CN1181324C - 电容式压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种电容式压力传感器设有第一基板(1)、设置于第一基板(1)上的第一平板电极(1a)、包围设置于第一基板(1)上的第一平板电极(1a)的压敏框架部(4)、结合在压敏框架部(4)上并与第一基板(1)相对的与第一基板(1)和压敏框架部(4)一起形成电容室(7)的第二基板(2、3)、设置于电容室(7)中第二基板(2、3)上的与压敏框架部(4)隔开并与第一平板电极(1a)相对隔开的载物台(5)以及设置于载物台(5)上的并与第一平板电极(1a)相对的第二平板电极(2a),压敏框架部(4)随着外加于第一及第二基板上(1、2、3)的压力而产生弹性变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种对基于施加外部压力产生电容室变形的电容变化(电极间距离的变化)进行检测的电容式压力传感器及其制造方法。
背景技术
以往,在一般的电容式压力传感器中,在由弹性隔膜和基座围起来的电容室内设置两个相对的电极。在该构成中,将基于隔膜弹性变形的电极间距离的变化作为电容的变化而检测,测定施加在隔膜上的外部压力。
另一方面,在WO96/27123号(文献1)中提出了基于与以往构想不同的压力传感器。在该文献1中提出的压力传感器中,在具有蓝宝石等的弹性的基板内设置电容室,在该电容室内设置两个相对的电极。在该构成中,通过外加压力使构成电容室的基板自身发生压缩变形,将伴随基板变形的电极间距离的变化作为电容的变化而检测。
图9是表示文献1公开的压力传感器。如图9所示,该压力传感器,通过将在凹部内由下部电极101a及引线101b形成的蓝宝石制基板101和在凹部内由上部电极102a及引线102b形成的蓝宝石制基板102结合而形成,使电极101a和102a相对。
上部电极102a如图10所示,设置在比隔膜厚的基板102上。在附加外部压力时,基板102几乎不变形。构成电容室周围侧壁的基板部分(以下称为压敏框架部104)压缩变形,随着压敏框架部104的变形电极间距离发生变化,从而可以检测电容的变化。蓝宝石的拉伸弹性率为30,000kg/mm2。
所以,在该压力传感器中,在外加压力时,由于下部电极101a与上部电极102a在保持相互平行的状态下而靠近,所以具有保持传感器输出线形性等优点。另外,与隔膜相比,由于压敏框架部104难于压缩,所以在喷射模压机内压力测定等具有能够在高压下使用的优点。
但是,在该以往的例子中,为提高测定灵敏度而缩短电极间距离时,压敏框架部104的纵方向的长度变短而不易压缩,相反还导致测定灵敏度下降。所以,在以往的构造中,只适用于高压下使用,具有测定范围非常窄的问题。
本发明的目的在于提供能够提高测定灵敏度的电容式压力传感器。
本发明的另一目的在于提供能够扩大测定范围的电容式压力传感器。
发明内容
为达到本发明的目的,与本发明相关的电容式压力传感器包括:第一基板;设置于第一基板上的第一平板电极;压敏框架部,该压敏框架部包围设置于第一基板上的第一平板电极;第二基板,该第二基板结合在压敏框架部上并且与第一基板相对,以便与第一基板和压敏框架部一起形成电容室;载物台,该载物台设置于电容室中的第二基板上、与压敏框架部隔离开、与第一平板电极相对且与第一平板电极隔离开;及第二平板电极,该第二平板电极设置于载物台上并且与第一平板电极相对,其中所述压敏框架部随着外加于第一基板和第二基板上的压力而产生弹性变形。
另外,与本发明相关的电容式压力传感器的制造方法包括下列步骤:在第一基板上形成凹部后,在该凹部内形成第一平板电极;在具有弹性的第二基板的一个表面上形成一圈具有预定深度的槽后,在具有弹性的第二基板的所述一个表面上直接结合第三基板,通过研磨所述第二基板的另一个表面使槽暴露出,从而形成被所述槽包围的载物台,和在该载物台上形成第二平板电极;通过直接结合所述第一基板和所述第二基板及第三基板的一对构造而形成电容室,所述第一平板电极及第二平板电极在所述电容室内相对。
通过如此构成,本发明通过外加压力可以使弹性变形的压敏框架部的长度在维持足够长的同时,可以通过在载物台上形成上部电极而缩短上部和下部电极间的距离,从而能够进一步提高测定灵敏度和进一步扩大测定范围。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例的电容式压力传感器的分解立体图。
图2A是表示图1中A-A’线的剖视图,图2B是表示图1中B-B’线的剖视图。
图3A是表示图1所示的上部电极的俯视图,图3B是表示图3A中C-C’线的剖视图。
图4A是表示本发明第二实施例的上部电极的俯视图,图4B是表示图4A中D-D’线的剖视图。
图5A是表示本发明的第三实施例的上部电极的俯视图,图5B是表示与图5A所示上部电极相对的下部电极的俯视图,图5C是表示图5A中E-E’线的剖视图,图5D是表示图5C所示由上部电极和下部电极构成的电路图。
图6A~6E是表示图1中压力传感器制造工艺的A-A’线剖视图。
图7A~7C是表示图1中压力传感器制造工艺的B-B’线剖视图。
图8A、8B是表示用于说明压力传感器的灵敏度的压力传感器的俯视图和剖视图。
图9是表示以往电容式压力传感器的分解立体图。
图10是表示图9中F-F’线的剖视图。
具体实施方式
以下结合图对本发明进行详细说明。
如图1所示,与本实施例有关的压力传感器是由在构成电容室7(图2A、2B)的凹部7a内由矩形下部电极(固定电极)1a和引线1b形成的蓝宝石制的下部基板1;在电容室7内与下部电极1a相对设置的大致正方形的上部电极(可动电极)2a(图2A、2B)形成的蓝宝石制的中间基板2;以及结合在中间基板2上的扁片状上部基板3构成。下部基板1上面与中间基板2的下面结合,中间基板2上面与上部基板3的下面结合。
上部电极2a,如图2A所示,是在由形成于中间基板2中的槽2c隔开的内侧区域(以下称为载物台5)下面形成,下部电极1a,形成于下部基板1的凹部7a的底面。槽2c与电容室7(下部基板1的凹部7a)的四边相对应形成一圈矩形框架状。通过槽2c与载物台5分开的中间基板2的四周部4a和电容室7的侧壁4b,通过外部压力构成弹性变形的矩形框架状的压敏框架部4。上部电极2a如图2B、图3A所示,通过在槽2c一部分上形成的桥接部2d上的引线2b与外部装置(图未示)连接。
以下对所述压力传感器的使用进行说明。
如图2A所示,由于通过槽2c将设有上部电极2a的载物台5与四周部4a分开,所以在外加压力时,弹性变形的压敏框架部4向外加压力的方向上(压缩方向)伸长。所以在该构造中,可以使电极1a、2a间的距离在保持较窄的状态下而保证对压力变化敏感的部分较长。所以根据本发明实施例的压力传感器,可以提高测定灵敏度和扩大测定范围。
另外,为使连接在上部电极2a上的引线2b引出,在槽2c的一部分上设置的桥接部2d如图3A、3B所示与整个槽2c的大小相比非常小,所以对压敏框架部4的压缩变形没有影响,也不阻碍压力的测定。
以下参照图4A、4B、5A~5D对上部电极2a和下部电极1a的另外的实施例进行说明。
在第二实施例中,如图4A所示,在中间基板2的下面通过槽2c形成参照电极2e,使包围载物台5上的上部电极2a。参照电极2e,与下部电极1a一起用于测定标准电容。此时,下部基板1的凹部即电容室7的周边向槽2c的外周扩伸,在该扩伸部分的上面设置与下部电极1a相对的参照电极2e。
利用参照电极2e测定的结果可以修正可动电极2a测定的结果。另外,在附加压力时,参照电极2e与下部电极1a之间的电极间距离依赖于电容室7的侧壁的长度β,但是,上部电极2a与下部电极1a之间的电极间距离依赖于压敏框架部4的长度α。例如通过将α设定为大于100β,就可以使上部电极1a的测定灵敏度保持足够大。
在第三实施例中,如图5A~5C所示,与上部电极2a相对的被分割为两个的下部电极1a-1、1a-2设置在下部基板1的凹部内。电悬浮状态的上部电极2a与下部电极1a-1、1a-2一起如图5D所示,构成两个电容器串连结合的电路。此时,即便使上部电极2a处于悬浮状态,通过准备两个下部电极1a-1和1a-2可以测定压力变化。如果根据本实施例,就不须要用于从上部电极2a引出引线的桥接部,从而也比第一实施例容易制造。
以下用图6A~6E对图1所示的压力传感器的制造方法进行说明。
首先,如图6A所示,对通过激光等形成槽2c的中间基板用的基座2的上面和上部基板用的基座3的下面进行镜面研磨后,在几百摄氏度的气氛下通过直接结合而将两个基座的镜面结合。然后,如图6B所示,研磨基座2的底部直至槽2c暴露出。结果如图6C所示,制造由中间基板2和上部基板1构成的基板单元10。
在如此构成的基板单元10中,槽底部X的表面为镜面研磨面所以光滑。与此相反,在一个基座中用激光形成槽而制造所述基座单元时,要使槽底部X的表面形成镜面研磨面基本上是不可能的。若使槽底面不是镜面状态的基板单元10用于传感器时,就会出现应力不均,基板容易断裂。与此相反,若根据所述制造方法,在传感器基板中应力均一,可以防止基板断裂。
然后,如图6D所示,在以图6C制造的基板单元10的载物台5上形成上部电极2a。接着在下部基板用的基座1上形成凹部及下部电极1a后,通过直接结合将基板单元10与基座1结合。此时电极1a、2a在不损坏(熔融)的温度下直接结合。结果如图6E所示可以制造具有外加压力方向上长的压敏框架部4的压力传感器。
通过以上方式,可以制造在基板内朝着与受压面相互垂直方向形成槽2c的压力传感器。在通过该种方式制造的压力传感器中,可以在下部电极1a和上部电极2a之间的距离保持较窄的情况下,直接增加外加压力时的压缩区域。
以下用图7A~图7C对桥接部2d的制造方法进行说明。
首先,在基座2中形成槽2c时,如图7A所示,使与桥接部2d相对应的槽2c的部分深度变浅。然后如图7B所示将基座1和基座2直接结合制造基板单元10。然后在研磨基板单元10的下部时,使与桥接部2d相对应的基板部分剩下。在桥接部2d上,如所述形成引线2b。
以下用图8A、8B对所述压力传感器的灵敏度进行说明。
所用的压力传感器为压敏框架部4的压敏方向长度a=2(mm)、电极间隔b=0.1(μm)、受压面6至槽的底部的长度c=2(mm)、压敏框架部4的宽度d=0.4(mm)、电容室的7的x方向长度e=10(mm)、电容室的y方向的长度f=10(mm)。蓝宝石的拉伸弹性率设为30,000kg/mm2。
在该条件中,受压面6的面积=100(mm2)、压敏框架部4的面积(与基板1的结合部的面积)15.36(mm2),压力扩大率100/15.366.5。另外,将在受压面6上的外加压力设为1kg/cm2、电极间隔b的位移设为Δb时,Δb/2=1/30000×0.01×6.5(mm)、Δb=43()。所以,基础电容为100pF时,灵敏度为4.5pF。另外,即使b=1(μm)时,灵敏度为0.43pF。为了使本构造更有效地发挥功能,压敏框架部4的厚度必须比基板1与基板3上的载物台5之间的距离厚。
另外,在所述实施例中,对作为基座材料使用蓝宝石的情况进行说明,本发明不限于此。例如可以使用硅、玻璃或钻石等单晶材料。另外,参照电极并不是必须构造,可以根据需要附加。所以,本发明是以上部电极2a和下部电极1a为基本构造。另外,除将载物台5设置在上部电极2a上外还可以设置在下部电极1a上。
另外,在所述实施例中,在下部基板1中可以设置构成电容室7的凹部7a,也可以在与下部基板1结合的上侧基板中设置凹部。此时下部基板1可以是扁片状。
另外,在所述实施例中,为完成槽2c底部镜面,可以结合三个基板来制造压力传感器,也可以通过激光等在能够完成槽底部镜面的情况下结合两个基板来制造压力传感器。此时,例如如图6A所示可以颠倒基板2通过与具有凹部的下部基板结合来实现。
如以上说明,本发明可以使下部电极与上部电极间距离在保持较窄的状态下进一步增大外加压力时压缩变形区域的长度,从而可以实现测定灵敏度的提高和测定范围的扩大。
Claims (7)
1.一种电容式压力传感器,其特征在于:包括:
第一基板(1);
设置于第一基板(1)上的第一平板电极(1a);
压敏框架部(4),该压敏框架部(4)包围设置于第一基板(1)上的第一平板电极(1a);
第二基板(2,3),该第二基板(2,3)结合在压敏框架部(4)上并且与第一基板(1)相对,以便与第一基板(1)和压敏框架部(4)一起形成电容室(7);
载物台(5),该载物台(5)设置于电容室(7)中的第二基板(2,3)上、与压敏框架部(4)隔离开、与第一平板电极(1a)相对且与第一平板电极(1a)隔离开;及
第二平板电极(2a),该第二平板电极(2a)设置于载物台上并且与第一平板电极(1a)相对,
其中所述压敏框架部(4)随着外加于第一基板(1)和第二基板(2,3)上的压力而产生弹性变形。
2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器,其特征在于:在所述部分压敏框架部(4)中形成有与所述第一平板电极(1a)相对的区域,在该区域中设置与所述第一平板电极(1a)相对的参照电极(2e)。
3.根据权利要求1所述的电容式压力传感器,其特征在于:所述第一基板(1)和第二基板(2,3)由蓝宝石、硅、玻璃或钻石构成。
4.根据权利要求1所述的电容式压力传感器,其特征在于:设有连接所述部分载物台和所述部分压敏框架部的桥接部(2d)、和引线(2b),该引线(2b)设置于该桥接部(2d)上且其一端与所述第二平板电极(2a)连接而另一端引出至所述电容室(7)的外部。
5.根据权利要求1所述的电容式压力传感器,其特征在于:所述第一平板电极(1a)设置为两个相互靠近布置的平板电极(1a-1,1a-2),该两个平板电极(1a-1,1a-2)分别与引出至所述电容室(7)外部的引线(1b)连接,所述第二平板电极(2a)设置为电悬浮状态。
6.一种电容式压力传感器的制造方法,其特征在于:包括下列步骤:
在第一基板(1)上形成凹部(7a)后,在该凹部(7a)内形成第一平板电极(1a);
在具有弹性的第二基板(2)的一个表面上形成一圈具有预定深度的槽(2c)后,在具有弹性的第二基板(2)的所述一个表面上直接结合第三基板(3),通过研磨所述第二基板(2)的另一个表面使槽(2c)暴露出,从而形成被所述槽(2c)包围的载物台(5),和在该载物台(5)上形成第二平板电极(2a);
通过直接结合所述第一基板(1)和所述第二基板(2)及第三基板(3)的一对构造而形成电容室(7),所述第一平板电极(1a)及第二平板电极(2a)在所述电容室(7)内相对。
7.根据权利要求6所述的电容式压力传感器的制造方法,其特征在于:进一步包括下列步骤:形成使设置于所述第二基板(2)上的部分槽的深度比设置于其它部分的槽浅;及
通过研磨在所述部分槽中设置的桥接部(2d)的同时,在该桥接部(2d)上形成一端与第二平板电极(2a)连接并且另一端形成向外部引出的引线(2b)。
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