CN1172949A - 电容式差压检测器 - Google Patents

Abstract

电容式差压检测器,其固定电极的绝缘板(1)上覆盖有导电金膜(2)包括:中心孔(1a)的整个内部区域(2a),将与导电板(12)相对的绝缘板平面上的中心孔(1a)围绕起来的正方形环形区域(2b),以及自环形区域沿离心方向延伸至外边缘的带状区域(2c)。导电膜(2)在整个内部区域(2a)的端部和导电极之间及在带状区域(2c)的端部和铝膜之间是电导通的。减小了环形区域(2b)和带状区域(2c)的总面积,从而改善了静态压力范围特性。

Description

电容式差压检测器

本发明涉及一种电容式差压检测器，其中，形状和大小完全相同的固定电极彼此相对安装在隔板的两侧。当存在差压时，隔板产生变形。从而根据隔板和每个电极之间的电容测出差压。更为具体地说，本发明涉及这样的电容式差压检测器，它可以改善静态压力范围特性。

下面参照图5和6对一个实例进行解释。图5为一差压检测器的剖视图，图6为装有该检测器的一差压检测装置的剖视图。在图5中，检测器50的形状和大小完全相同的两固定电极15分别安装在隔板10的左右两侧。固定电极15为三层式组合体，它包括：一圆盘形导电板12，它和隔板10面对；一正方形中央绝缘板13以及同样形状的导电板14。这几块板依次叠置并粘贴在一起。上述三层式组合体由一中心孔25贯通以将压力引入。中心孔的内表面由导电膜27覆盖。导电板12和导电板14通过该导电膜27彼此连通。两固定电极15的两导体板和隔板10隔开间隙29并相对置放从而和隔板10结合，而且电极15通过环形支承体21由玻璃体结合部11互相绝缘地结合到隔板10上，支承体可由导电材料制成，也可由绝缘材料制成。环形支承体21位于隔板10的边缘部的两侧，且和导电板12的外边缘沿径向方向由环形槽23隔开。在本例中，隔板10、导电板12、14和支承体21均由硅制成，而绝缘板13由陶瓷制成。压力P₁和P₂由左、右固定电极15的压力引入中心孔25引入，当差压(＝P₁-P₂)存在时，隔板10发生变形(即隔板的中央部发生挠曲)。由隔板10与左电极15形成的电容器的电容C₁和由隔板10与右电极15形成的电容器的电容C₂，分别由引脚C、A和引脚C、B取出。顺便提一下，数字31，32和33代表蒸气沉积铝薄膜(用作引出电容的端子)。

既然总电容C₁和C₂随差压(＝P₁-P₂)的变化而变化，利用熟知的电路就可获得和差压成比例的输出量F，这里F＝(C₁-C₂)/(C₁+C₂)。

由图6可看出，检测器50装入一容器内构成一差压检测装置，该容器由装有密封隔膜59的一端封闭的圆筒51、一连接板55和装有密封隔膜58的盖子构成。圆筒51的右端面有一密封隔膜59，它和圆筒构成了一压力室62，压力室62通过中心孔60和位于圆筒51内的内腔52连通。检测器50装于内腔52内部。用密封端子63使检测器50的引脚A、B、C绝缘，且引脚外伸穿过圆筒51的外壁。在检测器50的左侧(图5中导电板14的左侧面)，经过一绝缘体(正方形板件)装有一金属管54，该金属管54的左端边缘焊接于连接板55上。将连接板55插入圆筒51左侧部的端面安装槽内面对小孔并焊住以便将圆筒开口封住。盖子56上具有一中心孔57，它和受压室61连通，受压室是位于左端面的所述密封隔膜58所形成的空间。在位于密封隔膜58和59之间的全部空间内，诸如受压室61，62和内腔52等，均充有硅油，它为不可压缩流体。作用在密封隔膜58上的压力P₁由硅油传递至检测器50的隔板的左侧，作用在密封隔膜59上的压力P₂传递至隔板的右侧，见图5。

在这一已有技术的实例中，不足之处是静态压力偏差特性较差。一般地，若将静态压力作为一特征参数，当差压在0-100％的范围内变化时，检测器的输出特性曲线应大致为一过原点的直线。相对于零静态压力下的基准输出特性曲线，在某一静态压力下的输出特性曲线会向上或向下略微摆动或偏离，形成一倾斜角，这种摆动(或偏离)的程度称为“静态压力范围特性”(static pressure span characteristic)。这种可以认为是由静态压力造成的范围误差的静态压力范围特性是由下面的事实导致的，即由于静态压力的变化，检测器内的漂移电容，检测器和容纳该检测器的容器之间的漂移电容，以及硅油的相对介电常数都发生变化。设定静态压力范围特性为ε，它可由方程式(1)表示。

现在请参看图5，其中等效示出了区域A和B，即用C₀表示零静态压力时隔板10和左/右导电板12的间的电容，用C_S1表示导电板12和支承体21间的电容。图6中等效示出了区域C，即用C_S2表示右固定电极的导电板14和圆筒51的底部之间的共有电容，或表示左固定电极的导电板14和连接板右侧之间共有电容。等式(1)中使用了上述参数。另外，以零静态压力作为基准值，用β表示在静态压力P下硅油的相对介电常数的变化值。应当注意，P的单位是100bar，电容的单位是PF。

方程式(1)：

ε＝-[(C_S1+C_S2)β/C₀(1+βP/100)]P……(1)

设P＝100bar  β＝0.013    C₀＝50PF

C_S1＝2PF      C_S2＝1.7PF

则ε＝-[(2+1.7)]1.3×10^-2/50(1+1.3·1·10^-4)]·1

    ＝-0.096(％)

由等式(1)可知，采用下面的措施(1)-(3)可以改善即减小静态压力范围特性ε

(1)减小C_S1+C_S2

(2)充填较小β值的液体

(3)增加C₀。

但是，在措施(1)中，为减小C_S1，必须减小导电板12的直径，这同时降低了C₀值，因而措施(1)和(3)相矛盾，而且，从信噪比的角度看，这样也不利。从实用性和成本角度考虑，用其它充填液来替代硅油也是不实际的。通过增加导电板12的面积或减小隔板10和导电板12间的间隙，可使措施(3)得以实现，但由于检测器的尺寸限制，这实际上是做不到的。剩下的措施是减小C_S2。

本发明的目的是解决现有技术的实例中所遇到的上述问题，从而提供一种静态压力范围特性有所改善的电容式差压检测器。

按照本发明的一个优选实施例，一种电容式差压检测器中，形状和大小完全相同的固定电极彼此相对安装在隔板两侧，有差压存在时，隔板发生变形，从而根据隔板和每个电极之间的电容测出差压，其特征在于一组合体，其中每一固定电极包括：一具有引入压力的中心孔的绝缘板；位于隔板侧部的绝缘板的表面中央区域的并有引入压力的中心孔的导电板；位于隔板侧部的绝缘板表面边缘的环形支承体，它和导电板隔开并将导电板环绕起来；整体沉积在绝缘板表面上的导电膜，用于覆盖中心孔的整个内部区域；远离导电板的表面上的中心孔周围的环形区域以及沿离心方向自环形区域一直延伸到绝缘板外边缘的带状区域。导电膜在绝缘板整个内部区域部分的端部和导电板导通，在带状区域的端部和用于引出电容的端子导通。所述固定电极和隔板的周边绝缘结合，其两导电板通过环形支承体于隔板的中央区域两侧并互相邻近。

在本发明的第二实施例中的电容式差压检测器中，形状和大小完全相同的两固定电极相对安装在隔板的两侧，当存在差压时，隔板产生变形，从而根据隔板和每一电极之间的电容测出差压，其特征在于一组合体，其中在隔板的表面上，除去边缘部分外，在其中央形成一圆形平槽，每一所述固定电极包括：一具有引入压力的中心孔的绝缘板；一导电极，其位于隔板一侧的绝缘板平面的中央区域，且有引入压力的中心孔；一环形支承体，其位于隔板一侧的绝缘板平面的边缘部，和导电板隔开并将其围绕起来；一整体地沉积在绝缘板的表面上的导电膜，用以覆盖隔板一侧的中央区域；中心孔的整个内部区域，将远离导电板的表面上的中心孔周围的环形区域，以及沿离心方向自环形区域一直延伸到绝缘板外边缘的带状区域。导电膜在绝缘板的整个内部区域的端部和导电板导通，在带状区域的端部和用于引出电容的端子导通，所述固定电极和隔板的端面绝缘结合，隔板一侧的导电区域基本上和隔板的平槽底部正对邻近。

本发明最好有下面的结构特征：(1)在和隔板5相对的绝缘板表面的外边棱处和带状区域相对应的位置上倒有斜角；(2)所述隔板和导电板均由单晶硅制成，而所述绝缘板由热膨胀系数接近于单晶硅的材料制成，如堇青石或硼硅玻璃；(3)导电膜由阴极溅射镀膜工艺形成，所述绝缘板上的引入压力的中心孔为一梯形锥孔，该孔在绝缘板一侧平面处和导电板上的中心孔相通，并向着和导电板相对的平面伸展，绝缘板上的用于引入压力的中心孔也可以由两个同轴梯形锥孔组成，每个孔分别自绝缘板两端的平面向内逐渐收缩而连通。

在第一个实施例中，沉积在固定电极上的和隔板远离的表面上的导电膜面积(覆盖环形区域并自环形区域伸至外边缘的带状区域的区域)减小了，因而措施(1)中的C_S1+C_S2的值减小，改善了静态压力范围特性。在第二个实施例中，不存在C_S1，C_S2也同样小，因而C_S1+C_S2的值变得更小，改善了静态压力范围特性。

在本发明的结构特征(1)中，由于在与隔板相对的绝缘板平面的外棱处将导电膜的带状区域倒有斜角，确保了用于引出电容的蒸镀铝膜(和每一引脚A、B、C连接)和带状导电膜区域的导通。在结构特征(2)中，固定电极因环境温度的变化而产生的热变形受到抑制，故产生的热应力也受到抑制，这保证了差压的线性特性，改善了温度特性。在结构特征(3)中，由于导电膜便于由阴极溅射镀膜工艺形成，可确保导电膜有均匀的厚度，提高了导电膜的质量。

图1是本发明的第一实施例的剖视图；

图2是本发明的第一实施例的侧视图；

图3是本发明的第二实施例的剖视图；

图4a为当从和隔板相对的一侧看去时，第二实施例中的固定电极的侧视图；图4b为从隔板看去时该固定电极的侧视图；

图5为现有技术的一个实例的剖视图；

图6为内装有现有的检测器的一差压检测器装置的剖视图。

下面请参照附图，对本发明的第一、二实施例进行解释。图1和2示出的是第一实施例，图3和4示出的是第二实施例。

在如图1所示的第一实施例中，形状和大小完全相同的固定电极彼此相对安装在隔板10两侧并和隔板有间隙29，当存在差压时，隔板10发生变形。每个固定电极包括：带引入压力的中心孔的绝缘板1，导电板12，环形支承板21和导电金膜。绝缘板1的中心孔1a为梯形锥孔，其自外表面向内逐渐收缩并和导电板的中心孔是连通的。处于隔板10的侧部的，环形支承件21位于绝缘板1的表面的边缘部，从而将与之隔开的导电板12环绕起来。导电膜2由2a部分(整个内部区域部分)，2b部分(环形区域部分)和2c(带状区域部分)构成一个整体，其中2a部分覆盖中心孔1a的整个内部表面，2b部分覆盖形状为正方形且具有中央圆形空腔部分的环形区域，从而将和导电板12远离的绝缘板表面上的中心孔1a围绕起来，2c部分将自环形区域沿离心方向一直延伸到外边缘处的带状区域覆盖住(见图2)。顺便说一下，规则的正方形形状的环形区域部分2b和用于装入容器内的绝缘体53(见图6)相吻合。用阴极溅射镀膜工艺形成的导电金膜2在整个内部区域部分2a的端部和导电板12是电导通的，在带状区域2c的端部和用作引出电容的铝膜31、32也是电导通的。

由图1和2可以看出，在和隔板10相对的绝缘板1的表面的外边棱处和带状区域2c相对应的位置上倒有斜角1b。隔板10和导电板12均由单晶硅制成，而绝缘板1则由热膨胀系数近似于单晶硅的材料制成，比如堇青石。更准确地说，是其中含有一定比例的堇青石和莫来石的陶瓷。单晶硅的线性热膨胀系数是3.1×10^-6/℃，堇青石则为1.1×10^-6/℃。

可以使与隔板10相对的固定电极表面上沉积的导电膜2的环形区域部分2b和带状区域部分2c的总面积小于图5所示的现有技术实例中所述的导电板14的面积，这样对应于图6中的C_S2的电容值降低，也就减小了措施(1)中的C_S1+C_S2的值，从而改善了静态压力范围特性。

若其它条件不变，只是环形区域部分2b和带状区域部分2c的总面积是图5所示的现有技术实例中所述的导电板14的面积的一半，则因

C_S2＝1.7/2＝0.85(PF)

ε＝-[(2+0.85)1.3×10^-2/50(1+1.3·1·10^-4)]·1

  ＝-0.074(％)

按照第一实施例，可将现有技术中的静态压力范围特性提高约23％。

由于绝缘板1的中心孔1a为梯形锥孔，可在很容易地在其中溅镀导电膜2，从而可确保厚度均匀。另外，由于在绝缘板1中倒有倒角1b，用蒸气沉积工艺形成的铝膜1局部覆盖带状区域部分2c的上端，从而确保了上端部之间的电导通。而且，由于制成绝缘板1的材料。即堇青石，其热膨胀系数和单晶硅接近，当环境温度变化时，固定电极的热变形受到抑制因而抑制了热应力的产生，并改善了温度特性。

图3是第二实施例的剖面图，图4a和4b示出了第二实施例中的固定电极。具体地说，图4a为当从和隔板相对的一侧看去时，固定电极的侧视图，图4b为从隔板看去时固定电极的侧视图。图3所示的第二实施例中，形状和大小完全相同的固定电极彼此相对安装在隔板5两侧并和隔板有间隙29，当存在差压时，隔板10产生变形。在隔板5的表面上，除去边缘部分外，在其中央形成一圆形平槽。每个固定电极包括一具有引入压力的中心孔3a的绝缘板3和导电金膜4。导电金膜4由中央圆形区域部分4d(和第一实施例中的导电板12对应)，中心孔3a的整个内表面部分4a，环形区域部分4b以及带状区域部分4c构成一个整体，其中4d部分处于隔板5一侧的绝缘板3的表面上，4b部分将位于与隔板5远离的绝缘板3的表面上的中心孔3a环绕起来，4c部分从环形区域部分4b沿离心方向一直延伸至外边缘(见图4)。和第一实施例一样，呈规则正方形的环形区域4b和用于装入容器内的绝缘体53(见图6)相吻合。用溅镀工艺形成的导电金膜4。在带状区域部分4c的端部和用作引出电容的铝膜31、32是电导通的。由图3和图4a可以看出，在和隔板5远离的绝缘板表面的外边棱处和带状区域部分2c相对应的位置上倒有斜角3b。隔板10由单晶硅制成，绝缘板3由热膨胀系数与单晶硅接近的硼硅玻璃制成。应当注意，隔板5和绝缘板3之间为阳极偶合。

那么，措施(1)中的C_S1不复存在，沉积在和隔板5相对的固定电极表面上的导电膜4的环形区域部分4b和带状区域部分4c的总面积可以做的和第一实施例一样小，从而可进一步减小措施(1)中的C_S1+C_S2的值，进一步改善了静态压力范围特性。

若C_S1不存在，其它条件不变，只是环形区域4b和带状区域4c的总面积是图5所示的现有技术实例中的导电板14的面积的一半，则因C_S1＝0，

C_S2＝1.7/2＝0.85(PF)

ε＝-[(2+0.85)1.3×10^-2/50(1+1.3·1·10^-4)]·1

  ＝-0.022(％)

按照第二实施例，静态压力范围特性较原来提高了约77％。

和第一实施例类似，由于绝缘板1的中心孔4a为两侧开口的梯形锥孔，用溅镀方法在其上形成导电膜2是方便的；通过在绝缘板3上形成倒角1b，便于保证铝膜31，32的导电性；还有一个好处是，硼硅玻璃制成的绝缘板1的热膨胀系数和由单晶硅材料制成的隔板5接近。

本发明具有如下有益效果：

(1)根据第一实施例，可以减小沉积在固定电极上和隔板远离的表面上导电膜的面积(覆盖环形区域并自环形区域伸至外边缘的带状区域的部分)，因而，和现有技术相比，采用第一实施例，措施(1)中的C_S1+C_S2的值得以减小，使得静态压力范围特性提高23％。根据第二实施例，C_S1不存在，C_S2同上，进一步减小了措施(1)中的C_S1+C_S2的值，和现有技术相比，采用第二实施例，静态压力范围特性提高77％。(2)另外，由于和隔板对置并和导电膜的带状区域部分相应的绝缘板平面上的外边棱部分上倒有斜角，因而可以确保由蒸汽沉积工艺制成的用于引出电容的铝膜(分别和引脚A、B、C连接)和带状导电膜区域部之间的导电性，从而有助于精确地引出电容和测量差压。

(3)由于制成绝缘板1的材料的热膨胀系数和隔板或导电板接近，固定电极因环境温度变化而出现的热变形受到抑制，因而抑制了热应力的产生，改善了温度特性。

(4)由于绝缘板1的中心孔1a为向内收缩的梯形锥孔，便于采用阴极溅射镀膜工艺形成导电膜，从而可保证厚度均匀，提高导电膜的质量。

Claims (8)

1.一种根据隔板和各固定电极间的电容测量差压的电容式差压检测器，每个固定电极的形状和尺寸完全相同，固定电极通过间隔物以绝缘方式固定在所述隔板的两侧，有差压存在时，隔板产生变形，其特征在于：每一所述固定电极包括：

一绝缘板，其具有一第一压力引入中心孔且固定在相应的其中一个所述间隔物上，从而使所述绝缘板和所述隔板相对于所述间隔物相对置放；

一导电板，其固定在所述绝缘板上，所述导电板和所述隔板面对，并由所述相应的间隔物与其隔开一间隙包绕，所述导电板上具有一第二压力引入中心孔；

导电膜，它整体沉积在所述绝缘板上，所述导电膜包括：覆盖所述第一压力引入中心孔的整个内部周向表面且在所述第一压力引入孔的一个端部和所述导电板电连接的一个第一部分；将所述第一压力引入孔的另一端包绕起来的且形成于所述绝缘板的远离导电板的表面上的一个第二部分；自所述第二部分一直延伸至所述绝缘板的外边缘处的一个第三部分，在此外边缘处，所述第三部分和用于引出电容的端子电连接。

2.一种根据隔板和各固定电极间的电容测量差压的电容式差压检测器，每个固定电极的形状和尺寸完全相同，固定电极安装在的所述隔板的两侧，有差压存在时，隔板产生变形，其特征在于：

所述隔板的每一侧都形成一个槽部，该槽部由所述隔板的边缘部分围住；

每一所述固定电极包括：一绝缘板，它具有第一压引入中心孔且固定在所述隔板的所述外边缘部的端面上；一导电膜，它整体沉积在所述绝缘板上，所述导电膜包括：

覆盖所述第一压力引入中心孔的整个内部周向表面的一个第一部分；将所述第一压力引入孔的一端包绕起来的且形成于所述绝缘板的远离导电板的表面上的一个第二部分；自所述第二部分一直延伸至所述绝缘板外边缘处的一个第三部分，在此外边缘处，所述第三部分和用于引出电容的端子电连接；面对隔板上的所述槽部的一个第四部分。

3.如权利要求1或2所述的电容式差压检测器，其特征在于，所述绝缘板的外边缘上和所述第三部分所对应的部分上倒有倒角。

4.如权利要求1所述的电容式差压检测器，其特征在于，所述隔板和所述导电板均由单晶硅制成，所述绝缘板由热膨胀系数和单晶硅接近的材料制成。

5.如权利要求2所述的电容式差压检测器，其特征在于，所述隔板由单晶硅制成，所述绝缘板由热膨胀系数和单晶硅接近的材料制成。

6.如权利要求1所述的电容式差压检测器，其特征在于，所述导电膜由阴极溅射镀膜工艺形成，所述第一压力引入中心孔和所述第二压力引入中心孔邻接并且为截顶锥状，其朝向所述第二压力引入中心孔方向直径逐渐减小。

7.如权利要求2所述的电容式差压检测器，其特征在于，所述导电膜由阴极溅射镀膜工艺形成，所述第一压力中心孔由两个互相连通的同轴截顶锥状孔组成，这两个孔的直径彼此沿朝向对方的方向减小。

8.如权利要求1所述的电容式差压检测器，其特征在于，每一个所述间隔物为环形。

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