Mikro-, alacsony és közepes nyomású érzékelők: Hogyan válasszuk ki a megfelelő MEMS-tartományt

A lélegeztetőgép légáramlási hurkát konfiguráló mérnöknek azt mondják, hogy "válasszon alacsony nyomású érzékelőt". A forgalmazó webhelyén ugyanez a keresés mikronyomású chipeket, alacsony nyomású modulokat és közepes nyomású jelátalakítókat ad vissza. A három család SMD-csomagjaiban szinte teljesen azonosnak tűnik, de mindegyikben az érzékelőelem más mechanikai valóságra épül. Válassza a mikrot, ha a nyomáskülönbség valóban kicsi. Válassza az alacsony értéket az általános légáramlás és a barometrikus tartomány leolvasásához. Válasszon közeget a folyadék- és üzemanyagrendszerekhez. Ez az első döntés olyan fizikai korlátokat határoz meg, amelyeket egyetlen szoftverkalibráció sem tud leküzdeni.

Ez az útmutató elmagyarázza, hogyan definiálható a három nyomástartomány-kategória a MEMS-érzékelő adatlapján, miért fontosak a különbségek a pontosság és a megbízhatóság szempontjából, és hogyan lehet egy alkalmazást a megfelelő érzékelőcsaládhoz rendelni.

Hogyan határozzák meg a nyomástartomány-kategóriákat

Egyetlen globális szabvány sem szab határt a mikro-, alacsony és közepes nyomás között. A felosztás inkább praktikus, mint legális, és egyik gyártóról a másikra tolódik el. Az alábbi táblázat a MEMS nyomásérzékelő kiválasztásánál általánosan használt bontást mutatja.

A mikronyomás-érzékelők nagyon kis nyomáskülönbségeket kezelnek, gyakran 1 kPa alatt. Membránjaik vékonyak és rugalmasak, ami érzékenyebbé teszi őket, de érzékenyebbek is a hőmérséklet-eltolódásra és a mechanikai ütésekre. Az alacsony nyomású érzékelők lefedik a manometrikus, barometrikus és légzési mérésekhez használt sávot. A közepes nyomású érzékelők ott működnek, ahol az érzékelőelem robusztusabban építhető fel, vastagabb membránokkal, amelyek elviselik a nagyobb igénybevételt és az esetenkénti túlnyomásos eseményeket.

Egy alkatrészvásárló számára a gyakorlati következmény egyszerű: a mikronyomás-érzékelő nem más címkével ellátott kisnyomás-érzékelő. A kettő másképpen van megtervezve, eltérően kalibrálva, és eltérő kezelést igényel az összeszerelés során.

Miért számít a hatótávolság az érzékelő felépítésénél?

A membrán geometriája és érzékenysége

A nyomástartomány határozza meg a MEMS membrán geometriáját, és ez a geometria határozza meg az érzékelő legtöbb kulcsfontosságú viselkedését. A mikronyomás mérésére készült érzékelő membránja elég vékony ahhoz, hogy mérhetően néhány száz pascal alatt eltérítsen. Ez a vékonyság javítja az érzékenységet, de rontja a hőmérséklet-tágulásra és a csomagolás igénybevételére adott választ. A közepes nyomású készülékek vastagabb, merevebb membránt használhatnak, amely jobban ellenáll a túlnyomásnak, és kevésbé érinti a forrasztás által kiváltott mechanikai igénybevétel.

Kalibrálás és a pontosság valódi jelentése

A kalibrálási rutinok is különböznek. A mikronyomás-érzékelőknek jellemzően készülékenkénti nullapont-korrekcióra van szükségük, mert még a kis csomagfeszültség is eltolja a nullapontot. A közepes nyomású érzékelők ritkán mutatják ezt a problémát ugyanolyan mértékben, így nullponti stabilitásukat könnyebb fenntartani egy gyártási tételben. Emiatt ugyanaz a 0,2 százalékos teljes körű pontossági állítás minden tartományban mást jelent. Az 1 kPa-os mikronyomás-érzékelőn a 0,2 százalékos FSS csak 2 Pa megengedett hibának felel meg, ami kiváló, de gondos hőmérséklet-kompenzációt igényel. Egy 2 MPa-os közepes nyomású érzékelőn a 0,2 százalékos FSS 4 kPa megengedett hibának felel meg, ami sokkal könnyebben eléri a kalibrációs vezetéket. Mindig ellenőrizze, hogy a szállító közzéteszi-e mind a 25 °C-os pontosságot, mind a teljes hibasávot az üzemi hőmérsékleti tartományon belül; a mikro- és kisnyomású alkatrészek esetében az utóbbi az a szám, amely korlátozza a tervezést.

Analóg és digitális kimenetek: A hatótávolság illesztése az interfészhez

A mérési tartomány és a kimeneti jel külön kiválasztási tengely, de a gyakorlatban kölcsönhatásban állnak egymással. Az analóg kimenetű érzékelők a nyomással arányos aránymetrikus feszültséget biztosítanak, jellemzően egy Wheatstone-hídról ASIC-kondicionált erősítővel. Olcsóak, könnyen csatlakoztathatók ADC mikrokontrollerhez, és szinte minden tartományban elérhetőek. A digitális kimeneti érzékelők integrálják az ADC-t és egy I²C vagy SPI interfészt a chipen, ami eltávolítja a külső jelkondicionálást és leegyszerűsíti a kártya elrendezését.

A kompromisszum a szélsőségeken jelenik meg. A mikronyomás-érzékelők esetében a mindössze néhány millivolt/pascal analóg kimenet zajossá válik, ha az ADC-ig terjedő nyomvonal hosszú, így a chip-konverziós digitális változat gyakran biztonságosabb. A közepes nyomású érzékelők esetében az analóg jel nagyobb, és sok ipari kártya már közvetlenül fogadja a feszültségkimenetet. A digitális változatok elsősorban az alacsony nyomású és a mikronyomású családokhoz léteznek, ahol a jelintegritás a legfontosabb, míg a közepes nyomású termékek továbbra is elérhetők analóg formában a meglévő vezérlőelektronikához való közvetlen csatlakoztatáshoz.

Az alkatrészek összehasonlításakor ellenőrizze a kimeneti specifikációt a vezérlő bemeneti tartományával. Az 5 V-os tápra kapcsolt ratiometrikus kimenet eltérően viselkedik, mint a rögzített 3,3 V-os kimenet, és nem minden ADC kezeli mindkettőt egyformán jól.

Tipikus alkalmazási minták minden tartományhoz

Orvosi, fogyasztói és dróneszközök

Az orvosi berendezések a legigényesebb mikro- és alacsony nyomású piac. A légzőkészülékeknek, az altatógépeknek és a CPAP-rendszereknek ismételhető pontossággal és hosszú időn keresztül stabil nulla viselkedéssel kell megoldaniuk a néhány kilopascal nyomást. Ugyanazok az orvosi környezetben használt családok, mint az MCPh10, MCPh11, MCPh20 és MCPh21, az alacsony nyomású és a differenciálkategóriákban is megjelennek. A gyakorlatban a biológiai nyomástartomány és az "alacsony nyomás" tartomány nagyrészt egybeesik, így a orvosi nyomásérzékelő oldalak hasznos referencia még a hasonló nyomású burkolólapokkal rendelkező nem orvosi alkalmazásokhoz is.

A fogyasztói elektronikai termékek, beleértve a hordható eszközöket és az intelligens otthoni eszközöket, alacsony nyomású abszolút érzékelőket használnak barometrikus referenciaként, ahol a hőmérsékleti konzisztencia a döntő tényező. A dróntervek ugyanazt az alacsony nyomású érzékelést használják a magasságbecsléshez, ami megmagyarázza, miért jelenik meg egyetlen digitális szenzormodell, mint például az MCPh21, mind a drón, mind az alacsony nyomású kategóriában.

Ipari és autóipari rendszerek

Az ipari berendezések szélesebb választékot használnak. A szűrőelzáródás-érzékelők és a légáramlás-figyelők mikronyomás- és differenciálszinteken működnek, ahol az eltömődött szűrő kis nyomásesésként jelenik meg két porton. A hidraulikus prések, pneumatikus működtetők és gázelosztó vezetékek közepes nyomáson működnek, ahol az abszolút pontosság és a strapabíróság többet jelent, mint az apró változások megoldásának képessége. Az autóipari alkalmazások lefedik a közepes sávot is: az üzemanyag-elosztócső, az olajnyomás és a szívócső mérései a törékeny kisnyomású membrán tartomány felett és az ipari nagynyomású jeladók alatt helyezkednek el.

Gyakorlati kiválasztási ellenőrzőlista

Egy új tervezés előtt álló mérnök számára a következő sorrend csökkenti a költséges téves kiválasztás esélyét.

1. Először határozza meg a nyomás típusát. Döntse el, hogy az alkalmazáshoz nyomásmérő, abszolút vagy differenciálnyomás szükséges. Ez alapvetőbb, mint a tartomány, mert a differenciálérzékelő képes alacsony túlnyomást mérni, de a mérőérzékelő nem képes két port közötti különbséget mérni.
2. Válasszon legalább 20 százalékos belmagasságú tartományt. A tartomány legtetején működő mikronyomás-érzékelő nem hagy teret az átmeneti tüskéknek. A várt maximális nyomás nagyjából másfélszerese jó kiindulási pont.
3. Hasonlítsa össze a teljes hibasávot, ne csak a pontosságot. A pontosság 25 °C-on szinte mindig jobb, mint a teljes hőmérsékleti tartomány hibája. Mikro- és alacsony nyomású érzékelők esetén kérje le a teljes hibasávot a tervezett üzemi hőmérsékleten, és hasonlítsa össze ezt az értéket a rendszer költségvetésével.
4. Ellenőrizze a stabilitást az idő múlásával. A hosszú távú stabilitást általában az éves teljes skála százalékában adják meg. A stabil nulla többet számít, mint egy kis mértékben jobb pontossági specifikáció, ha a terméknek terepi kalibrálás nélkül kell működnie.
5. Illessze a csomagot az összeszerelési folyamathoz. A felületre szerelhető csomagok csökkentik az összeszerelési költségeket, de az érzékelő szerszámot olyan visszafolyási hőmérsékletnek teszik ki, amely eltolhatja a nullapontot. A DIP/SIP csomagok könnyebben kezelhetők prototípus-futtatásokon és kézi összeszerelő sorokon.
6. Ellenőrizze a médiakompatibilitást. Az érzékelő elem érintkezhet levegővel, gázokkal vagy folyadékokkal a nyílás kialakításától függően. Csomagolás előtt győződjön meg arról, hogy a nedvesített anyagok kompatibilisek a hordozóval.

Két forráspontot is érdemes megjegyezni. Először is kérje meg a szállítótól az egyes tételekkel együtt szállított kalibrációs jelentést; dokumentálnia kell a nullaponteltolást, a teljes léptékű kimenetet és a tényleges gyártósoron mért hőmérséklet-eltolódást. Másodszor, időben erősítse meg a minimális rendelési mennyiséget és az átfutási időt, mivel az egyedi kalibrálási követelmények meghosszabbíthatják a szállítási ütemtervet.

A MemsTech termékcsaládok hozzáigazítása a választékához

A MemsTech (Wuxi Mems Tech Co., Ltd.) katalógusát egy termékmátrix, nem pedig egyetlen terméksor köré szervezi. A cég házon belül gyárt MEMS nyomásérzékelőket, belső csomagolással, hegesztéssel, hőmérséklet-kompenzációval és kalibrálással egy 2000 négyzetméteres létesítményben. A bejelentett éves 60 millió egység kapacitása és az akár 0,2 százalékos teljes körű deklarált pontosság azt jelenti, hogy a sorozatkategóriák konkrét, megismételhető termékekké válnak.

A mikronyomás méréshez a DPTR8 mikronyomás érzékelő mind a mikronyomás, mind az ipari kategóriába tartozik. Differenciál jellege alkalmas a kis nyomásváltozások észlelésére a szűrőfelügyeleti és légáramlási rendszerekben. Ha az alkalmazásnak több száz pascalt kell feloldania két porton keresztül, akkor először ezt a családot kell kiértékelni.

Nagykereskedelmi DPT-R8 Mikro nyomásérzékelő beszállítók, Gyári A Wuxi Mems Tech Co., Ltd. egy kínai nagykereskedelmi DPT-R8 mikronyomásérzékelő beszállító, gyár, Bevezetés A dokumentum tárgya... Termék megtekintése →

Kisnyomású méréshez a MCPh20 és MCPh21 alacsony nyomású érzékelők fedőmérő, differenciál és digitális jelkimenetek. A digitális változat olyan kompakt kártyáknál hasznos, ahol a jelnek zajfelvétel nélkül kell haladnia. Ugyanez a család jelenik meg az orvosi és a drón alkalmazások listáin, jelezve, hogy teljesítményburkolója praktikus a valódi, terepen telepített termékekben.

Nagyker MCP-H20, MCP-H21 Alacsony nyomásérzékelő beszállítók, Gyár A Wuxi Mems Tech Co., Ltd. egy kínai nagykereskedelmi MCP-H20, MCP-H21 alacsony nyomású érzékelő beszállítói, gyári, LEÍRÁS Az MCP-H20 sorozat egy... Termék megtekintése →

Közepes nyomásméréshez a MCP5xxx közepes nyomású érzékelő család a szélesebb mérési tartományt a vastagabb membrán robusztusságával kombinálja. Közepes nyomású, analóg jelű és orvosi kategóriában szerepel, ami egy stabil, kiforrott platformot sugall, amely alkalmas a nagy mennyiségű gyártásra. Ez a család gyakran az alapértelmezett választás, ha egy kialakításnak széles körű lefedettségre van szüksége a mikronyomású alkatrész rendkívüli érzékenysége nélkül.

Nagykereskedelmi MCP5XXX Közepes nyomás érzékelő beszállítók, Gyári A Wuxi Mems Tech Co., Ltd. egy kínai nagykereskedelmi MCP5XXX Közepes nyomásérzékelő beszállító, gyár, Az MCP5XXXDP sorozat integrált szi... Termék megtekintése →

Ha nem biztos abban, hogy melyik család illik a tervezéshez, a mikronyomás-érzékelő tartomány oldala és a közepes nyomású érzékelők felállása strukturált nézetet nyújt a rendelkezésre álló lehetőségekről. Mivel egy fizikai modell több kategóriában is megjelenhet, érdemes a orvosi pályázati lista ha a terméke abba a szektorba tartozik.

A végső döntés a rendszer fizikai követelményeitől függ: a szükséges nyomás típusától, a hőmérséklet-ingadozástól, amelyet a készülék látni fog, és hogy a jelút elviseli-e az analóg kapcsolat zaját. Miután ezeket rögzítettük, a tartomány kategóriája kiválasztja magát, a fennmaradó választás pedig az adott modellek és beszállítók között van.