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專利名稱：基于機械密封的電化學地震檢波器及其封裝方法
技術領域：
本發(fā)明涉及地震檢波技術領域和傳感器封裝技術領域，尤其涉及一種基于機械密封的電化學地震檢波器及其封裝方法。
背景技術：
地震檢波器是屬于振動傳感器的一種，測量過程中將被測振動參量(如位移、速度、加速度等)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌男盘栃问?如機械、電、光信號等)。電化學地震檢波器以含碘和碘化鉀的電解液為慣性體，其敏感元件是一個包含兩對電極的電極敏感核心。該敏感核心中的每對電極均由陽極和陰極構成，兩對電極呈陽極-陰極-陰極-陽極分布，敏感核心和電解液封裝在有機玻璃和橡膠薄膜構成的外殼里。在地動信號的作用下，電解液和電極敏感核心產(chǎn)生相對運動，從而改變了兩對電極附近反應離子的濃度分布，導致其中一對電極的電化學反應速率變快，而另一對電極的電化學反應速率變慢或者幾乎不變，進而使其中一對電極的輸出電流變大，另一對電極的輸出電流變小或者幾乎不變，通過測量兩對電極之間輸出電流的差的變化來檢測地震波。因此，電化學檢波器有噪聲低，不易受熱應力影響，抗電磁干擾強，靈敏度高，安裝使用簡單等優(yōu)點。傳統(tǒng)電化學檢波器的電極敏感核心燒結在一個陶瓷圓片中，陶瓷圓片用液態(tài)的硅橡膠密封在有機玻璃外殼中，由于液態(tài)膠具有流動性，在封裝過程中可能會堵住電極敏感核心的流道，影響器件性能和器件間的一致性；另外，液態(tài)硅橡膠固化后會大量吸收反應溶液中的碘，從而造成器件靈敏度逐漸降低甚至失效。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于機械密封的電化學地震檢波器及其封裝方法，其基本原理是， 在檢波器的所有組成部件之間均放置一層硅橡膠軟墊，裝配時機械壓力壓緊硅橡膠軟墊從而實現(xiàn)檢波器各組成部件之間的密封。本發(fā)明公開了一種基于機械密封的電化學地震檢波器，其包括:固定圈、外殼、彈性膜和電極敏感核心；所述電極敏感核心置于兩個所述外殼之間，且所述電極敏感核心與外殼之間通過柔性密封墊圈密封；所述彈性膜置于每個所述外殼與固定圈之間，以實現(xiàn)固定圈與外殼之間的密封，所述外殼與所述固定圈之間通過機械方式固定。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還公開了一種基于機械密封的電化學地震檢波器的封裝方法，其包括:步驟1、將兩個密封墊圈放在兩個外殼的內(nèi)表面正中心的凹槽里，得到兩個完全相同的帶密封墊圈的外殼；步驟2、將封裝后的電極敏感核心放置在所述兩個外殼的內(nèi)表面正中心的凹槽里；步驟3、分別在兩個外殼的外表面上依次放置彈性膜和固定圈；步驟4、將兩個外殼和兩個固定圈緊固在一起，完成電化學地震檢波器的封裝。
本發(fā)明的有益效果是:(i)檢波器的所有部件都是通過機械密封的方式進行組裝，因此裝配過程簡單、高效，并且器件的密封效果好；(ii)與傳統(tǒng)的封裝方式相比，機械密封方法在所有的裝配環(huán)節(jié)中都不使用液態(tài)膠，一方面避免了封裝過程中液態(tài)膠對電極敏感核心的影響，從而提高了檢波器的一致性，另一方面避免了反應溶液中的碘被液態(tài)膠吸收，從而保證了檢波器的長期有效。


圖1是本發(fā)明中電化學地震檢波器的結構示意圖；圖2是本發(fā)明中電化學地震檢波器的固定圈結構示意圖；圖3是本發(fā)明中電化學地震檢波器的外殼結構示意圖；圖4是本發(fā)明中用于封裝后電極敏感核心和外殼之間的密封墊圈結構示意圖；圖5是本發(fā)明中電化學地震檢波器的彈性膜結構示意圖；圖6是本發(fā)明中電化學地震檢波器的封裝后電極敏感核心結構示意圖；圖7是本發(fā)明中用于電極敏感核心和密封件之間的密封墊圈結構示意圖；圖8是本發(fā)明中電化學地震檢波器的密封件結構示意圖；圖9是本發(fā)明中電化學地震檢波器的電極敏感核心結構示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明提出了一種基于機械密封的電化學地震檢波器及其封裝方法。圖1示出了本發(fā)明中所述基于機械密封的電化學地震檢波器的結構示意圖。如圖1所示，該電化學地震檢波器是上下對稱的，包括:固定圈1、外殼2、彈性膜3和封裝后的電極敏感核心4，其中固定圈1、外殼2與彈性膜3均分為結構完全相同的上下兩部分。圖2示出了本發(fā)明中上述固定圈的結構示意圖。所述固定圈I為由不銹鋼等金屬材料或者石英或者陶瓷等材料制成的中空圓環(huán)狀結構，其兩對稱側壁上具有凹陷區(qū)，為以后增加外部質(zhì)量塊預留空間；其上表面(圖2右)為一圓環(huán)平面，下表面(圖2左)由圓環(huán)5和圓環(huán)6組成，圓環(huán)5為外圈，分布有螺紋孔7，圓環(huán)6為內(nèi)圈，其平面比圓環(huán)5的平面低，為組裝時放置彈性膜3預留空間。圖3示出了本發(fā)明中所述外殼的結構示意圖。所述外殼2為由有機玻璃或者聚四氟等化學惰性材料制成，其上表面(圖3左)中間為一邊緣有凸起的圓盤8，用來容納電解液；圓盤8外有一個圓環(huán)9，用來放置彈性膜3 ;圓環(huán)9外有一個固定環(huán)10，分布有螺紋孔13，螺絲貫穿上下兩個固定圈I的螺紋孔7、上下兩個外殼2的螺紋孔13后將固定圈與外殼固定在一起。圓盤8與圓環(huán)9之間的凸起、圓環(huán)9與圓環(huán)10之間的凸起限制了彈性膜3的圓環(huán)16的活動范圍，為放置彈性膜3提供定位。所述外殼2的下表面(圖3右)為圓盤形狀，且其側壁上具有多處凹陷區(qū)14，其中間有一個通孔，螺絲通過固定圈I的螺紋孔7與所述凹陷區(qū)14的通孔和外部基座的螺紋孔 將檢波器固定在外部基座上；下表面中心位置處具有凹槽11，所述凹槽為方形，其中心有一圓環(huán)形凹槽用于放置密封墊圈15，所述密封墊圈15用于保證封裝后的電極敏感核心4與所述外殼2之間的密封性。下表面的凹槽11有一延伸到外部的凹槽12，用于引出電極引線。圖4示出了本發(fā)明中用在封裝后的電極敏感核心與外殼之間的密封墊圈的結構示意圖。所述的密封墊圈15為由硅橡膠或者丁腈橡膠等材料制成，其形狀為圓環(huán)形，其厚度、內(nèi)外徑的大小與外殼2的凹槽11中心處的圓環(huán)形凹槽(圖3右)的深度、內(nèi)外徑大小相匹配。圖5示出了本發(fā)明中所述彈性膜的結構示意圖。所述彈性膜3為由硅橡膠或者丁腈橡膠等化學惰性且具有良好彈性的材料制成，其上表面(圖5左)最外側有一圓環(huán)16，其與外殼2的圓環(huán)9、固定圈I的圓環(huán)6相接觸，裝配時圓環(huán)16受到機械壓力發(fā)生形變，實現(xiàn)固定圈I與外殼2之間的密封。圓環(huán)16內(nèi)側有一個向外凸起的曲面圓環(huán)17，用來容納電解液；中心有一圓盤18，是為以后增加外部質(zhì)量塊而預留的設計。彈性膜3的厚度為2_左右，其下表面(圖5右)是向內(nèi)凹陷的,用來容納電解液,其各個部分的功能與上表面相對應的各個部分的功能相同。 圖6示出了本發(fā)明中封裝后的電極敏感核心的結構示意圖。所述封裝后的電極敏感核心4由兩個密封墊圈19、兩個密封件20和一個電極敏感核心21組成。裝配時，將所述電極敏感核心21 (圖9)置于兩個密封墊圈19(圖7)之間，再在所述兩個密封墊圈19的外周分別套接兩個密封件20 (圖8)，擰緊上、下兩個密封件20兩側螺紋孔中的螺絲，就可以得到所述的封裝后的電極敏感核心4。從裝配過程可以看出，通過壓縮密封墊圈19可以保證電極敏感核心21與上、下兩個密封件20之間的密封性。圖7示出了本發(fā)明中用在電極敏感核心與密封件之間的密封墊圈的結構示意圖。所述的密封墊圈19為由硅橡膠或者丁腈橡膠等材料制成，其形狀為圓環(huán)形，其內(nèi)外徑的大小、厚度分別與密封件20下表面中心處的圓環(huán)24、圓環(huán)25(圖8右)相匹配。圖8示出了本發(fā)明所述密封件的結構示意圖。所述密封件20由有機玻璃或者聚四氟等化學惰性且具有良好彈性的材料制成，其上表面(圖8左)的兩側有螺紋孔23，所述上表面的中心有一個凸起的圓環(huán)22，用來與外殼2的下表面中心的圓環(huán)形凹槽(圖3右)相匹配，所述圓環(huán)22中心的孔是電解液的流道。所述密封件20的下表面(圖8右)的兩側有螺紋孔23，中心有一圓環(huán)24，其內(nèi)外徑大小與密封墊圈19相匹配，其中心的孔是電解液的流道。圓環(huán)24的外側有一凸起的圓環(huán)25，用于固定密封墊圈19。圖9示出了本發(fā)明中所述電極敏感核心的結構示意圖。所述電極敏感核心21由硅材料通過微電子機械工藝(MEMS)制成。所述電極敏感核心21為疊層結構，由5層絕緣層和4層電極層相間疊加組成。所述絕緣層和電極層表面布滿圓形或方形的通孔，所述通孔是電解液流動的流道。所述電極層是檢波器工作的核心部件，檢波器檢測到地震信號時，電極層會輸出電流信號。在裝配時，首先將兩個密封墊圈15 (圖4)分別放在兩個外殼2的下表面正中心的凹槽11里(圖3右)，得到兩個完全相同的帶密封墊圈的外殼2。然后將封裝后的電極敏感核心4(圖6)放置在兩個外殼2的下表面正中心的凹槽11里，封裝后的電極敏感核心4就被卡在兩個外殼2之間。再分別在兩個外殼2的上表面上依次放置一個彈性膜3 (圖5)和一個固定圈1(圖2)，形成如圖1所示的對稱結構。最后將長螺絲貫穿在上下兩個固定圈I的螺紋孔7、上下兩個外殼2的螺紋孔13中，緊固螺絲，完成整個電化學地震檢波器的封裝。所述固定圈I和外殼2之間通過壓縮彈性膜3來實現(xiàn)密封，所述外殼2與所述封裝后的電極敏感核心4之間也有一層密封墊圈15以保證其密封性。所述的電化學地震檢波器，其所述的固定圈I可以由不銹鋼等金屬材料或者石英或者陶瓷等材料制成。所述的電化學地震檢波器，其所述的外殼2和密封件20可以由有機玻璃或者聚四氟等化學惰性材料制成。所述的電化學地震檢波器，其所述的彈性膜3、密封墊圈15和密封墊圈19可以由硅橡膠或者丁腈橡膠等化學惰性且具有良好彈性的材料制成。電極敏感核心21也可以通過低溫陶瓷燒結技術燒結在陶瓷中完成密封。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi) 。
權利要求
1.一種基于機械密封的電化學地震檢波器，其包括:固定圈、外殼、彈性膜和電極敏感核心；所述電極敏感核心置于兩個所述外殼之間，且所述電極敏感核心與外殼之間通過柔性密封墊圈密封；所述彈性膜置于每個所述外殼與固定圈之間，以實現(xiàn)固定圈與外殼之間的密封，所述外殼與所述固定圈之間通過機械方式固定。
2.如權利要求1所述的電化學地震檢波器，其特征在于，所述電極敏感核心為封裝后的電極敏感核心，其包括:電極敏感核心和密封件；所述電極敏感核心置于兩個所述密封件之間，且在電極敏感核心與所述密封件之間通過所述柔性密封墊圈實現(xiàn)密封。
3.如權利要求1所述的電化學地震檢波器，其特征在于，所述固定圈和外殼之間具有相互對應的螺紋孔，其用于將所述固定圈、外殼相互固定。
4.如權利要求3所述的電化學地震檢波器，其特征在于， 所述固定圈為一圓環(huán)狀結構，其下表面由兩個圓環(huán)構成，其內(nèi)側圓環(huán)的平面低于外側圓環(huán)； 所述外殼為圓盤狀結構，其上表面中間具有邊緣凸起的圓盤，所述圓盤外有一圓環(huán)，所述圓環(huán)外有一固定環(huán)，所述圓環(huán)與固定環(huán)之間具有凸起；其下表面中心位置處具有凹槽，用于放置封裝后的電極敏感核心； 所述彈性膜最外側為一圓環(huán)，其內(nèi)側為向外凸起的曲面圓環(huán)，該曲面圓環(huán)中間為一圓盤； 其中，所述電極敏感核心放置在兩個所述外殼的下表面中心的凹槽內(nèi)固定，兩個所述外殼上表面分別放置有所述彈性膜，所述彈性膜最外側的圓環(huán)置于所述外殼上表面的圓環(huán)上；兩個所述固定圈 分別固定于放置了所述彈性膜的所述外殼上表面，所述彈性膜最外側的圓環(huán)置于所述固定圈的內(nèi)側圓環(huán)上，其曲面圓環(huán)從所述固定圈的中空部分凸起；所述彈性膜上的曲面圓環(huán)、圓盤以及所述外殼上的圓盤共同構成容納電解液的容器。
5.如權利要求4所述的電化學地震檢波器，其特征在于，所述外殼下表面的中心凹槽內(nèi)具有一圓環(huán)狀凹槽，該圓環(huán)狀凹槽用于放置所述柔性密封墊圈，以實現(xiàn)封裝后的敏感電極核心與外殼之間的密封。
6.如權利要求4所述的電化學地震檢波器，其特征在于，所述外殼下表面的中心凹槽具有向外延伸的凹槽，用于引出電極引線。
7.如權利要求2所述的電化學地震檢波器，其特征在于，所述密封件上表面中心有凸起的圓環(huán)，其與所述外殼下表面相應位置處的凹槽相匹配；所述密封件的下表面相應位置有圓環(huán)形凹槽，用于放置密封墊圈；所述電極敏感核心封裝在兩個有密封墊圈的密封件之間。
8.如權利要求1所述的電化學地震檢波器，其特征在于，所述固定圈由金屬、石英或者陶瓷制成；外殼由惰性材料制成；彈性膜和密封墊圈由惰性彈性材料制成。
9.如權利要求2所述的電化學地震檢波器，其特征在于，所述密封件中心具有通孔；所述電極敏感核心由多層絕緣層和電極層相間層疊組成，且其表面具有多個通孔；其中，所述密封件中心的通孔和所述電極敏感核心表面的通孔為電解液流動通道。
10.一種基于機械密封的電化學地震檢波器的封裝方法，其包括: 步驟1、將兩個密封墊圈放在兩個外殼的內(nèi)表面正中心的凹槽里，得到兩個完全相同的帶密封墊圈的外殼；步驟2、將封裝后的電極敏感核心放置在所述兩個外殼的內(nèi)表面正中心的凹槽里；步驟3、分別在兩個外殼的外表面上依次放置彈性膜和固定圈；步驟4、將 兩個外殼和兩個固定圈緊固在一起，完成電化學地震檢波器的封裝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于機械密封的電化學地震檢波器及其封裝方法，所述電化學地震檢波器包括固定圈、外殼、彈性膜和電極敏感核心；所述電極敏感核心置于兩個所述外殼之間，且所述電極敏感核心與外殼之間通過柔性密封墊圈密封；所述彈性膜置于每個所述外殼與固定圈之間，以實現(xiàn)固定圈與外殼之間的密封，所述外殼與所述固定圈之間通過機械方式固定。電極敏感核心采用MEMS加工技術制造出來后，將其密封在小的密封件中，再將小的密封件密封在大的外殼中，最后用螺絲加固完成整個檢波器的封裝。所有的硬接觸面之間均放置一層軟墊，螺絲加固時，軟墊發(fā)生形變，實現(xiàn)機械密封。
文檔編號G01V1/18GK103235337SQ201310188648
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月21日 優(yōu)先權日2013年5月21日
發(fā)明者王軍波, 鄧濤, 陳德勇, 何文濤, 范云潔, 王鵬 申請人:中國科學院電子學研究所