具有電容聯接源電極的壓力轉換器的制作方法
本申請要求于2014年1月16日遞交的、申請號為No.14/157 235、題為“具有電容聯接源電極的壓力轉換器”的美國專利申請的優先權，所述專利申請的全部內容通過引用并入本文。
背景技術：
電容壓力轉換器將施加到其隔膜的壓力的變化轉換成相應的電容變化，以使得能夠進行壓力測量。在隔膜的后面是具有平行偏置導電板的壓力腔，該平行偏置導電板組成可變的電容以檢測由膜片上施加的壓力導致的應變，其中一個平行偏置導電板相對于隔膜處于固定的位置，而另一個附著在隔膜上。
典型的壓力傳感器包括兩個主要部分：(i)受壓力變化影響的元件，如電容壓力轉換器，和(ii)電子器件，有時被稱為信號調節器，用于提供調制的電信號至電容壓力轉換器，并且用于檢測由電容壓力轉換器根據壓力變化在調制信號上施加的影響。
典型的電容壓力轉換器使用金屬、陶瓷或硅隔膜，一個平行偏置導電板附連到該隔膜上。另一板附連到對壓力變化不敏感的基底上。壓力變化引起隔膜彎曲，從而改變平行偏置導電板之間的距離，引起可測量的電容變化。這個變化可能是或不是線性的，并且通常不超過50-100pF總電容中的幾皮法。電容的這個變化可以用于控制振蕩器的頻率或用于改變AC信號的耦合。用于信號調節的電子器件通常靠近轉換元件，防止由于雜散電容造成的誤差。
技術實現要素：
本發明的示例實施例是包括基底、隔膜和間隔器的電容壓力轉換器，基底上具有傳感電極和耦合(源)電極，隔膜上具有隔膜電極，間隔器位于基底與隔膜之間。間隔器提供傳感電極與隔膜電極之間的腔，并且形成耦合電極與隔膜電極之間的固定電容間隙和傳感電極與隔膜電極之間的動態電容間隙。耦合電極和隔膜電極一起限定了耦合電容，并且傳感電極和隔膜電極一起限定了傳感電容，其中隔膜上的壓力變化引起傳感電容相應的變化。耦合電極、隔膜電極和傳感電極一起形成電路，該電路可以建模為兩個串聯的電容器。電極可以是定位為形成平行板電容器的導電板電極。
傳感電極和耦合電極可以布置為同中心的樣式，并且耦合電極可以布置在傳感電極外，使得耦合電極至少部分地圍繞傳感電極。
在本發明的一個實施例中，間隔器位于耦合電極之上。間隔器可以是介電材料，如玻璃，放置在耦合電極之上以增加耦合電極與隔膜電極之間的電容。在替代實施例中，介電材料可以放置在耦合電極之上，并且間隔器不位于耦合電極之上。
在另一實施例中，耦合、隔膜和傳感電極分別形成具有兩個電容器的串聯電容器電路，該串聯電容器電路具有約等于傳感電容的等效電容。耦合電容可以至少比傳感電容大三倍，或耦合電容可以替代地至少比傳感電容大五倍，以減小由于電容耦合造成的傳感信號振幅損失量。
在示例實施例中，隔膜電容不與基底上的電極引線進行物理電接觸。
在另一實施例中，電容壓力轉換器由與耦合電極電通信的調制信號源驅動，調制信號源通過耦合電極電容使隔膜電極通電。調制信號源可以輸出100kHz到1MHz之間或適于驅動特定電極構造的其它頻率范圍的AC信號。
在另一實施例中，電容壓力轉換器與信號調節器電通信以接收來自傳感電極的電傳感信號。信號可以包括調制信號源。信號調節器可以提高應用到電傳感信號的增益，以補償由于隔膜電極的電容激勵相比于隔膜電極的物理接觸激勵導致的靈敏度損失。
本發明的另一示例實施例是轉換壓力的方法，包括將耦合電極與隔膜電極電容耦合和將傳感電極與隔膜電極電容耦合，使具有隔膜電極的隔膜響應于壓力變化偏轉，該壓力變化和與隔膜壓力連通的流體相關聯，并且根據隔膜偏轉調制傳感電容。耦合電極和隔膜電極形成具有耦合電容的耦合電容器，并且傳感電極和隔膜電極形成具有傳感電容的傳感電容器。另一實施例包括通過串聯電容器電路使傳感電極通電，串聯電容器電路包括耦合電容器和傳感電容器，串聯電容器電路具有約等于傳感電容的等效電容。
在另一實施例中，使隔膜響應于與流體相關聯的壓力變化偏轉包括借助間隔器保持隔膜遠離基底的間隔，所述間隔器限定所述隔膜的內表面與基底之間的間隙距離，和響應于與流體相關聯的壓力變化改變間隙距離。
在另一實施例中，借助間隔器保持隔膜遠離基底的間隔還包括借助由介電材料制成的間隔器增大耦合電容。
由于排除了裝配過程中的所有旋轉對齊要求，具有電容耦合的耦合(源)電極的壓力轉換器更容易制造，并且比采用物理連接到隔膜電極的轉換器更耐用，因為裝配沒有使用焊料或導電環氧樹脂或其它附連材料，從而排除了那些材料的關聯失敗模式。
本發明的另一示例實施例是制造電容壓力轉換器的方法，包括將耦合電極和傳感電極附著到基底表面，將間隔器附著到基底和隔膜的內表面，和形成具有傳感電容器和耦合電容器的串聯電容器電路，間隔器保持隔膜遠離基底的間隔和限定所述隔膜的內表面與基底之間的間隙距離。傳感電容器包括傳感電極和隔膜電極，并且耦合電容器包括耦合電容器和隔膜電極。
附圖說明
如在附圖中說明的，從本發明示例實施例的以下更詳細描述，上述將更清晰，在附圖中，相同的參考標記遍及不同視圖表示相同的部分。附圖不一定是按比例的，相反重點放在說明本發明的實施例上。
圖1A和1B分別是根據本發明的實施例的電容壓力轉換器的透視和側視圖。
圖2A和2B是具有本發明的實施例的元件的壓力轉換器的導電板電極的示意圖。
圖3A和3B是依據本發明的實施例的示例壓力傳感器的電路圖。
圖4是具有本發明的實施例的柴油發電機的示意圖。
具體實施方式
以下是本發明的示例實施例的說明
圖1A和1B分別是根據本發明的實施例的電容壓力轉換器的實施例的透視和側視圖。電容壓力轉換器100包括由小內部間隙123分開的剛性基底120和柔性隔膜110。間隙由用于連結隔膜110至基底120的間隔器130形成。電極引線121、122提供電連接至隔膜110上的導電板電極141和基底120上的導電板電極142。導電板電極141、142形成平行板電容器，如圖1B所示。當隔膜110暴露于流體中時，由于流體中的壓力變化，柔性隔膜110發生偏轉。導電板電極141、142之間的間隙123距離相應于隔膜110的偏轉而變化，并且平行板電容器的電容作為間隙123距離的函數變化。
圖2A和2B是本發明的實施例的圖。該實施例使電容壓力轉換器和相應的方法能夠消除基底上的電極引線與隔膜上的導電板電極之間的物理電連接，通過減小的對齊要求使得裝配變得更容易，并且提高長期的耐久性和可靠性。
參考圖2A和2B，示出了具有間隔器230的基底組件201。間隔器230構造為使隔膜組件202結合到基底組件201以形成電容壓力轉換器，并且提供剛性基底220與柔性隔膜210之間的間隙。間隔器230通常是非導電材料，如玻璃，其在高溫下融化以產生基底220與隔膜210之間氣密的連結。
基底組件201具有包括三個電極引線221、222、223的基底220。
耦合(源)電極引線221連接到耦合(源)導電板電極250以形成具有圖2B的隔膜組件202的隔膜導電板電極241的耦合(源)電容器(Cc)。
傳感電極引線222連接到放置于基底220中心的傳感導電板電極242，并且形成具有圖2B的同一隔膜組件202的隔膜導電板電極241的可變壓力傳感電容器(Cp)。
參考電極引線223連接到靠近基底220外徑的外圍參考導電板電極243，并且形成具有圖2B的隔膜導電板電極241的非可變參考電容器(Cr)。
壓力傳感電容器(Cx)的電容值通常在皮法(10-12F)范圍內，并且通過以下等式給出：
C＝(ε*A)/d,
其中ε是間隙中的介質(通常為空氣)的介電常數，“A”是重疊的電極的面積，并且“d”是電極之間的距離或間隙。
電容壓力傳感器通過施加隨時間變化或交替的電壓或電流到電極以使壓力傳感轉換器電極通電來工作。電容器對于隨時間變化的電信號作為低阻抗導體。另一個電容器(Cc)可以與壓力傳感電容器(Cp)和參考電容器(Cr)串聯連接，如果增加的電容器(Cc)相比于傳感電容器(Cp)具有顯著更高的值，則從阻抗角度沒有顯著改變組合電路在電學上將看到的總電容值。
本發明的實施例利用的原理是，假如增加的電容器具有顯著更高的值，則與傳感電容器(Cp)比較，耦合電容器(Cc)可以與Cp和Cr電容器串聯連接以替代物理連接，而沒有顯著改變組合電路具有的總電容值。這表示在以下的電路方程中：
如果Cc》Cp,則
以上所示的兩個串聯連接的電容器的電容通過以下給出：
如果Cc>>Cp
相同的方程適用于Cr。
繼續參考圖2A和2B，隔膜導電板電極241使用上述原理激勵傳感電容器(Cp)，并且可選地激勵參考電容器(Cr)，而不需物理連接到隔膜210上的隔膜導電板電極241。傳感電容器(Cp)的激勵通過增加與Cp和Cr電容器串聯的耦合電容器(Cc)進行。耦合導電板電極250被添加到基底220，并且通過延伸在隔膜210上的隔膜導電板電極241的直徑以重疊基底220上的耦合導電板電極250，實現了第三耦合電容器Cc。因為這種方法消除了隔膜210上的接觸墊的需要，所以這種方法消除了將隔膜310旋轉對齊到基底220的需要。
此外，耦合導電板電極250可以印刷在玻璃間隔器230下的區域內。典型的玻璃間隔器230的介電常數在4到10之間，顯著高于空氣的介電常數1.0006，并且玻璃間隔器的存在產生了耦合電容器Cc，其值顯著高于電極之間不存在額外的介電材料(如玻璃)的相同電容器。這對傳感電容器Cp和參考電容器Cr都是正確的。當在耦合電容器Cc中使用玻璃間隔器時，取決于考慮哪個電路，觀察串聯連接的耦合電容器Cc和傳感電容器Cp或參考電容器Cr的電子裝置看到的整體電容是接近原始的Cp或Cr電容的整體電路電容。
圖3A和3B是依據本發明的實施例的圖3A和3B的電容壓力傳感器的電路圖。圖3A是圖2A和2B的電容壓力轉換器201、202的示意圖，而圖3B是圖3A重新布置的圖，以示出隔膜導電板341電極怎樣與基底上的電極引線361、362和363物理分離。
圖3A中，信號源360提供施加到電極引線361、362和363的隨時間變化或交替的電壓(或電流)(Vm)。
信號(Vm)可以在100kHz到1MHz之間，或可以是施加到所使用的特定電容構造的其它頻率。信號通過電容連接350用隔膜導電板電極341提供的。因為電容器對于隨時間變化的電信號是低阻抗導體，所以可以測量隔膜導電板電極341與傳感器導電板電極342(即Cp電容器)之間的電容變化。
繼續參考圖3A和3B，參考電容器在隔膜導電板電極341與參考導電板電極343(Cr電容器)之間形成，并且如本領域已知的，可以被包括和構造為或使用以校正影響Cc和Cp電容器兩者的電磁干擾或溫度影響。由電容連接350造成的任何信號增益損失可以通過信號調節器361校正，該信號調節器361提供具有根據Cc和Cp電容器的電容而增加的增益的輸出信號362。作為增益增加的函數的噪音增加不顯著，并且具有電容耦合源電極的壓力轉換器減少制造和增加可靠性的益處喜歡傳感信號噪音中的任何小增加。
圖4是具有依據本發明實施例的圖2A和2B的壓力轉換器的柴油內燃發動機400的圖。本發明的特征適用于包括隔膜和基底的并且在基底和隔膜上使用一個或多個電極的任何電容壓力傳感器。諸如這些的電容壓力傳感器用于汽車、航空航天、工業、醫療或其它應用中。電容壓力傳感器的典型應用是在柴油發電機400中，在該柴油發電機中，來自具有本發明實施例的電容壓力傳感器410的壓力信號411用于測量發動機的工作流體413的壓力。
在圖4中，電容壓力傳感器410與排氣歧管420流體連通。電容壓力傳感器410提供壓力信號411(通常在0.5伏到4.5伏之間)到發動機控制器499。發動機控制器499使用壓力信號411作為用于控制與節氣門子系統402的電通信401的反饋。
在電容壓力傳感器410中，陶瓷隔膜的使用允許電容壓力傳感器410的電容轉換器與排氣歧管420中的流體413直接壓力連通，而在電容壓力傳感器410中無需壓力傳遞流體(例如油)來保護隔膜。
雖然本發明已參考其示例實施例特別示出和說明，但是本領域技術人員將理解可以做出形式和細節上各種變化，而不脫離權利要求涵蓋的本發明的范圍。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！