TWI439681B - 電容感測器的改良 - Google Patents

Description

電容感測器的改良

本發明係有關於電容感測器，更特定言之係有關於一低壓電容壓力計其包含一膜片係經建構俾以將該膜片牢固在該壓力計外殼內，以致在焊接期間消除翹曲，並使該膜片與焊接所造成的翹曲隔離。

電容壓測器通常包含具有二腔室的一外殼，該第一腔室用以接收該氣體或蒸氣其之壓力待量測，以及該第二腔室用以接收處於一參考壓力下的一氣體。該參考壓力典型地係由一參考源或由反應周圍情況的周圍氣體所決定。該二腔室係由配置於其間的一可撓曲膜片隔開。該膜片係環繞其之周圍加以固定，因此其將一腔室與另一腔室密封分離，並且具有一主動部分係隨該量測壓力與該參考壓力之間的差值變化而撓曲。於一電容壓力計中，該膜片係與二電極間隔開，一電極典型地係為一環電極以及另一電極係為一中央電極，二者係與該膜片之該主動部分的中心軸軸向地對準。該等電極係配置在其中一腔室腔室中，通常該腔室包含參考氣體。當對該膜片施以一壓差時，該膜片相對於該二電極撓曲。藉由電氣地連接該膜片因此其亦使用作為一電極，該壓差能夠隨著該膜片與該中央電極間的電容差值以及該膜片與該環電極之間的電容差值的變化加以量測。利用已知的參考壓力，能夠輕易地由該電容量測而確定該量測壓力。

該電容壓力計之壓力量測範圍係部分地由於該膜片與該環狀電極及中央電極之間的間隔所決定。在零的位置，該膜片的該等表面必需是平坦的且盡可能地與環狀及中央電極平行。如此，被量測的壓差愈小，則該膜片相對於環狀與中央電極需更接近地牢固在該感測器外殼中，用以針對討論中該壓力範圍提供一最大信號動態範圍。如此導致對平行之需求甚至更大。因此，在將該膜片牢固在該外殼中之前需更加小心地將該膜片之該等表面部分重疊，因此其盡可能為平坦的。再者，必需小心地將膜片牢固在外殼內，俾以確保該膜片相對於該環狀與中央電極之正確位置與平行性。該膜片通常形成為該感測器之壓力量測次總成的一部分，並係接續地焊接至包含該環狀及中央電極的該參考次總成。將該膜片焊接在適當位置，然而，會導致膜片翹曲從而使由於焊接時的壓力所產生的間隙移位。因此，由於該膜片將不再完全地平坦，所以翹曲造成些許的不平行。對於感測器而言，此係為特別地緊要的用以量測相對低的壓差，因為在該膜片與環狀及中央電極之間需要極為窄的間隙。

各種不同的技術，諸如所熟知的電子光束焊接和雷射焊接於焊接時可降低應力，但該等技術在應用時是相對昂貴的。使用相對較不昂貴的技術，諸如氣體鎢極電弧銲接(GTAW)或電漿焊接，會導致膜片上被施加較大應力。同樣地，由於相對於外殼牢固該膜片而不會使膜片扭曲之困難性，所以減少膜片的厚度以容納較低之壓力係為困難的。因此，需要建構該感測器以致該膜片可牢固在該感測器外殼內，其中該膜片之平坦度以及該膜片與環狀及中央電極每一者之間該間隙間隔在該感測器經裝配後，令人滿意地加以保持。

根據一觀點，一感測器總成包含一外殼總成；一電極配置及一膜片其具有一固定部分牢固至該外殼總成以及一主動部分其在感應該膜片之相對側邊上施加的一壓差後可相對於電極配置移動。該膜片之該固定部分係牢固在相對於該外殼總成之至少一部分的一或更多位置處；以及至少一溝槽係形成位在該膜片相對於該外殼總成而固定的該等位置與該主動部分之間的該膜片之該固定部分中，俾以釋放在該膜片之該主動部分上的任何應力。

根據另一觀點，一電容感測器總成係經配置用以量測一相對於一參考壓力之壓力。該電容感測器總成包含：一外殼總成；一電極配置其係相對於該外殼總成固定地加以牢固；以及一撓曲膜片其具有(a)一主動部分及(b)一固定部分其係牢固在相對於該外殼總成之至少一部分的一或更多位置處。該外殼總成支撐處於相互為間隔開關係的該膜片與電極配置，以致該膜片之該主動部分在感應該膜片之主動部分之相對側邊上施加的一壓差後可相對於電極配置撓曲。該膜片包含至少一溝槽係介於該撓曲膜片相對於該外殼總成而固定的該等位置與該主動部分之間，俾以釋放在該膜片之該主動部分上的任何應力。

根據另一觀點，提供建構該型式之一感測器總成的一方法，該型式之感測器總成包含一外殼總成，一電極配置以及一膜片其具有一固定部分牢固至該外殼總成，以及一主動部分其在感應該膜片之相對側邊上施加的一壓差後可相對於電極配置移動。該方法包含將膜片之該固定部分牢固在相對於該外殼總成之至少一部分的一或更多位置處；以及至少一溝槽係形成位在該膜片相對於該外殼總成而固定的該等位置與該主動部分之間的該膜片之該固定部分中，俾以釋放在該膜片之該主動部分上的任何應力。

參考圖1，該電容感測器總成10之一具體實施例係用以量測相對一參考電壓的一電壓。該電容感測器總成10包含一外殼總成12。外殼總成12包含至少二次總成，量測次總成14及參考次總成16。次總成14包含一圓圓筒狀段18其具有一開口20位在一端部處用以接收待量測其之壓力之氣體，以及該膜片22係位在另外一端部處。由段18、開口20以及膜片22所界定的空間定義一量測腔室24用以包含其之壓力待量測之氣體。其次，參考次總成16包含一圓筒狀段26其具有一端板28，該端板具有一第一開口30用以接收入口管32，一第二個開口34用以接收包含一中央電極36及環狀電極38之電極配置，以及一收氣器(以點線顯示)40。該圓筒狀段26以及端板28，當牢固至該第一外殼次總成時形成一參考氣體腔室42，在相對端部處藉由該膜片22閉合。該入口管32係經密封於該端板28內，因此氣體可經由管被引進參考氣體腔室38或自參考氣體腔室38移除。該參考氣體可處於一前置參考壓力下，在該例子中一旦建立該參考壓力即能夠密封地閉合該管。可任擇地，該參考氣體能夠處於一周圍壓力下，於該例子中該管係維持開啟的。該等電極36與38能以一適當的電絕緣密封材料44(諸如玻璃，陶瓷，…)而被密封於適當位置，因此其可相對該膜片之該主動部分以及相互地正確定位。一間隔元件46典型地係為一環狀之形式配置在該膜片與電極之間，因此該等電極36與38係分別地與該膜片22之一側邊隔開一段前置距離。

該膜片22係經牢固在適當位置因此該量測氣體腔室24與參考氣體腔室42係相互地加以密封。再者，該膜片22之該外部分係相對於該外殼總成14而加以固定，同時與該等電極相反的膜片22之中心部分48係為一主動部分，與該等電極處在對應於電極是一活動部分，其係隨著施加在該膜片22之相對側邊上的壓差而變化的一量撓曲。

在操作上，施加在該膜片的壓差能夠隨著介於該膜片22之該主動部分48與中央電極36之間的電容差，以及介於該膜片22與該環狀電極38之間該電容之差值變化而量測。針對此緣故，該膜片之主動區域48，中央電極36與環狀電極38必需經牢固，因此其係同軸地彼此對準，以及該膜片22需盡可能平坦俾以提供相對於該二電極之正確的電容量測。

於裝配期間，該膜片22係牢固至該外殼總成12，因此該膜片係環繞著其之周圍邊緣50藉由任一適合的方法，諸如焊接而牢固在適當位置。該相同的焊接可用以牢固間隔元件46及該二次總成14與16。膜片22應以該一方式附裝俾以確保該量測氣體腔室24及該參考氣體腔室42係為相互隔離的，因此該等腔室能夠維持在相互獨立的壓力下。在焊接加工期間，通常會在該膜片中產生機械應力致使膜片22之主動部分48對於其之平坦度有些許的扭曲。如此，當然，會造成電容量測上，以及因而在壓力量測上的誤差。

因此，需要建構該感測器總成10其中該膜片22在相對該外殼總成12加以牢固後保持其之平坦度。具體地，該感測器總成係經建構俾以包含用以在該膜片經焊接在適當位置之後釋放該膜片22之該主動部分48中的機械應力的結構。於所顯示的該具體實施例中，藉由在該膜片係相對於該外殼總成12而加以固定的該等位置與該膜片22之該主動部分48之間於該膜片22中形成一溝槽52，用以釋放機械應力。於所說明的該具體實施例中，該膜片之整個周圍部分係經固定因此該溝槽52係為環狀環繞該整個膜片。該溝槽之深度應足以確保由該溝槽容納任何應力，而不致影響該膜片之該主動部分。已經實驗上確定的是儘管該溝槽深度對寬度的深寬比係能夠加以變化，但至少(大約)為5：1能夠提供最佳的效果。該溝槽52係與其中一腔室作流體上連通，所圖示的該具體實施例顯示該溝槽與該參考氣體腔室42作流體上連通。當在該膜片22之相對側邊上存在一壓差時，如此導致該溝槽52中該氣體與該量測腔室24中該氣體之間的壓差。因此，介於該溝槽52與該量測氣體腔室24之間的壁54應足夠厚，用以在該壓差係處於該感測器所設計的壓差範圍之最大值時維持剛性。

圖中顯示為一環的該間隔元件46係經設計用以確保該溝槽52與該參考氣體腔室42之間的流體連通。此係能夠藉由使該環之內徑大於該溝槽之直徑，或是在該環中形成孔口或溝槽其係與圖2中所示的該環狀溝槽之一或更多部分對準，其中該間隔件係顯示溝槽56係形成位在該環之內部分上而完成。

應察知的是藉由根據複數之技術形成該電容感測器總成俾以釋放該膜片上的機械應力，容許該膜片相對於外殼加以牢固，與初始產生機械應力之多寡無關。因此，能夠使用較低成本的技術諸如GTAW或電漿焊接，俾以降低感測器之製造成本。

於此揭示該新且改良的電容感測器總成以及於此揭示之本揭示內容的方法，以及其之所有元件係包含涵蓋在以下該等申請專利範圍的至少其中一項之範疇內。本揭示系統及方法中並無元件係意指被放棄權力，亦無意欲必然地限制該等申請專利範圍之詮釋。於該等申請專利範圍中，參考單一形式之元件除非明白地如此陳述，並不意欲意指“一且僅為一”，而是“一或更多”。對於熟知此技藝之人士所熟知或之後熟知的整個此揭示內容說明的該等不同具體實施例之該等元件的所有結構性及功能性等效物於此明確地併入作為參考，並意欲由該等申請專利範圍所包含。此外，於本揭示內容中，無任何者係意欲提供與大眾，而不論該揭示內容是否明確地於該等申請專利範圍中詳述。無請求專利元件係理解為根據35 U.S.C.§112，第六段，除非該元件係明確地“執行某一種功能的裝置(means for)”或，就一申請專利方法而言，該元件係使用該片語“執行某一種功能的方法(step for)”加以詳述。

10．．．電容感測器總成

12．．．外殼總成

14．．．量測吹總成

16．．．參考次總成

18．．．圓圓筒狀段

20．．．開口

22．．．膜片

24．．．量測腔室

26．．．圓筒狀段

28．．．端板

30．．．第一開口

32．．．入口管

34．．．第二開口

36．．．中央電極

38．．．環狀電極

40．．．收氣器

42．．．參考氣體腔室

44．．．電絕緣密封材料

46．．．間隔元件

48．．．中心部分/主動部分

50．．．周圍邊緣

52．．．溝槽

54．．．壁

56．．．溝槽

現參考附加圖式，其中於整個圖式中具有相同的元件符號之元件係代表相同的元件，以及其中：

圖1係為結合該改良結構的一電容感測器總成的一具體實施例的一橫截面視圖；以及

圖2係為在圖1具體實施例中使用的一間隔件之一具體實施例的一俯視圖。

10．．．電容感測器總成

12．．．外殼總成

14．．．量測次總成

16．．．參考次總成

18．．．圓圓筒狀段

20．．．開口

22．．．膜片

24．．．量測腔室

26．．．圓筒狀段

28．．．端板

30．．．第一開口

32．．．入口管

34．．．第二開口

36．．．中央電極

38．．．環狀電極

40．．．收氣器

42．．．參考氣體腔室

44．．．電絕緣密封材料

46．．．間隔元件

48．．．中心部分/主動部分

50．．．周圍邊緣

52．．．溝槽

54．．．壁

Claims (23)

1. 一種電容感測器總成，其係經配置用以量測一相對於一參考壓力之壓力，該電容感測器總成包含：一外殼總成，包含一開口，該開口具有從一縱軸而以一半徑而延伸的一內徑向壁，並於該外殼總成內界定一空間；一電極配置，其係位於該外殼總成內並相對於該外殼總成固定地加以牢固；以及一撓曲膜片，其係位於該外殼總成內並具有(a)一主動部分，係因應一壓差而撓曲，及(b)一固定部分，其係固定在相對於該外殼總成之該內徑向壁之一或更多位置處；其中該外殼總成支撐處於相互為間隔開之關係的該膜片與該電極配置，以致該膜片之該主動部分在感應該膜片之主動部分之相對側邊上施加的一壓差後可相對於該電極配置撓曲；以及其中該膜片係於該膜片與該外殼總成之該內徑向壁間呈現一溝槽，其中該膜片係連接至該外殼總成之該內徑向壁於該溝槽之一內徑向部之位置，其中該溝槽係操作來於零壓差的情況下釋放在該膜片之該主動部分上的任何應力。
2. 如申請專利範圍第1項之電容感測器總成，其中該溝槽係與該膜片之該主動部分的一側邊作流體上連通。
3. 如申請專利範圍第2項之電容感測器總成，其中該外 殼總成係經建構俾以包含一參考腔室位在該膜片之該主動部分的一側邊上，用以接收一參考氣體，以及一量測腔室位在該膜片之該主動部分的另一側邊上，用以接收其壓力係相對於該參考氣體加以量測的該氣體。
4. 如申請專利範圍第3項之電容感測器總成，其中該參考氣體係處於一周圍壓力下，並進一步包含一入口，用以將處於周圍壓力下的一氣體引入該參考腔室中。
5. 如申請專利範圍第3項之電容感測器總成，其中該參考氣體係處於一預定壓力下，以及進一步包含一入口，用以將處於一參考壓力下的一氣體引入該參考腔室中。
6. 如申請專利範圍第3項之電容感測器總成，其中該參考腔室與量測腔室係相互地密封。
7. 如申請專利範圍第6項之電容感測器總成，其中該電極配置係牢固在該參考腔室內。
8. 如申請專利範圍第7項之電容感測器總成，其中該電極配置包含一環電極及一中央電極，分別地相對於該膜片之該主動部分間隔一段預定的距離。
9. 如申請專利範圍第3項之電容感測器總成，其中該溝槽係與該參考腔室作流體上連通。
10. 如申請專利範圍第1項之電容感測器總成，其進一步包含一間隔環件，其係相對於該膜片與該電極配置加以牢固，俾以保持該膜片與該電極配置之間處於一段 預定距離下的間隔，使得該主動部分經由施加在該膜片之該主動部分的相對側邊上之一預定範圍的壓差而相對於該電極配置撓曲。
11. 如申請專利範圍第10項之電容感測器總成，其中該間隔環件係被形成以容許該膜片之該溝槽的至少一部分與該膜片之該主動部分的一側邊作流體上連通。
12. 如申請專利範圍第11項之電容感測器總成，其中該膜片之該溝槽以及該膜片之該主動部分的一側邊接收一參考氣體。
13. 如申請專利範圍第12項之電容感測器總成，其中該參考氣體係處於周圍壓力下。
14. 如申請專利範圍第12項之電容感測器總成，其中該參考氣體係處於一參考壓力下。
15. 如申請專利範圍第11項之電容感測器總成，其中該間隔環件包含一匹配溝槽，係沿著該外殼總成之該縱軸與該膜片之該溝槽對準，俾以容許該溝槽與該膜片之一側邊上的一參考腔室之間作流體上連通。
16. 如申請專利範圍第1項之電容感測器總成，其中該膜片係整個地環繞著該膜片之該固定部分而牢固至該外殼總成，以及位在該膜片中的該溝槽係為一環狀溝槽。
17. 如申請專利範圍第16項之電容感測器總成，其進一步包含一間隔環件，其係相對於該膜片與該電極配置加以牢固，俾以保持該膜片與該電極配置之間處於一段前置距離下的間隔，使得該主動部分經由施加在該膜 片之該主動部分的相對側邊上之一預定範圍的壓差而相對於該電極配置撓曲，該間隔件包含複數之溝槽，分別與該膜片之該環狀溝槽對準俾以維持該膜片之溝槽與該膜片之該主動部分的一側邊之間作流體上連通。
18. 一種建構一感測器總成的方法，該感測器總成包含一外殼總成，係包含一開口，該開口具有一內徑向壁、一電極配置以及一膜片，該膜片具有牢固至該外殼總成之一固定部分以及在感應該膜片之相對側邊上施加的一壓差後可相對於電極配置移動之一主動部分，該方法包含：將該膜片之該固定部分牢固在相對於該外殼總成之至少一部分的一或更多位置處；以及形成一溝槽該膜片於該膜片與該外殼總成之該內徑向壁間，其中該溝槽係操作來於零壓差的情況下釋放在該膜片之該主動部分上的任何應力，其中該膜片係連接至該外殼總成之該內徑向壁於該溝槽之一內徑向部之位置。
19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中牢固該膜片之該固定部分包含將該膜片之該固定部分焊接至該外殼總成之一部分。
20. 如申請專利範圍第18項之方法，其中形成至少一溝槽包含在將該膜片牢固在適當位置後放電加工位在該膜片之該固定部分中該溝槽。
21. 如申請專利範圍第18項之方法，其進一步包含將一間隔環件牢固在該電極配置與該膜片之間俾以固定該膜片之該主動部分與該電極配置之間的間隙間隔。
22. 如申請專利範圍第21項之方法，其進一步包含在該間隔件中形成至少一溝槽，使得位在該間隔件中的該溝槽係與位在該膜片中該溝槽對準，使得位在該膜片中該溝槽係與該膜片之一側邊作流體上連通。
23. 一種感測器總成，其包含：一外殼總成，包含一開口，該開口具有一內徑向壁；一電極配置；以及一膜片，其具有牢固至該外殼總成之一固定部分以及在感應該膜片之相對側邊上施加的一壓差後可相對於電極配置移動之一主動部分；其中該膜片之該固定部分係牢固在相對於該外殼總成之至少一部分的一或更多位置處；以及至少一溝槽係形成於該膜片與該外殼總成之該內徑向壁間，其中該膜片係連接至該外殼總成之該內徑向壁於該溝槽之一內徑向部之位置，其中該溝槽係操作來於零壓差的情況下釋放在該膜片之該主動部分上的任何應力。