揭示工业应用中MEMS压力传感器的基础知识

2022-03-24

揭示工业应用中MEMS压力传感器的基础知识

压力传感器用于工业市场的各种应用。不断的改进使这些传感器能够实现新的应用，而不仅仅是在蒸汽和流体压力检测等传统应用中的使用。 

最近，新的低功耗传感器技术的出现，具有更小的尺寸、更集成的功能、更好的经济性和更广泛的工作电源电压，使创新者能够为物联网 (IoT)应用部署传感器。此外，这些传感器有助于重新努力创造更具可持续性的产品，这些产品消耗更少的功率并嵌入额外的创新功能。 

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

图 1. MEMS压力传感器示例。 

许多现代压力传感器都使用MEMS，我们将深入探讨其全部功能。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例的适用性。 

了解压力传感的压力

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

通过测量气压，压力也可用于测量垂直距离或高度。以海平面高度为参考，标准海平面为 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。这是因为传感器上方的气柱质量取决于传感器的位置。较高的高度具有较低的空气质量头顶，因此较低的压力。

传感器还可以测量液体、气体和固体的压力，以测量深度、调节流量或出于许多其他原因提供反馈。 

压力传感器的类型

一般来说，工业应用中最常用的压力传感器有三种：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，通常为 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。表压在长时间测量压力的应用中最有用，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为零 PSI。绝对压力传感器在必须检测低于大气压的压力的应用中非常有用。例如，高度计是一种绝对压力传感器，用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。参考压力可以是大气压力（表压）或可以高于或低于被测量压力的其他压力。差压传感器在测量流量时特别有用。

在工业应用中使用压力传感器

压力传感器在工业应用中有许多用例，并且已经使用了几种已知的方法数十年。然而，趋势是开发更小、更智能、更节能的传感器，以使最终应用受益。

使用MEMS压力传感器进行液位检测

当今广泛使用的一种应用是罐中的水位或液位检测。 

图2是使用MEMS压力传感器的液位测量系统的框图。 

图 2：使用单个绝对压力传感器进行水位测量 

该系统在许多应用中都很常见，包括消费或工业洗衣机、呼吸设备、咖啡机和其他液位检测系统。 

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

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

液体部分填充口香糖管，用液体代替空气，迫使空气流向压力传感器。传感器不需要接触液体并通过管中的空气压力来测量它，这很容易与容器中的液体量相关联。容器中的液体越多，管中的压力就越高。

使用绝对压力传感器进行液位测量

当使用单个绝对压力传感器进行液位测量时，应用软件应管理零偏移。零偏移设置在用液体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为参考。

一些应用程序可以使用微控制器单元 (MCU) 和专用软件例程设置零参考。 

具有内置蓝牙连接的智能传感器通常会这样做，以允许无线监控传感器。在这些系统中，远程访问是强制性的，第二个压力传感器可以作为参考，本质上是创建一个差分传感器。图 3 显示了第二个绝对压力传感器作为零参考，有效地模拟了差分传感器。 

图 3：使用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。

将压力传感器用于无人机和机器人应用

无人机和机器人应用是压力传感器的其他关键应用。无人机使用气压传感器来检测高度，这对于高度保持非常有用。

由于传感器体积小、功耗低、噪声低、精度高和抗振动性，现代压力传感器可以检测到 <3 m 的绝对高度，而可检测到的最小高度变化仅为几厘米。 

为了避免碰撞，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”内飞行的情况下极为重要。

图 4：无人机应用中的Z轴（高度）尺寸

与无人机中的高度计应用类似，压力传感器可以检测远程信息处理和资产跟踪应用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.使用压力传感器检测飞机起飞和着陆

该传感器可以在起飞时关闭资产跟踪器GPS，以延长系统的电池寿命。在当地政府法规规定在飞行中使用GPS无线电的市场中，控制GPS活动也很重要。 

用于空气、气体和液体的流量和泄漏检测的工业压力传感器的应用正在增长。芯片制造商对大多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。使用两个绝对压力传感器来测量气体或空气的流量是一种新兴的低成本且可以实现的优雅方法（图 6）。  

图 6.使用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腔中，并检测每个腔中的压力。对于任何气流，小部分的压力较高，而较大的腔体中的压力较低。测量管道上的压力差可以计算流量。

利用MEMS技术进行压力传感

总而言之，压力传感器有很多不同的类型，而MEMS技术的进步使半导体行业能够大批量生产经济的压力传感器。 

小尺寸、低功耗、嵌入式补偿和坚固的封装使MEMS压力传感器能够用于许多以前可能的工业应用。

现代工业系统使用多种传感器技术来部署运行效率更高、能源浪费更少的系统。