺寸又小于通孔15在径向上的尺寸，且通孔15在径向上的尺寸优选为0.5μm~3μm，因此延伸部22穿过通孔15与基板30连接时，背极板20不会与感测膜10直接接触，而且由于延伸部22包括三部分，所以在将背极板20安装到基板30上时，第二连接件222和第三连接件223在会在振动部11与基板30之间构建出一环形的声学防护墙，可以避免应力分散部13上的通槽泄露低频声音的问题，从而拓宽了电容传感器100的可辨识范围，提高了电容传感器100感测的精确性。

请参阅图1、图3与图5，具体地，在本实施例中，延伸部22的数量与通孔15的数量相同且优选为八个，每个延伸部22穿过一个相应的通孔15后与基板30连接，这样，增强了背极板20的稳固性。可以理解地，延伸部22和通孔15的数量并不局限于八个，例如一个、两个或者其它个数也是可以的；而且当通孔15的数量不少于两个时，延伸部22的数量可以少于通孔15的数量。

请参阅图1与图3，基板30上设置有沿轴向贯穿基板30相对两侧的音腔31，音腔31位于振动部11的正下方，外部压力信号通过音腔31首先到达振动部11，因此振动部11产生的信号最纯净，为感测膜10的高位移量区域，连接部12、应力分散部13以及安装部14为感测膜10的低位移量区域，同时主体部21沿轴向在感测膜10上的投影位于应力分散部13的内侧，这样，在将振动部11作为感测区域的同时，减少了低位移量区域的感测面积，提高了电容传感器100的灵敏度。而且振动部11通过加厚膜层材料以增加振动部11的刚性，确保振动部11在感测外部声压的过程中不会产生挠曲形变，同时应力分散部13的刚性低于振动部11的刚性，且至少低10倍，因此振动部11会通过应力分散部13的形变在轴向上进行平移，而振动部11本身不会产生挠曲形变，从而提高感测膜10的感测性能，同时也提高了电容传感器100的线性输出特性。

请参阅图1与图2，背极板20的主体部21上设有若干沿轴线贯穿主体部21相对两侧的声孔211，若干声孔211呈蜂窝状排布，振动部11在振动时，会改变振动部11与主体部21之间的气压，此时空气可以通过声孔211进入背极板20与感测膜10之间的空隙或者从两者之间的空隙排出，有利于进一步提高电容传感器100的灵敏度。

请参阅图3与图4，应力分散部13由若干个间隔设置的振动弹簧131组成，在本实施例中振动弹簧131的数量优选为与连接部12的数量相同，每个振动弹簧131都包括沿振动部11的周向延伸的第一半簧1311和第二半簧1312，每个第一半簧1311一端与连接部12的一端连接，另一端沿弧形轨迹延伸至第二半簧1312，第二半簧1312远离第一半簧1311的一端延伸至安装部14的内侧，使振动弹簧131整体呈S形，有效防止了振动弹簧131因梯度应力而挠曲变形的问题，同时第二半簧1312位于一相邻振动弹簧131之第一半簧1311与安装部14之间，通槽包括设置在第一半簧1311与一相邻振动弹簧131之第二半簧1312之间的第一开槽1313和设置在第二半簧1312与安装部14之间的第二开槽1314，这样，相邻振动弹簧131之间的连接部位少，增强了应力分散部13释放和分散残余应力的效果。

请参阅图3与图4，第二开槽1314的槽壁上设有防粘结构1315，防粘结构1315包括设置在第二开槽1314一槽壁上的凸起和设置在另一槽壁上的凹陷，该凸起与凹陷对位设置，因此当振动弹簧131受外力变形使第二开槽1314的两个槽壁粘接在一起时，其可在防粘结构1315的作用下自动分开，提高了应力分散部13的可靠性。具体地，在本实施例中，防粘结构1315设有两个，进一步提高了防粘效果。可以理解地，防粘结构1315的数量并不局限于两个，例如一个或者多个也是可以的。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种电容传感器，包括感测膜、背极板以及用于支撑所述感测膜和所述背极板的基板，所述感测膜包括用于接收外部信号而振动的振动部和环设于所述振动部外周以用于与所述基板连接的安装部，其特征在于，所述振动部和所述安装部之间设有通孔，所述背极板包括与所述振动部相对设置形成电容的主体部和从所述主体部朝向所述基板延伸的延伸部，所述延伸部穿过所述通孔后与所述基板连接。

2.如权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述延伸部包括与所述主体部连接并向所述振动部延伸的第一连接件、与所述基板连接并向所述振动部延伸的第二连接件以及连接于所述第一连接件与所述第二连接件之间的第三连接件，所述第二连接件与所述基板之间绝缘。

3.如权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述延伸部的数量与所述通孔的数量相同，且各所述延伸部沿所述主体部的周向均匀间隔设置，每个所述延伸部分别穿过相应所述通孔后与所述基板连接。

4.如权利要求1或2所述的电容传感器，其特征在于，所述感测膜还包括设于所述振动部与所述安装部之间的应力分散部，所述应力分散部设有若干用于释放应力的通槽，所述通孔设于所述应力分散部与所述振动部之间。

5.如权利要求4所述的电容传感器，其特征在于，所述感测膜还包括若干连接于所述应力分散部与所述振动部之间的连接部，相邻两所述连接部与所述应力分散部和所述振动部共同围合形成一所述通孔。

6.如权利要求4所述的电容传感器，其特征在于，定义所述振动部的振动方向为所述电容传感器的轴向，所述背极板之所述主体部与所述感测膜之所述振动部正对，且所述主体部沿所述轴向在所述感测膜上的投影位于所述应力分散部的内侧。

7.如权利要求4所述的电容传感器，其特征在于，所述安装部的厚度大于所述应力分散部的厚度，所述应力分散部的刚性低于所述振动部的刚性。

8.如权利要求5所述的电容传感器，其特征在于，所述应力分散部包括若干个间隔设置的振动弹簧，每个所述振动弹簧的一端与所述连接部远离所述振动部的一端连接、另一端沿所述振动部的周向延伸至所述安装部。

9.如权利要求8所述的电容传感器，其特征在于，每个所述振动弹簧包括沿周向延伸的第一半簧和第二半簧，所述第一半簧远离所述第二半簧的一端与所述连接部连接，所述第一半簧与相邻两所述连接部及所述振动部共同围合形成一所述通孔，所述第二半簧远离所述第一半簧的一端与所述安装部连接，且所述第二半簧位于一相邻所述振动弹簧之所述第一半簧与所述安装部部之间，所述通槽包括设于所述第一半簧与一相邻所述振动弹簧之所述第二半簧之间的第一开槽。

10.如权利要求9所述的电容传感器，其特征在于，所述通槽还包括设于所述第二半簧与所述安装部之间的第二开槽，所述第二开槽的槽壁上设有防粘结构。