CFSensor: Od křemíkové destičky k senzoru tlaku

Senzory tlaku CFSensor: Inovace a spolehlivost pro průmyslové aplikace

Pokročilá výrobní technologie, vlastní týmy pro výzkum a vývoj, vědecký systém řízení výroby a přísné standardy pouzdření a testování umožňují společnosti CFSensor výrobu kvalitních senzorů tlaku za mimořádně konkurenceschopné ceny.

Absolutní, relativní a rozdílový tlak

Senzory měří rozdíl tlaků P mezi horní (P₁) a spodní stranou (P₂) membrány. P = P₁ – P₂.

Senzor absolutního tlaku P = P₁ – P₂, protože P₂ = 0 (vakuum), P = P₁.

Senzor relativního tlaku měří P = P₁ – P_A, kde P_A je atmosférický tlak.

P₁ může být vyšší nebo nižší než atmosférický tlak v závislosti na typu senzoru.

Senzor rozdílu tlaků měří P = P₁ – P₂ .

P₁ může byt vyšší nebo nižší než P₂ v závislosti na typu senzoru.

Snímače jsou navrženy tak, aby odolaly 1,5–2násobku jmenovitého tlaku, v závislosti na typu a rozsahu, bez poškození nebo změny parametrů.

Některé typy specifikují i tlak, který dosud nezpůsobil poškození senzoru (tlak před roztržením). Obvykle jde o 3násobek jmenovitého tlaku. Při vystavení senzoru tomuto tlaku už jeho parametry nebudou odpovídat technickému listu.

Jak piezorezistivní MEMS senzor tlaku funguje

Piezorezistivita

Měrný elektrický odpor ρ nebo rezistivita kvantifikují, jak silně daný materiál klade odpor toku elektrického proudu.

Odpor R tělesa s délkou ℓ, konstantním průřezem A a měrným odporem ρ je potom:

Je-li rezistor vyrobený z křemíku typu p vystaven namáhání, pak je změna odporu v důsledku ρ (piezoelektrický efekt) mnohonásobně větší než změna v důsledku změny geometrie (ℓ, A). Proto můžeme zanedbat změny způsobené geometrií a vyjádřit změnu odporu jako

kde π_L a π_T jsou podélné a příčné piezorezistivní koeficienty a σ_L a σ_T představují podélné a příčné namáhání piezorezistorů.

Najjednoduchší praktický senzor

Nejjednodušší praktický tlakový senzor sestává ze čtyř piezorezistorů, které jsou součástí flexibilní silikonové membrány. Membrána je vyrobena z křemíkové destičky typu n a její tloušťka činí řádově desítky µm.

Piezorezistory typu P jsou vyrobeny na membráně iontovou implantací bóru. Jejich tloušťka čítá řádově několik µm. Membrána se působením tlaku ohýbá, což vede k tvorbě oblastí s vysokým tahovým napětím v blízkosti okrajů, a právě v těchto oblastech jsou umístěny piezorezistory.

Čtyři piezorezistory tvoří Wheatstonů můstek. Dva podélné piezorezistory (R1 a R3) zvyšují svůj odpor při tahovém napětí a dva příčné piezorezistory (R2 a R4) snižují svůj odpor.

Uzly V_s+ (1) a GND (3) jsou připojeny ke známému vstupnímu napětí V_in nebo zdroji proudu I_in. Výstupní napětí V_out se objevuje mezi uzly V_o+ (2) a V_o– (4).

Nekompenzované senzory

Tyto typy senzorů obsahují pouze čtyři piezorezistory, které jsou součástí flexibilní silikonové membrány. Rezistory tvoří Wheatstonův můstek a jsou připojeny k pinům pouzdra.

Senzory mohou být napájeny/buzeny ze zdroje konstantního napětí nebo konstantního proudu.

Senzory řad XGZP160, XGPZ166, XGPZ167, XGPZ168, XGPZ183, XGPZ185 a XGPZ190 je výhodnější napájet ze zdroje konstantního proudu, protože potom mají nižší TCO (teplotní koeficient ofsetu) a TCS (teplotní koeficient rozpětí).

Řady XGZP170 a XGZP182 jsou určeny k buzení konstantním napětím.

Výstupné napětí pro nominální tlak (FSS – plný rozsah stupnice) závisí na typu snímače a tlaku a pohybuje se v rozmezí od 30 do 120 mV při napájení pomocí 5 V nebo 1 mA.

Například: XGZP160040S, snímač relativního tlaku 40 kPa napájený ze zdroje konstantního proudu s 1 mA má ofset ± 10 mV a výstupní napětí při nominálním tlaku 55–75 mV nebo 65 mV ± 15,4 %.

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

Senzory s kompenzací ofsetu a rozsahu

Tyto typy senzorů přidávají kompenzační rezistory k nekompenzovanému senzoru. Rezistory se potom laserem dolaďují na požadovanou hodnotu, aby se kompenzoval ofset a rozptyl rozsahu. K teplotní kompenzaci používají termistor.

Například: Snímač relativního tlaku XGZP195050SG, 50 kPa, napájený z 10 V, má ofset ± 1 mV a výstupní napětí při jmenovitém tlaku 38,5–41,5 mV nebo 40 mV ± 3,8 %.

TCO (teplotní koeficient ofsetu) a TCS (teplotní koeficient rozpětí) jsou ±20 µV/°C (max.) = ± (0,048–0,052) % FS/℃ pro teplotní rozsah 0 až 60 °C, což jsou ve skutečnosti celkem dobré hodnoty, protože se TCO a TCS pro snímače napájené napětím pohybují okolo ± 0,2 % FS/℃.

Kalibrované senzory s digitálním nebo napěťovým výstupem

Tyto typy senzorů používají specializovaný ASIC, který kompenzuje odchylky ofsetu a rozsahu, nelinearitu, opakovatelnost, tlakovou hysterezi a teplotu. To umožňuje výrobci specifikovat celkovou přesnost, jež zohledňuje všechny vlivy.

Senzory CFSensor nabízí buď digitální rozhraní I2C, nebo napěťový výstup. Většina senzorů poskytuje celkovou přesnost ± 2 % nebo ± 2,5 % z plného rozsahu stupnice (FSS) pro teplotní rozsah 0 až 60 °C. Většina senzorů vyžaduje napájecí napětí 5 V, ale výrobce je dokáže přizpůsobit i pro napájení s hodnotou 3,3 V nebo 3 V.

Řada XGZP6891D může být napájená napětím v rozsahu 2,5–5,5 V.

Široký sortiment senzorů tlaku od společnosti CFSensor je dostupný na naší webové stránce. Nejčastěji používané senzory tlaku jsou okamžitě dostupné přímo v našem skladu, další typy vám zajistíme na objednávku. Při výběru vhodného řešení vám ochotně poradíme. 

Máte zájem o více informací k produktům CFSensor nebo o technické poradenství při výběru produktu? Případně máte jiný dotaz či požadavek? Neváhejte nás kontaktovat, rádi vám pomůžeme.

Vyzkoušejte si vzorek pro váš projekt

Potřebujete si vyzkoušet součástku při vývoji? Vyplňte krátký formulář a my vám rádi poskytneme vzorek pro projekt. Každou žádost posuzujeme individuálně, proto vás prosíme o stručné představení vašeho projektu v následujícím formuláři.

Upozornění: Vzorky poskytujeme pouze pro vývojové projekty, nikoliv pro soukromé účely jednotlivcům.

Děkujeme za pochopení.