專利名稱：一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，具體涉及一種通過檢測可變電容兩極板間的變化量實現物理參數測量的傳感器，屬于真空計量技術領域。
背景技術：
文獻“一種‘絕對型’電容薄膜真空計的研制，《真空科學與技術》，1994. 4，第265頁 第269頁”中，介紹了一種典型的電容薄膜真空計的設計。該電容薄膜真空計的傳感器部分包含一個由導電金屬構成的薄膜，金屬薄膜邊緣依靠外殼或其他支撐結構固定，構成可變電容的一個極板，與固定極板相對應。金屬薄膜因兩側的壓力差引起薄膜中心向低壓力方向運動，進而引起兩電極間相應電容量的變化。電路輸出的電信號可以通過計算已知 的設備的測量信號值獲得壓差的指示值。這種設計的不足之處在于其精度非常容易受到周圍環境溫度變化的影響。傳感器中固定電極陶瓷圓盤與金屬外殼具有不同的熱膨脹系數，引起固定電極膨脹及收縮的差異，導致固定電極支架與金屬薄膜構成的電極間的相對位移，使得溫度引起固定電極變動產生的電容改變量無法與壓力變化產生的電容改變量相區別，弓丨起的虛假的電容改變量影響測量精度，且因不可復現而無法修正；此外，固定電極與金屬外殼之間，陶瓷材料在兩者之間充當了電解質的角色，產生的寄生電容引入了不可控變量。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，所述傳感器有效減小了固定電極與金屬外殼之間的寄生電容，可以減小或消除由彎曲變形引起的不可預估的電容變化量，改善了因溫度引起的固定電極與金屬外殼之間的應力對測量的影響，有效降低了流過固定電極的漏電流，提高了電容薄膜壓力計測量精度。本發明的目的由以下技術方案實現一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，所述傳感器包括金屬薄膜、金屬導電層、陶瓷圓盤、金屬外殼、電極外接導體、軸承固定結構和滾柱軸承；滾柱軸承和軸承固定結構構成滾柱軸承結構；所述金屬外殼為下端開口、上端封閉的中空圓柱形結構，內部開有環形第一凹槽和環形第二凹槽，圓形金屬薄膜水平固定于金屬外殼內部第一凹槽中，將金屬外殼內部分為上下兩個腔室，其中，上腔室為參考室，下腔室為測量室；金屬薄膜構成傳感器的一側電極；陶瓷圓盤通過滾柱軸承結構水平固定于金屬外殼內部第二凹槽中，且位于金屬薄膜上方，陶瓷圓盤與金屬外殼之間留有間隙，保證陶瓷圓盤能夠水平運動，且不與金屬外殼接觸；陶瓷圓盤上下表面鍍有金屬導電層，陶瓷圓盤上開有通孔，通孔內壁鍍有金屬導電層，使陶瓷圓盤上下表面導通，金屬導電層和陶瓷圓盤構成傳感器的另一側電極，即固定電極；陶瓷圓盤上表面接有電極外接導體，電極外接導體通到金屬外殼外部，并與外部電路連接；
其中，所述第一凹槽開口端截面為斜面；所述陶瓷圓盤外側邊緣中間設有環形臺階面，環形臺階面伸入第二凹槽中，并通過滾柱軸承結構水平固定；滾柱軸承為圓柱形結構，滾柱軸承有八個，其中四個位于陶瓷圓盤外側臺階面上方，其余四個位于所述臺階面下方，每上下兩個為一組，分為四組，且四組均勻分布，即每兩組滾柱軸承之間夾角為90° ;滾柱軸承通過軸承固定結構水平安裝于第二凹槽中，且能自由滾動，滾柱軸承與陶瓷圓盤的半徑方向垂直正交；所述陶瓷圓盤材質優選為AL2O3 ；所述金屬導電層優選為鈀銀合金；所述滾柱軸承采用硬質絕緣材料，優選工業用藍寶石； 所述金屬薄膜與金屬外殼米用同樣的金屬材料，優選因科鎳合金。傳感器的工作原理金屬薄膜和固定電極構成平行板電容器，當壓力測量室與參考室的壓力差相對增大時，金屬薄膜沿其軸向向固定電極方向運動；壓力測量室與參考室的壓力差相對減小時，向遠離固定電極方向運動。測量室與參考室壓力的變化引起電容的變化，并產生信號由電極外接導體傳送到外部電路中進行處理。有益效果(I)本發明所述傳感器中的滾柱軸承結構為固定電極及外殼間提供了較低的摩擦力，使固定電極與外殼能以不同比率膨脹及收縮，避免了現有技術裝置中固定電極支架因摩擦力作用而產生的變形。此外，滾柱軸承使固定電極與金屬外殼相互絕緣，有效減小了現有技術裝置中固定電極與金屬外殼之間的寄生電容，使得寄生電容值從現有技術中的IpF降至本發明中的O. IpF。(2)本發明所述傳感器中八個滾柱軸承具有相同的直徑，所以固定電極與外殼臺階面依靠滾柱軸承結構等間距隔離，確保了固定電極與金屬薄膜相平行。該滾柱軸承使得固定電極只能在水平方向的自由運動，不能發生上下運動，因此，當固定電極因溫度變化產生不同的膨脹及收縮時，滾柱軸承提供的相對運動將會防止現有技術結構中產生的彎曲形變，可以減小或消除由彎曲變形引起的不可預估的電容變化量。(3)本發明所述傳感器改善了因溫度引起的固定電極與金屬外殼之間的應力對測量的影響，有效降低了流過固定電極的漏電流，提高了電容薄膜壓力計測量精度。
圖I為本發明所述傳感器的結構示意圖；圖2為本發明所述傳感器中固定電極的仰視圖；圖3為本發明所述傳感器中固定電極的俯視圖；圖4為本發明所述傳感器中的滾柱軸承結構示意圖；其中，I—金屬薄膜、2—金屬導電層、3—陶瓷圓盤、4一金屬外殼、5—電極外接導體、6—軸承固定結構、7—滾柱軸承。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例來詳述本發明，但不限于此。
實施例I如圖I所示，一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，所述傳感器包括金屬薄膜I、金屬導電層2、陶瓷圓盤3、金屬外殼4、電極外接導體5、軸承固定結構6和滾柱軸承7 ;滾柱軸承7和軸承固定結構6構成滾柱軸承結構；所述金屬外殼4為下端開口、上端封閉的中空圓柱形結構，內部開有環形第一凹槽和環形第二凹槽，圓形金屬薄膜I水平固定于金屬外殼4內部第一凹槽中，將金屬外殼4內部分為上下兩個腔室，其中，上腔室為參考室，下腔室為測量室；金屬薄膜I構成傳感器的一側電極；陶瓷圓盤3通過滾柱軸承結構水平固定于金屬外殼4內部第二凹槽中，且位于金屬薄膜I上方，陶瓷圓盤3與金屬外殼4之間留有間隙，保證陶瓷圓盤3能夠水平運動，且不與金屬外殼4接觸；陶瓷圓盤3上下表面鍍有金屬導電層2，陶瓷圓盤3上開有通孔，通孔內壁鍍有金屬導電層2，使陶瓷圓盤3上下表面導通，金屬導電層2和陶瓷圓盤3構成傳感器的另一側電極，即固定電極；陶瓷圓盤3上表面接有電極外接導體5，電極外接導體5通到金屬外殼4外部，并與外部電路連接； 其中，所述第一凹槽開口端截面為斜面；所述陶瓷圓盤3外側邊緣中間設有環形臺階面，環形臺階面伸入第二凹槽中，并通過滾柱軸承結構水平固定；滾柱軸承7為圓柱形結構，滾柱軸承7有八個，其中四個位于陶瓷圓盤3外側臺階面上方，其余四個位于所述臺階面下方，每上下兩個為一組，分為四組，且四組均勻分布，即每兩組滾柱軸承7之間夾角為90° ;滾柱軸承7通過軸承固定結構6水平安裝于第二凹槽中，且能自由滾動，滾柱軸承7與陶瓷圓盤3的半徑方向垂直正交；軸承固定結構6為一個圓環，圓環上設有為滾柱軸承7提供的矩形開口，四個開口具有彼此相等的距離，矩形開口與滾柱軸承7相配合。所述陶瓷圓盤3材質為AL2O3 ；所述金屬導電層2為鈕銀合金；所述滾柱軸承7材料采用工業用藍寶石；滾柱軸承7也可以采用常規的滾珠軸承結構。所述金屬薄膜I與金屬外殼4采用因科鎳合金材料；傳感器的工作原理金屬薄膜I和固定電極構成平行板電容器，當壓力測量室與參考室的壓力差相對增大時，金屬薄膜I沿其軸向向固定電極方向運動；壓力測量室與參考室的壓力差相對減小時，向遠離固定電極方向運動。測量室與參考室壓力的變化引起電容的變化，并產生信號由電極外接導體5傳送到外部電路中進行處理。本發明包括但不限于以上實施例，凡是在本發明精神的原則之下進行的任何等同替換或局部改進，都將視為在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，其特征在于所述傳感器包括金屬薄膜(I)、金屬導電層(2)、陶瓷圓盤(3)、金屬外殼(4)、電極外接導體(5)、軸承固定結構(6)和滾柱軸承(7);滾柱軸承(7)和軸承固定結構(6)構成滾柱軸承結構； 所述金屬外殼(4)為下端開口、上端封閉的中空圓柱形結構，內部開有環形第一凹槽和環形第二凹槽，圓形金屬薄膜(I)水平固定于金屬外殼(4)內部第一凹槽中，將金屬外殼(4)內部分為上下兩個腔室，其中，上腔室為參考室，下腔室為測量室；金屬薄膜(I)構成傳感器的一側電極；陶瓷圓盤(3)通過滾柱軸承結構水平固定于金屬外殼(4)內部第二凹槽中，且位于金屬薄膜(I)上方，陶瓷圓盤(3)與金屬外殼(4)之間留有間隙，保證陶瓷圓盤(3)能夠水平運動，且不與金屬外殼(4)接觸；陶瓷圓盤(3)上下表面鍍有金屬導電層(2)，陶瓷圓盤(3)上開有通孔，通孔內壁鍍有金屬導電層(2)，使陶瓷圓盤(3)上下表面導通，金屬導電層(2)和陶瓷圓盤(3)構成傳感器的另一側電極，即固定電極；陶瓷圓盤(3)上表面接有電極外接導體(5)，電極外接導體(5)通到金屬外殼(4)外部，并與外部電路連接； 其中，所述第一凹槽開口端截面為斜面；所述陶瓷圓盤(3)外側邊緣中間設有環形臺階面，環形臺階面伸入第二凹槽中，并通過滾柱軸承結構水平固定；滾柱軸承(7)為圓柱形結構，滾柱軸承(7)有八個，其中四個位于陶瓷圓盤(3)外側臺階面上方，其余四個位于所述臺階面下方，每上下兩個為一組，分為四組，且四組均勻分布，即每兩組滾柱軸承(7)之間夾角為90° ;滾柱軸承(7)通過軸承固定結構(6)水平安裝于第二凹槽中，且能自由滾動，滾柱軸承(7)與陶瓷圓盤(3)的半徑方向垂直正交。
2.根據權利要求I所述的一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，其特征在于所述陶瓷圓盤(3)材質為AL203。
3.根據權利要求I所述的一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，其特征在于所述金屬導電層(2)為鈀銀合金。
4.根據權利要求I所述的一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，其特征在于所述滾柱軸承(7)材料采用工業用藍寶石。
5.根據權利要求I所述的一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，其特征在于所述金屬薄膜(I)與金屬外殼(4)采用同樣的金屬材料。
6.根據權利要求I所述的一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，其特征在于所述金屬薄膜(I)與金屬外殼(4)均采用因科鎳合金。
全文摘要
本發明公開了一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，屬于真空計量技術領域。所述傳感器包括金屬薄膜、金屬導電層、陶瓷圓盤、金屬外殼、電極外接導體、軸承固定結構和滾柱軸承；滾柱軸承和軸承固定結構構成滾柱軸承結構。所述傳感器有效減小了固定電極與金屬外殼之間的寄生電容，可以減小或消除由彎曲變形引起的不可預估的電容變化量，改善了因溫度引起的固定電極與金屬外殼之間的應力對測量的影響，有效降低了流過固定電極的漏電流，提高了電容薄膜壓力計測量精度。
文檔編號G01L9/12GK102967408SQ201210491980
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者習振華, 馮焱, 孫雯君, 趙瀾, 盛學民, 張瑞芳 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一〇研究所