TWI568999B - 具有改良的電極結構之電容式壓力感測器 - Google Patents

Description

具有改良的電極結構之電容式壓力感測器 相關申請案之交叉參考

此申請案係為以Steven D.Blankenship為名於2011年2月1日提出申請的美國專利申請案第13/018,941號，標題為電容式壓力感測器的部分延續申請案(代理人案號為086400-0056(MKS-217))；該申請案因此係基於並主張以Steven D.Blankenship為名於2010年2月2日提出申請的美國臨時專利申請案第61/300,620號，標題為“電容式壓力感測器”之優先權，並受讓與本受讓人(代理人案號為056231-0984(MKS-217PR))，前述申請案係以全文引用方式併入本案以為參考資料。

本揭示內容一般地係有關於電容式壓力感測器，更特定言之係有關於一改良的感測器其提供極為精確及準確的壓力之量測，特別是在極為低的(真空)的壓力下。

壓力轉換器已於大量的應用中使用。該一轉換器係為該電容式壓力計其提供極為精確且準確測量氣體、蒸氣或其他液體的壓力。應用包括真空式製程及半導體製程控制之精確控制。實例包括半導體蝕刻製程及物理蒸氣沉積製程。

電容式壓力計典型地使用(a)一可撓曲膜片形式或包括一電極結構以及(b)一固定的電極結構其係與該膜片隔開俾以於其間建立電容。位在膜片之一側邊上的壓力相對於位 在該膜片之相對側邊上該壓力的變化致使膜片撓曲以致介於該膜片之該電極結構與該固定電極結構之間該電容隨著此差壓而變化。通常，位在該膜片之一側邊上的氣體或蒸氣係為處於所測量的壓力(Px)，而位在該膜片之該相對側邊上的空氣或蒸氣係為處於一已知參考壓力(Pr)，後者係在大氣壓力下或是稍稍固定的高或低(真空)壓力，因此在膜片之該測量側邊上的壓力能夠隨著該電容測量而加以確定。

已經且持續地發展許多需要極低壓力(高真空)的應用導致對於能夠測量如此低壓的電容式壓力計的需求。然而，提出多種設計上挑戰增加電容式壓力計的靈敏度以在低壓下提供非常精確且準確的壓力測量。為了測量極低的壓力(高真空)，電容式壓力計需要在該可撓曲膜片與該固定電極結構之間極為窄的間隙，因此其能夠探測小的壓力改變。

使用極窄間隙的缺點在於與橫越該膜片之差壓的測量無關的該電極間隙之形狀上較小的改變亦係經探測。對於該電極間隙形狀的該等有害改變的其中之一者係為電極間隙間隔的改變。儘管於該產業通常實務上藉由使用雙重電極設計方法以降低在電極間隙間隔方面改變的影響，對於電極間隙間隔的良好控制提供感測器輸出之進一步強化的穩定性。當藉由使用窄電極間隙而能夠測量極低壓力(非常小的膜片撓曲)時，此係特別重要的。

電容測量係基於用於以平行板電容C的該廣為熟知的方程式： C=e_re_oA/s，其中C係為介於二平行板之間的電容，e_o係為自由空間的電容率，e_r係為介於該等平板之間該材料的相對電容率(用於真空，e_r=1)，A係為介於該等平板之間的共同區域，以及s係為介於該等平板之間的間隔。

基於此方程式，能夠衍生出針對每一測量電極電容方面的分數變化係等於負的電極間隙方面的分數變化之關係(△C/C=-△S/S)。

因而能夠立即地看到的是保持對於該電極間隙間隔良好的控制係為關鍵性的，為了提供對於每一測量電極之電容穩定的控制。於一簡單的雙重電極設計中，對於一已知的電氣測量技術，諸如利用任一數目之共用電橋設計以及其他的電氣測量方法而言，對於一平坦膜片及電極結構(每一者具有不同的真實平坦度值以及與真實平面的傾斜偏差)該等作用係經平衡成在零差壓下的一第一階。由於，感測器係經組配以測量極低的壓力(極小的膜片撓曲)，恰好平衡該等電極而無構成一穩定的電極間隙對於將壓力測量的不確定性降到足夠低的程度為了達到穩定探測最小壓力係不足夠的。

當電容式壓力計係經設計以探測在介於該固定電極結構與該膜片耐壓元件之間的位移變化時，其中一錯誤來源係與該固定電極結構之形狀及位置的任何改變有關，產生 與壓力無關的該感測器輸出中的改變。

為了維持該壓力測試系統之良好的精確度，必需控制感測器的關鍵性幾何形狀，其可有助於在該所需的系統精確度之範疇內感測器電容程度上的改變。

沿著可重複性與穩定性的該等線，針對先前技術箝制電極支撐型式的電容式壓力感測器，其中對於介於電極支撐件與感測器外殼之間的差膨脹，該等組件之間在溫度改變的行用下發生的任何滑動之該等影響並無容許度，以及有時周圍壓力的改變係為大的、組合的剪力之結果，該等剪力當其在任何的箝制接頭中超過該等摩擦結合力時隨後釋放。在該等非守恆力方面的改變導致機械式遲滯，以致該等相嚙合組件之該等相對的側向位置一般而言是不會重複且無法預測及補償。

一些示範性電容式壓力感測器構造係於美國專利第6,105,436號中加以說明。該等裝置利用獨立的或是一體成型的“順應式環圈(compliant ring)”以減輕或降低任何機械應變不致在電極盤總成與該感測器外殼之間形成。

前面提及的“一體成型的”順應式環圈進行一有效的作業在該電極盤與該膜片之間提供良好的對準，並降低該等電極結構中的機械應變；但仍受限於最低的實務徑向彈簧常數，其能藉由簡單地減小其之厚度而達成。

需要一電容式壓力感測器其能夠改良在低壓測量下電極間隙形狀控制，俾以改良該壓力計在該等低壓下的測量能力。

參考美國專利第7757563號；7706995號；7624643號；7451654號；7389697號；7316163號；7284439號；7201057號；7155803號；7137301號；7000479號；6993973號；6909975號；6735845號；6672171號；6568274號；6105436號；6029525號；5965821號；5942692號；5932332號；5911162號；5808206號；5625152號；5,271,277號；4,823,603號；4785669號及4,499,773號；以及美國專利公開案第20090255342號；20070023140號；20060070447號；20060000289號；20050262946號；20040211262號；20040099061號；皆受讓與本受讓人。

根據該改良的電容式壓力計的一個觀點，該壓力計包含：(a)一膜片其包括一共同電極以及(b)一電極結構其包括一中心電極及環圈電極，其中該膜片係可相對於介於(i)當在該膜片的每一側邊上該壓力係為相同時的一零位置與(ii)當該最大的可測量差壓係施用在該膜片上時的一最大差分位置之間的該電極結構移動，以及一膜片支撐結構其係經佈置俾以支撐該膜片因此該膜片相對於該電極結構受到限制，以及該共同電極係與該中心及環圈電極隔開並相對於該壓力計之一對準軸軸向地對準；以及一電極支撐結構其係經佈置以支撐該電極結構並包含一順應性環圈其包括至少三彎曲部分係一體成型於該環圈中並環繞該對準軸成角度地隔開； 其中該固定的電極結構係在該等順應性環圈彎曲部分之位置處相對於該膜片軸向地箝制在適當位置，因而構成該等主動測量電容。

該等，以及其他組件，步驟，特徵，目標，利益及優點現在由接下來的圖示具體實施例之詳細說明，以及伴隨的圖式，和該等申請專利範圍的檢閱而變得清晰。

現將討論圖示的具體實施例。此外可使用其他具體實施例或加以代替。顯而易見的或是非必要的細節可加以省略以節省空間或是為了更為有效的呈現。相反地，一些具體實施例不需所有之揭示的細節即可加以實踐。

根據本發明之一觀點，一系列的槽孔係配置在一體成型形式的順應性環圈中俾以消除箍應力(hoop stress)，產生一系列之獨立的彎曲部分考慮到不必進一步減少(徑向的)厚度即可降低在該電極盤支撐件處該徑向彈簧常數。如此有效地降低徑向彈簧常數以及在該電極盤與該感測器外殼之間最大可能的徑向剪力負荷，而仍維持此元件之一實務上可使用的厚度。

為了準確地測量最低的壓力，對於關鍵性的感測器幾何形狀係需改良的控制。利用於此說明的改良部分達成減少該電極結構之形狀對溫度與大氣壓力的最大可能改變。該等環境的影響皆提供該電極盤與該感測器外殼之間的徑向剪力負荷。

因為該電極盤典型地係為一陶瓷材料以及該感測器外 殼典型地係為金屬的，其之熱膨脹係數上的差異導致其在溫度變化時以不同的速率膨脹及收縮。甚至就熱膨脹係數接近地配合的材料而言，溫度梯度仍可導致在該電極盤與感測器外殼之間差膨脹。

介於周圍壓力與感測器操作壓力之間該差壓導致在感測器外殼中機械負荷及變形，儘管就在該測量電極結構中局部尺寸改變而言顯著地減少，但其中一些傳送到該內部總成，該等負荷能夠在該電極結構中導致小程度的機械應變及變形，除非引進一些縮減或隔離的形式否則其係在低範圍感測器輸出中係為顯著的。

根據於此說明的該等改良的一觀點，所提供的一結構其提升降低會以其他方式存在於該電極結構中的機械應變與剪力。

藉由設計該等順應性構件以在響應溫度與周圍壓力改變之後彈性地作動，並以降低的徑向彈簧常數提供提升徑向順應性，獲得一較寬的操作視窗以防備在電極支撐結構上的該等熱及機械負荷作用。如此在系統作業期間完成減少該電極結構之變形的形狀，因此提升該壓力測量系統的準確及穩定性，以及減少對該電極結構的形狀因環境因素而造成的任何潛在的非守恆改變，並因而維持該校準系統準確性。

當該等剪力超過在該電極盤與該感測器外殼之間的摩擦結合力時，該等剪力的改變及該電極結構之形狀接續的改變典型地係不可重覆的並且無法加以補償，所以降低該 等環境因素在電極盤與感測器外殼之間形成最大可能的剪力的影響係具關鍵性的。當該等剪力超過摩擦結合力時接著會在該電極盤與和該感測器外殼一體成型的該等順應性環圈彎曲部分之間發生滑動。

根據於此說明的該等改良之另一觀點，達成降低介於該電極盤與該感測器外殼之間最大可能的剪力負荷，以及降低在與該等作用有關的該感測器輸出中的任何轉移，因此減小由於該等非守恆的影響所造成的任何機械遲滯現象之強度。對於該電極結構之該形狀的最大可能改變係為降低，容許改良維持針對具最小電極間隙的該等最低壓力範圍的系統準確度。

該電極結構及膜片之形狀上的潛在改變包括電極盤之彎曲，電極盤的橫向帕松收縮(Poisson contraction)，在具有對於該膜片之形狀由零差壓至該儀器之操作壓力範圍中的任一壓力的隨後發生之改變的該電極支撐件的鄰近區域中該膜片之邊界的位置改變。

由於電容測量係直接地基於位在該電極間隙區域中所有點處介於該導體與相對於該膜片的該電極盤之該電介質之間的該間隙之大小，所以因該電極盤與該感測器外殼之間剪力的大小與改變所造成對該等個別電容的任何改變無法與因壓力的改變而對該等電容造成的改變加以區別。由於本發明減小該等剪力、應變及接著發生的該電極間隙之形狀的改變，所以本發明達成一更為穩定的電容測量並因而提供改良的穩定與準確之壓力測量。

提升包括增加操作溫度的範圍，改良校準精確度之維持，以及製造對比於溫度和大氣壓力具良好的精確度及改良的的壓力測量穩定性之較低範圍儀器的能力，而維持一強健的過大壓力能力。

參考該等圖式，於圖1中所示之電容壓力計10包括一外殼12其用於支撐固定電極結構14以及可撓曲膜片16。該外殼12可包括處理外殼段18及參考外殼段20，該二外殼段係藉由該可撓曲膜片16加以分開。該處理外殼段18包括Px蓋22。該參考外殼段20包括一環圈24及Pr蓋26。於該圖示的具體實施例中，參考外殼段20之該環圈24包括一中空腔室28用於以一預定的關係接收及支撐該固定電極結構14及可撓曲膜片16，因此其係維持在一穩定、隔開的關係分開一預定尺寸大小的間隙30。如圖所示，該固定電極結構14包括一由電絕緣材料製成的基板32，諸如一陶瓷材料，並構成為一堅硬、非可撓曲的結構。一唇狀件34能夠配置位在該基板32之周圍處，用於與配置位在該外殼12中的一間隔件環圈36的一肩部分嚙合，並利用鎖緊環圈38及一波形彈簧40牢固在適當的位置。可使用一或更多薄間隔件41合宜地將該電極間隙間隔設定至一預定的數值。此外，一或更多薄間隔件43可用以合宜地將該波形彈簧腔室高度設定至一預定的數值，為了將該箝制力設定至一與過度壓力能力之設計目標相一致的預定數值以及該摩擦結合力必需以和該共用的電極膜片16、外殼環圈24及徑向順應性間隔件環圈36的一穩定幾何形狀的關係箝制該電極盤 結構。於一具體實施例中，該基板32之尺寸與形狀係經如此構成以致當位設在該間隔件環圈36與該鎖緊環圈38之間時，該基板將精確地位設在該外殼12中，以致該固定電極結構14係位在中心軸42上的中心位置，在該基板32與該外殼環圈24和間隔件環圈36之間具有適當的徑向間隔。如此有效地降低介於該等電極與該金屬外殼24之間的雜散電容，以及針對於該電極盤之徑向位置中的一小改變而對該雜散電容的改變。該波形彈簧40係經設計以通過位在至少三位置處，環繞該軸42等角度地隔開120度，該徑向可撓曲的鎖緊環圈38及薄間隔件43接觸並在該固定電極結構14之該唇狀件34上施加一軸向力。相似地，該波形彈簧40係經設計在環繞該軸42移置120度的至少三位置處，當該壓力計10經完全地裝配時距與該固定電極結構14之該唇狀件34接觸的該等位置60度。該固定電極結構14亦包括一中心電極44相對於該中心軸42同中心地位設，以及一外電極46較佳地係為與該中心電極44及該中心軸42同中心的一環圈的形式。

可撓曲膜片16不是以一合適的傳導材料層或塗層構成就是提供具有該一層或塗層俾以構成一共同電極。膜片16係牢固至該外殼俾以在該膜片的一側邊上產生處理壓力(Px)室50以及在該膜片之另一側邊上之包含間隙30的參考壓力(Pr)室。應注意的是可在該可撓曲膜片與該參考外殼段20之間提供路徑(通過，例如，蝕刻間隔件之減小厚度部分)，容許在該間隙30與該外殼之該Pr部分的其餘部分之 間壓力均等。該膜片係牢固至該外殼俾以由該參考壓力室之該間隙30將該處理壓力室50密封，因此該二室能維持在不同的壓力下。能夠將待測量的氣體或蒸氣經由一氣體入口52，其界定在該Px蓋22的該部分中，引進處理室50。在正常作業下，電容壓力計10，其使用作為一絕對壓力感測器以及該參考腔室28(以及電極間隙30)係在真空下密封；以及於一具體實施例中，該參考外殼段20係配置具有一非可蒸發吸收劑真空泵54為了在該參考腔室28及電極間隙30中提供一極低的壓力(充分地低於該儀器之該最小解析度)。此係為該處理壓力所比較的該絕對真空參考。於此模式中，橫越該膜片之差壓係為一絕對壓力測量。另一可能的建構方法係在於在該參考外殼段20中使用一第二氣體入口取代吸收劑總成54用以在一參考壓力下由一來源，或是在周圍壓力下由周圍大氣壓力引進氣體進入該參考室。因此，包括間隙30的參考室包含位在預先定義的參考壓力下的氣體或蒸氣。應注意的是該二室可相反，因此參考壓力室使用作為處理壓力室，而處理壓力室使用作為參考壓力室，例如，其中該處理氣體係相對於該電極和於包括該間隙30的該室中提供的其他材料為惰性的。

中心電極44及外電極46較佳地係為配置位在該基板32之該表面上的平坦電極，因此該等電極較佳地係為均勻一致的厚度並且皆係置於相同的平面。針對中心電極44及外電極46各別地提供適當的電引線(未顯示)。於一具體實施例中，該共同電極膜片16係與外殼段20一體成型其係 為該電連接。另一可行的構造係針對膜片16的共同電極提供的一電引線(未顯示)。於該較佳的具體實施例中，針對該等測量電極在該基板32上提供電氣保護45為了控制電極邊緣電容，將對該外殼20的雜散電容降至最低以及在零差壓下調節雙重電極電容平衡。該等引線係適當地連接至一電容測量裝置(未顯示)。

當在該膜片的兩側邊上該壓力係為相同時，亦即為零差壓，膜片16較佳地係牢固在該外殼中以至由該共同電極所界定的平面大體上係與中心電極44及外電極46與電氣保護45之平面平行。當參考室中經由入口52引進該處理壓力室50的氣體或蒸氣係處於與該參考壓力不同的一壓力下時，膜片將撓曲並且在該膜片16之該共同電極與該中心電極44之間的電容將定義一與介於該膜片16之該共同電極與該外電極46之間該電容不同的電容。電氣保護45藉由阻隔在此區域中供雜散電容所用的通道降低在該等電極與金屬外殼之間寄生離散電容。應察知的是藉由利用如於圖1中所顯示介於該基板32之該主要直徑與外殼環圈24之間一大的、均勻一致的間隙；以及藉由如於圖1中所顯示在該電極盤之該周圍處配置一電氣保護45，由於該電極盤之潛在輕微的側向位移而造成該等雜散電容中的任何改變係為該感測器電容衝程的非常小部分，並因而容許更為精確測量差壓而未造成與該壓力測量不相關的該感測器輸出的改變。該處理壓力室50中的壓力因而係為介於該膜片16之共同電極與該中心電極44之間該測量電容以及介於 該膜片16之共同電極與該外電極46之間該測量電容的一函數。

就其本身而論，在該膜片的共同電極結構與每一中心及外電極44及46之間建立預先定義的電容，以致當在該膜片上該差壓係為零時，該結構界定一可測量的“基極(base)”電容。實務上，該基極電係為在該電極間隙處該主動電容與對於該外殼的雜散電容的總和。此外，當該膜片係暴露在最大可測量差壓下時，該膜片之該共同電極結構將相對於該等電極44及46撓曲俾以定義該感測器之“衝程(stroke)”。該感測器之該衝程的一測量係為該“電容”衝程，其係等於在該零差壓與滿刻度(full scale)差壓之間介於至該膜片16之共同電極的該中心電極44電容減去至該膜片16之該共同電極的該外電極46電容的差異。在該膜片撓曲中由零差壓至該滿刻度值的最大改變係為該膜片的變化範圍(span)。

界定該感測器之該範圍的其中之一主要參數係為該電極間隙間隔其係等於該膜片16之該共同電極結構的該平面(當位在該鬆弛的零位置時)與中心及外電極44及46之該平面之間該距離，標示在間隙30，在該外殼部分20(其包括該間隙30)之該參考室中具極低的壓力(真空參考壓力)，處於低於該處理室50中該儀器之該解析度。針對一已知的感測器構造，該“基極”電容係藉由該電極間隙間隔所建立。設計用於測量極低壓力(高真空)的電容式壓力計必需極為靈敏且能夠測量極小的壓力改變。因此介於該膜片16之該 共同電極的該平面與該中心及外電極44及46之該平面之間的間隔必需極小，因此該膜片撓曲的小改變能夠在響應該差壓方面小的改變之後加以探測。

將該間隙30製作得較小以使該壓力計10更為靈敏用於測量較小的差壓增加對於該電極間隙之該形狀上與測量橫越該膜片之差壓無關的改變之靈敏度。對於該電極間隙形狀的其中之一不利的改變係為該電極間隙間隔的一改變。儘管在業界藉由使用雙電極設計方法以降低該電極間隙間隔上改變的影響係為普遍的作法，但是對於該電極間隙間隔的良好控制，提供進一步提升感測器輸出的穩定性。當能夠藉由使用窄電極間隙進行測量極低壓力時，此係特別地重要。

由於目前需要測量越來越小的壓力，但目前的電容式壓力感測器並未擁有對於穩定測量極低壓力所需的固有的電極間隙穩定性。

本揭示內容說明一電容式壓力計，其中該裝置之結構提供介於該膜片與電極之間較大的穩定性，容許甚至更小的間隙並測量較低的差壓。於提供該一結構中改良了該感測器電極間隙的尺寸穩定性，特別是在正常作業狀況下以及特別地對照外在的影響諸如溫度、大氣壓力、過大壓力、機械衝擊與振動相對於該膜片的該電極盤對準。與新結構有關的主要參數包括電極間隙間隔、電極傾斜及電極扭曲。該等改良部分提供提升的能力容許當與先前技術之用以測量可比較的滿刻度壓力範圍的感測器比較時該轉換器 (亦即，該感測器及信號調節電子裝置提供一高位準直流輸出-未顯示)需要較少的電增益及顯現較低的電雜訊(由於較少的電增益)以及具有較好的零穩定性性能。如所提及，該感測器能夠提供具較低電雜訊以及較佳的全零穩定性性能的較低壓力範圍儀器的能力，包括但非限制在降低大氣壓力靈敏度(位於零壓力及加壓)，降低溫度係數以及降低零點漂移(zero drift)。

先前為達成介於該等電極與該膜片之間的一穩定、減小的間隙的努力包括將Pr環圈外殼壁製作得稍微薄試圖使電極盤唇狀件與該Pr環圈階梯部分接觸更接近該膜片支撐件。但是將Pr外殼壁製作得較薄使該階梯部分更接近該膜片支撐件將使感測器外殼(Pr環圈壁)減弱，容許在製程期間更多的扭曲及更進一步減弱Pr環圈階梯部分對比因熱差膨脹所導致該等力量所致使之扭曲，以及藉由改變在感測器上因大氣壓力及任何外在的機械負荷驅動的表面負荷之改變。

於圖2中，顯示先前技術壓力計與新改良壓力計比較的細節。在先前技術中，膜片74係環繞其之周圍在該等點的一位置處，其中之一係以62標示，牢固至環圈60。於一相似的方式中，該固定的電極結構64可藉由施用至該電極結構64的該周圍邊緣的一環狀盤(鎖盤)(未顯示)而固持在適當位置，並藉由在至少3個點處，其中的一點係以70標示，的該波形彈簧(於圖2中未顯示)提供的軸向力68而固持在適當的位置。如所見，該構造界定一立體角(solid angle) 其係構成在該膜片係附裝至該環圈60處的位置點62與施加該軸向力68以維持該電極結構在適當位置的位置的該位置點70之間。此角度係顯示為45度。距附裝該膜片處的該等點(諸如點62)之位置的該感測器之該軸(諸如於圖1中之軸42)的該徑向距離係為相同的，環繞該軸360度。

藉由建構及將該膜片及電極結構牢固在該壓力計中而達成本方法之該等優點，俾以將該膜片邊界(及支撐件)72更為直接地安置在該施加的箝制負荷下方，為了構成一更為直接的支撐件而非一懸臂式(非直接)支撐件。該完成的改良幾何形狀亦能以更分析性項加以說明，藉由定義由該膜片邊界支撐件72至供該電極盤所用的該Pr外殼支撐件同時位在介於該Pr外殼與間隔件66之間的該界面70處的交差點的該畫出線條角度α(見圖2及3)，相對於該膜片74之該平面。此幾何形狀的該等優點係為二折疊(fold)。首先且最重要地，當出現大氣壓力或是對Px蓋之該表面的其他外部施加的負荷改變時，針對作用在外部表面的一正壓該蓋在此負荷下形成弓形以及該蓋的外徑在該膜片邊界處擴大(尺寸增加)。此擴大扭曲該Pr外殼並且本質上導致該Pr外殼之該較低段的片刻轉動其可近似為該角度α 82的改變(見圖2)。如以上所提及，於在至少一先前技術壓力計中之此角度係在大約45度。該改良的壓力計係經設計俾以增加這角度至具有約60度到90度的一範圍的一數值。如於圖3中可見，對於小角度，諸如於先前技術的實例中(大約45度)，對於此角度的一改變，在該支撐件的高度上具有一相 對地大的改變△Y₁。針對大角度如於本設計的一具體實施例的一構造中(約75度)，針對該支撐件角度中的相同改變，對於固定電極結構在該支撐件高度上有一相對小的改變△Y₂。將降低此相對於膜片的該電極盤之支撐件高度上的改變轉換為改良的電極間隙間隔穩定性。第二，該新的幾何形狀之該等優點提供一較堅硬的支撐件，因此在電極盤的頂部處該施加的軸向負荷中之任何改變導致該支撐件高度上較小的改變以及其後改良的電極間隙穩定性。

如於圖2中以68顯示諸如藉由(圖1之)波形彈簧40所提供的波形彈簧力，可由於溫度上的改變，於該腔室中可由機械衝擊及振動所引起的該波形彈簧安裝與就座上的改變，同時以及由因大氣壓力改變而造成該Pr蓋26(於圖1中顯示)之撓曲所導致在該波形彈簧腔室高度上的改變而變化。於此所揭示的該改良結構提供該電極盤支撐件之改良的尺寸穩定性以及較大的軸向勁度(圖1的外殼環圈24以及間隔件環圈36)並降低其係由於藉由波形彈簧40施加的力量中的變化，在該電極間隙間隔上造成的改變。

於該改良的感測器中，該膜片因而係經建構並牢固俾以將該膜片邊界(於圖2中的元件符號72)更為直接地配置在該施加的箝制負荷(以元件符號68顯示)下方，為了構成一更為直接的支撐件而非一懸臂式(非直接)支撐件。如此具有增加介於由45度至一角度，該角度係位在顯著地降低在該膜片與該電極盤支撐件之間(圖1之外殼環圈24及間隔件環圈36)的軸向移動量的該等角度的一範圍中，該二組點 之位置之間的該角度的影響。提供最佳結果的該角度範圍係在大約60度上至90度之間。於此範圍內該實際的選擇係為在讓該電極間隙穩定性對使易於製造，高品質伸展的膜片之間的一設計折衷方案。一折衷方案係為該角度α 82(圖2及3)係大約為75度。

用於增加該角度的一製造技術係為以二部分方式構成該環圈，其中之一(Pr環圈24)者接近該膜片處具有減小的直徑以及另一者(間隔件環圈36)如於圖1中所示。該二部分可藉焊接或其他合適的方法牢固在一起。這提供為本發明所用之必要的幾何形狀並容許相對於該感測器外殼(Pr環圈24及Px蓋22)簡單地裝配該膜片16。

一進一步的改良係與徑向順應性的間隔件有關。圖5顯示一先前技術方法其中該等內部感測器部件係落在適當的位置以及該等上升墊(施加箝制負荷處)116係僅周圍地，而未徑向地相對於該中心軸100排齊。一壓力計可在諸如於圖5中顯示的情況下經裝配，其中該間隔件102係恰好在位置108處碰觸該Pr環圈106的內壁104，於該處該(3)箝制負荷(位在該上升墊處)的其中之一者係由該波形彈簧(未顯示)傳送。如圖所見在位置108處該電極結構之該部分係與該壁104隔開，而與位置108相對180度的該電極結構係在位置110處碰觸該Pr環圈106之該內壁104。

在先前技術感測器中利用此失準(misalignment)，當溫度下降且該Pr環圈106較該電極結構112收縮更快且更進一步時，由於該Pr環圈之該熱膨脹係數係較該電極盤之熱 膨脹係數為大，所以導致在感測器中的機械應變。該差收縮在該箝制負荷107(顯示在圖5之右側邊)的位置處產生一大的、徑向剪力，並可超過介於該電極結構112及該間隔件102間該摩擦箝制力，致使該電極盤滑動至一新的位置。在此新的裝配位置中一旦返回先前的溫度，該電極盤112即在點107處即遭受位於相反方向上的一大徑向力。此力偶扭曲該感測器，包括該電極間隙以及在該膜片張力上造成改變。該等改變在該壓力計的精確性上有不利的影響。

以上說明的改良式感測器利用一徑向順應性間隔件環圈(如於圖6及7中顯示的元件符號118)其係經設計因此僅有徑向定位的調整片120可碰觸該Pr環圈孔，以及該等上升墊(施加該等箝制負荷處)122總是具有一徑向間隙至該Pr環圈孔。如此，當溫度下降時，假若一徑向位設的調整片120碰觸到該Pr環圈之壁時，則該Pr環圈在一位置處驅動該間隔件之該定位的調整片，該位置係如圖7中該斷面視圖之右手側所顯示距支撐該電極盤的該等上升墊60度。該薄順應性間隔件之60度分段係為可撓曲的並相對地易於變形，因此僅可對該箝制接頭(位於圖6之右側邊處以元件符號140標示)施加小的側向力。如此消除了該感測器之偶發的力偶扭曲以及接續的在壓力計之精確性方面改變的任何可能性。

如於圖6中所顯示，該徑向順應性間隔件118包括徑向調整片120其經定位因此其當配置在該壓力計中時將該間隔件置於中心處。所顯示的3個調整片，有角度地間隔 開120度。該等調整片120係在該等位置122(於該實例中為3個)其間(於該實例中已知為，60度)移動，在該等位置處施加箝制負荷至該電極結構。

如於圖7中顯示，該徑向順應性間隔件118係安裝在該Pr環圈130中因此總是在該Pr環圈130之壁132與施加該箝制力的該等墊之間具有一空間。該間隔件仍可偶爾在該等徑向定位調整片處碰觸該Pr環圈壁(距於圖7中所顯示該斷面圖60度)。然而，由於具有一可撓曲的60度分段位在由薄間隔件材料製成的該定位調整片的任一側邊上其係不能箝制且自由移動，在安裝墊處施加至該電極盤的剪力係大大地降低。

參考圖8及9，所示該具體實施例係為一包含膜片160的電容式壓力計150。膜片160包括一共同電極(未完全地顯示)其係配置位在該膜片之一表面162上。壓力計150亦包括電極支撐結構170支撐一中心電極及環圈電極係配置在其之表面172上，該表面172與配置具有共同電極的該膜片的表面162相對。該膜片160可在(i)當在該膜片的每一側邊上該壓力係為相同時的一零位置與(ii)當對該膜片施加最大可測量的差壓時的一最大差位置之間相對於該電極結構移動。於圖8中所示該具體實施例的該電極支撐件包括一圓盤其具有周圍地圍繞該圓盤之該外邊緣而構成的一舌狀件174，顯示具有上及下舌狀件表面176及178。一膜片支撐件結構係經佈置俾以支撐該膜片，因此該膜片係相關於該固定電極結構受限制，以及該共同電極係相對於壓 力計之一對準軸而與該中心及環圈電極間隔開並軸向地與之對準。如於圖8的具體實施例中所示，該膜片支撐件結構包括P_R環圈182以及一P_x蓋184，其中該膜片160係圍繞其之周圍牢固在如以元件符號186所顯示的該二部件之間。

電極結構170係藉由包括彈簧188(較佳地為波形彈簧的形式)，環圈190，墊192及194以及順應性環圈200的電極支撐結構支撐於該P_R環圈182內。環圈200包括軸向槽孔202因此至少三彎曲部分204係於該環圈中一體成型，較佳地相對於一對準軸208圍繞著該環圈等角地隔開。該等軸向槽孔將該環圈中的箍環應力消除因此該等彎曲部分204係為相互獨立，其容許降低位在該等電極盤支撐件處的徑向彈簧常數而不必需進一步減少(徑向的)厚度。如此有效地降低該徑向彈簧常數以及在該電極盤與該感測器外殼之間最大可能的徑向剪力負荷而仍維持此元件實務上可使用的厚度。該舌狀件174之上與下舌狀件表面176及178在接收該箝制力的每一位置處分別地接收墊192及194。特別地波形彈簧188係經組配及配置俾以均勻地施以一箝制力206通過該環圈190墊176舌狀件174，墊178及該環圈200的每一彎曲部分204。該電極支撐件170係經配置俾以牢固在該二墊之間，以及該順應性環圈200係牢固在環圈182中並較佳地藉由焊接或其他技術諸如膠接(cementing)等而與之牢固。因此，該電極支撐件170係相對於該膜片160在每一彎曲部分的204的該等位置處經箝制於適當位 置。

藉由設計該順應性環圈200以彈性地操作以及提供具有降低的徑向彈簧常數之提升的徑向順應性，獲得一較寬的操作視窗以抗在該電極盤支撐件結構上熱及機械負荷影響。如此可達到在系統操作期間減少該電極結構的變形形狀，因此提升該壓力測量系統的精確性與穩定性，以及降低對於環境因素而對該電極結構的形狀所造成的任何潛在改變並因而保存該校準系統準確度。

進一步地，當在該等剪力超過介於該電極盤與感測器外殼之間該摩擦結合力時在該等剪力方面的改變以及接續在該電極結構之形狀上的改變典型地係非可重複的(並且無法補償)時，該順應性環圈200降低這些環境的因素在介於該電極盤與該感測器外殼之間形成的最大可能剪力上的影響。當該剪力超過該摩擦結合力時則在該電極盤170的該低舌狀件表面178與該順應性環圈200之該支撐件面210之間可能發生滑動，該順應性環圈係經牢固俾以相對於該感測器外殼與該膜片加以固定。

如於圖8及9中所建構，達成在電極盤170與包括環圈182的該感測器外殼之間最大可能的剪力負載，以及降低與該等影響相關的該感測器輸出方面的任何轉移，因此降低由於該等非守恆影響所造成的任何機械性滯後的程度。對於該電極結構之形狀的最大可能的改變係為降低的，容許改良保留對於具有最小電極間隙的該最低壓力範圍的系統精確性。

在電極結構以及該膜片之形狀上的潛在改變包括電極盤170之彎曲，該電極盤170的橫向帕松收縮(Poisson contraction)，在具有對於該膜片160之形狀(及張力)由零差壓至該儀器之操作壓力範圍中的任一壓力的隨後發生之改變的該電極支撐件的鄰近區域中該膜片邊界186的位置改變。

應明白的是可對所說明的該等具體實施例作不同的改變而未背離該等申請專利權範圍之範疇。例如，儘管該說明的具體實施例利用一具有一保護的雙電極，但仍可能利用其他的電極構態，包括一單一電極結構，以及具有二以上電極的多重電極結構。所顯示的該具體實施例係為圖示的並且可在該電極盤上具有任何數目之導體及導體型態。進一步地，該電氣保護及額外的導體能夠維持在信號接地，或是處於一些其他的電位。進一步地能夠主動地驅動該保護。假若主動地驅動，則為較佳的是該保護電壓及相位與該實體上相鄰電極之瞬間電壓及相位相配。

已論及的該等組件、步驟、特性、目標、利益及優點係僅為說明性的。該等部分無任一者，亦無與其相關的論述係意欲以任一方式限制保護的範疇。亦係可考量許多其他的具體實施例。其包括具有較少、附加的及/或不同的組件、步驟、特性、目標、利益及優點的具體實施例。亦包括其中該等組件及/或步驟係經不同地佈置及/或排序的具體實施例。

除非另有聲明，否則所有的測量、數值、評價、位置、 強度、尺寸以及於此說明書中，包括於接續的該等申請專利範圍中，提出的其他規格係為近似的而非確切的。其係意欲具有一合理的範圍而該範圍係與其有關的功能一致的，並且與業界習慣上與其有關者相一致。

已於本揭示內容中所引用的所有物件、專利、專利公開案以及其他公開案係於此併入本案以為參考資料。

當於一申請專利範圍中使用的慣用語“執行某一種功能的裝置(means for)”係意欲並應解釋為包含已加以說明的該等對應的結構及材料以及其之等效物。同樣地，當於一申請專利範圍中使用的慣用語“執行某一種功能的步驟(step for)”係意欲並應解釋為包含已加以說明的該等對應的動作以及其之等效物。於一申請專利範圍中缺少該等慣用語係意指該申請專利範圍並不意欲且不應解釋為限制在任一之對應的結構、材料或動作或是其之等效物。

不管是否於該等申請專利範圍中加以詳述，並無任何已陳述或是圖解者係意欲或是應被詮釋為用以導致專屬於公諸大眾任何組件、步驟、特性、目的、利益、優點或是等效物。

現僅藉由以下的該等申請專利範圍限制該保護之範疇。該範疇係意欲並應廣泛地詮釋為與當根據此說明書及所接續的專利申請歷史加以詮釋時，於該等申請專利範圍中所使用的語言之普通的意義相一致。

10‧‧‧電容壓力計

12‧‧‧外殼

14‧‧‧固定電極結構

16‧‧‧膜片

18‧‧‧處理外殼段

20‧‧‧參考外殼段

22‧‧‧Px蓋

24‧‧‧環圈

26‧‧‧Pr蓋

28‧‧‧中空腔室

30‧‧‧間隙

32‧‧‧基板

34‧‧‧唇狀件

36‧‧‧間隔件環圈

38‧‧‧鎖緊環圈

40‧‧‧波形彈簧

41‧‧‧薄間隔件

42‧‧‧中心軸

43‧‧‧薄間隔件

44‧‧‧中心電極

45‧‧‧電氣保護

46‧‧‧外電極

50‧‧‧處理壓力室

52‧‧‧氣體入口

54‧‧‧非可蒸發吸收劑真空泵

60‧‧‧環圈

62‧‧‧位置

64‧‧‧固定的電極結構

66‧‧‧間隔件

68‧‧‧軸向力

70‧‧‧界面

72‧‧‧膜片邊界支撐件

74‧‧‧膜片

82‧‧‧角度α

100‧‧‧中心軸

102‧‧‧間隔件

104‧‧‧內壁

106‧‧‧Pr環圈

107‧‧‧箝制負荷

108,110‧‧‧位置

112‧‧‧電極結構

116‧‧‧上升墊

118‧‧‧徑向順應性間隔件環圈

120‧‧‧調整片

122‧‧‧上生墊

130‧‧‧Pr環圈

132‧‧‧壁

140‧‧‧箝制接頭

150‧‧‧電容式壓力計

160‧‧‧膜片

162‧‧‧表面

170‧‧‧電極支撐結構

172‧‧‧表面

174‧‧‧舌狀件

176‧‧‧上舌狀件表面

178‧‧‧下舌狀件表面

182‧‧‧P_R環圈

184‧‧‧P_x蓋

186‧‧‧部件

188‧‧‧彈簧

190‧‧‧環圈

192,194‧‧‧墊

200‧‧‧順應性環圈

202‧‧‧軸向槽孔

204‧‧‧彎曲部分

206‧‧‧箝制力

208‧‧‧對準軸

210‧‧‧支撐件面

△Y₁‧‧‧支撐件的高度上改變

△Y₂‧‧‧支撐件的高度上改變

於該等圖式中：圖1係為併入於此說明之該等改良的一感測器之一具體實施例，沿著一感測器之該軸的一橫截面視圖；圖2係為圖1之該具體實施例的一部分之一更為詳細、橫截面視圖，顯示改良部分之幾何細節；圖3係為一幾何圖表用於圖示圖1具體實施例之一些幾何特徵；圖4係為在該感測器中使用的一間隔件的一俯視圖；圖5係為通過該感測器之一部分的一更為詳細、軸向橫截面視圖；圖6係為於圖7所詳述的該改良部分中所使用的該間隔件的一俯視圖；圖7係為圖1之該具體實施例之一部分的一更為詳細、橫截面視圖；圖8係為包含一順應性環圈的一電容式壓力計的另一具體實施例之一軸向橫截面視圖，部分切除；以及圖9係為圖8具體實施例之該順應性環圈的一透視圖。

該等圖式揭示圖解性具體實施例。其並未列舉所有具體實施例。除此之外可使用其他的具體實施例或是加以替代。顯而易見的或是非必要的細節可加以省略以節省空間或是為了更為有效的圖示。相反地，一些具體實施例不需所有之揭示的細節即可加以實踐。當相同的元件符號出現在不同的圖式中時，其係參考該等相同或是類似的組件或是步驟。

10‧‧‧電容壓力計

12‧‧‧外殼

14‧‧‧固定電極結構

16‧‧‧膜片

18‧‧‧處理外殼段

20‧‧‧參考外殼段

22‧‧‧Px蓋

24‧‧‧環圈

26‧‧‧Pr蓋

28‧‧‧中空腔室

30‧‧‧間隙

32‧‧‧基板

34‧‧‧唇狀件

36‧‧‧間隔件環圈

38‧‧‧鎖緊環圈

40‧‧‧波形彈簧

41‧‧‧薄間隔件

42‧‧‧中心軸

43‧‧‧薄間隔件

44‧‧‧中心電極

45‧‧‧電氣保護

46‧‧‧外電極

50‧‧‧處理壓力室

52‧‧‧氣體入口

54‧‧‧非可蒸發吸收劑真空泵

Claims (9)

1. 一種電容式壓力計，其包含：(a)一膜片，其包括一共同電極以及(b)一電極結構，其包括一中心電極及環圈電極，其中該膜片係可相對於介於以下所述之間的該電極結構而移動：(i)當在該膜片的每一側邊上該壓力係為相同時的一零位置與(ii)當該最大的可測量差壓係施用在該膜片上時的一最大差分位置，以及一膜片支撐件結構，其係經佈置俾以支撐該膜片使得該膜片相對於該電極結構受到限制，且該共同電極係與該中心及環圈電極隔開並相對於該壓力計之一對準軸軸向地對準；以及一電極支撐件結構，其係經佈置以支撐該電極結構並包含一順應性環圈，其包括至少三彎曲部分係一體成型於該環圈中並環繞該對準軸成角度地隔開；其中該電極支撐件係在該等順應性環圈彎曲部分之該等位置處相對於該膜片箝制在適當位置。
2. 如申請專利範圍第1項之電容式壓力計，其中該等彎曲部分係環繞該順應性環圈等角地隔開。
3. 如申請專利範圍第2項之電容式壓力計，其中該環圈包括構成於該環圈中的槽孔俾以在相鄰的槽孔對之間構成該等彎曲部分。
4. 如申請專利範圍第3項之電容式壓力計，其中該等槽孔係構成位在該彈簧之該軸方向上，並且係為等長。
5. 如申請專利範圍第1項之電容式壓力計，其中該電極支撐 件結構包括一彈簧，其係經組構以在每一彎曲部分之該位置處在該環圈上施加一軸向力。
6. 如申請專利範圍第5項之電容式壓力計，其中該彈簧係為一波形彈簧。
7. 如申請專利範圍第6項之電容式壓力計，其中該波形彈簧係經組構以在每一彎曲部分之該等位置處施加軸向力通過該電極結構。
8. 如申請專利範圍第7項之電容式壓力計，其中該電極支撐件結構進一步包括一對之支撐件墊，用於在該電極支撐件結構中支撐該電極結構，其中該波形彈簧在每一彎曲部分之該等位置處施加軸向力通過該支撐件墊及該電極結構。
9. 如申請專利範圍第6項之電容式壓力計，其中該電極支撐件結構包括一支撐件基板，其經佈置俾以支撐該環圈及該等中心電極。