CN108775977A - 基于力平衡原理的电容式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于力平衡原理的电容式压力传感器，其压力敏感单元包括上电极硅片、中心电极硅片、下电极硅片、二氧化硅绝缘层、可移动的质量块、第一压力通孔、第二压力通孔；中心电极硅片位于顶部电极硅片和下电极硅片之间，上电极硅片与中心电极硅片之间、中心电极硅片和下电极硅片之间都设有二氧化硅绝缘层，可移动的质量块位于中心电极硅片上，第一压力通孔和第二压力通孔位于中心电极硅片的中间两侧，形成两个在压力的作用下同时变化的两个差动电容；为其压力敏感单元所匹配的控制接口电路单元由C2V(电容转换为电压)、P‑I‑(D)(比例‑积分(‑微分，可选))、FB(反馈)、载波等单元组成，与传感单元组成了工作环路，实现了压力传感器的力平衡原理控制的工作方式。本发明提高了精度、线性度，增强了抗干扰能力，增强了过压保护能力，提高了稳定性和可靠性。

Description

基于力平衡原理的电容式压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别是涉及一种基于力平衡原理的硅电容式压力传感器。

背景技术

压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。硅压力敏感单元采用压阻式和电容式敏感元件。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于力平衡原理的电容式压力传感器，其特征在于，其包括上电极硅片、中心电极硅片、下电极硅片、二氧化硅绝缘层、可移动的质量块、第一压力通孔、第二压力通孔，形成两个在压力的作用下同时变化的两个差动电容；另一特征在于，其工作方式采用力平衡原理工作方式。该工作系统结构主要由压力传感器芯体、C2V(电容转换为电压)、P-I-(D)(比例-积分(-微分，可选))、FB(反馈)、载波等单元组成。系统框图如图2所示。其工作原理：在外界压力的作用下，压力传感器芯体将传递到可动电极上的压力转换为电容量(差分电容变化)，经过C2V转换单元将电容量转化为随外界压力大小变化的电压量，然后经过PID控制单元电压量进行调节控制，PID单元输出分为两个方向：一是对外输出；二是进入FB单元，经过电压调整后，反馈到压力传感器的工作极板上，两个电容两端不同的电压差对中间活动极板产生不同的静电力，该静电力可以抵消或平衡外界压力对中间活动极板的作用，减小或消除中间活动极板的位移变化量，使压力传感器的可动极板处于平衡位置。称之为力平衡原理。

本发明的积极进步效果在于：本发明提高了精度、线性度，增强了抗干扰能力，增强了过压保护能力，提高了稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明基于力平衡原理的电容式压力传感器的结构示意图。

图2为本发明基于力平衡原理的电容式压力传感器的原理图。

图3为本发明基于力平衡原理的电容式压力传感器结构应用案例1示意图。

图4为本发明基于力平衡原理的电容式压力传感器结构应用案例2示意图。

图5为本发明基于力平衡原理的电容式压力传感器结构应用案例3示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明包括上电极硅片1、中心电极硅片2、下电极硅片3、二氧化硅绝缘层4、可移动的质量块5、第一压力通孔6、第二压力通孔7；中心电极硅片2位于上电极硅片1和下电极硅片3之间，顶部电极硅片1与中心电极硅片2之间、中心电极硅片2和下电极硅片3之间都设有二氧化硅绝缘层4，可移动的质量块5位于中心电极硅片2上，第一压力通孔6和第二压力通孔7位于中心电极硅片2的质量块5的中间两侧。优选地，所述第一压力通孔、第二压力通孔都是锥形导压孔。

传感器芯体是由两个串联的电容所组成，基于单晶硅材料是一种半导体材料，具有导电性，电容的电极由三个硅片叠加键合而成，称为硅-硅-硅(三明治)结构。中心极板的制作是在硅片中通过各向异性蚀刻形成的可动电极，在中心极板两侧形成具有完全对称的岛状结构，岛的厚度和宽度是根据传感器的压力量程范围所确定的。顶端极板和底端极板上通过腐蚀形成一个穿透硅片的导压孔，这两个孔在三个硅片键合在一起时将对准中心岛的中心；在硅电极之间结合区域的硅极板之间形成一个有一定厚度的二氧化硅层以使电极绝缘，并将顶端极板和底端极板从两侧粘接在中心极板上，形成上下两个串联的电容器。当两侧压力差发生改变时，中心极板产生位移，进而改变中心极板两侧的电容量大小，因此两个电容器的电容差值随两侧不同压力差的变化而变化。当压力差为零时两电容值相等。所述第一压力通孔、第二压力通孔都是锥形导压孔，锥形导压孔在压力突变时可以起到对冲击压的保护作用。

所述的压力传感器工作方式采用力平衡原理工作方式，该力平衡工作系统结构主要由压力传感器芯体、C2V(电容转换为电压)、P-I-(D)(比例-积分(-微分，可选))、FB(反馈)、载波等单元组成。系统框图如图2所示。其工作原理：在外界压力的作用下，压力传感器芯体将传递到可动电极上的压力转换为电容量(差分电容变化)，经过C2V转换单元将电容量转化为随外界压力大小变化的电压量，然后经过PID控制单元电压量进行调节控制，PID单元输出分为两个方向：一是对外输出；二是进入FB单元，经过电压调整后，反馈到压力传感器的工作极板上，两个电容两端不同的电压差对中间活动极板产生不同的静电力，该静电力可以抵消或平衡外界压力对中间活动极板的作用，减小或消除中间活动极板的位移变化量，使压力传感器的可动极板处于平衡位置。这个工作原理适用于其它结构类型的压力传感器芯体，如图三、图四和图五所示，也适用于用其他材料加工的电容式压力传感器陶瓷电容以及金属电容式压力传感器。本发明的特点大大提高了精度、线性度，增强了抗干扰能力，增强了过压保护能力，提高了稳定性和可靠性。

压力传感器芯体可以等效为两个串联的变化电容或者单一变化电容，用于敏感外界的压力变化，包含差压、表压和绝压；当外界压力发生变化时，传感器可动电极发生位移，改变了电容的大小。C2V(电容转换电压)单元对传感器芯体的电容通过调制解调的方式实现电容转换为电压，进而将外界的压力变化转换为易于辨识的直流电压；PID(比例积分微分)单元对C2V单元输出的电压进行信号调节，如滤波、幅值放大等处理，实现电压达到输出的要求，以及力平衡原理控制的要求。FB(反馈)单元对PID单元输出电压调节放大倍数，满足力平衡原理控制的要求，以及对量程和灵敏度的调整。另外隔离输出与传感器芯体的直接相连，降低二者的噪声串扰，提高压力传感器的分辨率。载波(图2中的波形，可更换为正弦波)提供载波信号，与C2V单元配合使用。该种工作方式适用于多种不同结构的电容式压力传感器结构，根据不同的敏感结构，反馈方式可以分为三种不同反馈方式：一，差分反馈，反馈量作用在固定极板上，主要适用于差分电容变化结构；二，单端反馈，反馈量作用在敏感膜片/可动极板上，主要适用于差分电容变化结构；三，单端反馈，反馈量作用在固定极板上，主要适用于单个电容变化结构。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于力平衡原理的电容式压力传感器，其特征在于，其压力敏感单元包括上电极硅片、中心电极硅片、下电极硅片、二氧化硅绝缘层、可移动的质量块、第一压力通孔、第二压力通孔；中心电极硅片位于上电极硅片和下电极硅片之间，上电极硅片与中心电极硅片之间、中心电极硅片和下电极硅片之间都设有二氧化硅绝缘层，可移动的质量块位于中心电极硅片上，第一压力通孔和第二压力通孔位于上电极硅片和下电极硅片的中间，而且第一压力通孔和第二压力通孔位于中心电极的质量块的中心两侧，形成两个在压力的作用下同时变化的两个差动电容；为其压力敏感单元所匹配的控制接口电路单元包含了C2V(电容转换为电压)、P-I-(D)(比例-积分(-微分，可选))、FB(反馈)、载波等单元，C2V单元实现了将敏感单元的电容变化量转化为电压变化量，P-I-(D)实现了力平衡原理控制的幅值裕度/相位裕度的调整，使其满足力平衡原理控制的要求，FB实现敏感单元的静电力与敏感到的外界压力达到平衡状态，载波提供了整个系统工作的载波。

2.如权利要求1所述的一种基于力平衡原理的电容式压力传感器，其特征在于，所述的工作方式为力平衡原理工作方式。

3.如权利要求2所述的力平衡原理工作方式，其特征在于，包含了C2V、P-I-(D)、FB、载波等单元或者其中部分单元。

4.如权利要求2所述的力平衡原理工作方式，其特征在于，不仅限于模拟电路实现方式，也包含数字电路实现方式，以及软件实现方式。

5.如权利要求2所述的力平衡原理工作方式，其特征在于，不仅限于权利要求1中所述的压力敏感单元，同样适用于多种不同结构的电容式压力传感器结构，如陶瓷电容式压力传感器等。

6.如权利要求1所述的一种基于力平衡原理的电容式压力传感器，其特征在于，所述第一压力通孔、第二压力通孔都是锥形导压孔。