揭示工业应用(yòng)中MEMS压力传感器的基础知识

2022-03-24

揭示工业应用(yòng)中MEMS压力传感器的基础知识

压力传感器用(yòng)于工业市场的各种应用(yòng)。不断的改进使这些传感器能(néng)够实现新(xīn)的应用(yòng)，而不仅仅是在蒸汽和流體(tǐ)压力检测等传统应用(yòng)中的使用(yòng)。 

最近，新(xīn)的低功耗传感器技术的出现，具有(yǒu)更小(xiǎo)的尺寸、更集成的功能(néng)、更好的经济性和更广泛的工作電(diàn)源電(diàn)压，使创新(xīn)者能(néng)够為(wèi)物(wù)联网 (IoT)应用(yòng)部署传感器。此外，这些传感器有(yǒu)助于重新(xīn)努力创造更具可(kě)持续性的产品，这些产品消耗更少的功率并嵌入额外的创新(xīn)功能(néng)。 

在关注应用(yòng)方面，本文(wén)解释了工业应用(yòng)中检测压力的方法和技术。我们还讨论了微机電(diàn)传感器 (MEMS)技术，示例如图 1 所示。

图 1. MEMS压力传感器示例。 

许多(duō)现代压力传感器都使用(yòng)MEMS，我们将深入探讨其全部功能(néng)。我们还回顾了每个主要属性的优点和局限性以及对各种工业用(yòng)例的适用(yòng)性。 

了解压力传感的压力

压力表示施加在具有(yǒu)给定单位面积的表面上的力。报告压力的常用(yòng)单位包括“帕斯卡”、“巴”和磅/平方英寸 (“PSI)”。传感器类型或应用(yòng)程序通常定义要使用(yòng)的单位。例如，在水位应用(yòng)中，巴或毫巴通常表示压力值。在汽車(chē)轮胎压力应用(yòng)中，PSI 更為(wèi)常见。

通过测量气压，压力也可(kě)用(yòng)于测量垂直距离或高度。以海平面高度為(wèi)参考，标准海平面為(wèi) 1013.25 mb（毫巴）。从海平面移动到更高或更低的高度会改变气压。这是因為(wèi)传感器上方的气柱质量取决于传感器的位置。较高的高度具有(yǒu)较低的空气质量头顶，因此较低的压力。

传感器还可(kě)以测量液體(tǐ)、气體(tǐ)和固體(tǐ)的压力，以测量深度、调节流量或出于许多(duō)其他(tā)原因提供反馈。 

压力传感器的类型

一般来说，工业应用(yòng)中最常用(yòng)的压力传感器有(yǒu)三种：表压、绝压和差压。 

表压 

表压参考大气压或环境压力的测量值，通常為(wèi) 14.7 PSI 或 1013.25 mb。“正”压力是高于环境的压力，“负”压力是低于环境的压力。表压在長(cháng)时间测量压力的应用(yòng)中最有(yǒu)用(yòng)，几乎不需要额外校准。

绝对压力 

这种类型的压力是在绝对真空下测量的。完全真空的绝对压力為(wèi)零 PSI。绝对压力传感器在必须检测低于大气压的压力的应用(yòng)中非常有(yǒu)用(yòng)。例如，高度计是一种绝对压力传感器，用(yòng)于检测海平面以上或以下的高度。 

不同的压力 

这种压力类型是测量压力和第二个参考压力之间的差值。参考压力可(kě)以是大气压力（表压）或可(kě)以高于或低于被测量压力的其他(tā)压力。差压传感器在测量流量时特别有(yǒu)用(yòng)。

在工业应用(yòng)中使用(yòng)压力传感器

压力传感器在工业应用(yòng)中有(yǒu)许多(duō)用(yòng)例，并且已经使用(yòng)了几种已知的方法数十年。然而，趋势是开发更小(xiǎo)、更智能(néng)、更节能(néng)的传感器，以使最终应用(yòng)受益。

使用(yòng)MEMS压力传感器进行液位检测

当今广泛使用(yòng)的一种应用(yòng)是罐中的水位或液位检测。 

图2是使用(yòng)MEMS压力传感器的液位测量系统的框图。 

图 2：使用(yòng)单个绝对压力传感器进行水位测量 

该系统在许多(duō)应用(yòng)中都很(hěn)常见，包括消费或工业洗衣机、呼吸设备、咖啡机和其他(tā)液位检测系统。 

这种MEMS传感器方法特别适用(yòng)于需要自动化测量的物(wù)联网应用(yòng)。例如，液體(tǐ)难以接近，因此无法使用(yòng)量油尺或目视浮标进行测量的应用(yòng)非常适合这些传感器。 

MEMS压力传感器使用(yòng)单个绝对（大气压）压力传感器检测水位，该传感器连接到插入流體(tǐ)中的软管或胶管。MEMS传感器必须位于要测量的流體(tǐ)上方。 

液體(tǐ)部分(fēn)填充口香糖管，用(yòng)液體(tǐ)代替空气，迫使空气流向压力传感器。传感器不需要接触液體(tǐ)并通过管中的空气压力来测量它，这很(hěn)容易与容器中的液體(tǐ)量相关联。容器中的液體(tǐ)越多(duō)，管中的压力就越高。

使用(yòng)绝对压力传感器进行液位测量

当使用(yòng)单个绝对压力传感器进行液位测量时，应用(yòng)软件应管理(lǐ)零偏移。零偏移设置在用(yòng)液體(tǐ)填充容器之前的零压力参考。随后的压力测量值以该零参考為(wèi)参考。

一些应用(yòng)程序可(kě)以使用(yòng)微控制器单元 (MCU) 和专用(yòng)软件例程设置零参考。 

具有(yǒu)内置蓝牙连接的智能(néng)传感器通常会这样做，以允许无線(xiàn)监控传感器。在这些系统中，遠(yuǎn)程访问是强制性的，第二个压力传感器可(kě)以作為(wèi)参考，本质上是创建一个差分(fēn)传感器。图 3 显示了第二个绝对压力传感器作為(wèi)零参考，有(yǒu)效地模拟了差分(fēn)传感器。 

图 3：使用(yòng)两个绝对压力传感器的水位测量  

第二个传感器不断测量环境空气压力，然后可(kě)以从压力值中减去该压力值以获得管中的表压。

将压力传感器用(yòng)于无人机和机器人应用(yòng)

无人机和机器人应用(yòng)是压力传感器的其他(tā)关键应用(yòng)。无人机使用(yòng)气压传感器来检测高度，这对于高度保持非常有(yǒu)用(yòng)。

由于传感器體(tǐ)积小(xiǎo)、功耗低、噪声低、精度高和抗振动性，现代压力传感器可(kě)以检测到 <3 m 的绝对高度，而可(kě)检测到的最小(xiǎo)高度变化仅為(wèi)几厘米。 

為(wèi)了避免碰撞，高度或 z 轴（如图 4 所示）组件在无人机必须在允许的高度或“槽”内飞行的情况下极為(wèi)重要。

图 4：无人机应用(yòng)中的Z轴（高度）尺寸

与无人机中的高度计应用(yòng)类似，压力传感器可(kě)以检测遠(yuǎn)程信息处理(lǐ)和资产跟踪应用(yòng)中的飞机起飞和降落。 

例如，当机舱门在起飞前关闭时，压力传感器会检测飞机内的瞬时压力变化（图 5）。 

图 5.使用(yòng)压力传感器检测飞机起飞和着陆

该传感器可(kě)以在起飞时关闭资产跟踪器GPS，以延長(cháng)系统的電(diàn)池寿命。在当地政府法规规定在飞行中使用(yòng)GPS无線(xiàn)電(diàn)的市场中，控制GPS活动也很(hěn)重要。 

用(yòng)于空气、气體(tǐ)和液體(tǐ)的流量和泄漏检测的工业压力传感器的应用(yòng)正在增長(cháng)。芯片制造商(shāng)对大多(duō)数现代压力传感器进行了预校准，这些传感器已经在整个温度范围内产生了高精度的输出。使用(yòng)两个绝对压力传感器来测量气體(tǐ)或空气的流量是一种新(xīn)兴的低成本且可(kě)以实现的优雅方法（图 6）。  

图 6.使用(yòng)两个绝对压力传感器的流量

这种方法将两个绝对压力传感器放置在一个大腔和小(xiǎo)腔中，并检测每个腔中的压力。对于任何气流，小(xiǎo)部分(fēn)的压力较高，而较大的腔體(tǐ)中的压力较低。测量管道上的压力差可(kě)以计算流量。

利用(yòng)MEMS技术进行压力传感

总而言之，压力传感器有(yǒu)很(hěn)多(duō)不同的类型，而MEMS技术的进步使半导體(tǐ)行业能(néng)够大批量生产经济的压力传感器。 

小(xiǎo)尺寸、低功耗、嵌入式补偿和坚固的封装使MEMS压力传感器能(néng)够用(yòng)于许多(duō)以前可(kě)能(néng)的工业应用(yòng)。

现代工业系统使用(yòng)多(duō)种传感器技术来部署运行效率更高、能(néng)源浪费更少的系统。