藍寶石絕緣體定電極的電容壓力傳感器的制作方法

本實用新型涉及一種電容壓力傳感器，特別是一種以藍寶石單晶作為定電極絕緣體的藍寶石絕緣體定電極的電容壓力傳感器，它可以廣泛應用于微電子、鈾濃縮等需高可靠性、小微量程的高精度測量。

背景技術：

對于電容式壓力傳感器，特別是絕壓微小量程的電容傳感器，即在100kPa～10^-2Pa的測量范圍內，呈現優勢，種類繁多。有代表性的是美國MKS公司生產的6系列電容壓力傳感器。以626型電容壓力傳感器為例，它的結構如圖3、圖4所示。626型電容壓力傳感器的原理是基于平行板電容器，它的動電極1，是用恒彈性耐腐蝕合金薄膜制作。定電極由陶瓷絕緣體10、導電薄膜層2、內電極20、絕緣膜層3、外殼柱狀體11、楔尾固定環12、壓簧13、引線19、外引出電極15、含鈷玻璃16、絕緣子外殼17組成。定電極陶瓷絕緣體用Al₂O₃陶瓷制作。導電薄膜層2是在陶瓷絕緣體拋物面凹面上真空鍍制的導電金屬薄膜，其上同樣真空鍍制的覆蓋整個導電膜層的絕緣膜層3。導電薄膜層2與內電極20相連，內電極20與引線19連接于外引出電極15上，組成了定電極板系統。因為定電極的陶瓷絕緣體10，與外殼柱狀體11是裝配式結構，因此，用楔尾固定環12盡可能將陶瓷絕緣體10固定在外殼柱狀體11的中心位置，用壓簧13，靠外殼蓋18頂壓簧，將陶瓷絕緣體10壓在外殼柱狀體11內。外殼蓋18與外殼柱狀體11在高真空下電子束焊接到一起。外殼蓋18上焊有玻璃絕緣子和封有吸氣劑14。玻璃絕緣子是由含鈷玻璃16熔融密封的外引出電極15與絕緣子外殼17之中構成。動電極1，用軸向可拆解的卡具繃緊恒彈性耐腐蝕鎳基合金薄膜后，靠外殼柱狀體11與帶有引壓口的焊座21夾持，帶著軸向可拆解卡具一同在液壓主軸及液壓頂座的車床上，頂住外殼柱狀體11與帶有引壓口的焊座21，拆去軸向可拆解卡具，車削去薄膜的多余部分，用氬弧焊將動電極1、外殼柱狀體11、帶有引壓口的焊座21焊接到一起，固定了動電極。

動電極1與外引出電極15之間是高真空，是在制作的最后階段，在高真空下焊外殼蓋18實現的。626型電容壓力傳感器的引壓口與大氣相連時，由于量程為絕對壓力13.332Pa，動電極1是恒彈性薄膜制作，動電極1被大氣壓壓在了定電極上。

626型電容壓力傳感器的量程小，在真空測量方面，無論被測介質是什么氣體，測得是壓力，而其它，如熱偶型、電離型壓力計，對于不同氣體的壓力值，輸出有差異。電容壓力傳感器過載強，電信號好處理，帶負載能力達10kΩ，結構密封性相對可靠。因此在真空行業、微電子生產工藝設備、濃縮鈾離心機上有廣泛應用。626型電容壓力傳感器及相關產品對華是禁運產品。

但是626型電容壓力傳感器，實際應用中發現也存在缺點：1、陶瓷絕緣體本身就含有大量氣體；2、陶瓷絕緣體與外殼之間采用預留間隙的裝配式結構，增加了氣體附著表面；3、靠楔尾固定環和壓簧壓著陶瓷絕緣體于外殼內，楔尾固定環封閉了一個集氣腔，壓簧又封閉了一個集氣層，造成集氣；4、內電極與外引出電極間靠軟的薄的絕緣層長的導線連接，必然形成寄生電容，此電容的分布不確定，隨著環境條件，諸如振動等帶來這樣不確定因素的加重；5、外引出電極是用含鈷玻璃熔融壓封結構（不匹配）封接，是靠絕緣子外殼的大膨脹系數，玻璃的次膨脹系數，外引出電極的小膨脹系數，當玻璃在高溫下熔融，封上了外引出電極、玻璃凝固，靠溫度的降低（從玻璃熔化溫度到常溫），外殼壓著玻璃、玻璃壓著外引出電極，實現密封。這樣，玻璃一定不能與絕緣子外殼平齊或溢出殼外，否則會發生“勢如破竹”的破裂。

綜上所述，626型電容壓力傳感器由于陶瓷的絕緣體放氣，內部大面積物理性吸附與化學性吸附氣體附著，集氣腔的存在，隨著時間的推移、溫度變化、振動的產生、電容的充放電，必然使作為參考壓的真空腔室內真空度變差，即動電極1與外引出電極15間壓力在不斷升高。那么作為動電極的“零點”位置就要發生變化，因此，626型電容壓力傳感器要求每次正式使用前用調節放大電路板上的電位器調零點和滿度值。其條件是要在高真空下進行，對于絕對壓力13.332Pa的量程的壓力傳感器，要在10^-5Pa真空下調零點。這不僅麻煩，有的用戶根本沒有條件實現。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種藍寶石絕緣體定電極的電容壓力傳感器，解決了現有電容壓力傳感器的陶瓷絕緣體內氣體容易附著，影響真空度，產生的寄生電容和邊緣效應影響測量穩定性等問題，其結構設計合理，定電極不漏氣，不放氣，使用安全可靠，減少了寄生電容與邊緣效應，提高測量精度和穩定性，焊接與膨脹應力得到緩沖，成品率高，降低了制造成本。

本實用新型所采用的技術方案是：該藍寶石絕緣體定電極的電容壓力傳感器包括殼體，與殼體組裝在一起的定電極、引出電極、動電極和引壓口，其技術要點是：所述定電極以藍寶石作為絕緣體，殼體采用與藍寶石絕緣體相匹配的材料制作的匹配外殼，通過釬焊層與藍寶石絕緣體封接在一起，藍寶石絕緣體釬焊密封有管狀引出電極，管狀引出電極的端部直接與藍寶石絕緣體凹形拋物面上的導電薄膜層相連接。

采用與藍寶石絕緣體相匹配的材料制作的所述管狀引出電極作為電極唯一引線，也是抽真空導管。

本實用新型具有的優點及積極效果是：由于本實用新型是以藍寶石為定電極絕緣體的電容壓力傳感器，藍寶石絕緣體與匹配外殼、管狀引出電極所用材料是匹配的，采用釬焊方法密封封接，所以其結構設計合理，制作的定電極不放氣、不集氣、不漏氣，使制成的絕對壓力傳感器長期不用調零點，使用安全可靠，減少了寄生電容與邊緣效應，提高了測量精度和穩定性。采用與藍寶石絕緣體相匹配的材料制作的匹配外殼、管狀引出電極，焊接與膨脹應力得到緩沖，成品率高，降低了制造成本。管狀引出電極亦可用于表壓參考壓引壓導管。因此，本實用新型解決了現有電容壓力傳感器的陶瓷絕緣體內氣體容易附著，影響真空度，產生的寄生電容和邊緣效應影響測量穩定性等問題，定電極不漏氣，不放氣。

附圖說明

以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。

圖1是本實用新型的一種結構示意圖；

圖2是圖1的Ⅰ部放大結構示意圖；

圖3是美國MKS公司的626電容傳感器的一種結構示意圖；

圖4是圖3的Ⅱ部放大結構示意圖。

圖中序號說明：1動電極、2導電薄膜層、3絕緣膜層、4藍寶石絕緣體、5管狀引出電極、6匹配外殼、7釬焊層、8過渡焊接環、9帶有環口引壓口焊座、10陶瓷絕緣體、11外殼柱狀體、12楔尾固定環、13壓簧、14吸氣劑、15外引出電極、16含鈷玻璃、17絕緣子外殼、18外殼蓋、19引線、20內電極、21 帶有引壓口的焊座、22 過濾器。

具體實施方式

根據圖1～4詳細說明本實用新型的具體結構。該藍寶石絕緣體定電極的電容壓力傳感器包括殼體，與殼體組裝在一起的定電極、引出電極、動電極1和引壓口等件。其中動電極1是恒彈性耐腐蝕合金薄膜制作，厚度在20μm左右，是用各向同性“徑向碾軋”制成薄膜。在高真空下，達到合金的固溶溫度后，迅速冷卻，預應力處理后，呈恒彈性。定電極的導電薄膜層2，是在定電極的藍寶石絕緣體4凹形拋物面上，高真空下鍍制的金屬薄膜層，導電薄膜層2上同樣在真空下鍍制覆蓋絕緣膜層3。定電極以藍寶石作為絕緣體，殼體采用與藍寶石絕緣體4相匹配的材料制作的匹配外殼6，通過釬焊層7與藍寶石絕緣體4封接在一起。藍寶石絕緣體4釬焊密封有管狀引出電極5，管狀引出電極5的端部直接與藍寶石絕緣體4凹形拋物面上的導電薄膜層2相連接。采用與藍寶石絕緣體4相匹配的材料制作的管狀引出電極5作為電極唯一引線，也是抽真空導管。本實施例中定電極是由藍寶石絕緣體4、導電薄膜層2、覆蓋導電薄膜層2的絕緣膜層3、管狀引出電極5、匹配外殼6、釬焊層7、過渡焊接環8、帶有環口引壓口焊座9等構成的。藍寶石絕緣體4與匹配外殼6是膨脹系數相匹配的（在一定溫區，如釬焊高溫至最低使用溫度內，二者膨脹系數相差小于等于最大值的7%），用銀銅等釬焊料釬焊法，即在高真空下，加熱至700℃左右，釬焊料熔融，形成釬焊層7，將藍寶石絕緣體4緊密密封在匹配外殼6內。同時也釬焊密封了管狀引出電極5。匹配外殼6是恒彈性合金制作，管狀引出電極5是用鉑管制作，或用能與銀銅合金等釬焊料浸潤的合金制作。這樣制作的定電極密封結構，藍寶石絕緣體4與匹配外殼6之間高度密封，管狀引出電極5就是唯一電極。由于動電極1是用恒彈性耐腐蝕合金薄膜制作，受壓后呈拋物面變化，因此，定電極也加工成凹形拋物面，在藍寶石絕緣體4凹形拋物面上，真空鍍制直徑小于藍寶石絕緣體4直徑的導電薄膜層2，留出絕緣距離，其上同樣在真空下鍍制覆蓋絕緣膜層3。導電薄膜層2與管狀引出電極5相連，構成定電極板。這樣的結構：藍寶石絕緣體4不放氣，藍寶石絕緣體4與匹配外殼6之間無間隙。管狀引出電極5與匹配外殼6高度密封，其間絕緣介質間距大，管狀引出電極5與匹配外殼6之間形成的電容微乎其微，并且確定。因此，這樣的傳感器長期不用調零點，穩定性極好。

過渡焊接環8、帶有環口引壓口焊座9與動電極1都是相同材料制作，使焊接電流可以盡可能小一些，并可有效地緩沖焊接應力。這樣的電容壓力傳感器與被測介質接觸部分全都是恒彈性耐腐蝕材料構成。過渡焊接環8同匹配外殼6一樣，都設有刃口焊口，靠近刃口焊口設有內環口。有效緩沖焊接熱應力與膨脹應力，同時便于抽真空，減少集氣與氣體附著。

管狀引出電極5用鉑管或能與銀銅合金等釬焊料浸潤封接的合金材料制作，其主要目的是：管狀引出電極5比絲狀電極同等截面，管的封接表面積大，管子封接應力小，實現高密度密封封接。更主要目的是：用管狀引出電極5，也是抽真空導管，即用管狀引出電極5，抽去圖1中，動電極1與定電極之間的空氣，形成高真空，壓封管口完成密封；或者在高真空下，電子束、激光焊接管狀電極管口，實現高密度密封封接。使造價很低，成品率高，生產效率高。

本實用新型的管狀引出電極5，在做表壓（相對于大氣壓）的電容壓力傳感器時，可以兼用與參考大氣壓隔離膜盒相連，制成穩定的表壓傳感器。詳見本申請人之前的實用新型專利，公開號為CN104215383A的“內置平衡容器的薄膜隔離型表壓傳感器”。

本實用新型除了用藍寶石制作電容壓力傳感器的定電極的絕緣體的同時，也可用熔融玻璃與匹配外殼6、管狀引出電極5匹配封裝，但是成品率與氣密性、生產工藝都沒有藍寶石絕緣體4的好。造價差不多。