設計工程師必備干貨：下一代差壓傳感器

　　據麥姆斯咨詢報道，如今的壓力傳感器幾乎與上世紀90年代的“運算放大器(op-amp)”一樣普遍。從消費者的智能手機到世界上工藝最復雜的工廠里精密控制儀表，壓力傳感器的應用遍布其中。壓力傳感器本身并不新鮮，但究其技術和器件本身，差異卻很大。本文旨在幫助設計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或絕對壓力傳感器不同。氣壓計和高度計是絕對壓力傳感器的經典例子，而飛機空速傳感器則是DP測量器件的經典例子。DP也是一種對流量的測量;因此，許多應用將其需求描述為流量測量。

　　低壓值域的DP測量通常用于醫療、工業和物聯網(IoT)等應用。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的典型終端應用包括：

　　1、醫療設備：例如，家庭中，被稱為持續正壓通氣(CPAP)的小型機器就是利用流量傳感器來幫助用戶調節氣流，這種方法有助于治療睡眠呼吸暫停。

　　2、住宅計量：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算。

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

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

　　5、物聯網(IoT)：IoT創造了需要高精度的用于空氣質量和氣流測量的新型智能消費設備。這些設備將粒子計數器與氣流測量相結合，來測量空氣中微小的pm2.5顆粒的數量。已有證據表明，大量pm2.5顆粒會導致嚴重的兒童健康問題。

　　近期，新技術利用“熱式MEMS”傳感實現了精確DP測量的超低成本。

　　MEMS(微電子機械系統，Micro-electrical Mechanical Systems)是廣泛使用的、可在硅中創建結構的工藝。下圖呈現了熱工作原理(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。當加熱器(即電阻)通過電流加熱時，加熱器周圍就會形成穩態溫度曲線。當氣體(介質)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流量測量實例中，是利用CMOS工藝的標準材料，通過將ACEINNA MDP200傳感器、MEMS傳感器和信號調解電路集成在單芯片上，來構建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，多晶硅可充當發熱件電阻，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建MEMS流量傳感器。信號調節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現尺寸更小、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。美新半導體推出的熱式微壓差流量傳感器MDP200及其內部傳感器，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

　　低成本半導體流量傳感器可簡單地連接到任何帶有I2C接口的標準微控制器。軟件集成可在幾個小時內完成。3.3 V工作電壓下低于10 mA的低功耗也可被普遍接受。在電池驅動的應用中，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：

　　1、氣體類型;

　　2、精確度;

　　3、連接機制和高度修正。

　　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、氮氣(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，描述精度的經典術語有零點(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備的準確性是否符合需求。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范。該規范結合了最初的偏移量和跨度誤差，以及受溫度和其他細微影響的變化。

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

　　最后，如何將流量傳感器連接到流體中，也通常是一項有趣的挑戰。無需直接將設備插入電流中，可以使用旁路節流電路(bypass flow circuit)。圖4體現了如何正確設置壓降電路，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：旁路節流電路可以測量管內流量

　　另一個改進的問題是，DP傳感器可以要求對精度應用進行高度修正。高度修正通常是通過在終端設備上增加一個氣壓計來完成的。制造商通常會提供一個適當的高度修正公式。在較低精度的應用中，則無需這種補償。