設(shè)計(jì)工程師必備干貨：下一代差壓傳感器

　　據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，如今的壓力傳感器幾乎與上世紀(jì)90年代的“運(yùn)算放大器(op-amp)”一樣普遍。從消費(fèi)者的智能手機(jī)到世界上工藝最復(fù)雜的工廠里精密控制儀表，壓力傳感器的應(yīng)用遍布其中。壓力傳感器本身并不新鮮，但究其技術(shù)和器件本身，差異卻很大。本文旨在幫助設(shè)計(jì)工程師快速了解最新的差壓(differential pressure，DP)測量。

　　差壓(DP)傳感器是一種特殊類型的壓力傳感器，它可以測量器件上兩端口間的壓力變化。這種傳感器與只測量單個端口壓力的靜態(tài)或絕對壓力傳感器不同。氣壓計(jì)和高度計(jì)是絕對壓力傳感器的經(jīng)典例子，而飛機(jī)空速傳感器則是DP測量器件的經(jīng)典例子。DP也是一種對流量的測量;因此，許多應(yīng)用將其需求描述為流量測量。

　　低壓值域的DP測量通常用于醫(yī)療、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等應(yīng)用。DP測量的單位是帕斯卡(Pa)或英寸水柱(inH20)，即1.0 Pa= 0.00402 inH20。高精度DP測量則是比0.1 Pa更精確的測量方法。

　　流量和DP的典型終端應(yīng)用包括：

　　1、醫(yī)療設(shè)備：例如，家庭中，被稱為持續(xù)正壓通氣(CPAP)的小型機(jī)器就是利用流量傳感器來幫助用戶調(diào)節(jié)氣流，這種方法有助于治療睡眠呼吸暫停。

　　2、住宅計(jì)量：流量傳感器常用于世界各地的房屋和建筑中的天然氣測量和計(jì)算。

　　3、電器：DP存在于住宅、商業(yè)及工業(yè)氣體等各類燃燒器中，用于控制氣體流向燃燒系統(tǒng)。它們也存在于暖通空調(diào)系統(tǒng)(HVAC systems)中，用于操控特定區(qū)域的加熱和冷卻。

　　4、工業(yè)元器件：閥門、泵和工業(yè)中的其他基本構(gòu)件通常需要精確可靠的流量和DP測量。

　　5、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)：IoT創(chuàng)造了需要高精度的用于空氣質(zhì)量和氣流測量的新型智能消費(fèi)設(shè)備。這些設(shè)備將粒子計(jì)數(shù)器與氣流測量相結(jié)合，來測量空氣中微小的pm2.5顆粒的數(shù)量。已有證據(jù)表明，大量pm2.5顆粒會導(dǎo)致嚴(yán)重的兒童健康問題。

　　近期，新技術(shù)利用“熱式MEMS”傳感實(shí)現(xiàn)了精確DP測量的超低成本。

　　MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng)，Micro-electrical Mechanical Systems)是廣泛使用的、可在硅中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的工藝。下圖呈現(xiàn)了熱工作原理(如圖1)。通過以下示意圖，可以更好地理解熱MEMS壓力傳感。

　　圖1：MEMS流量傳感器理論示意圖

　　MEMS流量傳感器可利用單個或多個加熱器和溫度傳感器來制造。一種簡單的制造方法就是兩個溫度傳感器圍繞一個加熱器，并對稱地放置在左右兩邊。當(dāng)加熱器(即電阻)通過電流加熱時，加熱器周圍就會形成穩(wěn)態(tài)溫度曲線。當(dāng)氣體(介質(zhì))不流動時，對稱的兩個溫度傳感器就會檢測到相同的溫度。當(dāng)氣體流動時(如從左到右)，熱空氣從左向右吹，此時，傳感器的溫度讀數(shù)就是右邊高于左邊。由于溫差與流速成正比(低流速時呈線性&高流速時呈非線性)，我們可通過測量兩個溫度傳感器的溫差來確定流量。

　　在熱式MEMS流量測量實(shí)例中，是利用CMOS工藝的標(biāo)準(zhǔn)材料，通過將ACEINNA MDP200傳感器、MEMS傳感器和信號調(diào)解電路集成在單芯片上，來構(gòu)建MEMS流量傳感器。CMOS工藝中，多晶硅和鋁屬于常用材料，通常用于互連。在熱式MEMS傳感器中，多晶硅可充當(dāng)發(fā)熱件電阻，而多晶硅和鋁則相互接觸，就形成了基于熱電偶的溫度傳感器。

　　使用這種方法，就可在無需任何特殊材料和工藝的情況下構(gòu)建MEMS流量傳感器。信號調(diào)節(jié)電路可自然地與傳感器集成到單個芯片上。這種單片集成電路可實(shí)現(xiàn)尺寸更小、成本更低、精度更高并控制傳感器。集成CMOS電路，就可以監(jiān)控低至微開爾文(micro-Kelvin)的溫度差，以允許高分辨率和低流速感應(yīng)。美新半導(dǎo)體推出的熱式微壓差流量傳感器MDP200及其內(nèi)部傳感器，如圖2和圖3所示。

　　圖2：封裝后的流量傳感器

　　圖3：傳感器敏感元件和ASIC

　　低成本半導(dǎo)體流量傳感器可簡單地連接到任何帶有I2C接口的標(biāo)準(zhǔn)微控制器。軟件集成可在幾個小時內(nèi)完成。3.3 V工作電壓下低于10 mA的低功耗也可被普遍接受。在電池驅(qū)動的應(yīng)用中，充電和測量時間加起來僅不到0.1秒，該器件可以循環(huán)使用。

　　在選擇和指定熱式MEMS流量傳感器時，還有以下注意事項(xiàng)：

　　1、氣體類型;

　　2、精確度;

　　3、連接機(jī)制和高度修正。

　　在選擇氣體傳感器時必須考慮氣體類型。典型的氣體傳感器兼容包括空氣、氮?dú)?N2)和氧氣(O2)。ACEINNA的傳感器也兼容二氧化碳(CO2)、氦氣(He)和CH4(甲烷)。流量傳感器返回與流量的比值;因此，描述精度的經(jīng)典術(shù)語有零點(diǎn)(偏移)和跨度(線性)誤差。

　　目前有兩種方法可以確定流量或差速測量設(shè)備的準(zhǔn)確性是否符合需求。其中一種方法，也是最簡單的方法，是考慮制造商的總精度規(guī)范。該規(guī)范結(jié)合了最初的偏移量和跨度誤差，以及受溫度和其他細(xì)微影響的變化。

　　如果這個誤差對于預(yù)期應(yīng)用來說太大，那么就有必要分開考慮每種誤差了。在眾多應(yīng)用中，一旦安裝了設(shè)備，就可以消除初始偏誤，以減少總誤差估計(jì)。在其他應(yīng)用中，所需的范圍可能比設(shè)備規(guī)范要小，因此跨度誤差的貢獻(xiàn)也可能小于總誤差規(guī)范所包含的范圍。

　　最后，如何將流量傳感器連接到流體中，也通常是一項(xiàng)有趣的挑戰(zhàn)。無需直接將設(shè)備插入電流中，可以使用旁路節(jié)流電路(bypass flow circuit)。圖4體現(xiàn)了如何正確設(shè)置壓降電路，這將迫使一部分電流通過該裝置。這種流滴電路(flow drop circuit)一般由流量傳感器制造商定制或提供。

　　圖4：旁路節(jié)流電路可以測量管內(nèi)流量

　　另一個改進(jìn)的問題是，DP傳感器可以要求對精度應(yīng)用進(jìn)行高度修正。高度修正通常是通過在終端設(shè)備上增加一個氣壓計(jì)來完成的。制造商通常會提供一個適當(dāng)?shù)母叨刃拚健Ｔ谳^低精度的應(yīng)用中，則無需這種補(bǔ)償。