CN107843379B - 装配式定电极的电容压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种装配式定电极的电容压力传感器，解决了现有电容压力传感器的配件多，陶瓷绝缘体内气体容易附着，影响真空度，非线性大，动电极形变与定电极面形不匹配等问题。其蓝宝石单晶制作的定电极绝缘体利用弹性定位器固定支撑在带盖夹持压环空腔内居中位置，采用恒弹性金属制作的双面镀贵金属层的薄膜动电极，有依托的压接在定电极绝缘体底部的环形平面与带引压口的支座的环形平面之间，通过三波镀金压簧施压，使双面镀贵金属层的薄膜动电极与定电极绝缘体之间紧密接触。其结构简单，设计合理，制作容易，生产效率高，使用可靠，长时间不用调零点，减少了吸气量、放气量，使漏率大大降低，真空度可以长久得到保持，显著提高测量的稳定性和测量精度。

Description

装配式定电极的电容压力传感器

技术领域

本发明涉及一种用于测量气体介质的电容压力传感器，特别是一种定电极与有依托的动电极压接封装在一起的装配式定电极的电容压力传感器。它适于测量气体介质的微小压力，微小绝对压力（真空规）。

背景技术

目前，基于平行板电容原理的电容压力传感器，对于测量气体介质的微小压力，微小绝对压力（真空规），特别是测有一定腐蚀性的介质，呈绝对优势。美国MKS公司是这类产品的主要垄断商，并对华限制出售。MKS公司的产品采用一种装配式定电极结构，如图4～5所示，包括薄膜动电极14、定电极95陶瓷绝缘体15、带引压口的支座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33等件。其定电极95陶瓷绝缘体15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30、参考电极31，利用导电螺栓18、平垫19、螺母20，将绝缘体正面参考电极31与测量电极30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合金制作的动电极外壳17与带引压口的支座16两个配件夹持焊接固支。定电极95陶瓷绝缘体15，靠碟形弹簧24、压簧下垫片27、三足垫片28，压封在动电极外壳17上。定电极95陶瓷绝缘体15与外壳间留有一定间隙，相对于间隙，定电极95陶瓷绝缘体15不一定是中心对称的。与薄膜动电极14间留有200μm左右的间隙，留给薄膜动电极14受压形变用。定电极95陶瓷绝缘体15与薄膜动电极14之间垫有4mm左右的Inconel X-750叠加区。固定施压碟形弹簧24的上盖26是焊接在动电极外壳17上的。上盖26上焊有抽真空用的内铜外不锈钢的金属复合管25，当参考室抽到高真空后，用机械压封此管，实现密封；上盖26上焊有吸气剂室23，室内充以高温激活吸气剂；上盖26上焊有两个玻璃封电极21，玻璃封电极21上分别固定有锥形弹簧22，靠压力接触定电极95陶瓷绝缘体15上的参考电极31与测量电极30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31与测量电极30，即做有带参考电容的电容压力传感器。尽管可用参考电容31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30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，因该传感器的有效电极直径为27mm，绝对压力15Pa的动电极厚度只有20μm，故我们能查到的最小量程是绝对0～15Pa左右，对于大多数真空测量还显得不够小。

发明内容

本发明的目的是提供一种装配式定电极的电容压力传感器，解决了现有电容压力传感器的配件多，陶瓷绝缘体内气体容易附着，影响真空度，非线性大，动电极形变与定电极面形不匹配等问题，其结构简单，设计合理，制作容易，生产效率高，使用可靠，长时间不用调零点，减少了吸气量、放气量，使漏率大大降低，真空度可以长久得到保持，显著提高测量的稳定性和测量精度。

本发明所采用的技术方案是：该装配式定电极的电容压力传感器包括外壳和带引压口的支座，组装在外壳内的定电极绝缘体和密封电极以及动电极，其技术要点是：所述外壳采用带盖夹持压环，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；蓝宝石单晶制作的定电极绝缘体上部的金属化导孔周边设置有环形欧姆接触导电层，定电极绝缘体底部的抛物凹面外周设置有依托动电极的环形平面，定电极绝缘体的抛物凹面的表面镀有导电膜层，导电膜层通过定电极绝缘体的金属化导孔与上部的欧姆接触导电层相连通，导电膜层表面覆盖有绝缘膜层；带引压口的支座上表面设置与定电极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，将双面镀贵金属层的薄膜动电极压接封装在带盖夹持压环和带引压口的支座之间，定电极绝缘体通过插接在柱体竖向凹槽内的弹性定位器固定支撑在带盖夹持压环空腔内，使定电极绝缘体始终保持居中位置，以蓝宝石绝缘子钎焊在带盖夹持压环上方的密封电极，利用镀金锥形弹簧与定电极绝缘体上部的欧姆接触导电层相连通；定电极绝缘体上部与带盖夹持压环的上盖底部之间设置有三波镀金压簧，通过三波镀金压簧施压，把定电极绝缘体束缚在带盖夹持压环空腔内，并使双面镀贵金属层的薄膜动电极有依托的压接在定电极绝缘体底部的环形平面与带引压口的支座的环形平面之间。

所述双面镀贵金属层的薄膜动电极为双面镀金、镀钌或镀铱的薄膜动电极。

所述弹性定位器为选用可塑形变材料制成的端部带有斜截面的短管。

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，并利用弹性定位器固定支撑在带盖夹持压环空腔内始终保持居中位置的蓝宝石单晶制作的定电极绝缘体，有依托的压接在定电极绝缘体底部的环形平面与带引压口的支座的环形平面之间，通过三波镀金压簧施压，使双面镀贵金属层的薄膜动电极与定电极绝缘体之间紧密接触，所以该电容压力传感器受温度变化引起的温度漂移，横向方面只有定电极绝缘体自身受温度变化引起的面积微小变化，在纵向因定电极绝缘体与双面镀贵金属层的薄膜动电极的相对距离未变，温度漂移也就是零，因此，其结构简单，设计合理，制作容易，生产效率高，使用可靠，长时间不用调零点，减少了吸气量、放气量，使漏率大大降低，真空度可以长久得到保持，显著提高测量的稳定性和测量精度。

另外，定电极绝缘体与有依托的动电极压接封装后，蓝宝石单晶制作的定电极绝缘体在双面镀贵金属层的薄膜动电极已经被焊接固支的基础上，相当于弹簧施加压力，蓝宝石与动电极之间紧密接触，由于蓝宝石的固有特性，即干摩擦系数可小到0.02以下的特性。加上动电极上面的金属镀层起到的润滑作用，实现了既用蓝宝石对动电极的固支，又可以自由位移。这样，动电极受压力呈抛物面形变的抛物面，始终就和定电极绝缘体上的抛物面同轴对称。因此，既使采用定电极绝缘体是装配式的，也没有引起曲面面形的不对称变化，没有产生额外误差。这一点，与目前世界上垄断真空规的美国MKS的装配式定电极的产品，就有了根本性的区别。本发明与MKS定电极直径相同情况下，我们的电容变化量远大于MKS，可以在目前世界范围内，保持领先地位。

因该电容压力传感器配件少，除了蓝宝石定电极绝缘体外，其它配件采用镀金处理，减少了吸气量、放气量，减少了焊口数量和减小了焊缝长度，使漏率大大降低。做成这样的绝对压力传感器，省去了参考室的吸气剂，真空度可以长久得到保持。

综上所述，本发明解决了现有电容压力传感器的配件多，陶瓷绝缘体内气体容易附着，影响真空度，非线性大，动电极形变与定电极面形不匹配等问题。

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沿A－A线的剖视图；

图4是现有技术的一种电容真空规的结构示意图；

图5是图4中定电极95陶瓷绝缘体的一种结构示意图。

图中序号说明：1双面镀贵金属层的薄膜动电极、2定电极绝缘体、3带引压口的支座、4带盖夹持压环、5三波镀金压簧、6镀金锥形压簧、7密封电极、8金属化导孔、9表压导孔与绝对压力时的抽气孔、10弹性定位器、11导电膜层、12绝缘膜层、13欧姆接触导电膜层、14薄膜动电极、15定电极95陶瓷绝缘体、16带引压口的支座、17外壳、18导电螺栓、19平垫、20螺母、21玻璃封电极、22锥形弹簧、23吸气剂室、24碟形压簧、25金属复合管、26上盖、27压簧下垫片、28三足垫片、29聚酯膜层、30测量电极、31参考电极、32测量电极导电螺栓孔、33参考电极导电螺栓孔。

具体实施方式

根据图1～5详细说明本发明的具体结构。该装配式定电极的电容压力传感器包括外壳和带引压口的支座3，组装在外壳内的定电极绝缘体2和密封电极7以及动电极等件。其中外壳采用带盖夹持压环4，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。双面镀贵金属层的薄膜动电极1可以根据实际需要，采用双面镀金、镀钌或镀铱的薄膜动电极。蓝宝石单晶制作的定电极绝缘体2上部的金属化导孔8周边设置有环形欧姆接触导电层13。定电极绝缘体2底部的抛物凹面外周设置有依托动电极的环形平面，定电极绝缘体2的抛物凹面的表面镀有导电膜层11。导电膜层11通过定电极绝缘体2的金属化导孔8与上部的欧姆接触导电层13相连通，导电膜层11表面覆盖有绝缘膜层12。带引压口的支座3上表面设置与定电极绝缘体2底部相对称结构的抛物凹面和依托动电极的环形平面，将双面镀贵金属层的薄膜动电极1压接封装在带盖夹持压环4和带引压口的支座3之间。定电极绝缘体2通过插接在柱体竖向凹槽内的弹性定位器10固定支撑在带盖夹持压环4空腔内，使定电极绝缘体2始终保持居中位置。以蓝宝石绝缘子钎焊在带盖夹持压环4上方的密封电极7，利用镀金锥形弹簧6与定电极绝缘体2上部的欧姆接触导电层13相连通。定电极绝缘体2上部与带盖夹持压环4的上盖底部之间设置有三波镀金压簧5，通过三波镀金压簧5施压，把定电极绝缘体2束缚在带盖夹持压环4空腔内，并使双面镀贵金属层的薄膜动电极1有依托的压接在定电极绝缘体2底部的环形平面与带引压口的支座3的环形平面之间。弹性定位器10可以选用聚全氟乙丙烯等耐高温、高真空下不放气的可塑形变材料制成的端部带有斜截面的短管。

本实施例中，采用镀金、镀钌或镀铱的双面镀贵金属层的薄膜动电极1用InconelX-750合金等恒弹性金属制作。用各向同性碾轧技术做成20μm～50μm左右厚度（视量程而定）。在计量胀紧绷平情况下，用Inconel X-750等恒弹性金属（与动电极材料相同）制作的带盖夹持压环4与带引压口的支座3，靠液压夹住计量胀紧的双面镀贵金属层薄膜动电极1，切去薄膜多余部分，焊接固支。定电极绝缘体2表面经过严格抛光，特别是与双面镀贵金属层的薄膜动电极1接触部分，达到5Å以下的粗糙度。带盖夹持压环4为可与Inconel X-750合金焊接的低膨胀合金外壳与Ni50镀金密封电极7的封接结构体，可以长期耐200℃高温不漏气。定电极绝缘体2上的金属化导孔8，不光用于导电，同时也是导压、抽真空时的导气孔。带盖夹持压环4上的表压导孔与绝对压力时的抽气孔9，当参考腔内达到所要求的真空度时，在高真空下用电子束或激光束焊封口。弹性定位器10的端部带有斜截面的短管端（呈注射器针头状），便于过盈插接在定电极绝缘体2柱体竖向凹槽内，实现高低温下的整个适应温区内定位支撑，让定电极绝缘体2始终保持居中位置。

本发明的装配式定电极的电容压力传感器，既可以是表压式，亦可以抽去参考压腔室内气体，做成绝对压力传感器（真空规）。

Claims (2)

1.一种装配式定电极的电容压力传感器，包括外壳和带引压口的支座，组装在外壳内的定电极绝缘体和密封电极以及动电极，其特征在于：所述外壳采用带盖夹持压环，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；蓝宝石单晶制作的定电极绝缘体上部的金属化导孔周边设置有环形欧姆接触导电层，定电极绝缘体底部的抛物凹面外周设置有依托动电极的环形平面，定电极绝缘体的抛物凹面的表面镀有导电膜层，导电膜层通过定电极绝缘体的金属化导孔与上部的欧姆接触导电层相连通，导电膜层表面覆盖有绝缘膜层；带引压口的支座上表面设置与定电极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，将双面镀贵金属层的薄膜动电极压接封装在带盖夹持压环和带引压口的支座之间，定电极绝缘体通过插接在柱体竖向凹槽内的弹性定位器固定支撑在带盖夹持压环空腔内，使定电极绝缘体始终保持居中位置，以蓝宝石绝缘子钎焊在带盖夹持压环上方的密封电极，利用镀金锥形弹簧与定电极绝缘体上部的欧姆接触导电层相连通；定电极绝缘体上部与带盖夹持压环的上盖底部之间设置有三波镀金压簧，通过三波镀金压簧施压，把定电极绝缘体束缚在带盖夹持压环空腔内，并使双面镀贵金属层的薄膜动电极有依托的压接在定电极绝缘体底部的环形平面与带引压口的支座的环形平面之间。

2.根据权利要求1所述的装配式定电极的电容压力传感器，其特征在于：所述弹性定位器为选用可塑形变材料制成的端部带有斜截面的短管。