采用“3483”選型法則為設(shè)計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，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)測性維護等新工業(yè)應(yīng)用打開大門。那該如何根據(jù)設(shè)計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，為下一個設(shè)計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：兩個氣壓源之間測得的氣壓差。

?表壓：當(dāng)其中一個氣壓源為環(huán)境氣壓時，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),檢測施加氣壓時安裝在膜片上的一個或多個電阻的電阻變化。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)動機上進行高動力壓力測量。

?電容式氣壓傳感器：檢測由玻璃,陶瓷或者硅制成的膜片運動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，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際氣壓的接近程度。它表示為兩個值之間的差值。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)的傳感器輸出隨機變化。

5. 溫度系數(shù)偏移量：也被稱為0壓強的溫度系數(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，同時減小封裝厚度。

防水封裝。獨特的圓柱封裝，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。

那怎么來提高和驗證封裝的可靠性？

對于全包裹式封裝，ST采用6個直徑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,采用這個直徑范圍的氣孔，灰塵不容易進入導(dǎo)致堵塞。我們做了一個灰塵污染實驗，ST氣壓傳感器被放在一個裝滿灰塵的容器中進行100次循環(huán)實驗。結(jié)果只有不到10%的灰塵會進入封裝中，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個孔里有一個沒有被堵塞，氣壓計都可以正常工作。市場上其他單孔大于300um的氣壓計會讓80%到100%的灰塵進入設(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主要考量。

?同樣，對于防水封裝，ST均進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氣壓下進行40個循環(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、可穿戴智能家居、智能手機、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)用實例: 氣壓傳感器為地理定位帶來一個全新的維度

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解決方案。該方案的設(shè)計基于氣壓變化——當(dāng)人向某一個高度移動時，氣壓會下降。如下圖所示，在該方案中，首先可穿戴設(shè)備或者手機上必須擁有一個優(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€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)建出一個高精度的海拔度數(shù)，進而確定該設(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提供雙滿量程和擴展的溫度范圍，嵌入了ST Qvar技術(shù)，可以實現(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。
LPS22DF：高分辨率數(shù)字輸出氣壓傳感器,采用獨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，修剪值被下載到寄存器中，無需進一步校準(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、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)的完美選擇。當(dāng)然 此處再次強調(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)計時都要做好分辨率、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非常適合于運動手表，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30米！

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