CN106225962A - 动电极板镀金的电容压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种动电极板镀金的电容压力传感器，解决了现有电容式压力传感器存在的寄生电容、边缘效应影响传感器的输出，动电极扩散性渗漏，使用麻烦等问题，包括匹配外壳，与匹配外壳组装在一起的定电极、管状引出电极、动电极及引压口，其特征在于：动电极利用内、外过渡焊接环夹持压紧焊接固定，在动电极和内、外过渡焊接环表面设置镀金层和高真空下金的热扩散层，定电极的匹配外壳与内过渡焊接环通过刃口形焊口焊接固定在一起，外过渡焊接环上的镀金层和金的热扩散层与耐腐蚀材料制作的引压口利用氟胶环9密封后，通过刃口形焊口焊接固定在一起。其结构设计合理，制备工艺简单，显著降低了制造成本，进一步提高了耐腐蚀性，受温度影响小，稳定性好。

Description

动电极板镀金的电容压力传感器

技术领域

本发明涉及一种电容压力传感器，特别是一种动电极板镀金的电容压力传感器，主要用于测量小微压力。

背景技术

在压力测量中，特别是小微压力，电容压力传感器呈优势。目前有代表性的是美国MKS公司的6系列电容压力传感器。以626型电容压力传感器为例，量程为绝对压力0.1Torr至1000Torr，与被测介质接触部分全部用恒弹性耐腐蚀的镍基合金（Inconel X-750）制作。如图3、图4所示。12是动电极，恒弹性耐腐蚀镍基合金制作；13定电极绝缘体，Al₂O₃陶瓷制作；14内电极；15导电膜；16绝缘厚膜；17外壳柱状体；18楔尾固定环；19压簧；上述17、18、19都是Inconel X-750制作。20吸气剂；21外引出电极；22含钴玻璃；23绝缘子外壳；24外壳盖（Inconel x-750）；25内引线；26带引压口的焊座（Inconel X-750）。

由于626型电容压力传感器的动电极为20μm左右的薄膜制作，尽管金属的扩散系数很小，但是太薄，年漏率还是在20%以上。再则，Inconel X-750合金的膨胀系数太大，找不到与之匹配的固体绝缘材料，实现匹配封接。故定电极采用装配式。这样，就出现了以下问题：1、吸附表面太大；2、内部结构复杂、存在着气隙与集气腔；3、可能的不确定边缘效应；4、内电极与外引出电极之间有细导线，存在着空间分布不确定电容；5、外引出电极存在寄生电容；6、陶瓷绝缘体不仅吸附表面远大于几何表面，并且体内也含有大量气体。因此，尽管在制作时，动电极与外引出电极之间可以抽到很高真空度，也设置了吸气剂，但是，气体的脱附、扩散性渗漏，造成了真空度逐渐变坏，即气压升高；由于空间分布、寄生电容、边缘效应的存在，可以影响到传感器的输出。MKS公司就在传感器的电路上设置了零点电位器与满量程电位器。因此，每次使用要在10^-5Pa的高真空调零点，必要时可能也要调满度。麻烦不说，有的用户没有这样的条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种动电极板镀金的电容压力传感器，解决了现有电容式压力传感器存在的寄生电容、边缘效应影响传感器的输出，动电极扩散性渗漏，使用麻烦等问题，其结构设计合理，制备工艺简单，显著降低了制造成本，进一步提高了耐腐蚀性，受温度影响小，稳定性好。

本发明所采用的技术方案是：该动电极板镀金的电容压力传感器包括匹配外壳，与匹配外壳组装在一起的定电极、管状引出电极、动电极及引压口，其特征在于：所述动电极利用内过渡焊接环、外过渡焊接环夹持压紧焊接固定，在动电极和内、外过渡焊接环表面设置镀金层和高真空下金的热扩散层，定电极由钎焊层密封在一起的蓝宝石绝缘体、匹配外壳、管状引出电极组成，匹配外壳与内过渡焊接环通过刃口形焊口焊接固定在一起，外过渡焊接环上的镀金层和金的热扩散层与耐腐蚀材料制作的引压口利用氟胶环9密封后，通过刃口形焊口焊接固定在一起。

所述匹配外壳与内过渡焊接环上都设置有刃口形焊口和内环口。

所述外过渡焊接环上的镀金层和金的热扩散层与引压口采用螺纹连接或直接焊接固定。

表面设置镀金层和高真空下金的热扩散层的所述动电极和内、外过渡焊接环是采用以下工艺步骤制作的：首先选用“径向碾轧”的恒弹性薄膜，用轴向可拆解的卡具胀紧，卡具中心的直径大于内、外过渡焊接环的外径，用内、外过渡焊接环夹持压紧焊接固定动电极，拆去卡具车削薄膜大于内、外过渡焊接环外径部分，关闭车床所在的集气罩，抽去罩内空气，向罩内充满惰性气体，将动电极与内、外过渡环焊接成组件，对组件进行严格清洗、烘干后，电镀镀金，金层厚保持在0.1μm，再在高真空、700℃以下加热不小于30分钟，进行金的热扩散。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明采用动电极镀金和金的热扩散方法，实现动电极和内、外过渡焊接环表面设置镀金层和高真空下金的热扩散层，进一步提高了动电极和内、外过渡焊接环的耐腐蚀性（如HCl等物质对Inconel X-750，年腐蚀厚度在0.5μm左右，而对金根本不腐蚀），所以其结构设计合理，制备工艺简单，有效防止惰性气体、氮气发生化学性吸附（N₂、Ar不在金上发生化学性吸附）。更重要的是，还可以通过镀金，让普通的恒弹性合金制作的动电极，进一步提高了耐腐蚀性。实验证明，通过镀金，用3J1、3J53的恒弹性合金制作的动电极***、耐腐蚀性不比Inconel X-750的差。但是，传感器的造价低了15%以上，显著降低了制造成本，简化了工艺。传感器动电极材料与定电极材料完全匹配，受温度影响小，稳定性好。因此，本发明解决了现有电容式压力传感器存在的寄生电容、边缘效应影响传感器的输出，动电极扩散性渗漏，使用麻烦等问题。

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是美国MKS公司的626型电容压力传感器结构示意图；

图4是图3的Ⅱ部放大结构示意图；

图中序号说明：1动电极、2导电薄膜层、3绝缘薄膜层、4蓝宝石绝缘体、5管状引出电极、6匹配外壳、7钎焊层、8内过渡焊接环、9外过渡焊接环、10氟胶密封环、11引压口、12动电极、13定电极绝缘体、14内电极、15导电膜、16绝缘厚膜、17外壳柱状体、18楔尾固定环、19压簧、20吸气剂、21外引出电极、22含钴玻璃、23绝缘子外壳、24外壳盖、25内引线、26带引压口的焊座。

具体实施方式

根据图1～4详细说明本发明的具体结构。该动电极板镀金的电容压力传感器包括匹配外壳6，与匹配外壳6组装在一起的定电极，定电极上的蓝宝石绝缘体4、管状引出电极5、过渡焊接环8、外过渡焊接环9、动电极1及引压口11等件。其中动电极1利用内过渡焊接环8、外过渡焊接环9夹持压紧焊接固定。在动电极1和内、外过渡焊接环8、9的表面设置镀金层和高真空下金的热扩散层（图中未示出），

内过渡焊接环8和匹配外壳6上，都设置有刃口形焊口，靠近刃口形焊口设有内环口。目的是让焊接电流尽可能小，缓冲焊接应力和热膨胀应力。

引压口11可以用耐腐蚀材料制作，外过渡焊接环9上的镀金层和金的热扩散层与耐腐蚀材料制作的引压口11利用氟胶环9接触密封后，通过刃口形焊口焊接固定在一起。引压口11与外过渡焊接环9上的镀金层和金的热扩散层可以直接通过刃口焊口微热氩弧焊焊接。亦可以通过在外过渡焊接环9上的镀金层和金的热扩散层与引压口11上采用（外、内）螺纹等方式连接。定电极由蓝宝石绝缘体4、匹配外壳6、管状引出电极5组成，匹配外壳6与内过渡焊接环8通过刃口形焊口焊接固定在一起。

定电极是由钎焊层7密封在一起的蓝宝石绝缘体4、匹配外壳6、管状引出电极5组成的。即采用高度匹配的材料，利用如银铜合金等钎焊材料，在高真空下，700℃左右（在恒弹性合金屈服点以下），让钎焊料熔融，形成钎焊层7，将匹配外壳6、管状引出电极5、蓝宝石绝缘体4匹配封接为一体。由于动电极1受压后呈抛物面形变，因此，把定电极也加工成凹形抛物面。在蓝宝石绝缘体4的凹形面上，掩膜，高真空下溅射金属导电薄膜层2，与管状引出电极5相连。在高真空下再掩膜溅射覆盖导电薄膜层2的绝缘薄膜层3，制成了定电极组合体。蓝宝石绝缘体4，不含气，不放气。气体的吸附面基本上就是导电薄膜层2与绝缘薄膜层3。这两层薄膜是在高真空下溅射获得，密度高，吸附小，蓝宝石绝缘体4与匹配外壳6，管状引出电极5，靠钎焊层7密封，适用温区宽，稳定，管状引出电极5一般用铂管或与钎焊料浸润的合金材料制作，密封性好，更重要的是，用于抽真空，做成电容绝对压力传感器。方便、造价低、密封口简单；亦可以用此管状引出电极5与大气参考压隔离膜盒相连，做成电容表压传感器；内过渡焊接环8上设有的内环口，除了缓冲应力外，大于等于0.5mm，小于0.8mm的间隙，便于抽真空。

本发明的结构简单，通过对动电极1表面镀金和金的热扩散，实现了：动电极增实、堵漏；有效减少了漏气率；实现避免气体的化学吸附；实现了非耐腐蚀恒弹性合金的耐腐蚀；实现了高效率、低成本。制成的带有镀金动电极的电容压力传感器，长期不用调零点。

镀金动电极1是用恒弹性薄膜制作，具体材料可以是3J1、3J53、Inconel X-750等恒弹性合金。表面设置镀金层和高真空下金的热扩散层的动电极1和内、外过渡焊接环8、9是采用以下工艺步骤制作的：首先选用“径向碾轧”的恒弹性薄膜，用轴向可拆解的卡具胀紧。卡具中心（两面）留有足够大的直径，即大于内外过渡焊接环的外径。在带有液压主轴和液压顶座的液压车床上，用内过渡焊接环8、外过渡焊接环9夹持压紧焊接固定动电极1的薄膜，拆去卡具。用车刀车削薄膜大于过渡焊接环外径部分。此时的车床是置于集气罩中。关闭集气罩，抽去罩内空气，向罩内充惰性气体。抽充1～2个循环，目的是让罩内、特别是过渡焊接环内外都充满惰性气体。然后，将动电极1与内、外过渡环8、9焊接成组件。对组件进行严格清洗、烘干后，电镀镀金。金层厚保持在0.1μm左右为好。再在高真空、700℃以下（在恒弹性合金的屈服温度以下），加热不小于30分钟，进行金的热扩散。目的，让金原子在恒弹性合金表面有一定深度的扩散（不能超过0.01μm），增实、堵漏。实测，5μm厚的Inconel X-750，镀金热扩散后，漏率优于同等材料50μm厚的薄膜。

Claims (4)

1.一种动电极板镀金的电容压力传感器，包括匹配外壳，与匹配外壳组装在一起的定电极、管状引出电极、动电极及引压口，其特征在于：所述动电极利用内过渡焊接环、外过渡焊接环夹持压紧焊接固定，在动电极和内、外过渡焊接环表面设置镀金层和高真空下金的热扩散层，定电极由钎焊层密封在一起的蓝宝石绝缘体、匹配外壳、管状引出电极组成，匹配外壳与内过渡焊接环通过刃口形焊口焊接固定在一起，外过渡焊接环上的镀金层和金的热扩散层与耐腐蚀材料制作的引压口利用氟胶环密封后，通过刃口形焊口焊接固定在一起。

2.根据权利要求1所述的动电极板镀金的电容压力传感器，其特征在于：所述匹配外壳与内过渡焊接环上都设置有刃口形焊口和内环口。

3.根据权利要求1所述的动电极板镀金的电容压力传感器，其特征在于：所述外过渡焊接环上的镀金层和金的热扩散层与引压口采用螺纹连接或直接焊接固定。

4.根据权利要求1所述的动电极板镀金的电容压力传感器，其特征在于：表面设置镀金层和高真空下金的热扩散层的所述动电极和内、外过渡焊接环是采用以下工艺步骤制作的：首先选用“径向碾轧”的恒弹性薄膜，用轴向可拆解的卡具胀紧，卡具中心的直径大于内、外过渡焊接环的外径，用内、外过渡焊接环夹持压紧焊接固定动电极，拆去卡具车削薄膜大于内、外过渡焊接环外径部分，关闭车床所在的集气罩，抽去罩内空气，向罩内充满惰性气体，将动电极与内、外过渡环焊接成组件，对组件进行严格清洗、烘干后，电镀镀金，金层厚保持在0.1μm，再在高真空、700℃以下加热不小于30分钟，进行金的热扩散。