[发明专利]电容量隔膜压力计和其构造方法

说明书

本申请为以申请日2004年3月17日和申请号200480013758.3且名称为“为提供低滞后而带有处于拉伸状态下的较厚平隔膜的电容量压力计”的分案申请。 

技术领域

本发明属于压力传感器领域，该压力传感器在暴露于压力下的隔膜和固定电极之间具有可变的电容量。

背景技术

很多年来已经使用电容量隔膜计(capacitance diaphragm gauge，CDG)来测量压力。CDG在测量非常低的压力时(例如比大气压低很多的压力)是特别有用的，诸如测量抽空系统(例如半导体制造系统)中的压力。CDG能产生一种电输出，该电输出表示了相对于参考压力的压力输入的测量值。

基本上，一种示例性CDG包括至少一个支撑在适当支撑结构上的电极。该电极在一密封且抽空的腔中靠近于一柔性隔膜。该隔膜在该设备中设置成使得该隔膜的一面(承压面)暴露于要测量的未知压力下。该电极靠近于该隔膜的相反面(电极面)。相对于电极面上的参考压力来测量承压面上的该未知压力。该参考压力在该密封且抽空的腔内基本上是恒定的。该隔膜以及电极构成了一可变电容器的两个极板，该电容器的电容量响应于由压力变化引起的隔膜弯曲而变化。

在许多应用中，该CDG设在压力测量设备的适当壳体内，该隔膜的承压面经由适当的通道而暴露于该未知压力之下。或者是，该隔膜的承压面可以直接暴露于该未知压力之下。例如，该CDG可以安装成使得该隔膜的承压面位于气流管道中，在这种情况下，CDG的隔膜和其它部分优选不会延伸到该气流中来部分阻挡该气流或者在该气流中引起湍流。如果该CDG的任何部分都不延伸超过该隔膜的承压面，那么该承压面可以安装成与气流管道的内壁基本上齐平。一种具有这种构造的CDG被称为平隔膜(flush diaphragm)设计。本领域的技术人 员可以理解，平隔膜CDG可以焊接到一壳体中而制成一种更通用的设备。另一方面，不具有平隔膜的CDG通常不能被变换成用在需要平隔膜设备的应用中，这是因为该隔膜的支撑结构延伸超过了隔膜的承压面。

在本领域中已知具有平隔膜的CDG。例如，第一类型的平隔膜CDG是用适当材料的固体块加工而成，在该块的一端留下一薄层而形成该隔膜。在某些情况下，为了一定的预期效果或者是由于材料属性而可以对该材料进行热处理。

另一种已知类型的平隔膜CDG被称为波纹隔膜CDG。该波纹隔膜具有形成在表面内的波纹而导致出现额外的材料，以便响应所施加的压力而产生更为线性的弯曲。用于该类型的隔膜通常是被焊接在位。

第三类型的平隔膜CDG具有用薄材料形成的隔膜。该薄材料以某种方式被高度拉伸并且被焊接在位。

特别强调的是成品压力测量设备的滞后特性。滞后是指从不同方向趋进一给定压力时(即：在未知压力下降时从更高的压力趋进该给定压力，相对的是，在未知压力上升时从更低的压力趋进该给定压力)传感器输出之间的差异。尽管该给定压力应该产生相同的输出值，而与先前的压力无关，但是当该给定压力是从更高压力趋进过来时，滞后效应会使得该输出值过高，而当该给定压力是从更低压力趋进过来时，滞后效应会使得该输出值过低。

该滞后误差的最大值通常是处于压力偏移的中点值处。从零压力到满量程压力的偏移是最大正常偏移。反常偏移会引起更大的误差。由于滞后误差至少部分地依赖于压力偏移的幅度，因此该滞后误差通常是不可预测的并且因而是主要问题。相反，诸如线性误差或温度误差的其它误差因其是可复现的并且因而是可预测的，所以它们更容易被修正。

承受压力的隔膜要承担压力负荷。施加在隔膜相反两面上的压力之间的差异引起隔膜的弯曲。隔膜的电极面作为可变电容器的一个极板，该电容器将电极作为电容器的另一个极板。如果还包括其它的电极，那么就形成多个电容器，而隔膜的电极面形成为每个电容器的一个极板。该隔膜的弯曲将该隔膜移动成更靠近或更远离于电极，从而改变了电容量。以适当的传统方式来测定该电容量，以便响应于施加 到隔膜承压面的压力而提供一可测量。

为了产生对未知压力的可复现的测量，所发生的隔膜弯曲应当具有尽可能小的滞后。也就是说，当压力恢复到先前的大小时，该隔膜应当恢复到其先前的弯曲状态，而不管该压力是先上升再下降还是先下降再上升。

滞后的减小是通过在拉伸状态下承载负荷来实现的。已经发现，响应于压力的变化，拉伸幅度的改变越小则滞后越小，并从而导致更大的测量精度。高压测量设备的一个问题是要通过具有承载负荷的预拉伸而保持足够小的弯曲。