电极单端悬浮的电容压力传感器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
电极单端悬浮的电容压力传感器
本专利技术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。
技术介绍
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InconelX-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InconelX-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InconelX-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InconelX-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InconelX-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CN105910751A的“平行板干式电容压力传感器”、公开号为CN106225962A的“动电极板镀金的电容压力传感器”、公开号为CN106644187A的“蓝宝石绝缘体定电极的电容压力传感器”、公开号为CN106353014A的“带有过渡焊接环的电容压力传感器”、公开号为CN106289592A的“并联电容式电容压力传感器”、公开号为CN106289593A的“立式动电极的电容压力传感器”公开号为CN106225962A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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙英春，段磊，董先柱，孙晓茜，
申请(专利权)人：沈阳市传感技术研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21