浅谈物联网时代压力传感器芯体的选型
在物联网时代,对于液体及气体的压力参数测量会越来越多,例如智慧消防栓,智能水表,智能家居,以及汽车及家电等行业,工程师对如何选择压力传感器芯片的问题上,面对众多原理及不同产品系列(例如充油硅,MEMS,陶瓷电阻/陶瓷电容,应变片,溅射薄膜等),不知如何选择,也不知其优劣,往往人云亦云,不知其所以然。
针对压力传感器工程选型的问题,结合我司多年在自动化及物联网传感器使用的经验,现就不应用场合下,结合压力测量的量程、精度要求、介质种类、及综合成本四个关键指标,就不同种类的压力传
感器选型要点,简要说明如下:
一、 不同量程及行业性质,决定使用何种类型的传感器
对于高中低压的区分,往往存在歧义,一般来讲,在工业领域,在0-100Kpa(1bar)到500Kpa(5bar),属于低压应用,5bar-600bar,中压领域,600bar以上,属于高压领域。每个行业使用的压力传感器往往有其行业的特点,例如汽车行业,陶瓷压力传感器应用广泛,对于三一重工等液压行业,属于高压领域,采用溅射薄膜居多,在选型时,这些行业使用的经验具有指导性的作用,多与行业人士沟通,其选型的逻辑及理由,非常重要。
低压领域,例如医疗用呼吸机属于低压领域,在这段量程范围以使用MEMS,扩散硅传感器芯片居多,但在某些行业,例如食品,考虑卫生要求,以及喷墨打印机有耐腐蚀要求,也有选择尺寸比较大的陶瓷电容或陶瓷电阻,例如E+H公司部分产品,可以在+-7Kpa范围内使用,用于液位及压力测量,陶瓷压阻式产品也可以测量到此量程,其传感器芯体直径在32mm左右。
在中压领域(5-600bar),对于不存在3倍以上爆破压力的地方,普通凹膜陶瓷压阻式压力传感器完全可以胜任,例如几乎95%以上的空压机均采用陶瓷压阻式压力传感器,加上近年来在陶瓷压阻传感器结构改良方面,参照陶瓷电容的结构,已经开发出平膜陶瓷压阻式传感器产品,其耐爆破压力水平甚至可以超过标称量程10倍以上,加上陶瓷良好的耐高温,耐腐蚀特性,不受测量介质介电常数影响的特点,基本上在中压测量领域,以极高的性价比成为中压测量领域的首选。
在高压领域,例如建筑机械,压铸机,注塑机等,传感器对耐受液压冲击要求有比较强的能力,一般来说会采用金属弹性体作为压力传感器的首选,主要原因在于对比陶瓷,金属(一般采用17-4PH材质)有比较好的韧性,在爆破压力方面其可靠性会相对陶瓷要好。
在高压方面,传感器主要采用有溅射薄膜及应变片作为压力传感器芯片,其信号输出均在1-2mV/V,我司针对高压此应用,结合我司材料及工艺技术优势,正在开发适用在高压领域的产品,将推出厚膜金属高压传感器,其工艺与陶瓷压阻式原理相同,信号输出会在2-3 mV/V,采用激光修调,主动温补等我司独特工艺,其性能将高于以上溅射薄膜及金属应变片原理的产品,抗糯变,高精度产品,可量产的金属厚膜传感器属于行业内首创产品,敬请期待!
二、测量精度的选择原则
对于精度的选择,并非越高越好,以适合应用为原则,高精度的压力传感器,往往价格高昂,许多标称精度比较高的产品,往往存在使用条件的限制,其所指的使用范围是有限的,对于其规格书上标称的条件,要进行仔细审核及验证才可以使用,否则会误导工程师。
从传感器输出信号大小来分,在相同压力量程下,MEMS及扩散硅产品满量程输出在5-20mV/V,厚膜陶瓷传感器在2-4mV/V,(我司产品在3mV/V以上),溅射薄膜及应变片输出在1-2mV/V,单从参数来说MEMS与扩散硅比较高,陶瓷压阻要次之,溅射薄膜及应变片更低,按理来说,其测量精度要高,实际上,由于MEMS与扩散硅产品,采用半导体工艺制作敏感电阻,除应力外,敏感电阻的变化其受温度影响极大(TCR在2000-3000ppm以上),在应用时,由于温度影响,综合精度并非像输出比例那样,使用及标定时需要充分的温补及标定才能达到理想值。现在随着高精度模拟及数字集成电路的发展,后端放大IC,ASIC的处理能力已经达到24bit ADC,并且其单颗成本大幅度下降,虽然陶瓷压阻式压力传感器输出信号值相较MEMS稍低,但只要输出型号稳定,如采用128倍甚至256倍前级放大,后置电路采用高位(16-24bit)ADC的后端模数转换电路,(市售采用专用的混合ASIC已经达到24位ADC),其综合测量精度不在扩散硅以下,并能够满足实际的需要(0.5%FS-1%FS以内),陶瓷压阻式压力传感器的精度
正在提高,逐渐替代扩散硅等产品,在工业及民用领域得到大量的应用。
三、 测量介质,极限使用范围
测量介质分为气体及液体,气体中又分为洁净气体与含水,含油气体,液体也分为油水等介质,主要是导电率,介电常数,化学成分不一样,一般来讲,MEMS及扩散硅无法与实际空气及液体接触,必须采用充油硅或其他胶体进行隔离,得益于陶瓷压阻式压力传感器采用陶瓷膜片,由于陶瓷材料耐腐蚀,不受介质介电常数影响(陶瓷电容式压力传感器,如不在接触面进行端面隔离,其电容量会受到接触介质的介电常数影响,无法精准测量水,含水油类物质等压力)。
在某些领域使用时,MEMS及扩散硅相应速度及耐环境特性受到其材料限制,无法在超过120度下使用,民用级别产品甚至在80度以上出现温度飘移,所以MEMS及扩散硅产品每颗均需要在不同温度下补偿及标定,成本居高不下,而陶瓷厚膜压力传感器产品,其敏感电阻温度系数在100ppm以下,敏感度温度系数低于10ppm(我司实测数据),加上我司独创的主动温补激光调节工艺,在-40度到125度范围内,在一定精度内,可以实现零温飘的功能。
四、 综合成本
物联网时代,对压力传感器的要求是大批量,高可靠,低成本,精度满足使用需求,在传感器选型时,除以上所述的技术因素外,成本也是必须要考虑的因素,成本不仅仅是材料成本,也包括调试成本,维修成本,采购渠道及可替代性,交货期等等,是一个多种综合因素的组合。
一般来讲,如采用MEMS及扩散硅芯片需要二次充油及封装,单颗模组价格在60-200元之间,后续组装成本及标定成本也是非常贵,综合来说,市场价格在300-400元是正常的区间。
近年来,除SENSATA外,国产陶瓷电容的芯体在10-20元,不算贵,但后端电容处理电路ASIC昂贵(8-20元),而且此类芯片基本掌握在日本瑞萨RESAS(原IDT),SENSATA,迈来芯等少数几家公司手中,综合成本在30元左右,基本用在汽车及空调压力传感器上,如采用此方案或受制于人,生产成本也是比较贵溅射薄膜芯体价格昂贵,焊接成本贵,应变片产品存在粘接成本高,产品不稳定等特点,无法大批量使用,适合小量生产。
能够符合大批量,高可靠,低成本,精度满足使用需求几点要求,并能够拿到国产化的调理芯片的压力传感器种类只有陶瓷压阻类压力芯体,其综合成本最低。
我司已经建成国内最大的陶瓷压阻式压力传感器自动生产线,内部电路采用高稳定性电路及主动温补工艺,在传感器标定时只需针对压力进行标定,可以大幅度降低调试成本,结合国内久好电子,纳芯微电子等国产调理芯片,可以实现核心器件及芯片自主可控,从而实现低价格,大批量生产及应用的前景。
对于有诚意登记并通过我司审核的公司及个人,我司承诺免费提供开发样品及技术支持,以良好品质,优惠价格,优良服务为宗旨,欢迎各位工程师咨询!