Sensores de presión CFSensor: innovación y fiabilidad para aplicaciones industriales
Gracias a su avanzada tecnología de fabricación, a sus dedicados equipos de I+D, a un enfoque científico de la gestión de la producción y a unas rigurosas normas de embalaje y ensayo, CFSensor es capaz de producir sensores de presión de alta calidad a precios excepcionalmente competitivos.
Presión absoluta, relativa y diferencial
Fundamentalmente, los sensores miden la diferencia de presión (P) entre el lado superior (P1) y el lado inferior (P2) de un diafragma, lo cual se expresa como P = P1 - P2.
Sensor de presión absoluta: En este caso, P = P1 - P2, pero como P2 está sellado a presión cero (vacío), el resultado es simplemente P = P1.
Sensor de presión manométrica (relativa): Mide P = P1 - PA, donde PA representa la presión atmosférica ambiente.
Según el tipo de sensor, P1 puede ser superior o inferior a la presión atmosférica.
Sensor de presión diferencial: Mide la diferencia entre dos presiones, P = P1 - P2.
De nuevo, en función del tipo de sensor, P1 puede ser mayor o menor que P2.
Según el tipo y el rango de presión, los sensores están diseñados para soportar entre 1,5 y 2 veces la presión nominal sin sufrir daños ni desviaciones de los parámetros.
Algunos tipos también especifican un nivel de presión que no llega a causar fallos mecánicos (presión de rotura), normalmente de unas tres veces la presión nominal. Sin embargo, una vez que un sensor se expone a esta presión, sus parámetros dejarán de cumplir las especificaciones de la hoja de datos.
Funcionamiento de un sensor de presión MEMS piezorresistivo
Piezorresistividad
La resistividad eléctrica (ρ) cuantifica en qué medida se opone un material al flujo de corriente eléctrica.
La resistencia R de un cuerpo con longitud ℓ, sección transversal constante A y resistividad ρ es:
Cuando una resistencia hecha de silicio de tipo p se somete a tensión, el cambio de resistencia causado por el efecto piezorresistivo (ρ) es significativamente mayor que cualquier cambio causado por la geometría (ℓ, A). En consecuencia, podemos despreciar los cambios geométricos y expresar el cambio de resistencia como:
Aquí, πL y πT son los coeficientes piezorresistivos longitudinal y transversal, mientras que σL y σT representan la tensión en las piezorresistencias.
El sensor práctico más sencillo
En su forma más simple, un sensor de presión práctico consta de cuatro piezorresistencias integradas en un diafragma flexible de silicio. El diafragma es una oblea de silicio de tipo n, normalmente de decenas de micrómetros (µm) de espesor.
En él se implantan piezorresistencias de tipo P con iones de boro, de apenas unos micrómetros de espesor. La presión dobla el diafragma, creando zonas de alta tensión de tracción cerca de los bordes, exactamente donde se colocan las resistencias.
Estas cuatro resistencias forman un puente de Wheatstone. Las dos resistencias longitudinales (R1, R3) aumentan la resistencia bajo tensión, mientras que las transversales (R2, R4) disminuyen la resistencia.
Los nodos Vs+ (1) y GND (3) se conectan a una tensión de entrada conocida Vin o a una fuente de corriente Iin. La tensión de salida Vout aparece entre los nodos Vo+ (2) y Vo- (4).
Sensores no compensados
Estas unidades sensoras contienen únicamente las cuatro piezorresistencias sobre un diafragma flexible de silicio, formando un puente de Wheatstone que está conectado directamente a las patillas del encapsulado.
Pueden alimentarse mediante tensión constante o corriente constante; sin embargo, en el caso de las series XGZP160, XGPZ166, XGPZ167, XGPZ168, XGPZ183, XGPZ185, y XGPZ190, se recomienda una fuente de corriente constante, ya que ofrece mejores coeficientes de temperatura TCO (offset) y TCS (span).
Sin embargo, las series XGZP170 y XGZP182 están diseñadas para tensión constante.
En función del sensor y de la presión, verá una salida nominal (FSS son las siglas de Full Scale Span, «salida a fondo de escala») de entre 30 y 120 mV a 5 V o 1 mA.
| Importante: Las tolerancias de fabricación implican que la tensión de salida no es cero a presión cero (offset), y que sensores con especificaciones idénticas seguirán mostrando niveles de salida ligeramente diferentes a la misma presión. Los valores de offset y de FSS dependen también de la temperatura. Si bien el valor de offset se puede compensar con relativa facilidad, esto no ocurre con las variaciones de FSS ni los efectos de la temperatura. Si su aplicación requiere una mayor precisión, la mejor opción es un sensor con compensación de offset y span, o un sensor totalmente calibrado. |
Ejemplo: El sensor de presión manométrica XGZP160040S (40 kPa), alimentado por una fuente de corriente constante de 1 mA, tiene un valor de offset de ± 10 mV y una tensión de salida a presión nominal de 55...75 mV (65 mV ± 15,4 %).
Los valores de TCO y TCS son de ± 0,02 %FS/°C (típ.) y ± 0,05 %FS/°C (máx.) en un intervalo de temperatura de 0 a 60 °C.
Sensores con compensación de offset y span
Estas unidades de sensor toman el núcleo no compensado e incorporan resistencias recortadas por láser para compensar la dispersión de offset y span. También incluyen un termistor para compensar la temperatura.
Ejemplo: El sensor de presión manométrica XGZP195050SG (50 kPa, manómetro, 10 V), tiene un valor de offset de ± 1 mV y una tensión de salida a presión nominal de 38,5...41,5 mV, o 40 mV ± 3,8 %.
Los valores de TCO y TCS (coeficientes de temperatura de offset y span) son de ± 20 µV/°C (máx.), lo que corresponde a ± (0,048...0,052) % FS/°C en el rango de temperatura de 0 a 60 °C. Son cifras impresionantes, sobre todo si se tiene en cuenta que los sensores alimentados por tensión suelen presentar valores de TCO y TCS en torno al ± 0,2 % FS/°C.
Sensores calibrados con salida digital o de tensión
Los sensores calibrados van un paso más allá. Utilizan un ASIC específico para compensar los errores de offset y span, la no linealidad, la repetibilidad, la histéresis de presión y los efectos de la temperatura. De este modo, el fabricante puede especificar un único parámetro significativo: la precisión total.
Los sensores de CFSensor ofrecen una I²C interfaz digital o una salida de tensión. La mayoría de los dispositivos alcanzan una precisión total de ± 2 % o ± 2,5 % de FSS (Full Scale Span) en un rango de temperatura de 0 a 60 °C. La mayoría de los sensores funcionan con una alimentación de 5 V, pero también hay disponibles versiones personalizadas para sistemas de 3,3 V o 3 V.
La serie XGZP6891D es compatible con un amplio rango de alimentación de 2,5 a 5,5 V.
| Si se requiere una mayor precisión (por ejemplo, ±1 % de FSS), un funcionamiento a partir de 3,3 V o 3 V, o un rango de tensión de salida personalizado, solo tiene que comunicárnoslo. Abordaremos sus necesidades directamente con el fabricante y nos aseguraremos de encontrar la solución adecuada. |
En nuestro sitio web encontrará una amplia gama de sensores de presión de CFSensor. Disponemos de existencias de los modelos más utilizados, listos para su envío inmediato; las variantes adicionales pueden suministrarse bajo pedido. También estamos a su disposición para ayudarle a seleccionar la solución adecuada para cada aplicación.
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