Мэмс-датчики давления Freescale Semiconductor
Полупроводниковые датчики давления отличаются более высокой точностью, компактностью, надежностью и простотой эксплуатации, чем манометрические трубки и пьезоэлектрические кремниевые датчики. Стоимость их — также значительно ниже. Именно таким датчикам производства Freescale Semiconductor посвящен материал статьи.
Чувствительный элемент датчиков — основа точности и надежности
Компания Freescale Semiconductor производит очень широкий спектр полупроводниковых датчиков абсолютного, избыточного и дифференциального давлений сухих и влажных газов. Датчики перекрывают диапазоны измерения от 0...2 кПа до 0...1 Мпа при точности измерения не хуже 1%, работают при температурах от -45°С до 125°С и, в зависимости от модели, имеют либо милливольтовый (0...50 мВ), либо нормализованный (0,5...4,5 В) выходной сигнал. Основой любого из них является уникальный кремниевый МЭМС-преобразователь «давление —» напряжение» под названием X-ducer™ (рис. 1). По сравнению с чувствительными элементами других компаний, выполненных по традиционной схеме моста Уинсто-на, X-ducer™ имеет следующие преимущества:
• датчик — монолитный элемент, не требующий регулировки;
• повышенная линейность и гистерезис характеристики преобразования;
• простота реализации схем термокомпенсации;
• нет необходимости в раздельных источниках питания для чувствительного элемента и схемы усиления;
• высокая стрессоустойчи-вость;
• простая технология производства, невысокая стоимость.
На этапе сборки X-ducer™ упаковывается в термопластиковый корпус и защищается от влаги, пыли и грязи слоем силиконового геля.
Классификация датчиков
Компания Freescale Semiconductor классифицирует всю свою производственную линейку датчиков по степени интеграции на три группы:
Базовые датчики. Это самый простой и недорогой тип датчиков. В состав этих приборов входит только чувствительный элемент X-ducer™. Датчики имеют четыре вывода, два из которых используются для подачи напряжения питания, а с двух других снимается выходной сигнал, пропорциональный приложенному давлению. Чувствительность, смещение и диапазон зависят от окружающей температуры. Кроме того, эти три параметра имеют относительно высокий технологический разброс. Для приведения выходного сигнала к стандартному значению и обеспечения его стабильности в требуемом температурном диапазоне необходимы внешние схемы усиления, калибровки, термокомпенсации и сопряжения.
Термокомпенсированные датчики. Эти приборы, кроме элемента X-ducer™, включают тонкопленочные резисторы и термисторы, выполненные на том же кристалле и калиброванные с помощью лазера в процессе производства для того, чтобы обеспечить стабиль-
ный выходной сигнал в широком диапазоне температур, а также уменьшить технологический разброс параметров. Датчики несколько дороже, но при этом они существенно облегчают задачу разработчику, позволяя упростить схемотехнику проектируемого устройства, и повысить точность измерения.
Интегрированные датчики. Объединяя на одном кристалле чувствительный элемент X-ducer™, элементы калибровки, температурной компенсации и усилитель, эти датчики до предела упрощают конструкцию изделия, делают его более надежным и компактным. Наличие усилителя позволяет напрямую подключать датчики к АЦП микроконтроллера. Эти датчики незначительно дороже, чем термокомпенсированные датчики, но они требуют минимальных усилий от разработчика, сокращая время выхода продукта на рынок.
Существует также несколько специализированных автомобильных датчиков с цифровым выходом для измерения давления в шинах и ряд моделей, ориентированных исключительно на массовое производство бытовых тонометров.
Конструктивное исполнение датчиков давления
Большое разнообразие конструктивных исполнений датчиков давления Freescale Semiconductor — от базовых корпусов (верхний ряд на рис. 2) до миниатюрных SOP-корпусов (нижний ряд на рис. 2) — обеспечивает высокую гибкость выбора на этапе разработки конструкции
Рис. 2. Некоторые варианты конструктивного исполнения датчиков давления Freescale Semiconductor
прибора. Тип корпуса «не привязан» к максимальному измеряемому датчиком давлению. Например, в одном и том же корпусе выпускаются модели на диапазон как 10 кПа, так и 1 МПа. В зависимости от назначения и типа измеряемого давления корпус датчика может иметь либо один или два стандартных порта подключения шлангов для подвода давления, либо не иметь их вообще. Кор-
пуса без портов имеют отверстия в корпусе для подвода давления. Они главным образом предназначены для использования в качестве чувствительных элементов при производстве более сложных датчиков давления, отвечающих специфическим требованиям приложения.
Области применения датчиков давления
Датчики давления могут прямо или косвенно замерять большое количество параметров, используемых при автоматическом управлении. Появившись на рынке автомобильной и авиационной промышленности, датчики давления в настоящее время осуществили прорыв на самые различные рынки:
Автоэлектроника
• Измерение уровня топлива.
• Измерение потока топлива.
• Измерение давление в коллекторе.
• Контроль форсажа.
• Индикатор скорости воздуха.
Медицинская электроника
• Тонометры.
• Насосы для инъекций.
• Аппараты вентиляции легких.
• Больничные кровати. Строительство и городское хозяйство
• Контроль засорения фильтров.
• Контроль потока воздуха в здании.
• Контроль давления в вентиляционных шахтах.
• Контроль плотности почвы при строительстве.
• Устройства автоматики для котлов.
Автоматизация
• Автоматические счетчики предметов.
• Тактильные сенсоры для роботов.
• Пневмоинструмент.
• Доильные агрегаты. Технологическое оборудование
• Высоковакуумные системы.
• Приборы контроля разреза нефтяной скважины.
• Мониторы ударной волны.
• Динамометры для двигателей.
Метеорология
• Барометры.
• Метеостанции.
• Метеозонды. Бытовая техника
• Контроль давления в пылесосах.
• Системы вентиляции.
• Контроль уровня воды в стиральных машинах.
Дешевизна и простота изготовления кремниевых датчиков давления постоянно открывают для них все новые и новые применения.
|
