Eine kurze Diskussion über die Auswahl von Drucksensor-Kernen im IoT-Zeitalter

Im Zeitalter des IoT ist die Messung von Druckparametern für Flüssigkeiten und Gase in Anwendungen wie intelligenten Feuerhydranten, intelligenten Wasserzählern, Smart Homes sowie in der Automobil- und Hausgeräteindustrie immer häufiger anzutreffen. Ingenieure stehen oft vor Herausforderungen bei der Auswahl von Drucksensorchips, da eine Vielzahl von Prinzipien und Produktserien verfügbar sind. Ein Mangel an Verständnis über die Vor- und Nachteile kann zu Entscheidungen führen, die auf Hörensagen basieren.

Um bei der Auswahl von Drucksensoren für technische Anwendungen zu helfen, stützen wir uns auf die umfangreiche Erfahrung unseres Unternehmens im Bereich Automatisierung und IoT-Sensoren. Im Folgenden finden Sie einen prägnanten Überblick über die wichtigsten Kriterien für die Auswahl verschiedener Arten von Drucksensoren, basierend auf Messbereich, Genauigkeitsanforderungen, Medientyp und Gesamtkosten.

Unterschiedliche Bereiche und Branchenmerkmale bestimmen den Sensortyp

Die Unterscheidung zwischen hohem, mittlerem und niedrigem Druck kann oft mehrdeutig sein. Im Industriesektor sind folgende Klassifizierungen üblich:

• Niederdruck:0-100 kPa bis 500 kPa
• Mittlerer Druck:5 bar bis 600 bar
• Hochdruck:Über 600 bar

Jede Branche hat ihre eigenen spezifischen Anforderungen an die Verwendung von Drucksensoren. Beispielsweise werden Keramikdrucksensoren in der Automobilindustrie weit verbreitet eingesetzt, während Hochdruckanwendungen wie hydraulische Baumaschinen oft auf gesputterte Filme angewiesen sind. Bei der Auswahl eines Sensors ist es entscheidend, sich mit Branchenexperten auszutauschen, um deren Auswahllogik zu verstehen.

Niederdruckanwendungen

In Niederdruckanwendungen, wie z. B. medizinischen Beatmungsgeräten, werden häufig MEMS- und diffundierte Silizium-Sensorchips verwendet. In Branchen wie der Lebensmittelproduktion, in denen Hygiene oberste Priorität hat, oder in Tintenstrahldruckern, die Korrosionsbeständigkeit erfordern, können jedoch größere keramische kapazitive oder resistive Sensoren bevorzugt werden. Produkte von E+H können beispielsweise im Bereich von ±7 kPa für Pegel- und Druckmessungen messen, mit Sensorkerndurchmessern von etwa 32 mm.

Mitteldruckanwendungen

Für Mitteldruckanwendungen, bei denen der Druck das Dreifache des Berstdrucks nicht überschreitet, sind standardmäßige konkave Meniskus-Keramik-Widerstandsdrucksensoren oft ausreichend. Über 95 % der Luftkompressoren verwenden diesen Typ. Jüngste Fortschritte haben zu flachen Membran-Keramik-Widerstandssensoren geführt, die Berstdrücken standhalten, die das Zehnfache des Nennbereichs übersteigen. Mit hoher Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit sind diese Sensoren kostengünstige Optionen bei Mitteldruckmessungen.

Hochdruckanwendungen

In Hochdruckszenarien, wie z. B. Baumaschinen und Spritzgussmaschinen, müssen Sensoren hydraulischen Stößen standhalten. Metallische elastische Körper werden aufgrund ihrer überlegenen Zähigkeit im Vergleich zu Keramiken bevorzugt. Metalle wie 17-4PH bieten eine bessere Zuverlässigkeit in Bezug auf den Berstdruck.

Für Hochdruckanwendungen verwenden Sensoren hauptsächlich gesputterte Dünnschicht- und Dehnungsmessstreifen als Drucksensorchips, die typischerweise Signale im Bereich von 1-2 mV/V ausgeben. Unser Unternehmen entwickelt einen Dickschicht-Metall-Hochdrucksensor, der nach dem gleichen Prinzip wie die keramische Widerstandstechnologie arbeitet und ein Ausgangssignal von 2-3 mV/V liefert. Durch den Einsatz fortschrittlicher Verfahren wie Laser-Trimming und aktiver Temperaturkompensation werden diese Sensoren bestehende Produkte auf dem Markt übertreffen.

Prinzipien für die Auswahl der Messgenauigkeit

Bei der Auswahl der Genauigkeit geht es nicht immer darum, die höchstmögliche Genauigkeit zu wählen, sondern vielmehr darum, was für die Anwendung geeignet ist. Hochgenaue Drucksensoren können teuer sein, und viele hochgenaue Ansprüche sind mit Einschränkungen hinsichtlich ihrer Einsatzbedingungen verbunden. Überprüfen Sie das Datenblatt sorgfältig, um Missverständnisse zu vermeiden.

Für Sensorausgangssignale im gleichen Druckbereich haben MEMS- und diffundierte Siliziumprodukte typischerweise einen Vollausschlag von 5-20 mV/V, Dickschicht-Keramiksensoren geben 2-4 mV/V aus, während gesputterte Dünnschicht- und Dehnungsmessstreifen 1-2 mV/V ausgeben. Obwohl MEMS und diffundiertes Silizium überlegen erscheinen, werden sie stark von Temperaturschwankungen beeinflusst, was eine angemessene Temperaturkompensation und Kalibrierung für eine optimale Leistung erfordert.

Mit den Fortschritten bei integrierten Schaltungen bieten Backend-Verstärkungs-ICs und ASICs jetzt bis zu 24-Bit-ADC-Verarbeitung zu reduzierten Kosten. Während Keramik-Widerstandsdrucksensoren etwas niedrigere Ausgangswerte als MEMS aufweisen, können stabile Ausgangssignale in Kombination mit einer hochbitigen ADC-Wandlung die Genauigkeit von diffundiertem Silizium erreichen oder übertreffen. Diese Verbesserung erleichtert die schrittweise Ersetzung von diffundierten Siliziumprodukten in verschiedenen Industrie- und Zivilanwendungen.

Messung von Medien und Nutzungsgrenzen

Messmedien werden in Gase und Flüssigkeiten eingeteilt, wobei Gase weiter in reine Gase und solche, die Wasser oder Öl enthalten, unterteilt werden. Die Hauptunterschiede liegen in der Leitfähigkeit, der Dielektrizitätskonstante und der chemischen Zusammensetzung. Im Allgemeinen können MEMS und diffundiertes Silizium nicht in direkten Kontakt mit tatsächlicher Luft oder Flüssigkeiten kommen und erfordern ölgefülltes Silizium oder andere Gele zur Isolierung. Im Gegensatz dazu sind Keramik-Widerstandsdrucksensoren korrosionsbeständig und unbeeinflusst von der Dielektrizitätskonstante des Mediums. Im Gegensatz zu keramischen kapazitiven Drucksensoren, die Schwierigkeiten haben, den Druck von Wasser oder Öl mit Wassergehalt ohne Isolierung zu messen, arbeiten keramische Widerstandssensoren zuverlässig.

In bestimmten Bereichen schränken die Reaktionsgeschwindigkeit und die Umweltbeständigkeit von MEMS und diffundiertem Silizium ihren Einsatz über 120 Grad Celsius ein. Produkte für den Endverbraucher können Temperaturdrift über 80 Grad erfahren. Daher benötigt jedes MEMS- und diffundierte Siliziumprodukt eine Kompensation und Kalibrierung bei verschiedenen Temperaturen, was die Kosten erhöht. Im Gegensatz dazu haben Keramik-Dickschicht-Drucksensoren einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands von unter 100 ppm und einen Empfindlichkeitstemperaturkoeffizienten von unter 10 ppm. Mit unserer aktiven Temperaturkompensation und Laser-Einstelltechnologie können sie eine Null-Temperaturdrift innerhalb eines bestimmten Genauigkeitsbereichs von -40 bis 125 Grad erreichen.

Umfassende Kosten

Im IoT-Zeitalter müssen Drucksensoren in Massenproduktion hergestellt werden, hochzuverlässig, kostengünstig und genau sein, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen. Zu den Kostenüberlegungen gehören Materialkosten, Kalibrierungskosten, Wartung, Beschaffungskanäle, Austauschbarkeit und Lieferzeiten.

Typischerweise erfordern MEMS- und diffundierte Siliziumchips eine sekundäre Ölbefüllung und -verpackung, wobei die Modulpreise zwischen 60 und 200 Yuan liegen. Montage- und Kalibrierungskosten können den Marktpreis auf etwa 300-400 Yuan erhöhen.

In letzter Zeit kosten inländische keramische kapazitive Kerne zwischen 10 und 20 Yuan. Obwohl erschwinglich, kann der ASIC für die Verarbeitung der Backend-Kapazitätsschaltung teuer sein. Diese Chips werden hauptsächlich von Unternehmen wie Renesas, SENSATA und Melexis aus Japan kontrolliert, was zu Gesamtkosten von etwa 30 Yuan führt. Sie werden häufig in Drucksensoren für die Automobilindustrie und Klimaanlagen eingesetzt, aber ihre Abhängigkeit von externen Quellen kann zu hohen Produktionskosten führen.

Gesputterte Dünnschichtkerne sind teuer, und die Schweißkosten sind hoch. Dehnungsmessstreifenprodukte sind mit hohen Klebekosten und Instabilität konfrontiert, was sie für die Massenproduktion ungeeignet macht und besser für kleine Anwendungen geeignet ist.

Der einzige Typ von Drucksensor, der die Anforderungen an Massenproduktion, hohe Zuverlässigkeit, niedrige Kosten und ausreichende Präzision erfüllt – und gleichzeitig im Inland produzierte Konditionierungs-Chips verwendet – ist der keramische piezoresistive Drucksensor. Diese Sensoren bieten die niedrigsten Gesamtkosten.

Unser Unternehmen hat die größte automatisierte Produktionslinie für keramische piezoresistive Drucksensoren des Landes eingerichtet. Wir verwenden hochstabile Schaltungen und aktive Temperaturkompensationstechniken. Eine Kalibrierung ist nur für den Druck erforderlich, was die Kosten erheblich senkt. Durch die Integration von inländischen Konditionierungs-Chips von Unternehmen wie Jiuhao Electronics und Naxon Microelectronics können wir Autonomie und Kontrolle über Kernkomponenten erreichen, was eine kostengünstige, groß angelegte Produktion mit vielversprechenden Anwendungsaussichten ermöglicht.