如何为设计匹配最合适的气压传感器?这份“3483”选型法则请收好

物联网与传感器 时间:2022-11-25来源:ST

意法半导体的气压传感器已经越来越多地被用于智能手机,平板电脑和可穿戴技术中,并为精准的高度位置监测以及预测性维护等新工业应用打开大门。那该如何根据设计需求选择合适的气压传感器?关注哪些具体参数?选品上需要考虑哪些技术细节?2022年最新的气压传感器组合有哪些?气压传感器又有什么新的应用方向?通过本文介绍的“3483”选型法则,希望您能获得必要的信息,为下一个设计匹配出最理想的气压传感器。


了解3种压力测量方法及4种制作技术,选择合适自己设计的那款


气压传感器用于检测气体或液体的气压。作为一种换能器,气压传感器将所施加的气压转换成模拟或数字输出信号,通常根据气压测量类型以及压敏技术进行分类。


测量气压有三种方法:


✦ 绝压:绝压是相对于理想真空测量的气压。如果把绝对气压传感器放在空气中,那么传感器将读取该位置的实际气压。因此,绝对气压传感器受到海拔变化和天气变化等影响。


✦ 差压:两个气压源之间测得的气压差。


✦ 表压:当其中一个气压源为环境气压时,测得的气压差就叫做表压。


明确了测压方法后,还需要意识到气压传感器制作时所采用的不同原理将直接影响到检测的精度、范围、传感器尺寸以及适用的环境。以下是最常用的几种压敏技术:


✦ 压阻式气压传感器:利用压阻效应,检测施加气压时安装在膜片上的一个或多个电阻的电阻变化。适用于物联网、工业和医疗等所需的通用压力测试。


✦ 压电式气压传感器:利用压电材料的特性, 检测施加在表面的气压成正比的电荷。适用于高温环境,比如在喷气发动机上进行高动力压力测量。


✦ 电容式气压传感器:检测由玻璃,陶瓷或者硅制成的膜片运动引起的电容变化来测量气压。同样适用于物联网、工业和医疗所需的通用压力测试


✦ 光纤气压传感器:利用光纤中的光效应。适用于石油天然气、航空航天、国防医疗等恶劣环境。


了解气压传感器的8个主要参数


除了气压传感器的基本原理外,您还需要了解相关参数的含义,这也是您选择气压传感器的主要参考依据:


1. 气压范围或量程:传感器能够测量的气压区间。传感器能承受的过压值,也就是当气压传感器回到工作范围内时,设备可以承受并保持功能的最大气压,也应该纳入考量范围。


2. 精准度:绝对精度表示气压传感器输出与实际气压的接近程度。它表示为两个值之间的差值。相对精度则是两次测量之间的误差。


3. 封装:由最终应用环境和大小限制决定。小尺寸,防水封装往往更受青睐。


4. 噪音:简而言之就是与传感器输入变化有关的传感器输出随机变化。


5. 温度系数偏移量:也被称为0压强的温度系数。表示在0气压下偏移量受温度影响的变化值,所以越小越好。


6. 输出数据速率:数据采样的速率。


7. 带宽:可以采样而不产生混叠的最高频率信号。


8. 功耗:对于那些运行在小电池上,以及那些需要尽可能保持电池寿命的应用来说,功耗极其重要。功耗跟ODR和分辨率的选择有很大关系,气压传感器的RMS 噪音也跟带宽和分辨率有关,所以要权衡功耗的分辨率以适合传感器的应用要求。


当然,还有其他参数,如电源电压工作温度、范围、通信接口等等。


打造优秀气压传感器的3大讲究


在掌握这些基本知识后,我们看看制造一款优秀的气压传感器需要哪些构件?


在这里我们以ST意法半导体的传感器产品为例。为了适应更广泛的应用需求,ST气压传感器采用绝压测量, 基于压阻技术。 


✦ 首先在基础的传感构件上,ST采用专有工艺独特结构的悬浮膜,提高抗PCB噪声的能力。


✦ 其次,采用专用集成电路将电阻值转换成数字信号输出,以连接到外部微控制器或处理器。


✦ 最后,在封装上,通常有2种选择:


全包裹式封装,可以提高鲁棒性,可靠性和防潮性,同时减小封装厚度。


防水封装。独特的圆柱封装,全金属的圆柱体组装在陶瓷基板上。再加上O型圈起到防水作用。


那怎么来提高和验证封装的可靠性?


对于全包裹式封装,ST采用6个直径20um的小孔用于感应外界的气压。大气里大部分灰尘的直径大于20um,采用这个直径范围的气孔,灰尘不容易进入导致堵塞。我们做了一个灰尘污染实验,ST气压传感器被放在一个装满灰尘的容器中进行100次循环实验。结果只有不到10%的灰尘会进入封装中,并且参与测试的所有ST气压传感器并没有出现明显的输出漂移,只要6个孔里有一个没有被堵塞,气压计都可以正常工作。市场上其他单孔大于300um的气压计会让80%到100%的灰尘进入设备内部,影响性能。因此气孔的直径和数量是您选择全包裹式封装的一个主要考量。


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✦ 同样,对于防水封装,ST均进行了过压和腐蚀性测试。过压测试中,设备被浸入水中,从正常环境气压到10Bar气压下进行40个循环测试,如果均无气泡参数则足以证明封装的鲁棒性。而腐蚀性测试,则是将设备在热氯、溴、盐水,洗发水、洗手液等不同液体中浸泡,然后进入气候室干燥,循环34次,测试之后,该装置仍然需要表现出高稳定性,不影响精度或其他性能问题。


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只有这些经过严谨封装测试的防尘和防水气压传感器,才能以最佳性能满足无人机、可穿戴智能家居、智能手机、平板电脑这些物联网设备;紧急9-1-1呼叫这些需要准确高度位置的设备;以及水位监测、智能电表等工业设备的多种应用需求。


应用实例: 气压传感器为地理定位带来一个全新的维度


对于拥有多层建筑的复杂城市环境而言,目前的GPS技术并不能提供可靠的三维位置数据。ST的合作伙伴NEXTNAV公司为此提供了一个解决方案。该方案的设计基于气压变化——当人向某一个高度移动时,气压会下降。 如下图所示,在该方案中,首先可穿戴设备或者手机上必须拥有一个优质的气压传感器,比如ST意法半导体的气压传感器产品,


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其次,NextNav当地多个地方均部署了高度监测站,用于测量局部环境气压,校正天气等影响因素,创建出一个高精度的海拔度数,进而确定该设备所处的精确楼层高度,为地理定位带来全新的能力。该方案目前已覆盖全美4400+县市,90%高于3层的建筑。


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图:为定位增加了垂直维度,随着室内电梯运行,左侧轴上的高度定位随之变化


来源:ST

作者:Vivian Wang, Yude Jiang

关键词: ST 气压传感器

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