TWI687665B

TWI687665B - 壓力感測器

Info

Publication number: TWI687665B
Application number: TW105120151A
Authority: TW
Inventors: 斉藤充浩; 大島裕太; 山岸健
Original assignee: 日商Ｓｍｃ股份有限公司
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2020-03-11
Also published as: JP2017058339A; JP6340734B2; DE102016111625A1; US20170082513A1; KR20170034300A; TW201712309A; US10067021B2; CN106546376A; KR102444872B1; CN106546376B

Abstract

一種壓力感測器(10)包括：本體(14)，其內具有流體通道(12)；固定座(16)，連接至本體(14)的一端；及陶瓷感測器(18)，容置在固定座(16)的內部。複數個凸出件(50)設置在感測器(18)的端表面的外緣部分，且被固定座(16)壓制住。另外，當固定座(16)相對本體鎖緊時，於固定座(16)的壓制部分(34)抵靠在凸出件(50)的狀態下，鎖緊力會從軸方向施加，並固定住感測器(18)。

Description

壓力感測器

本發明係關於感測器，尤其係關於壓力感測器，用以偵測流體通道內流動的壓力流體的壓力。

以往使用在水、油及化學溶劑等類似物質的製造管線中，通常會使用壓力感測器以達成量測流體壓力的目的。此類型的壓力感測器，舉例來說，如日本公開專利號2009-085931所揭露的內容，是由關節形狀的本體、置於本體內部的陶瓷感測器及設置在感測器與本體的接口之間的薄膜所組成。薄膜設置成緊靠在感測器表面提供的應變規上。

另外，當感測器安裝在本體內薄膜上的狀態下，透過固定座相對於本體的螺絲鎖緊，此薄膜的外邊緣部分會夾置在感測器及本體內壁表面之間，且薄膜會緊貼著設置在本體內壁表面的O型環(O-ring)。

在此壓力感測器的設置下，薄膜會因從接口導入本體內部的流體的壓力而變形，而感測器提供的應變規的變形量也會改變，最後再根據對應這些改變的輸出電壓去測量壓力。

然而，使用前述壓力感測器時，由於本體、固定座等零組件變形的發生，陶瓷感測器在本體及其固定座上的重心及固定位置不穩定，使位置受到變化的影響。為此，在陶瓷感測器固定的位置上，設置在感測器表面的應變規會產生變形，使得在未施加壓力到感測器的狀態下輸出電壓(即偏移電壓)的量值變大。也因為如此，使得偏移電壓的調整變得複雜，導致生產效率降低。

本發明之內容，係提供一種壓力感測器，其電性校準可輕易地透過相對於本體將感測器穩定鎖固達成。

根據本發明提供的壓力感測器，其包括：本體，具有流體通道以將壓力流體引入本體中；陶瓷感測器，設置在本體的一端部並具有薄型隔膜部分面向流體通道；固定座，係在容置感測器於固定座內部的狀態下，連接至本體的該一端部，其中，感測器是藉由形成在固定座外緣部分的壓制部分將感測器朝本體方向按壓而固定。

該壓力感測器中，電阻體設置在位於感測器實質中心部分的隔膜部分上，而朝固定座方向凸出的凸出件設置在電阻體外環側的位置並面向壓制部分。

根據本發明，於壓力感測器中，容置有陶瓷感測器的固定座是連接至本體的一端部，而在感測器上，朝固定座凸出的凸出件係設在面向固定座的壓制部分的位置上。

於是，當固定座被組裝到本體上，壓制部分會施力於設置在外環側相對於電阻體的凸出件上。因此，直接施力於設置有電阻體的隔膜部分導致隔膜部分的變形會被抑制住，而其變形量可維持不變。

如此，藉由固定座相對凸出件平均地施加鎖緊力，構成壓力感測器的感測器可更為穩定地相對於本體組裝，而因組裝偏差導致感測器偵測到的壓力變化可被抑制住。因此，可使應變導致的偏移電壓被最小化，也可輕易執行壓力感測器的校準。

本發明之以上及其他目的、特徵及優點透過以下說明及附圖圖式呈現的較佳示例性的實施例將會更為明瞭。

10、100‧‧‧壓力感測器

12‧‧‧流體通道

14‧‧‧本體

16‧‧‧固定座

18、60、70、80、90‧‧‧感測器

20‧‧‧第一鎖固區段

22‧‧‧密封環

24‧‧‧定位銷

26‧‧‧第二鎖固區段

28‧‧‧流體導引接口

30‧‧‧螺帽區段

32‧‧‧開口

34‧‧‧壓制部分

36‧‧‧內螺旋部分

38‧‧‧基體

38a‧‧‧端表面

40a至40d‧‧‧電阻體

42‧‧‧電線

44‧‧‧電極

46‧‧‧第一保護膜

48‧‧‧第二保護膜

50、62、72、82、92‧‧‧凸出件

52‧‧‧凹部

54‧‧‧溝槽

56‧‧‧隔膜部分

58‧‧‧導線

102‧‧‧間隔件

第1圖為根據本發明之實施例所揭露的一種壓力感測器之示意圖；第2圖為第1圖壓力感測器中的感測器的放大示意圖；第3圖為第1圖壓力感測器中的感測器的前視圖；第4A圖至第4D圖為感測器根據凸出件於位置、數量及形狀上的第一至第四變化的前視圖；第5圖為根據一種變化的壓力感測器中的感測器的放大示意圖。

如第1圖所示，壓力感測器10包括：本體14，具有流體通道12使壓力流體被導引進入；固定座16，安裝在本體14的一端；感測器18，設置在固定座16內部且位在固定座16與本體14之間。

本體14例如是由金屬材料製成，並具有第一鎖固區段20設置在本體14該端的外環表面，且具有圓形的截面形狀。固定座16(之後將詳加說明)是藉由螺絲鎖固以連接至本體14上。另外，密封環22是設置在該端的端表面上的環狀溝槽中，並抵靠在感測器18(於以下說明)的下表面。密封環22的形狀只要是圓環狀可為圓形或方形。

更進一步，定位銷24(見第3圖)設置在本體14的一端，其朝遠離該端的一方向(箭頭A方向)上凸出特定的高度，以嵌入感測器18的溝槽54(於以下說明)。

另一方面，相似於該端側，第二鎖固區段26形成於本體14另一端的外環表面上。此第二鎖固區段26是透過例如螺絲鎖固連接到流體壓力裝置(未繪示)的接口，而於該另一端的端表面開口的流體導引接口28是形成於該另一端的中心。此外，流體導引接口28是沿著本體14的中心軸方向形成(箭頭A與B方向)，並與貫穿本體14該端的流體通道12相通。

此外，截面六邊形的螺帽區段30沿著該軸方向(箭頭A與B方向)形成於本體14實質上中心部分的外環表面。利用工具(未繪示)夾持螺帽區段30並旋轉本體14，本體14可透過第二鎖固區段26連接至流體壓力裝置(未繪示)或類似的其他裝置。

固定座16，舉例來說，是由金屬材料(如銅或不銹鋼等)形成有底之圓筒狀，而在其底部端的中心處形成有延著軸方向(箭頭A與B方向)貫穿的開口32。此外，壓制部分34形成於開口32的外環部分。更進一步，於固定座16在另一端側(箭頭B方向)的內環表面上提供有內螺旋部分36，用以與本體14的第一鎖固區段20鎖緊結合。此外，固定座16藉由內螺旋部分36同軸向鎖固連接，進而包覆本體14的該端。

如第1圖至第3圖所示，感測器18是由陶瓷材料形成，陶瓷材料可為氧化鋁(Al₂O₃)或其他類似成分。感測器18包括：基體38，其截面形狀為U型且其實質上中心部分具有凹部52；多個電阻體40a至40d，其設置在基體38的端表面38a；電極44，其以電線42連接至電阻體40a至40d；第一與第二保護膜46、48，其覆蓋住電阻體40a至40d以形成雙層結構；及多個凸出件50，其從端表面38a凸出。

此外，在凹部52設置成面向本體14側(箭頭B方向)的流體通道12的狀態下，感測器18是容置且保持在固定座16與本體14之間。

如第3圖所示，舉例來說，有多個溝槽54形成於基體38的外環表面上，其係於截面上形成徑向內凹入的半圓形，並沿著軸方向(箭頭A與B方向)延伸。此外，當感測器18組裝至本體14的該端時，定位銷24會各別嵌入這些溝槽54中，藉此將感測器18在圓周方向上定位住。換句話說，感測器18相對於本體14的旋轉已被限制住。

另一方面，在基體38實質上中心部分，提供具有預定厚度且實質上圓形的隔膜部分56於端表面38a(箭頭A方向)相對於凹部52的一側。此隔膜部分56的形成比基體38的外環區域更薄，而作用如應變規的多個電阻體40a至40d設置在隔膜部分56的表面。電阻體40a至40d可藉由印刷(printing)跟焙燒(firing)製成，例如使用厚膜印刷技術如網印或類似技術。電阻體40a至40d設置成一直線，並以預定間隔距離彼此相隔開來。另外，電阻體40a至40d係例如透過焙燒釕(Ru)類的厚膜電阻膏材料形成。

此外，連接至電阻體40a至40d的電線42與電極44是在導電膏材料被印刷後進行焙燒，而電線42各別連接至設置在基體38外緣部分的電極44。

如第2圖所示，第一保護膜46相對於基體38的端表面38a設置以覆蓋住電阻體40a至40d，且藉由印刷跟焙燒低熔點玻璃形成。藉此，可保護電阻體40a至40d，並確保其防潮及絕緣的特性。

第二保護膜48設置成覆蓋第一保護膜46，並藉由印刷跟焙燒有機材料如環氧樹脂(epoxy resin)、酚醛樹脂(phenol resin)或類似材質所形成。

另外，如第2圖及第3圖所示，有多個凸出件50設置在基體38的端表面38a，且在隔膜部分56徑向的外側位置上，從端表面38a凸出預定高度。這些凸出件 50截面例如為矩形，相對於隔膜部分56的高度約為20微米(μm)至40微米，且可從與電阻體40a至40d相同的材料形成。較佳地，凸出件50可藉由印刷跟焙燒與電阻體40a至40d相同的材料所形成，並具有與電阻體40a至40d相同的高度，例如在形成電阻體40a至40d時一併形成凸出件50。

凸出件50係以複數的形式(例如4個)彼此以等圓環間隔相對於基體38的中心設置。該凸出件50的位置係(角位置)設成使固定座16相對於本體14螺絲鎖緊時，當外力(鎖緊力)從固定座16於垂直方向上施加到感測器18的端表面時，設置在隔膜部分56上的電阻體40a至40d較不易因為外力而遭受變形。另外較佳地，這些凸出件50分別地設置在相對隔膜部分56徑向遠離的位置上。

以下以凸出件50設置在相對基體38各個溝槽54於圓周方向上偏移45度角的四個位置上的情形做說明。

此外，當固定座16與本體14鎖固在一起而感測器18容置在固定座16的內部時，感測器18的固定狀態下，固定座16的壓制部分34抵靠著感測器18的凸出件50，而垂直方向(軸方向)上施加的鎖緊力是施加在凸出件50上。

再者，上述第一與第二保護膜46、48也可形成用以覆蓋住凸出件50。

根據本發明實施例，壓力感測器10的構造基本上如上述說明。以下，將說明包括有電阻體40a至40d的感測器18的製造方法。

首先，執行相對於基體38的清潔、烘烤等表面處理的操作，其中，基體38是由陶瓷材料如氧化鋁(aluminum oxide)或類似材質製成。

接著，透過網印或類似方式將導電膏材料，其包括例如金、銀、鈀、鎳、銅等類似材質，將電線42相對於前述基體38的端表面38a印刷之後，利用焙燒將電線42固定。

之後，電阻體40a至40d再透過印刷及焙燒釕基底的厚膜電阻膏材料所形成。電阻體40a至40d是排列成一直線。

此外，藉由印刷及焙燒低熔點玻璃於基體38的端表面38a，以使第一保護膜46相對端表面38a形成進而覆蓋電阻體40a至40d。於此，電阻體40a至40d因而可被保護住，同時提供其防潮與絕緣的特性。

接著，為了調整因印刷前述電阻體40a至40d的變化導致的電阻值變異，修剪厚膜電阻體(未繪示)以進行調整，其是以串聯或並聯的方式連接電阻體40a至40d，並以雷射或類似方式進行修剪。

最後，透過印刷及焙燒有機材料例如是環氧樹脂(epoxy resin)、酚醛樹脂(phenol resin)或類似材質，進行製作第二保護膜48以覆蓋住第一保護膜46，並藉此保護修剪元件，而感測器18的製作到此完成。

上述的第一與第二保護膜46、48可形成只覆蓋電阻體40a至40d的部分，或是除了電阻體40a至40d以外更延伸至感測器18的外緣部分以覆蓋該些凸出件50。

以下說明一種包括有感測器18的壓力感測器10的組裝方法，其中感測器18係以上述方式製作。

首先，在本體14該另一端配置朝下(箭頭B方向)的狀態下，將密封環22組裝到本體14該端的環狀溝槽中，而感測器18設置成使其凹部52面向本體14(箭頭B方向)，此達成感測器18的凹部52連通本體14的流體通道12的狀態。此時，藉由本體14該端凸出的定位銷24嵌入感測器18的溝槽54中，感測器18於旋轉方向(見第3圖)上即被定位住。

接著，將圓筒狀的固定座16朝本體14該端方向移動以覆蓋感測器18，而在感測器18容置在固定座16內部的狀態下旋轉固定座16，藉此使內螺旋部分36相對本體14的第一鎖固區段20螺旋結合。此外，固定座16的壓制部分34抵靠感測器18的凸出件50，感測器18因而被夾置且固定在固定座16與本體14該端之間。於此，感測器18已固定在固定座16與本體14間，而壓力感測器10的組裝也已完成。

此時，從固定座16沿著軸方向(箭頭B方向)施加到感測器18的端表面38a的鎖緊力會施加到端表面38a上凸起的凸出件50，而不是直接施加到端表面38a上。因此，設置在感測器18端表面38a上的電阻體40a至40d 的變形將儘可能地被抑制住。

此外，感測器18的下表面抵靠密封環22，藉此當壓力流體從流體通道12被引入凹部52時，可防止壓力流體朝外環側洩漏。

以下將簡略說明壓力感測器10的操作方法，此壓力感測器10係依照上述方式組裝。於此說明中，壓力感測器10是被設置成其本體14的該另一端螺絲鎖固到流體壓力裝置(未繪示)的接口。

壓力流體從流體壓力裝置(未繪示)而來，經由本體14的流體導引接口28被導入流體通道12，並朝感測器18側流動(箭頭A方向)；而被導引至凹部52後，隔膜部分56會被壓力流體的壓力向上(箭頭A方向)擠壓而產生變形。

由於隔膜部分56的變形，其導致設置在隔膜部分56上的電阻體40a至40d的變形，而電阻體40a至40d將變形量轉換為電子訊號。其後，電子訊號再由電線42輸出到電極44。此外，透過各別連接到電極44的導線58輸出電壓至量測裝置(未繪示)或類似裝置。根據電壓值，壓力流體的壓力因而可被測量出來。

於上述方式中，根據本發明，當壓力感測器10是由固定座16相對本體14螺絲鎖固而組裝，固定座16的施力將由感測器18的外緣部分所承受，此外，經由設置在變形不易發生的位置上的多個凸出件50，藉此，設置有電阻體40a至40d的隔膜部分56發生的應變可被抑制住，而其變形量可實質上維持不變。

如此一來，因壓力感測器10的組裝差異導致感測器18量測的壓力變異可被抑制住，而因內部壓力的發生導致的偏移電壓因此可被最小化。如此，可輕易地執行製程中必要的壓力感測器10的校準。

進一步來說，在無需特殊考量電阻體40a至40d變形的情況下，壓力感測器10的構成可僅透過相對本體14組裝固定座16而抑制變形。因此，有利於增進壓力感測器10的組裝便利性。

再者，經由在感測器18的端表面38a上形成具有與電阻體40a至40d相同厚度的凸出件50，在形成第一與第二保護膜46、48覆蓋電阻體40a至40d之後，比較未被第一與第二保護膜46、48覆蓋的凸出件50的厚度，即可確定電阻體40a至40d的厚度。如此，在感測器18所有製程步驟完成後，可透過確定膜厚度以輕易地執行品質控制。

更進一步說明，即使組裝壓力感測器10的過程產生的內部應力被釋放，例如導因於環境溫度或施加震動、震盪等的變化，由於初始的偏移電壓已被抑制到最小，任何在內部應力上的改變都很小。如此，長時間使用壓力感測器10導致的變化也可被抑制到最小。

另一方面，本發明並不侷限於上述具有矩形截面的凸出件50設置在各溝槽54偏移(角偏移)45度角的位置的實施例。舉例來說，如第4A圖所示的感測器60，凸出件62可各別被設置在與溝槽54相同的角位置上。更具體來說，在壓力感測器10的組裝狀態下，凸出件62可被配置在感測器60上電阻體40a至40d的變形可被抑制住的位置。

另外，假定凸出件可承受固定座16施加的鎖緊力，如第4B圖所示的感測器70，凸出件72可被形成具有圓形截面。相較於截面形狀為矩形的例子，由於此方式形成的凸出件72可具有較小的尺寸，其優點在於凸出件72配置的自由度因而增加，也可降低製造成本。

再者如第4C圖所示的感測器80，凸出件82可設置在等間隔分開的三個位置上；而如第4D圖所示的感測器90，形成的凸出件92可具有不同的截面形狀。

此外本發明並不侷限於上述等間隔設置的凸出件50、62、72、82、92，其也可以非等間隔的方式配置。更具體而言，凸出件50、62、72、82、92可配置在具有抑制隔膜部分56因固定座16施力而發生變形的位置上。

本發明亦不侷限於上述使固定座16的施力直接由凸出件50承受的樣態。舉例來說，如第5圖所示的壓力感測器100，可在固定座16與感測器18的凸出件50之間設置環形間隔件102，使得當組裝固定座16時，凸出件50是透過間隔件102去承受施加的垂直力。間隔件102可由黃銅或不鏽鋼材質所形成。

透過這種方式，將間隔件102夾置在固定座16與感測器18之間，且在固定座16被旋轉鎖固到本體14 上時，事先將間隔件102抵靠在凸出件50上，其可避免固定座16與凸出件50之間的滑動。如此一來，可減少對凸出件50的破壞與磨損，如刮傷與磨耗，得以隨時保持凸出件50的固定高度。

另外，當固定座16相對本體14鎖固時，根據固定座16其壓制部分34的表面粗糙度，軸向力(鎖緊力)在接觸的同時會因摩擦力而降低。然而，透過提供的間隔件102，軸向力是經由間隔件102傳遞到感測器18，得以藉由預定的鎖緊力去更穩固地固定感測器18。

再者，提供的間隔件102如墊圈的形式，由具有低於凸出件50硬度的材質構成，間隔件102可相對凸出件50以面接觸的方式設置，使該凸出件50具有不定數量的不規則凹部或凸部。如此，得以減少施加至凸出件50的表面壓力。可因此避免因相對凸出件50點接觸造成凸出件50產生裂痕的問題。

此外，採用具有低於固定座16硬度的材質形成間隔件102，從固定座16施加的垂直力會被間隔件102適當地分散，進而緩和施加到感測器18側邊的力量。因此，得以進一步抑制住感測器18上電阻體40a至40d的變形，且達成減少偏移電壓的可能。

本發明業經使用較佳示例性之具體實施例予以揭示。惟，應理解本發明之範疇並不受限於所揭露之具體實施例。相反地，其欲涵蓋多種修改及類似重組。申請專利範圍之範疇應為最廣泛之定義，以涵蓋全部此等修改及類似之配置。

10‧‧‧壓力感測器

16‧‧‧固定座

18‧‧‧感測器