Cảm biến áp suất vi mô, thấp và trung bình: Cách chọn phạm vi MEMS phù hợp

Một kỹ sư đang cấu hình vòng luồng khí của máy thở được yêu cầu "chọn cảm biến áp suất thấp". Trên trang web của nhà phân phối, tìm kiếm tương tự sẽ trả về chip vi áp suất, mô-đun áp suất thấp và bộ chuyển đổi áp suất trung bình. Ba dòng này trông gần giống nhau trong các gói SMD của chúng, tuy nhiên phần tử cảm biến bên trong mỗi dòng được chế tạo cho một thực tế cơ học khác nhau. Chọn micro khi chênh lệch áp suất thực sự nhỏ. Chọn mức thấp cho luồng không khí chung và chỉ số đo phạm vi khí áp. Chọn phương tiện cho hệ thống nhiên liệu và năng lượng chất lỏng. Quyết định đầu tiên này xác định các giới hạn vật lý mà không hiệu chỉnh phần mềm nào có thể vượt qua.

Hướng dẫn này giải thích cách xác định ba loại phạm vi áp suất trên biểu dữ liệu cảm biến MEMS, tại sao sự khác biệt lại quan trọng đối với độ chính xác và độ tin cậy cũng như cách ánh xạ ứng dụng tới dòng cảm biến phù hợp.

Cách xác định các loại phạm vi áp suất

Không có tiêu chuẩn toàn cầu nào khắc phục được ranh giới giữa áp suất vi mô, áp suất thấp và áp suất trung bình. Sự phân chia này mang tính thực tế hơn là pháp lý và nó chuyển từ nhà sản xuất này sang nhà sản xuất khác. Bảng dưới đây trình bày bảng phân tích thường được sử dụng trong việc lựa chọn cảm biến áp suất MEMS.

Cảm biến vi áp suất xử lý chênh lệch áp suất rất nhỏ, thường dưới 1 kPa. Màng ngăn của chúng mỏng và dẻo, khiến chúng nhạy cảm nhưng cũng dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ và sốc cơ học. Cảm biến áp suất thấp bao phủ dải được sử dụng để đo áp suất, khí áp và hô hấp. Cảm biến áp suất trung bình hoạt động trong đó phần tử cảm biến có thể được chế tạo chắc chắn hơn, với màng ngăn dày hơn có khả năng chịu được áp lực cao hơn và các trường hợp quá áp không thường xuyên.

Đối với người mua linh kiện, hậu quả thực tế rất đơn giản: cảm biến vi áp suất không phải là cảm biến áp suất thấp có nhãn khác. Cả hai đều được thiết kế khác nhau, hiệu chỉnh khác nhau và yêu cầu xử lý khác nhau trong quá trình lắp ráp.

Tại sao phạm vi lại quan trọng đối với việc xây dựng cảm biến

Hình học màng ngăn và độ nhạy

Phạm vi áp suất xác định hình dạng của màng ngăn MEMS và hình dạng đó điều khiển hầu hết các hoạt động chính của cảm biến. Một cảm biến được chế tạo để đo áp suất vi mô có màng ngăn đủ mỏng để có thể đo được độ lệch dưới vài trăm pascal. Độ mỏng đó giúp cải thiện độ nhạy nhưng làm giảm khả năng phản ứng với sự giãn nở nhiệt độ và sức căng của gói. Các thiết bị áp suất trung bình có thể sử dụng màng ngăn dày hơn, cứng hơn để chống quá áp tốt hơn và ít bị ảnh hưởng bởi ứng suất cơ học do hàn gây ra.

Hiệu chuẩn và ý nghĩa thực sự của độ chính xác

Quy trình hiệu chuẩn cũng khác nhau. Cảm biến áp suất vi mô thường cần hiệu chỉnh độ lệch 0 trên mỗi thiết bị vì ngay cả ứng suất gói nhỏ cũng sẽ làm dịch chuyển điểm 0. Cảm biến áp suất trung bình hiếm khi thể hiện vấn đề này ở mức độ tương tự, do đó độ ổn định điểm 0 của chúng dễ dàng duy trì hơn trong toàn bộ lô sản xuất. Vì lý do này, cùng một tuyên bố về độ chính xác toàn thang 0,2 phần trăm có nghĩa là những điều khác nhau trong mỗi phạm vi. Trên cảm biến áp suất vi mô 1 kPa, 0,2 phần trăm FSS chỉ tương ứng với sai số cho phép là 2 Pa, điều này rất tốt nhưng yêu cầu bù nhiệt độ cẩn thận. Trên cảm biến áp suất trung bình 2 MPa, 0,2 phần trăm FSS tương đương với 4 kPa sai số cho phép, mục tiêu dễ dàng hơn nhiều để đường hiệu chuẩn đạt được. Luôn kiểm tra xem nhà cung cấp có công bố cả độ chính xác ở 25°C và tổng dải sai số trong phạm vi nhiệt độ vận hành hay không; đối với các bộ phận áp suất cực nhỏ và áp suất thấp, giá trị sau là con số sẽ hạn chế thiết kế của bạn.

Đầu ra analog và kỹ thuật số: Kết hợp phạm vi với giao diện của bạn

Phạm vi đo và tín hiệu đầu ra là các trục lựa chọn riêng biệt nhưng chúng tương tác với nhau trong thực tế. Cảm biến đầu ra tương tự cung cấp điện áp đo tỷ lệ với áp suất, thường là từ cầu Wheatstone với bộ khuếch đại được điều hòa ASIC. Chúng không tốn kém, dễ kết nối với ADC vi điều khiển và có sẵn ở hầu hết mọi phạm vi. Cảm biến đầu ra kỹ thuật số tích hợp ADC và giao diện I2C hoặc SPI trên chip, giúp loại bỏ điều hòa tín hiệu bên ngoài và đơn giản hóa cách bố trí bảng mạch.

Sự đánh đổi xuất hiện ở mức cực đoan. Đối với cảm biến áp suất vi mô, đầu ra analog chỉ vài milivolt trên mỗi pascal sẽ trở nên nhiễu nếu độ dài vết tới ADC dài, do đó, phiên bản kỹ thuật số có chuyển đổi trên chip thường an toàn hơn. Đối với cảm biến áp suất trung bình, tín hiệu analog lớn hơn và nhiều bo mạch công nghiệp đã chấp nhận trực tiếp đầu ra điện áp. Các phiên bản kỹ thuật số tồn tại chủ yếu dành cho các dòng áp suất thấp và áp suất vi mô, nơi tính toàn vẹn của tín hiệu là quan trọng nhất, trong khi các sản phẩm áp suất trung bình vẫn có sẵn ở dạng tương tự để kết nối trực tiếp với thiết bị điện tử điều khiển hiện có.

Khi so sánh các bộ phận, hãy xác minh thông số đầu ra với phạm vi đầu vào của bộ điều khiển. Đầu ra đo lường được gắn với nguồn 5 V hoạt động khác với đầu ra 3,3 V cố định và không phải ADC nào cũng xử lý tốt cả hai.

Các mẫu ứng dụng điển hình cho từng phạm vi

Thiết bị y tế, tiêu dùng và máy bay không người lái

Thiết bị y tế là thị trường áp suất thấp và vi mô có yêu cầu khắt khe nhất. Các thiết bị hô hấp, máy gây mê và hệ thống CPAP cần phân giải áp suất vài kilopascal với độ chính xác có thể lặp lại và hoạt động bằng 0 ổn định trong thời gian dài. Các họ tương tự được sử dụng trong môi trường y tế, chẳng hạn như MCPh10, MCPh11, MCPh20 và MCPh21, cũng xuất hiện trong các loại áp suất thấp và chênh lệch. Trong thực tế, phạm vi áp suất sinh học và phạm vi "áp suất thấp" phần lớn trùng khớp nhau, do đó trang cảm biến áp suất y tế là tài liệu tham khảo hữu ích ngay cả đối với các ứng dụng phi y tế có đường bao áp suất tương tự.

Các sản phẩm điện tử tiêu dùng, bao gồm thiết bị đeo và thiết bị nhà thông minh, sử dụng cảm biến tuyệt đối áp suất thấp làm tham chiếu khí áp, trong đó tính nhất quán về nhiệt độ là yếu tố quyết định. Các thiết kế máy bay không người lái sử dụng cùng một loại cảm biến áp suất thấp để ước tính độ cao, điều này giải thích tại sao một mẫu cảm biến kỹ thuật số duy nhất như MCPh21 lại xuất hiện ở cả loại máy bay không người lái và loại áp suất thấp.

Hệ thống công nghiệp và ô tô

Thiết bị công nghiệp sử dụng phạm vi rộng hơn. Bộ phát hiện tắc nghẽn bộ lọc và bộ theo dõi luồng không khí hoạt động ở mức vi áp và chênh lệch, trong đó bộ lọc bị tắc xuất hiện dưới dạng giảm áp suất nhỏ qua hai cổng. Máy ép thủy lực, bộ truyền động khí nén và đường dây phân phối khí hoạt động ở áp suất trung bình, trong đó độ chính xác tuyệt đối và độ chắc chắn quan trọng hơn khả năng giải quyết những thay đổi nhỏ. Các ứng dụng ô tô cũng bao gồm dải tần trung bình: các phép đo đường ray nhiên liệu, áp suất dầu và đường ống nạp nằm trên phạm vi màng ngăn áp suất thấp dễ vỡ và bên dưới các bộ chuyển đổi áp suất cao công nghiệp.

Danh sách kiểm tra lựa chọn thực tế

Đối với một kỹ sư đang phải đối mặt với một thiết kế mới, trình tự sau đây sẽ giảm nguy cơ lựa chọn sai gây tốn kém.

1. Xác định loại áp suất đầu tiên. Quyết định xem ứng dụng cần áp suất đo, tuyệt đối hay chênh lệch. Điều này cơ bản hơn phạm vi vì cảm biến vi sai có thể đo áp suất đo thấp, nhưng cảm biến đo không thể đo được sự khác biệt giữa hai cổng.
2. Chọn phạm vi có ít nhất 20 phần trăm khoảng không. Việc vận hành cảm biến áp suất vi mô ở mức cao nhất trong phạm vi của nó sẽ không còn chỗ cho những đột biến nhất thời. Đánh giá khoảng 1,5 lần áp suất tối đa dự kiến ​​là điểm khởi đầu tốt.
3. So sánh tổng dải lỗi, không chỉ độ chính xác. Độ chính xác ở 25°C hầu như luôn tốt hơn sai số trong toàn bộ khoảng nhiệt độ. Đối với cảm biến áp suất vi mô và áp suất thấp, hãy yêu cầu tổng dải lỗi trên nhiệt độ vận hành dự định và so sánh giá trị đó với ngân sách hệ thống của bạn.
4. Kiểm tra độ ổn định theo thời gian. Độ ổn định lâu dài thường được biểu thị bằng phần trăm của toàn thang đo mỗi năm. Số 0 ổn định quan trọng hơn thông số kỹ thuật có độ chính xác cao hơn một chút nếu sản phẩm phải hoạt động mà không cần hiệu chuẩn trường.
5. Ghép gói hàng với quy trình lắp ráp. Các gói gắn trên bề mặt giúp giảm chi phí lắp ráp nhưng khiến khuôn cảm biến phải chịu nhiệt độ nóng chảy lại có thể làm dịch chuyển điểm 0. Các gói DIP/SIP dễ xử lý hơn khi chạy nguyên mẫu và dây chuyền lắp ráp thủ công.
6. Xác minh tính tương thích của phương tiện. Bộ phận cảm biến có thể tiếp xúc với không khí, khí hoặc chất lỏng tùy thuộc vào thiết kế cổng. Xác nhận rằng các vật liệu ướt tương thích với vật liệu in trước khi đóng gói.

Hai điểm tìm nguồn cung ứng cũng đáng được ghi nhớ. Trước tiên, hãy yêu cầu nhà cung cấp cung cấp báo cáo hiệu chuẩn gửi kèm theo từng lô hàng; nó phải ghi lại độ lệch bằng 0, đầu ra toàn thang đo và độ lệch nhiệt độ được đo trên dây chuyền sản xuất thực tế. Thứ hai, xác nhận sớm số lượng đặt hàng tối thiểu và thời gian giao hàng vì các yêu cầu hiệu chuẩn tùy chỉnh có thể kéo dài lịch trình giao hàng.

Kết hợp các dòng sản phẩm MemsTech với phạm vi của bạn

MemsTech (Wuxi Mems Tech Co., Ltd.) tổ chức danh mục của mình xung quanh một ma trận sản phẩm thay vì một dòng sản phẩm duy nhất. Công ty tự sản xuất các cảm biến áp suất MEMS, có bao bì bên trong, hàn, bù nhiệt độ và hiệu chuẩn trong một cơ sở rộng 2.000 mét vuông. Công suất hàng năm được công bố là 60 triệu sản phẩm và độ chính xác được công bố lên tới 0,2% trên toàn quy mô có nghĩa là các danh mục phạm vi sẽ chuyển thành các sản phẩm cụ thể, có thể lặp lại.

Để đo áp suất vi mô, Cảm biến vi áp DPTR8 thuộc cả hai loại áp suất vi mô và công nghiệp. Bản chất khác biệt của nó phù hợp với nó để phát hiện những thay đổi áp suất nhỏ trong hệ thống giám sát bộ lọc và luồng không khí. Nếu ứng dụng của bạn phải giải quyết hàng trăm pascal trên hai cổng thì đây là dòng cần đánh giá đầu tiên.

Bán buôn cảm biến áp suất vi mô DPT-R8 Nhà cung cấp, nhà máy Wuxi Mems Tech Co., Ltd. Là nhà cung cấp cảm biến áp suất vi mô DPT-R8 bán buôn tại Trung Quốc, nhà cung cấp, nhà máy,Giới thiệuChủ đề của tài liệu này là... Xem sản phẩm →

Để đo áp suất thấp, Cảm biến áp suất thấp MCPh20 và MCPh21 máy đo bìa, vi sai và đầu ra tín hiệu số. Phiên bản kỹ thuật số rất hữu ích trong các bo mạch nhỏ gọn nơi tín hiệu phải truyền đi mà không thu được tiếng ồn. Cùng một họ xuất hiện trong danh sách ứng dụng y tế và máy bay không người lái, cho thấy rằng phạm vi hoạt động của nó rất thiết thực trong các sản phẩm thực tế được triển khai tại hiện trường.

Bán buôn Cảm biến áp suất thấp MCP-H20, MCP-H21 Nhà cung cấp, Nhà máy Công ty TNHH Công nghệ Vô Tích Mems là nhà cung cấp cảm biến áp suất thấp MCP-H20, MCP-H21 bán buôn tại Trung Quốc. Nhà cung cấp, nhà máy, MÔ TẢ Dòng MCP-H20 là... Xem sản phẩm →

Để đo áp suất trung bình, Họ cảm biến áp suất trung bình MCP5xxx kết hợp khoảng đo rộng hơn với độ chắc chắn của màng ngăn dày hơn. Nó được liệt kê trong các danh mục áp suất trung bình, tín hiệu tương tự và y tế, gợi ý một nền tảng ổn định, trưởng thành phù hợp với sản xuất số lượng lớn. Họ này thường là lựa chọn mặc định khi thiết kế cần phạm vi bao phủ rộng mà không có độ nhạy cực cao của bộ phận áp suất vi mô.

Bán buôn cảm biến áp suất trung bình MCP5XXX Nhà cung cấp, Nhà máy Wuxi Mems Tech Co., Ltd. Là nhà cung cấp, nhà máy sản xuất cảm biến áp suất trung bình MCP5XXX bán buôn tại Trung Quốc, Dòng MCP5XXXDP có si tích hợp... Xem sản phẩm →

Nếu bạn không chắc chắn dòng nào phù hợp với thiết kế của mình, trang phạm vi cảm biến áp suất vi mô và dòng cảm biến áp suất trung bình cung cấp một cái nhìn có cấu trúc về các tùy chọn có sẵn. Vì một mô hình vật lý có thể xuất hiện trong nhiều loại nên cũng cần kiểm tra danh sách ứng dụng y tế nếu sản phẩm của bạn thuộc lĩnh vực đó.

Quyết định cuối cùng phụ thuộc vào các yêu cầu vật lý của hệ thống: loại áp suất cần thiết, sự thay đổi nhiệt độ mà thiết bị sẽ thấy và liệu đường dẫn tín hiệu có thể chịu được nhiễu của kết nối analog hay không. Khi những điều đó đã được sửa, danh mục phạm vi sẽ tự chọn và lựa chọn còn lại là giữa các kiểu máy và nhà cung cấp cụ thể.