Een korte bespreking over het selecteren van druksensorkernen in het IoT-tijdperk

In het IoT-tijdperk is het meten van drukparameters voor vloeistoffen en gassen steeds gebruikelijker in toepassingen zoals slimme brandkranen, slimme watermeters, slimme huizen en de auto- en huishoudelijke apparatenindustrie. Ingenieurs staan vaak voor uitdagingen bij het selecteren van druksensorchips vanwege de verscheidenheid aan principes en productseries die beschikbaar zijn. Een gebrek aan inzicht in de voor- en nadelen kan leiden tot beslissingen gebaseerd op horen zeggen.

Om te helpen bij het selecteren van druksensoren voor technische toepassingen, putten we uit de uitgebreide ervaring van ons bedrijf op het gebied van automatisering en IoT-sensoren. Hieronder volgt een beknopt overzicht van de belangrijkste criteria voor het selecteren van verschillende soorten druksensoren op basis van meetbereik, nauwkeurigheidseisen, mediumtype en totale kosten.

Verschillende bereiken en branchekenmerken bepalen het sensortype

De differentiatie tussen hoge, gemiddelde en lage druk kan vaak dubbelzinnig zijn. In de industriële sector zijn de volgende classificaties gebruikelijk:

• Lage druk:0-100 kPa tot 500 kPa
• Gemiddelde druk:5 bar tot 600 bar
• Hoge druk:Boven 600 bar

Elke industrie heeft zijn eigen specifieke behoeften voor het gebruik van druksensoren. Zo worden keramische druksensoren veel gebruikt in de auto-industrie, terwijl hogedruktoepassingen zoals hydraulische bouwmachines vaak afhankelijk zijn van gesputterde films. Bij het selecteren van een sensor is het cruciaal om met professionals uit de industrie te communiceren om hun selectielogica te begrijpen.

Lagedruktoepassingen

In lagedruktoepassingen, zoals medische ventilatoren, worden MEMS- en diffuus siliciumsensorchips vaak gebruikt. In industrieën zoals de voedselproductie, waar hygiëne van het grootste belang is, of in inkjetprinters die corrosiebestendigheid vereisen, kunnen echter grotere keramische capacitieve of resistieve sensoren de voorkeur hebben. Producten van E+H kunnen bijvoorbeeld meten binnen het ±7 kPa-bereik voor niveau- en drukmeting, met sensorkerndiameters van ongeveer 32 mm.

Middeldruktoepassingen

Voor middeldruktoepassingen, waarbij de druk niet hoger is dan drie keer de barstdruk, zijn standaard concave meniscus keramische resistieve druksensoren vaak voldoende. Meer dan 95% van de luchtcompressoren maakt gebruik van dit type. Recente ontwikkelingen hebben geleid tot vlakke membraan keramische resistieve sensoren die bestand zijn tegen barstdrukken die tien keer het nominale bereik overschrijden. Met hoge temperatuur- en corrosiebestendigheid zijn deze sensoren kosteneffectieve keuzes bij middeldrukmetingen.

Hogedruktoepassingen

In hogedrukscenario's, zoals bouwmachines en spuitgietmachines, moeten sensoren bestand zijn tegen hydraulische schokken. Metalen elastische lichamen hebben de voorkeur vanwege hun superieure taaiheid in vergelijking met keramiek. Metalen zoals 17-4PH bieden een betere betrouwbaarheid met betrekking tot barstdruk.

Voor hogedruktoepassingen gebruiken sensoren voornamelijk gesputterde dunne films en rekstrookjes als druksensorchips, die doorgaans signalen uitsturen in het bereik van 1-2 mV/V. Ons bedrijf ontwikkelt een dikke-film metalen hogedruksensor, die hetzelfde principe volgt als keramische resistieve technologie, met een uitgangssignaal van 2-3 mV/V. Door gebruik te maken van geavanceerde processen zoals lasertrimmen en actieve temperatuurcompensatie, zullen deze sensoren de bestaande producten op de markt overtreffen.

Principes voor het selecteren van meetnauwkeurigheid

Bij het selecteren van nauwkeurigheid is het doel niet altijd om de hoogst mogelijke nauwkeurigheid te kiezen, maar eerder wat geschikt is voor de toepassing. Zeer nauwkeurige druksensoren kunnen duur zijn en veel claims van hoge nauwkeurigheid gaan gepaard met beperkingen op hun gebruiksomstandigheden. Bekijk de datasheet zorgvuldig om misverstanden te voorkomen.

Voor sensore uitgangssignalen in hetzelfde drukbereik hebben MEMS- en diffuus siliciumproducten doorgaans een full-scale output van 5-20 mV/V, dikke-film keramische sensoren geven 2-4 mV/V uit, terwijl gesputterde dunne films en rekstrookjes 1-2 mV/V uitsturen. Hoewel MEMS en diffuus silicium superieur lijken, worden ze sterk beïnvloed door temperatuurvariaties, waardoor adequate temperatuurcompensatie en kalibratie nodig zijn voor optimale prestaties.

Met de ontwikkelingen in geïntegreerde schakelingen bieden backend-versterkings-IC's en ASIC's nu tot 24-bits ADC-verwerking tegen lagere kosten. Hoewel keramische resistieve druksensoren iets lagere uitgangswaarden hebben dan MEMS, kunnen stabiele uitgangssignalen, in combinatie met high-bit ADC-conversie, de nauwkeurigheid van diffuus silicium evenaren of overtreffen. Deze verbetering vergemakkelijkt de geleidelijke vervanging van diffuus siliciumproducten in verschillende industriële en civiele toepassingen.

Meting van media en gebruikslimieten

Gemeten media worden ingedeeld in gassen en vloeistoffen, waarbij gassen verder worden onderverdeeld in schone gassen en gassen die water of olie bevatten. De belangrijkste verschillen liggen in geleidbaarheid, diëlektrische constante en chemische samenstelling. Over het algemeen kunnen MEMS en diffuus silicium niet in direct contact komen met echte lucht of vloeistoffen en hebben ze oliegevuld silicium of andere gels nodig voor isolatie. In tegenstelling hiermee zijn keramische resistieve druksensoren corrosiebestendig en niet beïnvloed door de diëlektrische constante van het medium. In tegenstelling tot keramische capacitieve druksensoren, die moeite hebben om de druk van water of olie met watergehalte zonder isolatie te meten, presteren keramische resistieve sensoren betrouwbaar.

Op bepaalde gebieden beperken de reactiesnelheid en de milieubestendigheid van MEMS en diffuus silicium hun gebruik boven de 120 graden Celsius. Producten van consumentenkwaliteit kunnen temperatuurdrift ervaren boven de 80 graden. Daarom vereist elk MEMS- en diffuus siliciumproduct compensatie en kalibratie bij verschillende temperaturen, wat de kosten verhoogt. In tegenstelling hiermee hebben keramische dikke-film druksensoren een temperatuurcoëfficiënt van weerstand onder de 100 ppm en een gevoeligheidstemperatuurcoëfficiënt onder de 10 ppm. Met onze actieve temperatuurcompensatie en laser-aanpassingstechnologie kunnen ze nul temperatuurdrift bereiken binnen een specifiek nauwkeurigheidsbereik van -40 tot 125 graden.

Uitgebreide kosten

In het IoT-tijdperk moeten druksensoren in massa worden geproduceerd, zeer betrouwbaar, goedkoop en nauwkeurig zijn om aan de toepassingsbehoeften te voldoen. Kostenoverwegingen omvatten materiaalkosten, kalibratiekosten, onderhoud, inkoopkanalen, vervangbaarheid en levertijden.

Doorgaans vereisen MEMS- en diffuus siliciumchips secundaire olievulling en verpakking, met moduleprijzen variërend van 60 tot 200 yuan. Montage- en kalibratiekosten kunnen de marktprijs verhogen tot ongeveer 300-400 yuan.

Onlangs kosten binnenlandse keramische capacitieve kernen tussen de 10-20 yuan. Hoewel betaalbaar, kan de ASIC voor het verwerken van het backend capacitieve circuit duur zijn. Deze chips worden voornamelijk bestuurd door bedrijven als het Japanse Renesas, SENSATA en Melexis, wat leidt tot totale kosten van ongeveer 30 yuan. Ze worden vaak gebruikt in auto- en airconditioningdruksensoren, maar hun afhankelijkheid van externe bronnen kan leiden tot hoge productiekosten.

Gesputterde dunne-filmkernen zijn kostbaar en de laskosten zijn hoog. Rekstrookproducten worden geconfronteerd met hoge lijmkosten en instabiliteit, waardoor ze ongeschikt zijn voor massaproductie en beter geschikt zijn voor kleinschalige toepassingen.

Het enige type druksensor dat voldoet aan de eisen voor massaproductie, hoge betrouwbaarheid, lage kosten en voldoende precisie - terwijl gebruik wordt gemaakt van in eigen land geproduceerde conditioneringschips - is de keramische piëzoresistieve druksensor. Deze sensoren bieden de laagste totale kosten.

Ons bedrijf heeft de grootste geautomatiseerde productielijn voor keramische piëzoresistieve druksensoren in het land opgericht. We gebruiken zeer stabiele circuits en actieve temperatuurcompensatietechnieken. Kalibratie is alleen nodig voor druk, waardoor de kosten aanzienlijk worden verlaagd. Door binnenlandse conditioneringschips van bedrijven als Jiuhao Electronics en Naxon Microelectronics te integreren, kunnen we autonomie en controle over kerncomponenten bereiken, waardoor goedkope, grootschalige productie met veelbelovende toepassingsperspectieven mogelijk wordt.