CN106644187A - 蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器，解决了现有电容压力传感器的陶瓷绝缘体内气体容易附着，影响真空度，产生的寄生电容和边缘效应影响测量稳定性等问题，包括壳体，与壳体组装在一起的定电极、引出电极、动电极和引压口，其技术要点是：所述定电极以蓝宝石作为绝缘体，壳体采用与蓝宝石绝缘体相匹配的材料制作的匹配外壳，通过钎焊层与蓝宝石绝缘体封接在一起，蓝宝石绝缘体钎焊密封有管状引出电极，管状引出电极的端部直接与蓝宝石绝缘体凹形抛物面上的导电薄膜层相连接。其结构设计合理，定电极不漏气，不放气，使用安全可靠，减少了寄生电容与边缘效应，提高测量精度和稳定性，焊接与膨胀应力得到缓冲，成品率高，降低了制造成本。

Description

蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器

技术领域

本发明涉及一种电容压力传感器，特别是一种以蓝宝石单晶作为定电极绝缘体的蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器，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

对于电容式压力传感器，特别是绝压微小量程的电容传感器，即在100kPa～10^-2Pa的测量范围内，呈现优势，种类繁多。有代表性的是美国MKS公司生产的6系列电容压力传感器。以626型电容压力传感器为例，它的结构如图3、图4所示。626型电容压力传感器的原理是基于平行板电容器，它的动电极1，是用恒弹性耐腐蚀合金薄膜制作。定电极由陶瓷绝缘体10、导电薄膜层2、内电极20、绝缘膜层3、外壳柱状体11、楔尾固定环12、压簧13、引线19、外引出电极15、含钴玻璃16、绝缘子外壳17组成。定电极陶瓷绝缘体用Al₂O₃陶瓷制作。导电薄膜层2是在陶瓷绝缘体抛物面凹面上真空镀制的导电金属薄膜，其上同样真空镀制的覆盖整个导电膜层的绝缘膜层3。导电薄膜层2与内电极20相连，内电极20与引线19连接于外引出电极15上，组成了定电极板系统。因为定电极的陶瓷绝缘体10，与外壳柱状体11是装配式结构，因此，用楔尾固定环12尽可能将陶瓷绝缘体10固定在外壳柱状体11的中心位置，用压簧13，靠外壳盖18顶压簧，将陶瓷绝缘体10压在外壳柱状体11内。外壳盖18与外壳柱状体11在高真空下电子束焊接到一起。外壳盖18上焊有玻璃绝缘子和封有吸气剂14。玻璃绝缘子是由含钴玻璃16熔融密封的外引出电极15与绝缘子外壳17之中构成。动电极1，用轴向可拆解的卡具绷紧恒弹性耐腐蚀镍基合金薄膜后，靠外壳柱状体11与带有引压口的焊座21夹持，带着轴向可拆解卡具一同在液压主轴及液压顶座的车床上，顶住外壳柱状体11与带有引压口的焊座21，拆去轴向可拆解卡具，车削去薄膜的多余部分，用氩弧焊将动电极1、外壳柱状体11、带有引压口的焊座21焊接到一起，固定了动电极。

动电极1与外引出电极15之间是高真空，是在制作的最后阶段，在高真空下焊外壳盖18实现的。626型电容压力传感器的引压口与大气相连时，由于量程为绝对压力13.332Pa，动电极1是恒弹性薄膜制作，动电极1被大气压压在了定电极上。

626型电容压力传感器的量程小，在真空测量方面，无论被测介质是什么气体，测得是压力，而其它，如热偶型、电离型压力计，对于不同气体的压力值，输出有差异。电容压力传感器过载强，电信号好处理，带负载能力达10kΩ，结构密封性相对可靠。因此在真空行业、微电子生产工艺设备、浓缩铀离心机上有广泛应用。626型电容压力传感器及相关产品对华是禁运产品。

但是626型电容压力传感器，实际应用中发现也存在缺点：1、陶瓷绝缘体本身就含有大量气体；2、陶瓷绝缘体与外壳之间采用预留间隙的装配式结构，增加了气体附着表面；3、靠楔尾固定环和压簧压着陶瓷绝缘体于外壳内，楔尾固定环封闭了一个集气腔，压簧又封闭了一个集气层，造成集气；4、内电极与外引出电极间靠软的薄的绝缘层长的导线连接，必然形成寄生电容，此电容的分布不确定，随着环境条件，诸如振动等带来这样不确定因素的加重；5、外引出电极是用含钴玻璃熔融压封结构（不匹配）封接，是靠绝缘子外壳的大膨胀系数，玻璃的次膨胀系数，外引出电极的小膨胀系数，当玻璃在高温下熔融，封上了外引出电极、玻璃凝固，靠温度的降低（从玻璃熔化温度到常温），外壳压着玻璃、玻璃压着外引出电极，实现密封。这样，玻璃一定不能与绝缘子外壳平齐或溢出壳外，否则会发生“势如破竹”的破裂。

综上所述，626型电容压力传感器由于陶瓷的绝缘体放气，内部大面积物理性吸附与化学性吸附气体附着，集气腔的存在，随着时间的推移、温度变化、振动的产生、电容的充放电，必然使作为参考压的真空腔室内真空度变差，即动电极1与外引出电极15间压力在不断升高。那么作为动电极的“零点”位置就要发生变化，因此，626型电容压力传感器要求每次正式使用前用调节放大电路板上的电位器调零点和满度值。其条件是要在高真空下进行，对于绝对压力13.332Pa的量程的压力传感器，要在10^-5Pa真空下调零点。这不仅麻烦，有的用户根本没有条件实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器，解决了现有电容压力传感器的陶瓷绝缘体内气体容易附着，影响真空度，产生的寄生电容和边缘效应影响测量稳定性等问题，其结构设计合理，定电极不漏气，不放气，使用安全可靠，减少了寄生电容与边缘效应，提高测量精度和稳定性，焊接与膨胀应力得到缓冲，成品率高，降低了制造成本。

本发明所采用的技术方案是：该蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器包括壳体，与壳体组装在一起的定电极、引出电极、动电极和引压口，其技术要点是：所述定电极以蓝宝石作为绝缘体，壳体采用与蓝宝石绝缘体相匹配的材料制作的匹配外壳，通过钎焊层与蓝宝石绝缘体封接在一起，蓝宝石绝缘体钎焊密封有管状引出电极，管状引出电极的端部直接与蓝宝石绝缘体凹形抛物面上的导电薄膜层相连接。

采用与蓝宝石绝缘体相匹配的材料制作的所述管状引出电极作为电极唯一引线，也是抽真空导管。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明是以蓝宝石为定电极绝缘体的电容压力传感器，蓝宝石绝缘体与匹配外壳、管状引出电极所用材料是匹配的，采用钎焊方法密封封接，所以其结构设计合理，制作的定电极不放气、不集气、不漏气，使制成的绝对压力传感器长期不用调零点，使用安全可靠，减少了寄生电容与边缘效应，提高了测量精度和稳定性。采用与蓝宝石绝缘体相匹配的材料制作的匹配外壳、管状引出电极，焊接与膨胀应力得到缓冲，成品率高，降低了制造成本。管状引出电极亦可用于表压参考压引压导管。因此，本发明解决了现有电容压力传感器的陶瓷绝缘体内气体容易附着，影响真空度，产生的寄生电容和边缘效应影响测量稳定性等问题，定电极不漏气，不放气。

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是美国MKS公司的626电容传感器的一种结构示意图；

图4是图3的Ⅱ部放大结构示意图。

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带有环口引压口焊座、10陶瓷绝缘体、11外壳柱状体、12楔尾固定环、13压簧、14吸气剂、15外引出电极、16含钴玻璃、17绝缘子外壳、18外壳盖、19引线、20内电极、21 带有引压口的焊座、22 过滤器。

具体实施方式

根据图1～4详细说明本发明的具体结构。该蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器包括壳体，与壳体组装在一起的定电极、引出电极、动电极1和引压口等件。其中动电极1是恒弹性耐腐蚀合金薄膜制作，厚度在20μm左右，是用各向同性“径向碾轧”制成薄膜。在高真空下，达到合金的固溶温度后，迅速冷却，预应力处理后，呈恒弹性。定电极的导电薄膜层2，是在定电极的蓝宝石绝缘体4凹形抛物面上，高真空下镀制的金属薄膜层，导电薄膜层2上同样在真空下镀制覆盖绝缘膜层3。定电极以蓝宝石作为绝缘体，壳体采用与蓝宝石绝缘体4相匹配的材料制作的匹配外壳6，通过钎焊层7与蓝宝石绝缘体4封接在一起。蓝宝石绝缘体4钎焊密封有管状引出电极5，管状引出电极5的端部直接与蓝宝石绝缘体4凹形抛物面上的导电薄膜层2相连接。采用与蓝宝石绝缘体4相匹配的材料制作的管状引出电极5作为电极唯一引线，也是抽真空导管。本实施例中定电极是由蓝宝石绝缘体4、导电薄膜层2、覆盖导电薄膜层2的绝缘膜层3、管状引出电极5、匹配外壳6、钎焊层7、过渡焊接环8、带有环口引压口焊座9等构成的。蓝宝石绝缘体4与匹配外壳6是膨胀系数相匹配的（在一定温区，如钎焊高温至最低使用温度内，二者膨胀系数相差小于等于最大值的7%），用银铜等钎焊料钎焊法，即在高真空下，加热至700℃左右，钎焊料熔融，形成钎焊层7，将蓝宝石绝缘体4紧密密封在匹配外壳6内。同时也钎焊密封了管状引出电极5。匹配外壳6是恒弹性合金制作，管状引出电极5是用铂管制作，或用能与银铜合金等钎焊料浸润的合金制作。这样制作的定电极密封结构，蓝宝石绝缘体4与匹配外壳6之间高度密封，管状引出电极5就是唯一电极。由于动电极1是用恒弹性耐腐蚀合金薄膜制作，受压后呈抛物面变化，因此，定电极也加工成凹形抛物面，在蓝宝石绝缘体4凹形抛物面上，真空镀制直径小于蓝宝石绝缘体4直径的导电薄膜层2，留出绝缘距离，其上同样在真空下镀制覆盖绝缘膜层3。导电薄膜层2与管状引出电极5相连，构成定电极板。这样的结构：蓝宝石绝缘体4不放气，蓝宝石绝缘体4与匹配外壳6之间无间隙。管状引出电极5与匹配外壳6高度密封，其间绝缘介质间距大，管状引出电极5与匹配外壳6之间形成的电容微乎其微，并且确定。因此，这样的传感器长期不用调零点，稳定性极好。

过渡焊接环8、带有环口引压口焊座9与动电极1都是相同材料制作，使焊接电流可以尽可能小一些，并可有效地缓冲焊接应力。这样的电容压力传感器与被测介质接触部分全都是恒弹性耐腐蚀材料构成。过渡焊接环8同匹配外壳6一样，都设有刃口焊口，靠近刃口焊口设有内环口。有效缓冲焊接热应力与膨胀应力，同时便于抽真空，减少集气与气体附着。

管状引出电极5用铂管或能与银铜合金等钎焊料浸润封接的合金材料制作，其主要目的是：管状引出电极5比丝状电极同等截面，管的封接表面积大，管子封接应力小，实现高密度密封封接。更主要目的是：用管状引出电极5，也是抽真空导管，即用管状引出电极5，抽去图1中，动电极1与定电极之间的空气，形成高真空，压封管口完成密封；或者在高真空下，电子束、激光焊接管状电极管口，实现高密度密封封接。使造价很低，成品率高，生产效率高。

本发明的管状引出电极5，在做表压（相对于大气压）的电容压力传感器时，可以兼用与参考大气压隔离膜盒相连，制成稳定的表压传感器。详见本申请人之前的发明专利，公开号为CN104215383A的“内置平衡容器的薄膜隔离型表压传感器”。

本发明除了用蓝宝石制作电容压力传感器的定电极的绝缘体的同时，也可用熔融玻璃与匹配外壳6、管状引出电极5匹配封装，但是成品率与气密性、生产工艺都没有蓝宝石绝缘体4的好。造价差不多。

Claims (2)

1.一种蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器，包括壳体，与壳体组装在一起的定电极、引出电极、动电极和引压口，其特征在于：所述定电极以蓝宝石作为绝缘体，采用与蓝宝石绝缘体相匹配的材料制作的匹配外壳，通过钎焊层与蓝宝石绝缘体封接在一起，蓝宝石绝缘体钎焊密封有管状引出电极，管状引出电极的端部直接与蓝宝石绝缘体凹形抛物面上的导电薄膜层相连接。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器，其特征在于：采用与蓝宝石绝缘体相匹配的材料制作的所述管状引出电极作为电极唯一引线，也是抽真空导管。