CN102288360A

CN102288360A - 电容式真空压力传感器

Info

Publication number: CN102288360A
Application number: CN2010102028836A
Authority: CN
Inventors: 戴德仁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明涉及的是一种由玻璃和合金材料合成的合成件为基件的用于真空压力测量的电容式压力传感器，它具有很强的牢固性和耐蚀性，为了使其具有很好的灵敏性，高精度地测量出不同压力段的压力值，采用了厚度(10-200微米)不等的，由耐蚀性弹性合金制成的“弹性膜片”，这些膜片被紧密地、对称和无应力地配置在一个由玻璃和合金材料合成的合成件中。

Description

电容式真空压力传感器

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的用于真空压力测量的电容式压力传感器。

背景技术

众所周知，利用弹性薄膜结构做成一个可变电容结构，当弹性薄膜片在收到压力作用的情况下，产生挠曲性的变化，利用其挠曲度的变化，用一个已知和适用的方法结算与压力变化相适应的电容变化，根据这一原理，人们运用了各种材料制造出了不同结构的用于真空压力测量的电容式压力传感元件。例如选用硅材料和玻璃衬底，以硅膜片作为压力感受膜片的压力传感元件，在真空运用时，不可能在测量较低压力时，实现很高的分辨率，而且受环境因素影响也大。为此，人们选用了各种合金或陶瓷材料制造出了各种不同结构的用于真空压力测量的传感元件，如美国MKS公司发明生产的，利用合金材料制成一个密封的外壳，内置一块陶瓷材料的电极板，用一张合金材质的膜片作为压力感受膜片，且构成了一个可变电容结构，极板和压力感受膜片间的距离依靠一个压环弹簧固定，容易产生松动，从而影响了该传感器元件长期工作的稳定性，而德国莱宝公司发明生产的完全使用陶瓷材料构造的、此类用于真空压力测量的传感元件，虽然避免了以上不足，制造出了一种相对固定的可变电容结构。众所周知，陶瓷材料的化学和物理特性虽然稳定，但牢固性不足，尤其是此类传感器采用了很薄的陶瓷膜片，在受到一定地外力冲击情况下容易产生碎裂，从而影响到了该传感元件的使用寿命，而且以上此类结构的传感元件的制造工艺复杂，工艺要求很高，制造成本太大。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术上的缺点，提供出一种工艺结构简单，电容密封体密封特性好，结构与工作特性稳定，承受过压能力强，线性度和灵敏度高的电容式压力传感器，它可测量10^-3pa-136KP范围的压力，测量精度优于千分之五，其测量范围可通过按权利要求1所述的各个测量元件之间的配置来实现，而且此传感器对侵蚀介质具有耐蚀性，结构紧凑牢固和造价低廉。

为此，本发明采用了一种玻璃和合金材料，经过高温烧结后合成的合成件为电容电极体，在该电容电极体下方，以保持一定位移距离的，在边缘区密封布置的，用耐蚀性弹性合金制成的压力感受膜片，所以在该膜片和电容电极体间就构成了一个基准真空室，在该膜片的另一表面也以一定距离布置了一个同样在其边缘区密封布置的，由耐蚀性合金制成的壳体，因此在该处构成了一个真空压力测量室，在该真空压力测量室配有一个被测介质的输入连接管，构成基准真空室的电容电极体所对置膜片的玻璃表面涂有金属元素(金或银等)导电层，形成电容电极，该电极通过设置在电容电极体上的两根合金导线被密封性地引出，在边缘区膜片对电容电极体和合金外壳的密封最好采用焊接，例如用氩气焊接和激光焊接，但用同样的耐蚀的玻璃焊料也是较为合适的。

本发明的用于真空压力测量的电容式压力传感器的特征结构基本实现了对称，这种对称结构基本上避免了传感元件间由于连接而生产的内应力。这对达到很高的测量灵敏度，以及实现高精度和长时间可重复性的、测量低的压力是非常重要的。由于这种对称结构采用了由耐蚀性合金制成很薄的弹性合金膜片用来测量低于100pa的低真空压力时，显得更加重要。为此膜片被制成(10-200微米)不同的厚度是十分必要的，为了达到很好的分辨率，典型的膜片厚度配置范围例如为：

在1000乇时膜片的厚度为100-200微米

在100乇时膜片的厚度为50-100微米

在10乇时膜片的厚度为30-50微米

在1乇时膜片的厚度为30-40微米

在0.1乇时膜片的厚度为20-25微米

在0.01乇时膜片的厚度为10-25微米

这样薄的膜片的制作，由于采用了耐蚀性的弹性合金材料，其表面的平整度(即最低点于最高点之差)和气密度，在遵循有关严格的工艺要求下，是完全能够保障的。

为了不影响位于边缘区膜片密封的质量，导电层的引出，在本传感器的结构布置上实现了直接从电容电极体上完全自然性的密封式地引出，从根本上保证了该传感器的电容电极密封腔的密封特性。

为了长期保证该传感器测量元件的精确功能，基准真空室内必须具有高质量的长期稳定的真空度，为此，在采用泵抽气后，必须设置“消气剂”，该“消气剂”以很小的体积设置在“消气剂罩室”内，其作用是确保基准真空室内压力远远低于被测压力，为了避免传感器内部的污染，“消气剂”应选用非蒸发型的。

依照本发明制造的传感器体积小，而且造价低廉，这种传感器的直径为10-100毫米，厚度为10-80毫米。

附图说明

图1图2本发明电容式真空压力传感器的二种结构特征的示意横断面。

图3-图9本发明电容式真空压力传感器的测量元件的一种结构特征和布置的横断面详图。

图10-图14本发明电容式真空压力传感器另一种结构特征和部分测量元件布置的横断面详图。

图2以横断面表示用玻璃合金的合成件制成的本发明电容式真空压力传感器的大致完全相对于膜片对称布置的结构，膜片上下两测分别构成了该传感器的一个基准真空室(18)和一个真空压力测量室(19)，被测介质通过布置在外壳(3)下侧的一个孔，经连接管(6)到达该室。

图3、图4以模断面表示该传感器的另一外壳(5)，壳上布置了有用于安装“消气剂”(7)的罩室(8)，和用作将该专感器的基准真空室内空气排出的合金铜套(12)，压簧(11)，将“消气剂”压紧并固定在“罩室”(8)内。

图4-图7以横断面表示以合金为基座(4)，内置瓷管通气孔(9)和两根合金导电线(15)，玻璃(13)通过高温烧结，使其密封性地合成为一体，且构成了该传感器的电容电极体(1)，通过对其玻璃表面的研磨，形成了一个曲面(17)，对这个曲面涂、镀或者溅射金属元素后，形成了该电容电极体的一个固定极板(20)，合金导线(15)，将电容电极信号密封式地引出。

图8以横断面表示，用耐蚀性合金制成的外壳(3)所对置的膜片(2)的表面，必须构成一个足够大的凹曲面，以便形成一个足够大的真空压力测量室，连接管(6)通过焊接或粘接密封布置在外壳(3)上。

图9以横断面表示用玻璃和合金的合成件制成的本发明电容式真空压力传感器部分传感元件大致相对于膜片(2)，对称布置结构示意图。

图10-图14以横断面表示用玻璃和合金的合成件制成的本发明电容式真空压力传感器的另一种结构特征和部分测量元件的示意图。

图10表示该特征结构所需的电极信号引出端子-绝缘子(24)是以合金为基座，其中心处内置瓷管(22)，合金导电线(23)，内插瓷管，通过玻璃(13)使三者密封性地烧结成一体的横断面示意图。

图12以横断面表示该结构特征下所需制造的另一电容电极体(1)上各传感元件之间的布置示意图，即一根合金导电线(15)从电容电极的中心处，也是通过玻璃(13)进行高温烧结后，从电容电极体(1)的中心处引出，以便与“绝缘子”(24)连接，将该传感器的另一电容电极信号密封式地引出。

图11以横断面表示该结构特征下所需制造的另一外壳(25)，壳上布置有用于安装“消气剂”(7)的“罩室”(8)和将电极信号引出的“绝缘子”(24)和合金铜套(12)。

图13以横断面表示用玻璃和合金的合成件制成的本发明电容式压力传感器的大致完全相对于膜片对称布置的另一种结构特征和各测量元件的布置示意图。

具体实施方式：

为了制造具有上述特性，功能完好的传感器，遵循有关的制造方法十分重要，为了实现这一目的，采用了一种以耐蚀性合金为基座(4)，内置两根合金导电线(15)和瓷管通气孔(9)，选择好一定配方和重量的玻璃，放置于该基座(4)中，进入高温烧结炉中进行焙烧，一般在900-1100℃持续数小时后，玻璃得到了充分地熔化，降温至600℃左右后，保温数小时后，随炉冷却至室温后，其玻璃和内置的合金导电线(15)，瓷管(9)以及合金基座(4)合成为一体，构成了该传感器的玻璃合金的合成件，通过对合成件上的玻璃表面的研磨，形成了具有一定深度的曲面(17)，经过涂、镀或者溅射金素元素后，在其表面就形成了电容电极体的一个固定极板(20)，在该极板下方布置了厚度(10-200微米)不等的弹性合金膜片(2)，其与固定极板的位移距离，依靠的是电容电极体(1)上的曲面深度来控制，合金导电线(15)将该膜片(2)与固定极板(20)之间产生的电容电极信号，密封性地引出。

本发明所涉及制造的电容式真空压力传感器采用的是一种由耐蚀性合金制成的弹性膜片，由于是经过了多次热轧和压延，其平整度和气密性都得到了较好地保障，膜片在被剪成所需大小规格后，压紧整平后放入真空炉中进行淬火，温度一般控制在600℃左右，保温数小时后该膜片即具备了优良的弹性。在膜片与电容电极体配置和密封布置前，必须制造一个特殊的压和绷紧装置，以控制好该膜片以后布置于该感器内的位移变化量后，方可和电容电极体(1)进行连接和配置。

为了长期保证该传感器测量的精确功能，基准真空室内必须始终长期保持稳定的真空度，为此，在传感器的传感元件—合金铜套(12)在和抽气泵连接抽气后，在达到所需真空度的情况下，设置在罩室(8)内的“消气剂”(7)通过加热被激活，合金铜套被真空式地密封，从而长期保证了基准真空室中稳定的真空度。

同样设置在测量测的第二壳体(3)，由一块平的耐蚀性合金制成，在布置膜片(2)的一面，具有一个大面积的凹曲面，以形成一个足够大的压力测量室，连接管(6)，通过焊接成粘接与该外壳相连，使连接口与将来的真空压力测量系统连接。

为了保证该传感器各传感元件之间连接长期的气密性，必须对各个传感元件之间的连接进行氦气气密性检测。

Claims

1.用于真空压力测量的电容式压力传感器其特征在于设有：带有一个用玻璃和耐蚀性合金的合成件制成的电容电极体(1)，以固定的并保持一定位移距离的，在其边缘处密封布置的，由耐蚀性合金制成的压力感受膜片(2)，这样在其间构成了一个基准真空室(18)，其中电容电极体(1)和膜片(2)固定地并保持一定位移距离地玻璃表面涂有金属导电层，就构成了测量电容，由耐蚀性合金制成的第二壳体(3)对膜片(2)在边缘处密封布置并与其形成了一个真空压力测量室(19)，连接管(6)导入该室与被测介质连通。

2.按权利要求1所述的用于真空压力测量的电容式压力传感器其特征在于电容电极体(1)是一个以耐蚀性合金为基座(4)，内置上下相通的瓷管通气孔(9)和两根合金导电线(15)，玻璃(13)通过高温烧结将三者密封性地合成为一体。

3.按权利要求1所述的用于真空压力测量的电容式压力传感器其特征在于：电容电极体(1)上的玻璃表面经过研磨后，形成了一个具有(80～500微米)的曲面(17)，通过对其涂、镀或者溅射金属元素(金或银等)后，在其表面就形成了一个电容电极体(1)的固定极板(20)，但同时在其边缘处设置了绝缘层，以免与合金基座(4)，导电相通。

4.按权利要求1所述的用于真空压力测量的电容式压力传感器其特征在于：电容电极体(1)的固定极板(20)与膜片(2)之间，固定地保持(30～500微米)的位移距离。

5.按权利要求1所述的用于真空压力测量的电容式压力传感器其特征在于：第二壳体(3)所对置膜片(2)的表面，必须形成一个具有≥300微米的曲面。

6.按权利要求1所述的用于真空压力测量的电容式压力传感器其特征在于：电容电极体(1)和第二壳体(3)与位于其间的膜片(2)在边缘区对称地且基本消除内应力地密封式地连接。

7.按权利要求1所述的用于真空压力测量的电容式压力传感器其特征在于：压力感受膜片(2)是由一种耐蚀性合金制成的“弹性膜片”，具有(10～200微术)不等的厚度，弹性硬度(HV≥350)，不平整度小于其位移变化量的10％，配置在该感器内在受到额定压力下，其位移变化量必须介于(30-500微米)的范围。

8.按权利要求1所述的用于真空压力测量的电容式压力传感器其特征在于：所述的该传感器的结构特征分别有两种：

其一是电容电极体(1)上所布置的合金导电线(15)直接由电容电极体(1)上密封性地引出，为此制造一个由耐蚀性合金制成的外壳(5)，壳上布置有用于安装“消气剂”(7)的“罩室”(8)和一个用作将该传感器的基准真空室内空气排出的合金铜套(12)，它们均与外壳(5)相通并密封式地连接。

其二是电容电极体(1)上所布置的一根合金导电线(15)从电容电极体(1)上引出，为此，制造一个耐蚀性合金制成的外壳(25)，壳上布置有用于安装“消气剂”(7)的“罩室”(8)，和一个合金铜套(12)，以及电极信号引出端子-“绝缘子”(26)，通过连接电容电极体(1)上的电容电极导线(15)，将电容电极信号密封性地引出，它们均与外壳(25)相通并密封式地连接。

9.按权利要求1所述的用于真空压力测量的电容式压力传感器其特征在于：“消气剂”为非蒸发型的，被压簧(11)压紧并固定在“罩室”(8)内，合金铜套(12)是以耐蚀性合金为基座(14)，铜管(16)密封式插入连接，“绝缘子”(24)是以耐蚀性合金为基座(21)，其中心处布置了瓷管(22)，合金导线(23)内插，通过玻璃(13)，经过高温烧结密封性地合成为一体。

10.按权利要求1所述的用于真空压力测量的电容式压力传感器其特征在于：直径为10-100毫米，厚度10-80毫米，连接方式采用焊接，扩散连接或钎焊连接。