Каталог
Датчики давления MEMS — это новый тип датчиков, изготовленный путем интеграции микроэлектронной технологии с методами микрообработки. Благодаря миниатюрному дизайну они отличаются размером, точностью, скоростью отклика и энергопотреблением и широко используются во многих областях, включая автомобильную электронику, бытовую электронику, здравоохранение, промышленную автоматизацию и аэрокосмическую промышленность. В этой статье будут подробно рассмотрены технические принципы, различия в характеристиках и сценарии применения датчиков давления MEMS, предоставляя профессионалам отрасли исчерпывающую информацию.
Принципы и структура
Фундаментальные различия между МЭМС-датчиками давления обусловлены физическими эффектами, которые они используют. Различные принципы определяют пределы их производительности и подходящие области применения. Основные технологические подходы включают пять основных категорий: пьезорезистивные, емкостные, резонансные, оптоволоконные и пьезоэлектрические, каждая из которых демонстрирует заметно различающиеся характеристики.
1. Пьезорезистивные датчики давления.
Пьезорезистивные датчики основаны на пьезорезистивном эффекте, открытом в 1954 году: когда полупроводниковый материал (например, монокристаллический кремний) подвергается механическому напряжению, его зонная структура изменяется, вызывая значительное изменение удельного сопротивления. Основная конструкция имеет Эластичная кремниевая диафрагма Связан в а Уитстоун -мост: периферия диафрагмы зажимается и герметизируется, а задняя часть протравливается, образуя перевернутую пирамидальную полость. Четыре пьезорезистора распределены по поверхности диафрагмы и подключены по мостовой схеме.
При приложении давления диафрагма деформируется: сопротивление одной пары плеч моста увеличивается, а сопротивление противоположной пары уменьшается, что дает выходное напряжение, линейно пропорциональное приложенному давлению. Для повышения производительности чип обычно прикрепляется к стеклянной подложке с соответствующим коэффициентом теплового расширения, обеспечивая изоляцию от напряжений и электрическую изоляцию. Преимущества включают простую конструкцию, низкую стоимость и пригодность для массового производства, хотя для уменьшения воздействия окружающей среды требуется температурная компенсация.
2. Емкостные датчики давления.
По сравнению с пьезорезистивными датчиками емкостные датчики обеспечивают превосходную чувствительность и линейный диапазон, а также меньший температурный дрейф и большую стабильность. Однако они требуют строгой изоляции пластин и чувствительны к воздействию пыли или жидкостей; стоимость их производства относительно выше. В типичных приложениях процесс соединения кремния со стеклом создает эталонную вакуумную полость, что делает их хорошо подходящими для измерения абсолютного давления.
Емкостные датчики работают на Параллельный плит конденсатор принцип. Кремниевая диафрагма служит подвижным электродом, противостоящим неподвижному электроду, образуя конденсатор. Приложенное давление деформирует диафрагму, изменяя расстояние между пластинами и, следовательно, емкость. Основной узел состоит из круглой кремниевой диафрагмы с металлическим покрытием (или металлизированного кремния), неподвижного электрода и полости; изменения емкости преобразуются в электрический сигнал с помощью специальной измерительной схемы.
3. Резонансные датчики давления
Выдающимися достоинствами резонансных датчиков являются высокая точность и разрешение, а также цифровой выход, который легко взаимодействует с современной электроникой. Однако их изготовление является сложным и трудоемким, и они остаются чувствительными к температуре и вибрации; следовательно, они имеют высокую стоимость и обычно предназначены для высокопроизводительных приложений, таких как аэрокосмическая промышленность и метрология.
Резонансные датчики эксплуатируют стрессовая частота эффект: собственная резонансная частота резонатора (например, кремниевого стержня или диафрагмы) смещается в ответ на напряжение, вызванное внешним давлением. Резонансный элемент и его опорная конструкция, обычно реализуемые в виде двустороннего камертона (DETF) или резонансной мембраны, приводятся в действие и распознаются электронной схемой, которая поддерживает колебания и считывает изменения частоты.
4. Волоконно-оптические датчики давления.
Эта технология превосходно работает в суровых условиях — сильных электромагнитных полях, высоких температурах или агрессивных средах — и обеспечивает компактность и возможность дистанционного зондирования. Однако высокая стоимость оптических компонентов, сложность калибровки системы и строгие требования к соединению волокна с диафрагмой ограничивают его широкое распространение.
Волокнистые датчики используют Фабри -Перот Интерферометр Принцип: один конец оптического волокна покрыт полуотражающим зеркалом, а другой конец заканчивается зеркалом с подвижной диафрагмой. Изменения давления смещают положение диафрагмы, изменяя разность оптических путей между двумя отражающими поверхностями; анализ результирующих сдвигов интерференционных полос позволяет определить давление. Основными компонентами являются оптическое волокно, зеркало с диафрагмой и герметичный резонатор, обеспечивающие врожденную невосприимчивость к электромагнитным помехам.
5. Пьезоэлектрические датчики давления.
Пьезоэлектрические датчики используют пьезоэлектрический эффект: некоторые материалы (например, нитрид алюминия (AlN) или цирконат-титанат свинца (PZT)) генерируют электрический заряд в ответ на механическое воздействие. Основная структура состоит из тонкой пьезоэлектрической пленки или керамического элемента. Не требуя внешнего питания, они функционируют как преобразователи с автономным питанием.
Пьезоэлектрические датчики обеспечивают чрезвычайно быстрый динамический отклик (порядка миллисекунд), что делает их идеальными для мониторинга переходного давления (например, взрывов или ударов). Однако они не могут измерять статическое давление, их выходные сигналы по своей природе являются низкоуровневыми и требуют сложных схем усиления, а их долговременная стабильность относительно низкая.
| Тип | Основной принцип | Внутренняя структура |
|---|---|---|
| Пьезорезист | Полупроводниковый пьезорезистивный эффект: сопротивление меняется при приложении напряжения | Эластичная кремниевая диафрагма + диффузные пьезорезисторы (мост Уитстона) |
| Емкостный | Емкость параллельных пластин: емкость зависит от расстояния между электродами | Подвижный диафрагменный электрод + фиксированный электрод + полость |
| Резонанс | Резонаторные частоты сдвигаются с приложенным напряжением | Кремниевый луч/мембранный резонатор + привод & смысл схемы |
| Волокно -оптический | Оптическое изменение длины пути вызывает помехи помех | Оптическое волокно + полуотражающее зеркало + зеркало с подвижной диафрагмой |
| Пьезоэлектрический | Пьезоэлектрический эффект: механическое напряжение генерирует заряд. | Пьезоэлектрическая пленка/керамический элемент + электроды |
Сравнение производительности
Чувствительность: резонансная и оптоволоконная превосходная
Пьезорезистивный: Высокая чувствительность, достаточная для большинства промышленных применений.
Емкостный: Превосходная чувствительность к пьезорезистивному датчику с широким линейным диапазоном.
Резонансный: Чрезвычайно высокая чувствительность, идеальна для точных измерений.
Оптоволокно: Высокая чувствительность и низкая восприимчивость к воздействию окружающей среды.
Пьезоэлектрический: Выдающаяся динамическая чувствительность, но плохие статические характеристики.
Потребляемая мощность: лучше всего подходят емкостные и пьезоэлектрические.
Пьезорезистивный: Умеренное потребление (уровень мА); требуется непрерывная подача электроэнергии для поддержания моста.
Емкостный: Низкое потребление (уровень мкА); Схема обнаружения потребляет минимальный ток.
Резонансный: Относительно высокое потребление (уровень мА); цепь возбуждения должна поддерживать колебания.
Оптоволокно: Чрезвычайно низкое потребление; хорошо подходит для удаленного пассивного мониторинга.
Пьезоэлектрический: Нулевое энергопотребление (автономное питание); только схема формирования сигнала требует энергии.
Адаптивность к окружающей среде: оптоволоконные и пьезоэлектрические кабели выдерживают экстремальные условия
Диапазон рабочих температур:
Пьезоэлектрический > Волокно -оптический > Резонанс > Пьезорезистивный/емкостныйИммунитет к помехам:
Волокно -оптический > Пьезоэлектрический > Резонанс > Емкостный > Пьезорезист
Стоимость и интеграция: пьезорезистивные выводы
Расходы: Пьезорезист < Емкостный < Пьезоэлектрический < Резонанс < Волокно -оптический
След чипа: Пьезорезистивный/емкостный < Резонанс < Волокно -оптический
| Особенность | Пьезорезист | Емкостный | Резонанс | Волокно -оптический | Пьезоэлектрический |
|---|---|---|---|---|---|
| Чувствительность | Высокий | Отличный | Ультра -высокий | Высокий | Высокий (динамический) |
| Стабильность | Требуется калибровка температуры | Низкий дрейф | Хорошая стабильность | Невосприимчиво к электромагнитным помехам | Долгосрочная стабильность неопределенна |
| Энергопотребление | Умеренный (уровень мА) | Низкий (уровень мкА) | Высокий (уровень мА) | Чрезвычайно низко | Ноль (автономное питание; только обработка сигнала потребляет энергию) |
| Экологическая пригодность | Нестабильный при высоком шоке/вибрации | Производительность ухудшается в пыльной или жидкой среде | Чувствителен к температуре и вибрации | Подходит для суровых средств | Широкий выбор материалов |
| Точность | Умеренный | Отличный | Ультра -высокий | Высокий | Умеренный |
| Расходы | Низкий | Умеренный | Высокий | Очень высоко | Умеренный |
Сценарии приложения
1. Автомобильная промышленность
Автомобильный сектор представляет собой крупнейший рынок датчиков давления MEMS, на который приходится более 35% общего спроса. Пьезорезистивные датчики широко используются в управлении двигателем, тормозных системах и мониторинге давления в шинах, например, для измерения давления во впускном коллекторе или давления в тормозной магистрали. Емкостные датчики используются в системах комфорта (например, в системах контроля давления в сиденьях), а резонансные датчики служат для высокоточного измерения давления. Автомобили премиум-класса могут включать в себя сотни датчиков, из которых около десяти представляют собой устройства давления MEMS, предоставляющие важные данные для оптимизации работы двигателя, повышения эффективности использования топлива и повышения безопасности.
2. Бытовая электроника
С развитием 3D-навигации, отслеживания движения и мониторинга состояния здоровья МЭМС-датчики давления все чаще встраиваются в потребительские гаджеты. Пьезорезистивные и емкостные датчики питают барометры, высотомеры и функции внутреннего позиционирования в смартфонах, планшетах и умных часах. В дронах и моделях самолетов датчики давления MEMS передают данные о высоте, которые помогают системам управления полетом поддерживать точную навигацию.
3. Здравоохранение
В медицинской сфере датчики давления MEMS являются неотъемлемой частью различных устройств и диагностических систем. Емкостные датчики, ценимые за свою стабильность, используются в тонометрах, аппаратах искусственной вентиляции легких и наркозных аппаратах. Пьезорезистивные датчики, обладающие высокой чувствительностью, используются в имплантируемых мониторах давления и насосах для доставки лекарств.
4. Промышленная автоматизация
Датчики давления MEMS контролируют и регулируют множество промышленных процессов. Пьезорезистивные датчики превосходно подходят для мониторинга трубопроводов жидкости и газа, а также для определения уровня жидкости. Волоконно-оптические датчики, обладающие превосходной устойчивостью к электромагнитным помехам, надежно работают в суровых промышленных условиях. Резонансные датчики выбираются для приложений, требующих сверхвысокой точности управления процессом.
5. Аэрокосмическая промышленность
В аэрокосмической отрасли датчики давления MEMS используются для проведения аэродинамических испытаний, мониторинга давления на высоте, сбора метеорологических данных и регулирования давления в бортовом и космическом оборудовании. Резонансные и оптоволоконные датчики пользуются популярностью из-за их исключительной точности и устойчивости к помехам, отвечающих строгим требованиям полетной и космической среды.
Руководство по выбору
1. Уточните тип измерения
Абсолютный датчик: Измеряет абсолютное давление; датчик содержит собственный эталонный вакуум, поэтому показания не зависят от атмосферного давления. Идеально подходит для барометрических измерений и измерений высоты.
Датчик датчика датчика: Измеряет давление относительно окружающей атмосферы; в качестве эталона использует атмосферное давление. Подходит для таких применений, как мониторинг давления в резервуарах или трубопроводах, где необходимо свести на нет колебания атмосферного давления.
Датчик дифференциального давления: Измеряет разницу между двумя давлениями через двойные входы. Обычно используется в приложениях измерения расхода и мониторинга фильтров.
2. Определите диапазон давления
Возможность избыточного давления: Различают статическое и динамическое (ударное) давление. Для пульсирующей или ударной среды выберите датчик с более высокой устойчивостью к избыточному давлению.
Точность и дальность: Точность датчика часто варьируется в зависимости от его диапазона. Выбор диапазона, близкого к вашему рабочему давлению, упрощает соблюдение требований точности.
Стоимость и диапазон: Датчики в диапазоне 0,3–1 МПа обычно предлагают наилучшее соотношение цены и качества; диапазоны ниже 0,1 МПа или выше 1 МПа, как правило, более дорогие.
3. Оцените требования к точности
На точность влияют нелинейность, гистерезис, повторяемость, температурные эффекты, стабильность смещения нуля, калибровка и влажность. Статическая точность во всем диапазоне температур классифицируется как:
Сверхвысокие (0,01–0,1% полной шкалы)
Высокий (0,1–1% полной шкалы)
Стандартный (1–2% полной шкалы)
Низкий (2–10% полной шкалы)
Укажите уровень точности, подходящий для вашего приложения — имейте в виду, что более высокая точность влечет за собой более высокие затраты.
4. Проверьте электрические характеристики.
Выходной сигнал:
Цифровой: Выходы I²C или SPI для прямого взаимодействия с микроконтроллерами.
Аналог: выходы напряжения 0–5 В или 0–10 В; Токовые петли 4–20 мА для промышленных систем управления.
Выберите тип выхода, совместимый с вашим измерительным или управляющим оборудованием.
Источник возбуждения:
Постоянное возбуждение предпочтителен для минимизации дрейфа термочувствительности при прецизионных измерениях.
Постоянное возбуждение проще, но может потребоваться использование внешних термокомпенсационных резисторов или диодов.
Некоторые датчики поддерживают пропорциональные или фиксированные режимы возбуждения; Выбирайте в соответствии с потребностями в стабильности и энергопотреблении.
5. Учитывайте операционную среду и окружающую среду.
Средняя сжимаемость:
Газы сжимаемы — скачки давления могут вызвать ударные нагрузки на диафрагму.
Жидкости несжимаемы — убедитесь, что при установке давление не превышает максимальное номинальное значение датчика.
Суровая среда: При наличии сильной вибрации, ударов или электромагнитных помех необходимо использовать усиленную защиту от избыточного давления, надежное механическое уплотнение и заземленную проводку с защитой от электромагнитных помех.
Химическая совместимость: Материалы мембраны должны быть устойчивы к воздействию коррозийных и легковоспламеняющихся сред. Во взрывоопасных средах используйте минимальный ток возбуждения и добавьте защитные корпуса, рассчитанные на данное применение.
6. Определите диапазон рабочих температур.
Типичные марки датчиков:
Коммерческий (от –10°C до +60°C)
Промышленный (от –25°C до +80°C)
Автомобильная промышленность (от –40°C до +125°C)
Военные (от –55°C до +125°C)
Специализированные (от –60°C до +350°C)
Выберите класс, соответствующий вашим условиям окружающей среды. Для использования на открытом воздухе или в экстремальных условиях рассмотрите возможность использования промышленных или автомобильных моделей или термически изолируйте датчик, чтобы упростить калибровку.
7. Проверьте требования к уплотнению.
Распространенные методы уплотнения включают уплотнительные кольца, эпоксидные смолы, прокладки из ПТФЭ, порты с конической посадкой, резьбовые фитинги и сварку. Выбор герметика определяет рабочую температуру и химическую совместимость датчика — выбирайте материалы уплотнений, подходящие для вашего температурного диапазона и технологической среды.
Заключение
МЭМС-датчики давления доступны в широком спектре типов, каждый из которых имеет свой собственный принцип работы, рабочие характеристики и подходящее применение. При выборе датчика необходимо учитывать предполагаемое использование, диапазон давления, точность, электрические характеристики, рабочую среду, температурный диапазон и требования к уплотнению, чтобы обеспечить выбор наиболее подходящего устройства для конкретного применения. Поскольку технологии продолжают развиваться, использование датчиков давления MEMS в различных секторах будет становиться все более распространенным, предлагая расширенную поддержку промышленной практики и технологического развития.
Вышеупомянутое введение лишь поверхностно коснулось области применения технологии датчиков давления. Мы продолжим изучать различные типы сенсорных элементов, используемых в различных продуктах, их работу, их преимущества и недостатки. Если вам нужна более подробная информация о том, что здесь обсуждается, вы можете просмотреть соответствующий контент далее в этом руководстве. Если у вас мало времени, вы также можете нажать здесь, чтобы загрузить подробную информацию об этом руководстве. Данные датчика давления воздуха PDF.
Для получения дополнительной информации о других сенсорных технологиях, пожалуйста, Посетите нашу страницу датчиков.