專利名稱：電容式壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種電容式壓力傳感器，并且尤其涉及一種改進(jìn)的傳感器，它尤其在極低壓力(真空)的情況下提供非常準(zhǔn)確和精確的壓力測量結(jié)果。
背景技術(shù)：
已經(jīng)在大量應(yīng)用中采用壓力換能器。一種這樣的換能器是電容式壓力計(jì)，其提供了對氣體、蒸汽或其他流體的壓力的準(zhǔn)確和精確測量值。應(yīng)用包括對基于真空的處理以及半導(dǎo)體處理控制的精準(zhǔn)控制。實(shí)例包括半導(dǎo)體蝕刻處理和物理蒸汽沉積。電容式壓力計(jì)通常使用(a)形成或包括電極結(jié)構(gòu)的彈性隔膜以及(b)與隔膜間隔開的固定電極結(jié)構(gòu)，以在其間形成電容。在隔膜一側(cè)上的壓力相對于隔膜另一側(cè)上壓力的改變，使得隔膜彎曲，從而所述隔膜的電極結(jié)構(gòu)和固定的電極結(jié)構(gòu)之間的電容作為這個(gè)壓力差的函數(shù)而改變。通常，在隔膜一側(cè)上的氣體或蒸汽處于測得的壓力(Ρχ)，而隔膜的相對側(cè)上的氣體或蒸汽處于已知的參考壓力(Pr)，后者為大氣壓或一些固定的高或低壓(真空)，從而可以確定隔膜的測量側(cè)上的壓力作為電容測量值的函數(shù)。需要極度低壓(高真空)的許多應(yīng)用已經(jīng)并且繼續(xù)發(fā)展，而導(dǎo)致需要能夠測量這種低壓的電容式壓力計(jì)。然而，增加電容式壓力計(jì)的靈敏性以在低壓時(shí)提供非常準(zhǔn)確和精確的壓力測量值，提出了許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了測量極度低壓(高真空)，電容式壓力計(jì)需要在所述彈性隔膜和固定的電極結(jié)構(gòu)之間形成非常狹窄的間隙，從而它們檢測小的壓力改變。使用非常狹窄間隙的缺點(diǎn)是，也檢測到與測量隔膜上壓力差不相關(guān)的電極縫隙形狀的較小改變。電極縫隙形狀的這些不利改變中的一種是電極間隙間距的改變。雖然在工業(yè)中通過使用雙電極設(shè)計(jì)方法而減小電極間隙間距的改變效應(yīng)是常見的實(shí)踐，但是對電極間隙間隔的良好控制進(jìn)一步增強(qiáng)了傳感器輸出的穩(wěn)定性。當(dāng)測量通過使用狹窄的電極間隙而允許的極度低壓(極小的隔膜撓曲)時(shí)，這尤為重要。電容測量基于平行板電容C的已知公式C = ere0A/s,其中，C是兩塊平行板之間的電容，e(l是自由空間的介電常數(shù)，er是板之間材料的相對介電常數(shù)(在真空下，er = I),A是板之間的公共面積，以及S是板之間的間隔?；谠摴?，可以獲得的關(guān)系是電容的分?jǐn)?shù)改變等于每個(gè)測量電極的電極間隙間隔的分?jǐn)?shù)改變的負(fù)值(AC/C = - AS/S)。那么易于可見的是，維持對電極間隙間隔的良好控制以穩(wěn)定地控制每個(gè)測量電極的電容是關(guān)鍵的。在簡單的雙電極設(shè)計(jì)中，對于給定的電測量技術(shù)，諸如使用任意數(shù)量的常規(guī)使用的橋設(shè)計(jì)和其他電測量方法，在對于平坦隔膜和電極結(jié)構(gòu)的零壓力差下(每一個(gè)均具有不同的平坦實(shí)值以及與真實(shí)平面的傾斜偏離度)，可以將這些效應(yīng)平衡在第一數(shù)量級。由于傳感器配置以測量極度低壓(極小的隔膜撓曲)，僅平衡電極而不形成穩(wěn)定的電極間隙，不足以將壓力測量的不確定性減少至適當(dāng)?shù)牡退?，以便于?shí)現(xiàn)對最小壓力的穩(wěn)定檢測。需要一種能夠在低壓測量時(shí)提供改進(jìn)的電極間隔穩(wěn)定性控制的電容式壓力壓力計(jì)，以改進(jìn)在較低壓力下的壓力計(jì)的測量能力。參考美國專利號No. 7757563、7706995、7624643、7451654、7389697、7316163、7284439、7201057、7155803、7137301、7000479、6993973、6909975、6735845、6672171、6568274、6105436、6029525、5965821、5942692、5932332、5911162、5808206、5625152、 4785669 和 4499773 以及美國專利公開申請 No. 20090255342,20070023140,20060070447,20060000289,20050262946 ;20040211262、20040099061，所有文獻(xiàn)均轉(zhuǎn)讓于本受讓人。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)所述改進(jìn)的電容式壓力計(jì)的一個(gè)方面，該壓力計(jì)包括隔膜，其包括(a)公共電極以及(b)具有中心電極和環(huán)形電極的電極結(jié)構(gòu)，其中，所述隔膜在(i)當(dāng)隔膜每側(cè)上壓力相同時(shí)的零位置以及(ii)當(dāng)向所述隔膜施加最大可測量壓力差的最大壓力差時(shí)的位置之間可移動(dòng)，以及支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)置所述支撐結(jié)構(gòu)以支撐所述隔膜，從而所述隔膜相對于所述電極結(jié)構(gòu)而受限，并且所述公共電極相對于所述壓力計(jì)的對準(zhǔn)軸而與所述中心和環(huán)形電極間隔開并軸向?qū)R；其中，所述電極結(jié)構(gòu)相對于所述隔膜而固定在圍繞所述對準(zhǔn)軸呈角度間隔的三個(gè)夾緊位置；以及其中，限定在包含限制所述隔膜的點(diǎn)和每個(gè)夾緊位置點(diǎn)的每個(gè)正確平面內(nèi)相對于所述零位置處隔膜平面的角度，在60°和90°之間，以使得減少電極盤支撐高度的改變，允許在所述隔膜和電極結(jié)構(gòu)之間具有較小的間隙和提高的穩(wěn)定性。根據(jù)所述改進(jìn)的電容式壓力計(jì)的另一方面，該壓力計(jì)包括隔膜，其包括(a)公共電極以及(b)具有中心電極和環(huán)形電極的電極結(jié)構(gòu)，其中，所述隔膜在(i)當(dāng)所述隔膜每側(cè)上壓力相同時(shí)的零位置以及(ii)當(dāng)向所述隔膜施加最大可測量壓力差的最大壓力差位置之間可移動(dòng)，以及支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)置所述支撐結(jié)構(gòu)以支撐所述隔膜，從而所述公共電極相對于所述壓力計(jì)的對準(zhǔn)軸而與所述中心和環(huán)形電極間隔開并軸向?qū)R；間隔環(huán)，包括多個(gè)突出部；夾具，設(shè)置所述夾具以在每個(gè)突出部的位置處將所述電極結(jié)構(gòu)夾緊至所述間隔環(huán)，以便限定圍繞所述對準(zhǔn)軸而等角度間隔開的夾緊位置。根據(jù)對示意性實(shí)施例、附圖和權(quán)利要求的下列詳細(xì)描述，這些以及其他部件、步驟、特征、目的、益處和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚。


在附圖中圖I是傳感器的一個(gè)實(shí)施例沿著傳感器的軸的橫截面視圖，包括本文所述的改進(jìn);圖2是圖I的實(shí)施例的一部分的更詳細(xì)的橫截面視圖，示出了改進(jìn)的幾何細(xì)節(jié)；圖3是用于示出圖I實(shí)施例的一些幾何特征的幾何圖；圖4是傳感器中所使用的間隔器的俯視圖；圖5是通過傳感器的一部分的更詳細(xì)軸向橫截面視圖； 圖6是圖7中詳細(xì)所示的改進(jìn)中使用的間隔器的俯視圖；以及圖7是圖I的實(shí)施例的一部分的更詳細(xì)的橫截面視圖，示出了其他改進(jìn)的細(xì)節(jié)。附圖公開了示意性實(shí)施例。它們并未示出所有實(shí)施例?？梢粤硗饣虼娴厥褂闷渌麑?shí)施例?？梢允÷钥赡苁敲黠@或并非必須的細(xì)節(jié)，、以節(jié)省空間或用于更有效的示出。相反地，可以實(shí)現(xiàn)一些實(shí)施例，而不具有公開的所有細(xì)節(jié)。當(dāng)在不同附圖中出現(xiàn)相同的附圖標(biāo)記時(shí)，其指代相同或類似的部件或步驟。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在討論說明性實(shí)施例?？梢粤硗饣虼娴厥褂闷渌麑?shí)施例?？梢允÷钥赡苁敲黠@或并非必須的細(xì)節(jié)，以節(jié)省空間或用于更有效的陳述。相反地，可以實(shí)現(xiàn)一些實(shí)施例，而不具有公開的所有細(xì)節(jié)。圖I中所示的電容性壓力計(jì)10包括外殼12，用于支撐固定的電極結(jié)構(gòu)14和彈性隔膜16。外殼12可以包括處理外殼部分18和參考外殼部分20,兩個(gè)外殼部分由彈性隔膜16分隔。處理外殼部分18包括Px蓋22。參考外殼部分20包括環(huán)24和Pr蓋26。在所不實(shí)施例中，參考外殼部分20的環(huán)24包括中空腔28，用于以預(yù)定的關(guān)系接收和支撐固定的電極結(jié)構(gòu)14和彈性隔膜16，從而將它們維持成由預(yù)定尺寸的間隙30所分離的穩(wěn)定間隔關(guān)系。如圖所示，固定的電極結(jié)構(gòu)14包括由電絕緣材料制成的基底32，諸如陶瓷材料，并且形成為剛性非撓性結(jié)構(gòu)?？梢栽诨?2的外周提供邊緣34，用于與提供在外殼12中的間隔環(huán)36的肩部相接合，并且使用鎖定環(huán)38和波狀環(huán)40而固定在合適的位置。可以使用一個(gè)或多個(gè)薄間隔器41以將電極間隙間隔便利地設(shè)置在預(yù)定值。此外，可以使用一個(gè)或多個(gè)薄間隔器43，而將波狀彈簧腔高度便利地設(shè)置在預(yù)定值，以便于將夾緊力設(shè)置在預(yù)定值，其與過壓能力的設(shè)計(jì)目的以及將電極盤結(jié)構(gòu)夾緊成與公共電極隔膜16、外殼環(huán)24和徑向適應(yīng)間隔環(huán)36呈穩(wěn)定幾何關(guān)系所必需的摩擦約束力一致。在一個(gè)實(shí)施例中，基底32的尺寸和形狀可以使得，當(dāng)定位在間隔環(huán)36和鎖定環(huán)38之間時(shí)，所述基底可以準(zhǔn)確地設(shè)置在外殼12內(nèi)，從而固定的電極結(jié)構(gòu)14的中心位于中心軸42上，而在基底32和外殼環(huán)24以及間隔環(huán)36之間具有適當(dāng)?shù)膹较蜷g隔。這有效地減少了電極和金屬外殼24之間的寄生電容，以及對于電極盤的徑向位置的小改變所引起的寄生電容的改變。波狀彈簧40設(shè)計(jì)成通過徑向撓性的鎖定環(huán)38以及位于至少三處、圍繞軸42等角度間隔120°的薄間隔器43，而接觸固定的電極結(jié)構(gòu)14的邊緣34并且在其上施加軸向力。類似地，波狀彈簧40設(shè)計(jì)成在圍繞軸42間隔120°的至少三處接觸Pr蓋26并且在其上施加平衡力，而當(dāng)壓力計(jì)10完全組裝時(shí)，固定電極結(jié)構(gòu)14接觸邊緣34的位置處偏離60°。固定的電極結(jié)構(gòu)14還包括中心電極44,其相對于中心軸42同心地設(shè)置，以及外部電極46,其形式優(yōu)選為與中心電極44和中心軸42同心的環(huán)。彈性隔膜16由合適的導(dǎo)電材料制成，或者配置有一層合適的導(dǎo)電材料或涂層，以形成公共電極。隔膜16固定至外殼，以在隔膜的一側(cè)上形成處理壓力(Px)腔50，并且在隔膜另一側(cè)上形成包括間隙30的參考壓力(Pr)腔。應(yīng)當(dāng)注意到，可以在彈性隔膜和參考外殼部分(20)之間提供路徑(通過例如已蝕刻的間隔器的已減少厚度部分)，其允許在間隙30和外殼的Pr部分的其余部分之間平衡壓力。所述隔膜固定至所述外殼，以從參考壓力腔的間隙30密封處理壓力腔50，從而將兩個(gè)腔維持在不同的壓力?？梢园褜y量的氣體或蒸汽通過限定在Px蓋22的部分中的氣體入口 52而引入到處理腔50內(nèi)。在正常的操作下，電容式壓力計(jì)10功能作為絕對壓力傳感器，并且在真空下將參考腔28 (和電極間隙30)密封起來；而在一個(gè)實(shí)施例中，參考外殼部分20配備有不可蒸發(fā)的收氣器真空泵54，以便于在參考腔28和電極間隙30中提供極低的壓力(低于儀器中的最小分辨率)。與處理壓力相比較，這是絕對真空參考值。在該模式下，所述隔膜上的壓力差是絕對壓力測量結(jié)果。另一可 能的構(gòu)造方法是使用第二氣體入口而代替參考外殼部分20中的收氣器組件54，用于在參考壓力下將氣體從源、或者在環(huán)境壓力下從周圍大氣中引入到參考腔中。因而，包括間隙30的參考腔包含預(yù)定參考壓力下的氣體或蒸汽。應(yīng)當(dāng)注意到，可以顛倒所述兩個(gè)腔，從而參考壓力腔作為處理壓力腔，而處理壓力腔作為參考壓力腔，其中例如處理氣體相對于電極以及包括間隙30的腔內(nèi)的其他材料而言是惰性的。中心電極44和外部電極46優(yōu)選是設(shè)置在基底32表面上的平坦電極，從而所述電極優(yōu)選具有均勻的厚度，并且均位于同一平面內(nèi)。分別對中心電極44和環(huán)形電極46提供合適的電導(dǎo)線(未不出)。在一個(gè)實(shí)施例中，公共電極隔膜16與電連接的外殼部分20 —體地形成。另一可能的結(jié)構(gòu)可以是使用提供用于隔膜16的公共電極的電導(dǎo)線(未示出)。在優(yōu)選實(shí)施例中，提供位于基底32上的電保護(hù)裝置45，用于測量電極，以便于控制電極附加電容，最小化外殼20的寄生電容，并且調(diào)節(jié)雙電極電容平衡在零壓力差。導(dǎo)線合適地連接至電容測量裝置(未示出)。隔膜16優(yōu)選地固定在外殼內(nèi)，從而當(dāng)隔膜兩側(cè)的壓力相同、即零壓力差時(shí)，由公共電極限定的平面基本上平行于中心電極44和外部電極46以及電保護(hù)裝置45的平面。當(dāng)通過入口 52引入到處理壓力腔50中的氣體或蒸汽的壓力與參考腔內(nèi)的參考壓力不同時(shí)，隔膜將撓曲，而隔膜16的公共電極和中心電極44之間的電容所限定的電容與隔膜16的公共電極與外部電極46之間的電容不同。電保護(hù)裝置45通過阻塞該區(qū)域中的寄生路徑而減少了電極和金屬外殼之間的寄生電容。應(yīng)當(dāng)意識到，通過如圖I中所示利用位于基底32的主直徑和外殼環(huán)24之間的大且均勻的縫隙并且通過如圖I中所示將電保護(hù)裝置45設(shè)置在電極盤的外周，由于電極盤的可能輕微側(cè)向移動(dòng)而對這些寄生電容的任何改變是對傳感器電容沖程的較小分?jǐn)?shù)，并且因而允許更精確地測量壓力差，而不引入與壓力測量無關(guān)的傳感器輸出的改變。處理壓力腔50中的壓力因而是在隔膜16的公共電極和中心電極44之間測得的電容以及在隔膜16的公共電極和外部電極46直接按測得的電容的函數(shù)。同樣地，在所述隔膜的公共電極結(jié)構(gòu)和中心電極44與外部電極46的每一個(gè)之間形成預(yù)定的電容，從而當(dāng)隔膜上的壓力差為零時(shí)，該結(jié)構(gòu)限定了可測量的“基礎(chǔ)”電容。在實(shí)踐中，該基礎(chǔ)電容是電極間隙的有效電容和外殼的寄生電容的總和。此外，當(dāng)所述隔膜面臨最大可測量壓力差時(shí)，所述隔膜的公共電極結(jié)構(gòu)將相對于電極44和46而變形，以限定傳感器的“沖程”。對傳感器的沖程的一種測量是“電容式”沖程，其等于中心電極44至隔膜16的公共電極的電容減去外部電極46至隔膜16的公共電極的電容的差，在零壓力差和全刻度壓力差之間。所述隔膜變形的從零壓力差至全刻度壓力差的最大改變是隔膜的跨度。限定傳感器范圍的關(guān)鍵參數(shù)之一是電極間隙間距，其等于隔膜16的公共電極結(jié)構(gòu)的平面(當(dāng)處于松弛的零位置時(shí))和中心電極44以及外部電極46的面之間的距離，指示間隙30，其在外殼部分20的參考腔內(nèi)具有極低壓力(真空參考壓力)，而在處理腔50的儀器分辨率以下的壓力。對于給定的傳感器結(jié)構(gòu)，由電極間隙間隔形成“基礎(chǔ)”電容。設(shè)計(jì)用于測量極低壓力(高真空)的電容式壓力計(jì)必須對于非常小的壓力改變非常靈敏，并且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行測量。結(jié)果，隔膜16的公共電極的平面和中心電極44及外部電極46之間的間隔必須非常小，從而響應(yīng)于壓力差的小改變而可以檢測隔膜變形的小改變。使得間隙30較小而使得壓力計(jì)10更靈敏地測量較小的壓力差，增加了對電極間 隙的形狀改變的靈敏性，所述改變與隔膜上壓力差的測量無關(guān)。電極縫隙形狀的一種不利 改變是電極間隙間距的改變。雖然在工業(yè)中通過使用雙電極設(shè)計(jì)方法而減小電極間隙間距的改變效應(yīng)是常見的實(shí)踐，但是對電極間隙間隔的良好控制進(jìn)一步增強(qiáng)了傳感器輸出的穩(wěn)定性。當(dāng)測量通過使用狹窄的電極間隙而允許的極度低壓(極小的隔膜變形)時(shí)，這尤為重要。隨著當(dāng)前需要測量越來越小的壓力，當(dāng)前的電容式壓力傳感器不具有穩(wěn)定測量極低壓力所需的固有電極間隙穩(wěn)定性。本發(fā)明描述了一種電容式壓力計(jì)，其中，所述裝置的結(jié)構(gòu)在隔膜和電極之間提供了更大的穩(wěn)定性，而允許甚至更小的間隙和測量更低的壓力差。在提供這種結(jié)構(gòu)的同時(shí)，改進(jìn)了傳感器電極間隙的空間穩(wěn)定性，尤其是在正常操作條件下電極盤與隔膜的對齊，而尤其是抵抗外部影響時(shí)，諸如溫度、大氣壓力、過壓、機(jī)械碰撞和振動(dòng)。使用新結(jié)構(gòu)解決的關(guān)鍵傳感器參數(shù)包括電極間隙間隔、電極傾斜和電極扭曲。該改進(jìn)提供了增強(qiáng)的能力，以允許換能器(即傳感器以及能夠提供高電平DC輸出的信號調(diào)節(jié)電子器件——未示出)，需要較少的電增益，并且顯示了較少的電噪聲(作為較少電增益的結(jié)果)，并且當(dāng)與用于測量可比較的全范圍壓力范圍的現(xiàn)有技術(shù)傳感器相比時(shí)，具有更好的零穩(wěn)定性能。正如提及的，傳感器能夠像較低壓力范圍儀器提供較小的電噪聲和較好的總零穩(wěn)定性能，包括但不局限于降低的大氣壓力靈敏性(在零壓力時(shí))，降低的溫度系數(shù)和降低的零漂移。在電極和隔膜之間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定減小的間隙的現(xiàn)有努力包括使得Pr環(huán)外殼壁略薄以嘗試使得電極盤邊緣壁隔膜支撐更接近地接觸Pr環(huán)臺(tái)階。但是使得Pr外殼壁較薄而使得臺(tái)階更靠近隔膜支撐，弱化了傳感器外殼(Pr環(huán)壁)，允許在制造處理中產(chǎn)生更多的扭曲，并進(jìn)一步弱化了 Pr環(huán)臺(tái)階抵抗由溫差膨脹引起的力以及大氣壓力所驅(qū)動(dòng)在傳感器上的表面負(fù)荷以及任何外部機(jī)械負(fù)荷的改變所引起的扭曲。在圖2中示出了現(xiàn)有技術(shù)壓力計(jì)與新改進(jìn)壓力計(jì)比較的細(xì)節(jié)。在現(xiàn)有技術(shù)中，隔膜74在大量點(diǎn)固定至環(huán)60外周，其中之一示為62。以類似的方式，電極結(jié)構(gòu)64可以由施加至電極結(jié)構(gòu)64的外周邊緣的環(huán)形盤(鎖盤)(未示出)而保持在合適的位置，并且由薄狀彈簧(圖2中未示出)提供的軸向力68而在至少三點(diǎn)固定在合適的位置，其中之一示為70。如圖所示，該結(jié)構(gòu)限定了形成在隔膜連接至環(huán)60的位置點(diǎn)62以及施加軸向力68以將電極結(jié)構(gòu)維持在合適的位置的位置點(diǎn)70之間的立體角。該角度示為45°。連接隔膜的位置點(diǎn)(諸如點(diǎn)62)的傳感器的軸(諸如圖I中的軸42)的徑向距離圍繞軸360°而相等。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過在壓力計(jì)內(nèi)構(gòu)建和固定隔膜以及電極結(jié)構(gòu)，而使得將隔膜邊界(以及支撐部件)72更直接地設(shè)置在所施加的夾緊負(fù)荷之下，以便于形成與懸臂(間接)支撐相反的更直接支撐。通過限定從隔膜邊界支撐部件72至也位于Pr外殼和間隔器66之間的界面70處的用于電極盤的Pr外殼支撐部件的線相對于隔膜74的平面的角度a(參見圖2和3)，而可以以更分析的術(shù)語描述所引起的改進(jìn)幾何結(jié)構(gòu)。該幾何形狀的優(yōu)點(diǎn)包括兩部分。首先并且最重要地，當(dāng)大氣壓力或施加至Px蓋表面的其他外部負(fù)荷發(fā)生改變時(shí)，蓋在該負(fù)荷下彎曲，并且為產(chǎn)生抵抗外表面的正壓力，隔膜邊界處的蓋外徑擴(kuò)大(尺寸增加)。該擴(kuò)大扭曲了 Pr外殼，并且基本上引起了 Pr外殼的下部分的微小旋轉(zhuǎn)，這可以由角度a在82處的改變(參見圖2)而近似。如上所述，在至少一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)壓力計(jì)中的該角度約為45°。改進(jìn)的壓力計(jì)設(shè)計(jì)以增加該角度至在約60°至90°范圍內(nèi)的值。如圖3中可見，對于小角度，諸如在現(xiàn)有技術(shù)實(shí)例中(約45° )，對于該角度的改變，在支撐高度具有相對大的 改變?chǔ)处褜τ诒驹O(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)結(jié)構(gòu)中的大角度(約75° )，對于相同的支撐角度的改變，對于固定的電極結(jié)構(gòu)，支撐高度具有相對小的改變匕\。減小電極盤相對于隔膜的支撐高度的該改變，轉(zhuǎn)化成改進(jìn)的電極間隙間隔穩(wěn)定性。第二，新幾何形狀的優(yōu)點(diǎn)提供了更堅(jiān)硬的支撐，從而在電極盤頂部施加的軸向負(fù)荷的任何改變，導(dǎo)致支撐高度的較小改變，并且隨后改進(jìn)了電極間隙穩(wěn)定性。諸如圖2的68處的(圖I的)波狀彈簧40所提供的波狀彈簧力，可以由于溫度改變、可以由機(jī)械撞擊和振動(dòng)引起的傳感器腔內(nèi)的波狀彈簧安裝和就位的改變以及由于大氣壓力改變而因Pr蓋26 (圖I中所示)的變形所導(dǎo)致的波狀彈簧腔高度的改變，而變化。本文所公開的該改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供了改進(jìn)的尺寸穩(wěn)定性和更大的電極盤支撐部件(圖I的外殼環(huán)24和間隔環(huán)36)的軸向硬度，并且減少了由于波狀彈簧40所施加的力的振動(dòng)而引起的電極間隙間隔的改變。在該改進(jìn)的傳感器中，所述隔膜因而構(gòu)造和固定使得將隔膜邊界(圖2中的72處)在所施加的夾緊負(fù)荷(68處所示)下更直接地設(shè)置，以便于形成與懸臂(間接)支撐相反的更直接支撐。這有助于將兩組位置點(diǎn)之間的角度從45°增加至顯著減少隔膜和電極盤支撐(圖I的外殼環(huán)24和間隔環(huán)36)之間的軸向移動(dòng)量的角度范圍內(nèi)的角度。提供最佳結(jié)果的角度范圍在約60°至90°之間。該范圍內(nèi)的實(shí)際選擇是在最優(yōu)化電極間隙穩(wěn)定性和易于制造高質(zhì)量延伸的隔膜之間的設(shè)計(jì)折衷。一個(gè)折衷是在82處(圖2和3)的角度為約75°。增加角度的一種制造技術(shù)是將環(huán)制成兩部分，一部分(Pr環(huán)24)在靠近隔膜處直徑減小，而另一部分(間隔環(huán)36)如圖I中所示?？梢酝ㄟ^焊接或其他合適的方法將兩部分固定在一起。這向本發(fā)明提供了必須的幾何形狀，并且允許相對于傳感器外殼(Pr環(huán)24和Px蓋22)而易于組裝隔膜16。另一改進(jìn)涉及徑向適應(yīng)性間隔器。圖5示出了現(xiàn)有技術(shù)的方法，其中內(nèi)部傳感器部件落在合適的位置，而凸起的墊(其中施加夾緊負(fù)荷)116僅環(huán)向地拉直，而非相對于中心軸100徑向地。可以在諸如圖5所示的情況下組裝壓力計(jì)，其中間隔器102僅在位置108處接觸Pr環(huán)106的內(nèi)壁104，其中從波狀彈簧(未示出)傳遞(3)夾緊負(fù)荷(在凸起墊上的)之一。如圖所不，位置108處的電極結(jié)構(gòu)的部分與壁104間隔開，而與位置108呈180°相對的電極結(jié)構(gòu)在位置110處接觸Pr環(huán)106的內(nèi)壁104。由于現(xiàn)有技術(shù)傳感器中的未對準(zhǔn)，當(dāng)溫度下降且Pr環(huán)106比電極結(jié)構(gòu)112更快和更進(jìn)一步收縮時(shí)，由于Pr環(huán)的熱膨脹系數(shù)大于電極盤的熱膨脹系數(shù)，這引起了傳感器中的機(jī)械應(yīng)力。差別收縮在夾緊負(fù)荷107的位置處(圖5的右側(cè)所示)形成了大的徑向剪切力，并且可以超過電極結(jié)構(gòu)112和間隔器102之間的摩擦夾緊力，使得電極盤滑至新位置。在返回先前的溫度后，在該新組裝的位置，電極盤112在相反的方向上經(jīng)歷了點(diǎn)107處的大徑向力。該力耦扭曲了傳感器，包括電極間隙，并且引起了隔膜張力的改變。這些改變對壓力計(jì)的精確性具有不利效果。上述的改進(jìn)的傳感器利用了徑向適應(yīng)性間隔環(huán)(如圖6和7中所示的118)，其設(shè)計(jì)成使得僅徑向定位突出部120可以接觸Pr環(huán)孔，而凸起墊(其中施加夾緊負(fù)荷)122始終與Pr環(huán)孔具有徑向間隙。因此，當(dāng)溫度下降時(shí)，如果徑向定位突出部120接觸Pr環(huán)的壁， 那么Pr環(huán)在從如圖7的橫截面視圖右側(cè)所示的支撐電極盤的凸起墊上移除60°的位置處徑向向內(nèi)驅(qū)動(dòng)間隔器的定位突出部。該薄示意性間隔器的60°部分是撓性的，并且相對易于變形，從而可以向夾緊結(jié)合點(diǎn)(圖6右側(cè)示為140)施加小的側(cè)向力。這消除了傳感器的偶然力耦扭曲以及隨后壓力計(jì)的精確性改變的任何可能性。如圖6中所示，徑向適應(yīng)性間隔器118包括徑向突出部120，其定位成使得當(dāng)設(shè)置在壓力計(jì)中時(shí)居中位于間隔器中。圖中示出了三個(gè)突出部，角度間隔為120°。突出部120設(shè)置在向電極結(jié)構(gòu)施加夾緊負(fù)荷的位置122 (實(shí)例中為三個(gè))之間(在所給出的實(shí)例中，60。)。如圖7中所示，將徑向適應(yīng)性間隔器118安裝在Pr環(huán)130中，從而在Pr環(huán)130的壁132和施加夾緊力的墊之間始終具有空間。間隔器可以始終在徑向定位突出部處偶然地接觸Pr環(huán)壁(與圖7中所示的橫截面視圖移動(dòng)60° )。然而，由于由薄間隔器材料制成的未被夾緊且自由移動(dòng)的定位突出部的任一側(cè)上具有撓性60°部分，大大地減少了在安裝墊處施加至電極盤的剪切力。應(yīng)當(dāng)明顯的是，在不脫離權(quán)利要求的范圍的前提下，可以對所述的實(shí)施例進(jìn)行各種改變。例如，雖然所述的實(shí)施例利用具有保護(hù)裝置的雙電極，但是其他電極結(jié)構(gòu)也是可能的，包括單電極結(jié)構(gòu)，以及具有兩個(gè)以上電極的多電極結(jié)構(gòu)。所示的實(shí)施例是示意性性，并且在電極盤上可以具有任意數(shù)量的導(dǎo)體和導(dǎo)體圖案。此外，可以將電保護(hù)裝置和額外的導(dǎo)體維持在信號地線處，或者一些其他固定的電勢。此外，可以主動(dòng)地驅(qū)動(dòng)保護(hù)裝置。如果主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)選的是保護(hù)裝置電壓和相位與物理相鄰電極的瞬時(shí)電壓和相位匹配。已經(jīng)討論的部件、步驟、特征、目的、益處和優(yōu)點(diǎn)僅是示意性的。其中任意一項(xiàng)及其相關(guān)討論均未意于以任何方式限制保護(hù)范圍。還可以預(yù)期大量其他實(shí)施例。這些包括具有更少、附加和/或不同部件、步驟、特征、目的、益處和優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例。這些還包括其中部件和/或步驟設(shè)置和/或順序不同的實(shí)施例。除非特別指明，包括隨附權(quán)利要求的本說明書中所陳述的所有測量、值、等級、位置、幅度、尺寸和其他規(guī)格均為近似的，而非精確值。它們意于具有合理的范圍，其與所涉及的功能以及所屬領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)一致。本公開內(nèi)容中所引用的所有文章、專利、專利申請?jiān)诖艘胱鳛閰⒖肌?br> 術(shù)語“用于……的器件”當(dāng)在權(quán)利要求中使用的時(shí)候，意于并且應(yīng)當(dāng)理解為包括已經(jīng)描述的相應(yīng)結(jié)構(gòu)和材料及其等同物。類似地，術(shù)語“用于……的步驟”當(dāng)在權(quán)利要求中使用的時(shí)候，意于并且應(yīng)當(dāng)理解為包括已經(jīng)描述的相應(yīng)步驟及其等同步驟。在權(quán)利要求中不存在這些術(shù)語是指權(quán)利要求并不意于且不應(yīng)理解為限制于任何相應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料或步驟或其等同物。已經(jīng)陳述或說明的所有內(nèi)容均不意于或不應(yīng)理解為將任何部件、步驟、特征、目的、益處、優(yōu)點(diǎn)或其等同物貢獻(xiàn)給公眾，而不考慮其是否在權(quán)利要求中陳述。保護(hù)范圍僅由現(xiàn)在隨附的權(quán)利要求所限定。當(dāng)根據(jù)說明書和隨后的訴訟歷史解釋時(shí)，該范圍意于并且應(yīng)當(dāng)理解為寬泛如與權(quán)利要求中所使用的語言的普通意義一致，并且 包括所有等同結(jié)構(gòu)和等同功能。
權(quán)利要求
1.一種電容式壓力計(jì)，包括 隔膜，其包括(a)公共電極以及(b)具有中心電極和環(huán)形電極的電極結(jié)構(gòu)，其中，所述隔膜在(i)當(dāng)隔膜每側(cè)上壓力相同時(shí)的零位置以及(ii)當(dāng)向隔膜施加最大可測量壓力差的最大壓力差位置之間可移動(dòng)，以及 支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)置其以支撐所述隔膜，從而所述隔膜相對于所述電極結(jié)構(gòu)而受限，并且所述公共電極相對于壓力計(jì)的對準(zhǔn)軸而與所述中心和環(huán)形電極間隔開并軸向?qū)R； 其中，所述電極結(jié)構(gòu)相對于所述隔膜而固定在圍繞所述對準(zhǔn)軸呈角度間隔的三個(gè)夾緊位置；以及其中，限定在包含限制隔膜的點(diǎn)和每個(gè)夾緊位置點(diǎn)的每個(gè)正確平面內(nèi)相對于處于零位置處的隔膜平面的角度在60°和90°之間，以使得減少電極盤支撐高度的改變，允許在所述隔膜和電極結(jié)構(gòu)之間具有較小的間隙和提高的穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容式壓力計(jì)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括配置成支撐所述電極結(jié)構(gòu)的基底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容式壓力計(jì)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括彈簧，其配置成在至少三個(gè)位置相對于所述隔膜固定所述基底。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電容式壓力計(jì)，其特征在于，所述彈簧是波形彈簧，其配置成在零位置以與所述隔膜平面呈直角地在所述基底上施加力。
5.一種電容式壓力計(jì)，包括 隔膜，其包括(a)公共電極以及(b)具有中心電極和環(huán)形電極的電極結(jié)構(gòu)，其中，所述隔膜在(i)當(dāng)隔膜每側(cè)上壓力相同時(shí)的零位置以及(ii)當(dāng)向隔膜施加最大可測量壓力差的最大壓力差位置之間可移動(dòng)，以及 支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)置其以支撐所述隔膜，從而所述公共電極相對于所述壓力計(jì)的對準(zhǔn)軸而與所述中心和環(huán)形電極間隔開并軸向?qū)R； 間隔環(huán)，包括多個(gè)突出部； 夾具，設(shè)置其以在每個(gè)突出部的位置處將所述電極結(jié)構(gòu)夾緊至所述間隔環(huán)，以限定圍繞對準(zhǔn)軸而等角度間隔開的夾緊位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容式壓力計(jì)，其特征在于，在彼此間隔120°的三個(gè)位置將所述電極結(jié)構(gòu)夾緊至所述間隔環(huán)，并且所述間隔環(huán)包括彼此等角間隔120°的三個(gè)突出部，并且定位成與相鄰?qiáng)A緊位置具有60°。
全文摘要
一種改進(jìn)的電容式壓力計(jì)，所述壓力計(jì)包括隔膜，其包括(a)公共電極以及(b)具有中心電極和環(huán)形電極的電極結(jié)構(gòu)，其中，所述隔膜在(i)當(dāng)隔膜每側(cè)上壓力相同時(shí)的零位置以及(ii)當(dāng)向隔膜施加最大可測量壓力差的最大壓力差位置之間可移動(dòng)，以及支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)置其以支撐所述隔膜，從而所述隔膜相對于電極結(jié)構(gòu)而受限，并且所述公共電極相對于所述壓力計(jì)的對準(zhǔn)軸而與所述中心和環(huán)形電極間隔開并軸向?qū)R；其中，所述電極結(jié)構(gòu)相對于所述隔膜而固定在圍繞對準(zhǔn)軸呈角度間隔的三個(gè)夾緊位置；以及其中，限定在包含限制隔膜的點(diǎn)和每個(gè)夾緊位置點(diǎn)的每個(gè)正確平面內(nèi)相對于處于零位置處的隔膜平面的角度在60°和90°之間，以使得減少電極盤支撐高度的改變，允許在隔膜和電極結(jié)構(gòu)之間具有較小的間隙和提高的穩(wěn)定性。通過包括具有多個(gè)突出部的間隔環(huán)以及設(shè)置成在每個(gè)突出部的位置將所述電極結(jié)構(gòu)夾緊至所述間隔環(huán)的夾具，以便限定圍繞對準(zhǔn)軸的多個(gè)等角度間隔的夾緊位置，從而消除偶然間隔器引起的徑向剪切力以及可能影響可重復(fù)性和穩(wěn)定性的隨后可能粘滯滑動(dòng)情況的可能性。
文檔編號G01L9/00GK102812342SQ201180015936
公開日2012年12月5日 申請日期2011年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日
發(fā)明者S·D·布蘭肯希普 申請人:Mks 儀器公司