7a. Tlakové senzory I

7a. Tlakové Tlakové senzory I Přednášející: Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. [email protected], http://micro.feld.cvut.cz tel.: 2 2435 2267 Cvičící:

Ing. Pavel Kulha

ČVUT FEL

Ing. Adam Bouřa ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

1

2

Základním rozdělení - 3 typy tlakových senzorů : •

Absolutní – měřený tlak působí na jednu stranu membrány, druhá strana je referenční tlak (vakuum) • Diferenciální – tlaky působí na obě strany membrány, měří se rozdíl působících tlaků • Manometrické - speciální případ diferenciálních, referenční tlak je atmosférický tlak


3


4

POLOVODIČOVÉ TLAKOVÉ SENZORY

PIEZOELEKTRICKÉ

PIEZOODPOROVÉ

KAPACITNÍ

JINÉ

Rezonance přechod pn optické ultrazvuk atd. ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

5


6

Tlakové senzory 1. Piezoodporové 2. Piezoodporové s MOS strukturou 3. S mechanickou rezonancí

1. Piezoodporové tlakové senzory


7


8

Uspořádání piezoodporů na membráně



9



10

Uspořádání piezoodporů na membráně Kruhová struktura - 2 rezistory jsou umístěny radiálně a 2 rezistory tangenciálně po okraji. S kruhovou membránou lze pro tlak do 200 mbar dosáhnout výstupního napětí do 5 mV při zachování nelinearity do 0,2%.


11


12


Uspořádání piezoodpory na membráně Prstencová struktura a čtyřmi nezávislými můstky

Struktura s membránou


Prstencová struktura • zvýšení výstupního signálu nahrazením kruhové membrány prstencovou strukturou. • Piezoodpory jsou umístěny radiálně na vnitřním a vnějším okraji vyleptaného prstence. • Tloušťka membrány je cca 20 μm. • Výstupní signál 2 až 3krát větší.

13




Detail jednoho můstku tvořeného čtyřmi piezoodpory

Příčný řez čipem tlakového senzoru

0 2 4 6 8 ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

14

15

Substrát 1 Stop-kanál 3 Implantovaný kontakt5 LP-nitrid 7 Plasmanitrid 9

Epitaxní vrstva Piezoodpor Oxid SiO2 Aluminium Polysilicon


16

Zpracování signálu z piezoodporů + kompenzace

Uspořádání – jednočipový, hybridní

Základní zapojení můstku

Integrovaný jednočipový

Zapojení můstku s teplotní kompenzací

Hybridní

Typická teplotní závislost piezoodporů ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

17



c)


18


19


20



Externí obvod pro vyvážení můstku Externí součástková síť – nulování, rekalibrace, nulování ofsetu. Vytvoření plně kompenzovaného senzoru je dosti obtížné – vyžaduje zkušenost, podrobné znalosti systému.


Podklady z katalogu: Omega 2007

21



22



Diferenciální tlakové měření – 2 tlakové senzory

Chybové pásmo - nekompenzovaný a kompenzovaný senzor

Nastavení • R1 – nastavuje vyvážení bez přítomnosti tlaku • R2 – nulový výstupní signál při max. tlaku na obou senzorech současně • Výstup - 50 mV na plnou diferenciální výchylku, obousměrná činnost



23



24

Zpracování analogového signálu z můstku

Zpracování analogového signálu z můstku Teplotní kompenzace vhodnou technologií součástek na čipu


25



26


Převodník p/f s Piezoodporovém tlakovým senzorem


27


28

Pouzdra

Zpracování analogového signálu z můstku PGA309 - Integrovaný vyhodnocovací obvod pro můstky


29

Aplikace tlakových senzorů

30


Tlakový senzor pro brzdový systém dopravního prostředku



Příklad Tlakové senzory se zabudovaným zesilovačem signálu, s teplotní kompenzací, výrobcem kalibrované. Umožňují měřit rozdílový i absolutní tlak v rozmezí od 0…1 psi do 30 psi. Napájecí napětí 7 – 16V, odebíraný proud 20mA. Rozsah pracovních teplot od –40° do +85°C.

31


32



Příklad 2 - tlakové senzory MPX 4115A

Příklad 2 - tlakové senzory MPX 4115A Doporučené zapojení – napájení a výstupní filtr

•např. barometry, výškoměry apod. •Integrovaný tlakový senzor, se zabudovaným zesilovačem signálu •tepelně kompenzovaný a od výrobce kalibrovaný. •Vlastní senzor je tvořen křemíkovým Piezoodporovém snímačem. •Tepelná kompenzace je provedena tenkovrtsvými rezistory •Senzor je určen pro absolutní měření tlaku

Uout = Us x (0,009 x P – 0,095) ± (Pressure Error x Temp. Factor x 0,009 x Us )

Us = +5,1 0.25 Vdc P [kPa] Pressure Error = 1,5 % Temp. Factor ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

33

napájecí napětí měřený tlak max. chyba v rozmezí vstupního tlaku 15 až 115 kPa teplotní koeficient podle grafu




Příklad 3 – Elektronický barometr s MPXS4100A (Motorola)

Příklad 3 – Elektronický barometr s MPXS4100A (Motorola)

Absolutní senzor, určený pro měření tlaku v sacím potrubí automobilu Na čipu – převodník signálu + obvod teplotní kompenzace Výstupní signál je přímo úměrný měřenému tlaku, ale napájecímu napětí – napájecí napětí musí být stabilní.

34

Napájení +5 V Napájecí napětí +5 je získáno z Uref=1,25 V obvodu IO3 a sériově zapojené reference IO4 (REFOUT), celkem 2,5 V. IO2a je neinvertující zesilovač s A=2. R10, C2, C3 tvoří dolní propust odstranění rušivých špiček). Výstupní napětí ze senzoru 945 hPa = nulový signál (diody nesvítí) nastavení pomocí P2, R3, R4

Uvyst=5.(0,001059.P- 0,1518) Pro rozsah P = 945 hPa – 1045 hPa bude U vyst = 4,245 V – 4,774 V Nastavení napětí pro 945 hPa na nulový signál (diody nesvítí) – nastavení pomocí P2, R3, R4

Uvyst=5 ·(0,001059·P-0,1518) ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

Humlhans,J.: Zajímavá zapojení, Ben, 2005

35

ČVUT FEL Praha, Prof. Ing.Humlhans,J.: Miroslav Zajímavá Husák,zapojení, CSc. Ben, 2005

36



Příklad 4 – Tlakem řízený odpor s MPX700 (Motorola)

Příklad 5 – Senzor tlaku B08S (Sensor Technics)

ČVUT FEL Praha, Humlhans,J.: Zajímavá zapojení, Ben, Prof. 2005

Ing. Miroslav Husák, CSc.

37

Humlhans,J.: Zajímavá zapojení, Ben, 2005

38

APLIKACE – AUTOMOTIVE DIAGNOSTICS




39

Application: Measurement of fuel injection, transmission hydraulics, and coolant pressures on production line European luxury automobile. Problem: Automobiles manufactured in Europe are designed and built for European drivers, driving conditions, and pollution standards. Changes in performance characteristics and operating standards to accommodate American drivers and U.S. EPA regulations must be made — product monitoring to this end is necessary. Among variable pressures requiring measurement in this program are cooling system, hydraulic transmission, and fuel injection. It is necessary to log these parameters, along with speed engine rpm, etc., as the car is driven under a variety of operating conditions. Automotive engines are hot, vibrate to significant “g” levels, and have a great deal of electrical noise. Solution: OMEGA® PX-102 transducers with OMEGA® AD-1SS adaptors are mounted directly on the engine or its auxiliary fluid systems. In some cases, small “standoffs” are used where engine temperatures exceed 210F. A customer designed signal conditioner is powered by the car’s battery and receives the 0-100 mV transducer output from under the hood, amplifies it, and transmits the resulting signal to a data logger (see Figure 21). Incoming cars are routinely tested on a sampling basis in this fashion to insure that factory adjustments to U.S. conditions are uniform and meet performance standards. Environments: Operating temperatures 150 to 250F; vibration ±3 g’s 20-50 Hz; humidity 90%. Pressure Characteristics: Fuel injection, coolant, and hydraulic transmission pressures are allPraha, in the 0-100 psi range, to abrupt step changes with FELOmega Prof. Ing. Miroslav Husák,subject CSc. Podklady ČVUT z katalogu: 2005 superimposed ripple

40

APLIKACE – AUTOMOTIVE DIAGNOSTICS

APLIKACE – DIESEL ENGINE SAFETY SYSTEMS Application: Measurement of lube oil pressure in diesel engine generator sets. Problem: Diesel engine generator sets are used either for emergency standby power generation (typically in hospitals) or full time power generation in remote locations. Absolute reliability is essential; should lube oil pressure fail for any reason, the engine would destroy itself if not stopped within 30-45 seconds. Solution: A modified OMEGA®PX-102 transducer is mounted directly on the engine and senses lube oil pressure, generally at the 70-80 psi level (see Figure 22). The 0100 mV signal transmitted to customer supplied electronics activates a control circuit that will stop the engine if lube oil pressure falls below a preset limit. Environments: Operation in diesel engine environments calls for several modifications of our standard transducer: (1) Special high temperature cable and adhesives are used to insure operation at temperatures approaching 300F. (2) An integral pressure port is welded to the transducer to aid in ease of installation and to insure continued operation in 5-500 Hz environments. (3) Special testing is required to insure accuracy and interchangeability of 1% over the working temperature range of 150 to 250F. Pressure Characteristics: Pressures are initially quite high during cold weather startups and transducer can be over-ranged. Pressure is generally steady state and the sensor is not subjected to spikes or periodic fluctuation.

FELOmega Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. Podklady ČVUT z katalogu: 2005

41

APLIKACE – DIESEL ENGINE SAFETY SYSTEMS



42

APLIKACE – GEOPHYSICALPROSPECTING

43

Application: Level control of seismic streamers. Problem: Seismic streamers are long waterproof arrays of sonic detection apparatus which receive and transmit echoes from the ocean floor to a shipboard analyzer. Proper analysis of these echoes requires that the streamer be parallel to the ocean surface — each end must be at the same depth. A streamer is quite long and towed at some distance from the ship. Should it lose forward speed it may sink to depths considerably lower than its design usage before it can be reeled aboard. Solution: An OMEGA® transducer is mounted at each end of the array and measures sea water pressure (level). The ends of the streamer are at identical depths when both sensor outputs are observed and noted to be equal. This is possible due to the high accuracy and stability of the OMEGA® transducers. (Streamer design does not permit the use of a differential pressure device and requires the use of two independent transducers instead.) See Figure 23. In addition to their operating performance, OMEGA® pressure transducers are desirable in view of their five times over-range capability. If a streamer sinks, the transducer can see five times design depth without damage or loss of calibration. Customer supplied electronics transmit level information back to the ship for monitoring, logging, and control. Environments: The streamer sees all marine environments from arctic to tropical. The transducer is exposed to sea air and water as well as shipboard shock. Severe overpressures may be experienced. Pressure Characteristics: Other than overpressures, pressures are mildly modulating 44 ČVUT FELOmega Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. Podklady z katalogu: 2005 to steady.

APLIKACE – GEOPHYSICALPROSPECTING

Katalogový přehled -Kompenzované senzory Motorola


Pressure Pressure PříkladyPressure tlakových senzorů Rating

Product

Rating (Max) (psi)

Rating (Max) (kPa)

(Max) (mm*Hg)

45

Over Pressure (kPa)

Full Scale Span (Typ) (Vdc)

Sensitivity (mV/kPa)

Accuracy 0–85°C (% of VFSS)

Pressure Rating (Max) (kPa)

Pressure Rating (Max) (mm*Hg)

Over Press ure (kPa)

Offs et (mV)

Full Scale Span (Typ) (mV)

Sensiti vity (mV/kP a)

Linearity (Min) (% of VFSS)

Linear ity (Max) (% of VFSS ) 1.0

Product

Pressure Rating (Max) (psi)

MPX2010

1.45

10

75

75

±1.0

25

2.5

-1.0

MPXM2010

1.45

10

75

75

±1.0

25

2.5

-1.0

1.0

MPX2050

7.25

50

375

200

±1.0

40

0.8

-0.25

0.25

MPX2053

7.25

50

375

200

±1.0

40

0.8

-0.6

0.4

MPXM2053

7.25

50

375

200

±1.0

40

0.8

-0.6

0.4

40

0.4

-1.0

1.0

MPX2100A

14.5

100

750

200

± 2.0

MPX2100D

14.5

100

750

200

±1.0

40

0.4

-0.25

0.25

40

0.4

-1.0

1.0

MPX2102A

14.5

100

750

200

± 2.0

MPX2102D

14.5

100

750

200

± 1.0

40

0.4

-0.6

0.4

MPXM2102 D

14.5

100

750

200

± 1.0

40

0.4

-0.6

0.4

MPX2200A

29

200

1500

400

±1.0

40

0.2

-1.0

1.0

±1.0

40

0.2

-0.25

0.25

±1.0

40

0.2

-1.0

1.0

MPX2200D 29 200 1500 400 ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. MPX2202A 29 200 1500 -

46

140PC Series

MPX4080

11.6

80

600

400

4.32

54

±3.0

MPX4100

15.2

105

788

400

4.59

54

±1.8

MPX4101

14.8

102

765

400

4.59

54

±1.8

MPX4105

15.2

105

788

-

4.59

51

±1.8

MPX4115

16.7

115

863

400

4.59

45.9

±1.5

140PC Series sensors provide output voltage proportional to pressure applied. They operate in ranges from 0 psi to 1.0 psi and 0 psi to 30.0 psi using a single, positive supply voltage ranging from 7.0 Vdc to 16.0 Vdc.

MPXV4115 V

16.7

115

863

-

4.4

38.26

1.5

-39.0 in H2O to 55.0 in H2, O psi to 30.0 psi

MPX4200

29

200

1500

400

-

25.5

-

MPX4250A

36

250

1880

400

4.692

20

±1.5

MPX4250D

36

250

1880

400

4.705

18.8

±1.4

180PC Series

MPXV4006 G

0.87

6

45

10

4.6

766

± 5.0

MPXV5004 G

0.57

3.9

29

10

3.9

1000

± 2.5

MPX5010

1.45

10

75

75

4.5

450

± 5.0

MPX5050

7.25

50

375

200

4.5

90

± 2.5

180PC Series sensors provide output voltage proportional to pressure applied.They use a single, positive supply voltage ranging from 7.0 Vdc to 16.0 Vdc. The 180PC has a smaller housing than the 140PC.

MPX5100

14.5

100

750

400

4.5

45

± 2.5

± 5.0 psi to 0 to 150 psi

MPX5500

72.5

500

3750

2000

4.5

9.0

± 2.5

Absolute, Differential, Gage, Vacuum Gage

2800

4.5

6.4

± 2.5

4000

4.5

4.5

± 2.5

MPX5700 102 700 5250 ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. MPX5999 150 1000 7757

Absolute, Differential, Gage, Vacuum Gage

47


48

240PC Series

ASCX Series

240PC Series sensors provide an output voltage proportional to applied pressure.They operate from 0 psi to 15.0 psi and 0 psi to 250 psi, and from a single positive supply voltage ranging from 7.0 Vdc to 16.0 Vdc.

The ASCX Series sensors are amplified, fully calibrated and temperature compensated ± 1.0 psi to ± 150 psi Absolute, Differential, Gage

± 15.0 psi to 0 to 250 psi Gage, Vacuum Gage 40PC Series

ASDX Series

40PC Series sensors are miniature, fully compensated and amplified sensors. The 0.5 Vdc to 4.5 Vdc analog output voltage signal is linearly proportional to input pressure. These devices operate on a single end supply voltage of 5.0 Vdc.

The ASDX Series sensors are fully compensated and amplified with an ASIC (Application Specific Integrated Circuitry) chip ± 1.0 psi to ± 100 psi Absolute, Bidirectional, Differential, Gage

± 50.0 mm Hg, 0 psi to 500 psi Gage, Vacuum Gage ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

49


50

Digitální výstup

XCA Series The XCA Series sensors use state of the art silicon micro-machined diaphragms in conjunction with stress free packaging techniques to provide highly accurate, amplified pressure sensors for the most demanding applications. XRA Series 0 psi to 150 psi The XRA Series sensors use silicon micro-machined Absolute, Differential, Gage sensing technology in conjunction with stress free packaging techniques to provide highly accurate, amplified, calibrated and temperature compensated pressure sensors.

A SDX001D44DDO

A SDX001D44RDO

A SDX001G24RDO

A SDX005D44DDO

A SDX005D44RDO

Bidire ctional

Gage , Diffe rential

Gage

Bidire ctional


0 psi to 1.0 psi

0 psi to 1.0 psi

0 psi to 1.0 psi

0 psi to 5.0 psi

0 psi to 5.0 psi

5.0 psi

5.0 psi

5.0 psi

20.0 psi

20.0 psi

D4 DIP

D4 DIP

G2 DIP

D4 DIP

D4 DIP

7BE m in., 19A,, 1DB Counts Hex


158 min., 19A,, 1DB Counts Hex



0 psi to 30 psi Differential, Gage, Vacuum Gage


51


52

A SDX005G24R -DO

A SDX015A 24R -DO

A SDX015D44D -DO

A SDX015D44R -DO

A SDX015G24R -DO

A SDX030A 24R -DO

Gage

Absolute

Bidire ctional


Gage

Absolute

0 psi to 5.0 psi

0 psia to 15 psia

0 psi to 15 psi

0 psi to 15 psi

0 psi to 15 psi

0 psia to 30 psia

20.0 psi

30.0 psia

30.0 psi

30.0 psi

30.0 psi

60.0 psia

G2 DIP

A2 DIP

D4 DIP

D4 DIP

G2 DIP

A2 DIP








53

A SDX030D44D -DO

A SDX030D44R -DO

Bidire ctional


A SDX030G24R -DO

A SDX100A 24R -DO

A SDX100D44R -DO

A SDX100G24R -DO

Gage

Absolute


Gage

0 psi to 30 psi

0 psi to 30 psi

0 psi to 30 psi

0 psia to 100 psia

0 psi to 100 psi

0 psi to 100 psi

60.0 psi

60.0 psi

60.0 psi

150.0 psia

150.0 psi

150.0 psi

D4 DIP

D4 DIP

G2 DIP

A2 DIP

D4 DIP

G2 DIP








54

Firemní stránky: www.honeywell.com www.infineon.com e-www.motorola.com www.sensortechnics.com

2. Piezoodporové jev v MOS

www.si-micro.com


55


56

Piezoodporový jev v MOS struktuře

3. Senzory s mechanickou rezonancí


57

Senzory s mechanickou rezonancí



58


59


60




61


62


Omega Pressure Transducers (see moving)


63


64

Otázky Piezoodporové tlakové senzory polovodičové 1. Princip činnosti absolutních, diferenciálních tlakových senzorů, co to je manometrický tlakový senzor 2. Princip činnosti Piezoodporových polovodičových tlakových senzorů 3. Uspořádání, umístění a realizace piezoodporů na pružné polovodičové membráně 4. Základní vlastnosti – linearita, citlivost, teplotní závislost, geometrické rozměry 5. Základní elektronické zapojení vyhodnocovacích obvodů – můstková zapojení 6. Princip teplotní kompenzace – zapojení elektronických obvodů Piezoodporové jev v MOS 1. Princip činnosti 2. Vyhodnocování infomrace Tlakové senzory s mechanickou rezonancí 1. Princip činnosti 2. Základní princip a zapojení elektronických obvodů pro vyhodnocování informace ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

65

7a. Tlakové senzory I

Recommend Documents