CN106289592A - 并联电容式电容压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种并联电容式电容压力传感器，有效解决了单个电容压力传感器受几何尺寸限制不能使电容相对变化量有效提高，内阻太大、信噪比小等问题，包括匹配外壳，与匹配外壳组装在一起的定电极、管状引出电极、动电极和引压口，其技术要点是：所述引压口为带公共焊座引压口，将至少两个相同规格的组装在匹配外壳内的定电极、动电极和管状引出电极的电容压力传感器连接在一个公共焊座引压口上，定电极通过引线相连，构成至少两个电容压力传感器并联的电容压力传感器。其结构设计合理，电容相对变化量成倍增加，显著提高了灵敏度和信噪比，稳定性好，测量精度高，降低了内阻，使量程与单个相比，上限不变，向小微方向大幅扩展。

Description

并联电容式电容压力传感器
技术领域
本发明涉及一种电容压力传感器，特别是一种在一个屏蔽壳体内组合到一个引压口上的至少两个电容压力传感器，将各定电极的管状引出电极相连接的并联电容式电容压力传感器。它可以广泛应用于微电子、铀浓缩等需高可靠性、小微量程的高精度测量。
背景技术
目前的基于平行板电容原理的电容压力传感器，对小微压力测量呈优势，都是单个的电容或单个的差动电容，它的电极板面积是受限的，现在能见到的最大直径在60mm左右，受几何尺寸限制不能使电容相对变化量有效提高。具有代表性的是美国MKS公司的626型电容压力传感器。以此为例，量程：绝对压力13.332Pa。虽然电容传感器外壳为60mm，但有效定电极的直径只有30mm左右。其原因是：动电极为恒弹性合金膜片制作，厚度20μm左右，很难绷平和焊接后不变形。实践经验：最大极板面积≤20cm2，再大输出不稳定，要发生蠕变和滞后。那么，对于这样的干式电容，绝压时，输出的电容变化量为1pF到100pF左右，输出太小，传感器内阻太大，对于非线性修正、补偿、放大的电路来说，输入阻抗太高，放大倍数太大，信噪比小，特别是测量小微压力的传感器（1.5kPa至10-2Pa）就很难做。
现有的电容压力传感器，当测到绝对压力13.332Pa以下时，精度一般在±0.5%F.S以下，零点在每次使用前，都要在10-5Pa以上高真空调零点。太麻烦不说，有时无法办得到。
发明内容
本发明的目的是提供一种并联电容式电容压力传感器，有效解决了单个电容压力传感器受几何尺寸限制不能使电容相对变化量有效提高，内阻太大、信噪比小等问题，其结构设计合理，电容相对变化量成倍增加，显著提高了灵敏度和信噪比，稳定性好，测量精度高，降低了内阻，使量程与单个相比，上限不变，向小微方向大幅扩展。
本发明所采用的技术方案是：该并联电容式电容压力传感器包括匹配外壳，与匹配外壳组装在一起的定电极、管状引出电极、动电极和引压口，其技术要点是：所述引压口为带公共焊座引压口或并联引压口，将至少两个相同规格的组装在匹配外壳内的定电极、动电极和管状引出电极的电容压力传感器连接在一个公共焊座引压口或并联引压口上，定电极通过引线相连，构成至少两个电容压力传感器并联的电容压力传感器。
夹持动电极的带有刃口焊口的所述过渡焊接环与带公共焊座引压口所采用的材料均与动电极的材质相同。
两个所述动电极利用带有刃口焊口的过渡焊接环与带有公共焊座引压口夹持绷紧固定，与定电极的带有内环口的匹配外壳上的刃口焊口焊接固定在一起。
所述动电极与定电极在惰性气体保护下焊接在一起。
所述动电极与过渡焊接环及带公共焊座引压口采用恒弹性耐腐蚀镍基合金制作。
本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明将至少两个相同规格的电容压力传感器连接在一个公共焊座引压口或并联引压口上，定电极通过引线相连，构成至少两个电容压力传感器并联的电容压力传感器，所以其结构设计合理，电容相对变化量成倍增加，显著提高了灵敏度和信噪比，稳定性好，测量精度高，降低了内阻，使量程与单个相比，上限不变，向小微方向大幅扩展。其主要理由是：本发明采用至少两个（可以是除了1的奇数）电容压力传感器的定电极相连接，让电容并联，虽然存在着并联后，总电容为每个电容压力传感器电容之和，充放电时间变长，但是既使十二个电容压力传感器的电容并联后，最大值也只有1200pF左右，充放电时间仍在微秒级别，不影响传感器精度和测量响应时间。但却使电容压力传感器的电容相对变化量成倍增加，灵敏度成倍增加。理论计算和实测都显示出，与单个电容压力传感器相比，量程上限不变；由于灵敏度的提高，量程向小微方向大幅扩展，使并联后的量程变宽。由于电容相对变化量成倍增加，传感器稳定性大大提高。这是因为封入一个屏蔽壳内的电容越大，越稳定，外部电磁场变化对其影响值唯一，那么，用以抵抗影响的能量一定，而用于输出的信号就强大多了，电路放大倍数就小，稳定性好。例如：量程上限7.5kPa的电容压力传感器，最小量程为：表压0～2000Pa，两个并联后，量程上限仍为0～7.5kPa，可量程下限为0～200Pa。十二个上述传感器并联后，量程上限仍为7.5kPa，下限为0～2Pa。表压上限为0～200Pa，改为绝对压力后，十二个电容绝对压力传感器并联，量程下限为10-6Pa，精度0.5%F.S以上。效果十分显著。
因此，本发明有效地解决了单个电容压力传感器受几何尺寸限制不能使电容相对变化量有效提高，内阻太大、信噪比小等问题。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步描述。
图1是本发明两个电容压力传感器并联的一种结构示意图；
图2是图1的Ⅰ部放大结构示意图；
图3是采用图1所示结构的十二个电容压力传感器并联的一种结构示意图；
图4是图3俯视图；
图5是采用图1所示结构的四个电容压力传感器并联的一种结构示意图；
图6是采用图1所示结构的六个电容压力传感器并联的一种结构示意图；
图7是本发明所用的单电容压力传感器的一种结构示意图；
图8是图7的Ⅱ部放大结构示意图；
图9是采用图7所示结构的六个单电容压力传感器并联的一种结构示意图；
图10是图9的俯视图。
图中序号说明：1动电极、2导电薄膜层、3绝缘膜层、4蓝宝石绝缘体、5管状引出电极、6匹配外壳、7钎焊层、8过渡焊接环、9带公共焊座引压口、10引线、11屏蔽壳、12并联引压口、13密封环、14并联安装座、15带焊座环口引压口、16单个电容压力传感器。
具体实施方式
根据图1～10详细说明本发明的具体结构。该并联电容式电容压力传感器包括匹配外壳6，与匹配外壳6组装在一起的定电极、蓝宝石绝缘体4以及蓝宝石绝缘体凹形抛物面上的导电薄膜层2、绝缘膜层3、管状引出电极5、过渡焊接环8、动电极1和引压口等件。其中引压口为带公共焊座引压口9或并联引压口12，将至少两个相同规格的组装在匹配外壳6、过渡焊接环8、公共焊接座9内的定电极、动电极1和管状引出电极5的电容压力传感器连接在一个公共焊座引压口9或并联引压口12上，定电极通过引线10相连，构成至少两个电容压力传感器并联的电容压力传感器。夹持动电极1的带有刃口焊口的过渡焊接环8与带公共焊座引压口9所采用的材料均与动电极1的材质相同。本实施例中的动电极与过渡焊接环及带公共焊座引压口采用恒弹性耐腐蚀镍基合金制作。为了确保焊接质量，两个动电极1利用带有刃口焊口的过渡焊接环8与带有公共焊座引压口9夹持绷紧固定，与定电极的带有内环口的匹配外壳6上的刃口焊口焊接固定在一起。动电极1与定电极在惰性气体保护下焊接在一起。
本实施例中图3－6所示结构是在一个屏蔽壳体内组合到一个并联引压口12上的至少两个电容压力传感器，图9－10所示结构是在一个屏蔽壳体内组合到一个并联引压口12上的至少两个单电容压力传感器。都是把定电极管状引出电极5通过引线10连接，构成的并联电容式电容压力传感器。这些并联电容式电容压力传感器不分主次，仅表述是几种常用的并联结构。只要并联引压口12轴线与重力方向重合，即并联引压口12向下或向上，其中的动电极1就是立着用的，即受压后动电极1位移方向与重力方向（正交）垂直，就能有效回避动电极自重产生的影响。理论上讲，一般的现有单个电容压力传感器用上述方法并联是可以的。但不如本实施例中的单个或并联制作的至少两个电容压力传感器更便于组合，如果稍有倾斜，两个动电极受重力产生影响，两个电容的正、负变化，可能相互抵消，输出变化小。使用性能更好。动电极1用恒弹性耐腐蚀合金（Inconel X-750）薄膜制作；过渡焊接环8、带有公共焊座引压口9和带焊座环口引压口15都与动电极1材料相同，在惰性气体中焊接成一体。具体是先用轴向可拆解卡具胀紧动电极薄膜，卡具中心有比过渡焊接环8直径大的空间，在带有液压主轴、液压顶座的液压车床上，用过渡焊接环8、带公共焊座引压口9或带焊座环口引压口15夹住压紧胀紧的动电极1，拆去卡具，车削动电极1的薄膜多余部分。整个液压车床和氩弧焊的枪头都在集气箱中，关上集气箱，先抽净集气箱中空气，充惰性气体，在惰性气体中焊接。蓝宝石绝缘体4、管状引出电极5、匹配外壳6是膨胀系数高度匹配的，用银铜合金等钎焊料，在高真空下700℃左右，钎焊形成钎焊层7，将其高密度密封在一起。由于动电极1是薄膜制作，受压后呈抛物面形变，因此，也将定电极加工为凹形抛物面。在蓝宝石绝缘体4抛物面上掩膜真空镀制导电薄膜层2，直径小于蓝宝石绝缘体4直径。目的，留够绝缘距离。再掩膜镀制覆盖的绝缘膜层3.这样就做出了匹配封接的定电极。定电极及动电极的匹配外壳6与过渡焊接环8用氩弧焊焊到一起。两种材料的膨胀系数相差比较大，靠其二者外周设置的刃口焊口、靠近刃口焊口内设置的环口缓冲、消除膨胀应力与焊接应力。环口也便于抽真空时排气，减小集气与气体附着。匹配封接的定电极蓝宝石绝缘体4与匹配外壳6无缝隙，减少了气体附着与边缘效应；管状引出电极5方便抽真空和便于压封或高真空下，激光或电子束焊接。此传感器突出特点是体积小，长期不用调零点，稳定性好，精度高，生产效率成品率高。将两个定电极通过引线10相连，构成了两个电容压力传感器并联结构的电容压力传感器。其目的是让结构更加紧凑。两个电容压力传感器并联结构的电容压力传感器可以单独使用，或组成如图3、图4所示的十二个电容并联的多电容结构电容压力传感器，或组成如图5所示的四个电容并联的多电容结构电容压力传感器，或组成如图6所示的六个电容并联的多电容结构电容压力传感器。其中密封环13结构在真空系统中是经典常用结构。但是，除了以胶环密封环13连接外，也可以用焊接的方式相连，并联两个以上的电容压力传感器。
综上所述，本发明让两个以上电容压力传感器可靠并联，使电容变化量成倍增加，灵敏度成倍增加。在量程上限不变情况下，量程下限大幅向小微方向扩展。在真空测量方面具有重大突破。
将测量的量程相同和电容变化量相同，即规格相同的电容压力传感器的各引压口有效连接到一个带公共焊座引压口9或并联引压口12上，电容压力传感器的定电极相连，在电极连接过程，引线10与其它导体的绝缘距离越大越好，位置要固定，以减少寄生与空间分布电容的影响，有屏蔽外壳。
众所周知，两个以上单个电容压力传感器相连，电容并联后的电容压力传感器，新的电容，电容量是各个电容之和，电容的相对变化量也是成倍增加，灵敏度就成倍增加。量程上限与未并联前的单个电容上限值相同，量程下限大幅向小微方向扩展。0～2kPa单个电容压力传感器，两个并联后，变为0～200Pa。如图9、图10所示六个这样的电容压力传感器相并联后，表压（相对于大气压）量程上限仍为0～2kPa，下限为0～5Pa，绝对压力（相对于真空）量程上限仍为绝对压力2kPa，下限为绝对压力10-4Pa。十二个表压上限量程为200Pa的电容压力传感器并联后最低为：绝对压力10-6Pa。这是由系统信噪比决定的。实际情况是电容压力传感器，单个传感器输出≥1pF～100pF时才可以用。如1.1pF经放大处理后，对应的压力值可有效经电路板放大转换为标准电信号输出。那么这1.1pF中大部分用去抵抗“噪声”了。实测得知用于抵抗噪声用去了1pF左右，那么用于放大输出的有用信号为0.1pF。以此类推，对于表压测量时，十二个电容压力传感器并联后，最小为12×1.1pF/个=13.2pF；13.2pF-1pF=12.2pF。12.2pF与0.1pF相比是122倍。对于单个电容压力传感器输出1.1pF的电容变化量时对应压力值是200Pa时，十二个的最小测量值是：200Pa÷122≈1.6Pa。这个演示估算值与实测值为同数量级。
在绝对压力测量中，由于大气压存在，电容绝对压力传感器不工作时，动电极1被压向定电极方向。对于真空度测量的电容绝对压力传感器，量程比较小，动电极1为薄膜制作，厚度在30μm以下，被大气压压在定电极上。真空度的测量是从大气压开始。随着真空泵抽空气的进行，动电极1从定电极逐渐离开。那么，压力变化量在100kPa左右，动电极1位移量△d≈d0（d0为同几何规格的电容表压压力传感器不受压时，动电极1与定电极间距）。这样的电容绝对压力传感器与同几何规格的表压电容传感器相比，电容变化量是几倍与几十倍的关系。那么电容绝对压力传感器，在测量真空度时，分辨率可达十万分之一。同时，由于电容绝对传感器的动电极与定电极之间为高真空，相对介电常数恒为1。而表压时空气的相对介电常数的温度系数为-2×10-6/℃；相对温度变化加温度变化影响，可达1%F.S左右；空气的相对压力的变化，如1个大气压至2MPa间可以变化6%。而电容绝对压力传感器，只与动电极1位移，即与压力有关。因此，电容绝对压力传感器的分辨率更高，噪声小，噪声消耗的电容变化量小，量程下限更低。
上述十二个0～200Pa的表压电容压力传感器并联后的电容绝对压力传感器，可测到绝对压力10-6Pa，这在真空行业，解决了一直难以解决的老大难问题。一只传感器，最少代替了两只（从粗真空至高真空）传感器。同时电容压力传感器的优点：测的是纯压力，与被测介质无关；精度高，可以是±0.1%F.S，分辨率高到十万分之一；耐过压，可以在几个大气压不损坏；不用预热；可以做到抗腐蚀；在大气压下就可以供电使用。以及寿命长，稳定性好，等等优点。完全可以代替热偶、电离真空计。同时，可以用于微电子行业与浓缩铀的离心机上等高精度小微压力测量方面。这是一个革命性突破。

Claims (5)

1.一种并联电容式电容压力传感器，包括匹配外壳，与匹配外壳组装在一起的定电极、管状引出电极、动电极和引压口，其特征在于：所述引压口为带公共焊座引压口或并联引压口，将至少两个相同规格的组装在匹配外壳内的定电极、动电极和管状引出电极的电容压力传感器连接在一个公共焊座引压口或并联引压口上，定电极通过引线相连，构成至少两个电容压力传感器并联的电容压力传感器。
2.根据权利要求1所述的并联电容式电容压力传感器，其特征在于：夹持动电极的带有刃口焊口的所述过渡焊接环与带公共焊座引压口所采用的材料均与动电极的材质相同。
3.根据权利要求1所述的并联电容式电容压力传感器，其特征在于：两个所述动电极利用带有刃口焊口的过渡焊接环与带有公共焊座引压口夹持绷紧固定，与定电极的带有内环口的匹配外壳上的刃口焊口焊接固定在一起。
4.根据权利要求1所述的并联电容式电容压力传感器，其特征在于：所述动电极与定电极在惰性气体保护下焊接在一起。
5.根据权利要求1所述的并联电容式电容压力传感器，其特征在于：所述动电极与过渡焊接环及带公共焊座引压口采用恒弹性耐腐蚀镍基合金制作。
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