Monolitic membrane pressure sensor KP101A
Wykonane technologia monolityczna sensory "Monolitic membrane pressure sensor" wykorzystuja efekt zmiany rezystancji rezystorow wytworzonym w chipe krzemowym pod wpływem działającego naprezenia odksztalcajacego material chipa - membrane. Krzem ma duzy wspolczynnik piezorezystancyjny co jest jego zaleta.
W krzemowej membranie - podłozu typu n wytworzone są cztery zagrzebane piezorezystory typu p skladajace sie na mostek pomiarowy. Chip ma pady polaczeniowe tak jak kazdy uklad scalony. Rezystory sa wytworzone w takim miejscu chipa aby uzyskac jak najlepsza czulosc i liniowosc mostka.
Powierzchnia chipa sensora jest pokryta ochronna warstwa pasywujaca z SiO2 lub Si3N4 i jeszcze dodatkowo chroniona przed czynnikami srodowiskowymi conajmniej zelem silikonowym.
Pomyslowe jest zamocowanie chipa w obudowie i w wypadku sensorow mierzacych cisnienie absolutne stworzenie komory odniesienia z zerowym cisnieniem.
Idea dojrzala do produkcji i kilka czolowych koncernow wypuscilo juz sensory cisnienia.
Znane sa technologie z odksztalcana cienkowarstwowa metalowa membrana na ktorej przymocowany jest krzemowy chip. Membrana taka jest dobrym izolatorem od srodowiska. Sensory moga byc produkowane technologia Silicon On Saphire czyli SOS gdzie na szafirowym podlozu - membrane, krzem w ktorym wykonane sa rezystory urosl epitaksjalnie. Szafir jest dobrym materialem na membrane.
Sensor KP101A w typowej obudowie DIL6 przeznaczonej do wlutowania w plytke drukowana PCB ma dodatkowo z gory kruciec o srednicy 3mm na ktory mozna nalozyc gietka plastikowa rurke doprowadzajaca mierzone cisnienie. KP101A ma wbudowany uklad kompensacji zmian czulosci mostka w funkcji temperatury - podnosi on po prostu napiecie zasilajace mostek przy wzroscie temperatury. Korzystanie z kompensacji temperaturowej nie jest jednak konieczne. Zasilajac wprost mostek piezorezystancyjny bez kompensacji napieciem 5V przy cisnieniu 1.2 bara otrzymujemy napiecie wyjsciowe 140mV przy temperaturze -40C, 122mV ( wartosc typowa ) przy 25C i tylko 88mV przy 125C. Zmiana czulosci jest wiec spora. Mostek pracuje ratiometrycznie.
Podajac zasilanie dokladnie 5V do ukladu kompensacji czulosci z tranzystorem jako sensorem temperatury czulosc wynosi 62mV przy cisnieniu 1.2 bara, w kazdej temperaturze. Kompensacja dziala dobrze ale tylko z napieciem zasilania dokladnie 5V ! System nie jest niestety ratiometryczny !
Sensor nie ma natomiast temperaturowej kompensacji zera. Im mniejsze napiecie przy zerowym cisnieniu tym dokladniejsze beda pomiary.
Wada ta z pewnoscia zostanie usnieta w kolejnej generacji sensorow. Do galezi mostka nowoczesniejszego sensora mozna dodac rezystory trymowane laserowo do zrownowazenia mostka i wyeliminowania dryftu temperaturowego co jednak podniesie cene sensora.
Mozna tez sensor KP101A zasilac dokladnie stabilizowanym pradem ( a nie napieciem ! ) wykorzystujac fakt ze rosnie wraz z temperatura opornosc mostka i to tak jak spada jego czulosc. W systemie z jednym napieciem 5V z uwagi na zakres napiec wspolnych i wyjsciowych ukladu wzmacniacza operacyjnego LM324 nie jest to latwe a jednak wykonywalne. System jest ratiometryczny.
Sa wiec trzy sposoby zasilania sensora KP101A. Od wybranego sposobu zasilania wiele zalezy. Uzycie wewnetrznej kompensacji sensora lub zasilanie pradem pozwala lepiej wykorzystac zakres przetwornika A/D mikrokontrollera co przy ograniczonej jego rozdzielczosci jest bardzo wazne.
Jesli w systemie jest mikokrontroller z wysokiej jakosci przetwornikiem A/D i sensor temperatury to mozna kompensacje przeprowadzic programowo i jest to najlepsze i polecane rozwiazanie tym bardziej ze kompensuje sie temperaturowo tez punkt zerowy.
Poniewaz opornosc wyjsciowa sensora rosnie z temperatura to nie mozna stosowac do wzmocnienia sygnalu z niego prostego wzmacniacza roznicowego ( = Instrumental Amplifier ) na jednym OPA. Doskonale sprawuja sie natomiast IA wykonane na dwoch lub trzech wzmacniaczach operacyjnych i w miare dokladnych rezystorach. Przy nieuzywaniu wbudowanej kompensacji temperaturowej napiecie wspolne na wyjsciu sensora zmienia sie niewiele i wymagania na tlumienie sygnalu wspolnego CMRR sa liberalne. Uklad jest ratiometryczny czyli wymagania na stabilnosc napiecia odniesienia - zasilania sa niewielkie bowiem jest one tez uzywane przez przetwornik A/D.
Gdy uzywamy wbudowanej w sensor kompensacji temperaturowej to napiecie wspolne sie zmienia i wymagany wspolczynnik CMRR IA jest wyzszy.
Sensor KP101A nie wykazuje dryfu temperaturowego spowodowanego podaniem zasilania a wiec mozna go zasilac impulsowo wtedy gdy jest akurat uzywany. Oczywiscie pasmo IA musi byc takie aby sygnal zdarzyl sie dokladnie ustalic.
Do sprawdzenie i skalibrowania systemu z sensorem KP101A mozna uzyc barometru dokladnie pokazujacego cisnienie atmosferyczne oraz strzykawki lekarskiej polaczonej z sensorem krociutka rurka. Faktycznie krocce sensora i strzykawki powinny sie dotykac dla minimalizacji martwej pojemnosci. Cisnienie po przesunieciu tloczka strzykawki od pojemnosci zerowej do pelnej powinno spasc nieomal do zera. Im lepsza czyli szczelniejsza strzykawka tym wolniej zacznie ono powoli rosnac.
Monolitycze sensory moga znalezsc zastosowania w przemysle ( konieczna jest obudowa z fizyczna izolacja sensora od substancji ktorej cisnienie mierzymy, chocby wody czystej lub brudnej ) takze do pomiaru poziomu cieczy w zbiornikach, w zdalnej stacji pogodowej czy w malo dokladnym altimetrze lotniczym. Zaleznosc miedzy cisnieniem a wysokoscia nie jest liniowa a okresla ja tak zwany wzor barometryczny. Cisnienie zmienia sie pod wpływem zjawisk pogodowych i z tego wzgledu altimetr jest tylko jednym z przyrzadow do okreslenia wysokosci na jakiej jest samolot.
Sensor moze mierzyc roznicowe podcisnienie zasysanego powietrza w silnikach spalinowych w komputerowym systemie wtrysku paliwa. Moza mierzyc cisnienie oleju w silniku. Mozna wyobrazic sobie miniaturowy sensor zintegrowany z prostym CMOS-owym mikrokontrollerem i nadajniczkiem radiowym zamontowany na feldze kola samochodu (chocby razem z zaworkiem ) do mierzenia cisnienia i temperatury w oponie w kazdej sytuacji. Energooszczedne urzadzenie zasilane bateryjnie uruchamialoby sie do jakis czas wysylajac meldunek. Zywotnosc bateryjki musialaby byc przynajmniej taka jak opony. Mikrokontroller musialaby miec takze wbudowany Instrumental Amplifier do wspolpracy z sensorem lub takowy moglby miec sam sensor cisnienia. CMOS-owa realizacje IA jest rozwazona w innym miejscu.
Sensor moze uruchomic lotnicza bomba jadrowa na optymalnej wysokosci 500 m nad ziemia. Oczywiscie system taki musi wiele sensorow i zabezpieczen.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz