采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器的制作方法

本实用新型涉及一种用于测量微小压力、绝对微小压力的电容压力传感器，特别是一种采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，尤其适用于有一定腐蚀性的介质的微小压力、绝对微小压力的高可靠性、高精度测量。

背景技术：

众所周知，基于平行板电容原理的电容压力传感器，对于测量微小压力和微小绝对压力，特别是测量有一定腐蚀性的介质，具有绝对优势。

由于受到制作材料的影响，现有的产品，通常采用装配式定电极的结构，如图5～图6所示的美国MKS公司的一款有代表性的产品。该具有装配式定电极结构的电容压力传感器，包括带引压口的下夹持环16、动电极17、兼外壳的上夹持环18、定电极95陶瓷绝缘体19、上盖20、金属复合管21、吸气剂室22、玻璃封电极23、锥形弹簧24、碟形压簧25、压簧下垫片26、螺母27、平垫28、三足垫片29、导电螺钉30、测量电极31、测量电极导电螺钉孔32、参考电极33、参考电极导电螺钉孔34、聚酯膜层35。其定电极95陶瓷绝缘体19呈圆片状，在两平行面上，用厚膜电路工艺制作出了厚膜的测量电极31、参考电极33，利用导电螺钉30、平垫28、螺母27，将定电极95陶瓷绝缘体19正面测量电极31与参考电极33分别引到背面各自的欧姆接触膜层上，制作了定电极；用Inconel X-750，制作20μm（对于0.1Torr量程的真空规）厚的薄膜动电极17。薄膜动电极17用兼外壳的上夹持环18和带引压口的下夹持环16夹持焊接固支，这两个配件同样是Inconel X-750制作。定电极95陶瓷绝缘体19，靠碟形弹簧25、压簧下垫片26、三足垫片29，压封在兼外壳的上夹持环18上。定电极95陶瓷绝缘体19与外壳间留有一定间隙，相对于间隙，定电极95陶瓷绝缘体19不一定是中心对称的。它与薄膜动电极17间留有200μm左右的间隙，留给薄膜动电极17受压形变用。定电极95陶瓷绝缘体19与薄膜动电极17之间垫有4mm左右的Inconel X-750叠加区。固定施压碟形弹簧25的上盖20是焊接在兼外壳的上夹持环18上的，上盖20上焊有抽真空用的内铜外不锈钢的金属复合管21，当参考室抽到高真空后，用机械压封此管，实现密封；上盖20上焊有吸气剂室22，室内充以高温激活吸气剂；上盖20上焊有两个玻璃封电极23，玻璃封电极23上分别固定有锥形弹簧24，靠压力接触定电极95陶瓷绝缘体19上的与参考电极33和测量电极31相连接的欧姆接触膜层接触，实现电容的电学导通。

但美国MKS公司的这款产品仍存在如下问题：1、电路复杂，麻烦。2、因动电极形变与定电极面形不匹配，使定电极有效面积用于测量电极的部分减少，输出电容变化量小。3、整个传感器必须在恒温下工作才行。4、量程范围窄，使传感器量程范围减少了50%以上。5、制备工艺复杂，生产效率低。6、抽气时间太长，真空度不高。7、真空度相对维持困难，长期稳定性不好，因此，在该产品上设有零点电位器，但必须在高的真空下调零点，然而调零点的操作在应用中非常费时，也太麻烦，甚至有时根本无法实现。

本申请人为解决上述问题，申请了一种“电极单端悬浮的电容压力传感器”，公开号为CN107907263 A。如图3～图4所示，其包括下夹持悬浮座1、双面镀贵金属的动电极2、连体屏蔽环3、薄壁刃口焊口4、动电极刃口焊口5、上夹持环6、定电极悬浮外壳7、钎焊口11、蓝宝石绝缘体13、导电膜层14、管式电极15。由于动电极采用恒弹性金属制作的双面镀贵金属层的动电极2；定电极绝缘体采用蓝宝石单晶制作的蓝宝石绝缘体13，下夹持悬浮座1、上夹持环6、双面镀贵金属层的动电极2和动电极刃口焊口5，相互结合在一起构成带有刃口薄壁端的动电极单端悬浮结构体；封接有管式电极的蓝宝石绝缘体13、钎焊层11和底部有连体屏蔽环3的定电极悬浮外壳7，相互固定在一起构成带有刃口薄壁端的定电极单端悬浮结构体，定电极单端悬浮结构体的带有刃口薄壁端与动电极单端悬浮结构体的带有刃口薄壁端，利用悬浮结构体刃口焊口焊接在一起，同时使上夹持环6顶部及外周壁与定电极悬浮外壳7相对应的内壁之间保持间隙，上夹持环6内周壁与蓝宝石绝缘体13相对应的外周壁之间保持间隙，组成动、定电极单端悬浮的电容压力传感器。其结构简单，设计合理，定电极绝缘体采用蓝宝石绝缘体，由α-Al2O3单晶制作而成，几乎不放气，它与钛、3J53恒弹性合金的膨胀系数十分匹配，用银铜焊料或含金的银铜焊料，高真空下，钎焊到一起，形成膨胀系数匹配的高气密性结构体，保证了操作时抽真空快、放气少、真空度的形成和稳定性好。另外，电极单端悬浮的结构设置保证了传感器温度漂移大幅减小，显著提高测量精度，与同样量程及用途的同类产品相比，完全避免测量介质温度变化及机械冲击对动、定电极的膨胀系数不匹配的影响，解决了动、定电极的材料膨胀系数不同引起的测量误差的问题。

但上述采用了“蓝宝石绝缘体”的电极单端悬浮的电容压力传感器仍有如下不足：

1、蓝宝石单晶的生长、加工，比金属困难很多，相对于金属，其材料来源较窄，蓝宝石配件一般要专门研制且一般要到国外定货才行；

2、作为定电极整个的蓝宝石绝缘体，材料的造价太高；

3、蓝宝石绝缘体需采用专用设备和金刚石刀具加工，甚至还要精密研磨和精密抛光才行，需要采用金刚石粉作为研磨材料，价格高，加工工序也复杂，加工费用太高；

4、蓝宝石绝缘体作为定电极绝缘体，形成定电极时需要制作金属化电极（打孔、孔的金属化）、导电膜层、覆盖导电膜层的绝缘膜层，定电极结构复杂、造价高；

5、受蓝宝石绝缘体材料造价、加工费用和加工工序影响，整个传感器的生产效率低，生产成本高；

6、蓝宝石绝缘体作为定电极绝缘体时，与定电极悬浮外壳的封接直径大，定电极的悬浮度小，受定电极悬浮外壳等外因影响大。本申请是为克服上述不足而提出的。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了提供一种结构合理、使用可靠的采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，不仅消除了由于膨胀系数不同造成的温度漂移，解决了动、定电极的材料膨胀系数不同引起的测量误差的问题，而且真空度的形成和稳定性好，相较于现有的“电极单端悬浮的电容压力传感器”, 极大的提高了生产效率，降低了生产成本。

本实用新型的技术方案是：

一种采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，包括利用薄壁刃口相对焊接的定电极单端悬浮结构体和动电极单端悬浮结构体，定电极单端悬浮结构体包括定电极悬浮外壳、封接于定电极悬浮外壳顶部的定电极，动电极单端悬浮结构体包括带引压口的下夹持悬浮座、上夹持环、夹持固支于带引压口的下夹持悬浮座和上夹持环之间的动电极，下夹持悬浮座的上表面和上夹持环的下表面分别设有与动电极受力形变匹配的抛物凹面以及位于抛物凹面外周的环形固支平面，上夹持环上端为不受约束自由端，其技术要点是：所述定电极为一体式金属定电极，其由盘状金属下结构体和柱状金属上结构体组成，所述盘状金属下结构体的下端为不受约束自由端且底面设有与动电极受力形变匹配的抛物凹面形定电极面，且抛物凹面形定电极面上设有绝缘膜层，所述柱状金属上结构体的上端外周利用含金的银铜合金焊料钎焊有蓝宝石环，所述蓝宝石环的外周与定电极悬浮外壳顶部开设的通孔利用含金的银铜合金焊料钎焊在一起，所述盘状金属下结构体的顶面与定电极悬浮外壳的顶部内壁之间留有间隙，所述盘状金属下结构体的外周面与上夹持环的内环面之间留有间隙，所述定电极悬浮外壳和金属定电极分别采用与蓝宝石环的热膨胀系数相同或匹配的恒弹性合金制作而成，所述定电极悬浮外壳和金属定电极表面镀金。

上述的采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，所述金属定电极的柱状金属上结构体的直径为6mm～20mm。

上述的采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，所述蓝宝石环的内径为6.2mm～20.2mm，外径为10mm～25mm，所述蓝宝石环的高度在3mm～5mm，小于定电极悬浮外壳的用于与蓝宝石环封接的通孔的高度,以利于钎焊。

上述的采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，所述定电极单端悬浮结构体的制作过程具体是：

第一步，在真空室内，按位置关系将金属定电极、蓝宝石环和定电极悬浮外壳利用石墨卡具夹持固定，保持三者的同轴度，定电极悬浮外壳的用于与蓝宝石环封接的通孔内壁与蓝宝石环的外壁之间留有≤0.1mm的环形钎焊间隙，蓝宝石环的内壁与金属定电极的柱状金属上结构体的外壁之间留有≤0.1mm的环形钎焊间隙；

第二步，在1×10^-4Pa以上的高真空下，在石墨卡具中，采用含金的银铜合金焊料，于780℃～820℃温度下在钎焊间隙处进行钎焊焊接形成钎焊口，从而将金属定电极、蓝宝石环和定电极悬浮外壳封接为一体，使金属定电极单端悬浮，完成定电极单端悬浮结构体的制作。

上述的采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，所述金属定电极和定电极悬浮外壳的材质分别为3J1或3J53或TC19。

上述的采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，所述动电极采用恒弹性合金制作的双面镀贵金属层的薄膜动电极。

上述的采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，所述下夹持悬浮座和上夹持环的对接刃口处经过焊接形成动电极刃口焊口，所述定电极悬浮外壳和下夹持悬浮座的对接处分别对应设有薄壁刃口，二者的薄壁刃口对接焊接形成薄壁刃口焊口，从而形成定、动电极相对悬浮的状态，所述薄壁刃口焊口与动电极刃口焊口位于同一平面内，所述定电极悬浮外壳底部对应薄壁刃口焊口与动电极刃口焊口之间的位置设有连体屏蔽环，以屏蔽焊接薄壁刃口时产生的等离子弧，所述下夹持悬浮座的上表面对应连体屏蔽环的位置设有悬浮凹槽，连体屏蔽环悬浮于槽中。

上述的采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，所述定电极悬浮外壳的顶部设有与其内部相通的背压引管，用作表压测量时的大气压引入口；或用作绝对压力测量时，与吸气剂室相连，并分出抽真空管口，边抽真空边高温激活吸气剂，抽至高真空状态，而后封闭抽真空管口。

上述的采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，所述动电极单端悬浮结构体的制作过程具体是：选择动电极材质，利用径向同性碾轧方法，按量程要求制作15μm～50μm厚的金属薄膜；利用石墨表面生长有碳化硅膜层的卡具夹持金属薄膜，根据材质特性，进行相应的固溶和时效处理；利用经液氮冷却后的氦气或氩气对金属薄膜进行快冷、淬火，使其呈恒弹性；按被测介质的不同，在金属薄膜的两面选择镀金，镀钌、镀铱贵金属层，膜厚≤1000Å；将镀贵金属层后的金属薄膜用计量胀紧装置胀紧，对其胀紧度加压计量，将薄膜的位移转换成电容值，放大读取，反馈调整膜的胀紧度，达到设定值后，将带着被胀好薄膜的胀紧装置，移至液压车床上；利用液压车床将上夹持环与下夹持悬浮座中心对称夹紧到胀好了的薄膜上，由夹持处外周与计量胀紧装置的间隙处把金属薄膜环切开，然后移开计量胀紧装置；车削掉夹持处外周的多余薄膜，在氩气保护下用氩弧焊或激光焊，将下夹持悬浮座和上夹持环的对接刃口焊接在一起形成动电极刃口焊口，将动电极焊接固支，形成动电极单端悬浮结构体。

本实用新型的有益效果是：

1、材料来源广。蓝宝石单晶的生长、加工，比金属困难很多，再好的恒弹性合金的生产和加工也比蓝宝石容易的多，如TC19钛合金、3J53恒弹性合金，在市场上就可以买到，而蓝宝石配件一般要专门研制，通常要到国外定货才行。

2、金属定电极的价格相对较低，仅为蓝宝石的1/10左右，大大降低了制作成本。

3、金属定电极加工容易，使用普通机床和普通刀具就可以加工出极精致的配件，而蓝宝石和陶瓷，一般要用专用设备和金刚石刀具，甚至还要采用金刚石粉精密研磨和精密抛光才行，与蓝宝石比，金属定电极大大节省了加工费用。

4、采用金属定电极，只在对应着动电极的电极表面覆盖绝缘膜层就可以了，而在蓝宝石绝缘体上制作电极，要分别做金属化电极（打孔、孔的金属化）、导电膜层、覆盖导电膜层的绝缘膜层，不仅结构复杂，而且造价高，金属定电极减化了加工工序，节省了加工成本，极大的提高了生产效率。

5、虽然金属定电极采用蓝宝石环将定电极悬浮外壳（动电极）与金属定电极隔离，但使用的蓝宝石极少，是制作定电极蓝宝石绝缘体的1/20左右，价格也是其1/20左右，且加工容易，不影响整个传感器的加工效率和生产成本的节省。

6、整个传感器的生产效率是采用蓝宝石绝缘体时（现有电极单端悬浮的电容压力传感器）的5倍以上，价格却降至不到1/3。

7、由于金属定电极的柱状金属上结构体与蓝宝石环封接，故封接直径小，显著提高了定电极的悬浮度，因此受外因影响小。

8、由于定电极悬浮外壳和金属定电极表面镀金，与蓝宝石环封接时采用含金的银铜合金焊料钎焊封接，所有金属表面及焊口都有金的存在，有效的减少了物理吸附，防止了产生化学吸附；而且金也能阻止含氢化合物在外壳及金属定电极、焊口处，因催化、电化学反应而产生氢和氢离子，并且阻止氢及氢离子的扩散性进入，有效的减少或取消吸气剂的使用。

9、由于定电极悬浮外壳和金属定电极表面镀金，用含金的银铜合金钎焊焊料，使钎焊焊口气密性提高到与大块固体材料一样的气密性。这是因为，金能使金属表面不产生氧化、氮化层；且金与蓝宝石扩散性结合好，从而使钎焊合金与金属，与蓝宝石在其表面浅层融合，形成致密焊接层。

10、由于采用微小间隙柱面钎焊结构，且有金的存在，封接面上无氧化和氮化层，银铜合金焊料熔化后，靠液体的表面张力，被充实地吸入封接间隙中，不会产生缺陷，封面均匀可靠，使真空度的形成和稳定性好，使用寿命长。

11、采用了金属定电极的定电极单端悬浮结构体与动电极单端悬浮结构体利用薄壁刃口相对焊接，形成薄壁刃口焊口，而薄壁刃口焊口有效缓解了焊接应力与热膨胀应力，并靠其焊口的系留作用，使不匹配的表面镀金的定电极悬浮外壳与带引压口的下夹持悬浮座，在发生温度变化时，各自膨胀收缩向非焊口方向产生位移，从而使定动电极的相对位置不变，消除了由于膨胀系数不同造成的温度漂移，解决了动、定电极的材料膨胀系数不同引起的测量误差的问题。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1中Ⅰ部放大结构示意图；

图3是已申报的“电极单端悬浮的电容压力传感器”的结构示意图；

图4是图3中Ⅱ部放大结构示意图；

图5是美国MKS的一种电容压力传感器的结构示意图；

图6是图5中的定电极95陶瓷绝缘体的一种结构示意图。

图中序号说明：1．下夹持悬浮座、2.动电极、3.连体屏蔽环、4.薄壁刃口焊口、5.动电极刃口焊口、6.上夹持环、7.定电极悬浮外壳、8.绝缘膜层、9.金属定电极、901.盘状下结构体、902.柱状金属上结构体、10.蓝宝石环、11.钎焊口、12.背压引管、13.蓝宝石绝缘体、14.导电膜层、 15.管式电极、16.带引压口的下夹持环、17.动电极、18.兼外壳的上夹持环、19.定电极95陶瓷绝缘体、20.上盖、21.金属复合管、22.吸气剂室、23.玻璃封电极、24.锥形弹簧、25.碟形压簧、26.压簧下垫片、27.螺母、28.平垫、29.三足垫片、30.导电螺钉、31.测量电极、32.测量电极导电螺钉孔、33.参考电极、34.参考电极导电螺钉孔、35.聚酯膜层。

具体实施方式

根据图1、图2，对本实用新型作详细描述。

该采用金属定电极的电极单端悬浮型电容压力传感器，包括利用薄壁刃口相对焊接的定电极单端悬浮结构体和动电极单端悬浮结构体，定电极单端悬浮结构体包括定电极悬浮外壳7、封接于定电极悬浮外壳7顶部的定电极，动电极单端悬浮结构体包括带引压口的下夹持悬浮座1、上夹持环6、夹持固支于带引压口的下夹持悬浮座1和上夹持环6之间的动电极2。所述动电极2采用恒弹性合金制作的双面镀贵金属层的薄膜动电极。下夹持悬浮座1的上表面和上夹持环6的下表面分别设有与动电极2受力形变匹配的抛物凹面以及位于抛物凹面外周的环形固支平面，上夹持环6上端为不受约束自由端。

其中，所述定电极为一体式金属定电极9，其由盘状金属下结构体901和柱状金属上结构体902组成，所述盘状金属下结构体901的下端为不受约束自由端且底面设有与动电极2受力形变匹配的抛物凹面形定电极面，且抛物凹面形定电极面上设有绝缘膜层8，所述柱状金属上结构体902的上端外周利用含金的银铜合金焊料钎焊有蓝宝石环10，所述蓝宝石环10的外周与定电极悬浮外壳7顶部开设的通孔利用含金的银铜合金焊料钎焊在一起，所述盘状金属下结构体901的顶面与定电极悬浮外壳7的顶部内壁之间留有间隙，所述盘状金属下结构体901的外周面与上夹持环6的内环面之间留有间隙。所述定电极悬浮外壳7和金属定电极9分别采用与蓝宝石环10的热膨胀系数相同或匹配的恒弹性合金制作而成，所述定电极悬浮外壳7和金属定电极9表面镀金。

所述动电极2被夹持在下夹持悬浮座1的环形固支平面与上夹持环6的环形固支平面之间，所述下夹持悬浮座1和上夹持环6的对接刃口处经过焊接形成动电极刃口焊口5。所述定电极悬浮外壳7和下夹持悬浮座1的对接处分别对应设有薄壁刃口，二者的薄壁刃口对接焊接形成薄壁刃口焊口4，从而形成定、动电极相对悬浮的状态，所述薄壁刃口焊口4与动电极刃口焊口5位于同一平面内，所述定电极悬浮外壳7底部对应薄壁刃口焊口4与动电极刃口焊口5之间的位置设有连体屏蔽环3，以屏蔽焊接薄壁刃口时产生的等离子弧，所述下夹持悬浮座1的上表面对应连体屏蔽环3的位置设有悬浮凹槽，连体屏蔽环3悬浮于槽中。

所述定电极悬浮外壳7的顶部设有与其内部相通的背压引管12，用作表压测量时的大气压引入口时，在此管口上加内置压力参考膜盒，内置压力参考膜盒内有极薄隔离膜，导压不透气，以确保极薄隔离膜保护的电容压力传感器的动电极与定电极之间气体的介电常数不变（请参考发明专利ZL201410450247.3）。或用作绝对压力测量时，与吸气剂室相连，并分出抽真空管口，边抽真空边高温激活吸气剂，抽至高真空状态，而后封闭抽真空管口。

本实施例中，所述金属定电极9的柱状金属上结构体902的直径为6mm～20mm，盘状金属下结构体901的直径为30mm～40mm，所述蓝宝石环10的内径为6.2mm～20.2mm，外径为10mm～25mm，所述蓝宝石环10的高度小于定电极悬浮外壳7的用于与蓝宝石环10封接的通孔的高度,蓝宝石环10的高度为3mm～5mm，通孔的高度为4mm～6mm。

本实施例中，蓝宝石环10为采用α-Al2O3单晶制作的环形柱面体，其绝缘强度480000V/cm，弹性模量大约在400GPa左右，莫氏硬度为9，与钛、铬、铁、银、金等多种金属亲和，热膨胀系数在200℃温区内为（6.5～7.0）×10^-6/℃左右。金属定电极9和定电极悬浮外壳7的材质分别为3J1或3J53或TC19。所述动电极2、上夹持环6和下夹持悬浮座1分别采用Inconel X-750等恒弹性、有一定耐腐蚀性的超级不锈钢材料制成，动电极2双面可选择镀金或钌或铱等贵金属层。

该传感器的制作过程：

1、制作定电极单端悬浮结构体。

第一步，在真空室内，按位置关系将金属定电极9（覆盖绝缘膜层后）、蓝宝石环10和定电极悬浮外壳7利用石墨卡具夹持固定，保持三者的同轴度，定电极悬浮外壳7的用于与蓝宝石环10封接的通孔内壁与蓝宝石环10的外壁之间留有0.1mm的环形钎焊间隙，蓝宝石环10的内壁与金属定电极9的柱状金属上结构体902的外壁之间留有0.1mm的环形钎焊间隙。

第二步，在1×10^-4Pa以上的高真空下，采用含金的银铜合金焊料，于780℃～820℃温度下在钎焊间隙处进行钎焊焊接形成钎焊口11，从而将金属定电极9、蓝宝石环10和定电极悬浮外壳7封接为一体，使金属定电极9单端悬浮，完成定电极单端悬浮结构体的制作。

2、制作动电极单端悬浮结构体。

选择动电极2材质，利用径向同性碾轧方法，按量程要求制作15μm～50μm厚的金属薄膜；利用石墨表面生长有碳化硅膜层的卡具夹持金属薄膜，根据材质特性，进行相应的固溶和时效处理；利用经液氮冷却后的氦气或氩气对金属薄膜进行快冷、淬火，使其呈恒弹性；在金属薄膜的两面分别镀金或钌或铱等贵金属层，膜厚≤1000Å；将镀贵金属层后的金属薄膜用计量胀紧装置胀紧，对其胀紧度加压计量，将薄膜的位移转换成电容值，放大读取，反馈调整膜的胀紧度，达到设定值后，将带着被胀好薄膜的胀紧装置，移至液压车床上；利用液压车床将上夹持环与下夹持悬浮座中心对称夹紧到胀好了的薄膜上，由夹持处外周与计量胀紧装置的间隙处把金属薄膜环切开，然后移开计量胀紧装置；车削掉夹持处外周的多余薄膜，在氩气保护下用氩弧焊或激光焊，将下夹持悬浮座1和上夹持环6的对接刃口焊接在一起形成动电极刃口焊口5，将动电极2焊接固支，形成动电极单端悬浮结构体。

3、利用氦气保护的等离子束焊，将定、动电极单端悬浮结构体焊接在一起。

定电极单端悬浮结构体的定电极悬浮外壳7的薄壁刃口和动电极单端悬浮结构体的下夹持悬浮座1的薄壁刃口对接焊接形成薄壁刃口焊口4，使定电极悬浮外壳7与下夹持悬浮座1这两个热膨胀系数不匹配结构体焊接在一起，制成了定电极、动电极都单端自由悬浮的电容压力传感器。薄壁刃口焊口4利用氦气的大热容量、穿透力强、惰性，使焊接能量集中，产生的焊接应力极小。等离子束焊在薄壁刃口内外形成相似的光滑焊道，有利于绝压测量时减少吸附表面。