CN105758579A - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种或多种反应性气体被引入到内和外电容式电极之间的一个或多个特定区域处的电容式压力计，从而正和负弯曲的导致误差的测量影响被抵消或最小化。此外，保护结构可用于电容式压力计的电极结构。保护结构呈现对于气体扩散进入到膜片内相对不敏感的一个区域，结果改变表面张力、曲率和偏转，从而提供压力计的零读数和压力读数的提高的或最佳的稳定性。保护件也可提供电极的静电隔离。

Description

压力传感器

本申请是申请日为2012年10月11日、发明名称为“压力传感器”的专利申请201280059759.6的分案申请

本申请要求于2011年10月11日提交的名为“压力传感器”的临时申请No.61/545,790号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及一种电容式压力传感器，并且更具体而言涉及一种改善的传感器，其尤其在非常低的(真空)压力下提供非常精确和准确的压力测量。

背景技术

压力换能器已经被应用在多种应用领域。一种这样的换能器是电容式压力计，其提供气体、蒸气或其它流体的非常精确和准确的压力测量。应用包括基于真空的工艺和半导体工艺控制的精确控制。示例包括半导体蚀刻工艺和物理气相沉积。

电容式压力计通常使用：(a)形成或包括电极结构的柔性膜片；以及(b)固定电极结构，其与膜片间隔开以便在其间建立电容。膜片一侧上的压力相对于膜片另一侧上的压力的变化导致膜片挠曲，使得膜片电极结构和固定电极结构之间的电容根据该压差而变化。通常，膜片一侧上的气体或蒸气处于所测量的压力(Px)下，而膜片另一侧上的气体或蒸气处于已知的参考压力(Pr)下，后者处于在大气压下或某些固定的高或低(真空)压力下，使得膜片的测量侧上的压力可以根据电容测量来确定。

已经并持续地开发需要极低压力(高真空)的许多应用导致对能够测量如此低压的电容式压力计存在需要。然而，增加在低压下提供非常精确和准确的压力测量的电容式压力计的灵敏度带来几项设计上的挑战。为了测量非常低的压力(高真空)，电容式压力计需要柔性膜片和固定电极结构之间的非常窄的间隙(“电极间隙”)，以便它们可以检测到压力上的微小变化。

使用非常窄的电极间隙的缺陷在于还检测到与横跨膜片的压差测量无关的电极间隙形状上的较小变化。对于电极间隙形状的这些不利变化的其中之一是通过与工艺相关的化学反应(例如气体分子或原子扩散进入到膜片表面内)所导致的膜片形状的变化。电容测量基于适于平行板电容C的众所周知的公式：

C＝e_re₀A/s(公式1)

其中：C是两个平行板之间的电容；

e₀是自由空间的电容率；

e_r是板之间材料的相对电容率(对于真空而言，e_r＝1)；

A是板之间的公共面积；以及

s是板之间的间距。

基于这一公式，可以推导出如下关系：对于每个测量电极而言，电容的分数变化等于负的电极间隙间距上的分数变化(ΔC/C＝-ΔS/S)。

因而可以很容易地看出为了对每个测量电极的电容提供稳定控制，保持对电极间隙间距的良好控制是很关键的。在简单的双电极设计中，对于给定的电测量技术，例如利用任意数目的公共电桥设计(例如惠斯登电桥)和/或其它的电气测量方法而言，这些作用对于平坦膜片和电极结构(每一个具有不同的真实平坦度值以及与真实平面的倾斜偏差)在零压差下的第一阶是平衡的。因为该传感器配置成测量极低压力(极小的膜片挠曲)，恰好平衡电极但并未构成稳定的电极间隙对于将压力测量的不确定性降低到足够低的水平以便实现最小压力的稳定检测而言是远远不够的。

当电容测量被设计成检测固定电极结构和膜片耐压元件之间的位移变化时，一个误差来源与膜片形状和位置的任何变化相关(因为其影响电极间隙)，其能够产生与压力无关的传感器输出的变化。

图1是在视图A和B中的侧视图和顶视图中分别示出现有技术电容式压力计100的一部分的视图。该装置包括与电极结构104间隔开的膜片102。电极结构104包括由间隙110分隔开的内电极106和外电极108。如视图B中所示，电极可以具有圆形配置。当在膜片102两侧上的压力之间存在压差时，如由替代位置102'所示，导致膜片偏转。

图2是在视图A和B中的侧视图和顶视图中分别示出现有技术电容式压力计200的一部分的视图。该装置类似于图1中所示的装置并且包括壳体201，其具有与电极结构204间隔开的膜片202。电极结构204包括由间隙210分隔开的内电极206和外电极208。壳体包括用于允许气体到达邻近膜片202区域的入口212。存在挡板214，以便控制气体进入到达邻近膜片202的区域。如图B中所示，挡板可以通过多根系链(tather)218而固定到壳体201。挡板214具有实心型材而没有内部特征件。在操作时，来自入口212的气体环绕挡板214前进，并首先到达膜片202的外缘。气体接着朝向膜片202的中心散布。

图3是在视图A至C中的侧视图和替代截面视图中分别示出现有技术电容式压力计300的一部分的视图。该装置类似于图2中所示的装置并且包括壳体301，其具有与电极结构304间隔开的膜片302。电极结构304包括由间隙310分隔开的内电极306和外电极308。壳体301包括用于允许气体到达邻近膜片302区域的入口312。存在挡板314，以便控制气体进入到达邻近膜片302的区域。如图B中所示，挡板包括以均匀分布的方式分布于挡板314的全部或大部分上的多个孔316。视图C示出挡板的另一种配置，其在挡板314的全部或大部分上具有均匀径向分布的孔316。

参考了以下美国专利：7757563；7706995；7624643；7451654；7389697；7316163；7284439；7201057；7155803；7137301；7000479；6993973；6909975；6901808；6735845；6672171；6568274；6443015；6105436；6029525；5965821；5942692；5932332；5911162；5808206；5625152；5271277；4823603；4785669和4499773；以及以下美国专利申请公开：20090255342；20070023140；20060070447；20060000289；20050262946；20040211262；20040099061；全部都转让给本公开的受让人。所有上述专利和专利公开的全部内容通过引用并入本文。

虽然这种现有技术的压力计可以适用于其预期目的，但是它们仍会容易出现瞬态测量误差，当与诸如氟原子等反应性气体一起使用时尤为如此。

发明内容

本公开的各方面通过提供挡板和/或电极结构来解决前面所提及的问题，所述挡板和/或电极结构可以减少和/或阻断由于压力以外的影响在电容式压力计中或给电容式压力计造成的瞬态膜片变形测量。

根据本公开的一方面，电容式压力计或电容式压力计组件包括：(a)包括导电材料的膜片；以及(b)包括内(或中心)电极和外电极的电极结构，其中所述膜片能够相对于电极结构在(ⅰ)当膜片每一侧上的压力相同时的零位置与(ii)当最大的可测量压差被施加到所述膜片时的最大差分位置之间移动；以及

(b)具有一个或多个孔的挡板，所述空白被配置成允许气体到达邻近所述膜片的区域，所述挡板将由于传感器输出的压力以外的影响而对膜片的表面变形造成的影响最小化。膜片、电极结构以及挡板可以被定位在适当的壳体内。

根据本发明的另一方面，一种电容式压力计或电容式压力计组件包括：

(a)包括导电材料的膜片；以及(b)包括内(或中心)电极、外电极和设置于所述内电极和所述外电极之间的保护结构的电极结构，其中所述膜片能够相对于电极结构在(ⅰ)当膜片每一侧上的压力相同时的零位置与(ii)当最大的可测量压差被施加到所述膜片时的最大差分位置之间移动；以及

(b)具有一个或多个孔的挡板，所述孔被被配置成允许气体到达邻近膜片的区域并且在策略上相对于保护结构定位，所述挡板将由于传感器输出的压力以外的影响而对膜片表面变形造成的影响进一步最小化。膜片、电极结构以及挡板可以被定位在适当的壳体内。

可以提供电容式压力计或压力传感器的示例性实施例，其中传感器入口和挡板中的槽的配置(例如，形状，特征件的定位，和/或表面磨光和处理等)平衡或有助于平衡由于反应性气体进入传感器内并与膜片进行反应而在时间和效果方面在内电极和外电极上造成的不利影响。

现在从示例性实施例的以下详细描述、附图和权利要求的审阅将明了这些以及其它组件、步骤、特征、益处和优点。

附图说明

附图公开了示例性实施例。其并未阐述所有实施例。可另外或替代地使用其它实施例。可以省略显而易见的或非必要的细节以节省空间或为了更为有效的图示。相反，可在没有公开所有细节的情况下来实践一些实施例。当相同的附图标记出现在不同的附图中时，其指代相同或相似的组件或步骤。

当结合在本质上被视为是说明性的而并非是限制性的附图一起阅读时从以下描述可以更全面地理解本公开的各方面。附图没有必要按比例绘制，而是将重点放在本公开的原理行。在附图中：

图1示出了现有技术电容式压力计一部分的顶视图和侧视图；

图2示出了另一现有技术电容式压力计一部分的侧视图和截面视图；

图3示出了另一现有技术电容式压力计一部分的侧视图和替代截面视图；

图4示出两幅视图(A-B)，其中包括现有技术电容式压力计的电极结构和膜片，描绘在不同时间的膜片瞬态变形(图A)，以及相关测量误差的曲线图(图B)；

图5是示出了根据本公开的电容式压力计组件的示例的侧视图的图，所述电容式压力计组件包括膜片、挡板以及包括保护结构的电极结构；

图6是示出了根据本公开的电容式压力计组件的另一示例的侧视图和截面视图的图，所述电容式压力计组件包括膜片、挡板以及包括保护结构的电极结构；

图7A是根据本公开的用于电容式压力计的电极和保护结构的示例的示意性顶视图；

图7B是根据本公开示例性实施例的用于电容式压力计的电极和保护结构的示意性顶视图；

图8是根据本公开的用于电容式压力计的电极和保护结构的另一示例的示意性侧视图；

图9A-9B示出了根据本公开的电容式压力计组件的电极结构和膜片的两幅视图，描绘在不同时间处的膜片瞬态变形；

图10是根据本公开的用于电容式压力计的电极和保护结构的另一示例的示意性侧视图；

图11是根据本公开的用于电容式压力计的电极和保护结构的又一示例的示意性侧视图；以及

图12是根据本公开的电容式压力计的又一示例的切断示意侧视图。

虽然在附图中描绘了某些实施例，但是本领域的技术人员应该意识到的是所描绘的实施例是说明性的，并且可在本公开的范围内设想和实现对所示实施例以及本文所述其它实施例的改变。

具体实施方式

本公开的各方面涉及包括计算机软件程序产品的设备、系统、方法和技术，其可有利于对电容式压力计的配置、操作和/或控制，所述电容式压力计对于压力测量而言具有改善的精确性和/或稳健性。

如在下面相对于附图所详细描述的，本公开通过提供挡板和/或电极结构来解决前面所提及的问题，所述挡板和/或电极结构可以减少和/或阻断由于压力以外(例如与以一种或多种反应性气体相互作用而产生的那些)的影响而在电容式压力计中或给电容式压力计造成的瞬态膜片变形测量。

图4示出两幅视图(A-B)，其中包括电容式压力计的电极结构和膜片，描绘在不同时间处的膜片瞬态变形(图A)，以及相关测量误差的曲线图(图B)。在图A中，示出了膜片402定位于电极结构404和挡板410之间。电极结构404包括内电极406和外电极407，所述内电极406和外电极407设置于平坦表面上并由间隙408分隔开。标示中心线420。挡板410具有或邻近槽或孔口412，所述槽或孔口412被配置成允许气体到达邻近膜片402的区域。如图所示，孔口412位于膜片402的径向外周附近。在附图中省略了压力计的其它特征，例如壳体、入口等。

在操作中，当允许反应性气体通过孔口412并且到达邻近膜片402的区域时，则邻近孔口412的膜片表面会经受随时间变化的不同变形程度，如图所示对于t＝1至t＝9时间而言。可通过反应性气体扩散进入到膜片表面内而导致这种表面变形。这种反应性气体的示例包括但不限于氟分子或原子、六氟化硫、以及包括这种气体的气体混合物。当然其它的反应性气体也可以造成压力计膜片随时间的这种变形，并且本公开旨在处理任何或全部的这种反应性气体。如图A中所示，表面变形可以在膜片表面上扩展，最终达到稳定状态。

继续参照图4，视图B示出每一反应性气体暴露以及随后排空到图A中所示压力计标示的时间t＝1至t＝9下的高真空(低压)之后的相应零误差读数。示出真空状态的输出信号。零误差的两个不同值标示为e₁和e₂。

如图4中所示，当电容式压力计的膜片暴露于一种或多种反应性气体时，气体分子可以扩散进入到膜片的分子结构内。这种扩散可以改变在引入气体的区域中的膜片表面的张力(例如，外部50至100埃)。这会导致膜片弯曲，这反过来又会影响由压力计的电极所测量的电容。结果，该电容变化可表现为压力变化。该偏转可能是瞬态问题，出现于气体最初被引入并扩散进入到膜片内的期间。一旦气体已扩散到膜片的外部部分内，则不会发生进一步扩散。此外，当气体扩散至整个膜片表面时，表面便形成恒定张力，在零压力下返回到更均匀的形状，例如，接近平坦的形状。有关瞬态测量误差的该过程可以不利地影响所使用的压力计的操作，例如，用于半导体器件制造的蚀刻工艺和物理气相沉积等。

作为补偿上述这种瞬态问题的一种方式，本公开的一方面给电容式压力计的电极结构提供一种保护结构。所述保护结构(或简单地称为“保护件”)可以具有对于气体扩散进入到膜片内相对不敏感的一个或多个区域；使得测量不到或较低程度地测量到在电极间隙内具有随后局部变化的膜片的最终变化曲率(由于改变的表面张力)，从而提供压力计的零读数和/或压力读数的提高的或最佳的稳定性。该保护结构还可以提供两个或多个电极的静电隔离。

作为补偿上述瞬态问题的另一种(或附加)方式，本公开的另一方面提供用于将一种或多种反应性气体通过挡板的一个或多个区域(例如挡板槽)引入到电容式压力计，所述挡板的一个或多个区域(例如挡板槽)相对于该压力计的相关电极结构配置在一个或多个期望的位置内。例如，一个或多个挡板槽可以被配置成将气体引入到压力计膜片的一个或多个区域，所述一个或多个区域邻近于在保护结构和/或内部和外部电容电极之间的一个或多个相应的保护区域或直接位于相应保护区域的上方，使得正弯曲和负弯曲的误差导致影响被抵消或最小化。保护区域可以是由保护结构和/或电极之间的间隙或间距所形成的电极结构的区域。对于另一示例而言，一个或多个挡板槽可以被配置成将气体引入到压力计膜片的一个或多个区域，所述一个或多个区域邻近于压力计电极结构的一个或多个电极或一个或多个保护装置或直接位于压力计电极结构的一个或多个电极或一个或多个保护装置的上方。据信在挡板槽正下方或邻近挡板在t＝0时之后不久达到峰值膜片曲率，然后随着时间的推移，膜片表面接近均匀饱和；然后膜片便“稳定”。如上所述，当膜片的整个表面饱和时便不再有瞬态问题。其中气体被引入的区域的特定模式能够受到气体入口几何形状的影响。例如，通过传感器中心的管的气体入口可以与电极结构的一种配置一起使用，而另一电极几何形状可以有利地用于另一入口几何形状。

图5是示出根据本公开的电容式压力计(或电容式压力计组件)500一部分的图，以详细视图示出膜片、挡板以及具有保护结构的电极结构。装置500包括位于电极结构504和挡板514之间的膜片502。挡板514具有允许气体到达邻近膜片502的区域的一个或多个孔518。电极结构504包括内电极506和外电极508。在使用时，膜片502形成内电极和外电极(其可有效地形成内电容器和外电容器)的公共电极。膜片可以使用特定的或专用的结构来用于一些实施例的公共电极。电极和/或膜片可以电连接作为电路的一部分(未示出)，例如基于膜片502的偏转形成适于电容测量的电桥。任何适当的导电材料可以用于电极，例如，铜、银、包括上述的合成物等。保护结构或保护件510位于内电极506和外电极508之间，例如，如图所示位于间隙512内。电容式压力计组件500还可以包括支撑结构(未示出)，所述支撑结构被布置成支撑膜片502，使得膜片502(更具体地为膜片502的周边)相对于电极结构504受到限制。虽然示出了压力计500的一个挡板，但是在一些实施例中可以使用两个或多个挡板。

保护件510形成将内电极506和外电极508分隔开且不有助于电容测量的电极结构的一个分区或区域。保护件510和孔516可以被配置成使得保护件510和孔516大致中心重合并且彼此相对。如本文所示和所述的膜片可以由任何适当的材料制成。在示例性的实施例中，可以使用所谓的超合金。示例包括但不限于哈氏合金(Hastelloy)、因科镍合金(Inconel)、镍基高温合金(Waspaloy)、雷内合金(Renealloys)(例如Rene41，Rene80，Rene95，Rene104)、海恩斯合金(Haynesalloys)、耐热镍铬铁合金、MP98T、TMS合金以及CMSX单晶合金。在一些其它实施例中，例如可在膜片的参考侧上使用适当的不锈钢合金、矾土或钯玻璃。为了易于理解，示出简化的电连接。

图5中所示的结构配置可以提供各种益处。例如，通过增加内电极506和外电极508之间的距离，可以增加压力计500的压力灵敏度。对于另外的示例而言，相对于电容测量，通过呈现非作用区域的保护件510，如果不是所有的误差将通过邻近孔516的区域(即，首先接纳进入气体的膜片区域)中的膜片瞬态变形而引入，装置有效地忽视大部分。由于初始峰值瞬态由保护件510屏蔽，并且电极间隙间距上的变化通常由内电极506和外电极508随着时间的推移进行平衡，可以减小测量误差。当然，虽然图5中示出保护件510，但是在替代实施例中，可以省略保护件510，并且孔516与间隙512大致或精确地中心重合。

图6是示出根据本公开的包括膜片、挡板以及具有保护结构的电极结构的电容式压力计600一部分的侧视图和截面视图的图。装置600包括具有与电极结构604间隔开的膜片602的壳体601。电极结构604包括由保护件610分隔开的内电极606和外电极608。结构可以具有如图所示的圆形配置。如图所示，壳体601可以由任何适当的材料构成，并且被配置成允许气流616通过入口618而允许气体到达邻近膜片602的区域。壳体601还可以包括或提供支撑结构，所述支撑结构被布置成支撑膜片602以便使得膜片602的周边相对于电极结构604受到限制。挡板612呈现为控制气体进入到达邻近膜片602的区域。挡板612包括一个或多个孔614，其在策略上相对于保护件610定位。例如，孔614的中线可以与保护件610的中线(或多或少)中心重合。如前面所述，这种配置可以有助于减小由于膜片602的瞬态表面变形所造成的测量误差。

在图A中所示的截面A-A示出在两个电极606和608之间具有相对宽的保护件610区域的电容式传感器600。在图B1中，截面B-B示出挡板612，其具有成环形槽以允许气体进入到保护件610上方的区域内，而在图B2中，截面B-B示出了挡板612，其具有成环形的圆形孔614，以允许气体进入到保护件610上方的区域内。

虽然前面的示例已描绘电极和保护结构为圆形，但是这些结构可以具有其它形状，例如，具有锯齿或线性特征的那些形状和/或可具有所需配置的弯曲特征。图7A是根据本公开的具有电容式压力计的平滑锯齿形特征的电极和保护结构700A的示意性顶视图。电极结构700A可以包括在其间设置保护件706A的内电极702A和外电极704A。如图所示，可以根据需要来选择内电极702A的周边，例如，具有平滑锯齿形的周边。如图所示，保护件708A的内周边可以互补的方式配置。外电极704A的内周边和保护件706A的外周边可以可选地以类似的方式进行配置。在示范性的实施例中，外电极704A可以具有平滑的锯齿形特征，或者其可以具有蜿蜒形状，以增加在其上进行电容测量的径向宽度(或距离)；这类形状可有助于均衡内电极和外电极之间的相应时间，在该相应时间期间每个电极都由于膜片曲率以及偏转改变而经历电容改变。

类似于图7A的其它示例可以包括使用所需形状或轮廓，例如在导体周边处的平滑流畅线条，例如具有蜿蜒形状的外电极，以及内外电极之间的区域以及位置，例如外电极径向外侧的保护件。图7B是根据本公开的具有电容式压力计(或压力计组件)的平滑流畅特征的电极和保护结构700B的示意性顶视图。电极结构700B可以包括保护件706A定位于其间的内电极702B和外电极704B。如图所示，可根据需要来选择或设计内电极702B的周边，例如，具有平滑流畅的周边。如图所示，能够(但不一定)以互补的方式配置保护件706B的内周边。外电极704B的内周边和保护件706B的外周边可以任选地以类似的方式进行配置。如图所示，外电极704B可以包括或具有非连续电极形状，其具有第一端部和第二端部，其中第一端部和第二端部分隔开。外电极704B可以由间隙712与例如保护件706B的周围或邻近结构分隔开。

图8是根据本公开的电容式压力计800的电极和保护结构的又一示例的示意性侧视图。电容式压力计800类似于图6中所示的装置，并且包括具有与电极结构804间隔开的膜片802的壳体801(具有与图6中所示不同的形状)。电极结构804包括由保护件810分隔开的内电极806和外电极808。结构可以具有如图所示的圆形配置。如图所示，壳体801被配置成允许气流通过入口818而允许气体到达邻近膜片802的区域。挡板812呈现为控制气体进入到达邻近膜片802的区域。挡板812包括一个或多个孔814，其在策略上相对于保护810定位。例如，孔814的中线可以与保护件810的中线(或多或少)中心重合。如可在图8中所看到的那样，内壁形状可以为气体流入到压力计膜片部分内的重要因素或影响，特别是由于气体可以为分子流(其中与彼此撞击的情况相比气体分子更可能撞击壁)。

图9A-9B示出了根据本公开的电容式压力计组件900A-B的电极结构和膜片的两幅视图，描绘了膜片在不同时间处的瞬态变形；在图9A中，组件900A被描述成由引入反应性气体而产生的膜片变形经历依赖于时间的第一系列的轮廓(1-5)，而在图9B中，示出依赖于时间的第二系列的轮廓(1-5)。在图9A-9B这两幅附图中，压力计组件900A-B包括沿纵向(或对准)轴线与包括外电极904、保护件906和内电极908的电极结构903间隔开的膜片902。膜片可以充当外电极904和内电极908的公共电极。压力计组件900A-B可以具有相对于中心线910对称的半径，如图所示。挡板912可以用于该组件，并且可以包括一个或多个入口或孔914，以允许气体进入到压力腔(“Px”)920内，所述压力腔部分地由压力腔体922(其可包括挡板912)所限定。电容式压力计组件还可以包括支撑结构(未示出)，所述支撑结构被布置成支撑膜片902，使得膜片902相对于电极结构903受到限制。如图9A中所示，压力腔体922可以被配置成呈现跨越膜片902的均匀深度(由L1表示)的高压室或压力腔920。在其它情况下，压力腔体922可以被配置成呈现跨越膜片902的以非均匀深度而变化(由L2和L3表示)的高压室或压力腔920。当然，虽然图9B中示出非均匀深度(即，阶梯形轮廓)，但是在在本公开的范围内也可以使用其它配置，例如具有所期望的线性斜率，所期望的指数轮廓，或任何其它期望的轮廓。

如图9A中所示，尽管挡板孔914可以例如相对于保护件906的中心线916大致中心重合时，但是挡板孔914可定位于保护件中心线916的内侧或外侧(例如，在中间的三分之一以内，或保护件的其它位置内)，以操纵膜片902的曲率和偏转的改变时序和内电极904和外电极908之间的电容变化。在图9A中示出孔中心线918的代表性位移“h”。在图9B中，保护件中心线916示出为与孔中心线918相一致。

如图9B中所示，Px腔体922的形状可以根据需要来设计，例如具有随与中心线910的径向距离而改变的壁轮廓，以加快或减慢反应气流，并且因此操纵膜片曲率和偏转。从挡板912中的孔914径向向外流动的反应性气体通过在Px腔中形成的缩窄通道通(示出为锥形，但也可以使用其它几何形状)，然后进入狭窄通道(由Pxcavo表示)，其将形成膜片902的较大曲率和偏转的反应性气体集中，同时减慢反应性气体流。径向向内流动的反应性气体向外扩散进入到更深的高压室(由Pxcavi表示)并加速，降低反应性气体在膜片表面处的集中，减少膜片曲率和偏转中导致的改变。据信以此方式产生相对于高压室或压力腔室高度(例如，薄相对于深通道)的在径向方向上的反应性气体的速度，因为对于非常小的间隙而言，当反应性气体在径向方向上流动时，实质上被金属表面“吸气”(或吸收/吸附)。气体分子在腔中针对其特定分子量和温度而以音速行进。反应性气体分子通常在“吸附波前”的附近可经受的与壁的碰撞要多于它们在超过该波前更大距离处与壁的碰撞，由于吸附并且然后扩散进入到金属表面内而消耗反应性气体。这基本上形成在腔中的反应性气体径向流动的有效速度。对于深的高压室而言，可能存在更多的分子行进通过波前并进一步径向沿着壁撞击壁，以及此外更多的分子沿着壁的平行方向。当存在非反应性及反应性气体的混合物时，所述非反应性气体不在波前处被“吸气”并沿腔更快地行进。从压力腔920的形状所产生的这些影响可以用于操纵膜片902的整体时序和偏转，并减少和/或减轻非压力对压力计传感器900A-B输出上的影响。此外，还可以改变体壁的表面磨光或表面化学以影响挡板和膜片周围的气体流。

图10是根据本公开的用于电容式压力计的电极和保护结构1000的另一示例的示意性侧视图。电极结构1000类似于图5中所示的电极结构，但包括额外的保护件。装置结构包括位于电极结构1004和挡板1014之间的膜片1002。如图所示，挡板1014具有一个或多个孔1016以允许气体到达邻近膜片1002的区域。电极结构1004包括内电极1006和外电极1008。第一或内部保护件1010位于内电极1006和外电极1008之间。内保护件1010形成将内电极1006和外电极1008分隔开且不有助于电容测量的电极结构的一个分区或区域。内保护件1010和孔1016可以被配置成使得内保护件1010和孔1016大致中心重合并且彼此相对，例如，如图所示有相对于半径r。如图所示，也可以存在第二或外保护件1012，以进一步降低测量误差。为易于理解示出简化的电连接。

图10中所示的实施例可以具有用于电极电压同相的应用的特别优势。对于这样的应用而言，保护电压可精确地遵循电极电压。

图11是根据本公开的电容式压力计1100的电极和保护结构的又一示例的示意性侧视图。电容式压力计1100包括壳体1101，其包括膜片1102、入口1103、以及用于测量允许到达装置的气体压力的电极和保护结构1104。电极和保护结构1104包括在结构1104表面上的由两个保护件分隔开的内电极1106和外电极1108、内保护件1110和外保护件1112。内保护件1110和外保护件1112由一个或多个间隙1111分隔开。也可存在周边保护件1114。挡板1120在所需的关键位置处具有一个或多个孔1122。为易于理解，示出简化的电连接。

如图11中所示，对于电极和保护结构1104而言，内保护件1110和外保护件1112之间的间隙1111可以(或多或少)沿着孔1122的中线1124对准。结果，除了内保护件被分成两个保护件之外，电极和保护结构1104类似于如图10中所示和所描述的那样。

图11中所示的实施例可以具有用于电极电压异相180°(例如，如在典型的变压器电桥前端内)的应用的特别优势。对于这样的应用而言，内保护件电压可以精确地遵循内电极电压，而外保护件电压可以精确地遵循外电极电压。

图12是根据本公开的具有正在经受表面变形的膜片的电容式压力计的结构1200的一部分的详细侧视图。结构1200类似于图11的压力计1100，并包括膜片1202、电极及保护结构1204、以及具有一个或多个孔1216的挡板1214。电极和保护结构1204包括由内保护件1210和外保护件1212分隔开的内电极1208和外电极1208。内保护件1210和外保护件1212通过间隙1220而分隔开。内保护件1210和外保护件1212之间的间隙1220可以(或多或少)沿着孔1216的中线1218对准。

如由膜片1202的虚轮廓线所示那样，当允许例如氟原子的一种或多种反应性气体到达压力计结构1200时，膜片可以达到变形形状。如先前所述，这种变形可能是瞬态的并且可能存续一段时间，达到稳态状况。变形后的形状可以导致膜片的一部分相对于电极和保护结构1204的平面(或表面)的正和负位移。例如，如图所示，膜片可以达到类似于正弦函数或第一类贝塞尔函数的表面轮廓。通过如图所示定位内保护件和外保护件以及间隙1220，在压力计1200的操作期间，可以将由所变形的膜片产生的测量误差减小或最小化。

挡板槽可以直接定位在保护环的中心(或大致如此)，以集中峰值曲率以及膜片在未被测量位置处的相应轴向偏转。示例性的实施例可以仅利用一个挡板。不需要第二个挡板，但仍然可以使用两个或多个挡板。对于示例性实施例而言，挡板可以使用单个圆周槽，或者形成小量的槽，例如0.10英寸宽。

优势：

本公开的示例性实施例可以提供以下的一个或多个优势：

使用相对厚的较高张力膜片可以提供由较硬的元件抵制由工艺改变膜片材料的极薄层所导致的膜弯曲应变；从而减少膜片曲率的整体改变。

降低制造成本。

最大化或增加压力敏感度。

减少由于挡板槽孔位置而由工艺改变(导致)膜片变形而产生的测量误差，所述挡板槽孔位置集中峰值曲率以及膜片在未被测量位置处的相应轴向偏转。

通过使用较小的电极间隙而保持足够的基础(base)电容。

破除使用陷阱的需要。

减少系统的时间常数，相比于先前技术可以提供更快的系统响应。

示例性实施例：

本公开的示例性实施例可以包括电容式压力计或电容式压力计组件，其包括：

(a)包括导电材料的膜片；以及(b)包括内电极或中心电极以及外电极的电极结构，其中所述膜片能够相对于电极结构在(ⅰ)当膜片每一侧上的压力相同时的零位置，与(ii)当最大的可测量压差被施加到膜片时的最大差分位置之间移动；以及

具有一个或多个孔的挡板，所述孔被配置成允许气体到达邻近膜片的区域，所述挡板使得由于压力以外的影响而对膜片的表面变形造成的影响最小化。

挡板中的一个或多个孔可以被配置成与膜片上的电极之间的间隙对准。

超合金可以用于压力计的膜片。

本公开的另一示例性实施例可以包括电容式压力计或电容式压力计组件，其包括：

(a)包括导电材料的膜片；以及(b)包括内电极或中心电极、外电极和设置于内电极和外电极之间的保护结构的电极结构，其中所述膜片能够相对于电极结构在(ⅰ)当膜片每一侧上的压力相同时的零位置，与(ii)当最大的可测量压差被施加到膜片时的最大差分位置之间移动；以及

具有一个或多个孔的挡板，所述孔被配置成允许气体到达邻近膜片的区域。

保护结构可以包括连续的保护件或由间隙分隔开的内保护件和外保护件。

保护结构可以包括第三保护，其以与电极结构的中心相距更大径向距离的方式邻近外电极设置于所述电极结构上。

挡板的一个或多个孔可以被配置成与电极和/或膜片上的保护结构之间的间隙对准。

超合金可以用于压力表的膜片。

已经论述的部件、步骤、特征、目的、益处和优点仅仅是说明性的。它们以及与其相关的论述都不意旨以任何方式限制保护范围。也可以考虑许多的其它实施例。这些包括具有更少、附加的和/或不同的组件、步骤、特征、目的、益处和优点的实施例。这些还包括其中组件和/或步骤以不同的方式布置和/或排序的实施例。例如，虽然在本文中以双电极电容式压力计的内容描述实施例，但是本公开的其它实施例适用于单个电极压力计。

此外，虽然在本文中描述了各种材料和/或部件，但是当然其它合适的材料和/或部件也可以额外使用或代替所述的那些使用。

此外，本文中所述的方法、步骤、过程和/或算法可以利用合适的计算机系统、计算机设备、和/或计算机处理器(例如，CPU或图形处理单元或等)来实施，或在合适的计算机系统、计算机设备、和/或计算机处理器(例如，CPU或图形处理单元或等)中来实施，或通过使用合适的计算机系统、计算机设备、和/或计算机处理器(例如，CPU或图形处理单元或等)来实施；并且，其可以实施或使用存储单元或存储位置，所述存储单元或存储位置可以为或包括所制造的制品，包括非临时性机器可读存储介质；以及嵌入到机器可读存储介质中的可执行程序指令，当由可编程计算设备的处理器执行时，可编程计算设备配置成实施、执行或控制方法、步骤、过程、和/或算法的性能。例如，如本文中所述的电极和膜片结构可基于在连同合适的通信网络配置的合适计算机系统上运行的计算机辅助绘图软件的协助而予以实施或单独实施。对于另一示例而言，如本文中所述的电容式压力计的测量电子装置可连接到合适的通信网络，例如，用于校准和/或测量。

除非另有说明，否则所有的测量、数值、评价、位置、幅度、尺寸以及在该说明书中提出的其它规范，包括随后的权利要求，是近似的而非确切的。它们意旨具有一合理的范围，且该范围与其相关的功能一致，并且在它们所属的领域中与业界惯例一致。已在本公开中引用或呈现的所有文章、专利、专利申请和其它出版物通过引用并入本文。

Claims (15)

1.一种电容式压力计组件，包括：

膜片，所述膜片包括导电材料；

电极结构，所述电极结构包括内电极、外电极以及设置于所述内电极与所述外电极之间的保护结构，所述保护结构减小所述电极结构对反应气体扩散进入到所述膜片的区域上的敏感度，其中所述膜片能够相对于所述电极结构在(ⅰ)当所述膜片的每一侧上的压力相同时的零位置，与(ii)当最大的可测量压差被施加到所述膜片时的最大差分位置之间移动；

支撑结构，所述支撑结构被布置成支撑所述膜片，使得所述膜片相对于所述电极结构受到限制，并且所述膜片与所述内电极和外电极间隔开，并且相对于所述压力计的对准轴线与所述内电极和外电极轴向对准；以及

挡板，所述挡板具有一个或多个孔，所述孔被配置成允许气体到达邻近所述膜片的区域，其中所述一个或多个孔在策略上相对于所述保护结构定位。

2.根据权利要求1所述的电容式压力计组件，其中所述内电极是第一内电极，并且所述电容式压力计组件还包括位于所述保护结构和所述外电极之间的第二内电极。

3.根据权利要求1所述的电容式压力计组件，其中所述保护结构包括由间隙分隔开的内保护件和外保护件。

4.根据权利要求1所述的电容式压力计组件，还包括外周保护件，所述外周保护件以与所述电极结构的中心相距更大径向距离的方式邻近所述外电极设置于所述电极结构上。

5.根据权利要求2所述的电容式压力计组件，其中所述挡板中的一个或多个孔被配置成在与所述电容式压力计组件的所述对准轴线平行的方向上与电极或电极之一和所述电极结构的所述保护结构之间的间隙对准。

6.根据权利要求1所述的电容式压力计组件，其中所述膜片包括超合金。

7.根据权利要求1所述的电容式压力计组件，还包括具有用于允许气体进入的入口的壳体，其中所述膜片、电极结构、支撑结构和挡板被设置在所述壳体内。

8.根据权利要求1所述的电容式压力计组件，其中所述外电极包括具有第一端部和第二端部的非连续电极，其中所述第一端部和第二端部是分离的。

9.根据权利要求1所述的电容式压力计组件，其中所述挡板中的一个或多个孔被配置成在与所述电容式压力计组件的所述对准轴线平行的方向上与所述电极结构的所述保护结构对准。

10.根据权利要求9所述的电容式压力计组件，其中所述保护结构包括由间隙分隔开的内保护件和外保护件。

11.根据权利要求2所述的电容式压力计组件，还包括外周保护件，所述外周保护件以与所述电极结构的中心相距更大径向距离的方式邻近所述外电极设置于所述电极结构上。

12.根据权利要求9所述的电容式压力计组件，其中所述挡板中的一个或多个孔被配置成在与所述电容式压力计组件的对准轴线平行的方向上与所述电极结构的所述保护结构的内三分之一对准，其中所述保护结构沿着距所述电极结构的中心的径向方向分为内三分之一、中间三分之一和外三分之一。

13.根据权利要求1所述的电容式压力计组件，其中所述保护结构具有对于气体扩散进入到所述膜片、最终改变的表面张力、曲率和偏转不敏感的区域，从而提供所述压力计的零读数和压力读数的提高的或最佳的稳定性。

14.根据权利要求1所述的电容式压力计组件，其中所述保护结构具有对于气体扩散进入到所述膜片不敏感的一个或多个区域；使得测量不到或较低程度地测量到在电极间隙内具有随后局部变化的所述膜片的最终变化曲率，从而提供所述压力计的零读数和/或压力读数的提高的或最佳的稳定性。

15.根据权利要求1所述的电容式压力计组件，其中所述保护结构提供所述电极的静电隔离。