电容式压力传感器及压力检测设备的制作方法

本发明涉及压力传感器，具体涉及电容式压力传感器及压力检测设备。

背景技术：

1、电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。一般通过测量可变电极层与固定电极层之间的电容变化来计算气压的变化。可变电极层通常为金属或硅基薄膜，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极层之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

2、由于电容式压力传感器的电容信号通常由薄膜直接对压力响应主导，若增加薄膜的灵敏度，则会降低线性测量范围，若提升线性测量范围，则需要降低薄膜的灵敏度。也即，现有的电容式压力传感器难以兼顾灵敏度与线性测量范围，导致电容式压力传感器的性能受限。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种电容式压力传感器及压力检测设备，以解决现有的电容式压力传感器难以兼顾灵敏度与线性测量范围，导致电容式压力传感器的性能受限的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种电容式压力传感器，包括：

3、固定电极层；

4、绝缘层，设于所述固定电极层的上端，所述绝缘层的上表面开设有凹槽；

5、可变电极层，密封所述凹槽的槽口并形成密封腔，所述固定电极层与所述可变电极层形成可变电容；

6、根据电容式压力传感器的单位面积灵敏度确定所述可变电极层与所述密封腔对气压的响应，根据所述可变电极层与所述密封腔对气压的响应确定所述可变电极层的变形程度，根据所述可变电极层的变形程度确定所述电容式压力传感器的电容读数变化，根据所述电容读数变化确定所述电容式压力传感器的气压值；

7、所述电容式压力传感器的单位面积灵敏度s的计算公式如下：

8、

9、其中，c为电容，po为外界气压，ωc为所述可变电极层的中心点位移，a为所述可变电极层的面积，mc为电容c随所述可变电极层的中心点位移ωc变化的单位面积灵敏度，km为可变电极层等效弹簧系数，kp为密封腔等效弹簧系数；

10、所述密封腔等效弹簧系数kp与所述可变电极层等效弹簧系数的km的比值大于等于预设值。

11、有益效果：本发明提供的电容式压力传感器，固定电极层与可变电极层形成可变电容，在外界气压发生变化后，可变电极层在外界气压与密封腔内的气压之差下受力变形。根据单位面积灵敏度确定可变电极层与密封腔对气压的响应，根据可变电极层与密封腔对气压的响应计算可变电极层的变形程度，再根据可变电极层的变形程度计算电容读数变化，最后根据电容读数变化得到气压值。在kp/km大于预设值的情况下，电容式压力传感器的性能由密封腔等效弹簧系数kp主导，电容随可变电极层变形的非线性与可变电极层的变形随外界气压变化的非线性能够相互抵消，因此本发明能够保持高灵敏度的同时兼顾高线性度，也即能够同时提升电容式压力传感器的灵敏度和线性测量范围，从而显著提高了电容式压力传感器的性能。

12、在一种可选的实施方式中，所述可变电极层为规则形状，所述规则形状包括圆形、椭圆形、多边形中的其中一种。

13、在一种可选的实施方式中，所述可变电极层为圆形导电膜片，所述可变电极层等效弹簧系数km的计算公式如下：

14、

15、其中，e为所述可变电极层的杨氏模量，h为所述可变电极层的厚度，r为所述可变电极层的半径，σo为所述可变电极层的预应力，ν为所述可变电极层的泊松比。

16、在一种可选的实施方式中，所述密封腔等效弹簧系数kp的计算公式如下：

17、

18、其中，g为所述密封腔的深度，pi为所述密封腔内的初始压强。

19、在一种可选的实施方式中，所述预设值为5。

20、在一种可选的实施方式中，所述可变电极层为正方形导电膜片，所述可变电极层等效弹簧系数km的计算公式如下：

21、

22、其中，e为所述可变电极层的杨氏模量，h为所述可变电极层的厚度，r为所述可变电极层的半径，σo为所述可变电极层的预应力，ν为所述可变电极层的泊松比，b1和b2为无量纲常数，l为所述可变电极层的边长，f(ν) 为几何函数。

23、在一种可选的实施方式中，所述电容c随可变电极层的中心点位移ωc变化的灵敏度mc的计算公式如下：

24、

25、其中，lc为所述固定电极层与所述可变电极层之间的等效距离，ε0为真空介电常数。

26、在一种可选的实施方式中，所述固定电极层与所述可变电极层之间的等效距离lc的计算公式如下：

27、

28、其中，g为所述密封腔的深度，t为所述密封腔底部的绝缘层的厚度，εg为密封腔的相对介电常数，εr为绝缘层的相对介电常数。

29、在一种可选的实施方式中，所述电容式压力传感器的非线性度的计算公式如下：

30、

31、其中，δcmax为电容c的实测值与线性拟合值的差值的最大值，cfs为满量程的电容变化。

32、第二方面，本发明还提供了一种压力检测设备，包括：上述的电容式压力传感器。

33、有益效果：因为压力检测设备包括电容式压力传感器，具有与电容式压力传感器相同的效果，即能够保持高灵敏度的同时兼顾高线性度，也即能够同时提升电容式压力传感器的灵敏度和线性测量范围，从而显著提高了电容式压力传感器的性能。

1.一种电容式压力传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述可变电极层（3）为规则形状，所述规则形状包括圆形、椭圆形、多边形中的其中一种。

3.根据权利要求2所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述可变电极层（3）为圆形导电膜片，所述可变电极层等效弹簧系数km的计算公式如下：

4.根据权利要求3所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述密封腔等效弹簧系数kp的计算公式如下：

5.根据权利要求4所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述预设值为5。

6.根据权利要求2所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述可变电极层（3）为正方形导电膜片，所述可变电极层等效弹簧系数km的计算公式如下：

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述电容c随可变电极层（3）的中心点位移ωc变化的灵敏度mc的计算公式如下：

8.根据权利要求7所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述固定电极层（1）与所述可变电极层（3）之间的等效距离lc的计算公式如下：

9.根据权利要求1至6中任一项所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述电容式压力传感器的非线性度δ的计算公式如下：

10.一种压力检测设备，其特征在于，包括：权利要求1至9中任一项所述的电容式压力传感器。