如何将电信号传入密封的环境？

什么是电馈通？

电馈通（Electrical Feedthrough）是一种穿过外壳或环境屏障、传输信号和电力（电压）的电导体。我们都熟悉的一个简单实用的馈通连接应用示例是汽车火花塞：火花塞壳体必须承受发动机内产生的压力和温度，同时为燃烧室的火花间隙提供可靠的电连接。

馈通需适应的环境条件往往起着关键作用。在石油天然气等更复杂的应用领域，馈通必须设计得高度可靠，并能抵御极端环境；而机电一体化系统中使用的馈通则常需将信号从非洁净环境传输至洁净环境（真空），防止颗粒进入真空内部。

馈通有多种类型，每种类型适用于不同工况和用途。本文将聚焦玻璃和陶瓷作为密封材料在电馈通中的应用。电馈通的常见示例包括：仪器用密封馈通、大电流高压馈通、同轴馈通、热电偶馈通和光纤馈通等。

玻璃和陶瓷在电馈通中的优势

以下将探讨电馈通的材料选择、玻璃和陶瓷的独特优势，以及玻璃 - 金属密封技术的工艺原理。

1. 玻璃与工业陶瓷的绝缘性能

馈通绝缘材料的选择取决于信号需承受的压力、温度或机械应力等级。对于电馈通而言，绝缘性能和耐热性通常是核心考量因素 —— 电信号传输至馈通法兰时可能发生漏电，需将这种损耗降至最低。

这一问题可通过使用玻璃或氧化铝（Aluminum Oxide）等陶瓷介电元件解决，这些材料能将带电引脚与金属法兰隔离。因此，氧化铝、麦科（Macor）玻璃陶瓷等工业陶瓷常因卓越的绝缘性能被选为馈通绝缘材料。此外，除密封性外，电馈通还需适应高温或低温环境。

2. 玻璃的耐热性

塑料常被用于制造馈通法兰，但大多数塑料不适用于高温等恶劣环境：普通塑料在 100℃左右开始熔化，即使是聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚砜（PES）等高性能塑料，耐热温度也仅能达到 200℃。

而在需要 “烘烤除气”（bake-out）的应用场景中（需加热密封材料以去除可能导致后续放气的副产品），玻璃是更理想的密封材料。玻璃需在极高温度下才能熔化，其中硼硅玻璃（borosilicate）可承受高达 600℃的温度，石英玻璃（quartz）更是能耐受 1100℃。根据使用需求，可通过调整玻璃成分实现特定的耐热性能。

3. 玻璃与工业陶瓷的低放气性

放气性（outgassing）是真空应用设计中最关键的参数之一。真空环境会导致胶粘剂、聚合物等非金属材料释放成分，包括水蒸气、油类、增塑剂、固化反应副产品或密封材料中的其他添加剂。

这在电子束光刻系统等对洁净度要求极高的精密应用中构成重大挑战。因此，选择密封材料时，放气性是真空环境应用的核心考量因素。在所有材料中，玻璃和工业陶瓷的放气率极低，远低于塑料，甚至低于大多数金属 —— 这是因为玻璃组件需经过 2000℃的烘烤处理，几乎能完全去除内部气体。

因此，玻璃 - 金属密封和陶瓷 - 金属密封常成为真空应用的首选方案，这种材料组合能实现最低放气率，维持真空内部的洁净环境。

4. 玻璃材料的可清洁性

超高洁净真空环境要求材料达到极高的洁净标准，但并非所有材料都能满足这一要求 —— 部分材料因多孔性或无法耐受化学清洁剂而受限。玻璃材料无孔隙、表面光滑且耐热性强，氧化铝等工业陶瓷或麦科玻璃陶瓷还能耐受某些清洁工艺中使用的腐蚀性化学品。

这些特性使玻璃和工业陶瓷可通过多种清洁方式达到真空应用所需的超高洁净标准，且不会导致材料性能劣化。

玻璃 - 金属密封技术

电气馈线需要坚固的密封，以保持电气完整性和长寿命的环境密封。因此，采用玻璃对金属封条技术取代塑料封条。玻璃对金属密封条是密封且气密的密封件，能够承受高温、高压、振动、潮湿以及恶劣化学环境等严苛环境。

玻璃与金属密封的馈通具备高性能且高度可靠。玻璃与金属密封是一种对从屏障一侧到另一侧的电导体进行密封绝缘的技术。玻璃会融化到封装和销钉上，因此既能起到气密屏障，又能在外壳和销钉之间提供绝缘。

玻璃 - 金属密封馈通的类型

玻璃 - 金属密封馈通大致可分为功率馈通和信号馈通两类：

• 功率馈通：用于传输能量，通常适用于大电流或高压场景，支持 5 至 150 安培的应用。这类馈通的玻璃 - 金属接合处需通过玻璃实现导体与连接法兰的电气绝缘，还可添加陶瓷材料在馈通屏障两侧形成双重绝缘。

• 信号 / 仪器馈通：用于传输电信号（包括热电偶信号），可处理毫安级小电流、低 / 高压信号，适配低 / 高阻抗信号源。

• 射频（RF）馈通：一种特殊类型，用于传输高频射频和微波电信号。其设计采用单引脚加金属屏蔽结构，屏蔽层尺寸根据玻璃介电常数计算，可在接近 100 吉赫兹的频率下实现 50 或 75 欧姆的阻抗匹配。射频馈通可通过铜芯引脚满足大电流需求，而玻璃 - 金属密封技术则能提供耐受恶劣环境的可靠坚固气密性密封。

玻璃 - 金属密封工艺

玻璃 - 金属密封是一种成熟耐用的技术，因其能承受高压和极端温度而被广泛采用。该技术最早应用于真空管，如今已拓展至玻璃二极管、真空应用密封电馈通等多种场景。

实现坚固密封的关键在于：两种材料间形成牢固的化学键，且不同材料的热膨胀系数（CTE）需匹配。因此，玻璃 - 金属密封馈通的制造需在 500-1100℃的高温下进行，密封过程需严格控制，以避免热失配导致接合处产生残余张力或应力 —— 这些应力可能引发金属与玻璃的破裂或分离。

玻璃与金属密封/熔接的方法

1. 匹配型玻璃 - 金属密封

大多数应用需在宽温度范围内工作，因此组件的热膨胀和收缩速率需接近，以避免使用过程中出现错位或应力。行业标准的材料组合之一是硼硅玻璃与符合 ASTM F-15 标准的可伐合金（Kovar，铁 - 镍 - 钴合金）—— 硼硅玻璃的热膨胀系数在不同温度范围内与可伐合金高度匹配。

2. 压缩型玻璃 - 金属密封

当馈通需具备耐腐蚀性、承压能力或导体强度时，优先采用压缩型玻璃 - 金属密封。玻璃具有受压后强度提升的独特特性，该密封方式通过专门设计材料，使玻璃与金属接合处产生正压力，因此密封性能在压力环境下更优，整体系统在恶劣机械环境中的强度也会增强。