揭示工業應用中MEMS壓力傳感器的基礎知識

2022-03-24

揭示工業應用中MEMS壓力傳感器的基礎知識

壓力傳感器用于工業市場的各種應用。不斷的改進使這些傳感器能夠實現新的應用，而不僅僅是在蒸汽和流體壓力檢測等傳統應用中的使用。 

最近，新的低功耗傳感器技術的出現，具有更小的尺寸、更集成的功能、更好的經濟性和更廣泛的工作電源電壓，使創新者能夠為物聯網 (IoT)應用部署傳感器。此外，這些傳感器有助于重新努力創造更具可持續性的產品，這些產品消耗更少的功率并嵌入額外的創新功能。 

在關注應用方面，本文解釋了工業應用中檢測壓力的方法和技術。我們還討論了微機電傳感器 (MEMS)技術，示例如圖 1 所示。

圖 1. MEMS壓力傳感器示例。 

許多現代壓力傳感器都使用MEMS，我們將深入探討其全部功能。我們還回顧了每個主要屬性的優點和局限性以及對各種工業用例的適用性。 

了解壓力傳感的壓力

壓力表示施加在具有給定單位面積的表面上的力。報告壓力的常用單位包括“帕斯卡”、“巴”和磅/平方英寸 (“PSI)”。傳感器類型或應用程序通常定義要使用的單位。例如，在水位應用中，巴或毫巴通常表示壓力值。在汽車輪胎壓力應用中，PSI 更為常見。

通過測量氣壓，壓力也可用于測量垂直距離或高度。以海平面高度為參考，標準海平面為 1013.25 mb（毫巴）。從海平面移動到更高或更低的高度會改變氣壓。這是因為傳感器上方的氣柱質量取決于傳感器的位置。較高的高度具有較低的空氣質量頭頂，因此較低的壓力。

傳感器還可以測量液體、氣體和固體的壓力，以測量深度、調節流量或出于許多其他原因提供反饋。 

壓力傳感器的類型

一般來說，工業應用中最常用的壓力傳感器有三種：表壓、絕壓和差壓。 

表壓 

表壓參考大氣壓或環境壓力的測量值，通常為 14.7 PSI 或 1013.25 mb。“正”壓力是高于環境的壓力，“負”壓力是低于環境的壓力。表壓在長時間測量壓力的應用中最有用，幾乎不需要額外校準。

絕對壓力 

這種類型的壓力是在絕對真空下測量的。完全真空的絕對壓力為零 PSI。絕對壓力傳感器在必須檢測低于大氣壓的壓力的應用中非常有用。例如，高度計是一種絕對壓力傳感器，用于檢測海平面以上或以下的高度。 

不同的壓力 

這種壓力類型是測量壓力和第二個參考壓力之間的差值。參考壓力可以是大氣壓力（表壓）或可以高于或低于被測量壓力的其他壓力。差壓傳感器在測量流量時特別有用。

在工業應用中使用壓力傳感器

壓力傳感器在工業應用中有許多用例，并且已經使用了幾種已知的方法數十年。然而，趨勢是開發更小、更智能、更節能的傳感器，以使最終應用受益。

使用MEMS壓力傳感器進行液位檢測

當今廣泛使用的一種應用是罐中的水位或液位檢測。 

圖2是使用MEMS壓力傳感器的液位測量系統的框圖。 

圖 2：使用單個絕對壓力傳感器進行水位測量 

該系統在許多應用中都很常見，包括消費或工業洗衣機、呼吸設備、咖啡機和其他液位檢測系統。 

這種MEMS傳感器方法特別適用于需要自動化測量的物聯網應用。例如，液體難以接近，因此無法使用量油尺或目視浮標進行測量的應用非常適合這些傳感器。 

MEMS壓力傳感器使用單個絕對（大氣壓）壓力傳感器檢測水位，該傳感器連接到插入流體中的軟管或膠管。MEMS傳感器必須位于要測量的流體上方。 

液體部分填充口香糖管，用液體代替空氣，迫使空氣流向壓力傳感器。傳感器不需要接觸液體并通過管中的空氣壓力來測量它，這很容易與容器中的液體量相關聯。容器中的液體越多，管中的壓力就越高。

使用絕對壓力傳感器進行液位測量

當使用單個絕對壓力傳感器進行液位測量時，應用軟件應管理零偏移。零偏移設置在用液體填充容器之前的零壓力參考。隨后的壓力測量值以該零參考為參考。

一些應用程序可以使用微控制器單元 (MCU) 和專用軟件例程設置零參考。 

具有內置藍牙連接的智能傳感器通常會這樣做，以允許無線監控傳感器。在這些系統中，遠程訪問是強制性的，第二個壓力傳感器可以作為參考，本質上是創建一個差分傳感器。圖 3 顯示了第二個絕對壓力傳感器作為零參考，有效地模擬了差分傳感器。 

圖 3：使用兩個絕對壓力傳感器的水位測量  

第二個傳感器不斷測量環境空氣壓力，然后可以從壓力值中減去該壓力值以獲得管中的表壓。

將壓力傳感器用于無人機和機器人應用

無人機和機器人應用是壓力傳感器的其他關鍵應用。無人機使用氣壓傳感器來檢測高度，這對于高度保持非常有用。

由于傳感器體積小、功耗低、噪聲低、精度高和抗振動性，現代壓力傳感器可以檢測到 <3 m 的絕對高度，而可檢測到的最小高度變化僅為幾厘米。 

為了避免碰撞，高度或 z 軸（如圖 4 所示）組件在無人機必須在允許的高度或“槽”內飛行的情況下極為重要。

圖 4：無人機應用中的Z軸（高度）尺寸

與無人機中的高度計應用類似，壓力傳感器可以檢測遠程信息處理和資產跟蹤應用中的飛機起飛和降落。 

例如，當機艙門在起飛前關閉時，壓力傳感器會檢測飛機內的瞬時壓力變化（圖 5）。 

圖 5.使用壓力傳感器檢測飛機起飛和著陸

該傳感器可以在起飛時關閉資產跟蹤器GPS，以延長系統的電池壽命。在當地政府法規規定在飛行中使用GPS無線電的市場中，控制GPS活動也很重要。 

用于空氣、氣體和液體的流量和泄漏檢測的工業壓力傳感器的應用正在增長。芯片制造商對大多數現代壓力傳感器進行了預校準，這些傳感器已經在整個溫度范圍內產生了高精度的輸出。使用兩個絕對壓力傳感器來測量氣體或空氣的流量是一種新興的低成本且可以實現的優雅方法（圖 6）。  

圖 6.使用兩個絕對壓力傳感器的流量

這種方法將兩個絕對壓力傳感器放置在一個大腔和小腔中，并檢測每個腔中的壓力。對于任何氣流，小部分的壓力較高，而較大的腔體中的壓力較低。測量管道上的壓力差可以計算流量。

利用MEMS技術進行壓力傳感

總而言之，壓力傳感器有很多不同的類型，而MEMS技術的進步使半導體行業能夠大批量生產經濟的壓力傳感器。 

小尺寸、低功耗、嵌入式補償和堅固的封裝使MEMS壓力傳感器能夠用于許多以前可能的工業應用。

現代工業系統使用多種傳感器技術來部署運行效率更高、能源浪費更少的系統。