CN2210389Y - 单面差动结构线性化硅电容压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种单面差动结构线性化硅电容压力传感器，包 括封装在上玻璃盖板和下玻璃极板间的两电容及与 其相配合的接口电路，其中采用硅片制成的硅电容极 板加工有Si3N4薄膜的两端，均位于下玻璃极板的 同一侧，构成力学结构完全相同的受压可动电容C1、 C2，电容C1的下腔与电容C2的上腔相连通，电容 C1的上腔与电容C2的下腔相连通。它容易制造， 可有效解决现有技术中的输出非线性问题，进一步提 高压力测量精度，显著提高输出灵敏度。

Description

本实用新型涉及一种力敏传感器，特别是一种用于压力测量的单面差动结构线性化硅电容压力传感器。

现有传统型机械结构式电容压力传感器，已被应用很长一段时间。它是采用机械加工技术，不宜批量生产且体积较大的传统工业产品。小型化硅电容压力传感器则是近十年左右国际上日益发展起来的新型产品。主要是采用了微机械加工技术和集成电路工艺技术。它具有体积小、易于批量重复制造、低成本的优点，同时保持了电容传感器的高灵敏度、低温度系数和高稳定性的优良品质。但是影响硅电容压力传感器推向商品化的一大阻碍是其固有的传感非线性机制。虽然非线性可以用后部电路或在微处理器上给予补偿，但其小体积、低成本的优势将被削弱；如非线性有分散性而需逐支补偿，则批量生产效率将极大降低。图1为现有国外大多采用的硅电容压力敏感结构的截面示意图。结构中一般都包括有一个感压电容和一个固定的参考电容。参考电容是用来抵消感压电容受温度等影响带来的漂移效应。这里设感压电容和参考电容分别为Ca和Cb，无压力作用时两电容间距都为do，极板面积为A，受压力P作用时，感压电容极板移动距离为△d。为实现信号读出，图2显示了目前电容式传感器普遍采用的二极管桥式解调接口电路的电路原理图。根据接口公式：

Vout＝2（Vp－Vd）· (Ca－Cb)/(Ca＋Cb)

其中Vp为激励电源幅值，Vd为二极管正向导通压降。

这里电容表达为：

Ca＝∫_A(ε·dA)/(do-△d(x·y))

Cb＝ (A)/(do)

其中    为电容价电常数，△d（xy）为电容膜片上各点的挠距，各点的△d（x    y）与压力P成正比，但各点的△d（x    y）各不相同，经过数学推导可以看出输出的非线性十分大（可变的电容C1在公式的分子和分母中同时出现），众多产品给出的实现非线性都达到了±10％F    S到±20％F    S以上。这样的输出是不能直接应用的。80年代后期国外曾提出过一种方法，在理论上可大大降低非线性。但它需配以由CMOS运算放大器构成的复杂的接口电路形式，其中也用到了模拟开关。由于CMOS型开关和运算放大器的诸多寄生电容的参与作用，使这种技术在实际中无法达到理论上消除非线性的目的。故该种方法至今无法生产出可以实际应用的产品。因此，现有各种技术都难以解决非线性输出问题。

本实用新型的目的是提供一种单面差动结构线性化硅电容压力传感器，它容易制造，可有效解决现有技术中的输出非线性问题，进一步提高压力测量精度，显著提高输出灵敏度。

本实用新型的目的是这样实现的：该装置包括封装在上玻璃盖板和下玻璃极板间的两电容及与其相配合的接口电路，其中采用硅片制成的硅电容极板加工有Si3N4薄膜的两端，均位于下玻璃极板的同一侧，构成力学结构完全相同的受压可动电容C1、C2，电容C1的下腔与电容C2的上腔相连通，电容C1的上腔与电容C2的下腔相连通。

由于本实用新型采用具有单面差动式结构的硅电容，力学结构完全相同的两电容的各封闭上腔或下腔，分别通过互不相通的通道交叉连通，所以可使两电容C1、C2在压力作用下，一个增大，则另一个减小，其变化量的绝对值相同，可使其相互抵消来自诸如温度变化和结构应力以及测量振动等因素对测量精度的影响，实现片上自补偿。因此，电容变化量与压力成正比，其被接口电路普通二极管桥式解调电路所输出的直流电压与压力呈线性关系，从而有效解决了现有技术中的输出非线性问题。由于这种单面差动式结构的力学结构完全相同的两个电容都对压力敏感，故灵敏度较现有技术的电容元件提高一倍。

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1是现有技术传感器的结构示意图。

图2是普通接口电路二极管桥式解调电路的结构原理图。

图3是本实用新型一种具体结构示意图。

图4是图3卸除上玻璃盖板的俯视图。

根据图1－4详细说明本实用新型的具体结构。该装置是在现有硅电容压力传感器结构基础上改进的。它包括封装在上玻璃盖板 2和下玻璃极板1间的电容C1、C2及与其相配合的接口电路。其中接口电路采用普通类型由D1－D4组成的二极管桥式解调电路。采用n型（100）晶面硅片，以各向异性腐蚀工艺制作硅电容凹腔及连接通道和电极引线通道，于硅电容极板8的同一侧端面上，按要求加工Si3N4薄膜3、7。利用加工有压力通孔4的上玻璃盖板2和设置有金属化薄膜电容固定极板的硼硅酸玻璃板制成的下玻璃极板1，与硅电容极板8封装在一起。硅电容极板凹腔分别与上玻璃盖板2构成上腔5、6，与下玻璃极板1构成下腔10、11。其中带有Si3N4薄膜3、7的硅电容极板8与带金属化薄膜的电容固定极板间构成电容12（C1）、9（C2）。电容C1、C2是两个力学结构完全相同的受压可动电容，并且C1的下腔11由通道13与C2的上腔相连通，C1的上腔5由通道14与2的下腔10相连通，两通道13、14互不相通。测压时，压力经通孔4进入C1上腔5，经通道14进入C2的下腔10。由于两电容C1、C2的力学结构相同，所以在压力作用下C1硅极板向下移动△d，与此同时C2硅极板向上移动△d，电容的变化被接至二极管桥式解调电路后输出为：

Vout＝2（Vp－Vd）·（C1－C2）／（C1＋C2）＝2（Vp－Vd） (Aε／（do－△d）－Aε／（do＋△d）)/(Aε／（do－△d）＋Aε／（do＋△d）) ＝2（Vp－Vd）·△d／d。

因为△d与压力成正比，所以输出直流电压与压力呈线性关系。 同时，由于两电容都对压力敏感，故灵敏度比现有技术提高了一倍。

利用本实用新型与现有技术的压力传感器在输出线性度测量数值上进行了比较。结果表明线性度从±10％F·S－±20％F·S，提高到±0.9％F·S。由此可见，该装置为提高测量精度所提供的技术先进性。另外，由于灵敏度提高一倍，也使测量分辩能力得以显著提高。

Claims (3)

1、一种单面差动结构线性化硅电容压力传感器，包括封装在上玻璃盖板和下玻璃极板间的两电容及与其相配合的接口电路，其特征是采用硅片制成的硅电容极板加工有Si3N4薄膜的两端，均位于下玻璃极板的同一侧，构成力学结构完全相同的受压可动电容C1、C2，电容C1的下腔与电容C2的上腔相连通，电容C1的上腔与电容C2的下腔相连通。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征是分别连接电容上、下腔的通道，互不相通。

3、根据权利要求1所述的传感器，其特征是所用接口电路为二极管桥式解调电路。

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