CN101358889B - 电容量隔膜压力计和其构造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量压力的电容量隔膜计(100)和其构造方法，包括经由垫片(122)或其它的凸起周边部分安装到主体结构(110)上的平隔膜(120)。

Description

电容量隔膜压力计和其构造方法 

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。

已经使用了很多技术来预拉伸隔膜，特别是对于低压CDG中的隔膜；然而，用于高压隔膜的技术是非常有限的，并且当设备变得更小型化时，这些技术就更为有限了。一种已用来预拉伸隔膜的技术是在将隔膜焊接到CDG的主体之前先加热隔膜，使得该隔膜在冷却时收缩并且形成拉伸。以前用该技术来预拉伸隔膜的尝试包括将隔膜与热压板接触。该技术使得整个夹具变热，从而在处理后续单元时在结果中造成极大的不确定性。这样一种技术在隔膜和热压板之间保持良好热接触的方面也会出现问题，这也使得该隔膜上的最终拉伸是不可复现的。

典型CDG中的支撑结构形成为单一件，该结构中邻近于隔膜的一部分提供了垫片的功能，使得隔膜在其静止位置或零点位置与电极间隔开。将该垫片形成为CDG主体的一部分，这是一种为了获得隔膜与电极之间的间隔而采取的非常昂贵且不可复现的方式。例如，该垫片的薄唇边需要非常小心地加工，以便提供为了产生可复现的初始零点电容量而需要的公差。当隔膜弯曲时，该垫片处于很大的压力之下。因此，该垫片需要是非常硬。为了在单一件设计中获得所需的硬度，该部分在加工之后被热处理。该热处理可以使得该部分扭曲并且损失了精确测量所需要的间隔精度。

发明内容

按照本发明的实施例提供了一种带有平隔膜的电容量隔膜计(CDG)，该平隔膜具有低滞后特性。该CDG具有能以经济上可承受的方式可复现地制造的简单结构。

按照本发明的实施例的一个方面是一种带有平隔膜的电容量隔膜计(CDG)，该平隔膜通过这样的技术安装在CDG的主体上，即在该隔膜上产生非常高度的预拉伸，其预拉伸的强度大小约为该隔膜材料的极限强度大小的一半。这样的预拉伸被带到了最佳工作点，该最佳工作点使得该隔膜的弯曲应力相对于容许应力最小化。由于该隔膜上的弯曲应力是滞后的主要原因，那么通过该技术使得滞后最小化。

特别是，在这里所描述的实施例中，在将隔膜焊接到CDG主体之前要对隔膜施加热量。当焊接完成之后，由于隔膜在冷却的同时进行收缩，从而将该隔膜预拉伸。

在一个优选实施例中，用高强度辐射来照射该隔膜。例如，可以用激光或其它的适当来源来提供该辐射。在一个特别的实施例中，用卤素灯来产生该辐射，将该卤素灯适当地布置以便照射该隔膜的一面。在焊接过程开始之前几秒钟启动该辐射源，并且在焊接过程中保持工作。通过提高该隔膜相对于其周围的辐射率来提高辐射的吸收，使得该辐射有选择地加热该隔膜。通过提高隔膜相对于CDG主体周围材料的温度，该隔膜在焊接过程之前相对于周围材料发生膨胀。在隔膜膨胀的同时对隔膜进行焊接，以使该隔膜在焊接完成之后冷却时成为被预拉伸的。

来自于激光、卤素灯或其它辐射源的辐射强度可被充分控制以便提供可复现的温度，使得该预拉伸产生约为极限应力一半的可复现应力。

普通的金属具有非常低的辐射率并从而具有非常低的吸收率。基本上所有的入射辐射都被反射了，剩下的少量辐射所提高的温度是不够的。而且，该温度的提高不可能产生可复现的结果。按照该特别优选的实施例，通过用碳或其它适当物质涂覆表面来提高隔膜表面的辐射率。优选地，要以这样的方式来涂覆该隔膜的表面，即允许在焊接过程完成后能容易地清洁该隔膜。例如，已经发现碳黑(例如煤烟)适于提高辐射率并且在该过程完成之后容易被去除。在一个特别的实施例中，通过将隔膜的承压面暴露于丁烷的氧化焰(例如来自于点火器等)之下来施加碳黑。该氧化焰在承压面上沉积一薄层的碳。该薄碳层吸收辐射，以便在其它部件保持相对冷的同时将隔膜快速加热。该碳层容易洗去而无需研磨清理。

这里所描述的技术用于生产带有独立的、薄的未进行机械加工的隔膜的CDG。相比于如下非常昂贵的过程：“加工出单一件的隔膜和支撑件，然后在加工之后热处理隔膜而不使该隔膜变形”，该隔膜是容易被热处理而获得最佳性能的。这里所描述的过程允许以一种成本合算且最佳的方式将隔膜安装到支撑件上，并且提供了关于隔膜弯曲特性的显著性能。特别是，该隔膜具有低的滞后。

现有的设备具有单一件的主体结构，该主体结构具有形成为主体结构一部分的垫片，与该现有设备不同，本发明的实施例包括可单独进行热处理的独立垫片。像该隔膜一样，该垫片也不需要被机械加工。因此，该垫片无论如何都不会变形或改变其厚度。这样，用容易制造的低成本部件获得了具有可复现特性的最佳性能。结果，按照这里所描述的实施例的支撑结构(例如该CDG的主体)是一种简单的、可大规模生产的部件。

为了在加热的同时焊接隔膜，在将受热隔膜和垫片焊接到CDG主体的时候，将该隔膜和垫片固定在液力心轴压机的上压头和下支撑表面之间。在非平隔膜的构造中，还要在同一过程中焊接一外支撑环，并且保留作为CDG的部件。为了获得按照这里所描述的实施例的平隔膜，在焊接过程中，该隔膜放置在可重复使用的支撑夹具上。该支撑夹具设在心轴压机的下支撑表面上，而迫使上压头靠着CDG主体的后表面。在焊接过程中，心轴压机的压力将隔膜固定到了CDG主体上。该支撑夹具包含高温(例如难熔)材料，该材料在焊接过程中不会熔化从而不会附着到隔膜上。诸如钽和碳化硅的示例性难熔材料都是适于支撑夹具的。

与过去的单部件式电极设计不同，按照本发明的可选实施例包括一两部件式电极，两部件式电极在温度的变化下提供了稳定的电容量。电极响应于温度的膨胀提高了静止电容量。静止电容量的提高可以通过增加隔膜和电极之间的间隔来抵消。被增加的间隔可以通过使得单个电极的净膨胀小于穿过垫片的支撑通道来提供。在优选实施例中这是使用两部件式电极来实现的。适用于高压测量的两部件式电极包括含有钛或钛合金的外部分。该钛或钛合金材料具有经得起高压CDG所独具的过压力的高强度接合特性。该两部件式电极的内部分通过焊接(或其它像焊接一样连接这两部件的适当方式)连接到外部分。例如，已发现300系列的不锈钢适合于用作该内部分。在这里所描述的实施例中，该内部分最好包含镍。可选择地，用含有钛或钛合金的单部件式电极也能实现适当的性能。

按照本发明的其它实施例包括邻近隔膜的周边设置的第二电极，以便通过提供第二电容量测量信号来补偿电极和隔膜之间的膨胀，可以处理该信号来抵消该膨胀效应。

具体地，本发明提出一种电容量隔膜压力计，包括：具有前表面和后表面的主体结构；所述前表面具有基本上平的中心部分并且被凸起周边部分所限定，该凸起周边部分具有垂直于所述平的中心部分的厚度；穿过该主体结构布置的至少一个电极，该电极具有与所述前表面基本上平齐的前沿面；具有第一表面和第二表面的隔膜，该第一表面布置在所述凸起周边部分上并且通过凸起周边部分的厚度与所述主体结构的前表面间隔开。

本发明也提出一种构造电容量隔膜压力计的方法，包括：

将一电极组件安装成穿过一孔，该孔从主体结构的前表面延伸至后表面，所述前表面具有基本上平的中心部分并且被凸起周边部分所限定，该凸起周边部分具有垂直于所述平的中心部分的厚度和外直径；

将隔膜设在该凸起周边部分上，该隔膜具有第一表面和第二表面，该第一表面与该凸起周边部分接触并且通过该凸起周边部分的厚度与该主体结构的前表面间隔开；

加热该隔膜以使该隔膜膨胀；

在隔膜膨胀时将该隔膜的第一表面的周边焊接到凸起周边部分上，其中所述凸起周边部分包括环形垫片，由此该隔膜的第一表面的周边限制成与垫片的外直径一致的尺寸；和

冷却该隔膜以使该隔膜收缩，并且通过由该凸起周边部分施加到该隔膜第一表面的周边上的限制作用而使该隔膜变得是被预拉伸的。

附图说明

下面结合附图来描述本发明实施例的前述特征和其它特征，其中：

图1A是本发明电容量隔膜计(CDG)的一个实施例的前透视图，其中显示出了平隔膜的承压面；

图1B是图1A的CDG的后透视图，其中显示出了屏蔽电极接头、用于形成与CDG的主体电连接的螺纹孔，以及被夹断的抽空管；

图2A是沿图1A的线2A-2A提取的图1A的CDG的横截面；

图2B是沿图2A的线2B-2B提取的CDG的放大横截面，以便更详细地显示隔膜和CDG主体之间的垫片；

图3是图1A和图1B中的CDG的后透视分解图，其中显示了电极、电极屏蔽罩、绝缘玻璃坯件和抽空管；

图4是图1A和图1B中的CDG的前分解图，其中显示了隔膜、垫片和电极之间的关系；

图5是CDG主体、垫片和隔膜的部分横截面示意图，它们设置在液力心轴压机中的可重复使用的支撑环上，在焊接过程中，在辐射源施加辐射来加热隔膜的同时由该液力心轴压机施加压力；

图6是本发明另一种实施例的横截面，其中提供了两个电极来补偿隔膜和中心电极之间的间隔随温度的变化。

具体实施方式

图1A、1B、2A、2B、3和4示出了一种实施例的电容量隔膜计(CDG)100。如图1A所示，该CDG 100包括主体结构110，该主体结构110具有前表面112(见图4)和后表面114(见图4)的主体结构110。在这里所示出的实施例中，主体结构110总体上是圆柱形，并且前表面112和后表面114为圆形。在该优选实施例中，前表面112的面积小于后表面114的面积，而且主体结构110中邻近前表面112的前圆柱部分116的直径比邻近后表面114的后圆柱部分118的直径小，以使主体结构110具有从前部分116到后部分118的阶梯状过渡，该阶梯状过渡形成为围绕前部分116的唇边119。在某些应用中，可以在安装该CDG 100时使用该唇边119。

邻近主体结构110的前表面112来安装平隔膜120，并且用圆形垫片122将该平隔膜120与该前表面112间隔开(在图2A、2B和4中显示得更清楚)。该隔膜120具有约1英寸(2.54cm)的直径以及范围在0.001英寸(0.025mm)到0.015英寸(0.38mm)的厚度。优选地，该隔膜120包含因科镍合金(Inconel)750或其它适当的材料。

该圆形垫片122包含形成为薄环的Inconel 750，该薄环具有约1英寸(2.54cm)的外直径以及约0.98英寸(2.49cm)的内直径。在一种优选实施例中，该垫片122具有约0.003英寸(0.08mm)的厚度。 这样，该隔膜120与该前表面112间隔开约0.003英寸。在该优选实施例中，该垫片122是如图所示的独立单元。该垫片122形成为限定了主体结构110的平的前表面112的边界的凸起周边部分。在可选实施例中，利用机械加工技术或其它适当技术，该垫片122可以形成为主体结构110的一部分，以便围绕着前表面112中基本上平的中心部分形成一凸起周边部分。该凸起周边部分具有垂直于前表面112的中心部分测量的有效厚度，该有效厚度与垫片122的厚度一致，这正如前面所讨论的那样。

如图2A和4中所更清楚地示出的，圆筒孔124从前表面112延伸穿过主体110到达后表面114，而且该圆筒孔124相对于这两个表面基本上是居中的。电极组件130延伸穿过该圆筒孔124。该电极组件130包括用同心电极屏蔽罩134包围的圆柱电极132。该电极组件130设置成穿过该圆筒孔124，使得该电极132的前表面136和该电极屏蔽罩134的前表面138基本上平齐于主体结构110的前表面112，如图2A和4所示。

如图2A所示，用设置在电极132和电极屏蔽罩134之间的第一同心绝缘体140将该电极132与该电极屏蔽罩134电绝缘。类似地，第二同心绝缘体142设在电极屏蔽罩134和圆筒孔124的壁之间，用该第二同心绝缘体142将电极屏蔽罩134与孔124的壁电绝缘，从而就与主体结构110绝缘了。

如图3所示，该第一同心绝缘体140最好是通过如下方式形成，即围绕着一部分电极132放置第一多个环形玻璃坯件140a、140b，并且将该电极屏蔽罩134布置在该第一多个玻璃坯件140a、140b之上。第二同心绝缘体142最好是通过如下方式形成，即围绕着电极屏蔽罩134放置第二多个玻璃坯件142a、142b、142c、142d，然后将电极屏蔽罩134布置在圆筒孔124内。该玻璃坯件140a、140b的尺寸能将电极132在电极屏蔽罩134内基本上对中，而玻璃坯件142a、142b、142c、142d的尺寸通常能将电极屏蔽罩134在圆筒孔124内对中。

是在调准夹具(未示出)中对这些部件进行所述的布置的。该电极132的前表面136最好包括小孔144，该小孔144能与调准夹具中的销(未示出)相接合。类似地，该调准夹具中的洞(未示出)能与从电极132的后表面148延伸出来的接触销146相接合。该孔144和销 146将电极132保持在电极屏蔽罩134中基本上同心的位置，直到玻璃坯件140a、140b、142a、142b、142c、142d被加热到足以围绕着电极132和电极屏蔽罩134流动并且接着被冷却。在某些优选实施例中，该玻璃坯件140a、140b、142a、142b、142c、142d最好包含硼硅酸盐玻璃，硼硅酸盐玻璃在约700℃下就足以软化到围绕着这些部件流动并且形成永久性的绝缘接合。

主体结构110被冷却后，通过研磨或其它适当方法将主体结构110的前表面112修平，使得电极132的前表面136与该前表面112齐平。

在该优选实施例中，电极132包括前部分132a和后部分132b。该后部分132b最好包含钛，钛具有响应于温度的的低膨胀系数。因此，当温度升高而使得玻璃坯件流动并且接着降低温度而形成永久接合时，后部分132b的直径保持了充分的恒定，以致于围绕着后部分132b形成的玻璃接合在玻璃硬化时保持了完整。

在该优选实施例中，隔膜120、垫片122和主体结构110包含Inconel750或其它适当的材料。电极132的前部分132a最好包含镍。该前部分132a所具有的响应于温度的膨胀系数与主体结构110、隔膜120和垫片122相类似。这样，该前部分132a的膨胀与收缩基本上与其它部件成比例，因而相对于隔膜120保持了比较固定的间隔。电极屏蔽罩134最好也包含镍，以便具有类似的膨胀系数。

图5示出了一种用于将隔膜120和垫片122安装到主体件110上的系统。如前所述那样将电极132和电极屏蔽罩134彼此接合并且接合到主体结构110之后，将垫片122和隔膜120以预拉伸隔膜120的方式焊接到主体结构的前表面112上。特别是，垫片122设在前表面112上，使得垫片122的外周边基本上与该前表面112的外周边相一致。然后将圆形隔膜120设置在垫片122上。然后将一种可重复使用的环形工具夹具(支撑夹具)170设置在隔膜120上方。

该主体结构110、垫片122、隔膜120和工具夹具170设置在液力心轴压机172中，图5以部分横截面示出了该压机的一部分。该工具夹具170放置在心轴压机170的圆筒形下支撑表面174上，而隔膜120、垫片122和主体结构110放置在工具夹具170上。该心轴压机172的圆筒形上压头176设置在主体结构110的后表面114上。通过液压缸(未示出)或其它传统设备向心轴压机172的压头176施加变化的力， 从而将隔膜120和垫片122挤压该在前表面112的周边和工具夹具170之间。

进一步如图5所示，辐射能量源180设置在隔膜120下方。例如，在所示出的实施例中最好是用卤素灯180提供该辐射能量。该辐射能量指向于隔膜120来加热该隔膜并且使得该隔膜膨胀。

由于该隔膜120包含Inconel，其具有通常为高的反射率，因此从灯180入射到隔膜120上的大部分辐射能量通常被反射了。为了增强辐射能量的吸收，该隔膜涂有具有高辐射率材料，这是因为高辐射率材料也容易吸收辐射能量。另一方面，许多高辐射率涂层难于从表面上去除。残留在隔膜120的暴露表面上的任何玷污材料都可能会影响到隔膜的性能。在优选实施例中，隔膜120的暴露表面涂有灯黑(例如煤烟)182。例如，在一个实施例中，通过邻近着该暴露表面放置丁烷火焰(未示出)而在隔膜120上形成灯黑182。如下文所述那样将垫片122和隔膜120永久固定到主体结构110之后，很容易用水或温和的清洁溶液将灯黑182从隔膜上去除，而不需要使用可能会损坏隔膜120的磨料或力度。

一开始，在主体结构110的后表面114上施加足够的压力来保持主体结构110、垫片122和隔膜120的相对位置，同时通过由灯黑182吸收的辐射能量来加热该隔膜120，从而使得隔膜120膨胀。然后向该这些已装配部件施加全压力，以便将该隔膜120限制在已膨胀的构形中。

启动焊头190将隔膜120和垫片122熔合到主体结构110的前表面112上。该焊头190以传统的方式(例如电弧焊接、激光焊接、电子束焊接或其它适当的接合过程)绕着隔膜的周边转动，以便绕着隔膜120的整个周边形成连续的焊接。隔膜120和垫片122被固定到主体结构110上，从而在隔膜的内表面和主体结构的前表面112之间形成一密封腔。

该工具夹具170包含难熔金属或其它适当材料(例如钽或碳化硅)，这些材料比主体结构110、垫片122和隔膜120所用的Inconel 750材料的熔点高出很多。因此，该工具夹具170不会被该焊接过程所影响而且不会与其它部件相熔合。这些被焊接的部件容易从该工具夹具170上取下，而且同一个工具夹具170能多次使用。

当关掉灯180时，隔膜120逐渐冷却且收缩。然而，由于该隔膜 120的外周边被稳固地固定在主体结构110上，而主体结构110没有被辐射能量加热到任何显著的程度，因此，该隔膜120的表面有效地伸展而且在其冷却时被预拉伸。

因为由前述装配方法所引入的预拉伸，因此隔膜120具有非常小的滞后。在压力传感应用中使用时，隔膜120的预拉伸使得该隔膜在由压力变化引起弯曲之后恢复到其初始未弯曲位置。

如图1B和3进一步示出的，一更小的通孔150从前表面112延伸至后表面114。在CDG100的装配过程中，抽空管152安装到该孔150中。CDG100完全装配好后，向抽空管152施加非常低的压力，以便将形成在前表面112和隔膜120之间的腔体内的任何残余气体抽出。然后，夹紧该抽空管152以形成冷焊，而将抽空管152的过剩部分去除而形成如图1B中所示的凸起物。

后表面114还包括螺纹孔160，该螺纹孔160延伸到主体结构110内的选定深度但是没有延伸到前表面112。当将CDG100安装在压力传感应用中时，可以通过螺丝与螺纹孔160的啮合而将一电接头(未示出)连接到主体结构110上，从而完成经由主体结构110和垫片114到隔膜120的电路。这样，由隔膜120和电极132的前表面136形成一可变电容器，第一电接头被制造在该可变电容器的一个极板上。通过销146与一共轴连接器(未示出)的中心触点的接合，而将第二电接头制造在电极132上。该共轴连接器的屏蔽触点与该电极屏蔽罩134接合。

注意到，图2A示出的横截面没有示出通孔150、抽空管152和螺纹孔160。

在一些实施例中，还可以包括另外的通孔(未示出)以允许安装传统的吸气罐(未示出)，以便用化学方法去除抽气过程之后剩下的任何残余气体。

该CDG100的结构以及预拉伸隔膜120的方法允许制造出具有更大压力传感能力范围的CDG。例如，可以制造直径约为1英寸(2.54cm)以及厚度约为0.001英寸(0.025mm)的隔膜120来测量从0.0001托到1托范围内的压力，以及可高达从0.001托到10托范围内的压力。可以制造具有类似厚度且直径约为2英寸(5.08cm)的隔膜120来测量从0.00001托到0.1托范围内的压力，以及可高达从0.001托到10 托范围内的压力。

该CDG100的结构以及预拉伸隔膜120的方法特别有利于使用更多的相对于隔膜的直径成比例地更厚的隔膜来制造CDG，以测量更高范围的压力。

迄今为止，在合理的成本下没有可用的CDG具有预拉伸的平隔膜以实现非常低的滞后以及具有足够的厚度来测量更高的压力范围。这里所描述的实施例的结构和方法提供了低成本的、非常精确的平隔膜，该隔膜可被制造成用于各种应用中。例如，可以制造出具有约0.75英寸(1.9cm)的直径以及0.001英寸(0.025mm)厚度的隔膜120来测量从0.01托到100托范围内的压力。可以制造出具有约0.75英寸(1.9cm)的直径以及0.003英寸(0.076mm)厚度的隔膜120来测量从0.1托到1000托范围内的压力。可以制造出具有约0.75英寸(1.9cm)的直径以及0.01英寸(0.254mm)厚度的隔膜120来测量从1托到10000托范围内的压力。

图6示出了按照本发明另一种实施例的CDG 200的横截面，其中提供了两个电极来补偿隔膜和中心电极之间的间隔随温度变化的变化。图6的实施例特别有利于提高具有更大直径隔膜(例如2英寸量级的直径)的CDG的性能。CDG 200的结构类似于前述的CDG 100的结构，而且在下文中没有特别讨论的类似部件在图6中没有被标号。

该CDG 200包括含有Inconel 750的主体结构210。该主体结构210总体上为圆形，这和上文所说明的CDG200的主体结构110一样。该主体结构210具有约2英寸(5.08cm)的直径。该主体结构210具有前表面212和后表面214。

隔膜220邻近着前表面212设置，并且通过圆形垫片222与该前表面212间隔开。该隔膜220和垫片222的结构与上文所述一样；然而，直径却更大了(例如2英寸(5.08cm))，以便与主体结构210的直径相对应。

第一孔224a从前表面212的中心延伸穿过主体结构210到达后表面214的中心。第二孔224b平行于第一孔224a穿过该主体结构210。该第二孔224b的位置靠近于前表面212的周边。

第一电极组件230a设在第一孔224a内，而第二电极组件230b设在第二孔224b内。每一个电极组件230a、230b都最好以上述的关于 电极组件130的方式构建而成。特别是，第一电极组件230a包括第一电极232a，该第一电极232a具有第一电极前表面236a，而第二电极组件230b包括第二电极232b，该第二电极232b具有第二电极前表面236b。

该主体结构210最好包括容纳抽空管的通孔以及接纳电接头的螺纹孔。这些元件在图6中没有示出；然而，这些元件对应于图3中示出的类似元件。

如上文所述的关于CDG 100那样来装配该CDG 200，使得该隔膜220被预拉伸跨过主体结构210的前表面212，而隔膜220的内表面和该前表面212之间的空腔被抽空且密封。

在CDG 200中包含第二电极组件230b在使用更大直径的隔膜时是特别有利的。由于CDG200周围的温度上升，垫片222趋向于膨胀而使得隔膜220远离与第一电极232a的前表面236a相邻近的该前表面212。这样，第一电极232a和隔膜220之间的电容量会随着温度改变。因为不容易将由温度引起的电容量改变与由压力引起的电容量改变区分开来，因此所测的电容量不能准确地表示出该压力。

由于第二电极组件230b的位置靠近于隔膜220的周边，而隔膜220在其周边处经由垫片222被固定到该前表面212，因此该部分隔膜220和第二电极232b的前表面236b之间的间隔随压力变化的改变非常小。然而，隔膜220和第二电极232b的前表面236b之间的间隔与隔膜220和第一电极232a的前表面236a之间的间隔随温度变化的改变基本上相同。因此，由温度变化引起的电容量改变对于两个电极来说是基本上相同的。所以，在隔膜220和第一电极232a之间得到的电容量测量与在隔膜220和第二电极232b之间得到的电容量测量被用来在测定压力时补偿该温度效应。

本发明还可以以其它的特殊形式具体实现，而不偏离这里所描述的基本特征。上文所述的实施例在各个方面都认为只是说明性的，而不具有任何方式的限制性。本发明的范围通过随后的权利要求书来表明，而不是通过上文的描述来表明。在权利要求书的等价内涵和范围内的任何和所有改变都被认为在其范围内。

Claims (8)

1.一种电容量隔膜压力计，包括：

具有前表面和后表面的主体结构；

所述前表面具有基本上平的中心部分并且被凸起周边部分所限定，该凸起周边部分具有垂直于所述平的中心部分的厚度；

穿过该主体结构布置的至少一个电极，该电极具有与所述前表面基本上平齐的前沿面；

具有第一表面和第二表面的隔膜，该第一表面布置在所述凸起周边部分上并且通过凸起周边部分的厚度与所述主体结构的前表面间隔开；

所述凸起周边部分包括环形垫片，其中在隔膜固定到所述凸起周边部分上时，所述凸起周边部分固定到所述主体结构的前表面上；

该隔膜在拉伸状态下固定在所述垫片上。

2.根据权利要求1所述的电容量隔膜压力计，其中，所述电极包括：

前部分，该前部分包含具有第一热膨胀特性的材料，所述第一热膨胀特性类似于所述凸起周边部分的热膨胀特性；和

后部分，该后部分包含具有第二热膨胀特性的材料，所述第二热膨胀特性低于所述第一热膨胀特性。

3.根据权利要求1所述的电容量隔膜压力计，其中，该隔膜的第二表面是完全光滑且无阻挡的暴露表面。

4.根据权利要求1所述的电容量隔膜压力计，其中：

压力计包括第一电极，第一电极具有圆柱形主体，所述第一电极的位置接近所述前表面的中心处，所述第一电极的前沿面具有一尺寸和一形状。

5.根据权利要求4所述的电容量隔膜压力计，其中：

压力计包括第二电极，第二电极具有圆柱形主体，所述第二电极的位置邻近于所述前表面的周边，所述第二电极的前沿面具有与第一电极的尺寸和形状基本上相同的尺寸和形状。

6.一种构造电容量隔膜压力计的方法，包括：

将一电极组件安装成穿过一孔，该孔从主体结构的前表面延伸至后表面，所述前表面具有基本上平的中心部分并且被凸起周边部分所 限定，该凸起周边部分具有垂直于所述平的中心部分的厚度和外直径；

将隔膜设在该凸起周边部分上，该隔膜具有第一表面和第二表面，该第一表面与该凸起周边部分接触并且通过该凸起周边部分的厚度与该主体结构的前表面间隔开；

加热该隔膜以使该隔膜膨胀；

在隔膜膨胀时将该隔膜的第一表面的周边焊接到凸起周边部分上，其中所述凸起周边部分包括环形垫片，由此该隔膜的第一表面的周边限制成与垫片的外直径一致的尺寸；和

冷却该隔膜以使该隔膜收缩，并且通过由该凸起周边部分施加到该隔膜第一表面的周边上的限制作用而使该隔膜变得是被预拉伸的。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法还包括在将隔膜焊接到所述凸起周边部分上时，将所述凸起周边部分焊接到所述主体结构的前表面上。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过向所述隔膜的第二表面施加一可去除的涂层并且通过向该涂层施加辐射能量来加热所述隔膜。 

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