CN107430039A - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

根据实施例的压力传感器包括：隔膜；和应变仪，其具有多个电极和多个电阻器，且玻璃结合到隔膜，其中多个电阻器中的一个或更多个电阻器可布置在多个电极的两个间隔开的电极之间的空间中。

Description

压力传感器

技术领域

示例性实施例涉及压力传感器。

背景技术

压力传感器是指一种构造成测量压力的装置，且例如包括应变仪。应变仪是指配置成在物体因外力而变形时测量物体的应变或变形的量具，且附接到物体来执行此种测量。当合金线由在张力方向上的应变或变形影响时，其长度可增大，且截面面积可减小，且因此电阻可增大。可测量到电阻的此类增大。

发明内容

技术目的

示例性实施例提供了一种可允许减小传感器封装尺寸的压力传感器。

技术解决方案

根据本公开内容的一个方面，提供了一种压力传感器，其包括隔膜，和包括多个电极和多个电阻器且通过玻璃熔块结合来结合到隔膜的应变仪。多个电阻器中的至少一个可设置在多个电极中的与彼此分开的两个电极之间的空间中。

多个电阻器可为设置成惠斯登电桥电路形式的四个电阻器。

四个电阻器中的第一电阻器和第二电阻器可设置在应变仪的中心处，且四个电阻器中的第三电阻器和第四电阻器可分别设置在应变仪的左端部和右端部处。

第三电阻器和第四电阻器中的各个可包括沿相同方向纵向设置的多个压电电阻器。

第一电阻器和第二电阻器中的各个可包括沿与该多个压电电阻器相同的方向纵向设置的至少一个压电电阻器。

多个电极和多个电阻器可物理地串联连接来形成单个闭环。

至少一个电阻器可包括多个压电电阻器，和构造成串联连接该多个压电电阻器的至少一个连接器。

多个压电电阻器中的各个可为硅线(silicon wire)。

多个压电电阻器可沿一个方向纵向设置，使得多个压电电阻器平行于彼此。

至少一个连接器的应力应变可小于多个压电电阻器的应力应变。

至少一个电阻器可设置在隔膜的最大变形的位置处。

至少一个电阻器可设置在隔膜的中心处。

有利效果

根据示例性实施例，压力传感器相比于现有的压力传感器在成本方面有利。此外，压力传感器可允许传感器隔膜的稳健设计，以及整个传感器封装的尺寸减小。

附图说明

图1为示出根据示例性实施例的应变仪的示图。

图2为包括图1中所示的应变仪的压力传感器的局部截面视图。

图3为示出基于由图2中所示的压力传感器测得的各个距离的应变值的图示。

图4为示出根据另一个示例性实施例的应变仪的示图。

图5为示出图4中所示的应变仪的简化实例的电路图。

图6为包括图4中所示的应变仪的压力传感器的局部截面视图。

图7为示出基于由图6中所示的压力传感器测得的各个距离的应变值的图示。

图8为组合示出图3和7中所示的图示的图示。

图9和10为示出基于影响图6中所示的压力传感器的图表的压力的应变分布的图示。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述一些示例性实施例。关于对附图中的元件分配的参考标号，应当注意的是，只要可能，则相同的元件将由相同参考标号标记，即使它们在不同图中示出。另外，在实施例的描述中，在认为公知的相关结构或功能的详细描述将引起本公开内容的模糊理解时，将省略此种描述。

此外，用语如第一、第二、A、B、(a)、(b)等可在本文中用于描述构件。这些用语中的各个不用于限定对应构件的原理、顺序或次序，而是仅用于将对应构件与其它构件区分开。应当注意的是，如果在本说明书中描述一个构件"连接"、"联接"或"连结"到另一个构件，则第三构件可在第一构件与第二构件之间"连接"、"联接"和"连结"，但第一构件可直接地连接、联接或连结到第二构件。

包括在任何一个示例性实施例中的元件或构件，以及包括相同功能的元件或构件将使用其他示例性实施例中的相同名称来描述。除非另外指出，否则任何一个示例性实施例的描述都可应用于其他示例性实施例，且其详细描述将在重叠的范围中省略。

图1为示出根据示例性实施例的应变仪的示图。

参看图1，根据示例性实施例的应变仪10包括第一电阻器R1、第二电阻器R2、第一电极11、第二电极12和第三电极13。第一电阻器R1的两端连接到第一电极11和第三电极13，且第二电阻器R2的两端连接到第二电极12和第三电极13。应变仪10还称为半桥应变仪。

第一电阻器R1包括设置成平行于彼此的多个压电电阻器R11，以及构造成纵向地连接压电电阻器R11的连接器R12。这里，压电电阻器R11例如可使用硅线提供，且连接器R12例如可由铝材形成。

连接器R12的应力应变可小于压电电阻器R11的应力应变。通过这样形成，第一电阻器R1的应力应变可在压电电阻器R11的纵向方向上最大地增大。

第二电阻器R2也以与第一电阻器R1相同的结构设置，且包括沿与第一电阻器R1的压电电阻器R11相同的方向纵向设置的多个压电电阻器R21。

通过这样形成，应变仪10可对于某一方向敏感，例如，第一电阻器R1的压电电阻器R11的纵向方向。大体上，隔膜1a形成为圆形，且隔膜1a在其由影响中空部分1c的压力变形时，可变为从隔膜1a的中心沿径向方向(例如，2轴方向)的对称形状。当应变仪10灵敏地响应于某一方向(例如，1轴方向)时，可由于正交于该某一方向的方向上的应变或变形而出现的测量值中误差可减小。因此，即使应变仪10的中心和隔膜1a的中心并未正确地布置成对应于彼此，也有可能测量到相对正确的应变。

图2为包括图1中所示的应变仪10的压力传感器的局部截面视图。

参看图2，压力传感器1包括隔膜1a、支承隔膜1a的侧壁1b、由隔膜1a和侧壁1b包绕的中空部分1c，以及设置在隔膜1a上的两个应变仪10。在此，中空部分1c的宽度由A指出，侧壁1b的厚度由B指出，且隔膜1a的厚度由C指出。

隔膜1a可由无机材料形成。例如，隔膜1a可由金属或陶瓷材料形成。应变仪10设置在隔膜1a上，且隔膜1a可具有比侧壁1b更厚的厚度。在此情况下，最大应力变化可通过压力或其他外力在设置应变仪10的部分中生成。

隔膜1a可响应于影响中空部分1c的压力而变形，且隔膜1a的此种变形或应变可使用两个应变仪10测量。在此种情况下，为了将各个应变仪10附接到隔膜1a，可应用玻璃熔块结合。在此种情况下，为了防止通过玻璃熔块结合施加到隔膜1a上的玻璃1d的重叠，可能要求两个应变仪10之间的最小距离。通过最小距离d，待附接到各个应变仪10上的玻璃1d可不重叠彼此。然而，在玻璃1d重叠的情况下，测得的值可能由于两个应变仪10之间的相互干扰而不正确，且因此可能基本上要求最小距离d来改善压力传感器1的准确性。因此，使用半桥应变仪减小隔膜尺寸可受到此种最小距离d的限制。

使用玻璃熔块结合来将应变仪固定到隔膜的原因如下。首先，需要热处理来从应变仪附接到其上的隔膜除去残余应力，且普通环氧树脂粘合剂经不起此种过程中的热处理的温度。第二，需要考虑弹性系数和热膨胀状态，以从隔膜获得应变仪的估计应变值。在此种状态下，应变仪的估计应变值可不使用加碳的有机结合材料来获得。因此，可使用为无机结合材料的玻璃材料。

图3为例示基于由图2中所示的压力传感器1测得的各个距离的应变值的图示。

参看图3，两个应变仪10设置成与彼此分开距离d，且因此生成如图3的图示中所示的不灵敏区域。

为了减小传感器的尺寸，可考虑减小隔膜的尺寸。在下文中，将描述改变应变仪和减小隔膜尺寸且因此减小整个压力传感器的尺寸的实例。

图4为示出根据另一个示例性实施例的应变仪的示图。图5为示出图4中所示的应变仪的简化实例的电路图。

参看图4和5，根据另一个示例性实施例的应变仪20包括第一电阻器R1、第二电阻器R2、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第一电极21、第二电极22、第三电极23和第四电极24。第一电阻器R1的两端连接到第一电极21和第二电极22，且第二电阻器R2的两端连接到第二电极22和第三电极23。第三电阻器R3的两端连接到第一电极21和第四电极24，且第四电阻器R4的两端连接到第三电极23和第四电极24。即，应变仪20可看作是包括以惠斯登电桥电路形式设置的四个电阻器。应变仪20还可称为全桥应变仪。

第一电阻器R1包括设置成平行于彼此的多个压电电阻器R11，以及构造成纵向地连接压电电阻器R11的连接器R12。在此，压电电阻器R11例如可使用硅线提供，且连接器R12例如可由铝材形成。四个电阻器可看作是包括物理地且电气地连接的硅线。

连接器R12的应力应变可小于压电电阻器R11的应力应变。通过这样形成，第一电阻器R1的应力应变可沿压电电阻器R11的纵向方向最大地增大。

其余电阻器R2,R3和R4也以与第一电阻器R1相同的结构设置。其余电阻器R2,R3和R4的多个压电电阻器沿与第一电阻器R1的压电电阻器R11相同的方向纵向设置。

第一电阻器R1和第四电阻器R4可从应变仪20的中心在形状上与彼此对称。

第二电阻器R2和第三电阻器R3可从应变仪20的中心在形状上与彼此对称。

通过这样形成，相比于其它方向，应变仪20可对于某一方向敏感，例如，第一电阻器R1的压电电阻器R11的纵向方向。

图6为包括图4中所示的应变仪20的压力传感器的局部截面视图。

参看图6，压力传感器2包括隔膜2a、侧壁2b、中空部分2c和设置在隔膜2a上的单个应变仪20。应变仪20可通过玻璃熔块结合来固定到隔膜2a。在图6中，通过玻璃熔块结合施加到隔膜2a上的玻璃由2d指出。此外，中空部分2c的宽度由A'指出，侧壁2b的厚度由B指出，且隔膜2a的厚度由C指出。由于压力传感器2可仅使用单个应变仪20来测量隔膜2a的应变，故可不要求最小距离d，且可减小中空部分2c的宽度A'，且因此相比于参照图1至3所述的示例性实施例，压力传感器2的总尺寸可减小。即，通过应用全桥类型的应变仪20或全桥应变仪，可除去使用半桥类型的应变仪10或半桥应变仪所要求的最小距离d，且中空部分2c的宽度A'可减小，且因此可减小隔膜2a的尺寸。

图7为基于由图6中所示的压力传感器2测得的各个距离的应变值的图示。图8为组合示出图3和7中所示的图示的图示。

参看图7和8，与参照图1至3所述的示例性实施例不相似，未发现不敏感区域。此外，隔膜2a在离侧壁2b最远的部分（例如，隔膜2a的中心部分）中较大变形，且因此能够通过应变仪20探测到的最大应变值如图8中所示增大G。即，可改善应变仪20的灵敏度。

以下表1指出了图7的图示和图8的图示的比较结果。

[表1]

类别	半桥	全桥
			总应变	800u应变	1000u应变
灵敏度	相比于全桥类型80%	-

表1指出了通过分别将半桥应变仪10和全桥应变仪20应用于相同隔膜获得的结果。如表1中所示，可能需要减小隔膜的厚度，使得半桥应变仪10应用于其的压力传感器可测量由全桥应变仪20测得的相同应变。

[表2]

类别	半桥	全桥
			总应变	1000u应变	1000u应变
隔膜的厚度	设计成相比于全桥类型薄10%	-
			传感器破裂压力	相比于全桥类型相对较低	相比于半桥类型相对较高

以上表2指出了通过将传感器设计成具有相同灵敏度获得的结果。如表2中所示，对于半桥应变仪10应用于其而具有与全桥应变仪20应用于其上的压力传感器相同的灵敏度的压力传感器，隔膜的厚度可能需要较薄，且因此传感器破裂压力可能降低，且耐用性可能降低。即，使用全桥应变仪20可允许更稳健的设计。

图9和10为示出基于影响图6中所示的压力传感器2的图表的压力的应变分布的图示。

参看图9和10，应变仪20的各个电阻器处测得的应变的方向在以下表3中指出。

[表3]

类别	R1	R2	R3	R4
					应变方向(图9)	-	+	+	-
应变方向(图10)	+	-	-	+

根据本文所述的示例性实施例，相比于现有压力传感器，压力传感器可成本效益更合算。此外，可允许传感器隔膜的稳健设计，且还可减小整个传感器封装的尺寸。

尽管示出和描述了本公开内容的一些示例性实施例，但本公开内容不限于所述示例性实施例。实际上，本领域的技术人员将认识到可对这些示例性实施例作出各种变化、改变或替换，而不脱离本公开内容的原理和精神，其范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1. 一种压力传感器，其包括：

隔膜；和

应变仪，其包括多个电极和多个电阻器，且通过玻璃熔块结合来结合到所述隔膜，

其中，所述多个电阻器中的至少一个设置在所述多个电极中的与彼此分开的两个之间的空间中。

2. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述多个电阻器是设置成惠斯通电桥电路形式的四个电阻器。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其中，所述四个电阻器中的第一电阻器和第二电阻器设置在所述应变仪的中心处，并且

所述四个电阻器中的第三电阻器和第四电阻器分别设置在所述应变仪的左端部和右端部处。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其中，所述第三电阻器和所述第四电阻器中的各个包括沿相同方向纵向设置的多个压电电阻器。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其中，所述第一电阻器和所述第二电阻器中的各个包括沿与所述多个压电电阻器相同的方向纵向设置的至少一个压电电阻器。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述多个电极和所述多个电阻器物理地串联连接以形成单个闭环。

7. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述至少一个电阻器包括：

多个压电电阻器；和

至少一个连接器，其构造成串联连接所述多个压电电阻器。

8.根据权利要求7所述的压力传感器，其中，所述多个压电电阻器中的各个是硅线。

9.根据权利要求7所述的压力传感器，其中，所述多个压电电阻器沿一个方向纵向设置，使得所述多个压电电阻器平行于彼此。

10.根据权利要求7所述的压力传感器，其中，所述至少一个连接器的应力应变小于所述多个压电电阻器的应力应变。

11.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述至少一个电阻器设置在所述隔膜的最大地变形的位置处。

12.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述至少一个电阻器设置在所述隔膜的中心处。