一種梳齒電容式壓力傳感器的制造方法

一種梳齒電容式壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開一種梳齒電容式壓力傳感器，其特征在于：包括可動電極、固定電極、連接可動電極和固定電極的彈性絕緣連接件以及分別設置于可動電極和固定電極兩相對面上的多個梳齒電極，位于可動電極上的梳齒電極與位于固定電極上的梳齒電極相互平行地等間距交錯排列，形成多個梳齒電極對；且可動電極上的梳齒電極和固定電極上的梳齒電極分別按照高度梯度變化排列；相鄰梳齒之間的間距小于梳齒頂端到對面極板的距離的1/5。該壓力傳感器不僅具有較高的綜合靈敏度，而且通過對梳齒電極設計不同的梯度模型，可以調節出不同的電容?壓力關系曲線和靈敏度變化曲線，從而使得該種壓力傳感器適用范圍更廣，同時還具有可控、易控的靈敏度。
【專利說明】
一種梳齒電容式壓力傳感器
技術領域
[0001 ]本發明涉及電容式壓力傳感器，尤其涉及一種梳齒電容式壓力傳感器。
【背景技術】
[0002] 電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測壓力轉換為與之成一定關系 的電容信號輸出的壓力傳感器。其結構簡單，可以進行動態測量，廣泛應用于各種工作環 境。
[0003] 對于平行板電容式壓力傳感器，使用可移動導體作為電容的可動電極，固定導體 作為電容的固定電極，通常可動電極連接直流電源正極，固定電極連接直流電源負極。在可 移動導體即可動電極受到壓力時，兩電極產生上下相對位移，導致極板間距離改變，從而引 起傳感器輸出電容改變，通過外接電路檢測電容量變化，從而測出施加在壓力傳感器上的 壓力大小。在極板間的彈性介質的彈性模量恒定的條件下，極板間距變化量與施加在傳感 器上的壓力呈正比關系，傳感器輸出電容與極板間距呈反比關系。在極板面積和彈性介質 均不變的情況下，為了提高初始電容值，需要減小極板間距;在極板間距較小時，壓力的微 小變化將引起輸出電容的較大變化。可見，平行板電容式壓力傳感器的靈敏度在極板間距 較小時不易控制。
[0004] 為了增加電容的有效面積，提高初始電容值和傳感器的靈敏度，梳齒電極電容式 壓力傳感器是一種常用的方法。現有的梳齒電極電容式壓力傳感器是在平行板電容式電極 的基礎上，增加了若干相互平行交錯且等高的梳齒電極對，分別位于可動電極和固定電極 的相對面上。如此設計的電容式壓力傳感器，初始電容值增大，靈敏度有所提高，便于后續 電路測量。然而，此種電容式壓力傳感器在受到壓力而使上、下極板產生相對位移的過程 中，靈敏度始終保持不變。

【發明內容】

[0005] 本發明的主要目的在于提出一種梳齒電容式壓力傳感器，通過在上、下極板的相 對面上分別設計相互平行交錯且高度呈梯度排列的梳齒電極，使得該壓力傳感器不僅具有 較高的綜合靈敏度，而且通過對梳齒電極設計不同的梯度模型，可以調節出不同的電容-壓 力關系曲線和靈敏度變化曲線，從而使得該種壓力傳感器適用范圍更廣，同時還具有可控、 易控的靈敏度。
[0006] 本發明為達上述目的提出的技術方案如下：
[0007] -種梳齒電容式壓力傳感器，包括可動電極、固定電極、連接可動電極和固定電極 的彈性絕緣連接件以及分別設置于可動電極和固定電極兩相對面上的多個梳齒電極，位于 可動電極上的梳齒電極與位于固定電極上的梳齒電極相互平行地等間距交錯排列，形成多 個梳齒電極對;且可動電極上的梳齒電極和固定電極上的梳齒電極分別按照高度梯度變化 排列;相鄰梳齒之間的間距小于梳齒頂端到對面極板的距離的1/5。
[0008] 下面通過對比分析現有的具有等高式梳齒電極的電容式壓力傳感器（后述簡稱 "等高式傳感器"）的性能，來闡述本發明的有益效果：
[0009] 首先，由于相鄰梳齒之間的間距小于梳齒頂端到對面極板的距離的1/5,則極板間 垂直于極板方向上的電容可忽略不計，即傳感器的電容值主要取決于沿平行于極板方向緊 密排列的多個梳齒電極對的電容總和；
[0010] 對于等高式傳感器而言，每一對獨立的梳齒電極具有相同的輸入輸出特性，即：
[0011] 在式（1)中，Co表不一對梳齒電極的初始電容，ε〇為真空介電常數，er為相對介電常 數，1〇為一對梳齒電極內的兩個梳齒電極的初始重合高度，to為梳齒電極的厚度，do為相鄰 兩個梳齒的間距；
[0012] 當等高式傳感器的可動電極受到壓力F的作用時，彈性絕緣連接件受到的壓強(或 稱應力)〇n = F/Ao，Αο為彈性絕緣連接件與上、下極板連接處的接觸面積，則彈性絕緣連接件 受力后被壓縮的形變量為ση · g〇/E，go、E分別為彈性絕緣連接件的初始高度、彈性模量，初 始重合高度1〇受應力〇n = F/Ao的激勵變為V =lo+〇n · go/E，代入式（1)，得到受力后的輸入 輸出特性為：
[0014] 從式(2)可以看出，對等高式傳感器施加壓力，每個梳齒電極對的輸出電容C與所 受應力ση呈線性關系，其靈敏度S為：
[0015]
，其中AC為電容變化量，即AC = C'-C〇, Δση為應力變化 量。
[0016] 從式(3)可以看出，等高式傳感器的靈敏度僅與彈性絕緣連接件的初始高度go、初 始重合高度1〇有關，當一個等高式傳感器設計完成后(其go和1〇都已固定），則其靈敏度不會 再隨施加的壓力大小變化而變化。
[0017] 根據式(2)，等高式傳感器在受到壓力F后的總輸出電容為：
[0018]
(4)，n表示梳齒電極對的總對數。
[0019]而本發明的梯度式傳感器，在受力后的總輸出電容為：
[0021]式(5)中，各梳齒電極對具有不同的初始重合高度1Q1、1Q2、……、l Qn，而且初始時有 些電極對尚未重合，則這些電極對之間不存在初始電容，在正壓力作用下，隨著彈性絕緣連 接件的壓縮，兩極板間距減小，在壓縮過程中：初始時已具有重合面積的梳齒電極對繼續增 加重合面積，這些梳齒電極對的電容與壓力呈線性關系；初始時未重合的梳齒電極對逐步 產生重合，靈敏度隨著新重合梳齒電極對的增加而增加。同時，由于在此過程中才開始重合 的電極對，在剛開始重合時其電荷量在兩梳齒重合的相對面分布較高，電場強度較大，電容 瞬間增大，使得整體電容變化率出現較大幅度增長，從而傳感器靈敏度在此效應下得到顯 著提高。可見，梯度式傳感器的靈敏度在受力過程中是可變的、可調節的，并且由于電容-壓 力關系曲線是由梳齒高度的梯度模型所決定，對于每一特定的梯度模型，都具有其對應的 電容-壓力關系曲線，也能夠得出靈敏度隨壓力變化的關系曲線（即靈敏度變化曲線），這使 得本發明的傳感器能夠適用于更廣的范圍，尤其適用于使用過程中需要靈敏度有所變化的 環境中，用戶能夠根據實際使用需求(使用過程中靈敏度需要如何變化)設計出對應的梳齒 高度梯度變化模型，從而設計出特定需求的傳感器。
[0022] 優選地，所述可動電極為上極板，所述固定電極為下極板，所述彈性絕緣連接件用 于連接上、下極板的邊緣。
[0023] 優選地，所述多個梳齒電極包括第一梳齒電極組和第二梳齒電極組;所述第一梳 齒電極組垂直地設于上極板的下表面，包括多個相互平行且高度呈第一梯度排列的梳齒電 極;所述第二梳齒電極組垂直地設于下極板的上表面，包括多個相互平行且高度呈第二梯 度排列的梳齒電極;每個梳齒電極對均是由第一梳齒電極組內的一個梳齒電極和與之相鄰 的位于第二梳齒電極組內的一個梳齒電極構成，并且各梳齒電極對的兩個梳齒電極空氣絕 緣。
[0024] 優選地，所述第一梯度與所述第二梯度具有大小相同但方向相反的梯度模型。
[0025] 優選地，所述第一梯度與所述第二梯度具有完全相同的梯度模型。
[0026] 優選地，各梳齒電極的本體為絕緣材質，在表面沉積有導電金屬層。
[0027] 優選地，上、下極板的本體為絕緣材質，在上極板的下表面和下極板的上表面分別 沉積導電金屬層。
[0028] 優選地，上、下極板具有相同尺寸參數，各梳齒電極的長度與上、下極板的長度相 同。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發明優選實施方式提供的梳齒電容式壓力傳感器的主視圖；
[0030] 圖2是本發明的梳齒電極細節圖；
[0031 ]圖3是本發明的梳齒電容式壓力傳感器的俯視圖；
[0032] 圖4是現有的等高式梳齒電容壓力傳感器的輸入輸出特性仿真圖；
[0033] 圖5是本發明實施例1梯度式梳齒電容壓力傳感器的輸入輸出特性仿真圖；
[0034] 圖6是本發明實施例2梯度式梳齒電容壓力傳感器的輸入輸出特性仿真圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和優選的實施方式對本發明作進一步說明。
[0036] 說明：后文將本發明提供的傳感器稱為"梯度式傳感器"，將現有技術中的具有等 高梳齒電極的電容式壓力傳感器稱為"等高式傳感器"。
[0037] 本發明的【具體實施方式】提供一種梳齒電容式壓力傳感器，參考圖1和圖2,包括可 動電極10、固定電極20、連接可動電極10和固定電極20的彈性絕緣連接件30以及分別設置 于可動電極10和固定電極20兩相對面上的多個梳齒電極，位于可動電極10上的梳齒電極 11、12、13、~與位于固定電極20上的梳齒電極21、22、23、"_相互平行地等間距交錯排列，形 成多個梳齒電極對;且可動電極10上的梳齒電極和固定電極20上的梳齒電極分別按照高度 梯度變化排列；相鄰梳齒之間的間距do小于梳齒頂端到對面極板的距離的1/5(即兩極板之 間垂直于極板方向上的電容可忽略不計）。
[0038] 如圖1所示，在優選的方案中，可動電極10作為上極板，固定電極20作為下極板，彈 性絕緣連接件30用于連接上、下極板的邊緣。上、下極板可以為金屬板，也可以是絕緣材質， 但是在兩者相對的面上（即設置有梳齒的面)沉積導電金屬層;梳齒電極由于厚度to較薄 (幾十微米級），一般不直接采用金屬材質，而是采用非導電的材質然后在整個表面沉積導 電金屬層。
[0039] 如圖1至圖3所示，在一種具體的實施方式中，所述多個梳齒電極包括第一梳齒電 極組和第二梳齒電極組;所述第一梳齒電極組垂直地設于上極板的下表面，包括多個相互 平行且高度呈第一梯度排列的梳齒電極11、12、13、一；所述第二梳齒電極組垂直地設于下 極板的上表面，包括多個相互平行且高度呈第二梯度排列的梳齒電極21、22、23、一;每個梳 齒電極對均是由第一梳齒電極組內的一個梳齒電極和與之相鄰的位于第二梳齒電極組內 的一個梳齒電極構成，并且各梳齒電極對的兩個梳齒電極空氣絕緣。例如，梳齒電極11與梳 齒電極21構成一個梳齒電極對，梳齒電極12分別與梳齒電極21、22各形成一個梳齒電極對， 以此類推。使得在兩極板之間平行于極板的方向（水平方向）上形成多個緊密排列的梳齒電 極對，由于梳齒電極對內兩梳齒的間距很小，從而本發明的梯度式傳感器的電容值主要考 慮水平方向上梳齒電極對的電容之和。
[0040] 優選的方案中，上、下極板具有相同的尺寸參數，并且各梳齒電極的長度a與上 (下)極板的長度相同。
[0041 ] 實施例1
[0042]本實施例提供的梯度式傳感器的參數如下：上、下極板分別電連接+5V電源、GND (接地），上、下極板的初始間距即彈性絕緣連接件30的初始高度為75μπι，上極板長300μπι、寬 300μηι、厚度50μηι，下極板長300μηι、寬300μηι、厚度50μηι，各梳齒電極的長a = 300ym、厚度to = ΙΟμηι，第一組梳齒電極(位于上極板上）的高度(參考圖1，從左至右)呈梯度排列分別為50μ 111、48以111、46以111、44以111、42以111(在此僅列舉五個），第二組梳齒電極(位于下極板上）的高度(參考 圖1，從左至右）呈梯度排列分別42以111、44以111、46以111、48以1]1和5(^1]1的梳齒電極。當上極板受到正 壓力時，彈性絕緣連接件30被壓縮，引起極板間距減小即兩極板間產生相對位移。通過外接 電路檢測或者仿真得出輸出電容與極板相對位移之間的關系如圖5所示（由于極板相對位 移與壓力呈正比關系，因此圖5即可表征電容-壓力曲線關系，圖4和圖6也如此），綜合靈敏 度(在受力過程中，變化的靈敏度的平均值)為：
[0043]
。對比等高式傳感器的仿真結果圖4,靈 敏度為134%，可看出本實施例中利用反向梯度式梳齒分布設計能夠明顯地提高靈敏度，而 且在施加壓力的過程中，本發明的梯度式傳感器的靈敏度可以隨著新重合的梳齒電極對的 增加而增加，適用于需要靈敏度變化的特殊場合。由于梯度設計的模型是已知的，因此靈敏 度變化曲線是可推導出的，因此即便靈敏度較高且不斷變化，也是可控的。
[0044] 實施例2
[0045] 本實施例與實施例1的不同之處在于:上、下極板的梳齒電極高度梯度設計正好相 同（梯度模型與變化方向均相同），其余參數均相同。其仿真結果如圖6,綜合靈敏度為
，可看出此類梯度式傳感器的靈敏度相對于等高 式傳感器，也有所提高。
[0046]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的技術人員來說，在不脫 離本發明構思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應 當視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種梳齒電容式壓力傳感器，其特征在于:包括可動電極、固定電極、連接可動電極 和固定電極的彈性絕緣連接件以及分別設置于可動電極和固定電極兩相對面上的多個梳 齒電極，位于可動電極上的梳齒電極與位于固定電極上的梳齒電極相互平行地等間距交錯 排列，形成多個梳齒電極對;且可動電極上的梳齒電極和固定電極上的梳齒電極分別按照 高度梯度變化排列;相鄰梳齒之間的間距小于梳齒頂端到對面極板的距離的1/5。2. 如權利要求1所述的梳齒電容式壓力傳感器，其特征在于:所述可動電極為上極板， 所述固定電極為下極板，所述彈性絕緣連接件用于連接上、下極板的邊緣。3. 如權利要求2所述的梳齒電容式壓力傳感器，其特征在于:所述多個梳齒電極包括第 一梳齒電極組和第二梳齒電極組； 所述第一梳齒電極組垂直地設于上極板的下表面，包括多個相互平行且高度呈第一梯 度排列的梳齒電極； 所述第二梳齒電極組垂直地設于下極板的上表面，包括多個相互平行且高度呈第二梯 度排列的梳齒電極； 每個梳齒電極對均是由第一梳齒電極組內的一個梳齒電極和與之相鄰的位于第二梳 齒電極組內的一個梳齒電極構成，并且各梳齒電極對的兩個梳齒電極空氣絕緣。4. 如權利要求3所述的梳齒電容式壓力傳感器，其特征在于:所述第一梯度與所述第二 梯度具有大小相同但方向相反的梯度模型。5. 如權利要求3所述的梳齒電容式壓力傳感器，其特征在于:所述第一梯度與所述第二 梯度具有完全相同的梯度模型。6. 如權利要求3所述的梳齒電容式壓力傳感器，其特征在于:各梳齒電極的本體為絕緣 材質，在表面沉積有導電金屬層。7. 如權利要求6所述的梳齒電容式壓力傳感器，其特征在于：上、下極板的本體為絕緣 材質，在上極板的下表面和下極板的上表面分別沉積導電金屬層。8. 如權利要求3所述的梳齒電容式壓力傳感器，其特征在于：上、下極板具有相同尺寸 參數，各梳齒電極的長度與上、下極板的長度相同。
【文檔編號】G01L9/12GK106092430SQ201610437118
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月16日
【發明人】王曉浩, 吳川, 吳一川, 張旻
【申請人】清華大學深圳研究生院