并聯電容式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，特別是一種在一個屏蔽殼體內組合到一個引壓口上的至少兩個電容壓力傳感器，將各定電極的管狀引出電極相連接的并聯電容式電容壓力傳感器。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：

目前的基于平行板電容原理的電容壓力傳感器，對小微壓力測量呈優勢，都是單個的電容或單個的差動電容，它的電極板面積是受限的，現在能見到的最大直徑在60mm左右，受幾何尺寸限制不能使電容相對變化量有效提高。具有代表性的是美國MKS公司的626型電容壓力傳感器。以此為例，量程：絕對壓力13.332Pa。雖然電容傳感器外殼為60mm，但有效定電極的直徑只有30mm左右。其原因是：動電極為恒彈性合金膜片制作，厚度20μm左右，很難繃平和焊接后不變形。實踐經驗：最大極板面積≤20cm²，再大輸出不穩定，要發生蠕變和滯后。那么，對于這樣的干式電容，絕壓時，輸出的電容變化量為1pF到100pF左右，輸出太小，傳感器內阻太大，對于非線性修正、補償、放大的電路來說，輸入阻抗太高，放大倍數太大，信噪比小，特別是測量小微壓力的傳感器（1.5kPa至10^-2Pa）就很難做。

現有的電容壓力傳感器，當測到絕對壓力13.332Pa以下時，精度一般在±0.5%F.S以下，零點在每次使用前，都要在10^-5Pa以上高真空調零點。太麻煩不說，有時無法辦得到。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種并聯電容式電容壓力傳感器，有效解決了單個電容壓力傳感器受幾何尺寸限制不能使電容相對變化量有效提高，內阻太大、信噪比小等問題，其結構設計合理，電容相對變化量成倍增加，顯著提高了靈敏度和信噪比，穩定性好，測量精度高，降低了內阻，使量程與單個相比，上限不變，向小微方向大幅擴展。

本實用新型所采用的技術方案是：該并聯電容式電容壓力傳感器包括匹配外殼，與匹配外殼組裝在一起的定電極、管狀引出電極、動電極和引壓口，其技術要點是：所述引壓口為帶公共焊座引壓口或并聯引壓口，將至少兩個相同規格的組裝在匹配外殼內的定電極、動電極和管狀引出電極的電容壓力傳感器連接在一個公共焊座引壓口或并聯引壓口上，定電極通過引線相連，構成至少兩個電容壓力傳感器并聯的電容壓力傳感器。

夾持動電極的帶有刃口焊口的所述過渡焊接環與帶公共焊座引壓口所采用的材料均與動電極的材質相同。

兩個所述動電極利用帶有刃口焊口的過渡焊接環與帶有公共焊座引壓口夾持繃緊固定，與定電極的帶有內環口的匹配外殼上的刃口焊口焊接固定在一起。

所述動電極與定電極在惰性氣體保護下焊接在一起。

所述動電極與過渡焊接環及帶公共焊座引壓口采用恒彈性耐腐蝕鎳基合金制作。

本實用新型具有的優點及積極效果是：由于本實用新型將至少兩個相同規格的電容壓力傳感器連接在一個公共焊座引壓口或并聯引壓口上，定電極通過引線相連，構成至少兩個電容壓力傳感器并聯的電容壓力傳感器，所以其結構設計合理，電容相對變化量成倍增加，顯著提高了靈敏度和信噪比，穩定性好，測量精度高，降低了內阻，使量程與單個相比，上限不變，向小微方向大幅擴展。其主要理由是：本實用新型采用至少兩個（可以是除了1的奇數）電容壓力傳感器的定電極相連接，讓電容并聯，雖然存在著并聯后，總電容為每個電容壓力傳感器電容之和，充放電時間變長，但是既使十二個電容壓力傳感器的電容并聯后，最大值也只有1200pF左右，充放電時間仍在微秒級別，不影響傳感器精度和測量響應時間。但卻使電容壓力傳感器的電容相對變化量成倍增加，靈敏度成倍增加。理論計算和實測都顯示出，與單個電容壓力傳感器相比，量程上限不變；由于靈敏度的提高，量程向小微方向大幅擴展，使并聯后的量程變寬。由于電容相對變化量成倍增加，傳感器穩定性大大提高。這是因為封入一個屏蔽殼內的電容越大，越穩定，外部電磁場變化對其影響值唯一，那么，用以抵抗影響的能量一定，而用于輸出的信號就強大多了，電路放大倍數就小，穩定性好。例如：量程上限7.5kPa的電容壓力傳感器，最小量程為：表壓0～2000Pa，兩個并聯后，量程上限仍為0～7.5kPa，可量程下限為0～200Pa。十二個上述傳感器并聯后，量程上限仍為7.5kPa，下限為0～2Pa。表壓上限為0～200Pa，改為絕對壓力后，十二個電容絕對壓力傳感器并聯，量程下限為10^-6Pa，精度0.5%F.S以上。效果十分顯著。

因此，本實用新型有效地解決了單個電容壓力傳感器受幾何尺寸限制不能使電容相對變化量有效提高，內阻太大、信噪比小等問題。

附圖說明

以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。

圖1是本實用新型兩個電容壓力傳感器并聯的一種結構示意圖；

圖2是圖1的Ⅰ部放大結構示意圖；

圖3是采用圖1所示結構的十二個電容壓力傳感器并聯的一種結構示意圖；

圖4是圖3俯視圖；

圖5是采用圖1所示結構的四個電容壓力傳感器并聯的一種結構示意圖；

圖6是采用圖1所示結構的六個電容壓力傳感器并聯的一種結構示意圖；

圖7是本實用新型所用的單電容壓力傳感器的一種結構示意圖；

圖8是圖7的Ⅱ部放大結構示意圖；

圖9是采用圖7所示結構的六個單電容壓力傳感器并聯的一種結構示意圖；

圖10是圖9的俯視圖。

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帶公共焊座引壓口、10引線、11屏蔽殼、12并聯引壓口、13密封環、14并聯安裝座、15帶焊座環口引壓口、16單個電容壓力傳感器。

具體實施方式

根據圖1～10詳細說明本實用新型的具體結構。該并聯電容式電容壓力傳感器包括匹配外殼6，與匹配外殼6組裝在一起的定電極、藍寶石絕緣體4以及藍寶石絕緣體凹形拋物面上的導電薄膜層2、絕緣膜層3、管狀引出電極5、過渡焊接環8、動電極1和引壓口等件。其中引壓口為帶公共焊座引壓口9或并聯引壓口12，將至少兩個相同規格的組裝在匹配外殼6、過渡焊接環8、公共焊接座9內的定電極、動電極1和管狀引出電極5的電容壓力傳感器連接在一個公共焊座引壓口9或并聯引壓口12上，定電極通過引線10相連，構成至少兩個電容壓力傳感器并聯的電容壓力傳感器。夾持動電極1的帶有刃口焊口的過渡焊接環8與帶公共焊座引壓口9所采用的材料均與動電極1的材質相同。本實施例中的動電極與過渡焊接環及帶公共焊座引壓口采用恒彈性耐腐蝕鎳基合金制作。為了確保焊接質量，兩個動電極1利用帶有刃口焊口的過渡焊接環8與帶有公共焊座引壓口9夾持繃緊固定，與定電極的帶有內環口的匹配外殼6上的刃口焊口焊接固定在一起。動電極1與定電極在惰性氣體保護下焊接在一起。

本實施例中圖3－6所示結構是在一個屏蔽殼體內組合到一個并聯引壓口12上的至少兩個電容壓力傳感器，圖9－10所示結構是在一個屏蔽殼體內組合到一個并聯引壓口12上的至少兩個單電容壓力傳感器。都是把定電極管狀引出電極5通過引線10連接，構成的并聯電容式電容壓力傳感器。這些并聯電容式電容壓力傳感器不分主次，僅表述是幾種常用的并聯結構。只要并聯引壓口12軸線與重力方向重合，即并聯引壓口12向下或向上，其中的動電極1就是立著用的，即受壓后動電極1位移方向與重力方向（正交）垂直，就能有效回避動電極自重產生的影響。理論上講，一般的現有單個電容壓力傳感器用上述方法并聯是可以的。但不如本實施例中的單個或并聯制作的至少兩個電容壓力傳感器更便于組合，如果稍有傾斜，兩個動電極受重力產生影響，兩個電容的正、負變化，可能相互抵消，輸出變化小。使用性能更好。動電極1用恒彈性耐腐蝕合金（Inconel X-750）薄膜制作；過渡焊接環8、帶有公共焊座引壓口9和帶焊座環口引壓口15都與動電極1材料相同，在惰性氣體中焊接成一體。具體是先用軸向可拆解卡具脹緊動電極薄膜，卡具中心有比過渡焊接環8直徑大的空間，在帶有液壓主軸、液壓頂座的液壓車床上，用過渡焊接環8、帶公共焊座引壓口9或帶焊座環口引壓口15夾住壓緊脹緊的動電極1，拆去卡具，車削動電極1的薄膜多余部分。整個液壓車床和氬弧焊的槍頭都在集氣箱中，關上集氣箱，先抽凈集氣箱中空氣，充惰性氣體，在惰性氣體中焊接。藍寶石絕緣體4、管狀引出電極5、匹配外殼6是膨脹系數高度匹配的，用銀銅合金等釬焊料，在高真空下700℃左右，釬焊形成釬焊層7，將其高密度密封在一起。由于動電極1是薄膜制作，受壓后呈拋物面形變，因此，也將定電極加工為凹形拋物面。在藍寶石絕緣體4拋物面上掩膜真空鍍制導電薄膜層2，直徑小于藍寶石絕緣體4直徑。目的，留夠絕緣距離。再掩膜鍍制覆蓋的絕緣膜層3.這樣就做出了匹配封接的定電極。定電極及動電極的匹配外殼6與過渡焊接環8用氬弧焊焊到一起。兩種材料的膨脹系數相差比較大，靠其二者外周設置的刃口焊口、靠近刃口焊口內設置的環口緩沖、消除膨脹應力與焊接應力。環口也便于抽真空時排氣，減小集氣與氣體附著。匹配封接的定電極藍寶石絕緣體4與匹配外殼6無縫隙，減少了氣體附著與邊緣效應；管狀引出電極5方便抽真空和便于壓封或高真空下，激光或電子束焊接。此傳感器突出特點是體積小，長期不用調零點，穩定性好，精度高，生產效率成品率高。將兩個定電極通過引線10相連，構成了兩個電容壓力傳感器并聯結構的電容壓力傳感器。其目的是讓結構更加緊湊。兩個電容壓力傳感器并聯結構的電容壓力傳感器可以單獨使用，或組成如圖3、圖4所示的十二個電容并聯的多電容結構電容壓力傳感器，或組成如圖5所示的四個電容并聯的多電容結構電容壓力傳感器，或組成如圖6所示的六個電容并聯的多電容結構電容壓力傳感器。其中密封環13結構在真空系統中是經典常用結構。但是，除了以膠環密封環13連接外，也可以用焊接的方式相連，并聯兩個以上的電容壓力傳感器。

綜上所述，本實用新型讓兩個以上電容壓力傳感器可靠并聯，使電容變化量成倍增加，靈敏度成倍增加。在量程上限不變情況下，量程下限大幅向小微方向擴展。在真空測量方面具有重大突破。

將測量的量程相同和電容變化量相同，即規格相同的電容壓力傳感器的各引壓口有效連接到一個帶公共焊座引壓口9或并聯引壓口12上，電容壓力傳感器的定電極相連，在電極連接過程，引線10與其它導體的絕緣距離越大越好，位置要固定，以減少寄生與空間分布電容的影響，有屏蔽外殼。

眾所周知，兩個以上單個電容壓力傳感器相連，電容并聯后的電容壓力傳感器，新的電容，電容量是各個電容之和，電容的相對變化量也是成倍增加，靈敏度就成倍增加。量程上限與未并聯前的單個電容上限值相同，量程下限大幅向小微方向擴展。0～2kPa單個電容壓力傳感器，兩個并聯后，變為0～200Pa。如圖9、圖10所示六個這樣的電容壓力傳感器相并聯后，表壓（相對于大氣壓）量程上限仍為0～2kPa，下限為0～5Pa，絕對壓力（相對于真空）量程上限仍為絕對壓力2kPa，下限為絕對壓力10^-4Pa。十二個表壓上限量程為200Pa的電容壓力傳感器并聯后最低為：絕對壓力10^-6Pa。這是由系統信噪比決定的。實際情況是電容壓力傳感器，單個傳感器輸出≥1pF～100pF時才可以用。如1.1pF經放大處理后，對應的壓力值可有效經電路板放大轉換為標準電信號輸出。那么這1.1pF中大部分用去抵抗“噪聲”了。實測得知用于抵抗噪聲用去了1pF左右，那么用于放大輸出的有用信號為0.1pF。以此類推，對于表壓測量時，十二個電容壓力傳感器并聯后，最小為12×1.1pF/個=13.2pF；13.2pF-1pF=12.2pF。12.2pF與0.1pF相比是122倍。對于單個電容壓力傳感器輸出1.1pF的電容變化量時對應壓力值是200Pa時，十二個的最小測量值是：200Pa÷122≈1.6Pa。這個演示估算值與實測值為同數量級。

在絕對壓力測量中，由于大氣壓存在，電容絕對壓力傳感器不工作時，動電極1被壓向定電極方向。對于真空度測量的電容絕對壓力傳感器，量程比較小，動電極1為薄膜制作，厚度在30μm以下，被大氣壓壓在定電極上。真空度的測量是從大氣壓開始。隨著真空泵抽空氣的進行，動電極1從定電極逐漸離開。那么，壓力變化量在100kPa左右，動電極1位移量△d≈d₀（d₀為同幾何規格的電容表壓壓力傳感器不受壓時，動電極1與定電極間距）。這樣的電容絕對壓力傳感器與同幾何規格的表壓電容傳感器相比，電容變化量是幾倍與幾十倍的關系。那么電容絕對壓力傳感器，在測量真空度時，分辨率可達十萬分之一。同時，由于電容絕對傳感器的動電極與定電極之間為高真空，相對介電常數恒為1。而表壓時空氣的相對介電常數的溫度系數為-2×10^-6/℃；相對溫度變化加溫度變化影響，可達1%F.S左右；空氣的相對壓力的變化，如1個大氣壓至2MPa間可以變化6%。而電容絕對壓力傳感器，只與動電極1位移，即與壓力有關。因此，電容絕對壓力傳感器的分辨率更高，噪聲小，噪聲消耗的電容變化量小，量程下限更低。

上述十二個0～200Pa的表壓電容壓力傳感器并聯后的電容絕對壓力傳感器，可測到絕對壓力10^-6Pa，這在真空行業，解決了一直難以解決的老大難問題。一只傳感器，最少代替了兩只（從粗真空至高真空）傳感器。同時電容壓力傳感器的優點：測的是純壓力，與被測介質無關；精度高，可以是±0.1%F.S，分辨率高到十萬分之一；耐過壓，可以在幾個大氣壓不損壞；不用預熱；可以做到抗腐蝕；在大氣壓下就可以供電使用。以及壽命長，穩定性好，等等優點。完全可以代替熱偶、電離真空計。同時，可以用于微電子行業與濃縮鈾的離心機上等高精度小微壓力測量方面。這是一個革命性突破。