專利名稱：電容式真空壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器。
背景技術(shù)：
眾所周知，利用彈性薄膜結(jié)構(gòu)做成一個(gè)可變電容結(jié)構(gòu)，當(dāng)彈性薄膜片在收到壓力作用的情況下，產(chǎn)生撓曲性的變化，利用其撓曲度的變化，用一個(gè)已知和適用的方法結(jié)算與壓力變化相適應(yīng)的電容變化，根據(jù)這一原理，人們運(yùn)用了各種材料制造出了不同結(jié)構(gòu)的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感元件。例如選用硅材料和玻璃襯底，以硅膜片作為壓力感受膜片的壓力傳感元件，在真空運(yùn)用時(shí)，不可能在測(cè)量較低壓力時(shí)，實(shí)現(xiàn)很高的分辨率， 而且受環(huán)境因素影響也大。為此，人們選用了各種合金或陶瓷材料制造出了各種不同結(jié)構(gòu)的用于真空壓力測(cè)量的傳感元件，如美國(guó)MKS公司發(fā)明生產(chǎn)的，利用合金材料制成一個(gè)密封的外殼，內(nèi)置一塊陶瓷材料的電極板，用一張合金材質(zhì)的膜片作為壓力感受膜片，且構(gòu)成了一個(gè)可變電容結(jié)構(gòu)，極板和壓力感受膜片間的距離依靠一個(gè)壓環(huán)彈簧固定，容易產(chǎn)生松動(dòng)，從而影響了該傳感器元件長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性，而德國(guó)萊寶公司發(fā)明生產(chǎn)的完全使用陶瓷材料構(gòu)造的、此類用于真空壓力測(cè)量的傳感元件，雖然避免了以上不足，制造出了一種相對(duì)固定的可變電容結(jié)構(gòu)。眾所周知，陶瓷材料的化學(xué)和物理特性雖然穩(wěn)定，但牢固性不足， 尤其是此類傳感器采用了很薄的陶瓷膜片，在受到一定地外力沖擊情況下容易產(chǎn)生碎裂， 從而影響到了該傳感元件的使用壽命，而且以上此類結(jié)構(gòu)的傳感元件的制造工藝復(fù)雜，工藝要求很高，制造成本太大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)上的缺點(diǎn)，提供出一種工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電容密封體密封特性好，結(jié)構(gòu)與工作特性穩(wěn)定，承受過壓能力強(qiáng)，線性度和靈敏度高的電容式壓力傳感器，它可測(cè)量10_3pa-136KP范圍的壓力，測(cè)量精度優(yōu)于千分之五，其測(cè)量范圍可通過按權(quán)利要求1所述的各個(gè)測(cè)量元件之間的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且此傳感器對(duì)侵蝕介質(zhì)具有耐蝕性， 結(jié)構(gòu)緊湊牢固和造價(jià)低廉。為此，本發(fā)明采用了一種玻璃和合金材料，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后合成的合成件為電容電極體，在該電容電極體下方，以保持一定位移距離的，在邊緣區(qū)密封布置的，用耐蝕性彈性合金制成的壓力感受膜片，所以在該膜片和電容電極體間就構(gòu)成了一個(gè)基準(zhǔn)真空室，在該膜片的另一表面也以一定距離布置了一個(gè)同樣在其邊緣區(qū)密封布置的，由耐蝕性合金制成的殼體，因此在該處構(gòu)成了一個(gè)真空壓力測(cè)量室，在該真空壓力測(cè)量室配有一個(gè)被測(cè)介質(zhì)的輸入連接管，構(gòu)成基準(zhǔn)真空室的電容電極體所對(duì)置膜片的玻璃表面涂有金屬元素(金或銀等)導(dǎo)電層，形成電容電極，該電極通過設(shè)置在電容電極體上的兩根合金導(dǎo)線被密封性地引出，在邊緣區(qū)膜片對(duì)電容電極體和合金外殼的密封最好采用焊接，例如用氬氣焊接和激光焊接，但用同樣的耐蝕的玻璃焊料也是較為合適的。
本發(fā)明的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器的特征結(jié)構(gòu)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱，這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)基本上避免了傳感元件間由于連接而生產(chǎn)的內(nèi)應(yīng)力。這對(duì)達(dá)到很高的測(cè)量靈敏度，以及實(shí)現(xiàn)高精度和長(zhǎng)時(shí)間可重復(fù)性的、測(cè)量低的壓力是非常重要的。由于這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)采用了由耐蝕性合金制成很薄的彈性合金膜片用來(lái)測(cè)量低于IOOpa的低真空壓力時(shí)，顯得更加重要。為此膜片被制成(10-200微米)不同的厚度是十分必要的，為了達(dá)到很好的分辨率，典型的膜片厚度配置范圍例如為在1000乇時(shí)膜片的厚度為100-200微米在100乇時(shí)膜片的厚度為50-100微米在10乇時(shí)膜片的厚度為30-50微米在1乇時(shí)膜片的厚度為30-40微米在0. 1乇時(shí)膜片的厚度為20-25微米在0.01乇時(shí)膜片的厚度為10-25微米這樣薄的膜片的制作，由于采用了耐蝕性的彈性合金材料，其表面的平整度(即最低點(diǎn)于最高點(diǎn)之差)和氣密度，在遵循有關(guān)嚴(yán)格的工藝要求下，是完全能夠保障的。為了不影響位于邊緣區(qū)膜片密封的質(zhì)量，導(dǎo)電層的引出，在本傳感器的結(jié)構(gòu)布置上實(shí)現(xiàn)了直接從電容電極體上完全自然性的密封式地引出，從根本上保證了該傳感器的電容電極密封腔的密封特性。為了長(zhǎng)期保證該傳感器測(cè)量元件的精確功能，基準(zhǔn)真空室內(nèi)必須具有高質(zhì)量的長(zhǎng)期穩(wěn)定的真空度，為此，在采用泵抽氣后，必須設(shè)置“消氣劑”，該“消氣劑”以很小的體積設(shè)置在“消氣劑罩室”內(nèi)，其作用是確保基準(zhǔn)真空室內(nèi)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于被測(cè)壓力，為了避免傳感器內(nèi)部的污染，“消氣劑”應(yīng)選用非蒸發(fā)型的。依照本發(fā)明制造的傳感器體積小，而且造價(jià)低廉，這種傳感器的直徑為10-100毫米，厚度為10-80毫米。


圖1圖2本發(fā)明電容式真空壓力傳感器的二種結(jié)構(gòu)特征的示意橫斷面。圖3-圖9本發(fā)明電容式真空壓力傳感器的測(cè)量元件的一種結(jié)構(gòu)特征和布置的橫斷面詳圖。圖10-圖14本發(fā)明電容式真空壓力傳感器另一種結(jié)構(gòu)特征和部分測(cè)量元件布置的橫斷面詳圖。圖2以橫斷面表示用玻璃合金的合成件制成的本發(fā)明電容式真空壓力傳感器的大致完全相對(duì)于膜片對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，膜片上下兩測(cè)分別構(gòu)成了該傳感器的一個(gè)基準(zhǔn)真空室(18)和一個(gè)真空壓力測(cè)量室(19)，被測(cè)介質(zhì)通過布置在外殼C3)下側(cè)的一個(gè)孔，經(jīng)連接管(6)到達(dá)該室。圖3、圖4以模斷面表示該傳感器的另一外殼(5)，殼上布置了有用于安裝“消氣劑”(7)的罩室(8)，和用作將該專感器的基準(zhǔn)真空室內(nèi)空氣排出的合金銅套(12)，壓簧 (11)，將“消氣劑”壓緊并固定在“罩室” (8)內(nèi)。圖4-圖7以橫斷面表示以合金為基座⑷，內(nèi)置瓷管通氣孔(9)和兩根合金導(dǎo)電線(15)，玻璃(1 通過高溫?zé)Y(jié)，使其密封性地合成為一體，且構(gòu)成了該傳感器的電容電極體(1)，通過對(duì)其玻璃表面的研磨，形成了一個(gè)曲面(17)，對(duì)這個(gè)曲面涂、鍍或者濺射金屬元素后，形成了該電容電極體的一個(gè)固定極板(20)，合金導(dǎo)線(15)，將電容電極信號(hào)密封式地引出。圖8以橫斷面表示，用耐蝕性合金制成的外殼(3)所對(duì)置的膜片(2)的表面，必須構(gòu)成一個(gè)足夠大的凹曲面，以便形成一個(gè)足夠大的真空壓力測(cè)量室，連接管(6)通過焊接或粘接密封布置在外殼( 上。圖9以橫斷面表示用玻璃和合金的合成件制成的本發(fā)明電容式真空壓力傳感器部分傳感元件大致相對(duì)于膜片O)，對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)示意圖。圖10-圖14以橫斷面表示用玻璃和合金的合成件制成的本發(fā)明電容式真空壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu)特征和部分測(cè)量元件的示意圖。圖10表示該特征結(jié)構(gòu)所需的電極信號(hào)引出端子-絕緣子04)是以合金為基座， 其中心處內(nèi)置瓷管(22)，合金導(dǎo)電線(23)，內(nèi)插瓷管，通過玻璃(1 使三者密封性地?zé)Y(jié)成一體的橫斷面示意圖。圖12以橫斷面表示該結(jié)構(gòu)特征下所需制造的另一電容電極體(1)上各傳感元件之間的布置示意圖，即一根合金導(dǎo)電線(15)從電容電極的中心處，也是通過玻璃(13)進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)后，從電容電極體(1)的中心處引出，以便與“絕緣子”(24)連接，將該傳感器的另一電容電極信號(hào)密封式地弓I出。圖11以橫斷面表示該結(jié)構(gòu)特征下所需制造的另一外殼(25)，殼上布置有用于安裝“消氣劑”(7)的“罩室”(8)和將電極信號(hào)引出的“絕緣子” 04)和合金銅套(12)。圖13以橫斷面表示用玻璃和合金的合成件制成的本發(fā)明電容式壓力傳感器的大致完全相對(duì)于膜片對(duì)稱布置的另一種結(jié)構(gòu)特征和各測(cè)量元件的布置示意圖。
具體實(shí)施例方式為了制造具有上述特性，功能完好的傳感器，遵循有關(guān)的制造方法十分重要，為了實(shí)現(xiàn)這一目的，采用了一種以耐蝕性合金為基座G)，內(nèi)置兩根合金導(dǎo)電線(1 和瓷管通氣孔(9)，選擇好一定配方和重量的玻璃，放置于該基座中，進(jìn)入高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行焙燒，一般在900-1100°C持續(xù)數(shù)小時(shí)后，玻璃得到了充分地熔化，降溫至600°C左右后，保溫?cái)?shù)小時(shí)后，隨爐冷卻至室溫后，其玻璃和內(nèi)置的合金導(dǎo)電線(15)，瓷管(9)以及合金基座 (4)合成為一體，構(gòu)成了該傳感器的玻璃合金的合成件，通過對(duì)合成件上的玻璃表面的研磨，形成了具有一定深度的曲面(17)，經(jīng)過涂、鍍或者濺射金素元素后，在其表面就形成了電容電極體的一個(gè)固定極板(20)，在該極板下方布置了厚度(10-200微米)不等的彈性合金膜片0)，其與固定極板的位移距離，依靠的是電容電極體(1)上的曲面深度來(lái)控制，合金導(dǎo)電線(15)將該膜片(2)與固定極板00)之間產(chǎn)生的電容電極信號(hào)，密封性地引出。本發(fā)明所涉及制造的電容式真空壓力傳感器采用的是一種由耐蝕性合金制成的彈性膜片，由于是經(jīng)過了多次熱軋和壓延，其平整度和氣密性都得到了較好地保障，膜片在被剪成所需大小規(guī)格后，壓緊整平后放入真空爐中進(jìn)行淬火，溫度一般控制在600°C左右， 保溫?cái)?shù)小時(shí)后該膜片即具備了優(yōu)良的彈性。在膜片與電容電極體配置和密封布置前，必須制造一個(gè)特殊的壓和繃緊裝置，以控制好該膜片以后布置于該感器內(nèi)的位移變化量后，方可和電容電極體(1)進(jìn)行連接和配置。
為了長(zhǎng)期保證該傳感器測(cè)量的精確功能，基準(zhǔn)真空室內(nèi)必須始終長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的真空度，為此，在傳感器的傳感元件一合金銅套(1 在和抽氣泵連接抽氣后，在達(dá)到所需真空度的情況下，設(shè)置在罩室(8)內(nèi)的“消氣劑”(7)通過加熱被激活，合金銅套被真空式地密封，從而長(zhǎng)期保證了基準(zhǔn)真空室中穩(wěn)定的真空度。同樣設(shè)置在測(cè)量測(cè)的第二殼體C3)，由一塊平的耐蝕性合金制成，在布置膜片(2) 的一面，具有一個(gè)大面積的凹曲面，以形成一個(gè)足夠大的壓力測(cè)量室，連接管(6)，通過焊接成粘接與該外殼相連，使連接口與將來(lái)的真空壓力測(cè)量系統(tǒng)連接。為了保證該傳感器各傳感元件之間連接長(zhǎng)期的氣密性，必須對(duì)各個(gè)傳感元件之間的連接進(jìn)行氦氣氣密性檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器其特征在于設(shè)有帶有一個(gè)用玻璃和耐蝕性合金的合成件制成的電容電極體(1)，以固定的并保持一定位移距離的，在其邊緣處密封布置的，由耐蝕性合金制成的壓力感受膜片O)，這樣在其間構(gòu)成了一個(gè)基準(zhǔn)真空室(18)， 其中電容電極體(1)和膜片( 固定地并保持一定位移距離地玻璃表面涂有金屬導(dǎo)電層， 就構(gòu)成了測(cè)量電容，由耐蝕性合金制成的第二殼體C3)對(duì)膜片( 在邊緣處密封布置并與其形成了一個(gè)真空壓力測(cè)量室(19)，連接管(6)導(dǎo)入該室與被測(cè)介質(zhì)連通。
2.按權(quán)利要求1所述的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器其特征在于電容電極體(1)是一個(gè)以耐蝕性合金為基座(4)，內(nèi)置上下相通的瓷管通氣孔(9)和兩根合金導(dǎo)電線 (15)，玻璃(1 通過高溫?zé)Y(jié)將三者密封性地合成為一體。
3.按權(quán)利要求1所述的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器其特征在于電容電極體⑴上的玻璃表面經(jīng)過研磨后，形成了一個(gè)具有(80 500微米)的曲面(17)，通過對(duì)其涂、鍍或者濺射金屬元素(金或銀等)后，在其表面就形成了一個(gè)電容電極體(1)的固定極板(20)，但同時(shí)在其邊緣處設(shè)置了絕緣層，以免與合金基座0)，導(dǎo)電相通。
4.按權(quán)利要求1所述的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器其特征在于電容電極體(1)的固定極板00)與膜片(2)之間，固定地保持(30 500微米)的位移距離。
5.按權(quán)利要求1所述的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器其特征在于第二殼體 (3)所對(duì)置膜片( 的表面，必須形成一個(gè)具有彡300微米的曲面。
6.按權(quán)利要求1所述的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器其特征在于電容電極體(1)和第二殼體C3)與位于其間的膜片( 在邊緣區(qū)對(duì)稱地且基本消除內(nèi)應(yīng)力地密封式地連接。
7.按權(quán)利要求1所述的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器其特征在于壓力感受膜片( 是由一種耐蝕性合金制成的“彈性膜片”，具有(10 200微術(shù))不等的厚度，彈性硬度(HV彡350)，不平整度小于其位移變化量的10%，配置在該感器內(nèi)在受到額定壓力下， 其位移變化量必須介于(30-500微米)的范圍。
8.按權(quán)利要求1所述的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器其特征在于所述的該傳感器的結(jié)構(gòu)特征分別有兩種其一是電容電極體(1)上所布置的合金導(dǎo)電線(1 直接由電容電極體(1)上密封性地引出，為此制造一個(gè)由耐蝕性合金制成的外殼(5)，殼上布置有用于安裝“消氣劑”(7)的 “罩室”(8)和一個(gè)用作將該傳感器的基準(zhǔn)真空室內(nèi)空氣排出的合金銅套(12)，它們均與外殼(5)相通并密封式地連接。其二是電容電極體(1)上所布置的一根合金導(dǎo)電線(15)從電容電極體(1)上引出， 為此，制造一個(gè)耐蝕性合金制成的外殼(25)，殼上布置有用于安裝“消氣劑”(7)的“罩室”(8)，和一個(gè)合金銅套(12)，以及電極信號(hào)引出端子-“絕緣子”( )，通過連接電容電極體⑴上的電容電極導(dǎo)線(15)，將電容電極信號(hào)密封性地引出，它們均與外殼05)相通并密封式地連接。
9.按權(quán)利要求1所述的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器其特征在于“消氣劑” 為非蒸發(fā)型的，被壓簧(11)壓緊并固定在“罩室”(8)內(nèi)，合金銅套(1 是以耐蝕性合金為基座(14)，銅管(16)密封式插入連接，“絕緣子”(24)是以耐蝕性合金為基座(21)，其中心處布置了瓷管(22)，合金導(dǎo)線內(nèi)插，通過玻璃(13)，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)密封性地合成為一體。
10.按權(quán)利要求1所述的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器其特征在于直徑為 10-100毫米，厚度10-80毫米，連接方式采用焊接，擴(kuò)散連接或釬焊連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種由玻璃和合金材料合成的合成件為基件的用于真空壓力測(cè)量的電容式壓力傳感器，它具有很強(qiáng)的牢固性和耐蝕性，為了使其具有很好的靈敏性，高精度地測(cè)量出不同壓力段的壓力值，采用了厚度(10-200微米)不等的，由耐蝕性彈性合金制成的“彈性膜片”，這些膜片被緊密地、對(duì)稱和無(wú)應(yīng)力地配置在一個(gè)由玻璃和合金材料合成的合成件中。
文檔編號(hào)G01L9/12GK102288360SQ20101020288
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者戴德仁 申請(qǐng)人:戴德仁