采用“3483”選型法則為設(shè)計(jì)選擇最合適的氣壓傳感器

作者：Vivian Wang, Yude Jiang

意法半導(dǎo)體的氣壓傳感器已經(jīng)越來越多地被用于智能手機(jī)，平板電腦和可穿戴技術(shù)中，并為精準(zhǔn)的高度位置監(jiān)測以及預(yù)測性維護(hù)等新工業(yè)應(yīng)用打開大門。那該如何根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇合適的氣壓傳感器？關(guān)注哪些具體參數(shù)？選品上需要考慮哪些技術(shù)細(xì)節(jié)？2022年最新的氣壓傳感器組合有哪些？氣壓傳感器又有什么新的應(yīng)用方向？通過本文介紹的“3483”選型法則，希望您能獲得必要的信息，為下一個(gè)設(shè)計(jì)匹配出最理想的氣壓傳感器。

了解3種壓力測量方法及4種制作技術(shù)，選擇合適自己設(shè)計(jì)的那款

氣壓傳感器用于檢測氣體或液體的氣壓。作為一種換能器，氣壓傳感器將所施加的氣壓轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字輸出信號，通常根據(jù)氣壓測量類型以及壓敏技術(shù)進(jìn)行分類。

測量氣壓有三種方法：

?絕壓：絕壓是相對于理想真空測量的氣壓。如果把絕對氣壓傳感器放在空氣中，那么傳感器將讀取該位置的實(shí)際氣壓。因此，絕對氣壓傳感器受到海拔變化和天氣變化等影響。

?差壓：兩個(gè)氣壓源之間測得的氣壓差。

?表壓：當(dāng)其中一個(gè)氣壓源為環(huán)境氣壓時(shí)，測得的氣壓差就叫做表壓。

明確了測壓方法后，還需要意識到氣壓傳感器制作時(shí)所采用的不同原理將直接影響到檢測的精度、范圍、傳感器尺寸以及適用的環(huán)境。以下是最常用的幾種壓敏技術(shù)：

?壓阻式氣壓傳感器：利用壓阻效應(yīng),檢測施加氣壓時(shí)安裝在膜片上的一個(gè)或多個(gè)電阻的電阻變化。適用于物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)和醫(yī)療等所需的通用壓力測試。

?壓電式氣壓傳感器：利用壓電材料的特性, 檢測施加在表面的氣壓成正比的電荷。適用于高溫環(huán)境，比如在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行高動(dòng)力壓力測量。

?電容式氣壓傳感器：檢測由玻璃,陶瓷或者硅制成的膜片運(yùn)動(dòng)引起的電容變化來測量氣壓。同樣適用于物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)和醫(yī)療所需的通用壓力測試

?光纖氣壓傳感器：利用光纖中的光效應(yīng)。適用于石油天然氣、航空航天、國防醫(yī)療等惡劣環(huán)境。

了解氣壓傳感器的8個(gè)主要參數(shù)

除了氣壓傳感器的基本原理外，您還需要了解相關(guān)參數(shù)的含義，這也是您選擇氣壓傳感器的主要參考依據(jù)：

1. 氣壓范圍或量程：傳感器能夠測量的氣壓區(qū)間。傳感器能承受的過壓值，也就是當(dāng)氣壓傳感器回到工作范圍內(nèi)時(shí)，設(shè)備可以承受并保持功能的最大氣壓，也應(yīng)該納入考量范圍。

2. 精準(zhǔn)度：絕對精度表示氣壓傳感器輸出與實(shí)際氣壓的接近程度。它表示為兩個(gè)值之間的差值。相對精度則是兩次測量之間的誤差。

3. 封裝：由最終應(yīng)用環(huán)境和大小限制決定。小尺寸，防水封裝往往更受青睞。

4. 噪音：簡而言之就是與傳感器輸入變化有關(guān)的傳感器輸出隨機(jī)變化。

5. 溫度系數(shù)偏移量：也被稱為0壓強(qiáng)的溫度系數(shù)。表示在0氣壓下偏移量受溫度影響的變化值，所以越小越好。

6. 輸出數(shù)據(jù)速率：數(shù)據(jù)采樣的速率。

7. 帶寬：可以采樣而不產(chǎn)生混疊的最高頻率信號。

8. 功耗：對于那些運(yùn)行在小電池上，以及那些需要盡可能保持電池壽命的應(yīng)用來說，功耗極其重要。功耗跟ODR和分辨率的選擇有很大關(guān)系，氣壓傳感器的RMS 噪音也跟帶寬和分辨率有關(guān)，所以要權(quán)衡功耗的分辨率以適合傳感器的應(yīng)用要求。

當(dāng)然，還有其他參數(shù)，如電源電壓工作溫度、范圍、通信接口等等。

打造優(yōu)秀氣壓傳感器的3大講究

在掌握這些基本知識后，我們看看制造一款優(yōu)秀的氣壓傳感器需要哪些構(gòu)件？

在這里我們以ST意法半導(dǎo)體的傳感器產(chǎn)品為例。為了適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用需求，ST氣壓傳感器采用絕壓測量, 基于壓阻技術(shù)。

?首先在基礎(chǔ)的傳感構(gòu)件上，ST采用專有工藝獨(dú)特結(jié)構(gòu)的懸浮膜，提高抗PCB噪聲的能力。

?其次，采用專用集成電路將電阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，以連接到外部微控制器或處理器。

?最后，在封裝上，通常有2種選擇：

全包裹式封裝，可以提高魯棒性，可靠性和防潮性，同時(shí)減小封裝厚度。

防水封裝。獨(dú)特的圓柱封裝，全金屬的圓柱體組裝在陶瓷基板上。再加上O型圈起到防水作用。

那怎么來提高和驗(yàn)證封裝的可靠性？

對于全包裹式封裝，ST采用6個(gè)直徑20um的小孔用于感應(yīng)外界的氣壓。大氣里大部分灰塵的直徑大于20um,采用這個(gè)直徑范圍的氣孔，灰塵不容易進(jìn)入導(dǎo)致堵塞。我們做了一個(gè)灰塵污染實(shí)驗(yàn)，ST氣壓傳感器被放在一個(gè)裝滿灰塵的容器中進(jìn)行100次循環(huán)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果只有不到10%的灰塵會(huì)進(jìn)入封裝中，并且參與測試的所有ST氣壓傳感器并沒有出現(xiàn)明顯的輸出漂移，只要6個(gè)孔里有一個(gè)沒有被堵塞，氣壓計(jì)都可以正常工作。市場上其他單孔大于300um的氣壓計(jì)會(huì)讓80%到100%的灰塵進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，影響性能。因此氣孔的直徑和數(shù)量是您選擇全包裹式封裝的一個(gè)主要考量。

?同樣，對于防水封裝，ST均進(jìn)行了過壓和腐蝕性測試。過壓測試中，設(shè)備被浸入水中，從正常環(huán)境氣壓到10Bar氣壓下進(jìn)行40個(gè)循環(huán)測試，如果均無氣泡參數(shù)則足以證明封裝的魯棒性。而腐蝕性測試，則是將設(shè)備在熱氯、溴、鹽水，洗發(fā)水、洗手液等不同液體中浸泡，然后進(jìn)入氣候室干燥，循環(huán)34次，測試之后，該裝置仍然需要表現(xiàn)出高穩(wěn)定性，不影響精度或其他性能問題。

只有這些經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)封裝測試的防塵和防水氣壓傳感器，才能以最佳性能滿足無人機(jī)、可穿戴智能家居、智能手機(jī)、平板電腦這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；緊急9-1-1呼叫這些需要準(zhǔn)確高度位置的設(shè)備；以及水位監(jiān)測、智能電表等工業(yè)設(shè)備的多種應(yīng)用需求。

應(yīng)用實(shí)例: 氣壓傳感器為地理定位帶來一個(gè)全新的維度

對于擁有多層建筑的復(fù)雜城市環(huán)境而言，目前的GPS技術(shù)并不能提供可靠的三維位置數(shù)據(jù)。ST的合作伙伴NEXTNAV公司為此提供了一個(gè)解決方案。該方案的設(shè)計(jì)基于氣壓變化——當(dāng)人向某一個(gè)高度移動(dòng)時(shí)，氣壓會(huì)下降。如下圖所示，在該方案中，首先可穿戴設(shè)備或者手機(jī)上必須擁有一個(gè)優(yōu)質(zhì)的氣壓傳感器，比如ST意法半導(dǎo)體的氣壓傳感器產(chǎn)品，

其次，NextNav當(dāng)?shù)囟鄠€(gè)地方均部署了高度監(jiān)測站，用于測量局部環(huán)境氣壓，校正天氣等影響因素，創(chuàng)建出一個(gè)高精度的海拔度數(shù)，進(jìn)而確定該設(shè)備所處的精確樓層高度，為地理定位帶來全新的能力。該方案目前已覆蓋全美4400+縣市，90%高于3層的建筑。

▲圖：為定位增加了垂直維度，隨著室內(nèi)電梯運(yùn)行，左側(cè)軸上的高度定位隨之變化

2022 ST 主推的氣壓傳感器產(chǎn)品帶貨時(shí)間到！以下為ST目前主流的絕對氣壓傳感器產(chǎn)品系列！

ST工業(yè)氣壓傳感器ILPS22QS和ILPS28QSW提供雙滿量程和擴(kuò)展的溫度范圍，嵌入了ST Qvar技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)磁場電荷變化檢測。我們主推出的LPS22DF和LPS28DFW, 在噪聲、精度、電流消耗和氣壓范圍都有所改進(jìn)。
LPS22DF：高分辨率數(shù)字輸出氣壓傳感器,采用獨(dú)特的超緊湊型全包裹式封裝，更低功耗，更低噪聲。設(shè)備已由工廠校準(zhǔn)，當(dāng)打開時(shí)，修剪值被下載到寄存器中，無需進(jìn)一步校準(zhǔn)即可立即使用，氣壓和溫度數(shù)據(jù)可以訪問I2C、I3C或SPI接口獲取。0.34 Pa的低壓傳感器噪聲和0.5hPa絕對壓力精度使其成為智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)的完美選擇。當(dāng)然 此處再次強(qiáng)調(diào): 氣壓傳感器 RMS 噪聲取決于所選帶寬和所選分辨率,所以無論選擇何種傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)都要做好分辨率、輸出數(shù)據(jù)率和功耗之間的平衡，以發(fā)揮傳感器的最優(yōu)性能。

LPS28DFW非常適合于運(yùn)動(dòng)手表，可穿戴等對電流消耗和噪音有要求的應(yīng)用，或水位測量，水位檢測深度高達(dá)30米！

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