用于液体流量计的传感器的制作方法

1.本实用新型涉及传感器，更具体地，涉及一种用于液体流量计的传感器，可有效降低液体静止时测得的误差噪声。


背景技术：

2.超声波传感器(ultrasonic transducer)可用于短距离的对象侦测，其通过发出的超声波碰撞到物体之后反射回来的时间差，可以计算出超声波传感器与待侦测物体之间的距离。对于超声波侦测而言，待侦测物体的类型与性质并不会受到太多的限制，包括各种表面颜色、透明度、硬度的固体、液体、或粉体等，其都可以用超声波传感器来进行侦测。因此，现在超声波传感器已广泛应用在倒车雷达(parking sensor)、位高侦测(level sensor)、薄片层数侦测(multiple sheet detection)及流量侦测(flow meter)等范畴。
3.超声波传感器的其中一个应用领域是用于液体流量计，也就是用来测量液体的流速或流量。其中主要的原理可以参考图1，图1绘示了一个现有液体流量计的结构示意图，如图1所示，一液体流量计10包含有一管状结构12，在管状结构12内包含有两个超声波传感器14a、14b以及两个反射器16a、16b，超声波传感器14a、14b分别通过导线连接至处理器(图未示)，用来记录或分析超声波传感器所发射或接收的信号数据。当其中一个超声波传感器(例如14a)发出超声波信号时，会依序经过反射器16a、反射器16b到达另一个超声波传感器(例如14b)，因此可以记录超声波信号由超声波传感器14a传递至超声波传感器14b所花费的时间，然后再从超声波传感器14b同样传递超声波信号回到超声波传感器14a(同样依序经过反射器16b与反射器16a)。当管状结构12内有液体流动时，例如液体从图1的管状结构12的左侧流至右侧时，超声波信号从超声波传感器14a至超声波传感器14b的传递过程中与液体流动同方向，因此传递速率会变快，相反地，超声波信号从超声波传感器14b至超声波传感器14a的传递过程中因为与液体流动反方向，因此传递速率会变慢。通过计算两次超声波信号的传递时间(time of flight，tof)差距，就能计算出液体的流速，若上述液体在沿着一特定路径流动，进一步将液体流速乘上流动路径的截面积即可得到流量数据。
4.从上述结构所示，可以得知若管状结构12内的液体呈现静止状态，则超声波信号无论是从超声波传感器14a传递至超声波传感器14b、或是从超声波传感器14b传递至超声波传感器14a，超声波信号的传递速率应该不会受到液体流速影响而变动。也就是说，所测得的tof差距(也就是超声波信号从超声波传感器14a至超声波传感器14b的传递时间、与超声波信号从超声波传感器14b至超声波传感器14a的传递时间差距)在理想状态下应该趋近于0。然而，在实际情况下仍可能因为环境因素、外部干扰或是电信号通过导线传递过程本身即带有误差等原因，导致液体流量计10在液体静止的状态下仍能侦测到一些tof差距，这些tof差距被视为液体流量计的误差或噪声，而误差或噪声越大，则液体流量计的计算所得流速与流量精确度也会越差。
5.因此，如何尽可能地降低液体流量计在液体静止状态时所能侦测到的tof差距，是液体流量计发展的一个目标。


技术实现要素：

6.为了让阅读者对本实用新型的目的有基本的了解，以下段落提出了本实用新型的简要说明。此说明并非是本实用新型的全部内容，并不意图表明本实用新型的所有关键或必要元件或是要限定本实用新型的范围，其仅在于对后续所将探讨的本实用新型细节描述先以简化的形式提出其中的某些概念。
7.本实用新型的目的之一在于提出一种传感器，用于一液体流量计，包括一壳体，具有一内表面，一压电陶瓷片，具有一第一面与一第二面，其中所述第一面粘贴于所述壳体的内表面，以及一电路板，通过导线连接用以提供一驱动信号给所述压电陶瓷片，其中所述电路板具有一第三面与一第四面，所述第三面具有一接地接点和一负极电性接点，所述第四面具有一特定面积的金属层，且所述金属层电性连接至所述接地接点或所述负极电性接点，或者所述金属层电性同时连接至所述接地接点和所述负极电性接点。
8.优选地，所述接地接点通过一导电通孔与所述金属层电性连接。
9.优选地，所述传感器还包括一缓冲层，所述缓冲层位于所述压电陶瓷片和所述电路板之间。
10.优选地，所述电路板的第三面还包括一正极电性接点。
11.优选地，所述金属层与该所述电路板系是分别形成后再彼此结合的结构，所述金属层也可以独立接地。
12.优选地，所述金属层与所述电路板的形状不同。
13.本实用新型的有益效果包括：通过在电路板其中一面设置金属层，且金属层连接到接地接点或负极电性接点或同时连接到接地接点和负极电性接点两者，可以有效地降低传感器的信号传递至处理器时的干扰，因此可以大幅度降低液体流量计在归零状态(也就是当液体流量计置于静止的液体时)所侦测到的误差值(tof差距)。此外本实用新型还能选择性地增加缓冲层位于压电陶瓷片与电路板之间，因此可以进一步地降低液体流量计在归零状态的误差值，进而提高液体流量计的精确度。
14.本实用新型的以上目的与其他目的，在阅读者读过下文中以多种图形与绘图来描述的较佳实施例细节说明后，必然可变得更为明了显见。
附图说明
15.本说明书含有附图并于文中构成了本说明书的一部分，使阅读者对本实用新型实施例有进一步的了解。这些图示描绘了本实用新型的一些实施例并连同本文描述一起说明了其原理。在所述些图式中：
16.图1为一个现有液体流量计的结构示意图；
17.图2为根据本实用新型实施例中应用于一液体流量计的一传感器的一实施例的截面示意图；
18.图3为根据本实用新型实施例中的一传感器的一电路板的一正面的一实施例的截面示意图；
19.图4为根据本实用新型实施例中的一传感器的一电路板的一背面的一实施例的截面示意图；
20.图5为根据本实用新型实施例中的一传感器的一电路板的一背面的另一实施例的
截面示意图；
21.图6为根据一现有的液体流量计进行一归零测试所测得的tof误差图；以及
22.图7为根据本实用新型实施例中的液体流量计进行一归零测试所测得的tof误差图。
23.附图标记说明如下：
24.10液体流量计
25.12管状结构
26.14a超声波传感器
27.14b超声波传感器
28.16a反射器
29.16b反射器
30.20超声波传感器
31.22壳体
32.22a外表面
33.22b内表面
34.24压电陶瓷片
35.24a第一面
36.24b第二面
37.26缓冲层
38.28电路板
39.28a第三面
40.28b第四面
41.29金属层
42.30贴合层
43.32导线
44.34防水封装胶
45.(+)正极电性接点
46.(
‑
)负极电性接点
47.(g)接地接点
48.via导电通孔
49.需注意本说明书中的所有图示都为图例性质，为了清楚与方便图示说明，图中的各部件在尺寸与比例上可能会被夸大或缩小地呈现，一般而言，图中相同的附图标记会用来表示修改后或不同实施例中对应或类似的元件特征。
具体实施方式
50.在下文的本实用新型细节描述中，元件符号会标示在随附的图示中成为其中的一部份，并且以可实行该实施例的特例描述方式来表示。这类的实施例会说明足够的细节使本领域普通技术人员得以具体实施。为了图例清楚，图示中可能有部分元件的尺寸会加以夸大。阅读者需了解到本实用新型中也可利用其他的实施例或是在不悖离所述实施例的前
提下，作出结构性、逻辑性、及电性上的改变。因此，下文的细节描述不可被视为是一种限定，反之，其中所包含的实施例将由随附的权利要求来加以界定。
51.为了方便说明，本实用新型的各图式仅为示意以更容易了解本实用新型，其详细的比例可依照设计的需求进行调整。在文中所描述对于图形中相对元件的上下关系，在本领域的人都应能理解其是指对象的相对位置而言，因此都可以翻转而呈现相同的构件，此都应同属本说明书所揭露的范围，在此先进行说明。
52.请参考图2，图2为根据本实用新型实施例中应用于一液体流量计的一传感器的一实施例的截面示意图。如图2所示，一超声波传感器20包含有一壳体22。壳体22的材料可包含选自下列群组或其组合的金属材质：铝、钛、铜、不锈钢，或是下列群组或其组合的非金属材质：玻璃、陶瓷、压克力、铁氟龙(ptfe)、聚二氟乙烯(pvdf)、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、聚氯乙烯(pvc)、聚对苯二甲酸丁酯(pbt)、丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯共聚物(abs)、聚苯硫醚(pps)、液晶聚合物(lcp)、或是聚醚醚酮(peek)等。其中壳体22具有外表面22a以及内表面22b，在壳体22的内表面22b至少包含有一压电陶瓷片24、一缓冲层26以及一电路板28。其中压电陶瓷片24具有一第一面24a以及一第二面24b，其中第一面24a与壳体22的内表面22b粘接，一贴合层30可以选择性位于压电陶瓷片24的第一面24a与壳体22的内表面22b之间，用来将压电陶瓷片24固定在壳体22的内表面22b。贴合层30例如是高分子胶材，但本实用新型不限于此，也可以依照实际需求调整贴合层的材质。
53.缓冲层26位于压电陶瓷片24的第二面24b，且缓冲层26位于压电陶瓷片24与电路板28之间。其中压电陶瓷片24包含压电材料，例如锆钛酸铅(pb(zrti)o3)、钛酸铅(pbtio3)等含铅的压电材料，或钛酸钡(batio3)、铌酸钾钠((nak)nbo3)等不含铅的压电材料。压电材料在接收一驱动信号(例如交流电信号)后，材料本身会产生震动进而产生超声波。缓冲层26的材质包含例如泡棉、羊毛毡、胶材等具有一定弹性且可以吸收震动的材料。本实用新型中，设置缓冲层26在压电陶瓷片24与电路板28之间，可以有效降低多余的震动能量传递至电路板28，避免影响处理器(图未示)的判断。
54.电路板28位于缓冲层26上，用来提供压电陶瓷片24驱动信号，例如为交流电信号，让压电陶瓷片24产生超声波信号。复数条导线32分别连接电路板28上的正极电性接点(+)、负极电性接点(
‑
)以及接地接点(g)，且导线的另一端连接至一处理器(图未示)，处理器用来处理、分析或记录传感器20所发出或接收到的信号。导线32可能是具有遮蔽隔离效果(例如防水功能)的金属导线，避免液体流量计放置在液体中时受到影响。此外，在壳体22内还较佳地包含有防水封装胶34覆盖上述各元件，例如覆盖电路板28等，用来防护电路板28等较为精密的元件受到水气影响。防水封装胶34的材质例如为硅胶或环氧树脂等，但本实用新型不限于此。关于导线32或防水封装胶34等元件属于本领域的已知技术，在此不再赘述。
55.关于电路板28的结构，可以一并参考图3、图4与图5。图3为根据本实用新型实施例中的一传感器的电路板的一正面的一实施例的截面示意图，图4为根据本实用新型实施例中的一传感器的一电路板的一背面的一实施例的截面示意图，图5为根据本实用新型实施例中的一传感器的一电路板的一背面的另一实施例的截面示意图。如图3所示，电路板28例如是pcb电路板，其具有第三面28a与第四面28b(或是在一些实施例中第三面28a定义为电路板28的正面，第四面28b定义为电路板的背面)，在电路板28的第三面28a(正面)包含有复数个电性接点，例如包含有正极电性接点(+)、负极电性接点(
‑
)以及接地接点(g)。第四面
(背面)28b包含有一金属层29。另外请再次参考图2，电路板28中还包含有一导电通孔via贯穿电路板28，且导电通孔via连接电路板28的第三面28a的接地接点(g)以及第四面28b的金属层29。上述正极电性接点(+)、负极电性接点(
‑
)、接地接点(g)、金属层29以及导电通孔via例如包含金属等导电材料，例如铜，但本实用新型不限于此。
56.一般现有的液体流量计中，电路板并未设置有接地接点，或是电路板的背面并未设置金属层。本实用新型所提出的液体流量计与现有的液体流量计主要差别在于，本实用新型的液体流量计20额外形成了缓冲层26位于压电陶瓷片24以及电路板28之间，以及在电路板28的正面(第三面28a)额外增加了接地接点(g)，并且在电路板28的背面(第四面28b)形成了金属层29，且接地接点(g)以及金属层29通过导电通孔via电性连接。而根据申请人的实验，缓冲层26能有效降低多余的震动能量传递到电路板28；而在电路板上设置接地接点(g)以及在电路板28的背面(第四面28b)设置金属层29，能够有效地降低电信号传递过程中所发出的噪声，因此可以降低液体流量计20的误差值。而根据本实用新型的不同实施例，位于电路板28的第四面28b的金属层29的形状，也可以根据不同需求而进行改变。例如图4中金属层29近乎完全覆盖电路板28的第四面28b，而图5中，金属层29则仅覆盖电路板28的第四面28b大约一半的面积。此外，在本实用新型的一些实施例中，电路板28的第四面28b的金属层29也不一定如本实施例是片状，也可以包含其他形状，例如包含网状的金属层，或者电路板的第四面的金属层由单独的金属片(包含其他形状)来替代。也就是说，金属层29可以以电镀等方式直接形成在电路板28的第四面28b上，或是先分别提供电路板28与单独的金属层29，再将两者彼此结合。这种情况下，电路板28与金属层29两者是分别形成后，再彼此结合的结构，分别形成的金属层29也可以独立接地。也允许电路板28与金属层29具有不同的形状。上述各种实施例也属于本实用新型的涵盖范围内。
57.请参考图6与图7，图6为根据一现有的液体流量计进行一归零测试所测得的tof误差图，以及图7为根据本实用新型实施例中的液体流量计进行一归零测试所测得的tof误差图。更进一步来说，图6与图7中绘出温度在25℃时，以一般的液体流量计(也就是没有设置缓冲层以及在电路板设置接地接点与背面金属层)以及本实用新型所提供的液体流量计(也就是包含有缓冲层、电路板的接地接点与背面金属层)，分别进行归零测试所得的结果。此处所述的归零测试代表将液体流量计放置于一静止的液体中，然后测试一段时间内的tof差距值(也就是超声波信号在两个超声波传感器之间传递的时间差)。图6与图7中所绘示的图案中，横轴代表经过时间，单位为秒(s)，纵轴则代表时间差，单位为皮秒(ps)，也就是10
‑
12
秒。
58.此外，除了上述图6、图7之外，申请人还在不同的环境温度下，分别以一般的液体流量计以及本实用新型所提供的液体流量计进行多次归零测试。结果如下方表一所示。在下方表一中，mean字段代表tof差值的平均数，min字段代表tof的最小差值，max字段代表tof的最大差值。而σ则代表所述温度下的平均变异值。值得注意的是，若σ值越小，代表所述温度下的液体流量计归零的结果越好，也就是说液体流量计所测得的结果将会越准确。
[0059][0060]
表一
[0061]
从图6、图7以及表一的结果可以明显得知，无论在哪一个温度之下，本实用新型所提供的液体流量计的σ值都远低于一般案例的液体流量计。代表本实用新型的液体流量计设置了缓冲层以及在电路板上设置接地结构，确实能有效地降低液体流量计在进行归零测试时的平均变动值。也就是说当放置本实用新型所提供的液体流量计于静止的液体中，处理器所接收到的噪声将会明显较一般的液体流量计的噪声小。
[0062]
综上所述，本实用新型的有益效果包括：通过设置缓冲层以及电路板的接地结构以及电路板背面的金属层，能有效改善一般的液体流量计在进行归零测试时tof变异值过大的问题。经实验结果显示，一般的液体流量计在各种不同温度之下，进行归零测试时tof的平均变异值都在80ps以上，而本实用新型的液体流量计在各种不同的温度下，进行归零测试时tof的平均变异值都在30ps以下。因此本实用新型所提供的液体流量计，在静止的液体中，处理器所接收到的噪声将会明显较一般的液体流量计的噪声小，进而可以有效提高液体流量计的准确性。
[0063]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本实用新型的涵盖范围。