CN104568290A - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力传感器(22)，所述压力传感器包括感测压力和将压力转换成可通过电路传递到指示器装置的控制接口电路的电信号的装置(40)，其特征在于，所述感测和转换装置(40)包括：-封闭容积(24、26)和容纳在所述封闭容积中的液体(36)，所述液体(36)可导电且能够在所述封闭容积内移动，-布置在所述封闭容积内的指定位置处的至少一个感测元件(40)，所述感测元件(40)包括至少一对电极(40a、40b)，并且当所述液体在所述封闭容积(24、26)内移动时所述感测元件(40)与所述液体(36)协作，使得当所述液体(36)通过所述感测元件(40)时电路闭合。所述压力传感器(22)集成在压力测量装置(100)、尤其是钟表(2)中。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及压力测量装置的技术领域，且更特别地，本发明涉及压力传感器，所述压力传感器包括在所述传感器遭受外部压力时利用封闭容积内的液体的推进来实现感测的压力感测装置。本发明还涉及包括压力传感器的气压计装置，在该气压计装置中传递由传感器感测到的压力信息，然后例如使用指示器装置在气压计装置中显示该压力信息和/或利用该压力信息来控制预定的操作。尤其在诸如腕表的小尺寸的便携式物品中可包括该气压计装置。
背景技术
设置有压力测量装置的腕表已是公知的。这些腕表例如潜水员的手表通常包括压力传感器，诸如其变形随着潜水期间遇到的压力波动而变化的膜传感器。在一个已知的实施例中，将压力传感器的几何尺寸随气压波动的变化(值)转换成感测臂的线性运动，该感测臂控制杆的枢转。所述杆的枢转运动进而转换成齿轮传动链的旋转运动，该齿轮传动链以一定的传动比与显示轮相互啮合，该传动比计算为使得由显示轮承载的压力指示器指针提供给手表使用者一个清晰的压力指示。
上文中简单描述的这一类型的结构通常用于在潜水期间给手表使用者提供压力指示。
这些机械的压力测量和显示装置相对复杂且考虑到其中包含有大量的机械部件而难以实施。此外，还需提供手表壳体的外部和所述装置安装于其中的内部之间的连通，若在所有的情形下都需要确保手表密封，这将导致复杂的配置。因此，这些因素使得很难以一种经济的方式生产配备有机械的压力测量和显示装置的手表。
本发明的一个主要目的是提供一种实施简单且经济的压力传感器。
本发明的另一个目的是提供具有以下结构的压力传感器，即，该结构允许其易于集成到小尺寸便携式物品尤其是手表中而又不影响手表的密封。
发明内容
为实现上述目的，根据第一方面，本发明涉及一种压力传感器，所述压力传感器包括感测压力和将压力转换成可通过电路传递到指示器装置的控制接口电路的电信号的装置，其特征在于，所述感测和转换装置包括：
-封闭容积/空间和容纳在所述封闭容积中的液体，所述液体可导电且能够在所述封闭容积内移动，
-在所述封闭容积内部布置在指定位置处的至少一个感测元件，所述感测元件包括至少一对电极，并且当所述液体在所述封闭容积内移动时所述感测元件与所述液体协作，使得当所述液体通过所述感测元件时所述电路闭合。
根据一个特定特征，所述封闭容积包括形成储槽的第一部分和形成毛细管的第二部分，所述液体在没有压力的情况下容纳在所述储槽中，并且在受到压力的作用时从所述储槽朝向所述毛细管而移动至所述毛细管中。
根据一个特定特征，所述感测元件沿所述毛细管布置。因此，当压力作用在所述储槽上时，所述感测元件可感测在毛细管内行进的液体。
优选地，所述压力传感器还包括叠置的第一基板和第二基板，以及接合所述第一基板和第二基板以在两者之间限定所述封闭容积的密封框架。
根据第二方面，本发明涉及一种包括根据本发明的第一方面的压力传感器的气压计装置。
除了本发明的所述压力传感器之外，该气压计装置还包括：
-至少一个指示器装置，
-电路，所述电路包括用于所述指示器装置的控制接口电路，所述控制接口电路用于传递压力相关的电信号到所述指示器装置，以及
-用于所述电路的至少一个能源。
根据本发明的第三方面，本发明涉及一种钟表，该钟表包括根据本发明的第二方面的压力测量装置。
优选地，所述压力传感器的所述储槽和所述毛细管沿基本圆形的方向延伸，这有利地使得传感器能够容纳在所述钟表表镜的下方或钟表表圈内。
根据一个特定实施例，所述指示器装置包括与所述压力传感器、尤其与其电路相关联的显示屏和/或发声器和/或发光器。
附图说明
在阅读以下对通过非限制性举例的方式提供的且借助于附图示出的特定实施例的说明后，将更好地理解本发明，其中：
-图1示出根据本发明的第一实施例的设置有容纳在表镜下方的压力传感器的钟表的顶视图。
-图2为示出第一变型实施例的沿图1中的线A-A截取的横截面图。
-图3和4分别示出根据本发明的第二实施例的容纳在钟表表圈(bezel)内部的压力传感器的透视顶视图和顶视图。
-图5到7为示出表圈内部的压力传感器的布置的沿图4中的线Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截取的部分横截面图。
具体实施方式
首先参照图1和2，其中示出诸如深度计的压力测量装置100，该压力测量装置100表现为腕表类型的钟表2的形式。钟表2以常规方式包括壳体4，所述壳体4包括中间部件6、表镜8和后盖10，这些部件限定了用于接纳机芯M的空间12(图2)。该手表还包括上条表冠14、表盘16和指针18。
钟表2——在此示例中，该钟表2也为压力测量装置100——包括例如表现为液晶显示装置形式的深度指示器装置20，和压力传感器22。
在图1的示例中，压力传感器22还起到表镜8的作用，此处该表镜表现为以常规方式覆盖整个表盘16的至少部分透明的玻璃或合成物组件的形式。
压力传感器22包括由两个连续的部件构成的封闭容积。这两个部件的其中一个表现为储槽24的形式而另一个部件则表现为毛细管26的形式，该毛细管26在它的一端处封闭且在另一端与储槽24连通。
由储槽24和毛细管26形成的封闭容积由形成表镜8的上基板8a和下基板8b限定。通过具有封闭轮廓的密封框架28将上基板8a和下基板8b以液晶单元的形式接合，且该密封框架28的形状限定了储槽24和毛细管26的尺寸。
基板8a、8b表现为圆盘的形式，其直径与中间部件6的上部孔口6a的直径基本相等。密封圈30有利地设置在孔口6a内并位于中间部件6和传感器组件之间，以便以传统的密封方式将所述组件固定到表壳，所述组件搁置在设置于中间部件6内部的凸肩6a上。凸缘32将表镜8保持在距表盘16的一定距离处。
传感器22还包括设置在基板8a和基板8b的周缘之间的外部密封框架34。
密封框架28用作上基板8a和下基板8b之间的隔离件。形成传感器的基板由绝缘材料制成。在所示出的实施例中(在该实施例中传感器在显示装置上方集成到钟表内并且形成表镜8)，上基板8a和下基板8b由透明材料制成，且布置成使得可读出钟表2的常规时间显示信息。
基板8a和8b的厚度设计成使得它们可至少在其位于储槽24上方的区域内弯曲。通常，这些基板的至少在储槽区域内的厚度大约为0.1mm。因此，当储槽具有投影到基板平面上的150mm2的表面且毛细管具有投影到基板平面上的70mm2的表面时，可感测到1到6巴的压力范围，所述毛细管的截面积通常大约为0.1mm2。
根据一个优选的变型，上基板8a具有比下基板8b更小的厚度，使得受到压力作用的上基板可独立于下基板8b而弯曲。因此，改进了对压力变化的响应/灵敏度，而组件的机械稳定性仍保持与钟表表镜的强度和刚度要求相兼容。
作为示例，适当的透明材料可为玻璃、塑料材料或蓝宝石。
根据一个变型，在该变型中传感器未集成在显示装置上方，如将要在下文中更详细地描述的图3到7中所示，例如当传感器集成在手表表圈内时，上基板8a和下基板8b可由诸如塑料或不透明陶瓷的不透明材料制成。
在图3和4所示的实施例中，储槽24和毛细管26沿基本圆形方向布置，以便将传感器22插入到钟表2内。当然可设想储槽和毛细管沿直线方向的构型，或任何其他非直线以及非圆形的构型。
本发明中的传感器22还包括导电液体36。由于其导电特性而特别适用的液体可为例如矿物质水/矿化水、水银或任何其他导电液体。该液体36被限制在由储槽24和毛细管26形成的封闭容积内。
当压力测量装置100处于大气压力下时，液体36全部地容纳在储槽24内部(图1)。当压力测量装置100由于深度而受到压力作用时，在储槽24的投影到基板上的整个表面上压力施加到储槽24上。上基板8a在其靠近储槽24的区域内至少局部地弯曲。液体36然后被迫使离开储槽24而移动至毛细管26。
所施加的压力越高，液体36在毛细管26内行进的距离越大。因此，可以通过测量液体36在毛细管26内行进的距离来确定作用在压力测量装置100上的压力值。为实现这一目的，压力传感器22还包括用于感测毛细管26内液体36的存在和将其转换成易于使用者理解的信息的感测和转换装置。
根据本发明的一个特征，液体36导电。液体36与感测和转换装置协作，所述感测和转换装置包括电路38和放置在所述电路上的至少一个感测元件40(图2)。有利地，具有各种组成部件(能源、导电通路PC、斑马式连接器Z、用户界面微控制器MC、显示器20)的电路38由布置在表盘16下方的基板S承载。根据一个变型，电路38可连接到钟表机芯M的控制电路并且与该控制电路共用共同的部件。
感测元件40包括至少一对电极40a、40b。这对电极布置在上基板8a和/或下基板8b的表面上，所述上基板8a和/或下基板8b沿毛细管26与液体36接触。通常，电极由诸如铟锡氧化物(ITO)的材料制成，这种材料具有导电且光学透明的优点。存在用于制作电极的其他可能材料，诸如纳米线导体(AG纳米线)或者足够薄以致不可见的其他层状导电材料。
在施加到传感器表面上的压力的作用下，液体36被迫使离开储槽24且前进到毛细管26内。当液体36与感测元件40进入接触时，由于该液体36的导电性而形成该对电极40a、40b之间的电接触，并且因此闭合感测电路38。然后将电信号传递到指示器装置20的接口控制电路，该指示器装置20向用户指示已经过第一压力阈值。当液体36沿毛细管26与感测元件40进入接触时，电接触再次闭合且然后将第二电信号传递到指示器装置的接口控制电路，该指示器装置向用户指示已经过第二压力阈值，以此类推。
成对电极中的电极40a、40b或者并置地布置在上基板8a或下基板8b上(图1)，或者在上基板8a和下基板8b之间彼此面对地布置(未示出)。
因此，通过将感测元件40沿毛细管26布置在彼此相隔适当距离的位置处，可以不仅感测施加在储槽24上的压力，还可以量化和/或确定连续经过的压力阈值。通常，感测元件以能够允许向潜水员提供阶段相关的信息的一定距离而彼此间隔。
因此，将压力相关的信息转换成电信号，该电信号借助于导电通路而传递到诸如显示装置20的指示器装置的控制接口电路。
图2示出一个变型实施例，在该变型实施例中，指示器装置是布置在表盘16下方且通过设置在表盘16内的孔口16a可见的显示装置20。
显示装置20不仅提供了对正在施加压力的事实的指示，还提供了代表该压力的数值，该数值可随着液体36行进通过毛细管26以及与连续的感测元件40的协作而逐渐改变。
优选地，深度显示装置20表现为公知的数码显示装置的形式，该数码显示装置包括显示字母数字混合字符的液晶单元，该字母数字混合字符在水下也可容易地读取。当然可打开背光以便在低亮度条件下易于阅读显示(的信息)。在图1所示的示例中，由于施加在压力测量装置上的且由压力传感器30测量得到的压力，所显示的信息为深度5米。
作为变型，刚才描述的视觉指示器装置20可由诸如发声器、振动装置和/或发光器的其他类型的指示器替代或者可与这些其他类型的指示器相关联。例如，在包括用于照亮表盘的装置的潜水员手表的示例中，一旦本发明的传感器感测到已越过代表确定深度的压力阈值时，即可自动打开该照明装置。
作为一种已知的和有利的方式，电路38可由为了最佳的光接收而以适当方式布置在表盘16上的至少一个太阳能电池42来供电。该太阳能电池可提供将要存储在能量存储元件(蓄电池、超级电容器等)中的能量，以便即使在太阳能电池42上不再有任何光照时还可以给电路供电。
图3到7示出本发明的另一个实施例，在该实施例中，压力传感器22不是由钟表表镜形成，而是集成到钟表表圈70内。通过已知的方式，表圈70表现为布置在钟表的中间部件上且相对于该中间部件可旋转的带凹槽的环形件的形式。
表圈70包括从其上表面横向延伸且容纳类似于参照图1和2所描述的压力传感器的压力传感器22的环形壳腔72。压力传感器22包括储槽24和毛细管26，所述储槽24和毛细管26沿基本圆形方向延伸并且容纳在由上基板74和下基板76限定的封闭空间内，所述上基板和下基板通过密封框架78接合。圆形内部密封框架78a和外部密封框架78b设置在传感器22的整个周界上以机械地加强该传感器。
保护层80和掩蔽层(masking layer)82设置在上基板74之上。掩蔽层82在储槽24上方的区域内中断(图6和7)。保护层80包括同样布置在储槽24上方的两个孔84，以便允许将压力例如经由液体直接施加到面向储槽24布置的传感器的上基板74的部分上，并且因而在此位置处(将压力)作用在基板74上。
因此，如图7中所见，在上基板74和保护层80之间的储槽区域内设置有空白空间86。空间86和孔84允许以类似于前述实施例所描述的方式(图1和2)使外部压力施加在储槽32的整个表面上并且允许液体36被驱至毛细管34内。
在图5、图6和图7中特别示出了上述布置，其中，图5为示出毛细管26的(沿图4中的线Ⅰ-Ⅰ截取的)表圈70的横截面，图6为示出孔84中的一个的(沿图4中的线Ⅱ-Ⅱ截取的)表圈70的横截面，图7为示出储槽24的(沿图4中的线Ⅲ-Ⅲ截取的)表圈70的横截面。
如在图3和5中更特别地示出的，感测元件40，在此示例中为氧化铟锡电极对40a、40b，在毛细管26的区域内的适当位置处布置在下基板76上，并且与包含在由上、下基板和密封框架78限定的容积内的导电液体36相接触。电极40a、40b连接到导电通路88，所述导电通路88部分布置在下基板76上(图5和6)，并且经由斑马式连接器94而连接至指示器装置92的控制接口电路90，该斑马式连接器94设置在位于传感器22下方的凹槽96内。在所示出的实施例中，指示器装置为通过基板74、76和保护层80可见的LED(发光二级管)。电路90通过电池98(图6)来供电。
如参照图1中的实施例所描述的，当导电液体36在毛细管26中前进直至到达其中一个感测元件40时，该感测元件40和导电通路88之间的电路即闭合。这一通路在下基板76的下方延伸，在所述下基板76的下方该通路与印刷电路板连通，该印刷电路板可以向布置在钟表内的接收装置(未示出)传递信息。所述接收装置可为如第一实施例的示例中的压力值显示装置，或为用于自动检测压力阈值的越过的装置。
在图3所示的示例中，感测元件40的电极40a、40b并排布置，使得在制造期间可仅处理基板74、76中的一个。
本发明并非限于刚才所描述的特定实施例。特别地，当压力测量装置不为钟表时，压力传感器可在非圆形方向例如基本线性方向上延伸。电能可由除了电池或太阳能电池以外的其他能源供给。显示装置可不同于液晶显示屏。
特别地，压力测量装置的电路可独立于钟表的电路。
特别地，感测元件可以不同方式分布在一个基板或另一个基板上。类似地，电通路可布置在上基板而非下基板上。

Claims (18)

1.一种压力传感器(22)，包括感测压力和将压力转换成能够通过电路传递到指示器装置的控制接口电路的电信号的感测和转换装置(40)，其特征在于，所述感测和转换装置(40)包括：
-封闭容积(24、26)和容纳在所述封闭容积中的液体(36)，所述液体(36)是导电的且能够在所述封闭容积(24、26)内移动，
-布置在所述封闭容积(24、26)内的指定位置处的至少一个感测元件(40)，所述感测元件(40)包括至少一对电极(40a、40b)，并且当所述液体在所述封闭容积(24、26)内移动时，所述感测元件(40)与所述液体(36)协作，使得当所述液体(36)通过所述感测元件(40)时电路闭合。
2.根据权利要求1所述的压力传感器(22)，其特征在于，所述封闭容积(24、26)包括形成储槽(24)的第一部分和形成毛细管(26)的第二部分，所述液体(36)在没有压力的情况下容纳在所述储槽(24)中，并且在受到压力作用时从所述储槽(24)移动至所述毛细管(26)中。
3.根据权利要求2所述的压力传感器(22)，其特征在于，所述至少一个感测元件(40)沿所述毛细管(26)布置。
4.根据权利要求2或3所述的压力传感器(22)，其特征在于，所述储槽(24)和所述毛细管(26)沿基本圆形方向顺序布置。
5.根据权利要求2所述的压力传感器(22)，其特征在于，所述压力传感器包括沿所述毛细管(26)彼此相隔确定的距离顺序布置的多个感测元件(40)。
6.根据权利要求1所述的压力传感器(22)，其特征在于，每个感测元件(40)包括布置在同一平面内的一对电极(40a、40b)。
7.根据权利要求1所述的压力传感器(22)，其特征在于，所述压力传感器还包括叠置的第一基板(8a、74)和第二基板(8b、76)，以及接合所述第一基板和第二基板以在两个基板之间限定所述封闭容积的密封框架(28、78)。
8.根据权利要求7所述的压力传感器(22)，其特征在于，每个感测元件(40)由所述第一和第二基板(8a、8b、74、76)中的一个或另一个承载。
9.根据权利要求8所述的压力传感器(22)，其特征在于，所有的感测元件(40)均由相同的基板(8b、76)承载。
10.根据权利要求1所述的压力传感器(22)，其特征在于，所述感测和转换装置(40)还包括与所述感测元件(40)和所述液体(36)协作的电通路。
11.根据权利要求1所述的压力传感器(22)，其特征在于，上基板(8a)具有比下基板(8b)更小的厚度，使得所述上基板在受到压力的作用时更加灵敏。
12.一种压力测量装置(100)，包括具有感测压力和将压力转换成能够通过电路传递到指示器装置的控制接口电路的电信号的感测和转换装置(40)的压力传感器(30)，其特征在于，所述感测和转换装置(40)包括：
-封闭容积(24、26)和容纳在所述封闭容积中的液体(36)，所述液体(36)是导电的且能够在所述封闭容积(24、26)内移动，
-布置在所述封闭容积(24、26)内的指定位置处的至少一个感测元件(40)，所述感测元件(40)包括至少一对电极(40a、40b)，并且当所述液体在所述封闭容积(24、26)内移动时所述感测元件(40)与所述液体(36)协作，使得当所述液体(36)通过所述感测元件(40)时电路闭合。
13.根据权利要求12所述的压力测量装置(100)，其特征在于，所述压力测量装置还包括：
-指示器装置(20)，
-电路(38)，所述电路包括用于所述指示器装置的控制接口电路，所述控制接口电路接收压力相关的电信号并且再次传递所述电信号到所述指示器装置(20)，以及
-用于所述电路的至少一个能源。
14.一种钟表(2)，包括至少一个压力测量装置(100)，所述压力测量装置(100)具有压力传感器，所述压力传感器包括感测压力和将压力转换成能够通过电路传递到指示器装置的控制接口电路的电信号的感测和转换装置(40)，其特征在于，所述感测和转换装置(40)包括：
-封闭容积(24、26)和容纳在所述封闭容积中的液体(36)，所述液体(36)是导电的且能够在所述封闭容积(24、26)内移动，
-布置在所述封闭容积(24、26)内的指定位置处的至少一个感测元件(40)，所述感测元件(40)包括至少一对电极(40a、40b)，并且当所述液体在所述封闭容积(24、26)内移动时所述感测元件(40)与所述液体(36)协作，使得当所述液体(36)通过所述感测元件(40)时电路闭合，其中，所述感测和转换装置(40)还包括与所述感测元件(40)和所述液体(36)协作的电通路。
15.根据权利要求14所述的钟表(2)，其特征在于，所述钟表设置有表镜(18)，所述压力传感器(30)集成在所述表镜内。
16.根据权利要求15所述的钟表(2)，其特征在于，所述表镜形成所述压力传感器的其中一个基板。
17.根据权利要求14所述的钟表(2)，其特征在于，所述钟表设置有容纳所述压力传感器(22)的表圈(70)。
18.根据权利要求14所述的钟表(2)，其特征在于，所述指示器装置包括显示屏和/或振动装置和/或发声器和/或发光器。
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