气密结构及其制造方法与流程

本发明涉及气密结构(密封结构)，并更具体地说涉及具有提高的抗压性的气密结构。

背景技术：

气密结构是用于完全地阻挡外部空气的气密式密封结构，并且用于诸如电子设备和仪器设备等各种设备。图7是示意性地示出使用气密结构的压力变送器的传感器单元310的实例的视图。

如图7所示，具有安装于其中的硅压力传感器350的传感器单元310通过焊接固定在具有压力导入部分381的囊状压力容器380上。传感器单元310使用多个气密结构以用于从硅压力传感器350引出电信号。用在压力变送器中的气密结构需要是即使压力容器380的内部被施以高压也不会损坏的结构。

传感器单元310不仅包括硅压力传感器350，还包括：气密主体320：其由fe-ni基合金等形成；磁体340；陶瓷部件330，其保持磁体340等；引线脚(leadpin)324，其插入在形成于气密主体320中的通孔321中；引线352，其将引线脚324和硅压力传感器350电连接起来；以及玻璃部件326，其填充通孔321与引线脚324之间的间隙，使得间隙被以气密的方式密封。

在该构造中，具有通孔321的气密主体320、引线脚324以及玻璃部件326构成气密结构部分。图8是示出气密结构部分的视图。

如图8所示，具有要暴露于高压的表面x和要暴露于大气压的表面y的每个气密结构部分被玻璃部件326分隔。通过这样来构造气密结构部分：使玻璃部件326的材料在高温下熔化以附着于引线脚324和气密主体320，从而固定引线脚324和气密主体320。

玻璃部件在高温下附着于引线脚和气密主体以固定它们，从而在温度较低时，抑制了拉应力施加在玻璃部件326上，从而防止了裂缝。具体地说，选择玻璃部件326、引线脚324和气密主体320的材料，使得它们的热膨胀系数具有适当的关系。

如果向压力容器380的内部施加压力，则引线脚324和表面x受到应力。在此时，在玻璃部件326与气密主体320之间的边界(即，柱状玻璃附着表面)处产生高的拉应力。如果拉伸强度超过玻璃部件326的断裂应力或超过玻璃附着表面的附着强度，则气密结构遭到损坏。因此，通常根据玻璃部件326的断裂应力或玻璃附着表面的附着强度来确定引线脚324和表面x上的容许应力的值，并且根据该容许应力值确定气密结构的断裂压力。

气密主体320的通孔321的直径(面积)与当向玻璃部件326施加压力时施加于玻璃部件326的应力成比例，并且随着通孔321的直径的增加，玻璃部件326上的应力增加。

当向杨氏模量低于引线脚324和气密主体320的玻璃部件326施加压力时，玻璃部件在表面x处的收缩率增加，从而在玻璃附着表面上产生拉应力。另外，玻璃部件326在表面x处的变形量取决于玻璃部件326的长度(从表面x到表面y的长度)。如果将玻璃部件326的长度设定为较短，则由于变形量增加，在玻璃附着表面上产生更高的拉应力。

[专利文献1]日本专利申请公开no.07-312244

[专利文献2]日本专利申请公开no.2014-175069

如果延长玻璃部件326以便增加玻璃附着面积，或减小气密主体320的通孔321的直径以便减小玻璃部件326上的压力，则可以在一定程度上提高抗压性。

在日本专利申请公开no.07-312244中，披露了通过这样来提高抗压性的技术：除了玻璃部件326之外，还在气密主体320的通孔321中的高压侧布置柱状陶瓷构件328，并且使用玻璃部件326实施玻璃密封(玻璃封接)(如图9所示)。

如果陶瓷构件328具有高于玻璃部件326的杨氏模量，则可以抑制玻璃部件326的变形。然而，由于陶瓷构件的表面z上的全部压力都沿气密主体320的通孔321施加在玻璃附着表面上，因此不可能达到足够的抗压性。

技术实现要素：

本发明的示例性实施例提供具有高抗压性的气密结构。

根据示例性实施例的气密结构包括：

气密主体，其具有贯穿高压侧和低压侧的通孔，所述通孔具有直径从所述低压侧朝向所述高压侧增加的渐扩部分(锥形部分)；

导体，其插通所述通孔；

保护器构件，其配合在所述渐扩部分中，所述保护器构件具有用于插入所述导体的孔；以及

玻璃部件，其在所述保护器构件的低压侧上设置在所述通孔中，从而密封所述导体。

所述玻璃部件可以填充所述保护器构件与所述通孔之间的间隙。

可以形成多个渐扩部分。

所述气密结构可以还包括：

第二玻璃部件，其在所述保护器构件的高压侧上设置在所述通孔中，从而密封所述导体。

所述保护器构件可以由杨氏模量大于所述气密主体的材料形成。

一种制造气密结构的方法，所述气密结构包括：气密主体，其具有贯穿高压侧和低压侧的通孔，并且所述通孔具有直径从所述低压侧朝向所述高压侧增加的渐扩部分；以及导体，其插通所述通孔，所述方法包括：

将具有用于插入所述导体的孔的保护器构件配合在所述渐扩部分中；以及

在所述导体插通所述孔的状态下，使布置在所述通孔的低压侧上的玻璃部件熔化，从而密封所述导体。

根据本发明，可以提供具有高抗压性的气密结构。

附图说明

图1是示出根据实施例的气密结构的实例的视图。

图2是示出保护器构件的形状的视图。

图3是示出气密结构的另一实例的视图。

图4是示出气密结构的另一实例的视图。

图5是示出气密结构的另一实例的视图。

图6是示出气密结构的另一实例的视图。

图7是示出现有技术的传感器单元的实例的视图。

图8是示出现有技术的气密结构的实例的视图。

图9是示出构造为通过布置陶瓷构件而具有提高的抗压性的现有技术的气密结构的实例的视图。

具体实施方式

下面，将参考附图描述本发明的实施例。图1是示出本实施例的气密结构的实例的视图。气密结构适于需要处理大的压差和具有高的s/n特性的传感器，并且可以应用于诸如压力变送器、流量计、温度计、压缩机和压力试验机等各种设备。

如图1所示，气密结构100包括：气密主体110，其具有贯穿高压侧和低压侧的通孔111；以及引线脚120，其是插穿通孔111的导体。另外，在图1中，上侧被称为高压侧，并且下侧被称为低压侧。气密主体110可以由例如fe-ni基合金等形成。

气密主体110的通孔111具有形成为使得直径从低压侧朝向高压侧增加的渐扩部分(表面d)。在通孔111的渐扩部分中，配合有保护器构件140，引线脚120插在保护器构件140中。此外，通孔111的位于保护器构件140的低压侧的部分填充有玻璃部件130，从而密封引线脚120。

如图2所示，保护器构件140形成为与通孔111的包括渐扩部分的高压侧端部分对应的形状。在保护器构件中，高压侧表面、低压侧表面、侧表面以及渐扩部分的表面分别被称为表面a、表面c、表面b和表面d。

通过将用于密封的玻璃配合在引线脚120上并且在图1所示的状态的倒转状态下以高温熔化玻璃而形成玻璃部件130，从而同时地密封气密主体110、引线脚120以及保护器构件140。换言之，在密封期间，高温下被熔化的玻璃在保护器构件140与气密主体110之间的间隙以及保护器构件140与引线脚120之间的间隙中流动，并且被牢固地固定在这些间隙中。另外，玻璃部件130和保护器构件140(表面c)彼此牢固地固定而不存在间隙。

因此，可以通过包括以下步骤的方法来制造气密结构100：将具有用于插入引线脚120的孔的保护器构件140配合在通孔111的渐扩部分中的步骤；以及将引线脚120插穿该孔，并且将布置在通孔111的低压侧上的玻璃部件熔化，从而密封引线脚120的步骤。

实施对玻璃部件130的玻璃成分的选择、密封温度的调节等，使得熔化的玻璃由于重力或表面张力的作用而以适当的粘度在间隙中流动。

另外，优选地调节密封期间玻璃的粘度以及密封时间，使得玻璃不从表面a周围的气密主体110的上表面突出。在这种情况下，即使将气密结构应用于传感器，也可以防止由于其它构件与玻璃接触而损坏玻璃。

在制造期间，可以基于保护器构件140的形状来确定气密主体110、引线脚120和保护器构件140的位置关系。换言之，保护器构件140还用作定位引导件，使得如果插有引线脚120的保护器构件140配合在气密主体110中，则它们的位置关系被确定。

保护器构件140形成为这样的形状：引线脚120位于通孔111的中央，从而与通孔111平行地延伸。引线脚120和通孔111形成具有这样的形状的同心结构：其相应结构的强度足以抵抗归因于温度或压力的畸变而引起的应力。

在将气密结构100应用于压力变送器的情况下，使用能够焊接于压力容器(见图7)的材料作为气密主体110的材料。在这种情况下，使用在硅压力传感器的规定温度附近具有接近硅压力传感器(见图7)的热膨胀系数的fe-ni基合金。

另外，可以使用与用于气密主体110的材料相同的材料作为引线脚120的材料。为了抑制结构形成之后的残余应力，优选地选择热膨胀系数彼此接近的材料作为气密主体110、玻璃部件130、引线脚120和保护器构件140的材料。

使用杨氏模量大于气密主体110的绝缘材料作为保护器构件140的材料。例如，可以使用铝氧化物(氧化铝)。当被施加压力时，由于杨氏模量较大，因此压应力从气密主体110朝向通孔111的中央作用。压应力还作用在填充气密主体110与保护器构件140之间的间隙的玻璃的一部分上。因此，提高了抗压性。

选择杨氏模量和断裂韧性大于玻璃部件130的材料作为保护器构件140的材料。由于杨氏模量较大，因此可以实现将归因于压力的变形量减小为小于玻璃部件130的变形量的效果，并且可以抑制归因于变形的拉应力引起应力集中。另外，由于断裂韧性较大，因此保护器构件140可以经受的应力高于玻璃部件130可以经受的应力。

由于在增压期间作为压力接收表面的表面a的面积大于作为现有技术的气密结构的压力接收表面的表面x(见图8)的面积，因此压力接收面积大于现有技术的压力接收面积。

尽管压力接收表面上应力较高，但本实施例的气密结构100是具有高的断裂应力抗性的结构。其原因在于气密结构是这样的结构：不仅可以通过保护器构件140的材料特性还可以通过通孔111的渐扩部分(表面d)来分散由增压引起的保护器构件140上的应力。

由于形成有渐扩部分，因此与从表面x施加到玻璃部件326上的全部应力都施加在玻璃附着表面(其是垂直于压力接收表面的表面)上的现有技术的气密结构(见图8)不一样，应力通过渐扩部分(表面d)朝向气密主体110的倾斜于压力接收表面的部分释放。

另外，由于保护器构件140的一部分形成为渐扩形状，因此难以在保护器构件140中产生拉应力，由此进一步提高了气密结构100的抗压性。

玻璃填充保护器构件140与引线脚120之间的间隙。由于可以减小保护器构件140的用于插入引线脚120的孔的直径，因此与现有技术的气密结构相比，在施加压力时可以抑制在填充保护器构件140的孔的玻璃上的应力。

一般来说，如果延长玻璃部件130以便增加玻璃附着面积，或减小气密主体110的通孔111的直径以便减小玻璃部件130上的压力，则可以在一定程度上提高抗压性。然而，如果延长玻璃部件130，则气密主体110与引线脚120之间要填充具有高介电常数的材料的间隙的范围被延长，并且由此增加了静电电容。另外，如果气密主体110的通孔111的直径减小，则气密主体110与引线脚120之间的距离缩短，并且由此降低了绝缘电阻。因此，在这两种情况下，s/n特性均劣化。

与之相反，通过将通孔111的一部分形成为渐扩形状，并且将具有相应的渐扩形状的保护器构件140配合在通孔中而构造本实施例的气密结构100，从而在不延长玻璃部件130或减小通孔111的直径的情况下提高抗压性。因此，防止了提高的抗压性引起s/n特性的劣化。

另外，在上述实例中，使用fe-ni基合金作为气密主体110的材料；然而，还可以使用不锈钢材料。如果将热膨胀系数大于保护器构件140的材料用作气密主体110的材料，则由于可以使结构形成之后的残余应力沿压缩方向作用，因此就残余应力而言这是优选的。

保护器构件140和引线脚120也具有类似的关系。因此，就残余应力而言，优选将气密主体110的热膨胀系数的大小设定为大于保护器构件140的热膨胀系数，并且将保护器构件140的热膨胀系数的大小设定为大于引线脚120的热膨胀系数。

至于杨氏模量，由于期望在施加压力时生成压应力，因此优选地将气密主体110的杨氏模量设定为小于保护器构件140的杨氏模量，并且将保护器构件140的杨氏模量设定为小于引线脚120的杨氏模量。

作为保护器构件140的材料，优选地选择这样的材料：其热膨胀系数接近气密主体110和引线脚120的材料的热膨胀系数，杨氏模量、断裂韧性和绝缘电阻大于气密主体和引线脚的材料的杨氏模量、断裂韧性和绝缘电阻，介电常数低于气密主体和引线脚的材料的介电常数并且具有良好的可加工性。除了铝氧化物外，还可以使用诸如蓝宝石、氧化锆、氮化硅、碳化硅和氮化铝等陶瓷材料。

另外，在上述实例中，保护器构件140配合在一个通孔111的渐扩部分中。然而，如图3所示，可以使用具有这样的形状的保护器构件142：保护器构件可以配合在多个通孔111中。

在这种情况下，可以一次形成多个气密结构。另外，可以减小由表面a和气密主体110形成台阶的面积，且在使用气密结构和其它构件的组合的情况下可以抑制死区，并且在同一平面上形成引线脚120和保护器构件142也变得容易。

通孔111和保护器构件140仅需要具有倾斜于压力接收表面的渐扩部分(表面d)，并且从而可以不具有垂直于压力接收表面的表面b(例如，如图4所示的保护器构件144那样)。另外，表面c可以是弯曲的。

可以形成多个渐扩部分。例如，如图5所示，可以将具有螺纹结构的保护器构件146配合在气密主体110中。在这种情况下，由于多个渐扩部分大致形成为直径从低压侧朝向高压侧增加，因此可以使渐扩表面的面积增加。因此，可以进一步沿倾斜于压力接收表面的方向释放在施加压力时生成的应力，并且由此可以改善抗压性。在这种情况下，由于通过螺纹结构的机加精度和表面粗糙度来防止一些部分上的应力集中，因此优选地利用用于密封的玻璃来填充螺纹结构与气密主体之间的间隙。

作为填充保护器构件140、142或144与气密主体110之间的间隙的方法，存在使用具有低粘度的玻璃材料来实施高温下的玻璃密封的方法；以及预先使用在玻璃密封温度下熔化的材料(诸如陶瓷或玻璃等)来涂覆保护器构件140、142或144的方法。还可以对引线脚120与保护器构件之间的间隙施加覆层。

另外，可以通过在保护器构件的高压侧上形成第二玻璃部件134(如图6所示)而从保护器构件140(或142或144)的低压侧表面和高压层表面两者实施玻璃密封。