CN105910751A - 平行板干式电容压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种平行板干式电容压力传感器，解决了现有传感器制作工艺要求比较难，不易满足精密测控压力要求，成品率低等问题，包括壳体，组装壳体内的平面板式定电极、动电极，其技术要点是：定电极的蓝宝石绝缘子与焊接块通过银铜钎焊层固定连接，绝缘子底面真空镀接平面金属电极、绝缘层；由膜片与电极板的底部整面固定成的动电极，与定电极平行设置在由支撑套和连接座封接的腔体内，支撑套和连接座分别接触膜片边缘波纹的上、下波峰；各配件之间通过刃口焊接。其结构设计合理，制作工艺简单，材料来源广，加工质量好，平行板电极线性优，与同类产品相比，同样厚的膜片，量程精度高，抗震性能稳定，耐腐蚀，显著提高生产效率和使用寿命，降低制造成本。

Description

平行板干式电容压力传感器

技术领域

本发明涉及一种用于测量介质压力的干式电容传感器，特别是一种能够满足具有一定耐腐蚀性和抗核辐射性，高精度、高可靠性等要求的精密测控压力场所用的纯平行板干式电容压力传感器。它适用于测量气体介质的微小压力、绝对微小压力。

背景技术

目前，可用于测量敏感的铀浓缩和其他需要精密测控压力的场所，大多采用干式电容传感器。尽管国内、外有上百种干式电容传感器， 但是在行业使用有代表性的是美国MKS公司生产的产品（结构原理如图4、5所示），它是干式电容绝对微压力传感器。其结构包括：由外壳盖19、定电极外壳14和外壳座16构成的壳体，组装在壳体内的抛物面定电极和膜片式动电极15等件。其中外壳盖19上通过玻璃绝缘子20封装有电极引线21，抛物面定电极的带内电极22的陶瓷绝缘子13组装在定电极外壳14内，陶瓷绝缘子13的抛物面形凹面真空涂镀有抛物面金属膜层17和抛物面绝缘层18，膜片式动电极15用定电极外壳14与外壳座16压住绷紧拉伸。它的工作原理是：当气体压力从外壳座16的引压口进入后，作用到膜片式动电极15上，将膜片式动电极15压向定电极，使膜片式动电极15与抛物面定电极之间的电容发生变化，通过内电极22，经过玻璃绝缘子20上的电极引线21输出电信号。再经过控制电路放大处理后，输出标准高电平信号，即获得测量介质的绝对微压力。

该干式电容绝对微压力传感器的制作过程简述如下：

步骤一 制作定电极，在陶瓷绝缘子13上真空烧结内电极22，加工出抛物面形凹面后真空涂镀抛物面金属膜层17和抛物面绝缘层18，制成抛物面定电极；

步骤二 制作镍基高温合金（Inconel X-750）材质的定电极外壳14、外壳座16、外壳盖19，然后进行加热、时效处理；

步骤三 在外壳盖19上烧制玻璃绝缘子20、封装电极引线21，采用条件严格的工艺进行烧结，各件相互间呈现压封态势。这在工艺上要求比较严格，稍有不慎，就要炸裂。实际上，玻璃在封口上不是满孔的，一旦平孔或者露出被封的孔，就非炸裂不可。

步骤四 制作膜片式动电极15，选用厚度在100μm的Inconel X-750合金带材，经多方向碾轧成20μm厚的平膜片。在轧制过程，每轧一次后，就要在真空中退火一次，保持一定温度进行时效处理。否则就轧不动，或者轧的不均匀。对于弹性处理，就是迅速冷却，一般要用液氮冷却了的氦和氩。Inconel X-750是沉淀型超级不锈钢，工艺处理比Hastelloy麻烦。因为它在不同温度会发生相变。

步骤五 对热处理的膜片式动电极15与定电极外壳14、外壳座16一起上模具绷紧拉伸，用定电极外壳14、外壳座16压住始终绷紧拉伸的膜片式动电极15，切去多余的部分将三者焊到一起，放入高真空下加温处理。玻璃绝缘子20与定电极外壳14的材料的膨胀系数是不匹配的，只好选用装配式结构。这就决定了其使用的温区比较窄，仅限于0～50℃；

步骤六 用导线连接内电极22与电极引线21，高真空下用电子束将定电极外壳14与外壳盖19焊到一起，同时形成高真空腔室，制成干式电容绝对微压力传感器。

美国MKS公司的上述传感器，由于是按严格的工艺条件生产出的产品，对于0～10kPa的传感器量程，膜片厚可以达到20μm，对0～1kPa量程，膜片厚可以实现5μm，所以其量程精度高，可以实现±0.5%F.S以上，稳定性达到±0.1%/年。因其具有耐腐蚀、耐核辐射功能，可用于敏感的铀浓缩和其他精密测控方面，故欧美对我国实施严格禁运。

虽然这类干式电容传感器的量程精度高，但在使用中也存在一定的问题:

首先，它的膜片式动电极15是不带波纹的平膜片，对着抛物面定电极是在陶瓷绝缘子13上加工成接近抛物面，再镀抛物面金属膜层17和抛物面绝缘层18。工作时，作为动电极的平膜片是以变化着的抛物面对确定的定电极的抛物面，膜片的变形线性不好，不容易与定电极相匹配，非线性太大；

其次，在制作上始终要对膜片式动电极15进行拉伸绷紧焊接，如果焊接后没有绷紧，就报废了，成品率低，造价高；

还有，量程靠传感器直径和膜片厚度来决定，如膜片厚5μm，微小量程可为0～1kPa，但只能用不到1年。如果是用于浓缩铀离心机上，还有一定的泄漏危险。因膜片不仅要薄而有恒弹性，还要有耐腐蚀的厚度，互相矛盾。由此可见，膜片薄了，量程可以小，但处理工艺难，并且在有腐蚀介质时相对寿命短。另外，现有的传感器用高铝陶瓷，对所用材料要求严，不能含气。

据专利文献报导，当前国内制造水平无法实现这种要求严格的焊接与绷紧工艺，还生产不出上述高精度的干式电容传感器产品。例如：申请公布号为CN102944352A的“可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器”中，公开的技术方案是：定电极的电极板是靠像车轮上的毂支在传感器机架上的。该传感器产生的缺陷主要是：因这个毂一定要膨胀和收缩的，在外部振动影响下，毂也要相对机架、薄膜产生振动，故都要影响到传感器的精度和质量。测量时，当薄膜与电极板在无压时，是平行的，当有压时，要形变，呈抛物线形变化，即渐变的抛物面对平面（MKS是见渐变的抛物面对抛物面）。这样，就会产生比较大的非线性，当过量程时，由于薄膜无约束、无依靠，所以会损坏薄膜。

专利公告号为CN 201622147U的“一体化电容式压力传感器”，记载的结构是个组装式简易传感器，专用于血压计。它的定电极是固定片，动电极是动片，动片中心与波纹片中心压焊到一起。这个波纹片外缘一面焊到底座（兼引压口）上，形成一个弹性腔，底座带着波纹片与定片分别用三只支架固定在屏蔽罩内，还有电路部分也包括在内。因此，其存在的问题是：1、因这个支架是分布式的，在外界影响下很难同步变化，故间距形变大，不会稳定。2、动片与膜片式中心相连，波纹片波纹不受限制，变化很难均匀，不能保证动片与定片之间平行。波纹片上限不定，在大压力过载时，易变形，损坏。3、定片与动片间是自由空气，不能保证每次进出干燥一致，电容不确定，决定了传感器的量程精度很低。4、不能测量绝压。5、除血压用外，几乎不能它用。

发明内容

本发明的目的是提供一种平行板干式电容压力传感器，解决了现有干式电容传感器制作的工艺要求比较难与严，不容易满足精密测控压力要求，成品率低，造价高等问题，其结构设计合理，制作工艺简单，材料来源广，加工容易质量好，平行板电极线性优，与同类产品相比，同样厚的膜片，量程精度高，抗震性能稳定，且耐腐蚀，显著提高生产效率和使用寿命，降低制造成本。

本发明所采用的技术方案是：该平行板干式电容压力传感器包括壳体，组装在壳体内的平面板式定电极和平面板式动电极，其技术要点是：所述平面板式定电极的封接有引出电极的蓝宝石绝缘子与作为外壳的焊接块，通过银铜钎焊层固定连接在一起，在蓝宝石绝缘子修整的底面真空镀接平面金属电极和平面绝缘层；由恒弹性合金波纹膜片与电极板的底部整面固定连接构成的平面板式动电极，与平面板式定电极相互平行设置在由恒弹性支撑套和恒弹性连接座封接的高气密性腔体内，蓝宝石绝缘子与恒弹性支撑套之间设置有平面板式动电极移动的伸缩空间，并使恒弹性支撑套和恒弹性连接座分别接触恒弹性合金波纹膜片环绕在电极板外周边缘波纹的上波峰或下波峰；外壳的恒弹性支撑套与恒弹性连接座之间或恒弹性支撑套与焊接块之间通过消应力刃口焊接。

通过所述银铜钎焊层固定连接在一起的蓝宝石绝缘子与焊接块之间还设置密封填充材料层。

与所述电极板的底部整面固定连接的恒弹性合金波纹膜片，选用传感器量程为0～10kPa的软态下对定形波形进行恒弹性处理的膜片，膜片厚度为80μm～100μm。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明采用的由恒弹性合金波纹膜片与电极板的底部整面固定连接构成的动电极、与焊接块通过银铜钎焊层固定连接的蓝宝石绝缘子作定电极均是平面板式结构，并且绝缘子用蓝宝石材料制作，既使在10^-12Pa真空下，也不放气；绝缘子与焊接块的金属膨胀系数匹配，用银铜钎焊层高真空下实现高气密性封装，全焊接，所以其结构设计合理，制作工艺简单，材料来源广，加工容易质量好。另外，因在平面板式定电极的蓝宝石绝缘子修整的底面真空镀接平面金属电极和平面绝缘层，平面板式动电极采用恒弹性合金制作的波纹膜片，电极板整面与恒弹性合金波纹膜片焊接，恒弹性合金波纹膜片在靠边缘有多道波纹，故便于恒弹性合金波纹膜片拉伸与移动。同时，将恒弹性合金波纹膜片波纹上、下波峰，用配件恒弹性支撑套、恒弹性连接座加以限制，抗震，保证动电极只能按轴向运动，实现高稳定性，有效地减少了外部振动的影响。这种平行板式电极的线性优，与同类产品相比，同样厚的恒弹性合金波纹膜片量程精度高，且耐腐蚀，显著提高生产效率和使用寿命，降低制造成本。传感器的量程由膜片的直径与厚度、波纹形状、数目决定，这在仪表行业加工经验、工艺比较成熟。恒弹性合金波纹膜片波形可以在软态下定形，再进行恒弹性处理。在焊接过程中，由于结构和焊接工艺，都不影响膜片的弹性和质量。对于能耐住1个大气压的膜片，厚度80μm，恒弹性，可实现绝对零至1kPa的量程。精度可达到±0.1%F.S。蓝宝石绝缘子与恒弹性支撑套之间设置有平面板式动电极移动的伸缩空间，使得平面板式动电极、定电极相互平行设置在由恒弹性支撑套和恒弹性连接座封接的高气密性腔体内，并能将恒弹性支撑套和恒弹性连接座分别接触恒弹性合金波纹膜片环绕在电极板外周边缘波纹的上波峰或下波峰，可以确保平面板式动电极只能按轴向运动。外壳的恒弹性支撑套与恒弹性连接座之间或恒弹性支撑套与焊接块之间通过消应力刃口焊接（一般氩弧焊、激光焊、等离子束焊都行），只要焊接块与恒弹性支撑套的材料能相兼容形成稳定合金就行，膨胀系数不同产生应力，靠焊口的刃口缓冲。目前，选用的同介质接触的材料是比Inconel X-750更好的Hastelloy C-276（抗腐蚀合金 含钨的镍铬钼合金）等合金制作。包括恒弹性合金波纹膜片在内，恒弹性支撑套、恒弹性连接座等都在焊接前处理好，焊完不再处理，生产效率极高。对于测量介质的不同，又不用对恒弹性合金波纹膜片进行拉伸，材料来源广，有好多材料可供选择。同时行业加工经验、工艺比较成熟，合作伙伴很多，配件加工、工艺都简单化了。因为恒弹性合金波纹膜片带有波纹，同样厚度量程可以很小，反过来说，对于同样量程，厚度可以是MKS现有产品的膜片几倍厚。厚的膜片好制作，并且耐腐蚀。如量程0～10kPa时，膜片厚度可以是80μm～100μm；膜片稳定性好，传感器精度高。如对于50μm的膜片，如量程0～50Pa、绝对零至50Pa都可以实现±0.1%F.S以上精度。焊接时，让恒弹性合金波纹膜片波纹接触上下焊接件恒弹性支撑套、恒弹性连接座的内平面，不用拉伸、不用二次绷紧，工艺简单。因此，本发明解决了现有干式电容传感器制作的工艺要求比较难与严，不容易满足精密测控压力要求，成品率低，造价高等问题。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1的Ⅰ部放大结构示意图；

图3是图1的Ⅱ部放大结构示意图；

图4是现有技术的一种结构示意图；

图5是图4的Ⅲ部放大结构示意图。

图中序号说明：1引出电极、2蓝宝石绝缘子、3银铜钎焊层、4恒弹性支撑套、5恒弹性合金波纹膜片、6恒弹性连接座、7电极板、8平面金属电极、9平面绝缘层、10焊接块、11密封填充材料层、12刃口、13陶瓷绝缘子、14定电极外壳、15膜片式动电极、16外壳座、17弧面金属膜层、18弧面绝缘层、19外壳盖、20玻璃绝缘子、21电极引线、22内电极。

具体实施方式

根据图1～5详细说明本发明的具体结构。该平行板干式电容压力传感器包括壳体，组装在壳体内的平面板式定电极和平面板式动电极等零部件。其中壳体包括作为外壳的焊接块10、恒弹性支撑套4和恒弹性连接座6。平面板式定电极的蓝宝石绝缘子2封接有引出电极1，蓝宝石绝缘子2与焊接块10通过银铜钎焊层3固定连接在一起。由于银铜钎焊层3焊接面积相对较大，为了实现100%的成品率，在通过银铜钎焊层3固定连接在一起的蓝宝石绝缘子2与焊接块10之间，还要设置密封填充材料层11来补救。密封填充材料层11一般情况下不用，只有在银铜钎焊层3出问题时，才应急使用。在蓝宝石绝缘子2修整的底面真空镀接平面金属电极8和平面绝缘层9。由恒弹性合金波纹膜片5与电极板7的底部整面固定连接构成的平面板式动电极，与平面板式定电极相互平行设置在由恒弹性支撑套4和恒弹性连接座6封接的高气密性腔体内。本实施例中，由于厚的膜片好制作，膜片厚了耐腐蚀的寿命就长一些，所以与电极板7的底部整面固定连接的恒弹性合金波纹膜片5，选用传感器量程为0～10kPa的软态下对定形波形进行恒弹性处理的膜片，膜片厚度优先制作为80μm～100μm。蓝宝石绝缘子2与恒弹性支撑套4之间设置有平面板式动电极移动的伸缩空间，并使恒弹性支撑套4和恒弹性连接座6分别接触恒弹性合金波纹膜片5环绕在电极板7外周边缘波纹的上波峰或下波峰。恒弹性合金波纹膜片5有了波纹，位移就不是硬性拉伸，而是靠“折叠”起来的膜片的弹性形变，线性好，弹性更持久。膜片弹性形变容易了，厚度就可以相对厚一些，厚了制作就容易，热处理变形小，抗损伤。更重要的是，化学腐蚀程度是随着厚度变化，越厚就越耐腐蚀。同时，任何材料都有一定泄漏率。也与厚度有关。膜片厚焊口处就厚，长期密封性就好一些。制成的传感器，特别是绝对压力传感器，寿命就长。另外，膜片弹性事先预制，焊接时不再拉伸，焊后也不再处理，制作简单，造价低。因焊接时，让恒弹性合金波纹膜片5的波纹接触上、下焊接件恒弹性支撑套4、恒弹性连接座6的内平面，不用拉伸、不用二次绷紧，故制作工艺简单。外壳的恒弹性支撑套4与恒弹性连接座6之间或恒弹性支撑套4与焊接块10之间通过消应力刃口12焊接。刃口12的规格形状宜优先选用图3所示的加工尺寸。只要焊接块10、恒弹性支撑套4、恒弹性连接座6的材料能相兼容形成稳定合金就行，膨胀系数不同焊接时产生的应力，可以靠焊口的刃口12缓冲。因此，其使用温区范围广，可以在低温-55℃至高温200℃之间使用。

本发明具体制作工艺过程是：

步骤一 制作平面板式定电极

首先加工出如图1所示的端面平行的蓝宝石绝缘子2和焊接块10，在焊接块10的焊口处加工出刃口12。蓝宝石绝缘子2选用α－Al₂O₃单晶，柱面晶向是垂直C轴方向，使得钎料封接大的平面的线膨胀系数为7.6×10^-6/℃，以利于选择10焊块的材质。焊接块10材料可选用3J1或3J53合金制作，线膨胀系数约为7.5×10^-6/℃,引出电极1可选用铂丝，直径0.8～0.5mm，亦可选用铂管，直径0.8～1.0mm，罐壁厚度0.1～0.3mm，也可以选钛丝与钛管，规格同铂丝或铂管。用管状银铜焊料套在引出电极1外，插入蓝宝石绝缘子2中心孔上，通过银铜钎焊层3将蓝宝石绝缘子2与焊接块10焊接；

然后采用车削焊接块10的上端平面和溢出的银铜钎焊层3的方法，使与蓝宝石绝缘子2上、下端平面保持平行。最后在蓝宝石绝缘子2表面真空镀膜，制作平面金属电极8的金属膜层，使平面金属电极8与引出电极1相连接后，在平面金属电极8上真空镀平面绝缘层9。一般镀SiO或Al₂O₃膜层，金属膜层与绝缘层都在1μm左右，制成平面板式定电极。

步骤二 制作配件恒弹性支撑套4和恒弹性连接座6

按设计要求，以蓝宝石绝缘子2的规格尺寸，配做恒弹性支撑套4，以便在蓝宝石绝缘子2与恒弹性支撑套4之间留出确保平面板式动电极移动的伸缩空间。选用弹性好、耐腐蚀的Inconel X-750合金或Hastelloy C-276合金等材料，在恒弹性支撑套4的焊口处加工出刃口12。如图3所示。机加工成形后，进行沉淀与时效处理后，同批抽检其硬度。恒弹性连接座6的选材和处理工艺同恒弹性支撑套4。

步骤三 制作平面板式动电极

对于平面板式动电极用的恒弹性合金波纹膜片5，可以选择耐腐蚀好的Hastelloy C-276合金，根据传感器量程，如0～10kPa时，厚度选在80μm～100μm，最薄用50μm，加工出圆形片（软态），用波纹模具压出波纹。波纹总高在1.9mm左右，波距2.5mm左右。选用小的波纹，一般选用Ф60～Ф40内4个波均布。压完波纹后，进行真空下加高温，再充氩气速冷淬火；

对于平面板式动电极用的电极板7，为便于焊接和热处理，一般选材尽可能同恒弹性合金波纹膜片5的材质相同。车削后淬火，双面磨平。采用银铜钎焊，将电极板7整面与恒弹性合金波纹膜片5装石墨模在真空下焊到一起。亦可以用滚焊方式将恒弹性合金波纹膜片5与电极板7整面焊到一起。

步骤四 组装焊接

首先将焊接有蓝宝石绝缘子2的焊接块10与恒弹性支撑套4，通过二者焊口处的刃口12焊接在一起。再将带有恒弹性合金波纹膜片5的电极板7，与焊口处加工有刃口12的恒弹性支撑套4、恒弹性连接座6焊接在一起，可以用氩弧焊、激光焊、等离子焊、电子束焊等方式焊接。为了防止波纹膜片振动，恒弹性支撑套4、恒弹性连接座6的内平面与恒弹性合金波纹膜片5的波纹接触面，稍微压着点波纹。由于恒弹性合金波纹膜片5位移量大，压着点儿也不影响测量精度。以此加工方法制成的传感器稳定性好，这一点非常重要。把引出电极1用细管制作时，焊完全部结构再抽真空是最省钱的。抽成高真空压结细管，也能封住，可省2/3的工艺费用。如果制作的是表传感器，此管连接背压薄膜（工艺详见专利公开号为CN104215383A的“内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器”）。

以上就是实施本发明的一种具体制作工艺过程。

Claims (3)

1.一种平行板干式电容压力传感器，包括壳体，组装在壳体内的平面板式定电极和平面板式动电极，其特征在于：所述平面板式定电极的封接有引出电极的蓝宝石绝缘子与作为外壳的焊接块，通过银铜钎焊层固定连接在一起，在蓝宝石绝缘子修整的底面真空镀接平面金属电极和平面绝缘层；由恒弹性合金波纹膜片与电极板的底部整面固定连接构成的平面板式动电极，与平面板式定电极相互平行设置在由恒弹性支撑套和恒弹性连接座封接的高气密性腔体内，蓝宝石绝缘子与恒弹性支撑套之间设置有平面板式动电极移动的伸缩空间，并使恒弹性支撑套和恒弹性连接座分别接触恒弹性合金波纹膜片环绕在电极板外周边缘波纹的上波峰或下波峰；外壳的恒弹性支撑套与恒弹性连接座之间或恒弹性支撑套与焊接块之间通过消应力刃口焊接。

2.根据权利要求1所述的平行板干式电容压力传感器，其特征在于：通过所述银铜钎焊层固定连接在一起的蓝宝石绝缘子与焊接块之间还设置密封填充材料层。

3.根据权利要求1所述的平行板干式电容压力传感器，其特征在于：与所述电极板的底部整面固定连接的恒弹性合金波纹膜片，选用传感器量程为0～10kPa的软态下对定形波形进行恒弹性处理的膜片，膜片厚度为80μm～100μm。