Úloha měření tlaku byla vždy standardním měřením, které se využívá v mnoha desítkách různých aplikací v různých odvětvích. Dnes se již využívá plně integrovaných senzorů tlaku, kde integrovaný obvod obsahuje nejen samotný senzor citlivý na tlak, ale i vyhodnocovací logika. Ta může signál ze senzorové části zpracovávat analogově a poskytovat analogový výstup ze součástky nebo obsahuje A/D převodník, příp. komparátor, a výstup je pak v nějaké formě digitální. Navíc některé dnešní vyspělé integrované senzory poskytují možnosti měření dalších veličin v rámci jednoho integrovaného obvodu. U tlakových senzorů je to nejčastěji měření teploty, které se nemusí jen využívat pro nějakou teplotní kompenzaci měření tlaku uvnitř integrovaného obvodu, ale také někdy bývá vyveden na dalším pinu pouzdra nebo je jeden výstup přepínatelný mezi měření tlaku a teploty. To například obsahují absolutní tlakové senzory pro pneumatiky od firmy Freescale. Tam se měření teploty vždy uplatní.
Rozdělení senzorů tlaku
Tlakové senzory lze rozdělit do několika kategorií. Podle principu samotného měření lze senzory dělit do 3 skupin:
- Senzory absolutního tlaku
- Diferenční senzory tlaku (Rozdílové senzory tlaku)
- Manometrické senzory tlaku
Obr. 2. Princip měření tlaku senzorů absolutního tlaku (vlevo) a diferenčního tlaku (vpravo)
Zásadní jsou první dvě skupiny, které se odlišují samotnou funkcí senzoru (viz. obrázek 2.). Senzor absolutního tlaku měří přímo externí tlak působícího okolního média (plynu nebo kapaliny) vztažený k nulové hodnotě tlaku vakua ve vnitřní komoře senzoru (viz. obrázek 2. vlevo). Tomu odpovídá v klidovém stavu prohnutí stěny rovnající se přibližně tlaku 1 atmosféra (1 ATM) = 14.5 psi. De facto se pak měří záporný tlak z pohledu měřící strany senzoru. Tomu pak odpovídá plný měřící rozsah senzoru měřící tlaky do 14.5 psi nebo polovinu rozsahu senzoru měřící tlaky do 29 psi. Diferenční senzor tlaku pak vlastně měří rozdíl tlaků mezi dvěma vstupy (viz. obrázek 2. vpravo), tedy prohnutí křemíkové stěny je úměrné rozdílu tlaků na obou stranách (vstup P1 a P2). Senzory manometrického tlaku jsou speciálním případem senzorů diferenčních. Princip je stejný, pouze s tím rozdílem, že se měří rozdíl tlaku působícího média na vstupu P1 a atmosférického tlaku skrz otvor P2.
Z hlediska praktického použití je citlivý měřící senzor nutné chránit krytem na straně měřící a pevnou epoxidovou schránkou proti mechanickému snížení - viz. obrázek 3. Dále je měřící element z měřící strany chráněn silikonovým dielektrickým gelem.
Obr. 3. Příklad mechanického řešení pouzdra chránící citlivý senzor
Dále je možné senzory rozdělit do dvou skupin, podle vlivu vnitřní logiky a zpracování na samotné měření, na:
- Teplotně kompenzované (compensated)
- Teplotně nekompenzované (uncompensated)
Na obrázku 3. je příklad typických průběhů tlakových senzorů kompenzovaných a nekompenzovaných. Zde je patrná minimální závislost výstupu na změně teploty díky kompenzaci tenkostěnným křemíkovým senzorem teploty umístěného přímo na chipu.
Obr. 4. Příklad typické výstupní závislosti tlakového senzoru teplotně kompenzovaného a nekompenzovaného
Principy fukce integrovaného senzoru tlaku
Integrované senzory tlaku jsou obvykle povrchově integrovaná mikrozařízení, často označované jako MEMS, které se sestávají až ze tří částí:
- tlakový senzor - povrchově integrovaná měřící buňka (sensing element)
- teplotní senzor ( jen v některých případech)
- ASIC CMOS analogové nebo digitální integrované obvody pro zpracování signálů ze senzoru
Obr. 5. Blokové schéma struktury implementované na chipu senzoru
Na obrázku 4. je příklad bloků, které se na chipu senzoru nejčastěji objevují. Někdy se na chipu objevují dvě měřící buňky, kdy jedna opravdu měří žádaný působící tlak a druhá funguje jako referenční pro eliminaci vlivu teploty (případně jiných nežádoucích vlivů). V případech digitálních výstupů senzorů, druhý blok zpracování signálu obsahuje převod analogového signálu na nějaký druh digitálního, resp. diskrétního. K tomu se využívá různých A/D převodníků nebo v jednodušších případech komparátorů, které porovnávají naměřenou hodnotu s referenční a výstup pak jen udává, zda je naměřený vzorek vyšší nebo nižší než reference.
Celá mechanická struktura citlivé části senzoru je spolu s vyhodnocovacími obvody na jednom monolitickém integrovaném obvodu. Princip měření tlaku, resp. převodu působícího tlaku na elektrickou veličinu, je často založen na jednom z následujících principů:
- změnou kapacity kondenzátoru působením tlaku
- změna odporu dráhy na níž působí tlak (tenzometry)
- piezoelektrickém jevu, tzn. vzniku napětí s působícím tlakem
První případ, integrovaná kapacitní měřící buňka, resp. buňky, se dnes stále často využívá pro měření velkých tlaků a v absolutních senzorech tlaku. Například lze jmenovat Freescale senzory absolutního tlaku do 900 kPa pro měření v pneumatikách. Zde se využívá porovnání kapacit měřícího kondenzátoru, tvořený jednou pevnou a pružnou křemíkovou elektrodou, a referenčního kondenzátoru pro eliminaci nežádoucích okolních vlivů.
Druhý tradiční případ se obvykle vyznačuje integrovaným Wheatstonovým můstek složený ze čtyřek tenzometrů (odporových cest), které mění svůj odpor se změnou rozměrů vlivem působícího tlaku.
Třetí případ a nejnovější je použití křemíkového piezorezistorů, který působením tlaku generují přímo napětí na dvou kontakních ploškách. Blíže zde bych zmínil zajímavý patentovaný princip firmy Freescale.
|
Samotný integrovaný senzor, firmou označovaný jako X-ducer™ Sensor Element, je křemíkový piezorezistor, který je implementovaný na tenké křemíkové stěně - viz. obrázek 2. Působící tlak na tuto stěnu pak generuje napětí. Funkce je následující: Přes kontaktní plošky 1 a 3 protéká budící proud, na který kolmo působí měřený tlak. To způsobuje příčné elektrické pole v rezistorech, které generuje rozdílový elektrický potenciál a tím napětí na ploškách 2 a 4. Kompaktní patentované provedení na obrázku 2. snižuje citlivost senzoru na změnu teploty v porovnání s klasickým provedením piezorezistorů ve Wheatstonově můstku. To zjednodušuje kalibraci a teplotní kompenzaci. Navíc analogový výstup vykazuje velkou linearitu. Offset senzoru zde nezávisí na vzájemných rozměrech piezorezistorů, ale na rozdílných rozměrech napěťových plošek (taps) 2 a 4. Ty jsou vytvářeny fotolitografií, kterou lze lépe řídit. To zjednodušuje následné zapojení obvodu pro nuloví offsetu. |
Obr. 6. Princip piezoelektrického senzoru - X-ducer™ Sensor Element |
Příklad zapojení senzoru
Příklad obvodové zapojení je na obrázku 7. Jde o bezdrátový digitální přenos naměřeného tlaku ze senzoru absolutního tlaku. Jeho součástí je tedy tlakový senzor s digitálním výstupem řady MPXY8000 firmy Freescale, který je řízen externím MCU a výsledná hodnota o tlaku je již bezdrátově vysílána vzdálenému RF přijímači. Takto lze měřit tlak i v pohyblivých, nestacionárních zařízeních. V zapojení je naznačeno i použití senzoru pohybu či zrychlení.
Obr. 7. Příklad propojení senzoru absolutního tlaku MPXY8021A s MCU a RF vysílačem
Závěr
Dnes již je nabízeno nepřeberné množství integrovaných tlakových senzorů, které jsou někdy upravovány a optimalizovány pro konkrétní aplikace. To je obvykle uvedeno v příslušném datasheetu k součástce. V článku jsem konkrétně použil informace a příklady získané z nabídky tlakových senzorů firem Fujikura a Freescale.
Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz
DOWNLOAD & Odkazy
- Domovská stránka českého distributora firmy SPOERLE ELECTRONIC spol. s.r.o. - www.spoerle.com - kontakt v ČR
- Domovská stránka firmy Freescale - divize firmy Motorola - www.freescale.com
- Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz
