简单介绍下一代差压传感器

据麦姆斯咨询报道,如今的压力传感器几乎与上世纪90年代的“运算放大器(op-amp)”一样普遍。从消费者的智能手机到世界上工艺最复杂的工厂里精密控制仪表,压力传感器的应用遍布其中。压力传感器本身并不新鲜,但究其技术和器件本身,差异却很大。本文旨在帮助设计工程师快速了解最新的差压(differential pressure,DP)测量。

 
差压(DP)传感器是一种特殊类型的压力传感器,它可以测量两个压力之间差值的传感器,通常用于测量某一设备或部件前后两端的压差。这种传感器与只测量单个端口压力的静态或绝对压力传感器不同。气压计和高度计是绝对压力传感器的经典例子,而飞机空速传感器则是DP测量器件的经典例子。DP也是一种对流量的测量;因此,许多应用将其需求描述为流量测量。
  
低压值域的DP测量通常用于医疗、工业和物联网(IoT)等应用。DP测量的单位是帕斯卡(Pa)或英寸水柱(inH20),即1.0 Pa= 0.00402 inH20。高精度DP测量则是比0.1 Pa更精确的测量方法。
  
流量和DP的典型终端应用包括:
  
1、医疗设备:例如,家庭中,被称为持续正压通气(CPAP)的小型机器就是利用流量传感器来帮助用户调节气流,这种方法有助于治疗睡眠呼吸暂停。
  
2、住宅计量:流量传感器常用于世界各地的房屋和建筑中的天然气测量和计算。
  
3、电器:DP存在于住宅、商业及工业气体等各类燃烧器中,用于控制气体流向燃烧系统。它们也存在于暖通空调系统(HVAC systems)中,用于操控特定区域的加热和冷却。
  
4、工业元器件:阀门、泵和工业中的其他基本构件通常需要精确可靠的流量和DP测量。
  
5、物联网(IoT):IoT创造了需要高精度的用于空气质量和气流测量的新型智能消费设备。这些设备将粒子计数器与气流测量相结合,来测量空气中微小的pm2.5颗粒的数量。已有证据表明,大量pm2.5颗粒会导致严重的儿童健康问题。
  
近期,新技术利用“热式MEMS”传感实现了精确DP测量的超低成本。
  
MEMS(微电子机械系统,Micro-electrical Mechanical Systems)是广泛使用的、可在硅中创建结构的工艺。下图呈现了热工作原理(如图1)。通过以下示意图,可以更好地理解热MEMS压力传感。
简单介绍下一代差压传感器
                                                                    图1:MEMS流量传感器理论示意图
  
MEMS流量传感器可利用单个或多个加热器和温度传感器来制造。一种简单的制造方法就是两个温度传感器围绕一个加热器,并对称地放置在左右两边。当加热器(即电阻)通过电流加热时,加热器周围就会形成稳态温度曲线。当气体(介质)不流动时,对称的两个温度传感器就会检测到相同的温度。当气体流动时(如从左到右),热空气从左向右吹,此时,传感器的温度读数就是右边高于左边。由于温差与流速成正比(低流速时呈线性&高流速时呈非线性),我们可通过测量两个温度传感器的温差来确定流量。
  
在热式MEMS流量测量实例中,是利用CMOS工艺的标准材料,通过将ACEINNA MDP200传感器、MEMS传感器和信号调解电路集成在单芯片上,来构建MEMS流量传感器。CMOS工艺中,多晶硅和铝属于常用材料,通常用于互连。在热式MEMS传感器中,多晶硅可充当发热件电阻,而多晶硅和铝则相互接触,就形成了基于热电偶的温度传感器。
  
使用这种方法,就可在无需任何特殊材料和工艺的情况下构建MEMS流量传感器。信号调节电路可自然地与传感器集成到单个芯片上。这种单片集成电路可实现尺寸更小、成本更低、精度更高并控制传感器。集成CMOS电路,就可以监控低至微开尔文(micro-Kelvin)的温度差,以允许高分辨率和低流速感应。美新半导体推出的热式微压差流量传感器MDP200及其内部传感器,如图2和图3所示。
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                                                                    图2:封装后的流量传感器
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