電容式差壓檢測器的製作方法
2023-06-09 15:05:21 1
專利名稱：電容式差壓檢測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電容式差壓檢測器，其中，形狀和大小完全相同的固定電極彼此相對安裝在隔板的兩側。當存在差壓時，隔板產生變形。從而根據隔板和每個電極之間的電容測出差壓。更為具體地說，本發明涉及這樣的電容式差壓檢測器，它可以改善靜態壓力範圍特性。
下面參照圖5和6對一個實例進行解釋。圖5為一差壓檢測器的剖視圖，圖6為裝有該檢測器的一差壓檢測裝置的剖視圖。在圖5中，檢測器50的形狀和大小完全相同的兩固定電極15分別安裝在隔板10的左右兩側。固定電極15為三層式組合體，它包括一圓盤形導電板12，它和隔板10面對；一正方形中央絕緣板13以及同樣形狀的導電板14。這幾塊板依次疊置並粘貼在一起。上述三層式組合體由一中心孔25貫通以將壓力引入。中心孔的內表面由導電膜27覆蓋。導電板12和導電板14通過該導電膜27彼此連通。兩固定電極15的兩導體板和隔板10隔開間隙29並相對置放從而和隔板10結合，而且電極15通過環形支承體21由玻璃體結合部11互相絕緣地結合到隔板10上，支承體可由導電材料製成，也可由絕緣材料製成。環形支承體21位於隔板10的邊緣部的兩側，且和導電板12的外邊緣沿徑向方向由環形槽23隔開。在本例中，隔板10、導電板12、14和支承體21均由矽製成，而絕緣板13由陶瓷製成。壓力P1和P2由左、右固定電極15的壓力引入中心孔25引入，當差壓(＝P1-P2)存在時，隔板10發生變形(即隔板的中央部發生撓曲)。由隔板10與左電極15形成的電容器的電容C1和由隔板10與右電極15形成的電容器的電容C2，分別由引腳C、A和引腳C、B取出。順便提一下，數字31，32和33代表蒸氣沉積鋁薄膜(用作引出電容的端子)。
既然總電容C1和C2隨差壓(＝P1-P2)的變化而變化，利用熟知的電路就可獲得和差壓成比例的輸出量F，這裡F＝(C1-C2)/(C1+C2)。
由圖6可看出，檢測器50裝入一容器內構成一差壓檢測裝置，該容器由裝有密封隔膜59的一端封閉的圓筒51、一連接板55和裝有密封隔膜58的蓋子構成。圓筒51的右端面有一密封隔膜59，它和圓筒構成了一壓力室62，壓力室62通過中心孔60和位於圓筒51內的內腔52連通。檢測器50裝於內腔52內部。用密封端子63使檢測器50的引腳A、B、C絕緣，且引腳外伸穿過圓筒51的外壁。在檢測器50的左側(圖5中導電板14的左側面)，經過一絕緣體(正方形板件)裝有一金屬管54，該金屬管54的左端邊緣焊接於連接板55上。將連接板55插入圓筒51左側部的端面安裝槽內面對小孔並焊住以便將圓筒開口封住。蓋子56上具有一中心孔57，它和受壓室61連通，受壓室是位於左端面的所述密封隔膜58所形成的空間。在位於密封隔膜58和59之間的全部空間內，諸如受壓室61，62和內腔52等，均充有矽油，它為不可壓縮流體。作用在密封隔膜58上的壓力P1由矽油傳遞至檢測器50的隔板的左側，作用在密封隔膜59上的壓力P2傳遞至隔板的右側，見圖5。
在這一已有技術的實例中，不足之處是靜態壓力偏差特性較差。一般地，若將靜態壓力作為一特徵參數，當差壓在0-100％的範圍內變化時，檢測器的輸出特性曲線應大致為一過原點的直線。相對於零靜態壓力下的基準輸出特性曲線，在某一靜態壓力下的輸出特性曲線會向上或向下略微擺動或偏離，形成一傾斜角，這種擺動(或偏離)的程度稱為「靜態壓力範圍特性」(static pressure span characteristic)。這種可以認為是由靜態壓力造成的範圍誤差的靜態壓力範圍特性是由下面的事實導致的，即由於靜態壓力的變化，檢測器內的漂移電容，檢測器和容納該檢測器的容器之間的漂移電容，以及矽油的相對介電常數都發生變化。設定靜態壓力範圍特性為ε，它可由方程式(1)表示。
現在請參看圖5，其中等效示出了區域A和B，即用C0表示零靜態壓力時隔板10和左/右導電板12的間的電容，用CS1表示導電板12和支承體21間的電容。圖6中等效示出了區域C，即用CS2表示右固定電極的導電板14和圓筒51的底部之間的共有電容，或表示左固定電極的導電板14和連接板右側之間共有電容。等式(1)中使用了上述參數。另外，以零靜態壓力作為基準值，用β表示在靜態壓力P下矽油的相對介電常數的變化值。應當注意，P的單位是100bar，電容的單位是PF。
方程式(1)ε＝-[(CS1+CS2)β/C0(1+βP/100)]P……(1)設P＝100bar β＝0.013C0＝50PFCS1＝2PF CS2＝1.7PF
則ε＝-[(2+1.7)]1.3×10-2/50(1+1.3·1·10-4)]·1＝-0.096(％)由等式(1)可知，採用下面的措施(1)-(3)可以改善即減小靜態壓力範圍特性ε(1)減小CS1+CS2(2)充填較小β值的液體(3)增加C0。
但是，在措施(1)中，為減小CS1，必須減小導電板12的直徑，這同時降低了C0值，因而措施(1)和(3)相矛盾，而且，從信噪比的角度看，這樣也不利。從實用性和成本角度考慮，用其它充填液來替代矽油也是不實際的。通過增加導電板12的面積或減小隔板10和導電板12間的間隙，可使措施(3)得以實現，但由於檢測器的尺寸限制，這實際上是做不到的。剩下的措施是減小CS2。
本發明的目的是解決現有技術的實例中所遇到的上述問題，從而提供一種靜態壓力範圍特性有所改善的電容式差壓檢測器。
按照本發明的一個優選實施例，一種電容式差壓檢測器中，形狀和大小完全相同的固定電極彼此相對安裝在隔板兩側，有差壓存在時，隔板發生變形，從而根據隔板和每個電極之間的電容測出差壓，其特徵在於一組合體，其中每一固定電極包括一具有引入壓力的中心孔的絕緣板；位於隔板側部的絕緣板的表面中央區域的並有引入壓力的中心孔的導電板；位於隔板側部的絕緣板表面邊緣的環形支承體，它和導電板隔開並將導電板環繞起來；整體沉積在絕緣板表面上的導電膜，用於覆蓋中心孔的整個內部區域；遠離導電板的表面上的中心孔周圍的環形區域以及沿離心方向自環形區域一直延伸到絕緣板外邊緣的帶狀區域。導電膜在絕緣板整個內部區域部分的端部和導電板導通，在帶狀區域的端部和用於引出電容的端子導通。所述固定電極和隔板的周邊絕緣結合，其兩導電板通過環形支承體於隔板的中央區域兩側並互相鄰近。
在本發明的第二實施例中的電容式差壓檢測器中，形狀和大小完全相同的兩固定電極相對安裝在隔板的兩側，當存在差壓時，隔板產生變形，從而根據隔板和每一電極之間的電容測出差壓，其特徵在於一組合體，其中在隔板的表面上，除去邊緣部分外，在其中央形成一圓形平槽，每一所述固定電極包括一具有引入壓力的中心孔的絕緣板；一導電極，其位於隔板一側的絕緣板平面的中央區域，且有引入壓力的中心孔；一環形支承體，其位於隔板一側的絕緣板平面的邊緣部，和導電板隔開並將其圍繞起來；一整體地沉積在絕緣板的表面上的導電膜，用以覆蓋隔板一側的中央區域；中心孔的整個內部區域，將遠離導電板的表面上的中心孔周圍的環形區域，以及沿離心方向自環形區域一直延伸到絕緣板外邊緣的帶狀區域。導電膜在絕緣板的整個內部區域的端部和導電板導通，在帶狀區域的端部和用於引出電容的端子導通，所述固定電極和隔板的端面絕緣結合，隔板一側的導電區域基本上和隔板的平槽底部正對鄰近。
本發明最好有下面的結構特徵(1)在和隔板5相對的絕緣板表面的外邊稜處和帶狀區域相對應的位置上倒有斜角；(2)所述隔板和導電板均由單晶矽製成，而所述絕緣板由熱膨脹係數接近於單晶矽的材料製成，如堇青石或硼矽玻璃；(3)導電膜由陰極濺射鍍膜工藝形成，所述絕緣板上的引入壓力的中心孔為一梯形錐孔，該孔在絕緣板一側平面處和導電板上的中心孔相通，並向著和導電板相對的平面伸展，絕緣板上的用於引入壓力的中心孔也可以由兩個同軸梯形錐孔組成，每個孔分別自絕緣板兩端的平面向內逐漸收縮而連通。
在第一個實施例中，沉積在固定電極上的和隔板遠離的表面上的導電膜面積(覆蓋環形區域並自環形區域伸至外邊緣的帶狀區域的區域)減小了，因而措施(1)中的CS1+CS2的值減小，改善了靜態壓力範圍特性。在第二個實施例中，不存在CS1，CS2也同樣小，因而CS1+CS2的值變得更小，改善了靜態壓力範圍特性。
在本發明的結構特徵(1)中，由於在與隔板相對的絕緣板平面的外稜處將導電膜的帶狀區域倒有斜角，確保了用於引出電容的蒸鍍鋁膜(和每一引腳A、B、C連接)和帶狀導電膜區域的導通。在結構特徵(2)中，固定電極因環境溫度的變化而產生的熱變形受到抑制，故產生的熱應力也受到抑制，這保證了差壓的線性特性，改善了溫度特性。在結構特徵(3)中，由於導電膜便於由陰極濺射鍍膜工藝形成，可確保導電膜有均勻的厚度，提高了導電膜的質量。
圖1是本發明的第一實施例的剖視圖；圖2是本發明的第一實施例的側視圖3是本發明的第二實施例的剖視圖；圖4a為當從和隔板相對的一側看去時，第二實施例中的固定電極的側視圖；圖4b為從隔板看去時該固定電極的側視圖；圖5為現有技術的一個實例的剖視圖；圖6為內裝有現有的檢測器的一差壓檢測器裝置的剖視圖。
下面請參照附圖，對本發明的第一、二實施例進行解釋。圖1和2示出的是第一實施例，圖3和4示出的是第二實施例。
在如圖1所示的第一實施例中，形狀和大小完全相同的固定電極彼此相對安裝在隔板10兩側並和隔板有間隙29，當存在差壓時，隔板10發生變形。每個固定電極包括帶引入壓力的中心孔的絕緣板1，導電板12，環形支承板21和導電金膜。絕緣板1的中心孔1a為梯形錐孔，其自外表面向內逐漸收縮並和導電板的中心孔是連通的。處於隔板10的側部的，環形支承件21位於絕緣板1的表面的邊緣部，從而將與之隔開的導電板12環繞起來。導電膜2由2a部分(整個內部區域部分)，2b部分(環形區域部分)和2c(帶狀區域部分)構成一個整體，其中2a部分覆蓋中心孔1a的整個內部表面，2b部分覆蓋形狀為正方形且具有中央圓形空腔部分的環形區域，從而將和導電板12遠離的絕緣板表面上的中心孔1a圍繞起來，2c部分將自環形區域沿離心方向一直延伸到外邊緣處的帶狀區域覆蓋住(見圖2)。順便說一下，規則的正方形形狀的環形區域部分2b和用於裝入容器內的絕緣體53(見圖6)相吻合。用陰極濺射鍍膜工藝形成的導電金膜2在整個內部區域部分2a的端部和導電板12是電導通的，在帶狀區域2c的端部和用作引出電容的鋁膜31、32也是電導通的。
由圖1和2可以看出，在和隔板10相對的絕緣板1的表面的外邊稜處和帶狀區域2c相對應的位置上倒有斜角1b。隔板10和導電板12均由單晶矽製成，而絕緣板1則由熱膨脹係數近似於單晶矽的材料製成，比如堇青石。更準確地說，是其中含有一定比例的堇青石和莫來石的陶瓷。單晶矽的線性熱膨脹係數是3.1×10-6/℃，堇青石則為1.1×10-6/℃。
可以使與隔板10相對的固定電極表面上沉積的導電膜2的環形區域部分2b和帶狀區域部分2c的總面積小於圖5所示的現有技術實例中所述的導電板14的面積，這樣對應於圖6中的CS2的電容值降低，也就減小了措施(1)中的CS1+CS2的值，從而改善了靜態壓力範圍特性。
若其它條件不變，只是環形區域部分2b和帶狀區域部分2c的總面積是圖5所示的現有技術實例中所述的導電板14的面積的一半，則因CS2＝1.7/2＝0.85(PF)ε＝-[(2+0.85)1.3×10-2/50(1+1.3·1·10-4)]·1＝-0.074(％)按照第一實施例，可將現有技術中的靜態壓力範圍特性提高約23％。
由於絕緣板1的中心孔1a為梯形錐孔，可在很容易地在其中濺鍍導電膜2，從而可確保厚度均勻。另外，由於在絕緣板1中倒有倒角1b，用蒸氣沉積工藝形成的鋁膜1局部覆蓋帶狀區域部分2c的上端，從而確保了上端部之間的電導通。而且，由於製成絕緣板1的材料。即堇青石，其熱膨脹係數和單晶矽接近，當環境溫度變化時，固定電極的熱變形受到抑制因而抑制了熱應力的產生，並改善了溫度特性。
圖3是第二實施例的剖面圖，圖4a和4b示出了第二實施例中的固定電極。具體地說，圖4a為當從和隔板相對的一側看去時，固定電極的側視圖，圖4b為從隔板看去時固定電極的側視圖。圖3所示的第二實施例中，形狀和大小完全相同的固定電極彼此相對安裝在隔板5兩側並和隔板有間隙29，當存在差壓時，隔板10產生變形。在隔板5的表面上，除去邊緣部分外，在其中央形成一圓形平槽。每個固定電極包括一具有引入壓力的中心孔3a的絕緣板3和導電金膜4。導電金膜4由中央圓形區域部分4d(和第一實施例中的導電板12對應)，中心孔3a的整個內表面部分4a，環形區域部分4b以及帶狀區域部分4c構成一個整體，其中4d部分處於隔板5一側的絕緣板3的表面上，4b部分將位於與隔板5遠離的絕緣板3的表面上的中心孔3a環繞起來，4c部分從環形區域部分4b沿離心方向一直延伸至外邊緣(見圖4)。和第一實施例一樣，呈規則正方形的環形區域4b和用於裝入容器內的絕緣體53(見圖6)相吻合。用濺鍍工藝形成的導電金膜4。在帶狀區域部分4c的端部和用作引出電容的鋁膜31、32是電導通的。由圖3和圖4a可以看出，在和隔板5遠離的絕緣板表面的外邊稜處和帶狀區域部分2c相對應的位置上倒有斜角3b。隔板10由單晶矽製成，絕緣板3由熱膨脹係數與單晶矽接近的硼矽玻璃製成。應當注意，隔板5和絕緣板3之間為陽極偶合。
那麼，措施(1)中的CS1不復存在，沉積在和隔板5相對的固定電極表面上的導電膜4的環形區域部分4b和帶狀區域部分4c的總面積可以做的和第一實施例一樣小，從而可進一步減小措施(1)中的CS1+CS2的值，進一步改善了靜態壓力範圍特性。
若CS1不存在，其它條件不變，只是環形區域4b和帶狀區域4c的總面積是圖5所示的現有技術實例中的導電板14的面積的一半，則因CS1＝0，CS2＝1.7/2＝0.85(PF)ε＝-[(2+0.85)1.3×10-2/50(1+1.3·1·10-4)]·1＝-0.022(％)按照第二實施例，靜態壓力範圍特性較原來提高了約77％。
和第一實施例類似，由於絕緣板1的中心孔4a為兩側開口的梯形錐孔，用濺鍍方法在其上形成導電膜2是方便的；通過在絕緣板3上形成倒角1b，便於保證鋁膜31，32的導電性；還有一個好處是，硼矽玻璃製成的絕緣板1的熱膨脹係數和由單晶矽材料製成的隔板5接近。
本發明具有如下有益效果(1)根據第一實施例，可以減小沉積在固定電極上和隔板遠離的表面上導電膜的面積(覆蓋環形區域並自環形區域伸至外邊緣的帶狀區域的部分)，因而，和現有技術相比，採用第一實施例，措施(1)中的CS1+CS2的值得以減小，使得靜態壓力範圍特性提高23％。根據第二實施例，CS1不存在，CS2同上，進一步減小了措施(1)中的CS1+CS2的值，和現有技術相比，採用第二實施例，靜態壓力範圍特性提高77％。(2)另外，由於和隔板對置並和導電膜的帶狀區域部分相應的絕緣板平面上的外邊稜部分上倒有斜角，因而可以確保由蒸汽沉積工藝製成的用於引出電容的鋁膜(分別和引腳A、B、C連接)和帶狀導電膜區域部之間的導電性，從而有助於精確地引出電容和測量差壓。
(3)由於製成絕緣板1的材料的熱膨脹係數和隔板或導電板接近，固定電極因環境溫度變化而出現的熱變形受到抑制，因而抑制了熱應力的產生，改善了溫度特性。
(4)由於絕緣板1的中心孔1a為向內收縮的梯形錐孔，便於採用陰極濺射鍍膜工藝形成導電膜，從而可保證厚度均勻，提高導電膜的質量。
權利要求
1.一種根據隔板和各固定電極間的電容測量差壓的電容式差壓檢測器，每個固定電極的形狀和尺寸完全相同，固定電極通過間隔物以絕緣方式固定在所述隔板的兩側，有差壓存在時，隔板產生變形，其特徵在於每一所述固定電極包括一絕緣板，其具有一第一壓力引入中心孔且固定在相應的其中一個所述間隔物上，從而使所述絕緣板和所述隔板相對於所述間隔物相對置放；一導電板，其固定在所述絕緣板上，所述導電板和所述隔板面對，並由所述相應的間隔物與其隔開一間隙包繞，所述導電板上具有一第二壓力引入中心孔；導電膜，它整體沉積在所述絕緣板上，所述導電膜包括覆蓋所述第一壓力引入中心孔的整個內部周向表面且在所述第一壓力引入孔的一個端部和所述導電板電連接的一個第一部分；將所述第一壓力引入孔的另一端包繞起來的且形成於所述絕緣板的遠離導電板的表面上的一個第二部分；自所述第二部分一直延伸至所述絕緣板的外邊緣處的一個第三部分，在此外邊緣處，所述第三部分和用於引出電容的端子電連接。
2.一種根據隔板和各固定電極間的電容測量差壓的電容式差壓檢測器，每個固定電極的形狀和尺寸完全相同，固定電極安裝在的所述隔板的兩側，有差壓存在時，隔板產生變形，其特徵在於所述隔板的每一側都形成一個槽部，該槽部由所述隔板的邊緣部分圍住；每一所述固定電極包括一絕緣板，它具有第一壓引入中心孔且固定在所述隔板的所述外邊緣部的端面上；一導電膜，它整體沉積在所述絕緣板上，所述導電膜包括覆蓋所述第一壓力引入中心孔的整個內部周向表面的一個第一部分；將所述第一壓力引入孔的一端包繞起來的且形成於所述絕緣板的遠離導電板的表面上的一個第二部分；自所述第二部分一直延伸至所述絕緣板外邊緣處的一個第三部分，在此外邊緣處，所述第三部分和用於引出電容的端子電連接；面對隔板上的所述槽部的一個第四部分。
3.如權利要求1或2所述的電容式差壓檢測器，其特徵在於，所述絕緣板的外邊緣上和所述第三部分所對應的部分上倒有倒角。
4.如權利要求1所述的電容式差壓檢測器，其特徵在於，所述隔板和所述導電板均由單晶矽製成，所述絕緣板由熱膨脹係數和單晶矽接近的材料製成。
5.如權利要求2所述的電容式差壓檢測器，其特徵在於，所述隔板由單晶矽製成，所述絕緣板由熱膨脹係數和單晶矽接近的材料製成。
6.如權利要求1所述的電容式差壓檢測器，其特徵在於，所述導電膜由陰極濺射鍍膜工藝形成，所述第一壓力引入中心孔和所述第二壓力引入中心孔鄰接並且為截頂錐狀，其朝向所述第二壓力引入中心孔方向直徑逐漸減小。
7.如權利要求2所述的電容式差壓檢測器，其特徵在於，所述導電膜由陰極濺射鍍膜工藝形成，所述第一壓力中心孔由兩個互相連通的同軸截頂錐狀孔組成，這兩個孔的直徑彼此沿朝向對方的方向減小。
8.如權利要求1所述的電容式差壓檢測器，其特徵在於，每一個所述間隔物為環形。
全文摘要
電容式差壓檢測器,其固定電極的絕緣板(1)上覆蓋有導電金膜(2)包括:中心孔(1a)的整個內部區域(2a),將與導電板(12)相對的絕緣板平面上的中心孔(1a)圍繞起來的正方形環形區域(2b),以及自環形區域沿離心方向延伸至外邊緣的帶狀區域(2c)。導電膜(2)在整個內部區域(2a)的端部和導電極之間及在帶狀區域(2c)的端部和鋁膜之間是電導通的。減小了環形區域(2b)和帶狀區域(2c)的總面積,從而改善了靜態壓力範圍特性。
文檔編號G01L9/00GK1172949SQ9711408
公開日1998年2月11日 申請日期1997年7月1日 優先權日1996年7月1日
發明者相馬伸一, 中村公弘, 湯原忠德 申請人:富士電機株式會社