專利名稱：可變電容測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及可變電容測量裝置，更具體而言，涉及用作力或壓力傳感器的可變電容測量裝置，裝置中的組件，以及用于制造它們的工藝。
相關(guān)技術(shù)的說明許多壓力傳感器包括可變電容器以測定壓力。一些壓力傳感器包括一個(gè)固定電極，其作為一個(gè)電容器電極，以及包括一個(gè)隔膜，其作為另一個(gè)電容器電極。當(dāng)在該隔膜兩側(cè)有壓力差時(shí)，隔膜發(fā)生形變。當(dāng)壓力改變時(shí)，該隔膜和固定電極之間的變化間距導(dǎo)致產(chǎn)生電容器的不同的電容值。
雖然電容式壓力傳感器的原理相對簡單，外部因素將使壓力讀取失真。這一點(diǎn)對于那些測量壓力大大低于大氣壓的傳感器而言尤其正確，因?yàn)槠涓哽`敏度。例如，溫度改變將影響電容值。
為解決該溫度引起的問題的一個(gè)嘗試是在隔膜的一側(cè)使用一對固定電極。從電學(xué)角度看，該壓力傳感器包括兩個(gè)串聯(lián)的電容器。在絕緣體，通常是陶瓷盤上構(gòu)建兩個(gè)固定電極的設(shè)計(jì)，具有包圍并分離于環(huán)形電極的中心電極。此外，可以使用紅寶石輥來支承該陶瓷盤，以當(dāng)溫度改變時(shí)，最小化壓力傳感器中的部件之間的摩擦力。通過監(jiān)測兩個(gè)電容器之間在隔膜和每一個(gè)固定電極之間的電容讀取值之間的差，這種兩個(gè)電容器的用法可用于在一個(gè)相對大的溫度范圍內(nèi)測定流速。
這種雙電容器壓力傳感器也不是沒有問題。首先，通常采用微調(diào)操作來適配兩個(gè)電容，其通過改變至少一個(gè)相對固定電極的面積而實(shí)施。該操作是一種手動操作，將涉及某種試錯(cuò)法。這樣，將產(chǎn)生壓力傳感器之間的偏差。雖然通過最小化傳感器內(nèi)部的“粘滑”型運(yùn)動，紅寶石輥等類似物可以改進(jìn)溫度引起的滯后，但是，設(shè)計(jì)和制造上所增加的復(fù)雜性將導(dǎo)致成本增加。還有，紅寶石輥和其所支承的結(jié)構(gòu)之間的接觸具有應(yīng)力集中作用，反而影響了傳感器的長期穩(wěn)定性。因?yàn)樵搲毫鞲衅魇褂脙蓚€(gè)電容讀取值之間的差來測量壓力，所以它需要一個(gè)大尺寸的隔膜來獲得足夠的靈敏度。另一個(gè)問題是長溫升時(shí)間，這是因?yàn)槌叽绾唾|(zhì)量都相對較大，以及小的紅寶石輥等等限制了熱傳遞。例如，壓力傳感器達(dá)到準(zhǔn)備狀態(tài)溫度操作條件可能將花費(fèi)一天的時(shí)間。這種長準(zhǔn)備時(shí)間對于許多制造操作來說是不能接受的。
本發(fā)明的概要一種可變電容測量裝置能夠包括在多個(gè)實(shí)施例中描述的任何一個(gè)或多個(gè)功能部件，以實(shí)現(xiàn)一種可靠的、小巧的裝置。電容器電極、吸氣外殼、夾緊連接器可以沿一共同軸對齊排列，以減小寬度尺寸而不大幅度增加長度。通過選擇那些熱膨脹系數(shù)相互接近的材料，可以減小溫度引起的擾動變化。用于陶瓷-金屬接口的基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以減小外部污染物進(jìn)入裝置的真空部分的可能性。可以在電容器部分和吸氣外殼之間使用一個(gè)管子以隔離吸氣外殼和傳感器之間的熱量和應(yīng)力。注意到，本發(fā)明不要求這里描述的所有功能部件出現(xiàn)在一個(gè)裝置中。可變電容測量裝置的其他功能部件可以包括玻璃-陶瓷絕緣體，其化學(xué)粘接到電極組件和參考側(cè)環(huán)的表面以提供真空密封。不需要一個(gè)單獨(dú)的玻璃密封或槽。此外，單塊電極組件可以代替單個(gè)電極組件(用于電穿通)和電極。因此，利用具有更高過程裕度的制造過程，可以制出高質(zhì)量的可變電容器。可以在絕緣材料的形成過程中使用薄墊片以減小在制造過程中絕緣體粘附到電極部分表面的可能性。實(shí)施例還包括用于形成裝置或它們的部分的過程。
在一組實(shí)施例中，可變電容測量裝置可包括電極組件和絕緣材料。該絕緣材料可以側(cè)面包圍該電極組件。該絕緣材料的熱膨脹系數(shù)可以在該電極組件的熱膨脹系數(shù)的大約50％以內(nèi)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，可變電容測量裝置可包括電極、用于容納吸氣材料的外殼、以及夾緊連接器。電極、外殼、夾緊連接器可以沿一共同軸排列。
另一個(gè)實(shí)施例可以包括一個(gè)用于可變電容測量裝置的元件。該元件可以包括傳導(dǎo)部分、電極組件、以及絕緣體。傳導(dǎo)部分和電極組件中的每一個(gè)均可具有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面。該絕緣體可以接觸傳導(dǎo)部分和電極組件的表面并電絕緣傳導(dǎo)部分于電極組件。
另一個(gè)實(shí)施例可包括一個(gè)用于可變電容測量裝置的元件。該元件可以包括主體部分、用于容納吸氣材料的外殼、以及位于主體部分和外殼之間的管子。該管子的寬度可比外殼的寬度小。
在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于使用可變電容測量裝置的過程包括施加第一信號至電極、吸氣外殼、以及夾緊連接器；施加第二信號至隔膜；以及測量包括電極和隔膜的電容器的電容。電極、外殼、夾緊連接器可以沿一共同軸排列。
在一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，一種用于制造用于可變電容測量裝置的元件的過程可包括固定電極組件和傳導(dǎo)部分于相對穩(wěn)定的位置。該電極組件位于一個(gè)模具，該傳導(dǎo)部分側(cè)面包圍并分離于電極組件，以形成一個(gè)間隔分離區(qū)。該方法可進(jìn)一步包括模制絕緣材料以使其位于該間隔分離區(qū)。
在一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，一種用于可變電容測量裝置的元件可包括電極組件，該電極組件包括具有第一寬度的電極部分。該元件還可包括包圍電極組件的一部分的絕緣材料。該元件可進(jìn)一步包括固態(tài)材料，比如薄墊片，該材料位于電極部分和絕緣材料之間。該固態(tài)材料可以比電極部分寬。
在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于可變電容測量裝置的元件可包括電極組件和位于電極組件內(nèi)的吸氣外殼。該元件還可包括包圍電極組件和吸氣外殼的一部分的環(huán)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于可變電容測量裝置的元件可包括單塊電極組件。該單塊電極組件可包括具有電極表面的電極部分。
在另一組實(shí)施例中，一種形成用于可變電容測量裝置的元件的方法可包括在一個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置環(huán)的一部分、電極組件、固態(tài)材料、以及絕緣材料。該電極組件可包括具有表面的電極部分。該固態(tài)材料，比如薄墊片，可比電極部分寬。該方法還可包括加熱該絕緣材料。該固態(tài)材料可完全防止絕緣材料接觸電極部分的表面。
在另一組實(shí)施例中，一種形成用于可變電容測量裝置的元件的方法可包括在環(huán)和電極組件之間設(shè)置絕緣材料。該方法還可包括結(jié)晶絕緣材料以形成接觸環(huán)和電極組件的玻璃-陶瓷材料。
在另一組實(shí)施例中，一種方法可被用于形成可變電容測量裝置。該裝置可包括吸氣材料、電極組件、以及絕緣材料。一種用于形成可變電容測量裝置的方法可包括在電極組件內(nèi)設(shè)置吸氣材料。該方法還可包括當(dāng)吸氣材料的一部分被絕緣材料包圍時(shí)激活吸氣材料。該電極組件的一部分可位于吸氣材料和絕緣材料之間。
上述大體描述和下面的詳細(xì)描述都僅是示例性和解釋性的，并不是要限制本發(fā)明，本發(fā)明由附屬權(quán)利要求所限定。
附圖的簡要描述

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可變電容測量裝置的橫截面圖；圖2示出了圖1的測量裝置內(nèi)部的一個(gè)元件；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施例的可變電容測量裝置的橫截面圖；圖4示出了圖3的測量裝置內(nèi)部的一個(gè)元件；圖5示出了用于將絕緣材料轉(zhuǎn)換為玻璃-陶瓷材料的熱循環(huán)；圖6是使用了圖1或3的測量裝置的流量測量和控制設(shè)備的示意圖；圖7是可變電容測量裝置和散熱片的一部分以及連接到該裝置的電連接的透視圖；圖8是包括散熱片和電子接線端的壓力傳感器的透視圖。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，圖中的元件僅為簡單清楚的目的而示出，沒有必要按照比例畫出。例如，圖中一些元件的尺寸可以相對其他元件而放大，以幫助理解本發(fā)明的實(shí)施例。
詳細(xì)說明現(xiàn)在詳細(xì)參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其例子在附圖中示出。在任何可能的地方，相同的參考標(biāo)記將在所有附圖中使用以表示相同或相似的部分(元件)。
一種可變電容測量裝置可包括這里所描述的任何一個(gè)或多個(gè)功能部件，以實(shí)現(xiàn)一種可靠的、小巧的裝置。在一些實(shí)施例中，大致沿一個(gè)共同軸對齊排列電容器電極、吸氣外殼以及夾緊連接器，這樣可以減小寬度尺寸而不會大幅度增加長度。該裝置相對較小，并能比現(xiàn)有電容傳感器更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)溫度。在另一組實(shí)施例中，通過為傳感器的電容器部分選擇熱膨脹系數(shù)相互接近的材料，可以減小溫度引起的變化。在另一組實(shí)施例中，基本上變化的布局結(jié)構(gòu)可以用于陶瓷-金屬界面以減小外部污染物到達(dá)電容器部分內(nèi)部的隔膜的參考側(cè)的可能性。在進(jìn)一步的一組實(shí)施例中，可以在裝置的電容器部分和吸氣外殼之間使用一個(gè)管子以隔離吸氣外殼和傳感器之間的熱量和應(yīng)力。
此外，可變電容測量裝置可包括玻璃-陶瓷絕緣體，其具有接近地與用于電極組件和參考側(cè)環(huán)的金屬材料的熱膨脹系數(shù)匹配的熱膨脹系數(shù)。該玻璃-陶瓷材料可化學(xué)粘接到該金屬表面以提供氣密密封，并消除了對于電極組件內(nèi)的單獨(dú)的玻璃密封或槽的需要。此外，可以用單塊電極組件來代替單個(gè)獨(dú)立的電極組件(用于電饋通)和電極?？梢栽诮^緣材料的形成過程中使用薄墊片以減小在制造過程中絕緣體沿電極側(cè)表面流動的可能性。還有，單獨(dú)的烘烤和吸氣劑激活循環(huán)可結(jié)合到單個(gè)熱循環(huán)中。實(shí)施例還包括用于形成該裝置的過程。在讀完下面的多個(gè)實(shí)施例的說明之后，將能更好的理解本發(fā)明。
圖1示出了可用作力傳感器、壓力傳感器或類似物等的可變電容測量裝置10的橫截面圖。為簡化，在整個(gè)說明書中，可變電容測量裝置10被稱為壓力傳感器10。壓力傳感器10可包括夾緊連接器102以及電極組件12，這兩個(gè)部件可以相互焊合。夾緊連接器102可包括能被焊閉的可鍛材料。連接器102可包括鋁、黃銅或類似物等等。
電極組件12可包括外殼122、管子124以及主體部分126。該外殼122適用于容納吸氣材料106。該吸氣材料可用于吸收或吸附在傳感器30密封之后在隔膜156的參考側(cè)的污染物或漏氣。在該實(shí)施例中，隔膜156的參考側(cè)包括在隔膜156靠近圖1頂部的那一側(cè)的壓力傳感器10的部分，而隔膜156的過程側(cè)包括在隔膜156靠近圖1底部的那一側(cè)的壓力傳感器10的部分。在吸氣材料的一個(gè)非限制性的例子中，可使用SAES吸氣劑，其可從美國科羅拉多州的Colorado Springs的SAES Getters USA，Inc.獲得。吸氣材料106被圖1所示的保持件104和固體阻擋件108保持就位。此外，保持件104可以去除，并且在吸氣外殼122或者夾緊連接器102中的輕微的緊壓可以被用來幫助將吸氣材料106保持在正確位置。
固體顆粒阻擋件108可以位于吸氣材料106的一側(cè)，以減小來自吸氣材料106的顆粒到達(dá)壓力傳感器10的電容部分14的可能性。固體顆粒阻擋件108可以包括金屬絲篩網(wǎng)、燒結(jié)玻璃、薄膜或類似物等等。固體顆粒阻擋件108可以允許氣體流過它，但是不允許吸氣材料106中的很大的顆粒進(jìn)入電容器主體14。
電極組件12可以進(jìn)一步包括位于外殼122和電容器部分14之間的管子124。電容器部分14可以包括絕緣體142和電極組件12的主體部分126。另外，管子124的壁應(yīng)該盡可能的薄。管子124可以具有比外殼122的直徑(寬度)小的直徑(寬度)。當(dāng)吸氣材料106在高溫被激活時(shí)，這個(gè)管子124和它的窄直徑以及薄壁幫助減小傳遞到電容器部分14的熱量。管子124也減小任何施加到夾緊連接器102或者吸氣外殼122的外力傳遞到電容器部分14。當(dāng)電容器部分14在升高的溫度運(yùn)行時(shí)，管子124幫助減小熱損失并保護(hù)連接到夾緊連接器102的電子設(shè)備。該電極組件12可以進(jìn)一步包括沿主體部分126的內(nèi)部部分的螺紋128。該螺紋128可以固定電極154到電極組件12，其中電極154具有互補(bǔ)螺紋。用于固定電極154到電極組件12的其他方法可以包括螺釘或者螺栓(與電極154分離)、鉚釘、焊接或類似方式等等。
電容器部分14可以包括絕緣體142、參考側(cè)環(huán)144、過程側(cè)環(huán)147、焊接預(yù)加工部145以及外殼146。焊接預(yù)加工部145幫助保持焊接點(diǎn)的焊接熱量并減小整個(gè)焊接功率，因此最小化這些部分的變形失真。電容器外殼141可以包括參考側(cè)環(huán)144和外殼146的組合。盡管沒有示出，但是電極154具有一個(gè)開口和空心軸用來將隔膜156的參考側(cè)抽成真空?？蛇x墊片152可以位于電極組件12和電極154之間，并且用來控制相對于隔膜156的電極154的位置。環(huán)144、147以及隔膜156的焊接接縫基本上防止任何流體從隔膜156的過程側(cè)流至隔膜156的參考側(cè)。
如果傳感器10連接到一個(gè)使用等離子氣體的過程，隔膜156的過程側(cè)可以包括用來防止對傳感器的潛在損害的等離子罩。過程管子148可以連接到電容器部分14的過程側(cè)并可以是流動測量裝置的一部分或者作為用于測量系統(tǒng)中的力或壓力的單獨(dú)傳感器。在一個(gè)具體、非限制性的實(shí)施例中，參考側(cè)環(huán)144、過程側(cè)環(huán)147以及隔膜156可以被相互焊接為子組件。該子組件可以被焊接到外殼146并使用焊接預(yù)加工部(weld preps)145。在這個(gè)實(shí)施例中，所有的金屬-金屬連接都是焊接的。
電容器部分14可包括用于壓力傳感器10的可變電容器結(jié)構(gòu)。電極154、隔膜156、以及電極154和隔膜156之間的間隙的組合可組成該用于壓力傳感器10的可變電容器結(jié)構(gòu)。當(dāng)隔膜156兩側(cè)的壓力基本相同時(shí)，電極154和隔膜156之間的距離，示出為間隙150，可能在大約50至250微米的范圍內(nèi)。
在一些實(shí)施例中，該壓力傳感器10可變型為差壓傳感器。例如，該差壓傳感器可用于測定所測定的壓力在大氣壓以上或以下多少。該傳感器10可通過除去夾緊連接器102、保持件104、以及吸氣材料106而變型。固體顆粒阻擋件108可保留以基本避免顆粒進(jìn)入電容器部分14。參考側(cè)可基本處于大氣壓，過程管148中的氣體可高于或低于大氣壓。在其他實(shí)施例中，隔膜156的另一側(cè)可以是大氣壓。可電連接到管子122，以提供期望電壓或其他信號至電極154。另一個(gè)差壓傳感應(yīng)用將在下面涉及質(zhì)量流量控制器而描述。
現(xiàn)在指出壓力傳感器10的一些物理特性以注意它的一些優(yōu)點(diǎn)。首先，壓力傳感器10和雙電容器壓力傳感器相比具有相對小的尺寸大小。下面的尺寸是示例性的而不是限定性的。通常，壓力傳感器10的寬度162不超過大約35毫米。電容器部分14的高度，其由標(biāo)記164表示，可以不超過大約20毫米，外殼122和夾緊連接器102的組合高度可不超過大約20毫米。在一個(gè)具體實(shí)施例中，寬度162大約為25毫米，尺寸164和166的組合大約為30毫米。因此，可以制造出相對小的壓力傳感器10。壓力傳感器10達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)溫度僅需要花費(fèi)小于大約4小時(shí)的時(shí)間，在一些情況下可小于大約2小時(shí)。將這個(gè)時(shí)間和傳統(tǒng)雙電容器傳感器的接近24小時(shí)進(jìn)行比較。將這個(gè)時(shí)間和傳統(tǒng)雙電容器傳感器常見的接近24小時(shí)進(jìn)行比較。
電極154、電極組件12(包括主體部分126、管子124、以及外殼122)，以及夾緊連接器102可沿共同軸100位于中心，如圖1所示。與將這些部件中的至少一個(gè)沿一個(gè)單獨(dú)的基本平行的軸對齊的傳感器相比，將這些部件中的至少一些沿共同軸100對齊，可以使得壓力傳感器10的寬度相對較小。
除了隔膜156可以彎曲之外，傳感器10沒有可移動的部件了。傳感器10不太可能由于移動部件的“粘性滑移(Stick-slip)”移動或故障而發(fā)生機(jī)械故障或不可再現(xiàn)的讀數(shù)。以及，傳感器10沒有任何輥?zhàn)樱热缂t寶石輥。因此，與輥?zhàn)佑嘘P(guān)的變形失真或制造復(fù)雜性也可消除。
可以選擇傳感器10的材料以使得許多電容器部分14中的材料具有比較一致的熱膨脹系數(shù)。例如，電極組件12、參考側(cè)環(huán)144、殼146、過程側(cè)環(huán)147、過程管148、電極154、隔膜156以及等離子罩158可以由相同材料制成。如果壓力傳感器10在腐蝕性的環(huán)境下使用，該材料可以是鐵鎳合金本身，或包括銅、鉻、鉬、硅、鎢或類似物中的任何一種或多種。示范例可包括INCONELTM，INCOLOYTM，MONELTM，HASTELLOYTM，不銹鋼或類似物等。在一個(gè)具體實(shí)施例中，可以使用INCONEL718。電極組件12、參考側(cè)環(huán)144、殼146、過程側(cè)環(huán)147、過程管148、電極154、隔膜156以及等離子罩158中的任何一個(gè)或所有部件可以是導(dǎo)電傳導(dǎo)部分的例子。注意到，不同的材料可以用于不同的傳導(dǎo)部分。
在另一個(gè)實(shí)施例中(未示出)，電容器部分14可包括一種或多個(gè)絕緣、電阻性的或半導(dǎo)體的材料。外殼的材料應(yīng)包括熱膨脹系數(shù)和絕緣體142的熱膨脹系數(shù)相似的材料。如果任何一種或所有該絕緣、電阻性的或半導(dǎo)體的材料用于外殼141，可以進(jìn)行單獨(dú)的電連接以控制運(yùn)行過程中隔膜156的信號或電位。導(dǎo)線或其他連接體(未示出)可電連接至隔膜156和過程管148，或其他外部導(dǎo)體。可以利用焊接、螺釘、鉚釘、導(dǎo)電粘接劑或環(huán)氧樹脂來進(jìn)行連接至導(dǎo)線或其他連接體的電連接。
絕緣體142應(yīng)包括熱膨脹系數(shù)相似于電容器部分14的其它材料的熱膨脹系數(shù)的主絕緣材料。該絕緣體應(yīng)是穩(wěn)定的，以承受來自傳感器制造過程中的應(yīng)力和熱量。對于參考側(cè)是真空密封的傳感器，該絕緣體應(yīng)不能漏氣。在另一個(gè)實(shí)施例中，玻璃-云母合成物可用作絕緣材料。在一個(gè)具體的非限制性的實(shí)施例中，可使用由New Jersey Clifton的Spaulding Composites公司的一個(gè)分公司Mykroy/MycalexCeramics制造的玻璃-云母COMPOSITE561TM。COMPOSITE561TM是玻璃-云母合成物的模制級合成物。
通常，電容器主體14中的材料，比如電極組件12、絕緣體142、參考側(cè)環(huán)144、過程側(cè)環(huán)147、殼146、電極154、隔膜156的材料應(yīng)進(jìn)行選擇，以使得絕緣體142(或它的主絕緣材料)的熱膨脹系數(shù)在電容器部分14中的任何或所有其他固態(tài)材料的熱膨脹系數(shù)的大約50％以內(nèi)。通常，絕緣體142的熱膨脹系數(shù)為電容器部分14中的任何或所有其他材料的熱膨脹系數(shù)的大約10％以內(nèi)。理論上，所有的熱膨脹系數(shù)應(yīng)當(dāng)基本相同。通過選擇具有相似熱膨脹系數(shù)的材料，從傳感器10中讀取的讀出值因溫度引起的變化將不會發(fā)生或相對小的。
提供一些示例性材料的熱膨脹系數(shù)。INCONELTM718大約為13E-6厘米/厘米/攝氏度或者為8E-6英寸/英寸/華氏度，MONELTM大約為14E-6厘米/厘米/攝氏度或者為7E-6英寸/英寸/華氏度，HASTELLOYTM大約為11-13E-6厘米/厘米/攝氏度或者為6-7E-6英寸/英寸/華氏度，不銹鋼300系列(例如，不銹鋼316或類似物等)大約為18E-6厘米/厘米/攝氏度或者為10E-6英寸/英寸/華氏度，不銹鋼400系列大約為11E-6厘米/厘米/攝氏度或者為6E-6英寸/英寸/華氏度，鋁大約為7E-6厘米/厘米/攝氏度或者為4E-6英寸/英寸/華氏度，鎂橄欖石(fosterite)系列大約為10E-6厘米/厘米/攝氏度或者為6E-6英寸/英寸/華氏度，玻璃-云母COMPOSITE561TM大約為13E-6厘米/厘米/攝氏度或者為7E-6英寸/英寸/華氏度，玻璃-云母COMPOSITE410TM和555TM大約為11E-6厘米/厘米/攝氏度或者為6E-6英寸/英寸/華氏度。通過閱讀本說明書以后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解如何選擇材料來減小由于溫度變化而導(dǎo)致的嚴(yán)重的反作用的可能性。
在如圖1所示的壓力傳感器10的操作中，壓力傳感器10可使隔膜156、參考側(cè)環(huán)144、過程側(cè)環(huán)147、以及殼146位于第一電位比如大約為接地電位。接線端(未示出)可連接到夾緊連接器102、電極組件12，或連接到兩者。該接線端能夠允許電連接到電極154的電極組件12具有和隔膜156不同的電位，該電位相對于隔膜156上的電位可以是正極性的或負(fù)極性的。此外，一個(gè)時(shí)變信號或電位可施加到電極組件12上。絕緣體142使得電極154電絕緣于隔膜156。應(yīng)當(dāng)避免電極組件12和參考側(cè)環(huán)144或殼146之間的電連接。
圖2示出了圖1的壓力傳感器10內(nèi)部的元件20的斷面圖。該元件20包括電極組件12、參考側(cè)環(huán)144、以及絕緣體142，其中絕緣體142接觸(主體部分上的)電極組件12和參考側(cè)環(huán)144。在形成該元件20中，可以使用夾子、老虎鉗或其他固定裝置，以在模制操作中相對穩(wěn)固的固定電極組件12和參考側(cè)環(huán)144。通常，參考側(cè)環(huán)144和電極組件12的至少某些部分位于模具中。參考側(cè)環(huán)144的至少一部分側(cè)面包圍并空間分離于電極組件12的至少一部分，以形成間隔分離區(qū)。
注意到，參考側(cè)環(huán)144的內(nèi)表面和電極組件12的外表面可具有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(topologies)。這些基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有助于密封該元件的參考側(cè)使其與可能暴露于大氣壓的該元件的外側(cè)隔離。這些基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可形成一個(gè)更長更復(fù)雜的空氣、水或其他外部污染物遷移以達(dá)到隔膜156的參考側(cè)上的真空區(qū)的路徑。這也增強(qiáng)了部件之間的連接。可以使用蛇形的、鋸齒形的、方波形的或任何其他形狀的結(jié)構(gòu)。該基本變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可通過使用刳刨機(jī)或其他切削工具獲得想要的形狀而實(shí)現(xiàn)。注意到，該基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行改變，這些改變通常比磨光時(shí)用于參考側(cè)環(huán)144和電極組件12的材料均分根表面粗糙度大。
一個(gè)可選玻璃密封22可沿參考側(cè)環(huán)144和電極組件12的表面形成，如圖2所示。在一個(gè)例子中，一種玻璃糊(glass paste)可用于改進(jìn)環(huán)144和絕緣材料之間的金屬-陶瓷密封。作為一個(gè)例子，New York.Valley Cottage的Aremco Products公司生產(chǎn)的GEC-100TM可用作該玻璃糊。該玻璃糊可在形成電極組件12和參考側(cè)環(huán)144之間的間隙內(nèi)的絕緣材料之前或之后被固化。然后，一種可模制絕緣材料24(例如，玻璃-云母COMPOSITE561TM或類似物)可被模制以位于參考側(cè)環(huán)144和電極組件12之間。該絕緣材料24可具有相似于參考側(cè)環(huán)144和電極組件12的熱膨脹系數(shù)。緊接著該模制操作，可采用退火處理來改進(jìn)元件20內(nèi)部多個(gè)材料之間的密封的整體性。在一可選實(shí)施例中，用于絕緣142的可模制絕緣材料24和玻璃密封22的組合可以被上述玻璃-陶瓷材料所代替。
在一些應(yīng)用中，當(dāng)使用吸氣材料106并溫度激活該材料時(shí)，該激活溫度可高達(dá)大約800攝氏度。選擇用于元件20的材料以使得其能夠承受瞬間熱沖擊。傳感器10可在一個(gè)升高的溫度(有時(shí)高于大約200攝氏度)運(yùn)行也是很常見的。選擇用于元件20的材料以使得其不會嚴(yán)重導(dǎo)致污染或漏氣，其中該污染或漏氣可能會在對隔膜參考側(cè)抽真空時(shí)或當(dāng)壓力傳感器10置于一個(gè)升高的溫度時(shí)的后繼處理工藝條件下發(fā)生。
參照圖1，隔膜156參考側(cè)通常帶入一個(gè)非常低的壓力。在許多情況下，該壓力不會超過大約10微帕斯卡(microPa)或10-7托，通常小于1微帕斯卡或10-8托。在參考側(cè)被抽真空后，夾緊連接器102可利用老虎鉗一樣的工具被冷焊接和密封。在該工具足夠的壓力之下，夾緊連接器102的金屬將熔和在一起并焊合?？梢允褂妹芊庠撗b置的其他方法。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)可選實(shí)施例的可變電容測量裝置30的斷面圖?？勺冸娙轀y量裝置30可用作力傳感器、壓力傳感器或類似物等等。為簡化，在整個(gè)說明書中，可變電容測量裝置30被稱為是壓力傳感器30。壓力傳感器30可包括夾緊連接器102以及電極組件32，兩者可被相互焊接、銅焊或錫焊。
電極組件32可包括吸氣外殼322、管子324以及電極部分326。該吸氣外殼322用于容納吸氣材料306。該吸氣材料306可被稱為吸氣劑，用于吸收或吸附在傳感器30密封之后在隔膜156的參考側(cè)的污染物或漏氣。在該實(shí)施例中，隔膜156的參考側(cè)包括在隔膜156靠近圖3頂部的那一側(cè)的壓力傳感器30的部分，而隔膜156的過程側(cè)包括在隔膜156靠近圖3底部的那一側(cè)的壓力傳感器30的部分。在吸氣材料的一個(gè)非限制性的例子中，可使用SAES吸氣劑，其可從美國科羅拉多州的Colorado Springs的SAES Getters USA公司獲得。吸氣材料306被圖3所示的保持件104和固體顆粒阻擋件308保持就位。此外，保持件104可以去除，并且在吸氣外殼322或者夾緊連接器302上的輕微的緊壓可以被用來幫助保持吸氣材料306在正確位置。
固體顆粒阻擋件308可以位于吸氣材料306的一側(cè)，以減小來自吸氣材料306的顆粒到達(dá)壓力傳感器30的隔膜156的可能性。固體顆粒阻擋件108可以包括金屬絲篩網(wǎng)、燒結(jié)玻璃、薄膜等等。固體顆粒阻擋件108可以允許氣體流過它，但是不允許吸氣材料306中的很大的顆粒到達(dá)隔膜156或間隙150。
電極組件32可以進(jìn)一步包括位于夾緊連接器102和絕緣體342之間的管子324。管子324的壁應(yīng)該盡可能的薄。管子324可以具有比吸氣外殼322的其余部分(其大部分被絕緣體342包圍)的直徑(寬度)小的直徑(寬度)。類似于管子124，該管子324可減小任何施加到夾緊連接器102的外力傳遞到電容器部分34。如果電容器部分34在升高的溫度運(yùn)行，管子324幫助減小熱損失并保護(hù)連接到夾緊連接器102的電子設(shè)備。
在一個(gè)非限制性實(shí)施例中，該電極組件32可以包括單塊電極組件。所謂單塊電極組件，意味著，電極組件由單塊材料形成。電極組件的多個(gè)部分不通過螺紋、焊接、鉚釘或類似物等而緊固。在一個(gè)可選實(shí)施例(未示出)，電極組件32可包括單個(gè)部件的組合。
電極部分326是電極組件32位于絕緣體342下面的部分。電極部分326具有面向隔膜156的電極表面328，相對于該電極表面328的非電極傳感(上部)表面327，以及基本平行于電極表面328的側(cè)表面329。這些表面的重要性將在后面的具體說明中描述。
電容器部分34可以包括絕緣體342、參考側(cè)環(huán)344、過程側(cè)環(huán)147、焊接預(yù)加工部145、外殼146、以及電極組件32位于隔膜156合絕緣體342頂部之間的部分，如圖3所示。焊接預(yù)加工部145幫助保持焊接點(diǎn)的焊接熱量并減小整個(gè)焊接功率，因此最小化這些部分的變形失真。環(huán)344、147以及隔膜156的焊接點(diǎn)基本上防止任何流體從隔膜156的過程側(cè)流至間隙150。電極組件32具有一個(gè)開口和一個(gè)空心軸用來將隔膜156的參考側(cè)抽成真空。
一個(gè)可選薄墊片352可以位于電極部分326和絕緣體342之間并接觸它們。該薄墊片352可用于控制電極部分326相對于隔膜156的位置。該薄墊片352可以是固態(tài)材料，并可以是絕緣體或?qū)щ婓w。如果該薄墊片352是導(dǎo)電體，它應(yīng)該分離于參考側(cè)環(huán)344以防止電極部分326和隔膜156之間的短路。薄墊片352可具有大約75-100微米(3-4毫英寸(密耳))的厚度。
如果傳感器30連接到一個(gè)使用等離子氣體的過程設(shè)備，隔膜156的過程側(cè)可以包括用來防止對傳感器30的潛在損害的等離子罩158。過程管子148可以連接到電容器部分34的過程側(cè)并可以是流動測量裝置的一部分，或者作為用于測量系統(tǒng)中的力或壓力的單獨(dú)傳感器。在一個(gè)具體、非限制性的實(shí)施例中，參考側(cè)環(huán)344、過程側(cè)環(huán)147以及隔膜156可以被相互焊接為子組件。該子組件可以被焊接到外殼146并使用焊接預(yù)加工部145。在這個(gè)實(shí)施例中，所有的金屬-金屬連接都是焊接的。
電容器部分34可包括用于壓力傳感器30的可變電容器結(jié)構(gòu)。電極部分326、隔膜156、以及電極部分326和隔膜156之間的間隙150的組合可組成該用于壓力傳感器30的可變電容器結(jié)構(gòu)。該電容是電極表面328的面積的函數(shù)。當(dāng)隔膜156兩側(cè)的壓力基本相同時(shí)，間隙150可能在大約50至250微米的范圍內(nèi)。
在一些實(shí)施例中，類似于壓力傳感器10，該壓力傳感器30可變型為差壓傳感器。例如，該差壓傳感器可用于測定所測定的壓力在大氣壓以上或以下多少。該傳感器30可通過除去夾緊連接器102、保持件104、以及吸氣材料306而變型。固體顆粒阻擋件308可維持基本避免顆粒進(jìn)入隔膜156或間隙150。參考側(cè)可基本處于大氣壓，過程管148中的氣體可高于或低于大氣壓。在其他實(shí)施例中，隔膜156的另一側(cè)可以是大氣壓?？墒闺娺B接件連接到電極組件32，以提供期望電壓或其他信號至電極部分326。另一個(gè)差壓傳感設(shè)備將在下面涉及質(zhì)量流量控制器而描述。
現(xiàn)在指出壓力傳感器30的一些物理特性以注意它的一些優(yōu)點(diǎn)。首先，壓力傳感器30和傳統(tǒng)壓力傳感器相比具有相對小的尺寸。壓力傳感器30可以作得比壓力傳感器10還小，這時(shí)因?yàn)槲鼩獠牧?06和固態(tài)障柵308的一部分或全部可以位于壓力傳感器30的電容器部分34。在一個(gè)非限制性實(shí)施例中，尺寸366不超過大約15毫米。在一個(gè)具體實(shí)施例中，寬度162大約為25毫米，尺寸164和366的組合的尺寸大約為25毫米。因此，可以制造出相對小的壓力傳感器30。壓力傳感器10的所有其他的示例性尺寸均可用于壓力傳感器30。
可以選擇傳感器30的材料，以使得許多電容器部分34中的材料具有比較一致的熱膨脹系數(shù)并提供良好的密封。例如，電極組件32、參考側(cè)環(huán)344、殼146、過程側(cè)環(huán)147、過程管148、隔膜156以及等離子罩158可以由相同材料制成。如果壓力傳感器30在腐蝕性的環(huán)境下使用，該材料可以是鐵鎳合金，或包括銅、鉻、鉬、硅、鎢中的任何一種或多種。示范例可包括INCONELTM，INCOLOYTM，MONELTM，HASTELLOYTM，不銹鋼或類似物等。在一個(gè)具體實(shí)施例中，可以使用INCONEL718。電極組件32、參考側(cè)環(huán)344、殼146、過程側(cè)環(huán)147、過程管148、隔膜156以及等離子罩158中的任何一個(gè)或所有部件可以是電傳導(dǎo)部分的例子。注意到，不同的材料可以用于不同的傳導(dǎo)部分。
在另一個(gè)實(shí)施例中(未示出)，電容器部分34可包括一種或多個(gè)絕緣、電阻性的或半導(dǎo)體的材料。外殼的材料應(yīng)包括熱膨脹系數(shù)和絕緣體342的熱膨脹系數(shù)相似的材料。如果任何一種或所有該絕緣、電阻性的或半導(dǎo)體的材料用于電容器部分34，可以進(jìn)行單獨(dú)的電連接以控制運(yùn)行過程中隔膜156的信號或電位。導(dǎo)線或其他連接體(未示出)可電連接至隔膜156和過程管148，或其他外部導(dǎo)體。可以利用焊接、螺釘、鉚釘、導(dǎo)電粘接劑或環(huán)氧樹脂來制成連接至導(dǎo)線或其他連接體的電連接件。
絕緣體342包括熱膨脹系數(shù)相似于電容器部分34的熱膨脹系數(shù)的主絕緣材料。該絕緣體應(yīng)是穩(wěn)定的，以承受來自傳感器制造過程中的應(yīng)力和熱量。
在一個(gè)實(shí)施例種，絕緣體342包括玻璃-陶瓷材料。該玻璃-陶瓷材料的例子包括包含至少一種非硅酸鹽氧化物化合物，其中該非硅酸鹽氧化物化合物包括氧化鋁(Al2O3)，氧化鋇(BaO)，氧化鈷(CoO)，氧化硼(B2O3)，氧化鋰(Li2O)，氧化鉀(K2O)，五氧化二磷(P2O5)或類似物等等。在一個(gè)具體的非限制性的實(shí)施例中，該玻璃包括大約55-80重量百分比的二氧化硅(SiO2)。該非硅酸鹽氧化物可用作摻雜物以影響絕緣材料的特性。特性之一為熱膨脹系數(shù)。通過選擇恰當(dāng)?shù)膿诫s物和濃度，該玻璃-陶瓷的系數(shù)可調(diào)整到接近它所要接觸的材料。美國專利Nos.4135936；4414282；以及5820989包含關(guān)于這些玻璃-陶瓷材料的成分和形成的更多細(xì)節(jié)，這些專利申請?jiān)诖俗鳛閰⒖?。玻?陶瓷材料的一些示范例為市場上可獲得的來自Pennsylvania Duryea的Shott Glass Technologies公司的S-8070TM和S-8073TM。注意到，壓力傳感器10的絕緣體142可包括這些材料的任何一種。
玻璃-陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)在10E-6至20E-6厘米/厘米/攝氏度或者6E-6至10E-6英寸/英寸/華氏度的范圍。壓力傳感器30中使用的其他材料的熱膨脹系數(shù)在上面已經(jīng)參照壓力傳感器10而說明了。在閱讀了該說明書之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解如何選擇材料來減小由于溫度變化而導(dǎo)致的嚴(yán)重的反作用的可能性。
類似于壓力傳感器10，在如圖3所示的壓力傳感器30的操作中，壓力傳感器30可使隔膜156、參考側(cè)環(huán)344、過程側(cè)環(huán)147、以及外殼146位于第一電位比如大約為接地電位。接線端(未示出)可連接到夾緊連接器102、電極組件32，或連接到兩者。該接線端能夠允許電連接到電極部分326的電極組件32具有和隔膜156不同的電位，該電位相對于隔膜156上的電位可以是正極性的或負(fù)極性的。此外，一個(gè)時(shí)變信號或電位可施加到電極組件32上。絕緣體142使得電極部分326電絕緣于隔膜156。應(yīng)當(dāng)避免電極組件32和參考側(cè)環(huán)344或殼146之間的電連接。
圖4示出了壓力傳感器30內(nèi)部的元件40的斷面圖。該元件40包括夾緊連接器102、電極組件32、參考側(cè)環(huán)344、以及絕緣體342，其中絕緣體342接觸(主體部分上的)電極組件32和參考側(cè)環(huán)344。電極組件32和參考側(cè)環(huán)344的各自的表面422和444是基本平坦的。因?yàn)榻^緣體342和表面422、444之間的連接是氣密封的，所以不需要槽、通道或其他功能部件。還有，不需要一個(gè)單獨(dú)的玻璃密封化合物。注意到，夾緊連接器102在形成絕緣體342時(shí)沒有出現(xiàn)。
如果需要，表面422和444可成選擇的錐形(未示出)。例如，如果間隙150的壓力低于傳感器30外部的環(huán)境壓力，則電極組件32、環(huán)344或兩者的寬度在靠近間隙150的地方較寬，在靠近夾緊連接器102的地方較窄。相反，如果間隙150的壓力高于傳感器30外部的環(huán)境壓力，則電極組件32、環(huán)344或兩者的寬度在靠近間隙150的地方較窄，以及在接觸靠近夾緊連接器102的絕緣體的地方的寬度。
在形成該元件40中，可以使用夾子、老虎鉗或其他固定裝置，以在模制操作中相對穩(wěn)固的固定電極組件32和參考側(cè)環(huán)344。通常，電極組件32和參考側(cè)環(huán)344的至少某些部分位于一個(gè)模具中。參考側(cè)環(huán)344的至少一部分側(cè)面包圍并空間分離于電極組件32的至少一部分，以形成間隔分離區(qū)。薄墊片352可在操作中出現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，薄墊片352比薄墊片152寬得多。
具有想要的濃度的摻雜物的絕緣材料加入到該模具中。進(jìn)行熱循環(huán)以將該絕緣材料轉(zhuǎn)換為玻璃-陶瓷材料，并分別化學(xué)接合該絕緣體342至電極組件32和參考側(cè)環(huán)344的表面422和444。該模具可具有可能接觸到玻璃-陶瓷材料的石墨表面。該模具可被去除而不需要硅基噴霧。因此，可減小對污染物的擔(dān)心。
圖5中示出了形成該玻璃-陶瓷材料的熱循環(huán)。該熱循環(huán)包括一個(gè)達(dá)到大約1000攝氏度的斜坡，并保持在該溫度達(dá)大約13分鐘。在這段時(shí)間，絕緣材料可變軟，并填入所需空間。因?yàn)樵摐囟瓤赡軙咏蚋哂诮^緣材料的流點(diǎn)，因此，薄墊片352可基本避免任何絕緣材料接觸到電極部分326的上表面327和側(cè)表面329。如果絕緣材料接觸到表面327和329，當(dāng)在部件之間出現(xiàn)一些熱膨脹系數(shù)之間的不匹配時(shí)，將對電容產(chǎn)生不利影響。較寬薄墊片352(和薄墊片152相比)有助于減小表面327和329接觸到絕緣體342的可能性。因?yàn)殡姌O組件32可為單塊電極組件，薄墊片352在玻璃-陶瓷材料形成過程中位于適當(dāng)位置，因此，可實(shí)現(xiàn)隔膜156和電極表面328之間的更好的尺寸控制。
具有絕緣材料的部件可被冷卻到大約650攝氏度，并保持在該溫度達(dá)大約20分鐘。在這段時(shí)間內(nèi)，可形成玻璃-陶瓷材料晶體的成核點(diǎn)。溫度可增加到大約850攝氏度，并保持在該溫度達(dá)大約20分鐘。在這段時(shí)間內(nèi)，該晶體可從該成核點(diǎn)生長以形成多晶的玻璃-陶瓷材料。具有該玻璃-陶瓷絕緣體342的該元件40然后可被冷卻。注意到，玻璃-陶瓷絕緣體342仍然是一種絕緣材料，但卻具有具體的特性(例如，該玻璃-陶瓷是多晶的)。在整個(gè)熱循環(huán)中，包括氮、惰性氣體(例如，氦或氬)等等的惰性氣體可被使用，以減小夾緊連接器102、電極組件32或環(huán)344中的不期望的金屬氧化。
在元件40充分冷卻后，它可在制造過程中和傳感器30的其他部件組合在一起。參考側(cè)環(huán)344、隔膜156、以及過程側(cè)環(huán)147可彼此焊接。
在密封參考側(cè)之前，傳感器30可被烘烤以減小漏氣。該用于烘烤的熱循環(huán)可與用于吸氣材料306的激活操作結(jié)合在一起。例如，熱循環(huán)的第一部分(例如，烘烤部分)可在大約130-170攝氏度的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行達(dá)大約50-80小時(shí)。在熱循環(huán)的第二部分，該溫度可被增加到大約230-270攝氏度的溫度范圍，并持續(xù)大約1-3小時(shí)。在一個(gè)具體的非限制性的實(shí)施例中，第一部分可在大約150攝氏度的溫度進(jìn)行達(dá)大約58小時(shí)，第二部分可在大約250攝氏度的溫度進(jìn)行達(dá)大約2小時(shí)。注意到，這兩個(gè)部分是在一個(gè)熱循環(huán)中進(jìn)行的(例如，不需要在各部分之間冷卻到大約室溫(例如大約20-25攝氏度))。烘烤和激活循環(huán)可在同一個(gè)烤爐中進(jìn)行。
將上述熱循環(huán)和傳統(tǒng)熱循環(huán)比較。在傳統(tǒng)過程中，烘烤和激活作為兩個(gè)不同的操作進(jìn)行。傳感器可能在烤爐中要加熱到大約150攝氏度達(dá)大約70小時(shí)。該傳感器可被冷卻到大約室溫左右，并移到一個(gè)單獨(dú)的無線電頻率感應(yīng)加熱裝置，該裝置能夠就地加熱該吸氣材料至大約600-900攝氏度達(dá)大約1-10分鐘。雖然可使用傳統(tǒng)方法，但是，對于當(dāng)吸氣材料306完全位于電容器部分34外部的情形，該傳統(tǒng)方法需要的更多。
參照圖3，隔膜156的參考側(cè)通常帶入一個(gè)非常低的壓力。在許多情況下，該壓力不會超過大約10微帕斯卡(microPa)或10-7托(Torr)，通常小于1微帕斯卡或10-8托。在對參考側(cè)抽真空后，夾緊連接器102可利用老虎鉗一樣的工具被冷焊接和密封。在該工具足夠的壓力之下，夾緊連接器102的金屬將熔和在一起并焊合?？梢允褂妹芊庠撗b置的其他方法。
傳感器30及其制造方法比傳統(tǒng)的傳感器及其制造方法更優(yōu)。該玻璃-陶瓷材料可被化學(xué)接合到電極組件32和參考側(cè)環(huán)344中的每個(gè)上。不需要單獨(dú)的玻璃密封材料。該化學(xué)接合還允許使得相對平滑的壁用于電極組件32和參考側(cè)環(huán)344?？蛇x的，表面可略粗糙，以改進(jìn)玻璃和金屬表面之間的粘接，但這種粗糙度不會形成肉眼可見的至少一毫米深度的槽或通道。電極組件32和參考側(cè)環(huán)344不需要槽或其他蜿蜒的圖案結(jié)構(gòu)而人為的增加用于水或其他污染物的移動路徑。
所示的實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，薄墊片352有助于保持絕緣材料342接觸電極部分326的表面327和329。因此，當(dāng)有部件之間的熱膨脹系數(shù)的輕微不匹配時(shí)，當(dāng)溫度改變時(shí)電極部分326將保持相對的平坦，從而最小化了溫度引起的電容變化。如果薄墊片352比電極部分326窄，制造上的可變性使得絕緣材料342在一些傳感器中接觸側(cè)表面329，而在其他傳感器中不接觸側(cè)表面329。這種可變性將大大影響可變電容器的電性能。
如上所述，傳感器30可作得更小。電極組件32可具有一個(gè)沒有槽或通道的片，并允許一個(gè)貫穿其中心的較寬開口。該較寬開口可使得吸氣材料306至少部分地位于傳感器30的電容器部分34中。因此，可進(jìn)一步減小尺寸366。
可使用同一加熱裝置在同一加熱循環(huán)中進(jìn)行傳感器30的烘烤和吸氣材料306的激活。因?yàn)槲鼩鈩┘せ畈僮髯鳛閭鞲衅?0的烘烤操作的一部分，從而減少了制造時(shí)間。此外，因?yàn)樾枰俚脑O(shè)備并需要更少的操作員接觸，從而實(shí)現(xiàn)了制造效率。此外，可避免潛在的誤加工(跳過烘烤或激活操作之一)，因?yàn)檫M(jìn)行兩個(gè)操作均不需要烘烤和激活操作之間的人員接觸。
圖6示出了一種流量測量和控制裝置60，比如質(zhì)量流量控制器的示意圖。流體可流過進(jìn)口管622、主體624以及出口管626。雖然未示出，電子設(shè)備可施加到裝置60并可連接到至主體624內(nèi)部的控制器66。流體可被設(shè)計(jì)成流過閥門642和節(jié)流器646。節(jié)流器646包括節(jié)流孔、文氏管或類似物等等。兩個(gè)壓力傳感器644和648，其類似于圖1的傳感器10或圖3的傳感器30，可位于節(jié)流器646的相對側(cè)。流體的流量可通過節(jié)流器646兩側(cè)的壓力差來確定。電信號傳輸?shù)娇刂破?6。通過獲知管子直徑、節(jié)流器646的類型(節(jié)流孔、文氏管等)以及節(jié)流器646的直徑以及從傳感器644和648讀取的讀數(shù)，控制器66或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)就可以確定出通過裝置60的流量了。可以通過調(diào)節(jié)閥門642來控制流量。在閱讀了該說明書的所有內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可使用其他的流量測量或控制裝置，并不同的構(gòu)造這些裝置。
圖7示出了一種流量測量和控制裝置70，比如質(zhì)量流量控制器，的示意圖，其中使用一個(gè)單一的差壓傳感器744(類似于上述的差壓傳感器)來代替圖6中壓力傳感器644和648的組合。裝置70可與干燥氣體，包括清潔的干燥空氣、氮?dú)?、氬氣、氧氣、氫氣或類似物等等一起使用。傳感?44的兩端連接在沿節(jié)流器646的兩個(gè)相對側(cè)的點(diǎn)處。在該特定實(shí)施例中，隔膜的電極側(cè)連接到節(jié)流器646的下游(低壓)側(cè)，以減小間隙150內(nèi)冷凝形成的可能性?？梢允褂霉茏拥碾娊^緣部分747來基本防止電極154電短路至外殼?？梢允褂么蠖鄶?shù)塑料和聚合物的管路。此外，可以使用玻璃或另一種陶瓷材料。流體的流量可通過節(jié)流器646兩側(cè)的壓力差來確定。電信號可傳輸?shù)娇刂破?6。通過獲知節(jié)流器前和節(jié)流器后的管子直徑、節(jié)流器646的類型(節(jié)流孔、文氏管等)以及節(jié)流器646的直徑，以及從傳感器744讀取的讀數(shù)，控制器76或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)就可以測出通過裝置70的流量了?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)閥門642來控制流量。在閱讀了該說明書的所有內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可使用其他的流量測量或控制裝置，并不同地構(gòu)造這些裝置。
圖8示出了包括散熱片84和電子接線端82的壓力傳感器10的透視圖。在該實(shí)施例中，熱可被施加到傳感器10的電容器部分14，以減小隔膜156的過程側(cè)的冷凝形成的可能性。該電容器部分14的一些示例性溫度可在大約40-200攝氏度的范圍。散熱片84可側(cè)面包圍管子124(圖8中未示出)以協(xié)助散熱，從而更少的熱量被傳遞到外殼122和夾緊連接器102。這就使得連接到夾緊連接器102的電子設(shè)備保持在一個(gè)更低的溫度。如果散熱片84包括導(dǎo)電材料，散熱片84應(yīng)位于不會將電極組件12電短路至電容器部分14的參考側(cè)環(huán)144或外殼146的位置。如果散熱片84包括導(dǎo)熱但不導(dǎo)電的材料比如氮化鋁、FR4等等，就可以基本消除對電短路的擔(dān)憂。該散熱片84等可吸收吸氣劑激活熱并減小傳遞到電容器部分14的熱量，因此基本消除了熱沖擊。在一個(gè)可選實(shí)施例中，可用壓力傳感器30代替壓力傳感器10。
在上述說明中，本發(fā)明參照具體實(shí)施例而被說明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可實(shí)施多種變型和改變而不脫離下面的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍。因此，這些說明和附圖均是示例性的而不是限制性的，并且所有這些變型均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
上面已經(jīng)參考具體實(shí)施例說明了本發(fā)明的好處、其他優(yōu)點(diǎn)以及問題的解決方案。然而，這些好處、其他優(yōu)點(diǎn)、問題的解決方案，以及會導(dǎo)致這些好處、其他優(yōu)點(diǎn)、問題的解決方案發(fā)生或變得更加明顯的要素，不構(gòu)成任何一個(gè)或所有權(quán)利要求的關(guān)鍵的、必需的或必須的特性或要素。
這里所使用的術(shù)語“包括”、“包含”、“具有”或其他變型詞，均用于覆蓋一種非排除性的內(nèi)含物。例如，包括一系列要素的過程，物體，或裝置并不是必須要限制為僅僅包括這些要素，還可以包括其他在這里沒有列舉的屬于這些過程，物體，或裝置的要素。進(jìn)一步，除非有明確的相反定義，“或者”意為一種包含性的“或者”，而不意為一種排他性的“或者”。例如，條件A或者B在下面任何一個(gè)中均滿足A是對的(或存在的)以及B是錯(cuò)的(或不存在的)，A是錯(cuò)的(或不存在的)以及B是對的(或存在的)，以及A和B都是對的(或存在的)。
權(quán)利要求
1.一種可變電容測量裝置，包括電極組件，其具有第一熱膨脹系數(shù)；以及絕緣材料，其具有第二熱膨脹系數(shù)，其中該絕緣材料側(cè)面包圍該電極組件；以及第二熱膨脹系數(shù)在第一熱膨脹系數(shù)的大約50％以內(nèi)。
2.權(quán)利要求1的可變電容測量裝置，進(jìn)一步包括電容器外殼，其中該電容器外殼側(cè)面包圍該絕緣材料；以及包含電連接到隔膜的傳導(dǎo)部分。
3.權(quán)利要求2的可變電容測量裝置，其中傳導(dǎo)部分具有第三熱膨脹系數(shù)；以及第二熱膨脹系數(shù)在第一和第三熱膨脹系數(shù)的大約50％以內(nèi)。
4.權(quán)利要求1的可變電容測量裝置，進(jìn)一步包括電極，其連接到電極組件；傳導(dǎo)部分；以及連接到傳導(dǎo)部分的隔膜，其中電極、隔膜以及電極和隔膜之間的間隙組成可變電容器；以及電極和隔膜之間的距離處于大約50-250微米的范圍內(nèi)。
5.權(quán)利要求4的可變電容測量裝置，進(jìn)一步包括夾緊連接器，其中電極組件包括吸氣劑外殼；以及電極、吸氣劑外殼以及夾緊連接器沿一共同軸排列。
6.權(quán)利要求5的可變電容測量裝置，其中電極組件進(jìn)一步包括位于該可變電容測量裝置的吸氣劑外殼和電容器部分之間的管子，其中吸氣劑外殼具有吸氣劑外殼寬度并通過管子與電容器部分間隔開；以及管子具有小于吸氣劑外殼寬度的管子寬度。
7.權(quán)利要求1的可變電容測量裝置，其中電極組件包括包含鐵和鎳的合金，并且該絕緣材料選自玻璃-云母合成物和玻璃-陶瓷材料。
8.權(quán)利要求1的可變電容測量裝置，進(jìn)一步包括傳導(dǎo)部分，其中傳導(dǎo)部分具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；電極組件具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；以及該絕緣材料至少是絕緣體的接觸傳導(dǎo)部分和電極組件的表面的部分，其中絕緣體使傳導(dǎo)部分與電極組件電絕緣。
9.一種可變電容測量裝置，包括電極；吸氣劑外殼；以及夾緊連接器，其中電極、吸氣劑外殼和夾緊連接器沿一共同軸排列。
10.權(quán)利要求9的可變電容測量裝置，其中吸氣劑外殼具有吸氣劑外殼寬度并是電極組件的一部分；電極組件進(jìn)一步包括管子；該管子具有管子寬度并位于吸氣劑外殼和電極之間；以及管子寬度小于吸氣劑外殼寬度。
11.權(quán)利要求10的可變電容測量裝置，進(jìn)一步包括側(cè)面包圍管子的散熱片。
12.權(quán)利要求9的可變電容測量裝置，進(jìn)一步包括隔膜，其中電極、隔膜以及電極和隔膜之間的間隙組成可變電容器；以及電極和隔膜之間的距離處于大約50-250微米的范圍內(nèi)。
13.權(quán)利要求9的可變電容測量裝置，其中電極和吸氣劑外殼包括包含鐵和鎳的合金，并且該絕緣材料選自玻璃-云母合成物和玻璃-陶瓷材料。
14.權(quán)利要求9的可變電容測量裝置，進(jìn)一步包括傳導(dǎo)部分和絕緣體，其中傳導(dǎo)部分具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；吸氣劑外殼是電極組件的一部分；電極組件具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；以及絕緣體接觸傳導(dǎo)部分和電極組件的表面，其中絕緣體使傳導(dǎo)部分與電極組件電絕緣。
15.一種用于可變電容測量裝置的元件，其中該元件包括傳導(dǎo)部分，其具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；電極組件，其具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；以及絕緣體，其接觸傳導(dǎo)部分和電極組件的表面并將傳導(dǎo)部分與電極組件電絕緣。
16.權(quán)利要求15的元件，其中電極組件和傳導(dǎo)部分包括包含鐵和鎳的合金，并且該絕緣材料選自玻璃-云母合成物和玻璃-陶瓷材料。
17.權(quán)利要求16的元件，其中絕緣體包括玻璃密封和可模制的絕緣材料，其中玻璃密封位于可模制的絕緣材料與傳導(dǎo)部分和電極組件中的至少一個(gè)之間。
18.權(quán)利要求15的元件，其中電極組件和傳導(dǎo)部分包括合金，該合金包括鐵和鎳，并且該絕緣材料包括接觸電極組件和傳導(dǎo)部分的玻璃-陶瓷材料。
19.權(quán)利要求15的元件，其中電極組件具有第一熱膨脹系數(shù)；絕緣體具有第二熱膨脹系數(shù)；傳導(dǎo)部分具有第三熱膨脹系數(shù)；以及第二熱膨脹系數(shù)在第一和第三熱膨脹系數(shù)中的至少一個(gè)的大約50％以內(nèi)。
20.權(quán)利要求15的元件，其中電極組件包括吸氣劑外殼和位于絕緣體和吸氣劑外殼之間的管子；吸氣劑外殼具有吸氣劑外殼寬度；管子具有管子寬度；以及管子寬度小于吸氣劑外殼寬度。
21.一種用于可變電容測量裝置的元件，其中該元件包括主體部分；吸氣劑外殼，其中吸氣劑外殼具有吸氣外殼寬度；以及吸氣劑外殼與主體部分間隔開；以及位于主體部分和吸氣劑外殼之間的管子，其中管子的寬度比吸氣劑外殼的寬度小。
22.權(quán)利要求21的元件，其中主體部分、吸氣劑外殼以及管子包括包含鐵和鎳的合金。
23.權(quán)利要求21的元件，其中該元件進(jìn)一步包括傳導(dǎo)部分和絕緣體，其中傳導(dǎo)部分具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；主體部分具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；以及絕緣體接觸傳導(dǎo)部分和主體部分的表面，并使傳導(dǎo)部分與主體部分電絕緣。
24.權(quán)利要求23的元件，其中絕緣體包括玻璃密封和可模制的絕緣材料，其中玻璃密封位于可模制的絕緣材料與傳導(dǎo)部分和主體部分中的至少一個(gè)之間。
25.權(quán)利要求23的元件，其中主體部分具有第一熱膨脹系數(shù)；絕緣體具有第二熱膨脹系數(shù)；傳導(dǎo)部分具有第三熱膨脹系數(shù)；以及第二熱膨脹系數(shù)在第一和第三熱膨脹系數(shù)中的至少一個(gè)的大約50％以內(nèi)。
26.權(quán)利要求21的元件，其中絕緣體包括接觸傳導(dǎo)部分和主體部分的玻璃-陶瓷材料。
27.一種用于可變電容測量裝置的元件，其中該元件包括電極組件，其具有第一熱膨脹系數(shù)；以及絕緣材料，其具有第二熱膨脹系數(shù)，其中該絕緣材料側(cè)面包圍該電極組件；以及第二熱膨脹系數(shù)在第一熱膨脹系數(shù)的大約50％以內(nèi)。
28.權(quán)利要求27的元件，其中絕緣材料包括玻璃-陶瓷材料。
29.權(quán)利要求28的元件，進(jìn)一步包括側(cè)面包圍絕緣材料的電容器外殼，其中玻璃-陶瓷材料接觸電極組件和電容器外殼。
30.權(quán)利要求27的元件，其中絕緣材料包括玻璃-云母材料。
31.權(quán)利要求30的元件，其中絕緣材料進(jìn)一步包括玻璃密封，其位于電極組件和玻璃-云母合成物之間。
32.一種用于使用可變電容測量裝置的過程，包括施加第一信號至電極、吸氣劑外殼、以及夾緊連接器，其中電極、吸氣劑外殼以及夾緊連接器沿一共同軸排列；施加第二信號至隔膜；以及測量包括電極和隔膜的電容器的電容。
33.權(quán)利要求32的過程，其中吸氣劑外殼具有吸氣劑外殼寬度并是電極組件的一部分；電極組件進(jìn)一步包括管子；該管子具有管子寬度并位于吸氣劑外殼和電極之間；以及管子寬度小于吸氣劑外殼寬度。
34.權(quán)利要求32的過程，其中第二信號為時(shí)變信號。
35.權(quán)利要求34的過程，其中第一信號大約處于接地電位。
36.權(quán)利要求32的過程，其中可變電容測量裝置進(jìn)一步包括絕緣材料，其中電極、吸氣劑外殼包括包含鐵和鎳的合金；以及絕緣材料選自玻璃-云母合成物和玻璃-陶瓷材料。
37.權(quán)利要求32的過程，其中可變電容測量裝置進(jìn)一步包括傳導(dǎo)部分和絕緣體，其中傳導(dǎo)部分具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；吸氣劑外殼是電極組件的一部分；電極組件具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；以及絕緣體接觸傳導(dǎo)部分和電極組件的表面，其中絕緣體使傳導(dǎo)部分電極組件電絕緣。
38.權(quán)利要求32的過程，其中可變電容測量裝置進(jìn)一步包括具有第一熱膨脹系數(shù)的電極組件，其中電極組件連接到電極；具有第二熱膨脹系數(shù)的絕緣材料；以及具有第三熱膨脹系數(shù)的電容器外殼，其中絕緣材料位于電極組件和電容器外殼之間；以及第二熱膨脹系數(shù)在第一和第三熱膨脹系數(shù)中的至少一個(gè)的大約50％以內(nèi)。
39.一種用于制造用于可變電容測量裝置的元件的過程，包括將電極組件保持在相對固定的位置，其中該電極組件位于一個(gè)模具中；將傳導(dǎo)部分保持在相對固定的位置，其中該傳導(dǎo)部分側(cè)面包圍電極組件并與電極組件間隔開，以形成一個(gè)間隔分離區(qū)；以及模制絕緣材料以使其位于該間隔分離區(qū)。
40.權(quán)利要求39的過程，其中絕緣材料包括玻璃-云母合成物。
41.權(quán)利要求40的過程，其中電極組件和傳導(dǎo)部分包括包含鐵和鎳的合金。
42.權(quán)利要求39的過程，進(jìn)一步包括在模制絕緣材料之前將玻璃密封沿電極組件和傳導(dǎo)部分的表面而設(shè)置。
43.權(quán)利要求39的過程，其中電極組件具有第一熱膨脹系數(shù)；絕緣材料具有第二熱膨脹系數(shù)；傳導(dǎo)部分具有第三熱膨脹系數(shù)；以及第二熱膨脹系數(shù)在第一和第三熱膨脹系數(shù)中的至少一個(gè)的大約50％以內(nèi)。
44.權(quán)利要求39的過程，其中電極組件包括吸氣劑外殼、主體部分和位于吸氣劑外殼和主體部分之間的管子；吸氣劑外殼具有吸氣劑外殼寬度；管子具有管子寬度；以及管子寬度小于吸氣劑外殼寬度。
45.權(quán)利要求39的過程，其中傳導(dǎo)部分具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；電極組件具有帶有基本上變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表面；以及絕緣體，其包括絕緣材料，接觸傳導(dǎo)部分和電極組件的表面。
46.一種用于可變電容測量裝置的元件，包括電極組件，該電極組件包括具有第一寬度的電極部分；包圍電極組件的一部分的絕緣材料；以及固態(tài)材料，其位于電極部分和絕緣材料之間，其中該固態(tài)材料具有比第一寬度寬的第二寬度。
47.權(quán)利要求46的元件，其中固態(tài)材料接觸電極部分和絕緣材料。
48.權(quán)利要求46的元件，進(jìn)一步包括電極組件內(nèi)的吸氣材料。
49.權(quán)利要求48的元件，其中絕緣材料包圍吸氣材料的至少一部分。
50.權(quán)利要求46的元件，其中電極組件是單塊電極組件。
51.一種可變電容測量裝置，其包括權(quán)利要求46的元件。
52.一種用于可變電容測量裝置的元件，包括電極組件；位于電極組件內(nèi)的吸氣劑外殼；以及側(cè)面包圍電極組件和吸氣劑外殼的一部分的環(huán)。
53.權(quán)利要求52的元件，其中電極組件是包括第一電極的單塊電極組件；以及環(huán)電連接到第二電極。
54.權(quán)利要求52的元件，進(jìn)一步包括位于電極組件和環(huán)之間并和電極組件和環(huán)接觸的絕緣材料；以及絕緣材料包圍吸氣外殼的一部分。
55.一種可變電容測量裝置，其包括權(quán)利要求52的元件。
56.一種用于可變電容測量裝置的元件，包括單塊電極組件，其中該單塊電極組件包括電極部分；以及電極部分具有電極表面。
57.權(quán)利要求56的元件，進(jìn)一步包括位于單塊電極組件內(nèi)的吸氣外殼；以及包圍吸氣外殼一部分的絕緣材料。
58.一種可變電容測量裝置，其包括權(quán)利要求56的元件。
59.一種形成用于可變電容測量裝置的元件的方法，包括將環(huán)、電極組件、固態(tài)材料、以及絕緣材料的至少一部分放置在模具中，其中該電極組件包括具有第一表面的電極部分；該電極部分具有第一寬度；以及該固態(tài)材料具有比第一寬度寬的第二寬度；以及加熱該絕緣材料，其中該固態(tài)材料基本上防止絕緣材料接觸電極部分的第一表面。
60.權(quán)利要求59的方法，其中加熱在高于絕緣材料的流點(diǎn)的第一溫度的條件下的第一部分期間進(jìn)行。
61.權(quán)利要求60的方法，其中加熱在低于第一溫度的第二溫度下，在第二部分期間進(jìn)行，以形成絕緣材料內(nèi)的晶體。
62.權(quán)利要求59的方法，其中電極部分具有與第一表面相對的電極表面。
63.權(quán)利要求59的方法，其中電極部分具有基本垂直于第一表面的電極表面。
64.一種形成可變電容測量裝置的方法，包括形成權(quán)利要求59的元件的方法；連接隔膜到環(huán)；連接環(huán)到外殼；在加熱絕緣材料之后將吸氣材料插入到電極組件中，其中絕緣材料包圍吸氣材料的一部分；以及電極組件是單塊電極組件；固定吸氣材料以使得它不會從電極組件上落下來；以及在加熱絕緣材料之后激活吸氣材料。
65.一種形成用于可變電容測量裝置的元件的方法，包括在環(huán)和電極組件之間放置絕緣材料；以及使絕緣材料結(jié)晶以形成接觸環(huán)和電極組件的玻璃-陶瓷材料。
66.權(quán)利要求65的方法，其中加熱在高于絕緣材料的流點(diǎn)的第一溫度的條件下的第一部分期間進(jìn)行。
67.權(quán)利要求66的方法，其中加熱在低于第一溫度的第二溫度下，在第二部分期間進(jìn)行，以形成絕緣材料內(nèi)的晶體。
68.一種形成可變電容測量裝置的方法，包括權(quán)利要求65的方法；連接隔膜到環(huán)；連接環(huán)到外殼；在加熱絕緣材料之后將吸氣材料插入到電極組件中，其中玻璃-陶瓷材料包圍吸氣材料的一部分；固定吸氣材料以使得它不會從電極組件上落下來；以及在使絕緣材料結(jié)晶之后激活吸氣材料。
69.一種形成用于可變電容測量裝置的方法，該裝置包括吸氣材料、電極組件、以及絕緣材料，其中該方法包括將吸氣材料放置于電極組件內(nèi)；以及當(dāng)吸氣材料的一部分被絕緣材料包圍時(shí)激活吸氣材料。
70.權(quán)利要求69的方法的方法，進(jìn)一步包括連接隔膜到環(huán)；連接環(huán)到外殼；在激活吸氣材料之前固定吸氣材料以使得它不會從電極組件上落下來。
全文摘要
一種可變電容測量裝置能夠包括在多個(gè)不同實(shí)施例中描述的任何一個(gè)或多個(gè)功能部件，以實(shí)現(xiàn)一種可靠的、小巧的裝置。電容器電極、吸氣外殼、夾緊連接器可以沿一共同軸排列，以減小寬度尺寸而不大幅度增加長度。通過選擇那些熱膨脹系數(shù)相互接近的材料，可以減小溫度引起的擾動變化。玻璃－陶瓷材料可用作絕緣體并化學(xué)連接到金屬表面以提供真空密封，從而消除對于一個(gè)單獨(dú)的電極組件內(nèi)的玻璃密封或槽的需要。此外，單塊電極組件可以代替單個(gè)電極組件(用于電穿通)和電極。實(shí)施例還包括用于使用和形成該裝置的過程。
文檔編號G01L9/00GK1672024SQ03817613
公開日2005年9月21日 申請日期2003年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月24日
發(fā)明者海梅 申請人:米克羅利斯公司