KR20170017801A - 밀폐형 압력 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체 압력을 측정하기 위한 밀폐형 압력 센서(100)에 관한 것이다. 상기 압력 센서는 적어도 하나의 스트레인 센싱 소자에(120)에 부착되는 멤브레인 섹션을 포함하는 밀폐형 하우징을 포함한다. 상기 하우징은 제 1 하우징 구조(114, 116) 및 제 2 하우징 구조(112)를 포함한다. 상기 제 1 하우징의 구조는 멤브레인 섹션을 포함한다. 상기 제 2 하우징 구조는 적어도 두 개의 개구와 상기 적어도 두개의 개구를 통과하는 전기 접속 핀(112B)과 하우징 부(112A)를 포함한다.
Description
본 발명은 밀폐형 압력 센서 및 밀폐형 압력 센서를 조립하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 변속 오일의 압력을 측정하기 위한 자동 변속기 분야에 사용되는 압력 센서에 관한 것이다.
밀폐형, 예를 들면 기밀(gas-tight) 압력 센서의 주요 과제는 가혹하거나 위험한 환경 조건에서 압력을 측정하는 것이다. 밀폐형 센서를 사용하는 첫번째 중요한 이유는 센서의 하우징 내에 밀봉되는 센서의 부품들이 환경에 의해 손상될 수 있다는 것이다. 손상은 센서의 오작동을 야기할 수 있다. 두번째 중요한 이유는 저압력 감지 정확성을 위한 일정한 내부 압력을 가지기 위한 것이다. 실제로, 센서 하우징은 헬륨의 누설 시험 중 헬륨이 대략 5×10-8 mBar×l/sec의 한계치를 초과하지 않으면 밀폐된 상태로 간주된다.
밀폐형 압력 센서는 미국 등록특허 제6,763,724호에 공지되어 있다. 이 압력 센서는 튜브형의 포트 피팅과 튜브형의 하우징을 가지고 있어서 상대적으로 긴 형태를 지니고 있다. 하우징과 피팅 포트의 플랜지는 밀봉을 형성하는 지지 플랜지에 용접되어 있다. O-링의 압축력에 의하여 액밀(liquid-tight) 실(seal)을 형성하고 하우징 내의 구성 요소 전체가 축 방향으로 하중을 유지시킨다. 따라서, 하우징은 기밀(gas-tight) 되지 않아 전기 소자가 하우징 내에 밀봉되지 않는다.
변속 어플리케이션의 경우 작은 크기와 완전 밀폐형의 센서가 요구된다. 이는 상기 센서가 낮은 높이를 가져야 함을 의미한다. 게다가, 센서의 전자기기는 특히 구리-황 부식을 방지하기 위하여 측정 매체로부터 밀봉될 것이 요구된다.
보다 작은 압력 센서는 미국 공개특허 제2009-0282926호 및 미국 등록특허 제8,516,897호에 공지되어 있다. 상기 센서들은 센서 소자용 밀폐형 하우징을 포함한다. 이들은 밀폐되어 밀봉된 하우징 내에 배치된 유리 기판을 갖는 센서 칩을 사용한다. 다이어프램(diaphragm)이 상기 센서 칩에 형성되어 있다. 유리 기판은 금속 실에 유리가 형성되도록 상기 하우징에 융합된다. 금속 실에 대한 유리는 적어도 두 가지 경우에 실패하는 경향이 있다: 1) 밀폐 연결의 결여(예를 들면, 납땜 공정에서의 결함); 2) 유리는 압력 피크와 동적인 힘이 적용될 때 균열될 수 있는 취성 재료이다. 유체 압력 센서 칩, 유리 기판 및 연결(예를 들면, 유리-실리콘 연결 및 유리-금속 연결)에 직접 작용하기 때문에, 유리 기판 또는 임의의 유리 연결의 손상으로 이해 상기 압력 센서는 오작동할 잠재적인 위험이 존재한다.
본 발명의 목적은 적어도 하나의 다음과 같은: 신뢰할 수 있고, 저렴한 제조가 가능하고, 반자동 또는 완전 자동 생산 공정에 의해 대량 제조 가능하고, 오래 지속가능하고 및/또는 가혹한 압력 매체에 강력하고, 센서 하우징에 대한 힘의 작용에 덜 민감하고, 자동차 변속 어플리케이션의 일반적인 온도와 진동에 안전한 특징이 있는 기밀 하우징 구조를 갖는 개선된 밀폐 압력 센서를 제공하기 위한 것이다. 상기 센서는 또한 액체 연료의 압력을 감지하거나 연료의 압력을 감지하는 자동차 어플리케이션에 사용될 수 있다.
본 발명의 제1측면에 따르면, 본 발명의 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 측정 플러그에 의해 달성된다. 본 발명을 수행하는 바람직한 실시예 및 적용 기술은 종속항에 언급된 수단에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 밀폐형 압력 센서는 유체 압력에 노출되도록 상기 센서가 막 섹션을 갖는 밀폐형 하우징을 포함하는 것을 특징으로 한다. 적어도 하나의 스트레인 센싱 소자는 상기 하우징 내에 배치되고, 멤브레인 부에 부착된다. 상기 하우징은 제 1 하우징 구조와 제 2 하우징 구조를 포함한다. 상기 제 1 하우징의 구조는 멤브레인 부를 포함한다. 제 2 하우징 구조는 적어도 두 개의 개구가 있는 하우징 부분을 포함한다. 전기 접속 핀들은 상기 적어도 두 개의 개구를 관통한다. 전기 접속 핀들은 비도전성 밀폐 실(seal) 재료에 의해 상기 적어도 두 개의 개구에 부착된다. 상기 제 1 하우징 구조와 제 2 하우징 구조는 서로 밀폐되도록 연결된다. 제 1 하우징 구조체는 유체 압력에 노출되어 있는 유체에 대향하는 외부 표면을 가지고, 상기 유체에 대향하는 외부 표면은 완전한 금속 외부 표면이다.
이러한 특징들은 밀봉되는 하우징 내의 전자소자 주위에 하우징을 제공한다. 본 발명에서 밀폐형은 기밀(gas-tight)과 액밀(liquid-tight)을 의미한다. 게다가, 다양한 유체 압력과 접촉되는 하우징 부분은은 압력 및 온도와 관련하여 실질적으로 작은 특징을 갖는 물질을 포함하고, 압력 피크와 동적인 힘이 적용될 때 균열이 발생할 수 있는 취성 재료는 사용될 수 없다. 결과적으로, 하우징의 손상으로 인해 압력 센서가 오작동을 일으킬 잠재적인 위험은 상당히 감소된다.
일 구현예에서, 상기 제 1 하우징 구조는 바닥 부와 멤브레인 부를 포함한다. 상기 바닥 부는 압력 공급 개구를 포함한다. 멤브레인 부는 멤브레인 섹션을 포함하며, 상기 베이스 부에 밀폐되어 연결된다. 상기 멤브레인 섹션은 바닥 부와 멤브레인 부 및 압력 공급 개구 사이의 캐비티를 통해 유체와 압력 접촉한다. 상기 특징은 바닥 부가 외부 물체에 의한 멤브레인 손상을 보호하는 구조를 제공한다.
추가 구현예에서, 상기 바닥 부와 멤브레인 부는 환형 용접에 의해 밀폐되어 연결된다. 고상 용접 공정 또는 다른 적합한 용접 공정이 상기 두 부분을 국부적으로 결합시키기 위하여 사용될 수 있다. 그 결과, 새로운 부품은 소재 특성에서 불연속성을 포함하지 않는다. 이러한 방식으로, 온도와 압력 충격으로 인한 손상의 위험이 감소된다. 유사한 장점을 갖는 다른 구현예에서, 상기 제 1 하우징 구조와 제 2 하우징 구조는 환형 용접에 의해 밀폐되어 연결된다.
일 구현예에서, 상기 제 1 하우징 구조는 멤브레인 부 주위의 환형 웨이브 형상 섹션(annular wave-like section)을 포함할 수 있다. 이러한 특징에 의해, 하우징 외부와 멤브레인 부 사이의 물질 경로의 길이가 연장된다. 이는 하우징의 외부에 작용하는 포인트 포스(point force)에 대한 센서의 민감도를 감소시킨다. 일 구현예에서, 상기 환형 웨이브 형상 섹션의 단면은 적어도 하나의 U-턴 형상을 포함한다.
선택적인 구현예에서, 제 1 하우징 구조는 환형 베이스 부, 환형 강성 부(annular rigid part), 및 환형 굴곡 부(annular bending part)를 더욱 포함하고, 상기 멤브레인 부는 강성 부와 굴곡 부를 통해 베이스 부에 접한되고, 상기 강성 부는 굴곡 부 보다 큰 두께를 가진다. 상기 굴곡 부는 외부에 작용하는 포인트 포스의 생성물을 흡수하고, 상기 강성 부는 상기 포인트 포스로 인해 잔존하는 힘에 대한 베리어를 형성한다. 결과적으로 하우징에 작용하는 포인트 힘 또는 비대칭 포스(asymmetric force)에 대한 센서의 감도가 현저하게 감소된다.
추가 구현예에서, 상기 굴곡 부는 멤브레인 부와 각도를 이루고 있다. 상기 특징은 멤브레인과 평행하게 하우징의 외부에 작용하는 힘에 대한 굴곡 특성 및 결과적으로 굴곡 부의 힘 흡수를 개선시킨다.
일 구현예에서, 상기 센서는 상기 하우징 내에 배치된 PCB를 더욱 포함하고, 상기 적어도 하나의 스트레인 센싱 소자는 본딩 와이어에 의해 PCB에 전기적으로 결합된다. 이 특징은 PCB과 멤브레인의 기계적인 해체를 가능하게 하고, PCB 상의 전자와 스트레인 센싱 소자 사이의 신뢰가능한 전기적 접속을 제공한다.
추가 구현예에서, 탄력 전기 접속 소자(springy electrical connection element)는 PCB에 전기 접속 핀을 전기적으로 연결한다. 이러한 특징의 결과로, 제 2 하우징 구조를 갖는 하우징을 개폐할 때 전기 접속 핀과 PCB 사이에 신뢰가능한 전기 접속이 성립된다. 상기 전기 접속은 진동 요구 조건을 견딜 수 있다. 탄력 전기 접속 소자에 대한 일부 구현예는 개방형-나선형 스프링 코일, S-형상의 판 스프링과 U-형상의 평면 스프링이다.
일부 구현예에서, 상기 밀폐형 하우징은 디스크 형상을 가진다. 이러한 특징은 압력 센서의 포지셔닝에 이용가능한 제한된 높이를 갖는 어플리케이션에서 압력 센서의 사용을 가능하게 한다.
일 구현예에서, 상기 스트레인 센서 소자는 마이크로 퓨즈드 실리콘 스트레인 게이지(micro fused silicon strain gage)이다.
제2측면에서 밀폐형 압력 센서를 조립하는 방법이 제공된다. 상기 방법은:
- 멤브레인 섹션을 포함하는 제 1 하우징 구조를 유체 압력에 노출되도록 제공하는 단계(적어도 하나 이상의 스트레인 센싱 소자는 상기 멤브레인 섹션에 부착되고, 상기 제 1 하우징 구조는 유체 압력에 노출되는 유체에 대향하는 외부 표면을 포함하고, 상기 유체에 대향하는 외부 표면은 완전한 금속 외부 표면이다);
- 상기 제 1 하우징 구조 내에 PCB를 배치하는 단계;
- 적어도 하나 이상의 상기 스트레인 센싱 소자를 본딩 와이어를 통해 상기 PCB에 전기적으로 연결하는 단계;
- 적어도 두 개의 개구 및 비도전성 밀폐 실 재료에 의해 상기 적어도 두 개의 개구를 통과하는 전기적 접속 핀을 가지는 하우징 부를 포함하는 제 2 하우징 구조를 제공하는 단계;
- 상기 제 1 하우징의 구조, 상기 PCB, 탄력 전기 접속 소자 및 제 2 하우징 구조를 포함하는 부품의 스택을 형성하는 단계; 및,
- 상기 제 1 하우징의 구조를 상기 제 2 하우징 구조에 밀폐되게 연결하는 단계를 포함한다.
추가 구현예에서 상기 제 1 하우징 구조는 바닥 부와 멤부레인 부를 포함하고, 상기 바닥 부는 환형의 측벽과 압력 공급 개구를 갖는 베이스 부를 포함하고, 상기 멤브레인 부는 멤브레인 섹션을 포함한다. 상기 멤브레인 섹션은 베이스 부 및 멤브레인 부 및 압력 공급 개구 사이의 캐비티를 통해 유체와 압력 접촉하도록 형성된다. 상기 방법은 상기 멤브레인 부를 환형 용접에 의해 상기 바닥 부에 밀폐되게 연결하는 단계를 더욱 포함한다.
다른 특징 및 장점은 실시예들의 다양한 특징에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 이하 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
이들 및 양태, 특성 및 장점은 다른 도면을 참조하여 다음의 설명에 기초하여 이하에서 설명된다;
도 1은 압력 센서의 제1구현예에 대한 개략적인 분해도이다.
도 2는 압력 센서의 제1구현예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 3은 압력 센서의 제2구현예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 4는 압력 센서의 제3구현예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 5는 압력 센서의 제4구현예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 1은 압력 센서의 제1구현예에 대한 개략적인 분해도이다.
도 2는 압력 센서의 제1구현예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 3은 압력 센서의 제2구현예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 4는 압력 센서의 제3구현예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 5는 압력 센서의 제4구현예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2는 각각 본 기술에 따른 밀폐형 압력 센서에 대한 제1구현예의 분해도 및 단면도를 나타낸다. 본 기술에서 밀폐형은 완전한 기밀을 의미한다. 상기 센서는 특히 변속 어플리세이션을 위해 설계되었고, 상기 센서의 전자는 측정 매체로부터, 구리-황 부식을 방지하기 위하여 밀봉될 것이 요구된다. 상기 센서는 견고하고, 제조가 단순하고, 기밀하며, 제조 비용이 낮다. 밀폐형 압력 센서의 주요 과제는 가혹하거나 위험한 환경 조건에서 압력을 측정하는 것에 있다.
상기 압력 센서는 제 1 하우징의 구조(114) 및 제 2 하우징 구조(112)를 가진 밀폐형 디스크 형상의 하우징을 포함한다. 본 발명에서 디스크 형상은: 상기 하우징의 폭보다 작은 높이를 갖는 것이다. 0.75 내지 1.5 cm의 범위 내의 높이가 가능한 것으로 확인되었다. 상기 제 1 하우징의 구조는 금속 바닥 부(114) 및 금속 멤브레인 부(116)를 포함한다. 금속 바닥 부(114) 및 멤브레인 부(116)는 환형 용접(220)에 의해 밀폐되어 연결된다. 상기 바닥 부(114)는 압력 공급 개구(114C), 밀봉 표면 부분(114B) 및 측벽 부(114A)를 포함한다. 상기 압력 공급 개구 (114C)를 통해, 상기 유체는 상기 멤브레인 부(116)와 바닥 부(114) 사이의 캐비티(260)에서 흐를 수 있다. 이와 같이, 제 1 하우징 구조는 멤브레인 부분의 유체를 향하는 표면에 의해 형성되는 유체를 향하는 외부 표면 및 측정되는 유체와 접촉하는 바닥 부의 표면 부를 포함한다.
상기 멤브레인 부(116)는 멤브레인 섹션(116C), 환형 웨이브 형상 섹션(116B) 및 환형 지지 섹션(116A)를 포함한다. 상기 환형 웨이브 형상 섹션은 멤브레인 섹션(116C)을 둘러싸고, 상기 지지 섹션(116A)은 환형 웨이브 형상 섹션(116B)을 둘러싼다. 상기 멤브레인 섹션은 환형 웨이브 형상 섹션 및 지지 섹션의 두께 보다 얇은 제 1 두께를 갖는다. 본 구현예에서, 상기 웨이브 형상의 단면의 단면은 U-턴 형상을 포함한다.
스트레인 센싱 소자(120)는 멤브레인 섹션에 부착된다. 스트레인 센싱 소자는 두 개의 스트레인 게이지를 포함한다. 스트레인 센싱 소자는 유체 압력이 유체를 향하는 표면에 적용될 때, 하나의 스트레인 게이지는 압력의 영향을 받고 다른 스트레인 게이지는 장력의 영향을 받도록 포지셔닝된다. 스트레인 센싱 소자의 스트레인 게이지는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 중 하프 브리지를 형성한다. 또한, 두 개의 스트레인 센싱 소자를 사용하는 것도 가능하다. 두 스트레인 센싱 소자의 네 개 스트레인 게이지들은 완전한 휘트 스톤 브리지를 형성하도록 전기적으로 결합된다. 멤브레인의 중심으로부터 스트레인 센싱 소자 중 하나까지의 라인과 멤브레인의 중심으로부터 다른 스트레인 센싱 소자까지의 라인 사이의 각도는 바람직한 구현예에서 90도이다. 스트레인 센싱 소자는 바람직하게 마이크로 퓨즈드 실리콘 스트레인 게이지이다. 그 경우, 스트레인 게이지는 유리 물질과, 종래 스트레이 게이지 기술에 따라 2개의 스트레인 게이지와 멤브레인 표면에 결합되는 유리 물질에 의하여 멤브레인 섹션에 부착된다. 본 발명의 개념은 반도체 스트레인 게이지(피에조 저항), 포일 스트레인 게이지, 박막 스트레인 게이지, 후박 스트레인 게이지, 폴리 실리콘 스트레인 게이지 및 커패시티브 스트레인 게이지와 같은, 임의의 다른 스트레인 게이지를 이용하여 적용될 수 있다.
제 2 하우징 구조(112)는 세 개의 개구와 세 개의 전기 접속 핀을 갖는 금속 하우징 부(112A)를 포함한다. 세 개의 전기 접속 핀(112)은 비전도성 및 밀폐 실 물질(112C), 예를 들면 유리에 의해 세 개의 개구부에 부착된다. 이행 방법에 따라, 상기 압력 센서는 2 개 이상의 전기 접속 핀을 포함할 수 있음을 주목해야 한다.
상기 제 1 하우징 구조(114) 및 제 2 하우징 구조(112)는 환형 용접(230)에 의해 밀폐되어 서로 연결된다. 상기 제 1 하우징 구조와 제 2 하우징 구조는 부품들의 스택이 배치되는 구획을 형성한다. 상기 스택은 지지 링(140), PCB(130), 탄력 전기 접속 소자(150) 및 얼라이먼트 구조(145)를 포함한다. PCB(130)는 전자 회로를 구비한다. 전자 회로는 다음 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된다: 휘트스톤 브리지를 형성하는 두 스트레인 센싱 소자(120)에 의해 생성된 전기 신호의 온도 보상, 교정, 내부 결함 검출, 스트레인 센싱 소자로부터의 전기 신호(들)를 조절된 측정 신호, 예를 들면 유체 압력을 나타내는 신호로 변환. 본딩 와이어는 전자 회로에 스트레인 센싱 소자를 연결한다. 상기 전자 회로는 또한 필요한 보정 처리를 수행 할 수 있도록 구성될 수 있다. 지지링은 멤브레인 부(116)의 볼록한 엣지에 용접된다. PCB는 리플로우 납땜 방법으로 지지 링에 결합된다. 얼라인먼트 구조(145)는 탄력 전기 접속 소자를 수용하기 위한 개구를 포함한다. 본 구현예에서, 상기 탄력 전기 접속 소자는 오픈 코일 헬리컬 스프링의 형태로 존재한다. 얼라인먼트 구조(145)는 PCB 상의 접촉 영역에 있는 탄력 전기 접속 소자의 제1말단을 정렬하고, 전기 접속 핀(112B)의 반대쪽 제2말단을 정렬한다.
상기 환형 웨이브 형상 섹션(116B)의 특성은 “웨이브(wave)”가 멤브레인(116C) 섹션과 밀폐 하우징의 외부 표면 사이의 기계적 경로를 확대시킨다는 점에 있다. 그 결과, 상기 센서는 하우징에 작용하는 포인트 포스와 균일한 컨센트릭 포스(concentric force)에 덜 민감하다. 사용시, O-링(도시하지 않음)은 하우징의 밀봉 표면(114D)과 유체 압력이 측정되어야 하는 상기 장치의 표면 사이에서 압축된다. 상기 O-링은 압력 공급 개구(114C)의 중앙에 놓여진다. 밀봉면(114D)은 상기 하우징의 하측에서 작은 깊이를 갖는 오목부이다. 마운팅 포스(mounting force)가 강해질 때, 밀봉면(114D) 주위의 플랜지(114E)는 O-링을 이용하여 밀봉면의 고압축 및 손상을 방지한다. O-링의 압축력은 공급 개구의 주위에 일정한 동심의 포스에 의해 밀봉 표면 부분(114B)를 위쪽으로 밀어 올릴 것이다. 그 결과, 바닥 부는 변형되고 합력(resultant force)은 멤브레인 부(116)의 환형 지지 부(116A)에 작용할 것이다. 최소 두께를 가지는 웨이브 형상 섹션(116B)은 변형되지만, 웨이브 형상의 상대적으로 얇은 부분과 멤브레인 섹션(116C)의 사이에 있는 웨이브 형상 섹션의 딱딱하고 강성 부분은 최소한으로 변형될 것이다. 이러한 방법으로, 멤브레인 섹션(116C)의 표면에 상기 하우징에 작용하는 포인트 포스과 컨센트릭 포스의 영향이 현저하게 감소된다. 하우징의 바닥면의 변형이 O-링 감소의 크기보다 크다는 것을 주목하여야 한다. 또한 “플렉서블(flexible)” 본딩 와이어가 PCB에 멤브레인 섹션의 스트레인 센싱 소자를 결합시키기 위하여 사용되는 경우, 멤브레인 섹션은 탄력 전기 접속 소자로 인해 PCB에 작용하는 힘에 대해 기계적으로 분리된다.
도 3은 본 발명에 따른 압력 센서(300)의 제2구현예에 대한 단면도를 나타낸다. 제2구현예는 디스크 형상 밀폐 하우징에 주로 차이가 있다. 밀폐 하우징은 베이스 부(314B), 멤브레인 부(316A), 측벽 부(314A)와 커버 부(312A)를 포함한다. 멤브레인 부(316A)는 환형 용접에 의해 바닥 부(314B)와 밀폐되어 결합된다. 측벽 부(314A)는 환형 용접에 의해 바닥 부(314B)와 밀폐되어 결합된다. 커버 부(312A)는 환형 용점에 의해 측벽 부(314A)와 밀폐되어 결합된다. 제조 공정의 구현에 따라, 상기 바닥 부, 멤브레인 부와 측벽 부의 조립체는 제 1 하우징 구조 및 커버 부를 형성하고, 제 2 하우징 구조 또는 바닥 부 및 멤브레인 부의 조립체는 제1 하우징 구조를 형성하고 측벽 부 또는 커버 부의 조립체는 제 2 하우징 구조를 형성한다. 상기 센서(300)는 상기 하우징 내에 지지 구조체(340) 및 PCB 부분(330)을 포함한다. 상기 지지 구조체(340)는 리플로우 공정에 의해 PCB (330)에 결합된다. 지지 구조체와 PCB의 결합은 접착제, 용접 또는 에폭시에 의해 제 1 하우징 부분의 수직 표면의 엣지에 부착된다.
상기 커버 부(312A)는 적어도 두개의 개구와 적어도 두개의 전기 접속 핀 (312B)을 포함한다. 적어도 두 개의 전기 접속 핀(312B)은 커버 부(312A)의 개구를 통과하여 비도전성 기밀 밀봉재(312C)에 의해 상기 개구부에 부착된다. 탄력 전기 접속 소자(350)는 전기 접속 핀(312B)에 PCB(330) 상의 회로를 전기적으로 연결시킨다. 본 구현예에서, 상기 탄력 전기 접속 소자(350)는 U-자형 플랫 스프링 형태로 존재한다. 플랫 스프링은 PCB(330)의 표면과 접촉하기 위해 리플로우된다. 제 1 및 제 2 하우징 구조물의 조립시에, 상기 플랫 스프링은 상기 하우징의 내부로 돌출 접속 핀(312B)의 각 단부에 대해 가압된다. U-자형 평면 스프링 대신에, 다른 형태 예를 들면 S-자형 평면 스프링이 사용될 수 있다. 또한 도전성 고무 또는 탄력 전기 접속 소자로서 전도성 탄성 복합재를 사용하는 것도 가능하다.
도 3에 멤브레인 부의 각 부분의 두께를 표시하였다. 멤브레인 부의 중심으로부터 외측 까지, 상기 멤브레인의 부분는 다음과 같은 섹션: 멤브레인 섹션(316C), 환형 강성 부분(316B1), 환형 굴곡 부분(316B2, 316B3) 및 고리 부착 섹션(316A)을 포함한다. 멤브레인 섹션 (316A)는 두께 a를 갖는다. 환상 강성 부는 멤브레인 단면의 평면에 대하여 경사져 있고, 두께 b를 가지며 두께 b > 두께 a이다. 환형 굴곡 부는 두개의 환형 섹션을 가진다. 첫번째 섹션(316B2)는 대체로 멤브레인 섹션(316A)에 평행하고, 두께 C를 갖는다. 두 번째 섹션(316B3)은 첫번째 섹션(316B2)에 대하여 경사를 이루고 두께 d를 갖는다. 두께 c, d는 두께 b 보다 얇고 두께 a 보다 두껍다. 바닥 부(314)을 통한 마운팅 포스가 작용하는 경우, 힘은 힘의 합력이 멤브레인 섹션에 작용하기 전에 우선 환형 굴곡 부분 그 다음 환형 강성 부를 통과한다. 굴곡 부가 강성 부 보다 얇기 때문에, 마운팅 포스의 중심 부는 굴곡 부의 굴곡을 야기하고, 극히 적은 나머지 부분이 강성 부에 작용한다. 그 결과 나머지 부분에 작용하는 힘이 작은 부분일지라도 강성 부를 통화하여 멤브레인 섹션에 스트레스를 미친다. 이와 같이, 포인트(비대칭) 및 균일한 (컨센트릭) 포스(force)에 대한 밀폐 하우징 외부에 작용하는 민감도는 환형 강성 부와 환형 굴곡 부를 포함하는 웨이브 형상 섹셕으로 인하여 감소된다.
도 4는 본 기술에 따른 밀폐형 압력 센서(400)의 제3구현예에 대한 단면도를 나타낸다. 상기 구현예는 제 1 하우징 부분이 금속 한 조각에서 벗어나고, 바닥부와 멤브레인 섹션(416C)를 포함하고 있다는 점에서 이전의 구현예와 차이가 있다. 본 구현예의 장점은 덜 복잡하다는 점이다. 단점은 멤브레인이 쉽게 물체에 의해 큰 포트를 통해 도달함에 따라 손상될 수 있다는 점이다. 하우징에 작용하는 힘의 영향을 감소시키기 위해, 멤브레인 섹션(416C)은 환형 강성 섹션(416B1)에 의해 둘러싸여있다. 환형 굴곡 섹션(416)은 제 1 하우징 부의 외측 환형 섹션(414A)에 강성 섹션을 연결한다. 환형 굴곡 섹션(416B2)은 강성 부분(416B1) 보다 작은 두께 a 를 갖는다. 또한, 굴곡 섹션(416B2)는 멤브레인 섹션(416C)과 각도를 이룬다. 영향을 감소시키고자 하는 방법은 이전의 구현예와 비슷하다. 본 구현예에서, 탄력 전기 접속 소자는 PCB(430)에 수직 중심 축을 갖는 개방 코일 스프링(450)이다.
도 5는 밀폐 하우징에 작용하는 힘에 대한 감소된 민감도를 가진 밀폐형 하우징과 압력 센서의 제4구현예에 대한 단면도를 나타낸다. 본 구현예는 웨이브 형상 섹션(516B)이 환형 외측 섹션(516A)에 멤브레인 섹션(516C)을 연결한다는 점에서 제3구현예와 구별된다. 본 구현예에서, 환형 외측 섹션과 멤브레인 섹션 사이의 기계적 경로는 더욱 커진다. 완전한 금속 바닥 부(516)는 바닥 부(516)의 멤브레인 섹션(516C)와 바닥 부(516)의 외측 섹션 (516A), 제 1 강성 부(516B1, 516B2), 제 1 굴곡 부(516B3), 제 2 강성 부(516B4) 및 제 2 굴곡 부(516B5)를 포함하는 환형 웨이브 형상 섹션을 포함한다. 멤브레인 섹션(516C)은 바닥 부(516)에서 가장 얇은 두께를 가진다. 굴곡 부(516B3, 516B5)는 강성 부(516B1, 516B2) 및 (516B4)보다 작은 두께를 갖는다. 제 1 강성 부는 수직 부(516B1)와 수평 부(516B2)를 포함한다. 일반적으로, 멤브레인 섹션은 측정된 압력 신호에 기생 효과의 영향을 줄이기 위해 경질 부분으로 둘러싸여야 한다. 수직 부(516B1)는 멤브레인 섹션(516C)과 유사한 두께를 같고, 바닥 부에 작용하는 유체의 압력은 멤브레인 섹션과 수직부를 구부릴 수 있다. 그러나 수직 부의 휨은 멤브레인 섹션의 스트레스에 의한 영향을 받으며 즉, 측정 유체의 압력의 영향을 받는다. 멤브레인 섹션을 둘러싸는 강성 부를 구비함으로써, 유체의 압력에 의하여 왜곡되는 것이 대폭 감소된다.
밀폐형 압력 센서의 조립 방법은 하기의 작업을 포함한다. 먼저, 제 1 하우징 구조가 제공된다. 제 1 하우징 구조는 도 4 내지 도 5에서 도시된 바와 같이 하나의 부품으로 이루어지거나, 도 2 내지 도 3에서 도시된 바와 같이 멤브레인 부와 바닥 부의 두개의 부품으로 이루어질 수 있다. 후자의 경우, 멤브레인 부는 환형 용접에 의하여 바닥 부에 밀폐되어 결합된다. 그 다음, PCB는 제 1 하우징 구조에 또는 안에 부착/배치된다. 도 2 내지 도 3에 도시된 구현예의 경우, 지지 구조체는 예를 들면 리플로우 공정에 의해 사전에 PCB에 부착된다. 제 1 하우징 구조에 용접 또는 접착제에 의하여 PCB를 접착한 후 지지체 구조를 배치한다. 본딩 공정에 의하여, 멤브레인의 스트레인 센싱 소자가 PCB에 전기적으로 연결된다. 도 2에 도시된 구현예의 경우, 얼라인먼트 구조(145)는 PCB 상에 배치되고, 개방형 코일 스프링은 얼라인먼트 구조에 배치된다. 다른 구현예에서, 탄력 전기 접속 소자는 리플로우 공정에 의해 PCB에 미리 부착된다. 그리고 제 2 하우징 구조를 구비하고, PCB와 스트레인 게이지가 위치하는 폐쇄된 캐비티를 형성하는 PCB 위에 배치한다. 구성 요소의 스택은 제 1 하우징, PCB, 탄력 전기 접속 소자와 제 2 하우징 구조로 이루어진다. 마지막으로, 제 1 하우징의 구조 위에 커버를 형성하는 제 2 하우징 구조를 환형 용접으로 제 1 하우징과 밀폐되게 연결한다.
개시된 구현예들은 0 - 20 bar의 작동 범위에서 압력을 측정하고, 120 bar까지의 측정 매체의 압력 스파이크를 견디는 자동차 산업의 변속 어플리케이션에 적합하다. 다른 어플리케이션에서의 작동 범위는 0 - 70 Bar 일 수 있다. 특히, 상대적으로 낮은 압력을 측정하는 경우 상기 하우징에 일정한 내부 압력이 존재하는 것이 중요하다. 제안된 디자인은 필요한 용접부의 양과 용접의 길이를 감소시킴으로써 잠재적인 누설 경로를 줄인다. 또한 유리-금속 실(glass-to-metal seal)은 접속 핀 주변의 제 2 하우징의 개구에서만 사용된다. 이것은 유체 압력 측정의 대상이 아니기 때문에, 유체의 압력 변화로 유리-금속 시일 손상이 무시 될 수 있다. 이 디자인은 최소한의 부품과 공정으로 구성되어, 약분할 수 없는 복잡성에 도달하여 있으므로 비율 효율적이고, 따라서 최소한의 구성 요소로 기능 수행과 제조가 가능하다.
웨이브 형상 섹션으로 인하여 센서는 출력 신호에 큰 영향 없이 센서 하우징의 불균일한 힘을 극복한다. 이는 다른 가혹한 환경에서 사용되는 압력 센서에 적용될 수 있음을 나타낸다. 개시된 하우징은 1 cm 높이를 가지는 디스크 형상이다. 다른 응용을 위하여, 하우징은 장치의 개구부에 센서를 탑재하기 위하여 외부 나사를 포함하는 제 1 하우징에 플러그 되는 형태를 가질 수도 있다.
설명된 구현예는 모두 결합을 하기 위하여 PCB에 연결 파인트를 연결하기 위한 탄력 전기 접속 소자를 포함한다. 탄력 전기 소자는 플렉스 포일로 대체될 수 있다. 그러나, 본 구현예는 센서를 제조하기 위한 추가적인 공정으로 결과적으로 더 복합한 공정이 요구될 수 있다.
본 발명이 여러 구현예로 설명되었지만, 대안, 변형, 치환 및 그들의 등가물이 상세한 설명과 도면으로 당업자에 의하여 고려될 수 있다. 본 발명은 도시된 실시예에 한정되지 않는다. 변경은 첨부된 청구 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
Claims (15)
- 유체 압력을 측정하기 위한 밀폐형 압력 센서(100)로서, 상기 압력 센서는:
- 유체 압력에 노출되는 멤브레인 섹션(116C)를 포함하는 밀봉 하우징;
- 상기 하우징 내에 배치되고 멤브레인 섹션에 부착되는 적어도 하나의 스트레인 센싱 소자(120)를 포함하고,
상기 하우징은 제 1 하우징 구조(114, 116) 및 제 2 하우징 구조(112)를 포함하고, 상기 제 1 하우징 구조는 멤브레인 섹션을 포함하고, 상기 제 2 하우징 구조는 적어도 두개의 개구 및 상기 적어도 두개의 개구를 통과하는 전기 접속 핀 (112B)을 갖는 하우징 부(112A)를 포함하고, 상기 전기 접속 핀은 비도전성 밀폐 실(seal) 재료(112C)에 의해 상기 적어도 두 개의 개구에 부착되고, 상기 제 1 하우징 구조 및 상기 제 2 하우징 구조는 서로 밀폐되게 접속되고, 상기 제 1 하우징 구조는 유체 압력에 노출되는 유체에 대향하는 외부 표면을 가지고, 상기 유체에 대향하는 외부 표면은 완전한 금속 외부 표면인 것을 특징으로 하는 것인, 압력 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 하우징 구조는 바닥 부(114) 및 멤브레인 부(116)를 포함하고, 상기 바닥 부는 압력 공급 개구(114C)를 포함하고, 상기 멤브레인 섹션(116C)을 포함하는 멤브레인 부(116)는 바닥 부(114)에 밀폐되게 접속되고, 상기 멤브레인 섹션(116C)은 베이스 부와 멤브레인 부와 압력 공급 개구(114C) 사이의 캐비티(260)를 통해 유체와 압력 접촉하는 것인, 압력 센서.
- 제 2 항에 있어서,
상기 바닥 부(114) 및 상기 멤브레인 부(116)는 환형 용접에 의하여 밀폐되게 접속되는 것인, 압력 센서.
- 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 하우징 구조 및 상기 제 2 하우징 구조는 환형 용접에 의하여 밀폐되게 접속되는 것인, 압력 센서.
- 제 1 항에 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 하우징 구조는 상기 멤브레인 섹션(116C) 주위에 환형 웨이브 형상 섹션(116B)을 포함하는 것인, 압력 센서.
- 제 5 항에 있어서,
상기 환형 웨이브 형상 섹션의 단면은 적어도 하나의 U-턴 형상을 포함하는 것인, 압력 센서.
- 제 1 항에 내지 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 하우징 구조는 환형 베이스 부, 환형 강성 부 및 환형 굴곡 부를 포함하고, 상기 멤브레인 섹션은 상기 강성 부 및 굴곡 부를 통해 베이스 부에 접합되고, 상기 강성 부는 상기 굴곡 부 보다 두꺼운 두께를 갖는 것인, 압력 센서.
- 제 7 항에 있어서,
상기 굴곡 부는 상기 멤브레인 섹션과 각도를 이루는 것인, 압력 센서.
- 제 1 항에 내지 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서는 상기 하우징 내에 배치된 PCB(130)를 더욱 포함하고, 상기 적어도 하나의 스트레인 센싱 소자는 본딩 와이어에 의하여 상기 PCB에 전기적으로 연결된 것인, 압력 센서.
- 제 9 항에 있어서,
탄력 전기 접속 소자(150)가 상기 PCB(130)에 전기 접속 핀(112B)을 전기적으로 연결하는 것인, 압력 센서.
- 제 10 항에 있어서,
상기 탄력 전기 접속 핀은 오픈 코일 헬리컬 스프링, U 형 판 스프링, S 형 판 스프링, 전도성 고무 및 다른 전도성 탄성 복합체를 포함하는 군으로부터 선택되는 것인, 압력 센서.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밀폐형 하우징은 디스크 형상인 것인, 압력 센서.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스트레인 센싱 소자는 마이크로 퓨즈된 실리콘 스트레인 게이지인 것인, 압력 센서.
- 밀폐형 압력 센서의 조립 방법으로, 상기 방법은:
- 유체 압력에 노출되는 멤브레인 섹션(116C)을 포함하는 제 1 하우징 구조(114, 116)를 제공하는 단계(적어도 하나의 스트레인 센싱 소자(120)는 상기 멤브레인 섹션에 부착되고, 상기 제 1 하우징 구조는 유체 압력에 노출되는 유체에 대향하는 외부 표면을 포함하고, 상기 유체에 대향하는 외부 표면을 가진다)
- 상기 제 1 하우징 구조 내에 PCB(130)를 배치하는 단계;
- 상기 적어도 하나의 스트레인 센싱 소자(120)를 본딩 와이어에 의하여 상기 PCB에 전기적으로 연결하는 단계;
- 적어도 두 개의 개구 및 비도전성 밀폐 실 재료(112C)에 의해 상기 적어도 두 개의 개구를 통과하는 전기적 접속 핀(112B)을 가지는 하우징 부(112A)를 포함하는 제 2 하우징 구조(112)를 제공하는 단계;
- 상기 제 1 하우징의 구조, 상기 PCB, 상기 탄력 전기 접속 소자 및 제 2 하우징 구조를 포함하는 부품들의 스택을 형성하는 단계; 및,
- 상기 제 1 하우징 구조에 상기 제 2 하우징 구조를 밀폐되게 연결하는 단계;
를 포함하는 것인, 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 하우징 구조는 바닥 부(114) 및 멤브레인 섹션(116C)을 포함하고, 상기 바닥 부는 환형의 측벽(114A) 및 압력 공급 개구(114C)를 갖는 베이스 부(114B)를 포함하고, 상기 멤브레인 부(116)는 멤브레인 섹션(116C)를 포함하고, 상기 멤브레인 센션(116C)는 베이스 부와 멤브레인 부와 압력 공급 개구(114C) 사이의 캐비티(260)을 통해 유체와 압력 접촉되고, 상기 방법은 환형 용접에 의해 바닥 부(114)에 멤브레인 부(116)가 밀폐되게 연결하는 단계를 더욱 포함하는 것인, 방법.
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