TWM633659U - 改良型壓力感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種改良型壓力感測裝置，包含一微控制器、一微機電系統壓力感測積體電路及一積體電路端溫度係數熱敏電阻；該微控制器藉由該積體電路端溫度係數熱敏電阻偵測該微機電系統壓力感測積體電路之一積體電路端溫度；該微機電系統壓力感測積體電路傳送一壓力感測訊號至該微控制器；該微控制器基於該積體電路端溫度利用一溫度壓力方程式校正該壓力感測訊號。

Description

改良型壓力感測裝置

本創作係有關於一種壓力感測裝置，特別是一種改良型壓力感測裝置。

相關技術之壓力感測裝置係用以對設備的管路內的液體或氣體進行壓力感測，藉以直接地顯示各種工序環節的壓力變化，進而加以控制相關的參數或條件，以維持生產運作的可靠性與安全性，因此相關技術之壓力感測裝置已為現今常見的量測器具，並已被廣泛地應用於各類技術領域及設備。

一種相關技術之壓力感測裝置係利用一相關技術之微機電系統壓力感測積體電路以進行壓力感測；然而，因為製程溫度循環等因素，此相關技術之微機電系統壓力感測積體電路容易受到溫度的影響，無法正確指示製程溫度變化中的精確壓力值。例如對空氣來說，理想氣體方程式(Ideal Gas Law)，PV=nRT，描述了壓力與溫度正相關變化；而對液體來說，當製程的溫度循環接近蒸發溫度時，所偵測的液體介於液-氣雙相，都會造成提供失真的壓力數值，而此一問題亟待解決。

為解決上述問題，本創作之目的在於提供一種改良型壓力感測裝置。

為達成本創作之上述目的，本創作之改良型壓力感測裝置包含：一微控制器；一微機電系統壓力感測積體電路，電性連接至該微控制器；及一積體電路端溫度係數熱敏電阻，電性連接至該微控制器，其中，該微控制器被配置為藉由該積體電路端溫度係數熱敏電阻偵測該微機電系統壓力感測積體電路之一積體電路端溫度；該微機電系統壓力感測積體電路被配置為傳送一壓力感測訊號至該微控制器；該微控制器被配置為基於該積體電路端溫度利用一溫度壓力方程式校正該壓力感測訊號。

本創作之功效在於提高當使用該微機電系統壓力感測積體電路感測壓力時的精準度。

為了能更進一步瞭解本創作為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本創作之詳細說明與附圖，相信本創作之目的、特徵與特點，當可由此得到深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制者。

在本揭露當中，提供了許多特定的細節，以提供對本創作之具體實施例之徹底瞭解；然而，本領域技術人員應當知曉，在沒有一個或更多個該些特定的細節的情況下，依然能實踐本創作；在其他情況下，則未顯示或描述眾所周知的細節以避免模糊了本創作之主要技術特徵。茲有關本創作之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：

請參考圖1，其係為本創作之改良型壓力感測裝置1之第一具體實施例之方塊圖。本創作之一種改良型壓力感測裝置1包含一微控制器12、一微機電系統（micro electro mechanical system，通常簡稱為MEMS）壓力感測積體電路（integrated circuit，通常簡稱為IC）14及一積體電路端溫度係數熱敏電阻（temperature coefficient thermistor）16，而該微控制器12係電性連接至該微機電系統壓力感測積體電路14及該積體電路端溫度係數熱敏電阻16。本創作所述之壓力感測裝置亦可稱為壓力傳送器。

該積體電路端溫度係數熱敏電阻16係為一負溫度係數（negative temperature coefficient，通常簡稱為NTC）熱敏電阻或一正溫度係數（positive temperature coefficient，通常簡稱為PTC）熱敏電阻，或者為一負溫度係數熱敏電阻與一正溫度係數熱敏電阻的配對組合。該微控制器12被配置為藉由該積體電路端溫度係數熱敏電阻16偵測該微機電系統壓力感測積體電路14之一積體電路端溫度，且該微機電系統壓力感測積體電路14被配置為透過一壓力感測部件（未示於圖1）對一設備（未示於圖1）的一管路（未示於圖1）內的被測介質（例如液體或氣體）進行壓力感測以產生一壓力感測訊號18並傳送該壓力感測訊號18至該微控制器12。接著，在該微控制器12得知該積體電路端溫度並且接收到該壓力感測訊號18之後，該微控制器12被配置為基於該積體電路端溫度利用一溫度壓力方程式校正該壓力感測訊號18，容後詳述。再者，本文所稱之校正亦可稱為補償。

請參考圖2，其係為本創作之改良型壓力感測裝置1之第二具體實施例之方塊圖；圖2所示之元件與圖1所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述。該改良型壓力感測裝置1更包含一輔助溫度係數熱敏電阻20、一運算放大器22、一按鍵組24、一發光二極體顯示器26及一輸出介面28，而該微控制器12係電性連接至該輔助溫度係數熱敏電阻20、該運算放大器22、該按鍵組24、該發光二極體顯示器26及該輸出介面28，且該運算放大器22更電性連接至該微機電系統壓力感測積體電路14。該改良型壓力感測裝置1係採用4~20mA訊號傳輸方式以及NPN/PNP連接方式，且該輸出介面28係為一IO-Link輸出介面。再者，本創作亦可包含多個該輸出介面28。

該輔助溫度係數熱敏電阻20係為一負溫度係數熱敏電阻或一正溫度係數熱敏電阻，或者為一負溫度係數熱敏電阻與一正溫度係數熱敏電阻的配對組合。在如圖2所示的第二具體實施例當中，該微機電系統壓力感測積體電路14被配置為傳送該壓力感測訊號18至該運算放大器22，接著該運算放大器22被配置為放大該壓力感測訊號18以得到一壓力感測放大訊號36，接著該運算放大器22被配置為傳送該壓力感測放大訊號36至該微控制器12；在該微控制器12得知該積體電路端溫度並且接收到該壓力感測放大訊號36之後，該微控制器12被配置為基於該積體電路端溫度利用一溫度壓力方程式校正該壓力感測放大訊號36，容後詳述。再者，在本創作之另一具體實施例當中，該積體電路端溫度係數熱敏電阻16及該輔助溫度係數熱敏電阻20可皆為負溫度係數熱敏電阻或正溫度係數熱敏電阻，亦可其中之一者為負溫度係數熱敏電阻而另一者為正溫度係數熱敏電阻。

圖3為本創作之改良型壓力感測裝置1之立體分解示意圖，圖4為本創作之改良型壓力感測裝置1之立體組合示意圖，圖5為本創作之改良型壓力感測裝置1之側剖視示意圖；圖3、圖4及圖5所示之元件與圖2所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述。請同時參考圖3、圖4及圖5，該改良型壓力感測裝置1係應用於一設備4，該改良型壓力感測裝置1更包含一上油腔38、一下油腔32、一膜片34、一管接頭110及一固定座板3，該設備4及該固定座板3係定義一連接孔洞30，該設備4包含一管路40。

如圖5所示，該下油腔32係連接至該上油腔38，且該膜片34係設置於該下油腔32內；該微機電系統壓力感測積體電路14及該積體電路端溫度係數熱敏電阻16係設置於該上油腔38上，例如設置於圖5所示的一第一位置42上；該輔助溫度係數熱敏電阻20係設置於該下油腔32上，例如設置於圖5所示的一第二位置44上。如圖3、圖4及圖5所示，該固定座板3係固定地設置在該設備4上；該管接頭110係透過該連接孔洞30連接至該設備4的該管路40，使得該改良型壓力感測裝置1對該管路40內的被測介質（例如液體或氣體）進行壓力感測。

請參考圖6，其係為本創作之數位化後的該壓力感測放大訊號36與溫度之一實施例之關係圖，其中該壓力感測放大訊號36被該微控制器12轉換為數位值以得到數位化後的該壓力感測放大訊號36，且圖6的數位化後的該壓力感測放大訊號36尚未被該微控制器12校正。在圖6當中，縱軸為數位值，橫軸為溫度（單位為攝氏度），圖6的實線曲線（具有遲滯現象，hysteresis）為原始的數位化後的該壓力感測放大訊號36，而圖6的虛線則為數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36（具有方程式：y=-2.2183x+2362.5）。由圖6可知，數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36與溫度為負相關；亦即，溫度越高，則數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36越低；溫度越低，則數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36越高；然而，對於偵測一個大致固定不變的壓力源來說，該壓力感測放大訊號36應該也是要維持大致恆定而不會受到溫度的影響，而本創作的目的即在於校正這種受溫度影響的問題。

請參考圖7，其係為本創作之數位化後的該壓力感測放大訊號36與溫度之一實施例之時序圖，其中該壓力感測放大訊號36被該微控制器12轉換為數位值以得到數位化後的該壓力感測放大訊號36，且圖7的數位化後的該壓力感測放大訊號36尚未被該微控制器12校正。在圖7當中，左邊縱軸為數位值，右邊縱軸為溫度（單位為攝氏度），橫軸為時間（單位為分鐘），曲線701代表數位化後的該壓力感測放大訊號36，而曲線702則代表溫度。由圖7亦可知，數位化後的該壓力感測放大訊號36（曲線701）與溫度（曲線702）為負相關。

請參考圖8，其係為本創作之數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36、線性化後的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值與溫度之一實施例之關係圖，其中該壓力感測放大訊號36被該微控制器12轉換為數位值並線性化以得到數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36，且圖8的數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36尚未被該微控制器12校正，且該微控制器12係偵測受溫度變化而改變的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16的電阻值並數位化且線性化電阻值而得到線性化後的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值，且該積體電路端溫度係數熱敏電阻16係為一負溫度係數熱敏電阻。在圖8當中，縱軸為數位值，橫軸為溫度（單位為攝氏度）；圖8的直線801代表數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36，且圖8的直線801具有方程式：y=-2.2183x+2362.5；圖8的直線802代表線性化後的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值，且圖8的直線802具有方程式：y=-32.68x+2932.7。

由圖8可知，數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36（直線801，具有方程式：y=-2.2183x+2362.5）與溫度為負相關，且線性化後的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值（直線802，具有方程式：y=-32.68x+2932.7）與溫度亦為負相關。因此，當溫度上升時，該微控制器12會偵知線性化後的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值下降，藉此該微控制器12得知溫度上升，而數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36與溫度為負相關，因此數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36會下降（但這是不正確的），所以該微控制器12必須提高數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36的數值以得知正確的壓力。而當溫度下降時，該微控制器12會偵知線性化後的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值上升，藉此該微控制器12得知溫度下降，而數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36與溫度為負相關，因此數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36會上升（但這是不正確的），所以該微控制器12必須降低數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36的數值以得知正確的壓力。

請參考圖9，其係為本創作之數位化後的該壓力感測放大訊號36與該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值之一實施例之關係圖，其中該壓力感測放大訊號36被該微控制器12轉換為數位值以得到數位化後的該壓力感測放大訊號36，且圖9的數位化後的該壓力感測放大訊號36尚未被該微控制器12校正，且該微控制器12係偵測受溫度變化而改變的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16的電阻值並數位化電阻值而得到該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值，且該積體電路端溫度係數熱敏電阻16係為一負溫度係數熱敏電阻。在圖9當中，縱軸為數位化後的該壓力感測放大訊號36之數位值，而橫軸為該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值，圖9的實線曲線（具有遲滯現象，hysteresis）為數位化後的該壓力感測放大訊號36，而圖9的虛線則代表數位化且線性化的該壓力感測放大訊號36與線性化後的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值的關係（具有溫度壓力方程式：y=0.0679x+2163.4）。

由圖9及該溫度壓力方程式（y=0.0679x+2163.4）可知，如果該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值（圖9的橫軸）減少一個單位（因為該積體電路端溫度係數熱敏電阻16係為一負溫度係數熱敏電阻，所以減少一個單位代表溫度上升），則數位化且線性化的該壓力感測放大訊號36會被錯誤地減少0.0679個單位，因此該微控制器12需要對數位化且線性化的該壓力感測放大訊號36增加0.0679個單位以得知正確的壓力。由圖9及該溫度壓力方程式（y=0.0679x+2163.4）可知，如果該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值（圖9的橫軸）增加一個單位（因為該積體電路端溫度係數熱敏電阻16係為一負溫度係數熱敏電阻，所以增加一個單位代表溫度下降），則數位化且線性化的該壓力感測放大訊號36會被錯誤地增加0.0679個單位，因此該微控制器12需要對數位化且線性化的該壓力感測放大訊號36減小0.0679個單位以得知正確的壓力。

請參考圖10，其係為本創作之數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36、線性化後的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值與溫度之另一實施例之關係圖；圖10與圖8的差異僅在於圖10的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16係為一正溫度係數熱敏電阻，故於此不再贅述圖10的內容。

請參考圖11，其係為本創作之數位化後的該壓力感測放大訊號36與該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值之另一實施例之關係圖；圖11與圖9的差異僅在於圖11的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16係為一正溫度係數熱敏電阻，故於此不再贅述圖11的內容。其中，圖11的虛線具有溫度壓力方程式：y=-0.0679x+2475.7。

以上圖6至圖11的內容雖然是討論數位化後/線性化後的訊號（例如數位化後的該壓力感測放大訊號36、該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值、數位化且線性化後的該壓力感測放大訊號36、線性化後的該積體電路端溫度係數熱敏電阻16之數位值），但以上圖6至圖11的內容亦可適用於原始的該壓力感測放大訊號36及該積體電路端溫度係數熱敏電阻16，從而達成上述之該微控制器12被配置為基於該積體電路端溫度利用一溫度壓力方程式校正該壓力感測放大訊號36。再者，該壓力感測放大訊號36與該壓力感測訊號18的關係僅為放大的關係，故於此不再贅述上述之該微控制器12被配置為基於該積體電路端溫度利用一溫度壓力方程式校正該壓力感測訊號18的內容。再者，上述之該些方程式的數值及該些溫度壓力方程式的數值僅為本創作之實施例，須知在不同的條件、參數、應用與設計下，應會有不同的方程式的數值及溫度壓力方程式的數值。

再者，請再次參考圖2及圖5，該管路40內的被測介質可稱為第一層，具有第一溫度；該膜片34可稱為第二層，具有第二溫度；該下油腔32可稱為第三層，具有第三溫度；該上油腔38可稱為第四層，具有第四溫度。該輔助溫度係數熱敏電阻20（設置於該第二位置44上）可感測第一溫度，而該積體電路端溫度係數熱敏電阻16（設置於該第一位置42上）可感測第四溫度。因為第一層、第二層、第三層及第四層之間的介質導熱影響，可得到以下方程式：第四溫度=第一溫度-K2*第二溫度-K3*第三溫度，其中K2及K3可為結構加權係數，但本創作不限制為常數。本創作亦可利用該管路40內的被測介質的溫度、該膜片34的溫差、注油介質（該上油腔38及該下油腔32會注入油以作為壓力感測的介質）的溫差以及該微機電系統壓力感測積體電路14的溫度對感測到的壓力值進行補償校正以提高壓力感測的精準度。

本創作之功效在於提高當使用該微機電系統壓力感測積體電路14感測壓力時的精準度。再者，本創作採用低成本的負溫度係數熱敏電阻或正溫度係數熱敏電阻偵測溫度，而非採用高規格的熱敏元件或溫度偵測器偵測溫度，因此本創作可避免高規格的熱敏元件或溫度偵測器的高成本。該改良型壓力感測裝置1被配置為利用該積體電路端溫度係數熱敏電阻16及該輔助溫度係數熱敏電阻20的一溫差總和，與該上油腔38、該下油腔32及該膜片34之一加權係數運算組合，以作為一溫度補償機制。

然以上所述者，僅為本創作之較佳實施例，當不能限定本創作實施之範圍，即凡依本創作請求項所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本創作之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。本創作還可有其它多種實施例，在不背離本創作精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本創作作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本創作所附的請求項的保護範圍。綜上所述，當知本創作已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本創作之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合新型專利申請要件，爰依專利法提出申請。

1:改良型壓力感測裝置 3:固定座板 4:設備 12:微控制器 14:微機電系統壓力感測積體電路 16:積體電路端溫度係數熱敏電阻 18:壓力感測訊號 20:輔助溫度係數熱敏電阻 22:運算放大器 24:按鍵組 26:發光二極體顯示器 28:輸出介面 30:連接孔洞 32:下油腔 34:膜片 36:壓力感測放大訊號 38:上油腔 40:管路 42:第一位置 44:第二位置 110:管接頭 701:曲線 702:曲線 801:直線 802:直線

圖1為本創作之改良型壓力感測裝置之第一具體實施例之方塊圖。

圖2為本創作之改良型壓力感測裝置之第二具體實施例之方塊圖。

圖3為本創作之改良型壓力感測裝置之立體分解示意圖。

圖4為本創作之改良型壓力感測裝置之立體組合示意圖。

圖5為本創作之改良型壓力感測裝置之側剖視示意圖。

圖6為本創作之數位化後的壓力感測放大訊號與溫度之一實施例之關係圖。

圖7為本創作之數位化後的壓力感測放大訊號與溫度之一實施例之時序圖。

圖8為本創作之數位化且線性化後的壓力感測放大訊號、線性化後的積體電路端溫度係數熱敏電阻之數位值與溫度之一實施例之關係圖。

圖9為本創作之數位化後的壓力感測放大訊號與積體電路端溫度係數熱敏電阻之數位值之一實施例之關係圖。

圖10為本創作之數位化且線性化後的壓力感測放大訊號、線性化後的積體電路端溫度係數熱敏電阻之數位值與溫度之另一實施例之關係圖。

圖11為本創作之數位化後的壓力感測放大訊號與積體電路端溫度係數熱敏電阻之數位值之另一實施例之關係圖。

1:改良型壓力感測裝置

12:微控制器

14:微機電系統壓力感測積體電路

16:積體電路端溫度係數熱敏電阻

18:壓力感測訊號

Claims (7)

1. 一種改良型壓力感測裝置，包含： 一微控制器； 一微機電系統壓力感測積體電路，電性連接至該微控制器；及 一積體電路端溫度係數熱敏電阻，電性連接至該微控制器， 其中，該微控制器被配置為藉由該積體電路端溫度係數熱敏電阻偵測該微機電系統壓力感測積體電路之一積體電路端溫度；該微機電系統壓力感測積體電路被配置為傳送一壓力感測訊號至該微控制器；該微控制器被配置為基於該積體電路端溫度利用一溫度壓力方程式校正該壓力感測訊號。
2. 如請求項1所述之改良型壓力感測裝置，其中，該積體電路端溫度係數熱敏電阻係為一負溫度係數熱敏電阻或一正溫度係數熱敏電阻，或者為一負溫度係數熱敏電阻與一正溫度係數熱敏電阻的配對組合。
3. 如請求項1所述之改良型壓力感測裝置，更包含： 一運算放大器，電性連接至該微控制器及該微機電系統壓力感測積體電路。
4. 如請求項1所述之改良型壓力感測裝置，更包含： 一按鍵組，電性連接至該微控制器。
5. 如請求項1所述之改良型壓力感測裝置，更包含： 一發光二極體顯示器，電性連接至該微控制器。
6. 如請求項1所述之改良型壓力感測裝置，更包含： 一輸出介面，電性連接至該微控制器。
7. 如請求項2所述之改良型壓力感測裝置，更包含： 一上油腔，該微機電系統壓力感測積體電路及該積體電路端溫度係數熱敏電阻係設置於該上油腔上； 一下油腔，連接至該上油腔； 一膜片，設置於該下油腔內；及 一輔助溫度係數熱敏電阻，設置於該下油腔上， 其中，該改良型壓力感測裝置被配置為利用該積體電路端溫度係數熱敏電阻及該輔助溫度係數熱敏電阻的一溫差總和，與該上油腔、該下油腔及該膜片之一加權係數運算組合，以作為一溫度補償機制。

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