CN107907263A - 电极单端悬浮的电容压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种电极单端悬浮电容压力传感器，解决了动、定电极的材料膨胀系数不同引起的测量误差的问题。其技术要点是：动电极采用恒弹性金属制作的双面镀贵金属层的薄膜动电极；定电极绝缘体采用蓝宝石单晶制作的蓝宝石绝缘体，下夹持悬浮座、上夹持焊环、双面镀贵金属层的薄膜动电极和动电极刃口焊口相互结合构成动电极单端悬浮结构体；管式电极、蓝宝石绝缘体、钎焊层、连体屏蔽环和定电极悬浮外壳相互固定构成定电极单端悬浮结构体，动、定电极单端悬浮结构体通过刃口焊接在一起。其结构简单，设计合理，使温度漂移大幅减小，显著提高测量精度，与同样量程及用途的同类产品相比，完全避免测量介质温度变化及机械冲击对动、定电极的膨胀系数不匹配的影响。

Description

电极单端悬浮的电容压力传感器

技术领域

本发明涉及一种电容压力传感器，特别是一种动电极和定电极的一端都呈自由状态的电极单端悬浮的电容压力传感器。尤其适用于对有一定腐蚀性介质的微小压力、绝对微小压力的高可靠性、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，对于微小压力、绝对微小压力测量呈优势。为了能测量有一定腐蚀性的介质，动电极往往要选用耐腐蚀恒弹性合金制作，甚至还要在耐腐蚀恒弹性合金薄膜上镀金等耐腐蚀物质；定电极的绝缘体，一般选用玻璃、陶瓷、α-Al₂O₃(蓝宝石)等恒弹性绝缘体制造。这样，动电极如果是Inconel X-750时，在 0℃～150℃范围内，膨胀系数为14×10^-6/℃；定电极绝缘体用95陶瓷制作时，在0℃～ 150℃范围内，膨胀系数为7.0×10^-6/℃。两者相差了1倍。国际上美国MKS公司的有代表性的产品就选用这些材料制造。如图3～4所示，包括动电极13、定电极95陶瓷绝缘体 14，带引压口的支座15，兼外壳的上夹持环16，导电螺栓17，平垫18，螺母19，玻璃封电极20，锥形弹簧21，吸气剂室22，碟形压簧23，金属复合管24，上盖25，压簧下垫片 26，三足垫片27、聚酯膜层28、测量电极29、参考电极30、测量电极导电螺栓孔31、参考电极导电螺栓孔32等件。其定电极95陶瓷绝缘体14呈平面，在两平行面上，用厚膜电路工艺制作出了厚膜的测量电极29、参考电极30，利用导电螺栓17、平垫18、螺母19，将绝缘体正面参考电极30与测量电极29引到背面的欧姆接触膜层上，制作了定电极；用 Inconel X-750，制作20μm(对于0.1Torr量程的真空规)厚的薄膜动电极。薄膜动电极靠用同样Inconel X-750合金制作的动电极兼外壳的上夹持环16与带引压口的支座15两个配件夹持焊接固支。定电极95陶瓷绝缘体14，靠碟形弹簧23、压簧下垫片26、三足垫片 27，压封在动电极兼外壳的上夹持环16上。定电极95陶瓷绝缘体14与外壳间留有一定间隙，相对于间隙，定电极95陶瓷绝缘体14不一定是中心对称的。与薄膜动电极13间留有 200μm左右的间隙，留给薄膜动电极13受压形变用。定电极95陶瓷绝缘体14与薄膜动电极13之间垫有4mm左右的Inconel X-750叠加区。固定施压碟形弹簧23的上盖25是焊接在动电极兼外壳的上夹持环16上的。上盖25上焊有抽真空用的内铜外不锈钢的金属复合管 24，当参考室抽到高真空后，用机械压封此管，实现密封；上盖25上焊有吸气剂室22，室内充以高温激活吸气剂；上盖25上焊有两个玻璃封电极20，玻璃封电极20上分别固定有锥形弹簧21，靠压力接触定电极95陶瓷绝缘体14上的参考电极30与测量电极29的欧姆接触膜层，实现电容的电学导通。

MKS的真空规存在的问题是：由于定电极的装配式结构，使定电极与动电极产生非接触式封装，对定电极与动电极的形变来说，会发生不对称变化。这一点，是MKS公司将定电极做成了平电极的主要原因。由于定电极为平面电极，动电极受压形变呈抛物面形变，与平面的定电极不匹配，非线性大，所以在其平的定电极上做了参考电极30与测量电极 29，即做有带参考电容的电容压力传感器。尽管可用参考电容30修正测量电容的非线性，但电路复杂，麻烦，因动电极形变与定电极面形不匹配，使定电极有效面积用于测量电极 29的部分减少，输出电容变化量小。最主要的问题是，定电极与动电极间纵向方面，存在着4mm叠加区，由于Inconel X-750的膨胀系数大了95陶瓷1倍左右，±1℃产生的误差约为28×10^-5，对于号称分辨率达十万分之一的MKS真空规来说，整个传感器必须在恒温下工作才行；还有，定电极呈平面，动电极受压呈抛物面形变，动电极中心曲率大于边缘，用于有效量程内的形变区间，对定电极与动电极零压下的200μm距离，只有100μm左右有效。因量程范围窄，故使传感器量程范围减少了50％以上。再则，由于采用了95陶瓷绝缘体内含有大量气体，吸附面太大；由于该结构配件多，采用20多个配件及吸气剂，所以制备工艺复杂，生产效率低。除了吸附面大外，还存在着大量集气间隙，使抽气时间太长，真空度不高。加上用了较多焊口和较长焊缝，尽管用了吸气剂，因吸气剂剂量有限，很快就会失效，故真空度相对维持困难，长期稳定性不好。因此，在该产品上设有零点电位器。 MKS公司在规程中规定，每次正式使用时，在高的真空下必须调零点。这个真空度是传感器的最小分辨率的压力，达到这样的高真空后，进行调零点，用电路进行临时零点迁移。如绝对0～15Pa的626型电容绝对压力传感器，要在10^-4Pa下调零点。否则，不能达到标定的精度。这种调零点的操作在应用中非常费时，也太麻烦，甚至有时根本无法实现。

本申请人为解决上述问题曾设计出一些新产品，如公开号为CN 105910751 A的“平行板干式电容压力传感器”、公开号为CN 106225962 A的“动电极板镀金的电容压力传感器”、公开号为CN 106644187 A的“蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器”、公开号为CN 106353014 A的“带有过渡焊接环的电容压力传感器”、公开号为CN 106289592 A的“并联电容式电容压力传感器”、公开号为CN 106289593 A的“立式动电极的电容压力传感器”公开号为CN 106225962 A的“电极板镀金的电容压力传感器”等专利。虽然在一定程度上克服了上述626型电容绝对压力传感器存在的缺陷，但是，因其动、定电极的膨胀系数不匹配，故对传感器测量精度的影响很大。美国MKS公司产品的办法是，对传感器的电容体进行恒温保护，一般恒温在45℃±1℃范围内。最高精度0.25％～0.15％。当传感器放置一段时间后再用，或者连续使用一段时间，受测量介质的温度变化及机械冲击，如振动、压力等的影响，都要调零点。否则，严重影响测量精度。现有电容压力传感器无法从根本上解决动、定电极的膨胀系数相差倍数关系的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电极单端悬浮电容压力传感器，有效的解决了动、定电极的材料膨胀系数不同引起的测量误差的问题，其结构简单，设计合理，使温度漂移大幅减小，显著提高测量精度，与同样量程及用途的同类产品相比，完全避免测量介质温度变化及机械冲击对动、定电极的膨胀系数不匹配的影响。

本发明所采用的技术方案是：该电极单端悬浮的电容压力传感器包括外壳，支座，组装在二者之间的定电极绝缘体和动电极以及管式电极，其技术要点是：所述动电极采用恒弹性金属制作的双面镀贵金属层的薄膜动电极；定电极绝缘体采用蓝宝石单晶制作的蓝宝石绝缘体，并利用钎焊层将封接有管式电极的蓝宝石绝缘体的一端与作为外壳的底部设置有连体屏蔽环的定电极悬浮外壳固定在一起，蓝宝石绝缘体的设置有抛物凹面的一端不受任何约束呈自由状态，构成带有刃口薄壁端的定电极单端悬浮结构体；作为支座的带引压口的下夹持悬浮座上表面设置有与蓝宝石绝缘体底部相对称结构的抛物凹面和依托动电极的环形平面，上夹持焊环底部设置有与蓝宝石绝缘体抛物凹面的结构相吻合的抛物凹面和与引压口的下夹持悬浮座上表面相对称结构的依托动电极的环形平面，上夹持焊环顶部及外周壁不受任何约束呈自由状态，双面镀贵金属层的薄膜动电极压接封装在带引压口的下夹持悬浮座的环形平面与上夹持焊环的环形平面之间，通过动电极刃口焊口焊接在一起，构成带有刃口薄壁端的动电极单端悬浮结构体；定电极单端悬浮结构体的带有刃口薄壁端与动电极单端悬浮结构体的带有刃口薄壁端，利用悬浮结构体刃口焊口焊接在一起，同时使上夹持焊环顶部及外周壁与定电极悬浮外壳相对应的内壁之间保持间隙，上夹持焊环内周壁与蓝宝石绝缘体相对应的外周壁之间保持间隙。

将所述定电极单端悬浮结构体与动电极单端悬浮结构体焊接在一起的悬浮结构体刃口焊口与动电极刃口焊口处于同一平面上，并通过设置在定电极悬浮外壳底部的连体屏蔽环，使悬浮结构体刃口焊口与动电极刃口焊口相互隔离屏蔽。

所述蓝宝石绝缘体的抛物凹面上，镀有和管式电极相连的导电膜层，导电膜层上覆盖绝缘膜层。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明的动电极采用恒弹性金属制作的双面镀贵金属层的薄膜动电极；定电极绝缘体采用蓝宝石单晶制作的蓝宝石绝缘体，下夹持悬浮座、上夹持焊环、双面镀贵金属层的薄膜动电极和动电极刃口焊口，相互结合在一起构成带有刃口薄壁端的动电极单端悬浮结构体；封接有管式电极的蓝宝石绝缘体、钎焊层和底部有连体屏蔽环的定电极悬浮外壳，相互固定在一起构成带有刃口薄壁端的定电极单端悬浮结构体，定电极单端悬浮结构体的带有刃口薄壁端与动电极单端悬浮结构体的带有刃口薄壁端，利用悬浮结构体刃口焊口焊接在一起，同时使上夹持焊环顶部及外周壁与定电极悬浮外壳相对应的内壁之间保持间隙，上夹持焊环内周壁与蓝宝石绝缘体相对应的外周壁之间保持间隙，组成动电极、定电极单端悬浮的电容压力传感器，测量精度能提高到0.1％。甚至可以进一步提高到0.05％所以这样，其结构简单，设计合理，使温度漂移大幅减小，显著提高测量精度，与同样量程及用途的同类产品相比，完全避免测量介质温度变化及机械冲击对动、定电极的膨胀系数不匹配的影响。因此，本发明彻底解决了动、定电极的材料膨胀系数不同引起的测量误差的问题。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的电极单端悬浮的电容压力传感器的结构示意图；

图2是图1的Ⅰ部放大结构示意图；

图3是现有技术的一种电容真空规的结构示意图；

图4是图3中陶瓷绝缘体的一种结构示意图。

图中序号说明：1双面镀贵金属层的动电极、2蓝宝石绝缘体、3管式电极、4钎焊层、5定电极悬浮外壳、6上夹持焊环、7动电极刃口焊口、8悬浮结构体刃口焊口、9连体屏蔽环、10带引压口的下夹持悬浮座、11导电膜层、12绝缘膜层、13动电极、14定电极 95陶瓷绝缘体、15带引压口的下夹持环、16兼外壳的上夹持环、17导电螺栓、18平垫、 19螺母、20玻璃封电极、21锥形弹簧、22吸气剂室、23碟形压簧、24金属复合管、25上盖、26压簧下垫片、27三足垫片、28聚酯膜层、29测量电极、30参考电极、31测量电极导电螺栓孔、32参考电极导电螺栓孔。

具体实施方式

根据图1～4详细说明本发明的具体结构。该单端悬浮电容压力传感器包括外壳，支座，组装在二者之间的定电极绝缘体和动电极以及管式电极3等件。其中动电极采用恒弹性金属制作的双面镀贵金属层的薄膜动电极1，本实施例中镀贵金属层采用镀金或镀铱。定电极绝缘体采用蓝宝石单晶(α-Al₂O₃)制作的蓝宝石绝缘体2，并利用钎焊层4将封接有管式电极3的蓝宝石绝缘体2的一端与作为外壳的底部设置有连体屏蔽环9的定电极悬浮外壳 5固定在一起。管式电极3用钛或铂制作，用银铜焊料等高气密性焊料钎焊，形成钎焊层 4。蓝宝石绝缘体2的设置有抛物凹面的一端不受任何约束，呈自由状态。蓝宝石绝缘体2 的抛物凹面上，镀有和管式电极3相连的导电膜层11，导电膜层11上覆盖绝缘膜层12。封接有管式电极3的蓝宝石绝缘体2、钎焊层4和底部有连体屏蔽环9的定电极悬浮外壳5，相互固定在一起构成带有刃口薄壁端的定电极单端悬浮结构体。作为支座的带引压口的下夹持悬浮座10的上表面设置有与蓝宝石绝缘体2底部相对称结构的抛物凹面和依托动电极的环形平面，上夹持焊环6底部设置有与蓝宝石绝缘体2抛物凹面的结构相吻合的抛物凹面和与引压口的下夹持悬浮座10上表面相对称结构的依托动电极的环形平面，上夹持焊环6的顶部及外周壁不受任何约束，呈自由状态，上夹持焊环6除了夹持双面镀贵金属层的动电极 1外，不再承担和兼做他用。双面镀贵金属层的薄膜动电极1压接封装在带引压口的下夹持悬浮座10的环形平面与上夹持焊环6的环形平面之间，通过动电极刃口焊口7焊接在一起。下夹持悬浮座10、上夹持焊环6、双面镀贵金属层的薄膜动电极1和动电极刃口焊口 7，相互结合在一起构成带有刃口薄壁端的动电极单端悬浮结构体；动电极悬浮结构体全部为Inconel X-750或哈氏合金制作，可耐一定浓度的酸碱等强腐蚀介质腐蚀。定电极单端悬浮结构体的带有刃口薄壁端与动电极单端悬浮结构体的带有刃口薄壁端，利用悬浮结构体刃口焊口8焊接在一起，同时使上夹持焊环6顶部及外周壁与定电极悬浮外壳5相对应的内壁之间保持间隙，上夹持焊环6内周壁与蓝宝石绝缘体2相对应的外周壁之间保持间隙，一般为≤1mm。动电极悬浮结构体和定电极悬浮结构体利用等离子束焊接到一起，形成了悬浮结构体刃口焊口8。用等离子束焊接能在焊口内、外形成焊道，或者说焊口里外焊接质量一样，让气体吸附的尽可能少。另外，在动定电极悬浮结构体刃口焊口8的里边，在定电极悬浮外壳5设置一道连体屏蔽环9，焊接时，用来屏蔽等离子，以防烧蚀动电极刃口焊口7。

将定电极单端悬浮结构体与动电极单端悬浮结构体焊接在一起的悬浮结构体刃口焊口8与动电极刃口焊口7处于同一平面上，并通过设置在定电极悬浮外壳5底部的连体屏蔽环9，使悬浮结构体刃口焊口8与动电极刃口焊口7相互隔离屏蔽。当动电极悬浮结构体随温度变化膨胀与收缩时，定电极悬浮结构体也同步，水涨船高。二者之间的保持间隙几乎不变，即其没有因为膨胀系数差而变化，传感器温漂小，变的非常稳定，测量精度就高了。

与美国MSK的结构相比，本发明的结构简单，更有利于绝对微小压力的测量，操作时抽真空快、放气少、真空度的形成和保持都好。更关键的是，本发明采用动、定电极单端悬浮结构体后，消除了由于膨胀系数不同造成的温度漂移。MKS产品如果不做恒温处理，就是温度计了。经实验表明，去掉恒温电源，MKS的1Torr真空规(绝对压力传感器，量程为1Torr，相当于绝对0～13.3Pa左右)，每1℃就要变化1％。而本发明的结构也是1Torr 时，不做恒温，只需进行电路补偿与修正，每30℃才变化0.1％。

具体制作过程如下：

双面镀贵金属层的动电极1，是用Inconel X-750合金制成板材，板材再制成带材。利用带材再采用径向碾轧工艺，制成各向同性的弹性薄膜。厚度为20μm至100μm左右。根据要测的不同的压力值上限，选择不同的厚度，如：0.1Torr时，动电极厚度为20μm，可根据平行板电容公式确定。

C＝(ε₁×ε₀×A)÷d ⑴

式中：C为电容；d为动定电极之间距离；A为电极板(定电极面积)；ε₁为平行板间电介质介电常数(如果是空气，近似为ε₁＝1，真空时为ε₁＝1)；ε₀为空间介电常数。

从⑴式中可知，动电极直径也是选量之一。双面镀贵金属层的动电极1的厚度、直径确定后，传感器的量程就基本确定。一般选择大于实际传感器直径好多的薄膜直径。

选定做动电极的薄膜后，将其固定到薄膜胀紧装置上，胀紧装置两边留有大于上夹持焊环6与带引压口的下夹持悬浮座10的直径的洞口，胀紧。胀紧过程要确定其量程。测量值符合要求后，至液压顶紧车床上，将上夹持焊环6与带引压口的下夹持悬浮座10压到胀紧的膜片上。液压车床上有夹紧压力显示。用环形刀切割胀紧的薄膜(在胀紧装置内，上夹持焊环6与带引压口的下夹持悬浮座10外的薄膜)，移走胀紧装置。用车刀切去上夹持焊环6与带引压口的下夹持悬浮座10压着以外部分薄膜，马上用高纯氩气保护下进行弧焊。动电极刃口焊口7，焊接电流小到，焊口焊完后几秒钟内，其温度不超100℃，使应力尽可能小。刃口焊口必须一次焊成。如果产生焊接应力，要在高真空高温下进行，将十分麻烦。

除了双面镀贵金属层的动电极1外，上夹持焊环6与带引压口的下夹持悬浮座10也采用Inconel X-750合金，还必须在加工前后，对Inconel X-750材料及配件进行严格的固溶和双时效处理。这是防止产生晶间应力，以保证其恒弹性。

制作由蓝宝石绝缘体2、管式电极3、钎焊层4、定电极悬浮外壳5构成的定电极单端悬浮结构体，其中的蓝宝石绝缘体2，是由α-Al₂O₃单晶制作。几乎不放气，它与钛、 3J53恒弹性合金的膨胀系数十分匹配，用银铜焊料，或含金的银铜焊料，高真空下，钎焊到一起，形成膨胀系数匹配的，高气密性结构体。蓝宝石绝缘体2选择α-Al₂O₃单晶体，进行定向切割，因为此单晶各向异性，如膨胀系数能满足与3J53恒弹性合金匹配的是面。完后按设计规格、精度，进行研磨与抛光出抛物面凹面的面形。然后在高真空下，用烧结卡具装载，将蓝宝石绝缘体2、管式电极3，钎焊到定电极悬浮外壳5上。再装上专用载具，进行真空镀导电膜层11；同样再装载具进行镀制绝缘膜层12。镀膜，可以选择电阻法热蒸镀，电子束蒸镀，或溅射蒸镀。其中的定电极悬浮外壳5，用3J53恒弹性合金制造，在机加工完后，内壁要镀金。主要目的是：其一作为定电极悬浮外壳，内壁应尽可能避免产生化学吸附；其二是金的存在，有利于钎焊料的浸润融合，确保焊接质量与气密性。

定电极与动电极的单端悬浮结构体的固定连接，也要尽可能使焊接应力最小，由于两者膨胀系数差别大，尽可能选用惯用方法，设置带有刃口的薄壁端。又考虑真空吸附问题，选用等离子束焊接工艺，让里外形成同样光亮的焊道。尽可能减少化学吸附不必要的放气，这也是十分重要的。在刃口焊口7与悬浮结构体刃口焊口8之间，设置连体屏蔽环9是必要的，以防止损坏动电极刃口焊口7。

Claims (3)

1.一种电极单端悬浮的电容压力传感器，包括外壳，支座，组装在二者之间的定电极绝缘体和动电极以及管式电极，其特征在于：所述动电极采用恒弹性金属制作的双面镀贵金属层的薄膜动电极；定电极绝缘体采用蓝宝石单晶制作的蓝宝石绝缘体，并利用钎焊层将封接有管式电极的蓝宝石绝缘体的一端与作为外壳的底部设置有连体屏蔽环的定电极悬浮外壳固定在一起，蓝宝石绝缘体的设置有抛物凹面的一端不受任何约束呈自由状态，构成带有刃口薄壁端的定电极单端悬浮结构体；作为支座的带引压口的下夹持悬浮座上表面设置有与蓝宝石绝缘体底部相对称结构的抛物凹面和依托动电极的环形平面，上夹持焊环底部设置有与蓝宝石绝缘体抛物凹面的结构相吻合的抛物凹面和与引压口的下夹持悬浮座上表面相对称结构的依托动电极的环形平面，上夹持焊环顶部及外周壁不受任何约束呈自由状态，双面镀贵金属层的薄膜动电极压接封装在带引压口的下夹持悬浮座的环形平面与上夹持焊环的环形平面之间，通过动电极刃口焊口焊接在一起，构成带有刃口薄壁端的动电极单端悬浮结构体；定电极单端悬浮结构体的带有刃口薄壁端与动电极单端悬浮结构体的带有刃口薄壁端，利用悬浮结构体刃口焊口焊接在一起，同时使上夹持焊环顶部及外周壁与定电极悬浮外壳相对应的内壁之间保持间隙，上夹持焊环内周壁与蓝宝石绝缘体相对应的外周壁之间保持间隙。

2.根据权利要求1所述的电极单端悬浮的电容压力传感器，其特征在于：将所述定电极单端悬浮结构体与动电极单端悬浮结构体焊接在一起的悬浮结构体刃口焊口与动电极刃口焊口处于同一平面上，并通过设置在定电极悬浮外壳底部的连体屏蔽环，使悬浮结构体刃口焊口与动电极刃口焊口相互隔离屏蔽。

3.根据权利要求1所述的电极单端悬浮的电容压力传感器，其特征在于：所述蓝宝石绝缘体的抛物凹面上，镀有和管式电极相连的导电膜层，导电膜层上覆盖绝缘膜层。