專利名稱：液體特性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體特性傳感器。
背景技術(shù)：
由于傳統(tǒng)燃料飛漲的成本，或者出于環(huán)境保護(hù)的考慮，混合了乙 醇的燃料日漸得到廣泛地使用。混合了乙醇的燃料是通過將乙醇混合 到諸如汽油等的汽車燃料當(dāng)中來制得的。當(dāng)使用混合了乙醇的燃料 時，根據(jù)乙醇和汽油之間的混合比來改變最適宜的燃燒條件。因此， 為了改善燃燒效率，需要預(yù)先檢測乙醇和汽油之間的混合比。
美國專利號5， 367， 264 (對應(yīng)JP-A-5-507561)公開了一種通過 測量電容器的電容和電導(dǎo)率來檢測空氣-燃料混合物中包含的乙醇含 量的檢測器。該檢測器包括殼體和傳感器元件。檢測器的殼體具有空 氣-燃料混合物所通過的通道，并且該檢測器的傳感器元件暴露于通 過該通道的空氣-燃料混合物。該傳感器元件被設(shè)置成與該殼體熱絕 緣和電絕緣。電容器包括由殼體的一部分壁形成的第一電極，以及由 暴露于空氣-燃料混合物流的傳感器元件制成的第二電極。
上述檢測器的尺寸通過變得較大，因而該檢測器的設(shè)置可能變得 較為困難。此外，殼體的通道錯綜復(fù)雜地彎曲，并且以在通道的內(nèi)壁 和傳感器元件之間存在預(yù)定間隙的方式將傳感器元件插入到通道中。 因此，可能容易產(chǎn)生外來物體的堵塞。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述以及其他問題，本發(fā)明的目的是提供一種液體特性傳
5感器。
根據(jù)本發(fā)明的一個例子，用于檢測液體特性的液體特性傳感器包 括半導(dǎo)體板、第一電極和第二電極、以及保護(hù)膜。半導(dǎo)體板包括設(shè)置 在半導(dǎo)體板的表面上的絕緣膜，以及具有電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的信號 處理電路。第一和第二電極設(shè)置在半導(dǎo)體板的表面上，且彼此之間間 隔預(yù)定距離。將保護(hù)膜設(shè)置在該半導(dǎo)體板上，以便覆蓋半導(dǎo)體板的其 上設(shè)置了第一和第二電極的表面。該保護(hù)膜相對于液體具有抵抗性， 并且暴露于該液體。第一和第二電極根據(jù)液體的相對介電常數(shù)檢測其 間的電容來作為該液體的特性。電容_電壓轉(zhuǎn)換電路將第一和第二電 極之間的電容轉(zhuǎn)換為電壓值。
因此，可以減小液體特性傳感器的尺寸，并且該液體特性傳感器 可以穩(wěn)定地檢測液體特性。


從以下參照附圖所進(jìn)行的詳細(xì)說明當(dāng)中，本發(fā)明的上述和其他目 的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。在附圖中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的液體特性傳感器的示意剖 面圖2是示出液體特性傳感器的測量部分的示意性放大的剖面圖； 圖3是示出乙醇比和液體特性傳感器的輸出之間的關(guān)系的曲線
圖4A和4B是用于說明液體特性傳感器在燃料管道中的設(shè)置的示 意圖5A和5B是用于說明液體特性傳感器在燃料管道中的另一種設(shè) 置的示意圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的液體特性傳感器的測量部 分的示意性放大的剖面圖；以及圖7是示出乙醇比和第二實(shí)施例的液體特性傳感器的輸出之間 的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例
圖1所示的液體特性傳感器10用于通過測量混合了乙醇的汽油 的相對介電常數(shù)來檢測汽油和乙醇之間的混合比。液體特性傳感器 10的半導(dǎo)體板1例如由硅制成。半導(dǎo)體板1其上具有測量部分5和 電路元件部分6。測量部分5測量電容，其對應(yīng)于混合了乙醇的汽油 的相對介電常數(shù)。電路元件部分6具有用于對來自測量部分5的輸出 進(jìn)行信號處理的各種電路元件。
如圖2所示，將氧化硅膜制成的絕緣膜2設(shè)置在半導(dǎo)體板1的表 面上。第一電極4a和與該第一電極4a成對的第二電極4b設(shè)置在絕 緣膜2上以便彼此相對，并且彼此間隔預(yù)定距離。電極4a、 4b中的
每一個具有公共電極以及在預(yù)定單個方向上從該公共電極延伸的多 個梳齒電極。如此設(shè)置電極4a、 4b，使得電極4a、 4b的梳齒電極交 替設(shè)置。由于電極4a、 4b具有梳齒形狀，因此可以減少電極4a、 4b 的設(shè)置面積，并且可以增加電極4a、 4b之間的相對區(qū)域。然而，在 不脫離本公開內(nèi)容范圍的情況下電極4a、 4b可以具有任何形狀。
例如，通過利用濺射在半導(dǎo)體板1上施加例如鋁、銅、鉻、金或 鉑的金屬材料，并且利用光刻將所施加的金屬材料構(gòu)圖成梳齒形狀來 制造電極4a、 4b?；蛘?，電極4a、 4b可以由導(dǎo)電的非金屬材料制成， 例如多晶硅。
形成氮化硅膜，以便作為保護(hù)膜3來覆蓋電極4a、 4b和半導(dǎo)體 板1。利用等離子化學(xué)汽相淀積(CVD)或者濺射將保護(hù)膜3淀積在 半導(dǎo)體板1上，使其具有大致均勻的厚度，例如10ym?；蛘?，可以 使用氧化硅膜作為保護(hù)膜3。氮化硅膜或者氧化硅膜對于液體特性傳
感器10要檢測的液體，例如汽油、乙醇或者石油具有更好的抵抗力。
此外，氮化硅膜或者氧化硅膜可以通過普通的半導(dǎo)體制造技術(shù)容易地 制造。
液體特性傳感器10被設(shè)置成保護(hù)膜3暴露于混合了乙醇的汽油， 并且通過液體特性傳感器10檢測混合了乙醇的汽油的相對介電常 數(shù)。由此，在電極4a、 4b之間形成電容器，并且該電容器具有由保 護(hù)膜3和與保護(hù)膜3的表面相鄰的混合了乙醇的汽油構(gòu)造的電介質(zhì)。 因此，可以測量在電極4a、 4b之間形成的電容器的電容，并且該電 容除了保護(hù)膜3的相對介電常數(shù)之外還對應(yīng)于與保護(hù)膜3的表面相鄰 的混合了乙醇的汽油的相對介電常數(shù)。
這里，混合了乙醇的汽油的相對介電常數(shù)根據(jù)汽油和乙醇之間的 混合比而改變。汽油的相對介電常數(shù)處于從3到4的范圍，并且乙醇 的相對介電常數(shù)處在從20到30的范圍。因此，可以通過測量電極 4a、 4b之間的電容來檢測汽油和乙醇之間的混合比。例如，如圖3 所示，己經(jīng)預(yù)先測量了液體特性傳感器10的輸出(電極4a、 4b之間 的電容)和乙醇比(汽油和乙醇之間的混合比)之間的關(guān)系，以便進(jìn) 行儲存，從而從測量的電容可以提供將要檢測的混合比。
然而，汽油或者乙醇的相對介電常數(shù)隨著溫度而變化。因此，將 要檢測混合了乙醇的汽油的i^度，并且將要根據(jù)所檢測的溫度來校正 用于計算混合比的上述關(guān)系?；蛘撸梢灶A(yù)先在每個溫度測量乙醇比 和電容之間的關(guān)系，并且將根據(jù)所檢測的溫度來選擇合適的關(guān)系。
此外，當(dāng)保護(hù)膜3和混合了乙醇的汽油之間的相對介電常數(shù)的差 異增加時，電極4a、 4b之間的電場變得難以從保護(hù)膜3朝向混合了 乙醇的汽油擴(kuò)展。當(dāng)限制電場從保護(hù)膜3朝向混合了乙醇的汽油擴(kuò)展 時，由混合了乙醇的汽油的相對介電常數(shù)引起的電極4a、 4b之間的 電容的變化變得較小。在這種情況下，可能降低檢測靈敏度。因此， 為了減少保護(hù)膜3和混合了乙醇的汽油之間的相對介電常數(shù)的差異，
保護(hù)膜3的相對介電常數(shù)可以處在混合了乙醇的汽油的相對介電常 數(shù)的變化范圍中。
在本實(shí)施例中，氮化硅膜或者氧化硅膜用作保護(hù)膜3。氮化硅膜 具有大約7的相對介電常數(shù)，而氧化硅膜具有大約4的相對介電常數(shù)。 即，氮化硅膜或者氧化硅膜的相對介電常數(shù)處在混合了乙醇的汽油的 相對介電常數(shù)的變化范圍中。因此，可以準(zhǔn)確地檢測混合了乙醇的汽 油的相對介電常數(shù)。
此外，當(dāng)保護(hù)膜3的厚度增加時，對于電極4a、 4b之間的電場 來說難以到達(dá)與保護(hù)膜3的表面相鄰的混合了乙醇的汽油。在這種情 況下，可能降低檢測靈敏度。因此，可以將保護(hù)膜3的厚度制成等于 或小于lOu m。
圖1所示的電路元件部分6構(gòu)造有元件，例如CMOS晶體管和電 容器，并且這些元件構(gòu)造了電容-電壓(C-V)轉(zhuǎn)換電路，樣本保持電 路或者放大電路。C-V轉(zhuǎn)換電路將測量部分5測量的電極4a、 4b之 間的電容轉(zhuǎn)換成電壓值。樣本保持電路將轉(zhuǎn)換的電壓采樣并保持預(yù)定 的期間。放大電路將樣本保持電路輸出的電壓進(jìn)行放大。
由此，這種半導(dǎo)體型傳感器被用作液體特性傳感器10。此外， 用于處在來自測量部分5的輸出的信號處理電路與液體特性傳感器 IO—體地構(gòu)造。因此，可以大大減小液體特性傳感器10的尺寸。
液體特性傳感器10例如被布置在設(shè)置在用于車輛的燃料泵和噴 射器之間的燃料管道中。因?yàn)橐子跍p小液體特性傳感器10的尺寸， 因此可以將液體特性傳感器10自由地設(shè)置在燃料管道中。
這里，當(dāng)液體特性傳感器10設(shè)置在燃料管道中時，如此設(shè)置液 體特性傳感器10，使得燃料可以從燃料泵平穩(wěn)地朝向噴射器流動。 如圖4A和4B所示，將液體特性傳感器10的一部分插入到燃料管道 P中。由此，具有半導(dǎo)體板10的測量部分5的板表面大致平行于燃 料流F，并且測量部分5突出到燃料管道P中。
或者，如圖5A和5B所示，液體特性傳感器10安裝到燃料管道 P，使得燃料管道P的內(nèi)表面的一部分對應(yīng)于具有半導(dǎo)體板10的測量 部分5的板表面。由此，在燃料管道P中流動的混合了乙醇的汽油沿 著液體特性傳感器10的板表面流動，從而當(dāng)將液體特性傳感器10設(shè) 置在燃料管道P中時，混合了乙醇的汽油可以平穩(wěn)地流動。
根據(jù)第一實(shí)施例，液體特性傳感器10具有由通過層疊半導(dǎo)體板 1、電極4a、 4b和保護(hù)膜3而構(gòu)造的簡單結(jié)構(gòu)。因此，可以容易減小 液體特性傳感器10的尺寸。此外，保護(hù)膜3相對于待檢測的液體具 有抵抗性，并且將保護(hù)膜3的表面暴露于該液體。由此，在液體特性 傳感器10中不設(shè)置任何用于液體的通道。因此，在液體特性傳感器 10中不產(chǎn)生堵塞。
第二實(shí)施例
如上所述，當(dāng)保護(hù)膜3和混合了乙醇的汽油之間的相對介電常數(shù) 的差異增加時，由混合了乙醇的汽油的相對介電常數(shù)引起的電極4a、 4b之間的電容的變化變得較小。即，在混合了乙醇的汽油的相對介 電常數(shù)完全在其變化范圍上變化時，如果保護(hù)膜3的相對介電常數(shù)具 有均勻的值(如果液體特性傳感器10的保護(hù)膜3由單個膜制成)，則 可能降低檢測靈敏度。
然而，在第二實(shí)施例中，液體特性傳感器10包括具有不同相對 介電常數(shù)的多個保護(hù)膜3，并且第一和第二電極4a、 4b被相應(yīng)地提 供到保護(hù)膜3中的每一個。
在混合了乙醇的汽油的相對介電常數(shù)完全在其變化范圍上變化 時，計算保護(hù)膜3和混合了乙醇的汽油之間的相對介電常數(shù)的差異， 并且在多個保護(hù)膜3之間比較所計算的差異。然后，具有最小差異的 保護(hù)膜被選擇作為保護(hù)膜3，并且對應(yīng)于所選擇的保護(hù)膜的電極4a、 4b提供電容作為液體特性。因此，可以使檢測混合了乙醇的汽油的 相對介電常數(shù)的變化的靈敏度更好。
如圖6所示，例如，第二實(shí)施例的液體特性傳感器10包括第一 保護(hù)膜3a和第二保護(hù)膜3b，并且保護(hù)膜3a、 3b的相對介電常數(shù)彼 此不同。類似于第一實(shí)施例，保護(hù)膜3a、 3b由氮化硅膜或氧化硅膜 制成。
在這種情況下，例如，第一保護(hù)膜3a具有等于或小于5的相對 介電常數(shù)，其大致等于汽油的相對介電常數(shù)。相比之下，第二保護(hù)膜 3b具有等于或大于20的相對介電常數(shù)，其大致等于乙醇的相對介電 常數(shù)。
第一對電極4al、 4bl設(shè)置為對應(yīng)于第一保護(hù)膜3a，而第二對電 解4a2、 4b2設(shè)置為對應(yīng)于第二保護(hù)膜3b。因此，第一測量部分51 構(gòu)造有第一保護(hù)膜3a和第一對電極4al、 4bl，而第二測量部分52 構(gòu)造有第二保護(hù)膜3b和第二對電極4a2、 4b2。通過絕緣膜2將第一 測量部分51和第二測量部分52設(shè)置在半導(dǎo)體板1上。
這里，當(dāng)通過利用離子注入方法添加了磷或硼時增加了保護(hù)膜 3a、3b的相對介電常數(shù)。此外，在保護(hù)膜3a、3b由化學(xué)汽相淀積(CVD) 方法或?yàn)R射制造的情況下，當(dāng)通過調(diào)節(jié)溫度或真空度使保護(hù)膜3a、 3b的組成物變稀時減少了保護(hù)膜3a、 3b的相對介電常數(shù)。由此，保 護(hù)膜3a、 3b被制造為具有預(yù)定的相對介電常數(shù)。
根據(jù)第二實(shí)施例，如果乙醇與混和了乙醇的汽油的比率從0%變 到100%，則可以準(zhǔn)確地檢測對應(yīng)于混合了乙醇的汽油的相對介電常 數(shù)的電容。即，在乙醇是混合了乙醇的汽油的主要部分和汽油是混合 了乙醇的汽油的主要部分這兩種情況下都可以準(zhǔn)確地檢測乙醇和汽 油之間的混合比。
如圖7所示，當(dāng)乙醇的比率小時(即，當(dāng)汽油的比率大)，混合 了乙醇的汽油的相對介電常數(shù)相對較小。因此，通過利用來自第一測 量部分51的輸出來檢測乙醇和汽油之間的混合比，因?yàn)榈谝粶y量部
分51在這個范圍中具有更好的檢測靈敏度。相反，當(dāng)乙醇的比率大 時(即，當(dāng)汽油的比率小)，混合了乙醇的汽油的相對介電常數(shù)相對 較大。因此，通過利用來自第二測量部分52的輸出來檢測乙醇和汽 油之間的混合比，因?yàn)榈诙y量部分52在這個范圍中具有更好的檢 測靈敏度。
此外，當(dāng)保護(hù)膜3a、 3b的相對介電常數(shù)處在混合了乙醇的汽油 的變化范圍中時，檢測準(zhǔn)確度可以更好，因?yàn)楸Ｗo(hù)膜3a、 3b和混合 了乙醇的汽油之間的相對介電常數(shù)的差異小，如第一實(shí)施例中所述。
在圖6中，具有不同相對介電常數(shù)的第一和第二保護(hù)膜3a、 3b 被設(shè)置在液體特性傳感器10中。然而，可以在液體特性傳感器10中 設(shè)置三個或多個保護(hù)膜。
在上述實(shí)施例中，液體特性傳感器IO用于檢測混合了乙醇的汽 油的混合比。然而，液體特性傳感器10可以用于檢測其他液體特性。
例如，當(dāng)混合了乙醇的輕油用作柴油發(fā)動機(jī)燃料時，可以類似地 檢測乙醇和輕油之間的混合比。此外，可以檢測發(fā)動機(jī)油(engine oil)的退化程度，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)油由于氧化而退化，并且由于發(fā)動機(jī) 油的相對介電常數(shù)隨著退化(氧化)程度而改變。
這種變化和修改應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是處在由所附權(quán)利要求書所限定的 本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種用于檢測液體特性的液體特性傳感器(10)，該液體特性傳感器包括半導(dǎo)體板(1)，其包括設(shè)置在該半導(dǎo)體板的表面上的絕緣膜(2)，以及具有電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的信號處理電路(6)；第一電極(4a)和第二電極(4b)，所述電極設(shè)置在該半導(dǎo)體板的該表面上以便彼此間隔預(yù)定距離；以及保護(hù)膜(3)，其設(shè)置在該半導(dǎo)體板上以覆蓋該半導(dǎo)體板的其上設(shè)置了所述第一和第二電極的所述表面，所述保護(hù)膜對于該液體具有抵抗性，并且所述保護(hù)膜被暴露于所述液體，其中所述第一和第二電極(4a、4b)根據(jù)所述液體的相對介電常數(shù)來檢測其間的電容作為所述液體的特性，并且所述電容-電壓轉(zhuǎn)換電路(6)將所述第一和第二電極之間的電容轉(zhuǎn)換成電壓值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體特性傳感器(10)，其中 所述保護(hù)膜(3)具有相對介電常數(shù)，其處在所述液體的相對介電常數(shù)的變化范圍內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體特性傳感器(10)，其中 所述保護(hù)膜(3)構(gòu)造有具有在所述液體的相對介電常數(shù)的變化范圍中的不同相對介電常數(shù)的多個膜(3a、 3b)，并且所述第一和第二電極(4a、 4b)被相應(yīng)地設(shè)置到所述多個膜中的 每一個。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體特性傳感器(10)，其中 所述液體是第一液體和第二液體構(gòu)成的混合液體， 所述液體具有相對介電常數(shù)，其隨著所述第一液體和所述第二液體之間的混合比而改變，所述保護(hù)膜(3)包括第一膜(3a)和第二膜(3b)，該第一膜(3a) 具有大致等于所述第一液體的相對介電常數(shù)的相對介電常數(shù)，該第二 膜(3b)具有大致等于所述第二液體的相對介電常數(shù)的相對介電常數(shù)， 并且所述第一和第二電極(4a、 4b)被相應(yīng)地設(shè)置到所述第一膜和所 述第二膜中的每一個。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體特性傳感器(10)，其中 所述保護(hù)膜(3)由氧化硅膜和氮化硅膜中的一種制成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體特性傳感器(10)，其中 所述保護(hù)膜(3)具有等于或小于10um的厚度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體特性傳感器(10)，其中 所述第一電極(4a)和所述第二電極(4b)中的每一個都構(gòu)造有公共電極以及在預(yù)定的單個方向上從所述公共電極延伸的多個梳齒 電極，并且所述第一和第二電極(4a、 4b)被設(shè)置成使得所述第一電極的所 述梳齒電極和所述第二電極的所述梳齒電極交替設(shè)置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體特性傳感器(10)，其中 所述半導(dǎo)體板(1)被設(shè)置成使得所述液體沿著所述半導(dǎo)體板的所述表面流動。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體特性傳感器(10)，其中 所述液體是混合了乙醇的汽車燃料，所述混合了乙醇的汽車燃料具有相對介電常數(shù)，其根據(jù)乙醇和汽 車燃料之間的混合比而改變，并且所述第一和第二電極(4a、 4b)之間的電容對應(yīng)于所述混合了乙 醇的汽車燃料的組成比。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體特性傳感器(10)，其中 所述液體是發(fā)動機(jī)油，所述發(fā)動機(jī)油具有相對介電常數(shù)，其根據(jù)所述發(fā)動機(jī)油的退化程 度而改變，并且所述第一和第二電極(4a、 4b)之間的電容對應(yīng)于所述發(fā)動機(jī)油 的退化程度。
全文摘要
用于檢測液體特性的液體特性傳感器(10)包括半導(dǎo)體板(1)、第一電極(4a)和第二電極(4b)、以及保護(hù)膜(3)。第一和第二電極(4a、4b)設(shè)置在半導(dǎo)體板(1)上，彼此間隔預(yù)定距離。保護(hù)膜(3)相對于該液體具有抵抗性。第一和第二電極(4a、4b)根據(jù)液體的相對介電常數(shù)來檢測其間的電容作為液體的特性。半導(dǎo)體板(1)的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路(6)將電容轉(zhuǎn)換成電壓值。
文檔編號G01N27/22GK101169388SQ20071016682
公開日2008年4月30日 申請日期2007年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者吉田貴彥, 村田稔 申請人:株式會社電裝