[發明專利]一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器

有效

• 申請號: 201210491980.0
• 申請日: 2012-11-27
• 公開（公告）號: CN102967408A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 習振華;馮焱;孫雯君;趙瀾;盛學民;張瑞芳
• 申請（專利權）人: 中國航天科技集團公司第五研究院第五一〇研究所
• 主分類號: G01L9/12
• 分類號: G01L9/12
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;付雷杰

技術領域

本發明涉及一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，具體涉及一種通過檢測可變電容兩極板間的變化量實現物理參數測量的傳感器，屬于真空計量技術領域。

背景技術

文獻“一種‘絕對型’電容薄膜真空計的研制，《真空科學與技術》，1994.4，第265頁～第269頁”中，介紹了一種典型的電容薄膜真空計的設計。該電容薄膜真空計的傳感器部分包含一個由導電金屬構成的薄膜，金屬薄膜邊緣依靠外殼或其他支撐結構固定，構成可變電容的一個極板，與固定極板相對應。金屬薄膜因兩側的壓力差引起薄膜中心向低壓力方向運動，進而引起兩電極間相應電容量的變化。電路輸出的電信號可以通過計算已知的設備的測量信號值獲得壓差的指示值。

這種設計的不足之處在于其精度非常容易受到周圍環境溫度變化的影響。傳感器中固定電極陶瓷圓盤與金屬外殼具有不同的熱膨脹系數，引起固定電極膨脹及收縮的差異，導致固定電極支架與金屬薄膜構成的電極間的相對位移，使得溫度引起固定電極變動產生的電容改變量無法與壓力變化產生的電容改變量相區別，引起的虛假的電容改變量影響測量精度，且因不可復現而無法修正；此外，固定電極與金屬外殼之間，陶瓷材料在兩者之間充當了電解質的角色，產生的寄生電容引入了不可控變量。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，所述傳感器有效減小了固定電極與金屬外殼之間的寄生電容，可以減小或消除由彎曲變形引起的不可預估的電容變化量，改善了因溫度引起的固定電極與金屬外殼之間的應力對測量的影響，有效降低了流過固定電極的漏電流，提高了電容薄膜壓力計測量精度。

本發明的目的由以下技術方案實現：

一種具有應力消除作用的電容薄膜壓力傳感器，所述傳感器包括：金屬薄膜、金屬導電層、陶瓷圓盤、金屬外殼、電極外接導體、軸承固定結構和滾柱軸承；滾柱軸承和軸承固定結構構成滾柱軸承結構；

所述金屬外殼為下端開口、上端封閉的中空圓柱形結構，內部開有環形第一凹槽和環形第二凹槽，圓形金屬薄膜水平固定于金屬外殼內部第一凹槽中，將金屬外殼內部分為上下兩個腔室，其中，上腔室為參考室，下腔室為測量室；金屬薄膜構成傳感器的一側電極；陶瓷圓盤通過滾柱軸承結構水平固定于金屬外殼內部第二凹槽中，且位于金屬薄膜上方，陶瓷圓盤與金屬外殼之間留有間隙，保證陶瓷圓盤能夠水平運動，且不與金屬外殼接觸；陶瓷圓盤上下表面鍍有金屬導電層，陶瓷圓盤上開有通孔，通孔內壁鍍有金屬導電層，使陶瓷圓盤上下表面導通，金屬導電層和陶瓷圓盤構成傳感器的另一側電極，即固定電極；陶瓷圓盤上表面接有電極外接導體，電極外接導體通到金屬外殼外部，并與外部電路連接；

其中，所述第一凹槽開口端截面為斜面；所述陶瓷圓盤外側邊緣中間設有環形臺階面，環形臺階面伸入第二凹槽中，并通過滾柱軸承結構水平固定；滾柱軸承為圓柱形結構，滾柱軸承有八個，其中四個位于陶瓷圓盤外側臺階面上方，其余四個位于所述臺階面下方，每上下兩個為一組，分為四組，且四組均勻分布，即每兩組滾柱軸承之間夾角為90°；滾柱軸承通過軸承固定結構水平安裝于第二凹槽中，且能自由滾動，滾柱軸承與陶瓷圓盤的半徑方向垂直正交；

所述陶瓷圓盤材質優選為AL₂O₃；

所述金屬導電層優選為鈀銀合金；

所述滾柱軸承采用硬質絕緣材料，優選工業用藍寶石；

所述金屬薄膜與金屬外殼采用同樣的金屬材料，優選因科鎳合金。

傳感器的工作原理：

金屬薄膜和固定電極構成平行板電容器，當壓力測量室與參考室的壓力差相對增大時，金屬薄膜沿其軸向向固定電極方向運動；壓力測量室與參考室的壓力差相對減小時，向遠離固定電極方向運動。測量室與參考室壓力的變化引起電容的變化，并產生信號由電極外接導體傳送到外部電路中進行處理。

有益效果

（1）本發明所述傳感器中的滾柱軸承結構為固定電極及外殼間提供了較低的摩擦力，使固定電極與外殼能以不同比率膨脹及收縮，避免了現有技術裝置中固定電極支架因摩擦力作用而產生的變形。此外，滾柱軸承使固定電極與金屬外殼相互絕緣，有效減小了現有技術裝置中固定電極與金屬外殼之間的寄生電容，使得寄生電容值從現有技術中的1pF降至本發明中的0.1pF。