Sensori di pressione CFSensor: innovazione e affidabilità per applicazioni industriali
Grazie a una tecnologia di produzione avanzata, a gruppi di ricerca e sviluppo dedicati, a un approccio scientifico alla gestione della produzione e a rigorosi standard di confezionamento e collaudo, CFSensor è in grado di produrre sensori di pressione di alta qualità a prezzi eccezionalmente competitivi.
Pressione assoluta, relativa e differenziale
Fondamentalmente, i sensori misurano la differenza di pressione, P, tra il lato superiore (P1) e il lato inferiore (P2) di un diaframma, espressa come P = P1 - P2.
Sensore di pressione assoluta: In questo caso, P = P1 - P2, ma poiché P2 è sigillato a pressione zero (vuoto), il risultato è semplicemente P = P1.
Sensore di pressione manometrica (relativa): Misura P = P1 - PA, dove PA rappresenta la pressione atmosferica ambiente.
A seconda del tipo di sensore, P1 può essere superiore o inferiore alla pressione atmosferica.
Sensore di pressione differenziale: Misura la differenza tra due pressioni, P = P1 - P2.
Anche in questo caso, a seconda del tipo di sensore, P1 può essere superiore o inferiore a P2.
A seconda del tipo e dell’intervallo di pressione, i sensori sono progettati per resistere a una pressione pari a 1,5-2 volte quella nominale senza subire danni o variazioni dei parametri.
Alcuni tipi specificano anche un livello di pressione che non provoca ancora guasti meccanici (pressione di scoppio), tipicamente pari a circa tre volte la pressione nominale. Tuttavia, una volta che un sensore è esposto a questa pressione, i suoi parametri non saranno più conformi alle specifiche della scheda tecnica.
Come funziona un sensore di pressione MEMS piezoresistivo
Piezoresistività
La resistività elettrica, ρ, quantifica la resistenza di un materiale al flusso di corrente elettrica.
La resistenza, R, di un corpo di lunghezza ℓ, sezione trasversale costante A e resistività ρ è:
Quando un resistore in silicio di tipo p è sottoposto a sollecitazione, la variazione di resistenza causata dall’effetto piezoresistivo (ρ) è significativamente maggiore di qualsiasi variazione causata dalla geometria (ℓ, A). Per questo motivo, possiamo trascurare le variazioni geometriche ed esprimere la variazione di resistenza come:
Qui πL e πT sono i coefficienti piezoresistivi longitudinali e trasversali, mentre σL e σT rappresentano la sollecitazione sui piezoresistori.
Il sensore pratico più semplice
Nella sua forma più semplice, un sensore di pressione pratico è costituito da quattro piezoresistori integrati in un diaframma flessibile in silicio. Il diaframma è un wafer di silicio di tipo n, tipicamente dello spessore di decine di micrometri (µm).
I piezoresistori di tipo p sono impiantati su di esso utilizzando ioni di boro, dello spessore di pochi micrometri. La pressione flette il diaframma, creando zone di elevata sollecitazione di trazione vicino ai bordi, esattamente dove sono posizionati i resistori.
Questi quattro resistori formano un ponte di Wheatstone. I due resistori longitudinali (R1, R3) aumentano la resistenza sotto tensione, mentre quelli trasversali (R2, R4) la diminuiscono.
I nodi Vs+ (1) e GND (3) sono collegati a una tensione di ingresso nota Vin o a una sorgente di corrente Iin. La tensione di uscita Vout appare tra i nodi Vo+ (2) e Vo- (4).
Sensori senza compensazione
Questi sensori contengono solo i quattro piezoresistori su un diaframma flessibile in silicio, che formano un ponte di Wheatstone, collegato direttamente ai pin del pacchetto.
Possono essere alimentati utilizzando tensione costante o corrente costante, ma per le serie XGZP160, XGPZ166, XGPZ167, XGPZ168, XGPZ183, XGPZ185 e XGPZ190, una fonte di corrente costante è l’approccio migliore, in quanto offre coefficienti di temperatura TCO (offset) e TCS (span) migliori.
Le serie XGZP170 e XGPZ182, invece, sono progettate per la tensione costante.
A seconda del sensore e della pressione, si otterrà un’uscita nominale (FSS – Full Scale Span) compresa tra 30 e 120 mV a 5 V o 1 mA.
| Importante: Le tolleranze di fabbricazione implicano che la tensione di uscita non sia pari a zero a pressione zero (offset) e che sensori con specifiche identiche mostrino, comunque, livelli di uscita leggermente diversi alla stessa pressione. Sia l’offset che l’FSS dipendono anche dalla temperatura. Mentre l’offset può essere compensato con relativa facilità, le variazioni dell’FSS e gli effetti della temperatura non possono essere compensati. Se la tua applicazione richiede una maggiore precisione, la scelta migliore è un sensore con compensazione dell’offset e dello span o un sensore completamente calibrato. |
Esempio: Il sensore di pressione manometrica XGZP160040S (40 kPa), alimentato da una fonte di corrente costante di 1 mA, ha un offset di ±10 mV e una tensione di uscita alla pressione nominale di 55…75 mV (65 mV ±15,4%).
Il TCO e il TCS sono ±0,02 %FS/°C (tipico) e ±0,05 %FS/°C (massimo) in un intervallo di temperatura compreso tra 0 e 60 °C.
Sensori con compensazione dell’offset e dello span
Questi sensori utilizzano il nucleo non compensato e aggiungono resistori regolati al laser per compensare la variazione di offset e span dell’intervallo. Sono inoltre dotate di un termistore per gestire la compensazione della temperatura.
Esempio: Il sensore di pressione manometrica XGZP195050SG (50 kPa, manometrico, 10 V), ha un offset di ±1 mV e una tensione di uscita alla pressione nominale di 38,5…41,5 mV, ovvero 40 mV ±3,8%.
TCO e il TCS (coefficiente di temperatura di offset e span) sono pari a ±20 µV/°C (max.), corrispondenti a ± (0,048…0,052) %FS/°C nell’intervallo di temperatura compreso tra 0 e 60 °C. Si tratta di valori impressionanti, soprattutto se si considera che i sensori alimentati a tensione presentano tipicamente valori di TCO e TCS di circa ±0,2 %FS/°C.
Sensori calibrati con uscita digitale o in tensione
I sensori calibrati fanno un ulteriore passo avanti. Utilizzano un ASIC dedicato per compensare gli errori di offset e span, la non linearità, la ripetibilità, l’isteresi di pressione e gli effetti della temperatura. Ciò consente al produttore di specificare un unico parametro significativo: la precisione totale.
I sensori CFSensor offrono un’interfaccia digitale I²C o un’uscita di tensione. La maggior parte dei dispositivi raggiunge una precisione totale pari a ±2% o ±2,5% del Full Scale Span (FSS) in un intervallo di temperatura compreso tra 0 e 60 °C. La maggior parte dei sensori funziona con un’alimentazione a 5 V, ma sono disponibili anche versioni personalizzate per sistemi a 3,3 V o 3 V.
La serie XGZP6891D supporta un ampio intervallo di alimentazione compreso tra 2,5 e 5,5 V.
| Se hai bisogno di una precisione maggiore (ad esempio ±1% FSS), di un funzionamento a 3,3 V o 3 V o di un intervallo di tensione di uscita personalizzato, comunicacelo pure. Discuteremo le tue esigenze direttamente con il produttore e faremo in modo di trovare la soluzione giusta. |
Sul nostro sito web è disponibile una vasta gamma di sensori di pressione CFSensor. I modelli più comunemente utilizzati sono disponibili a magazzino e pronti per la spedizione immediata, mentre ulteriori varianti possono essere fornite su richiesta. Siamo inoltre a tua disposizione per aiutarti a scegliere la soluzione più adatta alla tua applicazione.
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