Датчики давления MEMS

Датчик давления представляет собой устройство, содержащее чувствительный элемент, физический отклик которого в зависимости от приложенного давления и преобразуется в электрический сигнал. Затем идёт преобразование этого сигнала для получения подходящего напряжения. Обычно такие датчики изготавливаются по технологии MEMS и размещаются в корпусах вместе со структурами ASIC. Подготовленные таким образом элементы собираются в модули и целые инженерные системы. Они используются во многих областях: автомобилестроении, медицине, навигации, авиатехника и различные коммунальные устройства.

Датчик давления — общий термин для описания устройства измерения давления, которое может быть датчиком или преобразователем, в зависимости от конструкции. Они создают выходное напряжение, которое изменяется в зависимости от давления, испытываемого чувствительным элементом, восприимчивым к этой физической силе.

Преобразователи давления, как и датчики, производят выходное напряжение, которое изменяется в зависимости от давления. Преобразователь в этом контексте представляет собой сенсорный элемент с соответствующей схемой формирования сигнала, например, для компенсации колебаний температуры, и с усилителем, позволяющим передавать сигналы дальше от источника.

Датчики давления аналогичны преобразователям, но генерируют токовый сигнал на нагрузке с низким сопротивлением. Обычно выход представляет собой стандартный 4 – 20 мА.

Датчики давления имеют множество различных применений, поэтому доступно множество типов с широким спектром характеристик. Выбор датчика давления означает выбор из широкого спектра технологий, пакетов, уровней производительности и функций для удовлетворения многих требований к точному измерению давления.

В зависимости от технологии различают следующие типы датчиков давления:

  • емкостный,
  • пьезорезистивный,
  • по технологии поверхностных акустических волн (ПАВ),
  • по технологии Krystal Bond.

В настоящее время выпускаются в основном датчики по пьезорезистивной или емкостной технологии.

Корпуса и виды оборудования MEMS, работающего под давлением, сильно различаются в зависимости от области применения. Конструкция и технологии изготовления датчиков давления постоянно развиваются, и системы нового поколения обладают явно лучшими параметрами. В последнее время их стали интегрировать в один корпус с датчиками других физических параметров. Примерами являются Bosch: датчик давления, температуры и относительной влажности BME280 и датчик качества воздуха BME680.

Среди многих производителей датчиков давления Bosch явно является лидером как на автомобильном, так и на потребительском рынках. Infineon, Sensata, Denso и Melexis ориентированы в первую очередь на автомобильную промышленность, а ST Microelectronic и Alps Alpine обслуживают потребительский рынок. Только TE Connectivity и NXP также присутствуют на многих рынках. Есть также много других производителей датчиков давления, таких как Omron, Amphenol, Bourns и Maxim.

Датчики давления МЭМС

Механизм пьезоэлектрического или емкостного датчика давления может быть выполнен на кремнии в виде устройства MEMS (микроэлектромеханической системы) и упакован в виде компактной микросхемы для поверхностного монтажа. Устройства MEMS изготавливаются из кремния с использованием процессов легирования и травления. Эти процессы выполняются в масштабе интегрированной структуры, в результате чего крошечное устройство может быть связано с электроникой формирования сигнала. Электронная схема может включать в себя усилитель для аналогового вывода и аналого-цифровой преобразователь для генерирования цифрового вывода.

Емкостные датчики давления

Емкостной датчик давления содержит конденсатор с одной жесткой пластиной и одной гибкой диафрагмой в качестве электродов. Нижний электрод датчика давления выполнен из кремния, легированного n+, а верхний – из гибкой поликремниевой мембраны. А ёмкость пропорциональна расстоянию между электродами.

Измеряемое давление прикладывается к боковой стороне гибкой диафрагмы и возникающее отклонение вызывает изменение ёмкости, которое можно измерить с помощью электрической цепи.

Пьезорезистивные тензодатчики

Пьезорезистивные тензометрические датчики были первыми успешными датчиками давления МЭМС и широко используются в автомобилестроении, медицине и бытовой технике. Токопроводящие сенсорные элементы изготавливаются непосредственно на диафрагме. Изменение сопротивления этих проводников пропорционально деформации и представляет собой меру приложенного давления. Резисторы соединены в мостовую цепь, что позволяет очень точно измерять изменения сопротивления.

Пьезорезистивные элементы можно настроить так, чтобы они подвергались противоположному напряжению (наполовину растянуты и наполовину сжаты), чтобы максимизировать выходную мощность при заданном давлении. Выходное напряжение пропорционально изменению сопротивления.

Датчики давления Krystal Bond

Технология Krystal Bond представляет собой особую технологию датчика давления MEMS. Тензорезисторы молекулярно диффундируют на поверхность металлической мембраны с помощью неорганических материалов и высоких температур. По мере снижения температуры неорганический связующий материал затвердевает и прикрепляет силиконовый тензодатчик к положению над центром, тем самым образуя цельный элемент датчика. При рабочих деформациях менее 15 % от предела текучести металла датчик давления проявляет меньшую усталость, более высокую устойчивость к избыточному давлению и превосходную долговременную стабильность. Благодаря использованию неорганических материалов в процессе соединения тензодатчиков с диафрагмой срок службы чувствительного элемента давления практически не ограничен. Тензорезисторы также обеспечивают высокий выходной сигнал с низкими тепловыми погрешностями.

Датчики по технологии ПАВ

Датчик поверхностных акустических волн (ПАВ или по английски SAW) работает путем передачи вибрации через тонкий слой пьезоэлектрического материала. Волны улавливаются другим преобразователем и преобразуются обратно в электрический сигнал. Изменения амплитуды или фазы акустического сигнала из-за деформации поверхности могут быть измерены для определения давления.

Барометрические датчики

Барометрическое (атмосферное) — это давление, создаваемое весом воздуха в атмосфере Земли. Барометрическое давление можно измерить двумя способами:

  1. абсолютное давление – измеряется по отношению к вакууму;
  2. относительное давление (манометрическое) – измеряется по отношению к окружающему воздуху.

Абсолютное давление связано с высотой над (воображаемым) уровнем моря. Давление от 20 кПа до 110 кПа охватывает весь диапазон высот на Земле, от самой глубокой шахты до вершины Эвереста. На его основе можно рассчитать высоту. Давление зависит от высоты и температуры, которые уменьшают плотность воздуха.

Датчик LPS25HB от STMicroelectronics

Датчик LPS25HB компании STMicroelectronics представляет собой пьезорезистивный датчик абсолютного давления, работающий как цифровой барометр. Это один из списка чипов датчиков давления LPS22xx, LPS25HB, LPS27HHW и LPS33xx. Они отличаются корпусом, рабочим диапазоном, частотой дискретизации и разрешением.

Микросхема LPS25HB включает в себя сенсорный элемент и коммуникационный интерфейс, поддерживающий протокол I2C или SPI. Датчик давления изготавливается по запатентованной МЭМС-технологии, позволяющей сделать датчик давления на монолитном кремниевом чипе. Чувствительный элемент основан на гибкой силиконовой мембране, сформированной над воздушной камерой с контролируемым зазором и определенным внутренним давлением. Диафрагма крошечная по сравнению с традиционными силиконовыми мембранами с микромеханической обработкой.

Приложение давления вызывает деформацию диафрагмы и изменение состояния моста, что генерирует измерительный сигнал. Чип калибруется на заводе, и значения калибровки загружаются в регистры, используемые во время нормальной работы при подаче питания. Цифровые данные измерений вставляются в буфер FIFO на 32 места, который может работать в 7 режимах.

LPS25HB доступен в корпусе LGA (HLGA) и гарантирует работу в диапазоне температур от –30 до +105°С. Корпус имеет отверстие позволяющее внешнему давлению достигать чувствительного элемента. Параметры LPS25HB следующие:

  • диапазон абсолютного давления: от 260 до 1260 гПа,
  • режим высокого разрешения: 0,01 гПа RMS,
  • потребляемый ток: 4 мкА (режим низкого разрешения),
  • сопротивление избыточному давлению: 20 – полная шкала,
  • встроенная температурная компенсация,
  • 24-битные данные о давлении,
  • частота дискретизации давления: от 1 до 25 Гц,
  • интерфейсы SPI и I2C,
  • встроенный буфер FIFO,
  • функции прерывания: Готовность данных, маркеры FIFO, пороги давления,
  • напряжение питания: от 1,7 до 3,6 В,
  • высокая ударопрочность: 10 000 g.

Датчик давления Bosch BMP390L

Bosch BMP390L — это точный пьезорезистивный датчик барометрического давления с точным измерением температуры. Это еще один чип из серии успешных предшественников BMP280, BMP380, BMP388 и BMP390. Он оснащен МЭМС-матрицей и интегральной структурой аналогового усилителя с цифровой схемой (смешанно-сигнальной ASIC). Датчик давления изготавливается по технологии, в которой гибкая диафрагма давления и температурные светодиоды интегрированы в силиконовую подложку. SiP-чип с двумя интегрированными структурами, соединенными проводами, собран в компактном 10-контактном корпусе LGA с металлической крышкой.

Блок-схема представлена на рисунке. Она может работать в трех режимах: спящий, нормальная работа (с автоматическим повторным измерением) и одиночное измерение. Измерение давления и температуры выполняется с 1…32-кратной передискретизацией, устанавливаемой отдельно. Одно измерение дает результаты с разрешением 16 бит. При 32-кратной передискретизации разрешение составляет 21 бит. После измерения данные можно отфильтровать с помощью БИХ-фильтра длиной 2…128 секций. Это позволяет устранить кратковременные помехи, такие как хлопающая дверь. Комбинация настроек дает 6 рекомендуемых режимов измерения. Имеется длинный буфер FIFO (512 Б) с возможностью прореживания входных данных в диапазоне 1…128. Чип включает в себя память с компенсационными коэффициентами для показаний температуры и давления.

Датчик давления охватывает широкий диапазон измерения в сочетании с низким энергопотреблением и высокой эффективностью: 3,2 мкА при частоте дискретизации 1 Гц. Это полезно для реализации устройств с батарейным питанием. Схема обеспечивает высокую температурную стабильность, обычно ± 0,6 Па/К, во всем диапазоне температур и давлений, очень низкую погрешность измерения ± 0,03 гПа и низкий краткосрочный и долгосрочный дрейф.

BMP390L хорошо подходит для требовательных промышленных устройств и приложений IoT (логистика, бытовая техника, точное сельскохозяйственное оборудование, роботы, дроны). Его основными параметрами являются:

  • диапазон рабочего давления: 300…1250 гПа,
  • напряжение питания ядра: 1,2…3,6 В,
  • напряжение питания связи: 1,65…3,6 В,
  • интерфейс связи: I2C и SPI,
  • средний потребляемый ток: 3,2 мкА,
  • абсолютная точность Р = 300…1100 гПа, Т = 0…65°С: ±0,50 гПа,
  • относительная точность Р = 700…1100 гПа, ±0,03 гПа (что соответствует ±25 см),
  • среднеквадратичное значение шума давления: 0,02 Па,
  • коэффициент температурного сдвига (25…40°С при 900 Па): ±0,6 Па/К,
  • долговременная стабильность (12 месяцев): ± 0,16 гПа,
  • максимальная частота дискретизации: 200 Гц.

Датчик качества воздуха Bosch BME680

Bosch BME680 — первая интегральная микросхема, объединяющая датчики газа, барометрического давления, относительной влажности и температуры с высокой линейностью и точностью в одном корпусе. Она была специально разработана для мобильных приложений и носимых устройств, где размер и низкое энергопотребление имеют решающее значение. В зависимости от режима работы BME680 гарантирует оптимизированный износ, долговременную стабильность и высокую устойчивость к электромагнитным помехам.

Микросхема BME680 представляет собой как бы несколько схем в одной: датчик давления и температуры (как в микросхеме BMP280) с датчиком влажности (как в микросхеме BME280) и с дополнительным датчиком газа.

Датчик барометрического давления выполнен по технологии MEMS с использованием измерения сопротивления тонкой мембраны. Датчик относительной влажности выполнен по технологии MEMS с использованием измерения изменения емкости конденсатора с полимерной пленкой. Датчик газа BME680 изготовлен по технологии MOX. Измерение температуры выполняется путем измерения изменения напряжения кремниевого диода. Каждый чип, используемый в микросхеме BME680, содержит датчик температуры. Основные параметры BME680:

  • напряжение питания: 3,3…5 В,
  • диапазон измерения давления: от 300…1100 гПа,
  • максимальная частота дискретизации: 182 Гц,
  • интерфейс связи: I2C и SPI.

Микросхема BME680 заключена в металлический корпус размером 3 х 3 х 1 мм (LGA8). Это дает хорошую невосприимчивость к электромагнитным помехам. Внутренний вид микросхемы BME680 показан на рисунке. Схема построена как SIP (System In Package) с тремя интегрированными структурами CMOS, размещенными на печатной плате (PCB). Цифровой интерфейс и схема цифровой обработки, а также аналого-цифровая схема (усилители и аналого-цифровые преобразователи) выполнены в виде большой ASIC-структуры. Поверх этой конструкции расположена интегрированная структура, содержащая датчик давления и датчик влажности и температуры (левый край). Интегрированная конструкция датчика газа (справа) размещена отдельно.

Серия M5600 от TE Connectivity

Модульный беспроводной преобразователь давления серии M5600 от TE Connectivity из линейки Microfused заключен в корпус из нержавеющей стали и поликарбоната. Датчики изготавливаются в виде пьезорезистивных МЭМС-систем и силиконовых тензорезисторов (Microfused, Krystal Bond). Эти высокоточные беспроводные 24-битные преобразователи с цифровым выходом устраняют необходимость в проводке и обеспечивают дистанционное управление процессом и мониторинг с помощью беспроводной связи Bluetooth 4.0. Беспроводной преобразователь давления серии M5600 подходит для измерения давления жидкости или газа даже в агрессивных средах, таких как загрязненная вода, пар и слабоагрессивные жидкости.

Семейство Infineon XENSIV

Семейство цифровых датчиков барометрического давления XENSIV от Infineon предназначено для мобильных и носимых устройств благодаря их небольшому размеру, высокой точности и низкому энергопотреблению. Измерение давления основано на емкостной технологии, гарантирующей сверхвысокую точность (± 2/± 5 см) и относительную точность (± 0,6 гПа) в широком диапазоне температур. Внутренний сигнальный процессор датчика преобразует выходные данные датчиков давления и температуры в 24-битные результаты. Каждый датчик давления откалиброван индивидуально и включает калибровочные коэффициенты. Коэффициенты используются в приложении для преобразования результатов измерений в фактические значения давления и температуры.

Все датчики имеют FIFO, в котором могут храниться последние 32 измерения. Поскольку хост-процессор может оставаться в спящем режиме в течение длительного времени между операциями чтения, FIFO может снизить энергопотребление системы. Измерения датчиков и коэффициенты калибровки доступны через последовательный интерфейс I2C/SPI.

Датчик барометрического давления DPS310 с очень низким энергопотреблением рекомендуется там, где энергопотребление критично и требуется высочайшая точность измерения давления.

Монолитный чип DPS422 имеет очень маленькую критическую площадь и очень низкий корпус (типа 0,73 мм). В дополнение к точному измерению давления DPS422 также предлагает высокоточное определение абсолютной температуры (± 0,4 ° C). Его можно использовать в таких устройствах, как интеллектуальные метеостанции.

Чип DPS368 обеспечивает высокое разрешение (± 2 см), очень высокую скорость чтения и низкое энергопотребление. Датчик можно использовать в суровых условиях, поскольку он устойчив к воде (IPx8 — 50 м под водой в течение 1 часа), пыли и влаге.

Автомобильные системы контроля давления NXP

Очень большой ассортимент датчиков давления NXP охватывает широкий диапазон диапазонов давления и множество вариантов корпуса. Датчики давления на основе МЭМС обеспечивают надежные решения для оборудования, медицины, потребителей, промышленности и автомобилестроения. Системы контроля давления в шинах (TPMS) могут повысить безопасность автомобиля и снизить расход топлива, что приведет к сокращению выбросов углекислого газа.

Решение NXP для контроля давления в шинах объединяет датчик давления, микроконтроллер, радиочастотный передатчик и одно- или двухосевой акселерометр в одной схеме. Датчики устанавливаются в штоках клапанов или в других местах на ободах или в шинах для обеспечения независимых частых измерений давления воздуха для каждой шины. Эти измерения отправляются на приемник TPMS или в систему управления кузовом (BCM).

Компания предлагает два семейства чипов FXTH87E и меньший NTM88 с аналогичными параметрами. Общая блок-схема системы контроля давления в шинах показана на рисунке. Емкостному датчику давления требуется всего 0,14 мкА тока питания (3 В, 30 кГц). Типичное энергопотребление FXTH87E составляет 5 мА на частоте 434 МГц (5 дБм) и всего 180 нА в режиме остановки. MCU объединяет технологии связи LF и RF. Микросхема LFR потребляет очень мало энергии при приеме низкочастотных сигналов для связи на короткие расстояния. Внутренний ВЧ-передатчик 315/434 МГц состоит из ВЧ-модуля с кварцевым генератором, генератора, управляемого напряжением, фрактальной фазовой автоподстройки частоты и выходного ВЧ-усилителя, прикрепленного к антенне.

Таким образом уменьшение размера датчиков давления открывает новые области применения. Например в смарт-часах и фитнес-мониторах используются небольшие заполненные гелем датчики давления производства TE. Они помогают определить высоту и, следовательно, обеспечивают гораздо более точную индикацию местоположения в сочетании с другими датчиками, такими как приемники GPS и акселерометры.

Системы контроля устойчивости автомобиля могут извлечь выгоду из дополнительной информации предоставляемой датчиками TPMS. В настоящее время данные TPMS передаются с очень большими интервалами и полезны только для определения падения давления в шинах. Интеграция данных о давлении в шинах с контролем устойчивости потребует более частой передачи большего количества данных, что значительно сократит срок службы батареи в существующих конструкциях. Технология сбора энергии, которая извлекает электричество из вибрации шин, позволяет избежать замены или значительно продлить срок службы батарей, питающих узлы TPMS в каждой шине.