一种真空规电容结构及真空规的制作方法

1.本发明涉及电容式测量计的技术领域，尤其涉及一种真空规电容结构及真空规。


背景技术：

2.电容式真空规可以测量气体、液体等流体的压力，其原理是利用弹性膜片将规管分为两个小室，其中一侧接被测系统，另一侧处于已知的参考压力，弹性薄膜在压差的作用下发生形变，以引起电容的变化，通过测量电容值的变化，并利用电路传输和转换后输出，得到被测系统的压力。
3.相关技术中，电容式真空规一般为单膜片双电机结构，即在膜片与两个电极之间会形成两个相等的初始电容，当膜片形状发生改变时，两个电容会发生变化，其主要受到压力以及外部环境例如温度的影响，通过两部分电容之差，可以减小或消除外部环境对测试结果的影响，电容的变化即为压力带来的变化，相较于单膜片单电极结构，提高了测试精度。
4.但为了追求测试的精度，测量的压力越低，需要的膜片就越薄，加工应力就越大，相应的翘曲就越大；此外，陶瓷、石英等非金属薄膜片要构成电容器的电极，还需要进行导电处理，在这个过程中会增加膜片的翘曲度。翘曲会导致两部分电容值产生偏差，电容值越大，产生的偏差越大，导致真空规测试精度下降。


技术实现要素：

5.本发明提供一种真空规电容结构及真空规，用以解决现有技术中由于翘曲度导致的电容值偏差较大，影响测试精度的缺陷，以减小翘曲度对电容值的影响，提高真空规的测试精度。
6.本发明提供一种真空规电容结构，包括：外壳，具有内腔；动极板，为薄膜结构，并将所述内腔分隔为测试腔和参考腔；固定极板，设置于所述参考腔内，所述固定极板朝向动极板的一面具有第一电极，所述第一电极与所述动极板组成可变电容；参考极板，设置于所述固定极板背离动极板的一侧，并且朝向参考极板的一面具有第二电极，所述第二电极与所述固定极板组成参考电容，所述可变电容的初始电容值与所述参考电容的电容值相等。
7.根据本发明提供的一种真空规电容结构，所述动极板与所述参考极板呈镜像设置于所述固定极板的两侧。
8.根据本发明提供的一种真空规电容结构，所述动极板以及参考极板的单面或双面具有导电层。
9.根据本发明提供的一种真空规电容结构，所述固定极板将所述外壳的内腔分隔为两个腔室，两个腔室通过固定极板上的通孔连通，所述固定极板上环绕通孔固定有第一安
装环，所述动极板封接于所述第一安装环上。
10.根据本发明提供的一种真空规电容结构，所述固定极板背离第一安装环的一面上固定有第二安装环，所述参考极板固定连接于所述第二安装环上。
11.根据本发明提供的一种真空规电容结构，所述第一电极和第二电极通过导电镀层电连接，并通过第一引线引出。
12.根据本发明提供的一种真空规电容结构，所述动极板与所述第一安装环电绝缘连接，所述第一安装环上设置有电导层，所述电导层一端与所述动极板电连接，另一端位于所述固定极板上，并通过第二引线引出；所述电导层与所述第一电极和第二电极电绝缘，所述第二引线与所述第一引线位于固定极板的同侧。
13.根据本发明提供的一种真空规电容结构，所述参考极板与所述第二安装环电绝缘连接，并通过第三引线引出，所述第三引线与所述第二引线位于固定极板的同侧。
14.根据本发明提供的一种真空规电容结构，所述第一安装环与所述动极板电连接，并且所述第一安装环与所述第一电极电绝缘；所述固定极板上设置有电导层，所述电导层与第一安装环电连接，并且所述电导层与所述第一电极和第二电极电绝缘，所述电导层通过第二引线引出，所述第二引线与所述第一引线位于所述固定极板的同侧。
15.根据本发明提供的一种真空规电容结构，所述参考极板与所述第二安装环电绝缘连接，并通过第三引线引出，所述第三引线与所述第二引线位于所述固定极板的同侧。
16.本发明还提供一种真空规，包括上述任意一项所述的真空规电容结构，以及测试电路。
17.本发明提供的一种真空规电容结构及真空规，通过设置参考极板，以形成参考电容，在实际对流体压力进行测量时，由于参考电容与可变电容的初始电容值相等，从而可以消减翘曲度对测试结果的影响，进而提高测试精度。同时，当动极板采用较厚的膜片时，受到翘曲度的影响较小，采用单膜片和双膜片结构均可准确测得结果，但现有技术中，测试结果
△
c=c
p2-c
p1
，而本发明中，
△c΄
=c
p
，
△c΄
大于
△
c，因此，可以测得更大的电容值，以提高测试的精度。综上所述，无论是使用较薄亦或是较厚的膜片作为动极板，本发明的测试精度均优于现有技术。此外，长时间使用后，动极板难免会受应力变形，由于参考极板位于参考腔内，基本不受应力的影响，因此会始终保持较为精准的初始电容值，以通过参考极板的电容值作为参考，以减小动极板变形所带来的影响，保证期间长时间的使用精度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是现有技术中真空规电容结构的示意图；图2是本发明提供的真空规电容结构的示意图；图3是本发明提供的引线连接结构的示意图之一；图4是本发明提供的引线连接结构的示意图之二。
20.附图标记：
1、极板；10、内电极；11、外电极；2、膜片；3、外壳；30、测试腔；31、参考腔；4、动极板；5、固定极板；50、第一电极；51、第二电极；53、第一引线；6、参考极板；60、第三引线；7、进样口；8、第一安装环；80、电导层；81、第二引线；9、第二安装环。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.为了方便理解本发明提供的真空规电容结构及真空规，首先说明其应用场景，电容式真空规利用弹性膜片形变所引起的电容变化，以测量系统的压力，现有技术中，参照图1，电容式真空规一般为单膜片双电极结构，其主要包括极板1和膜片2，其中，极板1上具有内电极10和外电极11，内电极10与膜片2之间的电容为c
内
，外电极11与膜片2的电容为c
外
，由于膜片2、极板1等所处的温度环境相同，因而减小或消除了环境的影响，c
内
=c
外
；在测试压力p下，内电极10与膜片2间的电容c0=c
内
c
p1
ch，外电极11与膜片2之间的电容c1=c
外
c
p2
ch，其中，c
p1
为测试压力对电容值c0的影响，c
p2
为测试压力对c1的影响，ch为环境对电容值的影响，因而
△
c=c
1-c0=c
p2-c
p1
，电容的变化即为压力所带来的变化。
23.但为了追求更高的测试精度，更低的测试压力，所需的膜片2越来越薄，受到加工应力的影响，翘曲度变大；此外，使用陶瓷、石英等非金属薄膜片时，还需要进行导电处理，会进一步加大翘曲度，此时，电极与膜片2实际的初始电容c
΄
内
=c
内
c
q1
，c
΄
外
=c
外
c
q2
，c
q1
为翘曲度对c0的影响，c
q2
为翘曲度对c1的影响，由此，测试压力p下c0=c
内
c
q1
c
p1
ch，c1=c
外
c
q2
c
p2
ch，相应的，
△
c=c
p2-c
p1
c
q2-c
q1
，从而导致两部分电容值产生偏差，电容值越大，产生的偏差越大，导致真空规测试精度下降。因此，本发明提供一种真空规电容结构及真空规，以降低翘曲度对测试精度的影响。
24.下面结合图2-图4描述本发明的真空规电容结构及真空规。
25.参照图2，一种真空规电容结构，包括外壳3、动极板4、固定极板5和参考极板6；其中，外壳3具有内腔，动极板4为薄膜结构并且设置于外壳3中，动极板4将外壳3的内腔分隔为测试腔30和参考腔31，测试腔30内处于真空状态，外壳3上设置有进样口7，进样口7与测试腔30相连通，待测系统通过进样口7与测试腔30相连接。
26.固定极板5设置于参考腔31内，固定极板5朝向动极板4的一面上具有第一电极50，第一电极50和动极板4组成可变电容的两块电极板，通过动极板4的形变，能够引起可变电容电容值的变化。
27.参考极板6同样为薄膜状结构；参考极板6设置于参考腔31内，并且位于固定极板5背离动极板4的一侧，固定极板5朝向参考极板6的一面上具有第二电极51，第二电极51与参考极板6之间组成参考电容，参考电容的电容值与可变电容的初始电容值相等。
28.在实际对流体压力进行测量时，设定参考电容为c
参
，可变电容的初始电容值为c
测
，c
参
=c
测
，在测试压力p的状态下，c
΄
参
=c
参
ch，c
΄
测
=c
测
ch c
p
，其中，ch为测试环境对电容值的影响，由于可变电容和初始电容具有相同的电介质，并且处于相同的测试环境，因而环境对两者电容值的影响相同；c
p
为测试压力对c
΄
测的影响，由此，
△c΄
=c
΄
测-c
΄
参
=c
p
，由此可见，通过
设置参考电容，可以减小翘曲度对测试结果的影响，进而提高测试精度。
29.同时，当动极板4采用较厚的膜片2时，受到翘曲度的影响较小，采用单膜片和双膜片结构均可准确测得结果，但现有技术中，测试结果
△
c=c
p2-c
p1
，而本发明中，
△c΄
=c
p
，
△c΄
大于
△
c，因此，可以测得更大的电容值，以提高测试的精度。综上所述，无论是使用较薄亦或是较厚的弹性膜片作为动极板4，本发明的测试精度均优于现有技术。
30.此外，长时间使用后，动极板4难免会受应力变形，由于参考极板6位于参考腔31内，基本不受应力的影响，因此会始终保持较为精准的初始电容值，通过参考极板6的电容值作为参考，以减小动极板4变形所带来的影响，保证期间长时间的使用精度。
31.具体的，固定极板5固定连接于外壳3内，并将外壳3的内腔分隔为第一腔室和第二腔室，其中，动极板4位于第一腔室中，参考极板6位于第二腔室中；固定极板5上开设有通孔，通孔穿透固定极板5的上下两面，第一腔室和第二腔室通过通孔相连通。
32.固定极板5上固定连接有第一安装环8和第二安装环9，第一安装环8和第二安装环9均环绕通孔设置，其中，第一安装环8位于第一腔室中，动极板4固定连接于第一安装环8上，并且封闭第一安装环8远离固定极板5一端的开口，从而在第一腔室中围合成所述的测试腔30。
33.第二安装环9位于第二腔室中，参考极板6固定连接于第二安装环9上，需要说明的是，参考极板6和第二安装环9围成的空间与参考腔31是处于连通状态的，具体的，可以在参考极板6上设置连通孔，保证参考极板6两侧气压的平衡。参考极板6与动极板4呈镜像布置于固定极板5的两侧，并且第一电极50与动极板4、第二电极51与参考极板6具有相同的正对面积，根据c=εs/4πkd（其中ε为电介质的介电常数；s为电极板正对面积；d为电极板之间间距），因此，动极板4与第一电极50之间以及参考极板6与第二电极51之间具有相同的电容值。
34.在另一个实施例中，动极板4和参考极板6还可以焊接到外壳3的内壁上，仅通过动极板4将外壳3的内腔分隔成测试腔30和参考腔31。
35.在一个具体的实施例中，动极板4为石英晶体薄膜，厚度为5微米-1毫米，表面粗糙度为0.05纳米-20微米，动极板4的单面或者双面具有导电层，导电层可以位于动极板4的上表面或下表面，导电层包括但不限于金属膜、导电浆料等，本实施例中，导电层为铬金属层，并且涂覆于动极板4的双面上。导电层的平面度公差不大于5毫米。参考极板6与动极板4可以为相同的材质，并具有相同的结构，以保证动极板4和参考极板6具有相同的翘曲度，从而保证可变电容的初始电容值与参考电容相等。
36.另一个实施例中，动极板4和参考极板6还可以使用其他材料制成，例如可以为陶瓷薄膜、金属薄膜等。
37.可变电容和参考电容通过引线引出，以便于测量，以下结合附图3和附图4说明引线的连接位置，为了便于理解，在附图3和附图4中，黑色实体部分代表导电层，白色实体部分代表电绝缘层。
38.参照图3和图4，固定极板5可以包括一个陶瓷基板，并在陶瓷基板上下两面镀金属膜，以形成第一电极50和第二电极51，第一电极50和第二电极51通过导电镀层实现电连接，一个实施例中，导电镀层一端电连接第一电极50，然后从陶瓷基板的侧面延伸至第二电极51处，并与第二电极51电连接；另一个实施例中，导电镀层还可以设置于固定基板的通孔
内，以实现第一电极50和第二电极51的电连接；总之，无论采用何种方式，仅需实现第一电极50和第二电极51的电连接即可，然后通过第一引线53引出。具体的，第一引线53与导电镀层的接头位于第二腔室内，并且位于参考极板6的一侧，第一引线53穿过第二腔室引出外壳3，以避开动极板4和参考极板6的位置，便于连接。
39.在一个具体的实施例中，参照图3，动极板4通过第一安装环8与固定极板5电绝缘连接，参考极板6通过第二安装环9与固定极板5电绝缘连接，具体的，第一安装环8和第二安装环9可以采用绝缘材料制成，或者通过绝缘层实现电绝缘，或者避开第一电极50或第二电极51的涂覆位置。本实施例中，第一安装环8和第二安装环9采用绝缘材料制成，第一安装环8上涂覆有电导层80，电导层80一端与动极板4电连接，另一端延伸至固定极板5上，并且穿过固定极板5的侧面位于第二腔室内；电导层80与第一电极50和第二电极51电绝缘，并且通过第二引线81引出外壳3。具体的，可以通过设置绝缘层实现电绝缘，还可以使电导层80避开第一电极50和第二电极51的涂覆位置实现电绝缘，仅需使第二引线81的接头与第一引线53的接头位于固定极板5的同侧即可，以避开动极板4和参考极板6的位置，便于连接，本实施例中，电导层80通过绝缘层与第一电极50和第二电极51电绝缘。相应的，参考极板6通过第三引线60引出第二腔室。
40.另一个实施例中，参照图4，动极板4与第一安装环8电连接，例如，第一安装环8可以采用导电材料制成，或者可以在第一安装环8上涂覆导电镀层，本实施例中，第一安装环8采用导电材料制成。第一安装环8与第一电极50电绝缘，固定极板5上设置有电导层80，电导层80一端与第一安装环8电连接，另一端穿过固定极板5的侧面位于第二腔室内，并通过第二引线81引出第二腔室。电导层80与第一电极50和第二电极51电绝缘，具体的，可以通过设置绝缘层实现电绝缘，还可以使电导层80避开第一电极50和第二电极51的涂覆位置实现电绝缘，仅需使第二引线81的接头与第一引线53的接头位于固定极板5的同侧即可，以避开动极板4的位置，便于连接。本实施例中，电导层80避让了第一电极50和第二电极51的位置。参考极板6与第二安装环9电绝缘连接，具体的，参考极板6底面的导电层避让了第二安装环9的位置，可以在参考极板6的连通孔中涂覆导电层，以实现参考极板上下两面的电连接。参考极板6通过第三引线60引出第二腔室。第一引线53、第二引线81和第三引线60位于固定极板5的同侧，并避让了动极板4和参考极板6的位置，以便于连接。
41.下面对本发明提供的真空规进行描述，下文描述的真空规与上文描述的真空规电容结构可相互对应参照。
42.一种真空规，包括上述的真空规电容结构，以及测试电路。
43.本发明的创新点在于：通过设置参考极板6，以形成参考电容，参考电容与可变电容的初始电容值相等，从而可以减小翘曲度对测试结果的影响，进而提高测试精度。同时，当动极板4采用较厚的膜片2时，受到翘曲度的影响较小，采用单膜片和双膜片结构均可准确测得结果，但现有技术中，测试结果
△
c=c
p2-c
p1
，而本发明中，
△c΄
=c
p
，
△c΄
大于
△
c，因此，可以测得更大的电容值，以提高测试的精度。综上所述，无论是使用较薄亦或是较厚的弹性膜片作为动极板4，本发明的测试精度均优于现有技术。此外，长时间使用后，动极板4难免会受应力变形，由于参考极板6位于参考腔31内，基本不受应力的影响，因此会始终保持较为精准的初始电容值，以通过参考极板6的电容值作为参考，以减小动极板4变形所带来的影响，保证期间长时间的使用精度。
44.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。