- За WFсенсори
Класифікація датчиків тиску MEMSMEMS
Основні відмінності між датчиками тиску MEMS виникають через фізичні ефекти, які вони використовують. Різні принципи роботи визначають їх робочі зони та відповідні області застосування. Основні технологічні підходи складаються з п’яти категорій: п'єзорезистивний, ємнісний, резонансний, волоконно-оптичний і п'єзоелектричний датчики. Ці технології демонструють помітні відмінності в характеристиках і компромісах.
1. П'єзорезистивні датчики тиску
П’єзорезистивні датчики засновані на п’єзорезистивному ефекті, відкритому в 1954 році — коли напівпровідниковий матеріал (наприклад, монокристалічний кремній) зазнає навантаження, зміни його зонної структури викликають вимірювані зміни питомого опору.
Характерні особливості конструкції a силіконова діафрагма у поєднанні з a Міст Вітстона: діафрагма затиснута по краях і запечатана, з перевернутою пірамідальною порожниною, сформованою травленням із зворотного боку. Чотири п'єзорезистивні елементи розсіяні на поверхні діафрагми, утворюючи міст.
Під час застосування тиску діафрагма деформується, спричиняючи збільшення опору однієї пари моста, а іншої пари – зменшення; на виході є сигнал напруги, лінійний залежно від тиску. Для покращення продуктивності матрицю датчика зазвичай прикріплюють до скляної підкладки з узгодженим коефіцієнтом теплового розширення, що забезпечує ізоляцію напруги та електричну ізоляцію. П’єзорезистивні датчики мають просту конструкцію та низьку вартість, і добре підходять для масового виробництва, проте вони потребують температурної компенсації для пом’якшення впливу навколишнього середовища.
2. Ємнісні датчики тиску
Ємнісні датчики працюють за принципом конденсатора з паралельними пластинами: рухома кремнієва діафрагма служить одним електродом, а нерухомий електрод утворює інший, причому відхилення діафрагми, викликане тиском, змінює відстань між електродами, а отже, і ємність. Типові конструкції включають круглу діафрагму з металевим покриттям (або металізовану кремнієву діафрагму), нерухомий електрод і порожнину; вимірювальна електроніка перетворює зміни ємності в електричні сигнали.
Порівняно з п’єзорезистивними датчиками, ємнісні типи зазвичай пропонують вищу чутливість і лінійний діапазон, а також менший дрейф температури з вищою стабільністю. Однак вони вимагають ізоляції електродів; наявність твердих часток або рідин може перешкодити вимірюванню, а витрати на виробництво є відносно вищими. У багатьох реалізаціях зв’язок кремній-скло використовується для формування вакуумної опорної порожнини, що робить ємнісні датчики придатними для вимірювання абсолютного тиску.
3. Резонансні датчики тиску
Резонансні датчики використовують взаємозв’язок напруга–частота: власна резонансна частота резонатора (наприклад, кремнієвої балки або мембрани) змінюється у відповідь на напругу, спричинену прикладеним тиском. Типові резонансні елементи включають двосторонні камертони (DETF) або резонансні мембрани; спеціальна схема приводу та виявлення підтримує коливання та зчитує зрушення частоти.
Резонансні датчики вирізняються точністю та роздільною здатністю, часто забезпечуючи цифровий частотний вихід, який легко взаємодіє з цифровими системами. Їхніми недоліками є складніше виробництво, триваліші виробничі цикли, чутливість до температури та механічної вібрації — усе це сприяє вищій вартості. Відповідно, резонансні датчики в основному використовуються в високотехнологічних програмах, таких як аерокосмічна промисловість і метрологія.
4. Волоконно-оптичні датчики тиску
Волоконно-оптичні датчики зазвичай використовують інтерферометрію Фабрі–Перо: один кінець оптичного волокна утворює напіввідбивну поверхню, тоді як рухома мембрана служить іншим відбивачем; зміни в положенні мембрани змінюють різницю оптичного шляху та інтерференційні смуги, з яких можна зробити висновок про тиск. Основні компоненти включають оптичне волокно, відбивну мембрану та герметичну порожнину.
Переваги волоконно-оптичних підходів включають внутрішню несприйнятливість до електромагнітних перешкод і придатність для високотемпературних, корозійних чи інших агресивних середовищ, а також компактність і можливість дистанційного зондування. Однак оптичні компоненти є дорогими, налаштування системи та введення в експлуатацію є складними, а збірка волокно-мембрана вимагає вимогливих процесів виготовлення — факторів, які обмежують широкомасштабне розгортання.
5. П'єзоелектричні датчики тиску
П’єзоелектричні датчики засновані на п’єзоелектричному ефекті: деякі матеріали (наприклад, нітрид алюмінію (AlN), титанат цирконат свинцю (PZT)) генерують заряд під механічним впливом. Типовою структурою є п'єзоелектрична плівка або кераміка; ці пристрої виробляють заряд без зовнішнього джерела живлення, що робить їх фактично автономними.
П’єзоелектричні датчики мають відмінну динамічну реакцію (шкала мілісекунд), що робить їх ідеальними для моніторингу перехідного тиску (вибухи, удари, імпульси). Вони не можуть надійно виміряти статичний тиск, їхні вихідні сигнали, як правило, малі та вимагають складного підсилення та кондиціонування, а їх довгострокова стабільність може бути нижчою, ніж інші типи.
| Тип | Основна концепція | Внутрішня структура |
|---|---|---|
| П'єзорезистичний | Напівпровідниковий п'єзорезистивний ефект; опір змінюється зі стресом | Кремнієва еластична діафрагма + дифузні п'єзорезистори (міст Уітстона) |
| Ємнісна | Конденсатор з паралельними пластинами; ємність змінюється з відстанню пластин | Рухомий тонкоплівковий електрод + нерухомий електрод + резонатор |
| Резонансний | Частота резонатора змінюється з напругою | Кремнієвий промінь/тонкоплівковий резонансний елемент + схеми приводу/сенсору |
| Волоконно-оптичний | Різниця оптичного шляху викликає зміщення інтерференційної картини | Оптоволокно + напіввідбивне дзеркало + рухомий тонкоплівковий відбивач |
| П'єзоелектричний | П'єзоелектричний матеріал генерує заряд під напругою | П'єзоелектрична тонка плівка/керамічна пластина + електроди |
Порівняння принципів і структур
- Описове порівняння, підсумоване вище:
- п'єзорезистивний — міст Уітстона з розсіяними резисторами на кремнієвій діафрагмі;
- ємнісні — конденсатори з паралельними пластинами з вакуумним відліком; резонансний — зсув частоти елементів резонатора;
- волоконно-оптичні — інтерференція Фабрі–Перо;
- п'єзоелектричний — генерація заряду в п'єзоматеріалах.
Порівняння продуктивності
1. Чутливість
п'єзорезистивний: Висока чутливість підходить для багатьох промислових цілей.
ємнісний: Вища чутливість і ширший лінійний діапазон, ніж п'єзорезистивний.
Резонансний: Надзвичайно висока чутливість для точного вимірювання.
Волоконно-оптичний: Висока чутливість із сильним імунітетом до електромагнітних перешкод.
П'єзоелектричний: Видатна динамічна чутливість, але погана статична продуктивність.
2. Споживана потужність
п'єзорезистивний: Помірний (діапазон мА); безперервне збудження, необхідне для роботи моста.
ємнісний: Низький (діапазон мкА); вимірювальна схема не вимагає великих струмів.
Резонансний: Відносно високий (діапазон мА); необхідний привод осцилятора.
Волоконно-оптичний: Дуже низький; підходить для дистанційного моніторингу з низьким енергоспоживанням.
П'єзоелектричний: Нульова потужність для самого чутливого елемента (з автономним живленням); тільки формування сигналу споживає електроенергію.
3. Екологічна надійність
Діапазон робочих температур (загальний рейтинг): П'єзоелектричний > Волоконно-оптичний > Резонансний > П'єзорезистивний/ємнісний.
Перешкодостійкість: Волоконно-оптичний > П'єзоелектричний > Резонансний > Ємнісна > П'єзорезистивний.
4. Вартість та інтеграція
Вартість (типова): П'єзорезистичний < Ємнісна < П'єзоелектричний < Резонансний < Волоконно-оптичний.
Розмір матриці/чіпа: П'єзорезистивний/ємнісний < Резонансний < Волоконно-оптичний.
Сценарії застосування
1. Автомобільний
Автомобільний сектор є найбільшим єдиним ринком датчиків тиску, на який припадає понад 35% загального обсягу.
П'єзорезистивні датчики широко використовуються в системі керування двигуном, гальмівними системами та моніторингу тиску в шинах — наприклад, для вимірювання тиску у впускному колекторі або тиску в гальмівній магістралі. Ємнісні датчики можуть бути використані в системах комфорту. Резонансні датчики вибирають там, де потрібна більш висока точність.
Сучасні транспортні засоби можуть містити сотні датчиків, часто включаючи близько десяти датчиків тиску MEMS, які надають важливі дані для оптимізації роботи двигуна, підвищення ефективності палива та підвищення безпеки водіння.
2. Побутова електроніка
З розвитком 3D-навігації, датчиків руху та відстеження здоров’я датчики тиску MEMS все частіше використовуються в споживчих пристроях.
П’єзорезистивні та ємнісні датчики зазвичай використовуються в смартфонах, планшетах і смарт-годинниках як барометри, висотоміри та засоби навігації в приміщенні. У дронах і моделях літаків датчики тиску MEMS надають інформацію про висоту, яка інтегрується з навігаційними системами для точного керування польотом.
3. Медичний
Датчики тиску MEMS широко використовуються в медичних пристроях і діагностичних системах.
Завдяки своїй стабільності ємнісні датчики використовуються для вимірювання артеріального тиску, апаратів штучної вентиляції легенів і респіраторів. П'єзорезистивні типи використовуються для моніторингу тиску in vivo та систем доставки ліків через їх високу чутливість.
4. Промислова автоматизація
У промисловій автоматизації датчики MEMS використовуються для моніторингу та керування різними процесами.
П'єзорезистивні датчики підходять для рідинних і газопровідних систем і вимірювання рівня. Волоконно-оптичні датчики з сильною стійкістю до електромагнітних перешкод підходять для суворих промислових умов. Резонансні датчики застосовуються там, де необхідна дуже висока точність контролю.
5. Аерокосмічна
Датчики тиску MEMS підтримують аеродинамічні випробування, моніторинг тиску на великій висоті, збір метеорологічних даних і контроль тиску в повітряних і космічних застосуваннях. Резонансні та волоконно-оптичні датчики часто вибирають для аерокосмічних ролей, де висока точність і стійкість до перешкод мають вирішальне значення для виконання суворих екологічних вимог.
Керівництво по вибору
1. Визначте мету вимірювання
Виберіть тип датчика на основі вимірюваного параметра тиску:
Датчики абсолютного тиску: Виміряйте тиск відносно еталонного вакууму в датчику; показання не залежать від атмосферного тиску навколишнього середовища. Підходить для вимірювання атмосферного тиску та висоти.
Датчики манометричного (відносного) тиску: Виміряти тиск відносно атмосферного тиску навколишнього середовища; підходить для тиску в резервуарах і контейнерах, де повинні бути виключені атмосферні коливання.
Датчики перепаду тиску: Виміряйте різницю між двома портами тиску; використовується для вимірювання витрати та моніторингу фільтрації.
2. Визначте діапазон тиску
Розгляньте максимальну здатність датчика до надлишкового тиску, співвідношення між точністю та діапазоном, а також вартість різних діапазонів:
Максимальний надлишковий тиск: Зверніть увагу як на статичний, так і на динамічний надлишковий тиск. Динамічні події (скачки тиску) можуть викликати імпульсні навантаження; виберіть датчик із достатньою стійкістю до надлишкового тиску.
Точність проти діапазону: Точність датчика часто змінюється залежно від діапазону; вибір відповідного повномасштабного діапазону полегшує виконання вимог до точності.
Вартість порівняно з діапазоном: Датчики в діапазоні 0,3–1 МПа зазвичай дешевші; датчики з діапазонами нижче 0,1 МПа або вище 1 МПа, як правило, коштують дорожче.
3. Враховуйте вимоги до точності
Точність залежить від нелінійності, гістерезису, повторюваності, температурних впливів, стабільності нуля, калібрування та вологості.
Визначте необхідний рівень точності:
Надвисока точність: 0,01–0,1% повної шкали
Висока точність: 0,1–1% повної шкали
Стандартна точність: 1–2% повної шкали
Низька точність: 2–10% повної шкали
Більш точні датчики несуть більшу вартість і витрати на калібрування; вказати реалістичну точність відповідно до потреб програми.
4. Електричні вимоги
Формати вихідного сигналу: Датчики MEMS можуть надавати оброблені цифрові виходи (I²C, SPI) або аналогові виходи (0–5 В, 0–10 В), а також струмові петлі (4–20 мА). Виберіть інтерфейс, сумісний із вашою системою вимірювання чи керування.
Методи збудження: Використовується збудження як постійним струмом, так і постійним напругою. Збудження постійним струмом допомагає компенсувати температурну чутливість і зазвичай використовується для точних вимірювань. Збудження постійної напруги не має властивої чутливості температурної компенсації, але може бути компенсовано ззовні (наприклад, шляхом додавання термістора або діода в міст). Збудження також може бути пропорційним або фіксованим, залежно від вимог конструкції.
5. Враховуйте умови експлуатації
Середній тип: Гази стискаються; Перехідні процеси тиску можуть накопичувати та вивільняти енергію стиснення та створювати імпульсні навантаження на діафрагму. Рідини в основному нестисливі; переконайтеся, що під час встановлення виключено стрибки тиску, які перевищують номінальний тиск датчика.
Умови навколишнього середовища: У суворих умовах з вібрацією, ударами або сильними електромагнітними перешкодами потрібен посилений захист від надлишкового тиску, надійне механічне ущільнення, надійне кріплення та електромагнітне екранування та заземлення для проводів.
Сумісність з носіями: Переконайтеся, що діафрагма та змочені матеріали ізольовані від корозійних середовищ, де це необхідно. Для легкозаймистих або вибухонебезпечних середовищ використовуйте низькі струми збудження та посиліть механічний захист корпусу.
6. Визначте діапазон робочих температур
Типова температурна класифікація:
Комерційний: від −10 до 60 °C
промислові: від −25 до 80 °C
Автомобільний: від −40 до 125 °C
військовий: від −55 до 125 °C
Спеціалізовані: від −60 до 350 °C
Виберіть клас, який відповідає програмі. Більш широкі діапазони температур збільшують складність компенсації та навантаження на калібрування; стратегії теплоізоляції або пом’якшення можуть іноді дозволяти використовувати датчики нижчого класу.
7. Зверніть увагу на вимоги до ущільнення
Загальні методи ущільнення під тиском включають гумові прокладки, епоксидну герметизацію, прокладки з PTFE (тефлону), конічні фітинги, фітинги з трубною різьбою та зварювання. Вибір ущільнювального матеріалу та методу впливає на діапазон робочих температур датчика та хімічну сумісність — вибирайте ущільнення, які відповідають очікуваному середовищу та середовищам.
Висновок
Існує багато типів датчиків тиску MEMS, кожен з яких має різні принципи роботи, робочі характеристики та відповідні сфери застосування.
Вибираючи датчик, всебічно враховуйте мету вимірювання, діапазон тиску, точність, електричний інтерфейс, умови роботи, температурний діапазон і вимоги до герметизації, щоб визначити оптимальний пристрій для вашого конкретного застосування.
З постійним технологічним прогресом датчики тиску MEMS продовжуватимуть знаходити ширше застосування в галузях промисловості, забезпечуючи все сильнішу підтримку промислової практики та наукового розвитку.
Наведене вище введення лише дряпає поверхню застосування технології датчиків тиску. Ми продовжимо досліджувати різні типи сенсорних елементів, які використовуються в різних продуктах, як вони працюють, а також їхні переваги та недоліки. Якщо вам потрібна додаткова інформація про те, що тут обговорюється, ви можете переглянути відповідний вміст далі в цьому посібнику. Якщо у вас немає часу, ви також можете клацнути тут, щоб завантажити докладну інформацію про ці посібники Дані датчика тиску повітря PDF.
Для отримання додаткової інформації про інші сенсорні технології, будь ласка Відвідайте нашу сторінку датчиків.