Μια σύντομη συζήτηση σχετικά με την επιλογή πυρήνων αισθητήρων πίεσης στην εποχή του IoT

Στην εποχή του IoT, η μέτρηση παραμέτρων πίεσης για υγρά και αέρια είναι όλο και πιο συνηθισμένη σε εφαρμογές όπως έξυπνοι πυροσβεστικοί κρουνοί, έξυπνοι μετρητές νερού, έξυπνα σπίτια και οι βιομηχανίες αυτοκινήτων και οικιακών συσκευών. Οι μηχανικοί συχνά αντιμετωπίζουν προκλήσεις κατά την επιλογή τσιπ αισθητήρων πίεσης λόγω της ποικιλίας των αρχών και των σειρών προϊόντων που είναι διαθέσιμες. Η έλλειψη κατανόησης σχετικά με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα μπορεί να οδηγήσει σε αποφάσεις που βασίζονται σε φήμες.

Για να βοηθήσουμε στην επιλογή αισθητήρων πίεσης για μηχανικές εφαρμογές, αντλούμε από την εκτενή εμπειρία της εταιρείας μας στους αισθητήρες αυτοματισμού και IoT. Παρακάτω είναι μια συνοπτική επισκόπηση των βασικών κριτηρίων για την επιλογή διαφορετικών τύπων αισθητήρων πίεσης με βάση το εύρος μέτρησης, τις απαιτήσεις ακρίβειας, τον τύπο μέσου και το συνολικό κόστος.

Διαφορετικά εύρη και χαρακτηριστικά της βιομηχανίας καθορίζουν τον τύπο αισθητήρα

Η διαφοροποίηση μεταξύ υψηλής, μέσης και χαμηλής πίεσης μπορεί συχνά να είναι ασαφής. Στον βιομηχανικό τομέα, οι ακόλουθες ταξινομήσεις είναι συνηθισμένες:

• Χαμηλή πίεση: 0-100 kPa έως 500 kPa
• Μέση πίεση: 5 bar έως 600 bar
• Υψηλή πίεση: Πάνω από 600 bar

Κάθε βιομηχανία έχει τις δικές της συγκεκριμένες ανάγκες για τη χρήση αισθητήρων πίεσης. Για παράδειγμα, οι κεραμικοί αισθητήρες πίεσης χρησιμοποιούνται ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία, ενώ εφαρμογές υψηλής πίεσης όπως τα υδραυλικά μηχανήματα κατασκευών συχνά βασίζονται σε ψεκασμένα φιλμ. Κατά την επιλογή ενός αισθητήρα, είναι ζωτικής σημασίας να επικοινωνείτε με επαγγελματίες του κλάδου για να κατανοήσετε τη λογική της επιλογής τους.

Εφαρμογές χαμηλής πίεσης

Σε εφαρμογές χαμηλής πίεσης, όπως οι ιατρικοί αναπνευστήρες, χρησιμοποιούνται συνήθως τσιπ αισθητήρων MEMS και διαχεόμενου πυριτίου. Ωστόσο, σε βιομηχανίες όπως η παραγωγή τροφίμων όπου η υγιεινή είναι υψίστης σημασίας, ή σε εκτυπωτές inkjet που απαιτούν αντοχή στη διάβρωση, μπορεί να προτιμώνται μεγαλύτεροι κεραμικοί χωρητικοί ή αντιστάθμιστοι αισθητήρες. Για παράδειγμα, προϊόντα από την E+H μπορούν να μετρήσουν εντός του εύρους ±7 kPa για μέτρηση στάθμης και πίεσης, με διαμέτρους πυρήνα αισθητήρα περίπου 32 mm.

Εφαρμογές μέσης πίεσης

Για εφαρμογές μέσης πίεσης, όπου οι πιέσεις δεν υπερβαίνουν τις τρεις φορές την πίεση θραύσης, οι τυπικοί κοίλοι μηνίσκοι κεραμικοί αντιστάθμιστοι αισθητήρες πίεσης είναι συχνά επαρκείς. Πάνω από το 95% των συμπιεστών αέρα χρησιμοποιούν αυτόν τον τύπο. Πρόσφατες εξελίξεις έχουν οδηγήσει σε επίπεδους μεμβρανικούς κεραμικούς αντιστάθμιστους αισθητήρες που μπορούν να αντέξουν πιέσεις θραύσης που υπερβαίνουν τις δέκα φορές το ονομαστικό εύρος. Με αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και διάβρωση, αυτοί οι αισθητήρες είναι οικονομικά αποδοτικές επιλογές σε μετρήσεις μέσης πίεσης.

Εφαρμογές υψηλής πίεσης

Σε σενάρια υψηλής πίεσης, όπως μηχανήματα κατασκευών και μηχανές χύτευσης με έγχυση, οι αισθητήρες πρέπει να αντέχουν υδραυλικά σοκ. Τα μεταλλικά ελαστικά σώματα προτιμώνται για την ανώτερη αντοχή τους σε σύγκριση με τα κεραμικά. Μέταλλα όπως το 17-4PH παρέχουν καλύτερη αξιοπιστία όσον αφορά την πίεση θραύσης.

Για εφαρμογές υψηλής πίεσης, οι αισθητήρες χρησιμοποιούν κυρίως ψεκασμένα λεπτά φιλμ και μετρητές τάσης ως τσιπ αισθητήρων πίεσης, συνήθως εκπέμποντας σήματα στην περιοχή 1-2 mV/V. Η εταιρεία μας αναπτύσσει έναν παχύ φιλμ μεταλλικό αισθητήρα υψηλής πίεσης, ο οποίος ακολουθεί την ίδια αρχή με την κεραμική αντιστάθμιστη τεχνολογία, με σήμα εξόδου 2-3 mV/V. Χρησιμοποιώντας προηγμένες διαδικασίες όπως η κοπή με λέιζερ και η ενεργή αντιστάθμιση θερμοκρασίας, αυτοί οι αισθητήρες θα ξεπεράσουν τα υπάρχοντα προϊόντα στην αγορά.

Αρχές για την επιλογή ακρίβειας μέτρησης

Κατά την επιλογή ακρίβειας, ο στόχος δεν είναι πάντα να επιλέξετε την υψηλότερη δυνατή ακρίβεια, αλλά μάλλον αυτό που ταιριάζει στην εφαρμογή. Οι αισθητήρες πίεσης υψηλής ακρίβειας μπορεί να είναι ακριβοί και πολλές αξιώσεις υψηλής ακρίβειας συνοδεύονται από περιορισμούς στις συνθήκες χρήσης τους. Εξετάστε προσεκτικά το δελτίο δεδομένων για να αποφύγετε παρεξηγήσεις.

Για σήματα εξόδου αισθητήρων στο ίδιο εύρος πίεσης, τα προϊόντα MEMS και διαχεόμενου πυριτίου έχουν συνήθως έξοδο πλήρους κλίμακας 5-20 mV/V, οι κεραμικοί αισθητήρες παχύ φιλμ εκπέμπουν 2-4 mV/V, ενώ τα ψεκασμένα λεπτά φιλμ και οι μετρητές τάσης εκπέμπουν 1-2 mV/V. Αν και τα MEMS και το διαχεόμενο πυρίτιο φαίνονται ανώτερα, επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, απαιτώντας επαρκή αντιστάθμιση θερμοκρασίας και βαθμονόμηση για βέλτιστη απόδοση.

Με τις εξελίξεις στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα IC ενίσχυσης backend και τα ASICs προσφέρουν πλέον επεξεργασία ADC έως και 24 bit σε μειωμένο κόστος. Ενώ οι κεραμικοί αντιστάθμιστοι αισθητήρες πίεσης έχουν ελαφρώς χαμηλότερες τιμές εξόδου από τα MEMS, τα σταθερά σήματα εξόδου, σε συνδυασμό με τη μετατροπή ADC υψηλών bit, μπορούν να ταιριάξουν ή να υπερβούν την ακρίβεια του διαχεόμενου πυριτίου. Αυτή η βελτίωση διευκολύνει την σταδιακή αντικατάσταση των προϊόντων διαχεόμενου πυριτίου σε διάφορες βιομηχανικές και πολιτικές εφαρμογές.

Μέτρηση μέσου και όρια χρήσης

Τα μετρούμενα μέσα ταξινομούνται σε αέρια και υγρά, με τα αέρια να χωρίζονται περαιτέρω σε καθαρά αέρια και σε εκείνα που περιέχουν νερό ή λάδι. Οι κύριες διαφορές έγκεινται στην αγωγιμότητα, τη διηλεκτρική σταθερά και τη χημική σύνθεση. Γενικά, τα MEMS και το διαχεόμενο πυρίτιο δεν μπορούν να έρθουν σε άμεση επαφή με πραγματικό αέρα ή υγρά και απαιτούν πυρίτιο γεμάτο λάδι ή άλλα πηκτώματα για απομόνωση. Αντίθετα, οι κεραμικοί αντιστάθμιστοι αισθητήρες πίεσης είναι ανθεκτικοί στη διάβρωση και δεν επηρεάζονται από τη διηλεκτρική σταθερά του μέσου. Σε αντίθεση με τους κεραμικούς χωρητικούς αισθητήρες πίεσης, οι οποίοι δυσκολεύονται να μετρήσουν την πίεση του νερού ή του λαδιού με περιεκτικότητα σε νερό χωρίς απομόνωση, οι κεραμικοί αντιστάθμιστοι αισθητήρες αποδίδουν αξιόπιστα.

Σε ορισμένους τομείς, η ταχύτητα απόκρισης και η περιβαλλοντική αντοχή των MEMS και του διαχεόμενου πυριτίου περιορίζουν τη χρήση τους πάνω από 120 βαθμούς Κελσίου. Τα προϊόντα καταναλωτικού επιπέδου ενδέχεται να παρουσιάσουν μετατόπιση θερμοκρασίας πάνω από 80 βαθμούς. Έτσι, κάθε προϊόν MEMS και διαχεόμενου πυριτίου απαιτεί αντιστάθμιση και βαθμονόμηση σε διάφορες θερμοκρασίες, αυξάνοντας το κόστος. Αντίθετα, οι κεραμικοί αισθητήρες πίεσης παχύ φιλμ έχουν συντελεστή θερμοκρασίας αντίστασης κάτω από 100 ppm και συντελεστή θερμοκρασίας ευαισθησίας κάτω από 10 ppm. Με την ενεργή αντιστάθμιση θερμοκρασίας και την τεχνολογία ρύθμισης λέιζερ, μπορούν να επιτύχουν μηδενική μετατόπιση θερμοκρασίας εντός ενός συγκεκριμένου εύρους ακρίβειας από -40 έως 125 βαθμούς.

Συνολικό κόστος

Στην εποχή του IoT, οι αισθητήρες πίεσης πρέπει να παράγονται μαζικά, να είναι εξαιρετικά αξιόπιστοι, χαμηλού κόστους και ακριβείς για να καλύψουν τις ανάγκες της εφαρμογής. Οι εκτιμήσεις κόστους περιλαμβάνουν τα έξοδα υλικών, τα έξοδα βαθμονόμησης, τη συντήρηση, τα κανάλια προμήθειας, την αντικαταστασιμότητα και τους χρόνους παράδοσης.

Τυπικά, τα τσιπ MEMS και διαχεόμενου πυριτίου απαιτούν δευτερεύουσα πλήρωση λαδιού και συσκευασία, με τιμές μονάδας που κυμαίνονται από 60 έως 200 γιουάν. Τα έξοδα συναρμολόγησης και βαθμονόμησης μπορούν να αυξήσουν την τιμή της αγοράς σε περίπου 300-400 γιουάν.

Πρόσφατα, οι εγχώριοι κεραμικοί χωρητικοί πυρήνες κοστίζουν μεταξύ 10-20 γιουάν. Ενώ είναι προσιτά, το ASIC για την επεξεργασία του κυκλώματος χωρητικότητας backend μπορεί να είναι ακριβό. Αυτά τα τσιπ ελέγχονται κυρίως από εταιρείες όπως η Renesas της Ιαπωνίας, η SENSATA και η Melexis, οδηγώντας σε συνολικό κόστος περίπου 30 γιουάν. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε αισθητήρες πίεσης αυτοκινήτων και κλιματισμού, αλλά η εξάρτησή τους από εξωτερικές πηγές μπορεί να οδηγήσει σε υψηλό κόστος παραγωγής.

Οι πυρήνες ψεκασμένου λεπτού φιλμ είναι δαπανηροί και τα έξοδα συγκόλλησης είναι υψηλά. Τα προϊόντα μετρητών τάσης αντιμετωπίζουν υψηλό κόστος συγκολλητικών και αστάθεια, καθιστώντας τα ακατάλληλα για μαζική παραγωγή και καταλληλότερα για εφαρμογές μικρής κλίμακας.

Ο μόνος τύπος αισθητήρα πίεσης που πληροί τις απαιτήσεις για μαζική παραγωγή, υψηλή αξιοπιστία, χαμηλό κόστος και επαρκή ακρίβεια—ενώ χρησιμοποιεί εγχώρια παραγόμενα τσιπ ρύθμισης—είναι ο κεραμικός πιεζοαντιστάθμιστος αισθητήρας πίεσης. Αυτοί οι αισθητήρες προσφέρουν το χαμηλότερο συνολικό κόστος.

Η εταιρεία μας έχει δημιουργήσει τη μεγαλύτερη αυτοματοποιημένη γραμμή παραγωγής για κεραμικούς πιεζοαντιστάθμιστους αισθητήρες πίεσης στη χώρα. Χρησιμοποιούμε εξαιρετικά σταθερά κυκλώματα και τεχνικές ενεργού αντιστάθμισης θερμοκρασίας. Η βαθμονόμηση απαιτείται μόνο για την πίεση, μειώνοντας σημαντικά το κόστος. Με την ενσωμάτωση εγχώριων τσιπ ρύθμισης από εταιρείες όπως η Jiuhao Electronics και η Naxon Microelectronics, μπορούμε να επιτύχουμε αυτονομία και έλεγχο των βασικών εξαρτημάτων, επιτρέποντας τη χαμηλού κόστους, μεγάλης κλίμακας παραγωγή με πολλά υποσχόμενες προοπτικές εφαρμογής.