ЭКРАНИРОВАННЫЙ ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК Российский патент 2000 года по МПК G01R27/26 G01L9/12 

Настоящее изобретение относится к датчику давления. В частности, изобретение относится к емкостному датчику давления, имеющему схему для уменьшения влияния паразитной емкости.

В технике известны различные твердотельные датчики давления, которые имеют отклоняемую диафрагму для восприятия давления. Некоторые могут быть изготовлены в серийном производстве. Желательно иметь твердотельный датчик давления, изготовленный из относительно твердого материала, такого как полупроводниковый материал.

Емкостный датчик давления измеряет давление посредством измерения емкости двумя емкостными пластинами. Изменение давления проявляется в виде изменения емкости. В датчике давления, изготовленного из полупроводника, паразитная емкость может вносить вклад в измерения емкости и вызвать ошибку измерения. Эта паразитная емкость возникает между пластиной конденсатора и прилегающим полупроводниковым материалом, который действует в качестве пластины конденсатора.

U. S. Patent 4612599 от 16 сентября 1986 г., озаглавленный "Capacitive Pressure Sensor", показывает датчик давления, изготовленный с кремнием. U.S. Patent 4800758 от 3 января 1989 г., озаглавленный "Pressure Transducer with Stress Isolation for Hard Mounting", описывает серийно изготавливаемый датчик давления с изоляцией от внешнего воздействия.

Раскрытие изобретения.

Настоящее изобретение предлагает схему для использования в емкостном датчике давления. Указанная схема снижает воздействие паразитной емкости на измерения емкости, используемой для определения давления, оказываемого жидкостью. Схема содержит переменный чувствительный конденсатор, имеющий первую и вторую пластины конденсатора с емкостью между пластинами, которая изменяется как функция чувствительного параметра. Каждая из пластин конденсатора имеет паразитную емкость относительно защитных пластин, расположенных вокруг первой и второй пластин конденсатора. В схему включен источник опорного потенциала, а схема управления выдает потенциал управления на первую пластину конденсатора, который является противоположным по отношению к опорному потенциалу. Чувствительная цепь, подсоединенная к относительному потенциалу, выдает виртуальный опорный потенциал, по существу равный опорному потенциалу. Чувствительная к заряду схема, подсоединенная ко второй пластине конденсатора, воспринимает заряд на второй пластине конденсатора так, что не существует разницы потенциалов между второй пластиной конденсатора и защитной пластиной в то время, когда перетекание заряда завершено.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает в перспективе частичный вид датчика давления с подвешенной диафрагмой в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 изображает поперечное сечение фиг. 1 вдоль линии, обозначенной 2-2.

Фиг. 3 изображает поперечное сечение фиг. 1 вдоль линии, обозначенной 3-3.

Фиг. 4 изображает в перспективе вид дифференциального датчика давления в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 изображает поперечное сечение пары диафрагм в соответствии с настоящим изобретением, показывающее систему электрических емкостей.

Фиг. 6 изображает защитную емкостную схему.

Фиг. 7 изображает поперечное сечение дифференциального датчика давления, показывающее пластины конденсатора, используемого для измерения давления.

Фиг. 8 изображает схему устройства для уменьшения влияния паразитной емкости в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание наилучшего варианта воплощения изобретения.

Слои датчика давления в соответствии с настоящим изобретением изготовлены с помощью способов серийного производства. Кремниевая подложка, или слой, последовательно вытравливается для получения желаемых свойств, а затем объединяется в многослойную структуру с дополнительными слоями подходящего материала для изготовления датчика. Такие датчики описаны в U.S. Patent Application, озаглавленном SUSPENDED DIAPHRAGM PRESSU RE SENSOR, от 20 сентября 1993 г., и предназначенном для той же цели, что и настоящая заявка, и на который можно сослаться.

Изготовление датчика давления с использованием полупроводниковых материалов часто приводит к паразитной емкости, которая может вызвать ошибки при измерении давления. Емкость появляется из-за того, что полупроводники являются частичными проводниками и могут работать как пластины конденсатора. Таким образом, паразитная емкость возникает между пластиной конденсатора, используемого для измерения давления, и окружающим полупроводником (защитной пластиной).

Фиг. 1 изображает в перспективе частичный вид датчика 10 давления с подвешенной диафрагмой. Датчик 10 давления с подвешенной диафрагмой содержит нижний слой 12 и верхний слой 14. Нижний слой 16 диафрагм связывается с верхним слоем 14.

Нижний слой 16 диафрагмы и верхний слой 18 диафрагмы соединены вместе. Нижний слой 16 диафрагмы имеет канал 20 и электрические контакты 22 и 24. Входное отверстие давления 26 проходит сквозь верхний слой 14. Верхний слой 18 диафрагмы содержит верхнюю диафрагму 28, поддерживаемую ушком 30.

Фиг. 2 изображает поперечное сечение датчика 10 давления с подвешенной диафрагмой вдоль линии, обозначенной 2-2 на фиг. 1 . Фиг. 3 изображает поперечное сечение датчика 10 давления с подвешенной диафрагмой вдоль линии, обозначенной 3-3 на фиг. 1. Фиг. 2 и 3 изображают нижнюю диафрагму 32, соединенную с верхней диафрагмой 28. Верхняя диафрагма 28 и нижняя диафрагма 32 образуют диафрагменное устройство, имеющее диафрагменную полость 34, обычно содержащую относительное давление, приложенное через канал 20. Верхняя и нижняя диафрагмы 28 и 32 соединены друг с другом по своим краям. Верхняя диафрагма 28 и нижняя диафрагма 32 являются подвешенным во входной полости 36 давления, которая соединяется со входным отверстием 26 давления.

Во время работы датчик давления с подвешенной диафрагмой используется для восприятия разницы давления между полостью 34 и полостью 36. Дафрагменная полость 34 расширяется и сжимается внутри входной полости 36 в соответствии с давлением, приложенным ко входному отверстию 26. Это заставляет верхнюю диафрагму 28 и нижнюю диафрагму 32 изгибаться внутрь диафрагменной полости 34 или отклоняться наружу из дифрагменной полости 34. Жидкость втекает в полость 34 или вытекает из полости 34 через канал 20, который проходит сквозь ушко 30. Отклонение диафрагм 28 и 32 (а следовательно, и приложенного давления) детектируется электрическими контактами 22 и 24. Указанные контакты подсоединены к датчикам, находящимися на диафрагмах 28 и 32. В одном воплощении указанные датчики являются емкостными пластинами или металлизациями. Диафрагма 28 имеет емкостную пластину и диафрагма 32 имеет емкостную пластину. Емкость между двумя указанными пластинами изменяется, когда они перемещаются вследствие приложенного ко входному отверстию 26 давления. В другом воплощении электрические контакты 22 и 24 соединены с датчиком напряжения на диафрагме, который изменяет сопротивление при деформации диафрагм 28 и 32.

В наилучшем воплощении датчик давления с подвешенной диафрагмой изготавливается из хрупких материалов, таких как кристаллический кремний или сапфир, и производятся серийно. Эти материалы дают повышенную точность из-за уменьшенного гистерезиса и увеличенной стабильности размера. Кроме того, такие материалы, как кремний, керамика и стекло, легко производятся серийно при использовании известных способов производства.

Фиг. 4 изображает в перспективе поперечное сечение дифференциального датчика 40 давления с подвешенной диафрагмой в соответствии с настоящим изобретением. Датчик 40 изготовлен размещением пары датчиков давления, аналогичных датчику давления 10, показанному на фиг. 1, имеющих общий канал (на фиг. 4 не показан) такой, как канал 20 на фиг. 1, проходящий между устройствами диафрагмы.

Дифференциальный датчик 40 давления содержит нижнюю подложку 42, верхнюю подложку 44, нижнюю диафрагменную подложку 46 и верхнюю диафрагменную подложку 48. Дифференциальное давление подается через входные отверстия 50A и 50B для давления. Входные отверстия 50A и 50B для давления соединены с диафрагменными устройствами 54A и 54B соответственно. Диафрагменное устройство 54A содержит верхнюю диафрагму 58A и нижнюю диафрагму 60A, которые образуют диафрагменную полость 62A. Диафрагменная полость 62A находятся во входной полости 64A давления, которая соединена с входным отверстием 50A давления. Структура диафрагменного устройства 54B аналогична структуре диафрагменного устройства 54A.

В дифференциальном датчике 40 давления диафрагменная полость 62A соединена с диафрагменной полостью 62B с помощью канала, не показанного на фиг. 4, но который аналогичен каналу 20, показанному на фиг. 1. Канал, соединяющий полости 62A и 62B, проходит через ушки, которые поддерживают диафрагменные устройства 54A и 54B в полостях 64A и 64B соответственно. Полости 64A и 64B запечатаны и заполнены некоторым количеством относительно несжимаемой жидкости так, что одна емкость расширяется вследствие приложенного давления, другая полость сжимается.

Отклонение подвешенных диафрагм в соответствии с настоящим изобретением связано с приложенным давлением, или дифференциальным или абсолютным. Определяя указанную деформацию, возможно определить давление. Это определение может быть осуществлено любым доступным способом. В наилучшем воплощении деформация диафрагмы определяется измерением изменения емкости между двумя пластинами конденсатора, имеющимся на каждой из диафрагм. Фиг. 5 является поперечным сечением подвешенной диафрагмы 108, содержащей верхнюю диафрагму 110 и нижнюю диафрагму 112, которые имеют верхнюю емкостную пластину 114 и нижнюю емкостную пластину 116 соответственно. Пластины 114 и 116 вмонтированы в диафрагмы 110 и 112 через изолирующие слои 118 и 120 соответственно. Область между диафрагмами 110 и 112 образует полость 122, которая заполняется предпочтительно маслом.

Фиг. 5 показывает емкость CA, которая является емкостью между пластинами 114 и 116. Значение емкости CA связано с давлением, приложенным к подвешенной диафрагме 108. Поэтому, измеряя эту емкость, можно определить давление. Однако паразитные емкости CS1 и CS2 вносят вклад в указанное измерение. Указанные емкости возникают между пластиной 114 и диафрагмой 110 и пластиной 116 и диафрагмой 112 соответственно. Эти емкости возникают потому, что слои изоляции 118 и 120 отделяют пластины 114 и 116 от диафрагм 110 и 112 соответственно. Поэтому желательно удалить паразитную емкость при измерении емкости CA.

Фиг. 6 изображает упрощенную схему 124 для ликвидации влияния емкостей CS1 и CS2 на измерение емкости CA. Схема 124 содержит источник прямоугольных импульсов 130, подсоединенный к управляемой обкладке конденсатора CA. Одна обкладка конденсатора CS1 (т.е. подложка 110) соединена с электрической землей, которой является одна обкладка CS2 (т.е. подложка 112). Чувствительная обкладка конденсатора CA соединяется с положительным входом операционного усилителя 132. Операционный усилитель охвачен отрицательной обратной связью с интегрирующим конденсатором 136. Неинвертирующий вход операционного усилителя 132 является "виртуальной землей". Выходной сигнал операционного усилителя 132 подается на схему измерения емкости, которая используется для измерения давления.

Схема 124 сохраняет потенциал у подложек 110 и 112 тем же самым, что и у чувствительного электрода 116. Это возможно потому, что чувствительный электрод 116 сохраняет потенциал "виртуальной земли" с помощью операционного усилителя 132, имеющего отрицательную обратную связь. Это уменьшает ошибки при измерении давления, возникающие из-за паразитной емкости, т.к. CS2 не измеряется схемой, соединенной с электродом 116.

Фиг. 7 является поперечным сечением диафрагменных устройств 54A и 54B, показывающих пластины конденсатора, используемого для измерения давления. Пластины конденсатора соединены с контактами A, B, C и D. Диафрагменные устройства 54A и 54B подсоединены к электрическому контакту E.

Фиг. 8 изображает схему цепи 140 для уменьшения влияния паразитной емкости в соответствии с настоящим изобретением. Схема 140 показывает конденсаторы C1 и C2, чьи емкости меняются в соответствии с дифференциальным давлением между диафрагменными устройствами 54A и 54B. Паразитные конденсаторы CS11 и CS12 связаны с конденсатором C1. Паразитные конденсаторы CS21 и CS22 связаны с конденсатором C2. Указанные конденсаторы возникают из-за окружающего полупроводникового материала. Фиг. 8 изображает электрические контакты A, B, C, D и E, изображенные также на фиг. 7. Контакты А и D первых пластин конденсатора соединены вместе. Указанное соединение может быть сделано снаружи или прямо в датчике 40 давления для уменьшения количества электрических контактов датчика 40 давления.

Схема 140 содержит операционный усилитель 122, подсоединенный к триггеру Шмидта. Операционный усилитель 142 имеет отрицательную обратную связь через интегрирующий конденсатор C1. Выход триггера Шмидта подключен к цифровой логической схеме 146. Питание +V_R и -V_r (управляющий потенциал со схемой управления) подводится к электроду E и электродам A и D через переключатели SW6 и SW5 соответственно. Электрод B подсоединен к операционному усилителю 142 через переключатель SW1 и электрод C подсоединен к операционному усилителю 142 через переключатель SW4. Электрод E подсоединен к неинвертирующему входу операционного усилителя 142, а электроды B и C вторых пластин конденсатора подсоединены к электроду E через SW2 и SW3 соответственно. Переключатели с SW1 по SW6 соединены с цифровой логической схемой 146, которая управляет переключателями с SW1 по SW6, формирующими переключающую схему.

При работе операционный усилитель 122 выдает выходной сигнал в зависимости от разницы емкостей между конденсаторами C1 и C2, которые относятся к дифференциальному давлению, воздействующему на датчик 40. Это является способом для измерения емкости, который описан в U.S. Patent N 5083091, озаглавленном CHARGED BALANCED FEEDBACK MEASUREMENT CIRCUIT, автора Frick и др.

Операционный усилитель 142 поддерживает на чувствительных электродах в конденсаторах C1 и C2 "виртуальный потенциал", в одном воплощении - "виртуальную землю". После того, как заряд распределится, никакой заряд не вытекает из CS11, CS12, CS21 или CS22, и эти емкости не входят в измерение. Схема должна приводить в действие CS11 и CS22 при включении питания +V_R и -V_r.

Заряженный ток равен:
¹заряжающий = ^Fвозбуждения^x (V_R ^-(-V_R)) • (CS11+CS22)
При типичных значениях этот ток может быть порядка 0,07 мA (CS11 и CS22 порядка 200•10^-12 Фарады). Этот ток совместим с 4-20 мA контурных токов, т. к. ток заряда намного меньше минимально допустимого тока 4 мA.

Схема поддерживает на электродах B и C тот же потенциал, что и на электроде E в то время, когда перетекание заряда завершено, и проводится измерение емкости. Это происходит потому, что выход интегратора на операционном усилителе 122 вырождается в точку, когда перетекание заряда завершено.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на наилучший вариант воплощения, специалистам очевидно, что могут быть сделаны изменения по форме и в конкретных деталях без потери формы и смысла изобретения. Например, изобретение может использовать другие типы датчиков и конструкции датчика там, где паразитные емкости являются проблемой.

Датчик давления измеряет давление посредством измерения емкости между двумя емкостными пластинами. Изменение давления проявляется в виде изменения емкости. Паразитная емкость вмешивается в указанное измерение. Паразитная емкость возникает между пластинами конденсатора и окружающим материалом. Схема уменьшает паразитную емкость, точно поддерживая равенство потенциалов между пластинами конденсатора и окружающим материалом, ответственным за паразитную емкость. Технический результат - повышение точности. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Чувствительная схема, содержащая переменный чувствительный конденсатор, имеющий первую и вторую пластины с емкостью между ними, которая изменяется как функция чувствительного параметра, причем каждая из пластин конденсатора имеет паразитную емкость относительно защитных пластин, расположенных вокруг первой и второй пластин, источник опорного потенциала, схему управления, выдающую управляющий потенциал на первую пластину, отличающаяся тем, что содержит операционный усилитель, подсоединенный к источнику опорного потенциала и вырабатывающий виртуальный опорный потенциал, который по существу равен опорному потенциалу, и имеющий выход, связанный со схемой измерения емкости, и переключающую схему, подсоединенную ко второй пластине конденсатора и подсоединяющую вторую пластину конденсатора попеременно к опорному потенциалу и виртуальному опорному потенциалу, так что по существу не существует разницы потенциалов между второй пластиной конденсатора и защитными пластинами. 2. Чувствительная схема по п.1, в которой защитные пластины изготовлены из полупроводникового материала. 3. Чувствительная схема по п. 1, отличающаяся тем, что операционный усилитель имеет отрицательную обратную связь через интегрирующий конденсатор. 4. Чувствительная схема по п.1, в которой чувствительным параметром является давление.