平行板干式電容壓力傳感器的制造方法

平行板干式電容壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種平行板干式電容壓力傳感器，解決了現有傳感器制作工藝要求比較難，不易滿足精密測控壓力要求，成品率低等問題，包括殼體，組裝殼體內的平面板式定電極、動電極，其技術要點是：定電極的藍寶石絕緣子與焊接塊通過銀銅釬焊層固定連接，絕緣子底面真空鍍接平面金屬電極、絕緣層；由膜片與電極板的底部整面固定成的動電極，與定電極平行設置在由支撐套和連接座封接的腔體內，支撐套和連接座分別接觸膜片邊緣波紋的上、下波峰；各配件之間通過刃口焊接。其結構設計合理，制作工藝簡單，材料來源廣，加工質量好，平行板電極線性優，與同類產品相比，同樣厚的膜片，量程精度高，抗震性能穩定，耐腐蝕，顯著提高生產效率和使用壽命，降低制造成本。
【專利說明】
平行板干式電容壓力傳感器
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于測量介質壓力的干式電容傳感器，特別是一種能夠滿足具有一定耐腐蝕性和抗核輻射性，高精度、高可靠性等要求的精密測控壓力場所用的純平行板干式電容壓力傳感器。它適用于測量氣體介質的微小壓力、絕對微小壓力。
【背景技術】
[0002]目前，可用于測量敏感的鈾濃縮和其他需要精密測控壓力的場所，大多采用干式電容傳感器。盡管國內、外有上百種干式電容傳感器，但是在行業使用有代表性的是美國MKS公司生產的產品(結構原理如圖4、5所示)，它是干式電容絕對微壓力傳感器。其結構包括:由外殼蓋19、定電極外殼14和外殼座16構成的殼體，組裝在殼體內的拋物面定電極和膜片式動電極15等件。其中外殼蓋19上通過玻璃絕緣子20封裝有電極引線21，拋物面定電極的帶內電極22的陶瓷絕緣子13組裝在定電極外殼14內，陶瓷絕緣子13的拋物面形凹面真空涂鍍有拋物面金屬膜層17和拋物面絕緣層18，膜片式動電極15用定電極外殼14與外殼座16壓住繃緊拉伸。它的工作原理是:當氣體壓力從外殼座16的引壓口進入后，作用到膜片式動電極15上，將膜片式動電極15壓向定電極，使膜片式動電極15與拋物面定電極之間的電容發生變化，通過內電極22，經過玻璃絕緣子20上的電極引線21輸出電信號。再經過控制電路放大處理后，輸出標準高電平信號，即獲得測量介質的絕對微壓力。
[0003]該干式電容絕對微壓力傳感器的制作過程簡述如下:
步驟一制作定電極，在陶瓷絕緣子13上真空燒結內電極22，加工出拋物面形凹面后真空涂鍍拋物面金屬膜層17和拋物面絕緣層18，制成拋物面定電極；
步驟二制作鎳基高溫合金(Inconel X-750)材質的定電極外殼14、外殼座16、外殼蓋19，然后進行加熱、時效處理；
步驟三在外殼蓋19上燒制玻璃絕緣子20、封裝電極引線21，采用條件嚴格的工藝進行燒結，各件相互間呈現壓封態勢。這在工藝上要求比較嚴格，稍有不慎，就要炸裂。實際上，玻璃在封口上不是滿孔的，一旦平孔或者露出被封的孔，就非炸裂不可。
[0004]步驟四制作膜片式動電極15，選用厚度在ΙΟΟμπι的Inconel Χ-750合金帶材，經多方向碾乳成20μπι厚的平膜片。在乳制過程，每乳一次后，就要在真空中退火一次，保持一定溫度進行時效處理。否則就乳不動，或者乳的不均勻。對于彈性處理，就是迅速冷卻，一般要用液氮冷卻了的氦和氬。Inconel Χ-750是沉淀型超級不銹鋼，工藝處理比Hastelloy麻煩。因為它在不同溫度會發生相變。
[0005]步驟五對熱處理的膜片式動電極15與定電極外殼14、外殼座16—起上模具繃緊拉伸，用定電極外殼14、外殼座16壓住始終繃緊拉伸的膜片式動電極15，切去多余的部分將三者焊到一起，放入高真空下加溫處理。玻璃絕緣子20與定電極外殼14的材料的膨脹系數是不匹配的，只好選用裝配式結構。這就決定了其使用的溫區比較窄，僅限于O?50°C ;
步驟六用導線連接內電極22與電極引線21，高真空下用電子束將定電極外殼14與外殼蓋19焊到一起，同時形成高真空腔室，制成干式電容絕對微壓力傳感器。
[0006]美國MKS公司的上述傳感器，由于是按嚴格的工藝條件生產出的產品，對于O?1kPa的傳感器量程，膜片厚可以達到20μπι，對O?IkPa量程，膜片厚可以實現5μπι，所以其量程精度高，可以實現±0.5%F.S以上，穩定性達到±0.1%/年。因其具有耐腐蝕、耐核輻射功能，可用于敏感的鈾濃縮和其他精密測控方面，故歐美對我國實施嚴格禁運。
[0007]雖然這類干式電容傳感器的量程精度高，但在使用中也存在一定的問題:
首先，它的膜片式動電極15是不帶波紋的平膜片，對著拋物面定電極是在陶瓷絕緣子13上加工成接近拋物面，再鍍拋物面金屬膜層17和拋物面絕緣層18。工作時，作為動電極的平膜片是以變化著的拋物面對確定的定電極的拋物面，膜片的變形線性不好，不容易與定電極相匹配，非線性太大；
其次，在制作上始終要對膜片式動電極15進行拉伸繃緊焊接，如果焊接后沒有繃緊，就報廢了，成品率低，造價高；
還有，量程靠傳感器直徑和膜片厚度來決定，如膜片厚5μπι，微小量程可為O?IkPaJS只能用不到I年。如果是用于濃縮鈾離心機上，還有一定的泄漏危險。因膜片不僅要薄而有恒彈性，還要有耐腐蝕的厚度，互相矛盾。由此可見，膜片薄了，量程可以小，但處理工藝難，并且在有腐蝕介質時相對壽命短。另外，現有的傳感器用高鋁陶瓷，對所用材料要求嚴，不能含氣。
[0008]據專利文獻報導，當前國內制造水平無法實現這種要求嚴格的焊接與繃緊工藝，還生產不出上述高精度的干式電容傳感器產品。例如:申請公布號為CN102944352A的“可增強電極板穩定性的電容薄膜式壓力傳感器”中，公開的技術方案是:定電極的電極板是靠像車輪上的轂支在傳感器機架上的。該傳感器產生的缺陷主要是:因這個轂一定要膨脹和收縮的，在外部振動影響下，轂也要相對機架、薄膜產生振動，故都要影響到傳感器的精度和質量。測量時，當薄膜與電極板在無壓時，是平行的，當有壓時，要形變，呈拋物線形變化，SP漸變的拋物面對平面(MKS是見漸變的拋物面對拋物面)。這樣，就會產生比較大的非線性，當過量程時，由于薄膜無約束、無依靠，所以會損壞薄膜。
[0009]專利公告號為CN201622147U的“一體化電容式壓力傳感器”，記載的結構是個組裝式簡易傳感器，專用于血壓計。它的定電極是固定片，動電極是動片，動片中心與波紋片中心壓焊到一起。這個波紋片外緣一面焊到底座(兼引壓口)上，形成一個彈性腔，底座帶著波紋片與定片分別用三只支架固定在屏蔽罩內，還有電路部分也包括在內。因此，其存在的問題是:1、因這個支架是分布式的，在外界影響下很難同步變化，故間距形變大，不會穩定。
2、動片與膜片式中心相連，波紋片波紋不受限制，變化很難均勻，不能保證動片與定片之間平行。波紋片上限不定，在大壓力過載時，易變形，損壞。3、定片與動片間是自由空氣，不能保證每次進出干燥一致，電容不確定，決定了傳感器的量程精度很低。4、不能測量絕壓。5、除血壓用外，幾乎不能它用。

【發明內容】

[0010]本發明的目的是提供一種平行板干式電容壓力傳感器，解決了現有干式電容傳感器制作的工藝要求比較難與嚴，不容易滿足精密測控壓力要求，成品率低，造價高等問題，其結構設計合理，制作工藝簡單，材料來源廣，加工容易質量好，平行板電極線性優，與同類產品相比，同樣厚的膜片，量程精度高，抗震性能穩定，且耐腐蝕，顯著提高生產效率和使用壽命，降低制造成本。
[0011]本發明所采用的技術方案是:該平行板干式電容壓力傳感器包括殼體，組裝在殼體內的平面板式定電極和平面板式動電極，其技術要點是:所述平面板式定電極的封接有引出電極的藍寶石絕緣子與作為外殼的焊接塊，通過銀銅釬焊層固定連接在一起，在藍寶石絕緣子修整的底面真空鍍接平面金屬電極和平面絕緣層；由恒彈性合金波紋膜片與電極板的底部整面固定連接構成的平面板式動電極，與平面板式定電極相互平行設置在由恒彈性支撐套和恒彈性連接座封接的高氣密性腔體內，藍寶石絕緣子與恒彈性支撐套之間設置有平面板式動電極移動的伸縮空間，并使恒彈性支撐套和恒彈性連接座分別接觸恒彈性合金波紋膜片環繞在電極板外周邊緣波紋的上波峰或下波峰;外殼的恒彈性支撐套與恒彈性連接座之間或恒彈性支撐套與焊接塊之間通過消應力刃口焊接。
[0012]通過所述銀銅釬焊層固定連接在一起的藍寶石絕緣子與焊接塊之間還設置密封填充材料層。
[0013]與所述電極板的底部整面固定連接的恒彈性合金波紋膜片，選用傳感器量程為O?1kPa的軟態下對定形波形進行恒彈性處理的膜片，膜片厚度為80μηι?ΙΟΟμπι。
[0014]本發明具有的優點及積極效果是:由于本發明采用的由恒彈性合金波紋膜片與電極板的底部整面固定連接構成的動電極、與焊接塊通過銀銅釬焊層固定連接的藍寶石絕緣子作定電極均是平面板式結構，并且絕緣子用藍寶石材料制作，既使在10—12Pa真空下，也不放氣;絕緣子與焊接塊的金屬膨脹系數匹配，用銀銅釬焊層高真空下實現高氣密性封裝，全焊接，所以其結構設計合理，制作工藝簡單，材料來源廣，加工容易質量好。另外，因在平面板式定電極的藍寶石絕緣子修整的底面真空鍍接平面金屬電極和平面絕緣層，平面板式動電極采用恒彈性合金制作的波紋膜片，電極板整面與恒彈性合金波紋膜片焊接，恒彈性合金波紋膜片在靠邊緣有多道波紋，故便于恒彈性合金波紋膜片拉伸與移動。同時，將恒彈性合金波紋膜片波紋上、下波峰，用配件恒彈性支撐套、恒彈性連接座加以限制，抗震，保證動電極只能按軸向運動，實現高穩定性，有效地減少了外部振動的影響。這種平行板式電極的線性優，與同類產品相比，同樣厚的恒彈性合金波紋膜片量程精度高，且耐腐蝕，顯著提高生產效率和使用壽命，降低制造成本。傳感器的量程由膜片的直徑與厚度、波紋形狀、數目決定，這在儀表行業加工經驗、工藝比較成熟。恒彈性合金波紋膜片波形可以在軟態下定形，再進行恒彈性處理。在焊接過程中，由于結構和焊接工藝，都不影響膜片的彈性和質量。對于能耐住I個大氣壓的膜片，厚度80μπι，恒彈性，可實現絕對零至IkPa的量程。精度可達到±0.1%F.S。藍寶石絕緣子與恒彈性支撐套之間設置有平面板式動電極移動的伸縮空間，使得平面板式動電極、定電極相互平行設置在由恒彈性支撐套和恒彈性連接座封接的高氣密性腔體內，并能將恒彈性支撐套和恒彈性連接座分別接觸恒彈性合金波紋膜片環繞在電極板外周邊緣波紋的上波峰或下波峰，可以確保平面板式動電極只能按軸向運動。外殼的恒彈性支撐套與恒彈性連接座之間或恒彈性支撐套與焊接塊之間通過消應力刃口焊接(一般氬弧焊、激光焊、等離子束焊都行)，只要焊接塊與恒彈性支撐套的材料能相兼容形成穩定合金就行，膨脹系數不同產生應力，靠焊口的刃口緩沖。目前，選用的同介質接觸的材料是比Inconel X-750更好的Hastel1y C_276(抗腐蝕合金含媽的鎳絡鉬合金)等合金制作。包括恒彈性合金波紋膜片在內，恒彈性支撐套、恒彈性連接座等都在焊接前處理好，焊完不再處理，生產效率極高。對于測量介質的不同，又不用對恒彈性合金波紋膜片進行拉伸，材料來源廣，有好多材料可供選擇。同時行業加工經驗、工藝比較成熟，合作伙伴很多，配件加工、工藝都簡單化了。因為恒彈性合金波紋膜片帶有波紋，同樣厚度量程可以很小，反過來說，對于同樣量程，厚度可以是MKS現有產品的膜片幾倍厚。厚的膜片好制作，并且耐腐蝕。如量程O?1kPa時，膜片厚度可以是80μπι?ΙΟΟμπι;膜片穩定性好，傳感器精度高。如對于50μπι的膜片，如量程O?50Pa、絕對零至50Pa都可以實現± 0.1%F.S以上精度。焊接時，讓恒彈性合金波紋膜片波紋接觸上下焊接件恒彈性支撐套、恒彈性連接座的內平面，不用拉伸、不用二次繃緊，工藝簡單。因此，本發明解決了現有干式電容傳感器制作的工藝要求比較難與嚴，不容易滿足精密測控壓力要求，成品率低，造價高等問題。
【附圖說明】
[0015]以下結合附圖對本發明作進一步描述。
[0016]圖1是本發明的一種結構示意圖；
圖2是圖1的I部放大結構示意圖；
圖3是圖1的Π部放大結構示意圖；
圖4是現有技術的一種結構示意圖；
圖5是圖4的m部放大結構示意圖。
[0017]圖中序號說明:I引出電極、2藍寶石絕緣子、3銀銅釬焊層、4恒彈性支撐套、5恒彈性合金波紋膜片、6恒彈性連接座、7電極板、8平面金屬電極、9平面絕緣層、10焊接塊、11密封填充材料層、12刃口、13陶瓷絕緣子、14定電極外殼、15膜片式動電極、16外殼座、17弧面金屬膜層、18弧面絕緣層、19外殼蓋、20玻璃絕緣子、21電極引線、22內電極。
【具體實施方式】
[0018]根據圖1?5詳細說明本發明的具體結構。該平行板干式電容壓力傳感器包括殼體，組裝在殼體內的平面板式定電極和平面板式動電極等零部件。其中殼體包括作為外殼的焊接塊10、恒彈性支撐套4和恒彈性連接座6。平面板式定電極的藍寶石絕緣子2封接有引出電極I，藍寶石絕緣子2與焊接塊10通過銀銅釬焊層3固定連接在一起。由于銀銅釬焊層3焊接面積相對較大，為了實現100%的成品率，在通過銀銅釬焊層3固定連接在一起的藍寶石絕緣子2與焊接塊10之間，還要設置密封填充材料層11來補救。密封填充材料層11 一般情況下不用，只有在銀銅釬焊層3出問題時，才應急使用。在藍寶石絕緣子2修整的底面真空鍍接平面金屬電極8和平面絕緣層9。由恒彈性合金波紋膜片5與電極板7的底部整面固定連接構成的平面板式動電極，與平面板式定電極相互平行設置在由恒彈性支撐套4和恒彈性連接座6封接的高氣密性腔體內。本實施例中，由于厚的膜片好制作，膜片厚了耐腐蝕的壽命就長一些，所以與電極板7的底部整面固定連接的恒彈性合金波紋膜片5，選用傳感器量程為O?1kPa的軟態下對定形波形進行恒彈性處理的膜片，膜片厚度優先制作為80μηι?ΙΟΟμπι。藍寶石絕緣子2與恒彈性支撐套4之間設置有平面板式動電極移動的伸縮空間，并使恒彈性支撐套4和恒彈性連接座6分別接觸恒彈性合金波紋膜片5環繞在電極板7外周邊緣波紋的上波峰或下波峰。恒彈性合金波紋膜片5有了波紋，位移就不是硬性拉伸，而是靠“折疊”起來的膜片的彈性形變，線性好，彈性更持久。膜片彈性形變容易了，厚度就可以相對厚一些，厚了制作就容易，熱處理變形小，抗損傷。更重要的是，化學腐蝕程度是隨著厚度變化，越厚就越耐腐蝕。同時，任何材料都有一定泄漏率。也與厚度有關。膜片厚焊口處就厚，長期密封性就好一些。制成的傳感器，特別是絕對壓力傳感器，壽命就長。另外，膜片彈性事先預制，焊接時不再拉伸，焊后也不再處理，制作簡單，造價低。因焊接時，讓恒彈性合金波紋膜片5的波紋接觸上、下焊接件恒彈性支撐套4、恒彈性連接座6的內平面，不用拉伸、不用二次繃緊，故制作工藝簡單。外殼的恒彈性支撐套4與恒彈性連接座6之間或恒彈性支撐套4與焊接塊10之間通過消應力刃口 12焊接。刃口 12的規格形狀宜優先選用圖3所示的加工尺寸。只要焊接塊10、恒彈性支撐套4、恒彈性連接座6的材料能相兼容形成穩定合金就行，膨脹系數不同焊接時產生的應力，可以靠焊口的刃口 12緩沖。因此，其使用溫區范圍廣，可以在低溫-55°C至高溫200°C之間使用。
[0019]本發明具體制作工藝過程是:
步驟一制作平面板式定電極
首先加工出如圖1所示的端面平行的藍寶石絕緣子2和焊接塊10，在焊接塊10的焊口處加工出刃口 12。藍寶石絕緣子2選用α—Al2O3單晶，柱面晶向是垂直C軸方向，使得釬料封接大的平面的線膨脹系數為7.6X10—6/°C，以利于選擇10焊塊的材質。焊接塊10材料可選用3J1或3J53合金制作，線膨脹系數約為7.5 X 10—6/°C，引出電極I可選用鉑絲，直徑0.8?
0.5mm，亦可選用鈾管，直徑0.8?1.0mm，罐壁厚度0.1?0.3mm，也可以選鈦絲與鈦管，規格同鉑絲或鉑管。用管狀銀銅焊料套在引出電極I外，插入藍寶石絕緣子2中心孔上，通過銀銅釬焊層3將藍寶石絕緣子2與焊接塊10焊接；
然后采用車削焊接塊10的上端平面和溢出的銀銅釬焊層3的方法，使與藍寶石絕緣子2上、下端平面保持平行。最后在藍寶石絕緣子2表面真空鍍膜，制作平面金屬電極8的金屬膜層，使平面金屬電極8與引出電極I相連接后，在平面金屬電極8上真空鍍平面絕緣層9。一般鍍S1或Al2O3膜層，金屬膜層與絕緣層都在Ιμπι左右，制成平面板式定電極。
[0020]步驟二制作配件恒彈性支撐套4和恒彈性連接座6
按設計要求，以藍寶石絕緣子2的規格尺寸，配做恒彈性支撐套4，以便在藍寶石絕緣子2與恒彈性支撐套4之間留出確保平面板式動電極移動的伸縮空間。選用彈性好、耐腐蝕的Inconel Χ-750合金或Hastelloy C-276合金等材料，在恒彈性支撐套4的焊口處加工出刃口 12。如圖3所示。機加工成形后，進行沉淀與時效處理后，同批抽檢其硬度。恒彈性連接座6的選材和處理工藝同恒彈性支撐套4。
[0021]步驟三制作平面板式動電極
對于平面板式動電極用的恒彈性合金波紋膜片5，可以選擇耐腐蝕好的Hastelloy C-276合金，根據傳感器量程，如O?I OkPa時，厚度選在80μπι?ΙΟΟμπι，最薄用50μπι，加工出圓形片(軟態)，用波紋模具壓出波紋。波紋總高在1.9mm左右，波距2.5mm左右。選用小的波紋，一般選用Φ60?Φ40內4個波均布。壓完波紋后，進行真空下加高溫，再充氬氣速冷淬火；
對于平面板式動電極用的電極板7，為便于焊接和熱處理，一般選材盡可能同恒彈性合金波紋膜片5的材質相同。車削后淬火，雙面磨平。采用銀銅釬焊，將電極板7整面與恒彈性合金波紋膜片5裝石墨模在真空下焊到一起。亦可以用滾焊方式將恒彈性合金波紋膜片5與電極板7整面焊到一起。
[0022]步驟四組裝焊接
首先將焊接有藍寶石絕緣子2的焊接塊10與恒彈性支撐套4，通過二者焊口處的刃口 12焊接在一起。再將帶有恒彈性合金波紋膜片5的電極板7，與焊口處加工有刃口 12的恒彈性支撐套4、恒彈性連接座6焊接在一起，可以用氬弧焊、激光焊、等離子焊、電子束焊等方式焊接。為了防止波紋膜片振動，恒彈性支撐套4、恒彈性連接座6的內平面與恒彈性合金波紋膜片5的波紋接觸面，稍微壓著點波紋。由于恒彈性合金波紋膜片5位移量大，壓著點兒也不影響測量精度。以此加工方法制成的傳感器穩定性好，這一點非常重要。把引出電極I用細管制作時，焊完全部結構再抽真空是最省錢的。抽成高真空壓結細管，也能封住，可省2/3的工藝費用。如果制作的是表傳感器，此管連接背壓薄膜(工藝詳見專利公開號為CN104215383A的“內置平衡腔室的薄膜隔離型表壓傳感器”)。
[0023]以上就是實施本發明的一種具體制作工藝過程。
【主權項】
1.一種平行板干式電容壓力傳感器，包括殼體，組裝在殼體內的平面板式定電極和平面板式動電極，其特征在于:所述平面板式定電極的封接有引出電極的藍寶石絕緣子與作為外殼的焊接塊，通過銀銅釬焊層固定連接在一起，在藍寶石絕緣子修整的底面真空鍍接平面金屬電極和平面絕緣層；由恒彈性合金波紋膜片與電極板的底部整面固定連接構成的平面板式動電極，與平面板式定電極相互平行設置在由恒彈性支撐套和恒彈性連接座封接的高氣密性腔體內，藍寶石絕緣子與恒彈性支撐套之間設置有平面板式動電極移動的伸縮空間，并使恒彈性支撐套和恒彈性連接座分別接觸恒彈性合金波紋膜片環繞在電極板外周邊緣波紋的上波峰或下波峰;外殼的恒彈性支撐套與恒彈性連接座之間或恒彈性支撐套與焊接塊之間通過消應力刃口焊接。2.根據權利要求1所述的平行板干式電容壓力傳感器，其特征在于:通過所述銀銅釬焊層固定連接在一起的藍寶石絕緣子與焊接塊之間還設置密封填充材料層。3.根據權利要求1所述的平行板干式電容壓力傳感器，其特征在于:與所述電極板的底部整面固定連接的恒彈性合金波紋膜片，選用傳感器量程為O?1kPa的軟態下對定形波形進行恒彈性處理的膜片，膜片厚度為80μηι?ΙΟΟμπι。
【文檔編號】G01L9/12GK105910751SQ201610410072
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月13日
【發明人】段磊, 郁楠
【申請人】沈陽市傳感技術研究所