Senzory mikro, nízkeho a stredného tlaku: Ako si vybrať správny rozsah MEMS

Inžinierovi konfigurujúcemu slučku prúdenia vzduchu ventilátora sa povie, aby si „vybral snímač nízkeho tlaku“. Na stránke distribútora rovnaké vyhľadávanie vracia mikrotlakové čipy, nízkotlakové moduly a stredotlakové prevodníky. Tieto tri rodiny vyzerajú vo svojich SMD obaloch takmer identicky, no snímací prvok vo vnútri každého z nich je vytvorený pre inú mechanickú realitu. Zvoľte mikro, keď je tlakový rozdiel skutočne malý. Zvoľte nízku hodnotu pre všeobecný prietok vzduchu a hodnoty barometrického rozsahu. Vyberte médium pre kvapalinový pohon a palivové systémy. Toto prvé rozhodnutie definuje fyzikálne limity, ktoré nemôže prekonať žiadna softvérová kalibrácia.

Táto príručka vysvetľuje, ako sú definované tri kategórie tlakových rozsahov v údajovom liste snímačov MEMS, prečo sú rozdiely dôležité z hľadiska presnosti a spoľahlivosti a ako priradiť aplikáciu k správnej skupine snímačov.

Ako sú definované kategórie tlakového rozsahu

Žiadna globálna norma nestanovuje hranicu medzi mikro, nízkym a stredným tlakom. Rozdelenie je skôr praktické ako legálne a presúva sa od jedného výrobcu k druhému. Nižšie uvedená tabuľka zobrazuje rozpis bežne používaný pri výbere tlakového snímača MEMS.

Mikrotlakové snímače zvládajú veľmi malé tlakové rozdiely, často pod 1 kPa. Ich membrány sú tenké a poddajné, vďaka čomu sú citlivejšie, no zároveň sú zraniteľnejšie voči teplotným výkyvom a mechanickým nárazom. Nízkotlakové snímače pokrývajú pásmo používané na manometrické, barometrické a respiračné merania. Stredotlakové snímače fungujú tam, kde je možné snímací prvok postaviť robustnejšie, s hrubšími membránami, ktoré tolerujú vyššie namáhanie a občasné pretlakové udalosti.

Pre kupujúceho súčiastok je praktický dôsledok jednoduchý: mikrosnímač tlaku nie je snímač nízkeho tlaku s iným označením. Oba sú inak skonštruované, inak kalibrované a vyžadujú si rôzne zaobchádzanie pri montáži.

Prečo je rozsah pri konštrukcii snímača dôležitý

Geometria a citlivosť membrány

Rozsah tlaku určuje geometriu membrány MEMS a táto geometria riadi väčšinu kľúčových funkcií snímača. Senzor vyrobený na meranie mikrotlaku má membránu dostatočne tenkú na to, aby sa vychýlila merateľne pod niekoľko stoviek pascalov. Táto tenkosť zlepšuje citlivosť, ale zhoršuje odozvu na teplotnú expanziu a namáhanie obalu. Stredotlakové zariadenia môžu používať hrubšiu, tuhšiu membránu, ktorá lepšie odoláva pretlaku a je menej ovplyvnená mechanickým namáhaním spôsobeným spájkovaním.

Kalibrácia a skutočný význam presnosti

Postupy kalibrácie sa tiež líšia. Mikrotlakové snímače zvyčajne potrebujú korekciu nulovej odchýlky pre jednotlivé zariadenia, pretože aj malé namáhanie obalu posúva nulový bod. Stredotlakové snímače zriedka vykazujú tento problém v rovnakej miere, takže ich stabilita nulového bodu sa ľahšie udržiava v rámci výrobnej šarže. Z tohto dôvodu rovnaký nárok na presnosť 0,2 percenta v plnom rozsahu znamená rôzne veci v každom rozsahu. Na 1 kPa mikrotlakovom senzore zodpovedá 0,2 percenta FSS iba 2 Pa prípustnej chyby, čo je vynikajúce, ale vyžaduje si starostlivú teplotnú kompenzáciu. Na snímači stredného tlaku 2 MPa sa 0,2 percenta FSS rovná povolenej chybe 4 kPa, čo je oveľa jednoduchší cieľ pre kalibračnú čiaru. Vždy skontrolujte, či dodávateľ publikuje presnosť pri 25 °C aj celkové chybové pásmo v rozsahu prevádzkových teplôt; pre mikro- a nízkotlakové diely je to druhé číslo, ktoré bude limitovať váš dizajn.

Analógové a digitálne výstupy: Prispôsobenie rozsahu vášmu rozhraniu

Rozsah merania a výstupný signál sú samostatné osi výberu, ale v praxi sa vzájomne ovplyvňujú. Senzory s analógovým výstupom poskytujú pomerové napätie úmerné tlaku, zvyčajne z Wheatstoneovho mostíka so zosilňovačom upraveným ASIC. Sú lacné, ľahko sa pripájajú k mikrokontroléru ADC a sú dostupné takmer v akomkoľvek rozsahu. Snímače s digitálnym výstupom integrujú ADC a rozhranie I²C alebo SPI na čipe, čo odstraňuje úpravu externého signálu a zjednodušuje rozloženie dosky.

Kompromis sa objavuje v extrémoch. V prípade mikrotlakového snímača je analógový výstup len niekoľko milivoltov na pascal zašumený, ak je dĺžka stopy k ADC dlhá, takže digitálna verzia s konverziou na čipe je často bezpečnejšia. Pre senzory stredného tlaku je analógový signál väčší a mnohé priemyselné dosky už akceptujú výstup napätia priamo. Digitálne verzie existujú hlavne pre nízkotlakové a mikrotlakové rodiny, kde je najdôležitejšia integrita signálu, zatiaľ čo stredotlakové produkty zostávajú dostupné v analógovej forme na priame pripojenie k existujúcej riadiacej elektronike.

Pri porovnávaní dielov overte špecifikáciu výstupu so vstupným rozsahom regulátora. Pomerový výstup viazaný na 5 V napájanie sa správa inak ako pevný 3,3 V výstup a nie každý ADC zvláda oba rovnako dobre.

Typické aplikačné vzory pre každý rozsah

Lekárske, spotrebiteľské a dronové zariadenia

Zdravotnícke zariadenia sú najnáročnejším mikro- a nízkotlakovým trhom. Dýchacie prístroje, anestetické prístroje a systémy CPAP potrebujú riešiť tlaky niekoľkých kilopascalov s opakovateľnou presnosťou a stabilným nulovým správaním počas dlhých období. Rovnaké rodiny používané v zdravotníckych zariadeniach, ako sú MCPh10, MCPh11, MCPh20 a MCPh21, sa tiež objavujú v kategóriách nízkeho tlaku a diferenciálu. V praxi sa rozsah biologického tlaku a rozsah "nízkeho tlaku" do značnej miery zhodujú, takže stránky medicínskeho snímača tlaku sú užitočnou referenciou aj pre nemedicínske aplikácie s podobnými tlakovými obálkami.

Produkty spotrebnej elektroniky, vrátane nositeľných zariadení a inteligentných domácich zariadení, využívajú nízkotlakové absolútne senzory ako barometrické referencie, pričom rozhodujúcim faktorom je konzistentnosť naprieč teplotou. Návrhy dronov používajú rovnaký typ snímania nízkeho tlaku na odhad nadmorskej výšky, čo vysvetľuje, prečo sa jediný model digitálneho senzora, akým je MCPh21, objavuje v kategórii dronov aj nízkotlakových.

Priemyselné a automobilové systémy

Priemyselné zariadenia využívajú širšiu škálu sortimentov. Detektory upchatia filtra a monitory prietoku vzduchu pracujú na úrovni mikrotlaku a rozdielu, kde sa zablokovaný filter javí ako malý pokles tlaku cez dva porty. Hydraulické lisy, pneumatické pohony a rozvody plynu pracujú pri stredných tlakoch, kde na absolútnej presnosti a robustnosti záleží viac ako na schopnosti vyriešiť drobné zmeny. Automobilové aplikácie pokrývajú aj stredné pásmo: merania palivovej lišty, tlaku oleja a sacieho potrubia sú umiestnené nad rozsahom krehkých nízkotlakových membrán a pod priemyselnými vysokotlakovými prevodníkmi.

Praktický kontrolný zoznam výberu

Pre inžiniera, ktorý čelí novému dizajnu, nasledujúca postupnosť znižuje možnosť nákladného nesprávneho výberu.

1. Najprv definujte typ tlaku. Rozhodnite sa, či aplikácia potrebuje pretlak, absolútny alebo diferenčný tlak. Toto je zásadnejšie ako rozsah, pretože diferenciálny snímač môže merať nízky pretlak, ale snímač nemôže merať rozdiel medzi dvoma portami.
2. Vyberte si rozsah s aspoň 20 percentami priestoru. Prevádzka mikrotlakového snímača na úplnom vrchole jeho rozsahu nenecháva priestor pre prechodné špičky. Hodnotenie približne 1,5-násobku očakávaného maximálneho tlaku je dobrým východiskovým bodom.
3. Porovnajte celkové chybové pásmo, nielen presnosť. Presnosť pri 25 °C je takmer vždy lepšia ako chyba v celom teplotnom rozsahu. Pre mikro- a nízkotlakové snímače si vyžiadajte celkové chybové pásmo v rámci zamýšľanej prevádzkovej teploty a porovnajte túto hodnotu s rozpočtom vášho systému.
4. Skontrolujte stabilitu v priebehu času. Dlhodobá stabilita sa zvyčajne uvádza ako percento z plného rozsahu za rok. Na stabilnej nule záleží viac ako na mierne lepšej špecifikácii presnosti, ak musí produkt fungovať bez kalibrácie v teréne.
5. Priraďte balík k procesu montáže. Obaly na povrchovú montáž znižujú náklady na montáž, ale vystavujú snímaciu matricu teplotám pretavenia, ktoré môžu posunúť nulový bod. S balíkmi DIP/SIP sa ľahšie manipuluje pri prototypových sériách a manuálnych montážnych linkách.
6. Overte kompatibilitu médií. Snímací prvok môže prísť do kontaktu so vzduchom, plynmi alebo kvapalinami v závislosti od konštrukcie portu. Pred odoslaním balíka sa uistite, že navlhčené materiály sú kompatibilné s médiami.

Za zapamätanie stoja aj dva východiskové body. Najprv požiadajte dodávateľa o správu o kalibrácii, ktorá sa dodáva s každou šaržou; mal by dokumentovať nulový posun, výstup v plnom rozsahu a teplotný posun nameraný na skutočnej výrobnej linke. Po druhé, vopred potvrďte minimálne množstvo objednávky a dodaciu lehotu, pretože požiadavky na vlastnú kalibráciu môžu predĺžiť harmonogramy dodávok.

Prispôsobte rodiny produktov MemsTech vášmu sortimentu

MemsTech (Wuxi Mems Tech Co., Ltd.) organizuje svoj katalóg podľa produktovej matice a nie podľa jednej produktovej rady. Spoločnosť vyrába snímače tlaku MEMS vo vlastnej réžii s vnútorným balením, zváraním, teplotnou kompenzáciou a kalibráciou v zariadení s rozlohou 2 000 metrov štvorcových. Jeho udávaná ročná kapacita 60 miliónov jednotiek a deklarovaná presnosť až 0,2 percenta v plnom rozsahu znamenajú, že kategórie sortimentu sa premietnu do konkrétnych, opakovateľných produktov.

Na meranie mikrotlaku je Mikrosnímač tlaku DPTR8 patrí do mikrotlakovej aj priemyselnej kategórie. Jeho diferenčný charakter mu vyhovuje na detekciu malých zmien tlaku v systémoch monitorovania filtrov a prúdenia vzduchu. Ak vaša aplikácia musí vyriešiť stovky pascalov cez dva porty, túto rodinu treba vyhodnotiť ako prvú.

Veľkoobchod DPT-R8 Mikro snímač tlaku Dodávatelia, továreň Wuxi Mems Tech Co., Ltd. je veľkoobchodný Čína DPT-R8 Micro snímač tlaku Dodávatelia, továreň, ÚvodPredmetom tohto dokumentu je... Zobraziť produkt →

Pre meranie nízkeho tlaku je Nízkotlakové snímače MCPh20 a MCPh21 krycie meradlo, diferenciálny a digitálny signálový výstup. Digitálna verzia je užitočná v kompaktných doskách, kde sa signál musí šíriť bez zachytenia šumu. Rovnaká skupina sa objavuje v zoznamoch lekárskych a dronových aplikácií, čo naznačuje, že jej výkon je praktický v skutočných produktoch nasadených v teréne.

Veľkoobchod MCP-H20, MCP-H21 Dodávatelia snímača nízkeho tlaku, továreň Wuxi Mems Tech Co., Ltd. je veľkoobchodný Čína MCP-H20, MCP-H21 Nízkotlakový snímač Dodávatelia, továreň, POPIS Séria MCP-H20 je... Zobraziť produkt →

Na meranie stredného tlaku je Rad stredotlakových snímačov MCP5xxx kombinuje širší rozsah merania s robustnosťou hrubšej membrány. Je uvedený v strednotlakových, analógovo-signálnych a medicínskych kategóriách, čo naznačuje stabilnú, vyspelú platformu vhodnú na sériovú výrobu. Táto skupina je často predvolenou voľbou, keď dizajn potrebuje široké pokrytie bez extrémnej citlivosti mikrotlakovej časti.

Veľkoobchod MCP5XXX Dodávatelia snímača stredného tlaku, továreň Wuxi Mems Tech Co., Ltd. je veľkoobchodný Čína MCP5XXX Stredotlakový snímač Dodávatelia, továreň, séria MCP5XXXDP má integrovaný si... Zobraziť produkt →

Ak si nie ste istí, ktorá rodina sa hodí k vášmu dizajnu, stránka s rozsahom mikrotlakových snímačov a zostava stredotlakových snímačov poskytnúť štruktúrovaný pohľad na dostupné možnosti. Pretože jeden fyzikálny model sa môže objaviť vo viacerých kategóriách, oplatí sa tiež skontrolovať zoznam lekárskych aplikácií ak váš produkt patrí do tohto sektora.

Konečné rozhodnutie závisí od fyzikálnych požiadaviek systému: potrebného typu tlaku, zmeny teploty, ktorú zariadenie uvidí, a či signálová cesta dokáže tolerovať šum analógového pripojenia. Akonáhle budú opravené, kategória sortimentu sa vyberie sama a zostávajúca voľba je medzi konkrétnymi modelmi a dodávateľmi.