CFSensor: Od kremíkovej doštičky k senzoru tlaku

Senzory tlaku CFSensor: Inovácie a spoľahlivosť pre priemyselné aplikácie

Pokročilá výrobná technológia, vlastné tímy pre výskum a vývoj, vedecký systém riadenia výroby a prísne štandardy puzdrenia a testovania umožňujú spoločnosti CFSensor výrobu kvalitných senzorov tlaku za mimoriadne konkurencieschopné ceny.

Absolútny, relatívny a rozdielový tlak

Senzory merajú rozdiel tlakov P medzi hornou (P₁) a spodnou stranou (P₂) membrány. P = P₁ – P₂.

Senzor absolútneho tlaku P = P₁ – P₂, pretože P₂ = 0 (vákuum), P = P₁.

Senzor relatívneho tlaku meria P = P₁ – P_A, kde P_A je atmosférický tlak.

P₁ môže byť vyšší alebo nižší ako atmosférický tlak v závislosti od typu senzora.

Senzor rozdielu tlakov meria P = P₁ – P₂ .

P₁ môže byť vyšší alebo nižší ako P₂ v závislosti od typu senzora.

Snímače sú navrhnuté tak, aby odolali 1,5- až 2-násobku menovitého tlaku, v závislosti od typu a rozsahu, bez poškodenia alebo zmeny parametrov.

Niektoré typy špecifikujú aj tlak, ktorý ešte nespôsobí poškodenie senzora (tlak pred roztrhnutím). Zvyčajne ide o 3-násobok menovitého tlaku. Pri vystavení senzora tomuto tlaku už jeho parametre nebudú v súlade s technickým listom.

Ako funguje piezorezistívny MEMS senzor tlaku

Piezorezistivita

Merný elektrický odpor ρ alebo rezistivita kvantifikuje, ako silno daný materiál kladie odpor toku elektrického prúdu.

Odpor R telesa s dĺžkou ℓ, konštantným prierezom A a merným odporom ρ je potom:

Ak je rezistor vyrobený z kremíka typu p vystavený namáhaniu, potom je zmena odporu v dôsledku ρ (piezoelektrický efekt) mnohonásobne väčšia ako zmena v dôsledku zmeny geometrie (ℓ, A). Preto môžeme zanedbať zmeny spôsobené geometriou a vyjadriť zmenu odporu ako

kde π_L a π_T sú pozdĺžne a priečne piezorezistívne koeficienty a σ_L a σ_T predstavujú pozdĺžne a priečne namáhanie piezorezistorov.

Najjednoduchší praktický senzor

Najjednoduchší praktický tlakový senzor pozostáva zo štyroch piezorezistorov, ktoré sú súčasťou flexibilnej silikónovej membrány. Membrána je vyrobená z kremíkovej doštičky typu n a jej hrúbka je rádovo desiatky µm.

Piezorezistory typu P sú vyrobené na membráne iónovou implantáciou bóru. Ich hrúbka je rádovo niekoľko µm. Membrána sa pôsobením tlaku ohýba, čo vedie k tvorbe oblastí s vysokým ťahovým napätím v blízkosti okrajov, a práve v týchto oblastiach sú umiestnené piezorezistory.

Štyri piezorezistory tvoria Wheatstonov mostík. Dva pozdĺžne piezorezistory (R1 a R3) zvyšujú svoj odpor pri ťahovom napätí a dva priečne piezorezistory (R2 a R4) znižujú svoj odpor.

Uzly V_s+ (1) a GND (3) sú pripojené k známemu vstupnému napätiu V_in alebo zdroju prúdu I_in. Výstupné napätie V_out sa objavuje medzi uzlami V_o+ (2) a V_o– (4).

Nekompenzované senzory

Tieto typy senzorov obsahujú iba štyri piezorezistory, ktoré sú súčasťou flexibilnej silikónovej membrány. Rezistory tvoria Wheatstonov mostík a sú pripojené k pinom puzdra.

Senzory môžu byť napájané/budené zo zdroja konštantného napätia alebo konštantného prúdu.

Senzory série XGZP160, XGPZ166, XGPZ167, XGPZ168, XGPZ183, XGPZ185 a XGPZ190 je výhodnejšie napájať zo zdroja konštantného prúdu, pretože potom majú nižší TCO (teplotný koeficient ofsetu) a TCS (teplotný koeficient rozpätia).

Série XGZP170 a XGZP182 sú určené na budenie konštantným napätím.

Výstupné napätie pre nominálny tlak (FSS – plný rozsah stupnice) závisí od typu snímača a tlaku a pohybuje sa v rozmedzí od 30 do 120 mV pri napájaní z 5 V alebo 1 mA.

Napríklad: XGZP160040S, snímač relatívneho tlaku 40 kPa napájaný zo zdroja konštantného prúdu 1mA má ofset ±10 mV a výstupné napätia pri nominálnom tlaku 55 – 75 mV alebo 65 mV ±15,4 %.

TCO a TCS je ±0,02 % FS/℃ (typ.) a ±0,05 % FS/℃ (max.) pre teplotný rozsah 0 až 60 °C.

Senzory s kompenzáciou ofsetu a rozsahu

Tieto typy senzorov pridávajú kompenzačné rezistory k nekompenzovanému senzoru. Rezistory sa potom laserom dolaďujú na požadovanú hodnotu, aby sa kompenzoval ofset a rozptyl rozsahu. Na teplotnú kompenzáciu používajú termistor.

Napríklad: Snímač relatívneho tlaku XGZP195050SG, 50 kPa, napájaný z 10 V, má ofset ±1 mV a výstupné napätie pri menovitom tlaku 38,5 – 41,5 mV alebo 40 mV ±3,8 %.

TCO (teplotný koeficient ofsetu) a TCS (teplotný koeficient rozpätia) sú ±20 µV/°C (max.) = ±(0,048 – 0,052) % FS/℃ pre teplotný rozsah 0 až 60 °C, čo sú v skutočnosti celkom dobré hodnoty, pretože TCO a TCS pre snímače napájané napätím sú okolo ±0,2 % FS/℃.

Kalibrované senzory s digitálnym alebo napäťovým výstupom

Tieto typy senzorov používajú špecializovaný ASIC, ktorý kompenzuje odchýlky ofsetu a rozsahu, nelinearitu, opakovateľnosť, tlakovú hysterézu a teplotu. To umožňuje výrobcovi špecifikovať celkovú presnosť, ktorá zohľadňuje všetky vplyvy.

Senzory CFSensor poskytujú buď digitálne rozhranie I2C, alebo napäťový výstup. Väčšina senzorov poskytuje celkovú presnosť ±2 % alebo ±2,5 % z plného rozsahu stupnice (FSS) pre teplotný rozsah 0 až 60 °C. Väčšina senzorov vyžaduje napájacie napätie 5 V, ale výrobca ich dokáže prispôsobiť aj pre napájanie 3,3 V alebo 3 V.

Séria XGZP6891D môže byť napájaná z napätia v rozsahu 2,5 – 5,5 V.

Široký sortiment senzorov tlaku od spoločnosti CFSensor je dostupný na našej webovej stránke. Najčastejšie používané senzory tlaku sú okamžite dostupné priamo z nášho skladu, ďalšie typy vám zabezpečíme na objednávku. Pri výbere vhodného riešenia vám ochotne poradíme. 

Máte záujem o viac informácií k produktom CFSensor alebo o technické poradenstvo pri výbere produktu? Prípadne máte inú otázku či požiadavku? Neváhajte nás kontaktovať, radi vám pomôžeme.

Vyskúšajte si vzorku pre váš projekt

Potrebujete si vyskúšať súčiastku pri vývoji? Vyplňte krátky formulár a my vám radi poskytneme vzorku pre projekt. Každú žiadosť posudzujeme individuálne, preto vás prosíme o stručné predstavenie vášho projektu v nasledujúcom formulári.

Upozornenie: Vzorky poskytujeme len pre projekty do vývoja, nie na súkromné účely jednotlivcom.

Ďakujeme za pochopenie.