CN102967408B - 一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，属于真空计量技术领域。所述传感器包括：金属薄膜、金属导电层、陶瓷圆盘、金属外壳、电极外接导体、轴承固定结构和滚柱轴承；滚柱轴承和轴承固定结构构成滚柱轴承结构。所述传感器有效减小了固定电极与金属外壳之间的寄生电容，可以减小或消除由弯曲变形引起的不可预估的电容变化量，改善了因温度引起的固定电极与金属外壳之间的应力对测量的影响，有效降低了流过固定电极的漏电流，提高了电容薄膜压力计测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，具体涉及一种通过检测可变电容两极板间的变化量实现物理参数测量的传感器，属于真空计量技术领域。
背景技术
文献“一种‘绝对型’电容薄膜真空计的研制，《真空科学与技术》，1994.4，第265页～第269页”中，介绍了一种典型的电容薄膜真空计的设计。该电容薄膜真空计的传感器部分包含一个由导电金属构成的薄膜，金属薄膜边缘依靠外壳或其他支撑结构固定，构成可变电容的一个极板，与固定极板相对应。金属薄膜因两侧的压力差引起薄膜中心向低压力方向运动，进而引起两电极间相应电容量的变化。电路输出的电信号可以通过计算已知的设备的测量信号值获得压差的指示值。
这种设计的不足之处在于其精度非常容易受到周围环境温度变化的影响。传感器中固定电极陶瓷圆盘与金属外壳具有不同的热膨胀系数，引起固定电极膨胀及收缩的差异，导致固定电极支架与金属薄膜构成的电极间的相对位移，使得温度引起固定电极变动产生的电容改变量无法与压力变化产生的电容改变量相区别，引起的虚假的电容改变量影响测量精度，且因不可复现而无法修正；此外，固定电极与金属外壳之间，陶瓷材料在两者之间充当了电解质的角色，产生的寄生电容引入了不可控变量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，所述传感器有效减小了固定电极与金属外壳之间的寄生电容，可以减小或消除由弯曲变形引起的不可预估的电容变化量，改善了因温度引起的固定电极与金属外壳之间的应力对测量的影响，有效降低了流过固定电极的漏电流，提高了电容薄膜压力计测量精度。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，所述传感器包括：金属薄膜、金属导电层、陶瓷圆盘、金属外壳、电极外接导体、轴承固定结构和滚柱轴承；滚柱轴承和轴承固定结构构成滚柱轴承结构；
所述金属外壳为下端开口、上端封闭的中空圆柱形结构，内部开有环形第一凹槽和环形第二凹槽，圆形金属薄膜水平固定于金属外壳内部第一凹槽中，将金属外壳内部分为上下两个腔室，其中，上腔室为参考室，下腔室为测量室；金属薄膜构成传感器的一侧电极；陶瓷圆盘通过滚柱轴承结构水平固定于金属外壳内部第二凹槽中，且位于金属薄膜上方，陶瓷圆盘与金属外壳之间留有间隙，保证陶瓷圆盘能够水平运动，且不与金属外壳接触；陶瓷圆盘上下表面镀有金属导电层，陶瓷圆盘上开有通孔，通孔内壁镀有金属导电层，使陶瓷圆盘上下表面导通，金属导电层和陶瓷圆盘构成传感器的另一侧电极，即固定电极；陶瓷圆盘上表面接有电极外接导体，电极外接导体通到金属外壳外部，并与外部电路连接；
其中，所述第一凹槽开口端截面为斜面；所述陶瓷圆盘外侧边缘中间设有环形台阶面，环形台阶面伸入第二凹槽中，并通过滚柱轴承结构水平固定；滚柱轴承为圆柱形结构，滚柱轴承有八个，其中四个位于陶瓷圆盘外侧台阶面上方，其余四个位于所述台阶面下方，每上下两个为一组，分为四组，且四组均匀分布，即每两组滚柱轴承之间夹角为90°；滚柱轴承通过轴承固定结构水平安装于第二凹槽中，且能自由滚动，滚柱轴承与陶瓷圆盘的半径方向垂直正交；
所述陶瓷圆盘材质优选为AL2O3；
所述金属导电层优选为钯银合金；
所述滚柱轴承采用硬质绝缘材料，优选工业用蓝宝石；
所述金属薄膜与金属外壳采用同样的金属材料，优选因科镍合金。
传感器的工作原理：
金属薄膜和固定电极构成平行板电容器，当压力测量室与参考室的压力差相对增大时，金属薄膜沿其轴向向固定电极方向运动；压力测量室与参考室的压力差相对减小时，向远离固定电极方向运动。测量室与参考室压力的变化引起电容的变化，并产生信号由电极外接导体传送到外部电路中进行处理。
有益效果
（1）本发明所述传感器中的滚柱轴承结构为固定电极及外壳间提供了较低的摩擦力，使固定电极与外壳能以不同比率膨胀及收缩，避免了现有技术装置中固定电极支架因摩擦力作用而产生的变形。此外，滚柱轴承使固定电极与金属外壳相互绝缘，有效减小了现有技术装置中固定电极与金属外壳之间的寄生电容，使得寄生电容值从现有技术中的1pF降至本发明中的0.1pF。
（2）本发明所述传感器中八个滚柱轴承具有相同的直径，所以固定电极与外壳台阶面依靠滚柱轴承结构等间距隔离，确保了固定电极与金属薄膜相平行。该滚柱轴承使得固定电极只能在水平方向的自由运动，不能发生上下运动，因此，当固定电极因温度变化产生不同的膨胀及收缩时，滚柱轴承提供的相对运动将会防止现有技术结构中产生的弯曲形变，可以减小或消除由弯曲变形引起的不可预估的电容变化量。
（3）本发明所述传感器改善了因温度引起的固定电极与金属外壳之间的应力对测量的影响，有效降低了流过固定电极的漏电流，提高了电容薄膜压力计测量精度。
附图说明
图1为本发明所述传感器的结构示意图；
图2为本发明所述传感器中固定电极的仰视图；
图3为本发明所述传感器中固定电极的俯视图；
图4为本发明所述传感器中的滚柱轴承结构示意图；
其中，1—金属薄膜、2—金属导电层、3—陶瓷圆盘、4—金属外壳、5—电极外接导体、6—轴承固定结构、7—滚柱轴承。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。
实施例1
如图1所示，一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，所述传感器包括：金属薄膜1、金属导电层2、陶瓷圆盘3、金属外壳4、电极外接导体5、轴承固定结构6和滚柱轴承7；滚柱轴承7和轴承固定结构6构成滚柱轴承结构；
所述金属外壳4为下端开口、上端封闭的中空圆柱形结构，内部开有环形第一凹槽和环形第二凹槽，圆形金属薄膜1水平固定于金属外壳4内部第一凹槽中，将金属外壳4内部分为上下两个腔室，其中，上腔室为参考室，下腔室为测量室；金属薄膜1构成传感器的一侧电极；陶瓷圆盘3通过滚柱轴承结构水平固定于金属外壳4内部第二凹槽中，且位于金属薄膜1上方，陶瓷圆盘3与金属外壳4之间留有间隙，保证陶瓷圆盘3能够水平运动，且不与金属外壳4接触；陶瓷圆盘3上下表面镀有金属导电层2，陶瓷圆盘3上开有通孔，通孔内壁镀有金属导电层2，使陶瓷圆盘3上下表面导通，金属导电层2和陶瓷圆盘3构成传感器的另一侧电极，即固定电极；陶瓷圆盘3上表面接有电极外接导体5，电极外接导体5通到金属外壳4外部，并与外部电路连接；
其中，所述第一凹槽开口端截面为斜面；所述陶瓷圆盘3外侧边缘中间设有环形台阶面，环形台阶面伸入第二凹槽中，并通过滚柱轴承结构水平固定；滚柱轴承7为圆柱形结构，滚柱轴承7有八个，其中四个位于陶瓷圆盘3外侧台阶面上方，其余四个位于所述台阶面下方，每上下两个为一组，分为四组，且四组均匀分布，即每两组滚柱轴承7之间夹角为90°；滚柱轴承7通过轴承固定结构6水平安装于第二凹槽中，且能自由滚动，滚柱轴承7与陶瓷圆盘3的半径方向垂直正交；轴承固定结构6为一个圆环，圆环上设有为滚柱轴承7提供的矩形开口，四个开口具有彼此相等的距离，矩形开口与滚柱轴承7相配合。
所述陶瓷圆盘3材质为AL2O3；
所述金属导电层2为钯银合金；
所述滚柱轴承7材料采用工业用蓝宝石；滚柱轴承7也可以采用常规的滚珠轴承结构。
所述金属薄膜1与金属外壳4采用因科镍合金材料；
传感器的工作原理：
金属薄膜1和固定电极构成平行板电容器，当压力测量室与参考室的压力差相对增大时，金属薄膜1沿其轴向向固定电极方向运动；压力测量室与参考室的压力差相对减小时，向远离固定电极方向运动。测量室与参考室压力的变化引起电容的变化，并产生信号由电极外接导体5传送到外部电路中进行处理。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，所述传感器包括：金属薄膜（1）、金属导电层（2）、金属外壳（4）、电极外接导体（5）、其特征在于：还包括陶瓷圆盘（3）、轴承固定结构（6）和滚柱轴承（7）；滚柱轴承（7）和轴承固定结构（6）构成滚柱轴承结构；
所述金属外壳（4）为下端开口、上端封闭的中空圆柱形结构，内部开有环形第一凹槽和环形第二凹槽，圆形金属薄膜（1）水平固定于金属外壳（4）内部第一凹槽中，将金属外壳（4）内部分为上下两个腔室，其中，上腔室为参考室，下腔室为测量室；金属薄膜（1）构成传感器的一侧电极；陶瓷圆盘（3）通过滚柱轴承结构水平固定于金属外壳（4）内部第二凹槽中，且位于金属薄膜（1）上方，陶瓷圆盘（3）与金属外壳（4）之间留有间隙，保证陶瓷圆盘（3）能够水平运动，且不与金属外壳（4）接触；陶瓷圆盘（3）上下表面镀有金属导电层（2），陶瓷圆盘（3）上开有通孔，通孔内壁镀有金属导电层（2），使陶瓷圆盘（3）上下表面导通，金属导电层（2）和陶瓷圆盘（3）构成传感器的另一侧电极，即固定电极；陶瓷圆盘（3）上表面接有电极外接导体（5），电极外接导体（5）通到金属外壳（4）外部，并与外部电路连接；
其中，所述第一凹槽开口端截面为斜面；所述陶瓷圆盘（3）外侧边缘中间设有环形台阶面，环形台阶面伸入第二凹槽中，并通过滚柱轴承结构水平固定；滚柱轴承（7）为圆柱形结构，滚柱轴承（7）有八个，其中四个位于陶瓷圆盘（3）外侧台阶面上方，其余四个位于所述台阶面下方，每上下两个为一组，分为四组，且四组均匀分布，即每两组滚柱轴承（7）之间夹角为90°；滚柱轴承（7）通过轴承固定结构（6）水平安装于第二凹槽中，且能自由滚动，滚柱轴承（7）与陶瓷圆盘（3）的半径方向垂直正交。
2.根据权利要求1所述的一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，其特征在于：所述陶瓷圆盘（3）材质为AL2O3。
3.根据权利要求1所述的一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，其特征在于：所述金属导电层（2）为钯银合金。
4.根据权利要求1所述的一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，其特征在于：所述滚柱轴承（7）材料采用工业用蓝宝石。
5.根据权利要求1所述的一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，其特征在于：所述金属薄膜（1）与金属外壳（4）采用同样的金属材料。
6.根据权利要求1所述的一种具有应力消除作用的电容薄膜压力传感器，其特征在于：所述金属薄膜（1）与金属外壳（4）均采用因科镍合金。
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