Análisis de principios y aplicación del sensor de presión capacitivo de cerámica
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¿Qué es un sensor de presión capacitivo de cerámica?
Los condensadores de cerámica, como ruta técnica principal en sensores de presión, tienen las ventajas de resistencia a la corrosión, resistencia al impacto y buena compatibilidad dieléctrica. Los sensores de presión son una gran categoría de sensores y se usan ampliamente en los campos automotriz, industrial e Internet de las cosas.
Tipos comunes de tecnología de sensores de presión
Los sensores de presión generalmente se usan para medir la presión de la atmósfera de gas o líquido en la que se encuentran los componentes sensibles del sensor, y generalmente se usan para realimentar a la unidad de control principal del sistema para lograr un control preciso del sistema.
La tecnología piezoresistiva de silicio se realiza mediante las características piezoresistivas de los semiconductores. Las propiedades piezoresistivas de los materiales semiconductores dependen de factores como el tipo de material, la concentración de dopaje y la orientación del cristal del cristal. Esta tecnología se puede implementar utilizando tecnología de semiconductores y tiene las ventajas de pequeño tamaño, alto rendimiento, bajo costo y alta sensibilidad de salida de señal. Las deficiencias se reflejan principalmente en la baja tolerancia del medio, las malas características de temperatura y la pobre estabilidad a largo plazo. Es común en el rango de presión baja y media, como 5kPa ~ 700kPa. La industria también tiene soluciones para mejorar la resistencia dieléctrica de la tecnología piezoresistiva de silicio a través de procesos especiales de envasado. Como el llenado de aceite, la contrapresión y otras tecnologías, pero también trae problemas como un aumento sustancial en los costos.
La tecnología de resistencia cerámica utiliza un proceso de impresión de película gruesa para imprimir un puente de Wheatstone en la superficie de una estructura cerámica, y utiliza el efecto varistor para convertir la señal de presión del medio en una señal de voltaje. La tecnología de resistencia cerámica tiene las ventajas de un costo moderado y un proceso simple. En la actualidad, muchos fabricantes nacionales proporcionan núcleos de sensores de presión de resistencia cerámica. Sin embargo, la sensibilidad de salida de señal de esta tecnología es baja, el rango generalmente se limita a 500kPa ~ 10MPa, y la estructura hueca convencional solo soporta la presión del diafragma, que tiene poca resistencia a la sobrecarga. Cuando la presión del medio a medir está sobrecargada, el sensor de resistencia de cerámica correrá el riesgo de que se rompa el diafragma y la fuga del medio.
La tecnología de microfusión de vidrio utiliza un proceso de sinterización a alta temperatura que combina un medidor de deformación de silicio con una estructura de acero inoxidable. Una galga extensométrica de silicio equivalente a cuatro resistencias forma un puente Wheatstone. Cuando hay una presión media en el otro lado del diafragma de acero inoxidable, el diafragma de acero inoxidable genera una ligera deformación que hace que el puente cambie, formando una señal de voltaje proporcional al cambio de presión. El proceso de micro fusión del vidrio es difícil de realizar y el costo es alto. La principal ventaja es que el medio tiene buena tolerancia y una fuerte resistencia a la sobrecarga. Generalmente es adecuado para rangos de alta presión y ultra alta presión, como 10MPa ~ 200MPa, y su aplicación es limitada.
La tecnología de condensador de cerámica utiliza una base de cerámica fija y una estructura de diafragma de cerámica móvil. El diafragma móvil se sella y se fija con la base mediante un método como la suspensión de vidrio.
Se imprime un patrón de electrodo en el interior entre los dos para formar un condensador variable. Cuando la presión media en el diafragma cambia, la capacitancia entre los dos cambia en consecuencia. La señal se convierte y condiciona mediante un chip de acondicionamiento y luego se envía a una etapa posterior para su uso.
La tecnología de condensadores de cerámica tiene las ventajas de un costo moderado, un amplio rango de medición, buenas características de temperatura, consistencia y estabilidad a largo plazo. Desde el punto de vista internacional, es ampliamente utilizado en el control de procesos automotrices e industriales y otros campos, representados por American Sensata y Swiss E + H. Como la señal de capacitancia es diferente de la señal de resistencia, se requiere que el circuito de procesamiento de señal sea más alto. El diseño del sensor debe considerar la capacidad y el chip de acondicionamiento de señal ASIC juntos. En la actualidad, solo Yaxun Electronics puede proporcionar una solución completa para la integración de ambos.
Diseño de producto de sensor de presión capacitivo cerámico
Principio de medición de presión de núcleo del sensor de presión capacitivo de cerámica
El núcleo de un sensor de presión capacitivo cerámico típico es una estructura de presión de manómetro sellada, que se compone de una base cerámica, un diafragma deformable y una cavidad sellada hueca. La superficie que soporta la presión es un diafragma deformable. Cuando la presión del rodamiento central cambia, la película deformada se doblará después de la presión del rodamiento, lo que hará que cambie la separación del sustrato y que cambie la capacitancia entre las placas. El cambio de capacitancia se convierte en salida estándar (como salida de voltaje de 0 ~ 5V, salida de corriente de 4 ~ 20mA, salida digital I2C, SPI, etc.) a través del chip de acondicionamiento.
Figura 1: Vista en sección de un sensor de presión de condensador cerámico bajo presión
Figura 2: Vista en sección transversal de un sensor de presión de condensador cerámico bajo presión
Estructura de sellado del sensor de presión de condensador cerámico típico
Para garantizar la estanqueidad al aire, en el diseño de los sensores de presión de condensadores cerámicos, se seleccionan juntas tóricas o juntas como componentes clave del sello, de las cuales las juntas tóricas son más comunes. Debido a que las juntas tóricas tienen excelentes características de sellado lineal, el rango de presión es más amplio que las juntas (generalmente se recomiendan juntas para sellar dentro de 2MPa) y otras ventajas.
La selección de parámetros como el tamaño, el material y la dureza de la junta tórica afectará directamente el rendimiento del producto del sensor de presión final. Debe seleccionarse después de considerar las dimensiones del conjunto, el tipo de medio a medir, el rango de temperatura de funcionamiento y otros factores.
Los materiales comunes de las juntas tóricas en los sensores de presión son: EPDM,
Caucho de nitrilo hidrogenado (HNBR),
Caucho de silicona (QM),
Neopreno (CR), caucho de flúor (FKM), caucho de fluorosilicona (MFQ), etc.
Figura 3: Rango de temperatura de funcionamiento de un material típico de juntas tóricas (fuente: Parker)
En términos generales, los sensores de presión de aire acondicionado automotriz usan juntas tóricas de material HNBR o CR, y los sensores de presión de aceite usan goma fluorada. Los sensores de presión de los frenos de aire automotrices pueden usar juntas tóricas hechas de caucho de silicona; Incluso para el mismo tipo de material, cada fabricante puede extender su rango de temperatura de operación a través de un tratamiento especial de dopaje o polimerización. Puede haber varios materiales opcionales para que coincidan con la misma aplicación del sensor. En uso específico, después de consultar y confirmar con el fabricante de la junta tórica, seleccione el material y la calidad de la junta tórica adecuada para diseñar la estructura del sensor.
La estructura de sellado general del sensor de presión del condensador cerámico se muestra en la siguiente figura:
Después de ensamblar el sensor de presión, la parte inferior del condensador de cerámica debe mantener una cierta distancia de la carcasa metálica (el espacio en la figura anterior). En general, los sensores de presión de condensador de cerámica soportan presión positiva, por lo que solo se retiene el anillo exterior de la ranura de la junta tórica para reducir la dificultad de procesamiento.
Al controlar la diferencia de altura entre el primer paso y la parte inferior de la ranura de la junta tórica en la figura anterior, se controla la cantidad de compresión de la junta tórica.
El segundo paso y la parte inferior de la ranura de la junta tórica forman una ranura de la junta tórica, que define la posición de montaje de la junta tórica. Además, la parte superior de la ranura de la junta tórica debe redondearse para evitar que la carcasa corte la junta tórica después de aplicar presión, y la parte inferior de la ranura de la junta tórica se redondea para reducir la tensión del conjunto.
Aplicaciones típicas de sensores de presión capacitivos de cerámica.
Los sensores de presión de condensador de cerámica se pueden utilizar ampliamente en la detección de presión de agua, gas y líquido debido a sus ventajas, tales como resistencia a la corrosión, resistencia al impacto, ausencia de histéresis y compatibilidad fuerte con medios. Particularmente adecuado para trabajar en entornos hostiles de sistemas automotrices. Para el mercado emergente de aplicaciones de sensores de presión como Internet de las cosas y electrodomésticos, la resistencia al impacto de los condensadores cerámicos se puede aplicar a la medición de la presión del agua de las redes de tuberías de suministro de agua, que responden perfectamente al efecto de golpe de ariete; Para aplicaciones de olla a presión de presión variable, la estructura de membrana plana del condensador de cerámica puede evitar la obstrucción.
Las aplicaciones típicas de los sensores de presión de condensadores cerámicos en el campo automotriz se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 1: Aplicaciones típicas de sensores de presión capacitivos cerámicos en el campo automotriz
Las aplicaciones típicas de los sensores de presión capacitivos de cerámica en Internet de las cosas y los electrodomésticos se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 2: Aplicaciones típicas de sensores de presión capacitivos cerámicos en el campo automotriz
Yaxun Electronics puede proporcionar sensores de presión de condensador de cerámica con un rango de presión de trabajo de 0.5MPa ~ 10MPa, hay varios rangos disponibles y hay versiones a prueba de agua.
En combinación con el chip especial NSC9260 para acondicionamiento de señal capacitiva, podemos proporcionar a los clientes soluciones completas de sensores capacitivos. También podemos proporcionar soluciones de sistemas de sensores personalizados de acuerdo con las necesidades reales de los clientes.
Los condensadores de cerámica, como ruta técnica principal en sensores de presión, tienen las ventajas de resistencia a la corrosión, resistencia al impacto y buena compatibilidad dieléctrica. Los sensores de presión son una gran categoría de sensores y se usan ampliamente en los campos automotriz, industrial e Internet de las cosas.
Tipos comunes de tecnología de sensores de presión
Los sensores de presión generalmente se usan para medir la presión de la atmósfera de gas o líquido en la que se encuentran los componentes sensibles del sensor, y generalmente se usan para realimentar a la unidad de control principal del sistema para lograr un control preciso del sistema.
Como una gran categoría de sensores, los sensores de presión se utilizan ampliamente en diferentes industrias, como automotriz, industrial, electrodomésticos y electrónica de consumo. Los sensores de presión de uso común se distinguen del principio de detección, que incluye principalmente las siguientes categorías:
-Tecnología piezoresistiva de silicio
-Tecnología de resistencia cerámica
-Tecnología de microfusión de vidrio.
-Tecnología de condensadores de cerámica
-Tecnología piezoresistiva de silicio
-Tecnología de resistencia cerámica
-Tecnología de microfusión de vidrio.
-Tecnología de condensadores de cerámica
La tecnología piezoresistiva de silicio se realiza mediante las características piezoresistivas de los semiconductores. Las propiedades piezoresistivas de los materiales semiconductores dependen de factores como el tipo de material, la concentración de dopaje y la orientación del cristal del cristal. Esta tecnología se puede implementar utilizando tecnología de semiconductores y tiene las ventajas de pequeño tamaño, alto rendimiento, bajo costo y alta sensibilidad de salida de señal. Las deficiencias se reflejan principalmente en la baja tolerancia del medio, las malas características de temperatura y la pobre estabilidad a largo plazo. Es común en el rango de presión baja y media, como 5kPa ~ 700kPa. La industria también tiene soluciones para mejorar la resistencia dieléctrica de la tecnología piezoresistiva de silicio a través de procesos especiales de envasado. Como el llenado de aceite, la contrapresión y otras tecnologías, pero también trae problemas como un aumento sustancial en los costos.
La tecnología de resistencia cerámica utiliza un proceso de impresión de película gruesa para imprimir un puente de Wheatstone en la superficie de una estructura cerámica, y utiliza el efecto varistor para convertir la señal de presión del medio en una señal de voltaje. La tecnología de resistencia cerámica tiene las ventajas de un costo moderado y un proceso simple. En la actualidad, muchos fabricantes nacionales proporcionan núcleos de sensores de presión de resistencia cerámica. Sin embargo, la sensibilidad de salida de señal de esta tecnología es baja, el rango generalmente se limita a 500kPa ~ 10MPa, y la estructura hueca convencional solo soporta la presión del diafragma, que tiene poca resistencia a la sobrecarga. Cuando la presión del medio a medir está sobrecargada, el sensor de resistencia de cerámica correrá el riesgo de que se rompa el diafragma y la fuga del medio.
La tecnología de microfusión de vidrio utiliza un proceso de sinterización a alta temperatura que combina un medidor de deformación de silicio con una estructura de acero inoxidable. Una galga extensométrica de silicio equivalente a cuatro resistencias forma un puente Wheatstone. Cuando hay una presión media en el otro lado del diafragma de acero inoxidable, el diafragma de acero inoxidable genera una ligera deformación que hace que el puente cambie, formando una señal de voltaje proporcional al cambio de presión. El proceso de micro fusión del vidrio es difícil de realizar y el costo es alto. La principal ventaja es que el medio tiene buena tolerancia y una fuerte resistencia a la sobrecarga. Generalmente es adecuado para rangos de alta presión y ultra alta presión, como 10MPa ~ 200MPa, y su aplicación es limitada.
La tecnología de condensador de cerámica utiliza una base de cerámica fija y una estructura de diafragma de cerámica móvil. El diafragma móvil se sella y se fija con la base mediante un método como la suspensión de vidrio.
Se imprime un patrón de electrodo en el interior entre los dos para formar un condensador variable. Cuando la presión media en el diafragma cambia, la capacitancia entre los dos cambia en consecuencia. La señal se convierte y condiciona mediante un chip de acondicionamiento y luego se envía a una etapa posterior para su uso.
La tecnología de condensadores de cerámica tiene las ventajas de un costo moderado, un amplio rango de medición, buenas características de temperatura, consistencia y estabilidad a largo plazo. Desde el punto de vista internacional, es ampliamente utilizado en el control de procesos automotrices e industriales y otros campos, representados por American Sensata y Swiss E + H. Como la señal de capacitancia es diferente de la señal de resistencia, se requiere que el circuito de procesamiento de señal sea más alto. El diseño del sensor debe considerar la capacidad y el chip de acondicionamiento de señal ASIC juntos. En la actualidad, solo Yaxun Electronics puede proporcionar una solución completa para la integración de ambos.
Diseño de producto de sensor de presión capacitivo cerámico
Principio de medición de presión de núcleo del sensor de presión capacitivo de cerámica
El núcleo de un sensor de presión capacitivo cerámico típico es una estructura de presión de manómetro sellada, que se compone de una base cerámica, un diafragma deformable y una cavidad sellada hueca. La superficie que soporta la presión es un diafragma deformable. Cuando la presión del rodamiento central cambia, la película deformada se doblará después de la presión del rodamiento, lo que hará que cambie la separación del sustrato y que cambie la capacitancia entre las placas. El cambio de capacitancia se convierte en salida estándar (como salida de voltaje de 0 ~ 5V, salida de corriente de 4 ~ 20mA, salida digital I2C, SPI, etc.) a través del chip de acondicionamiento.
Figura 1: Vista en sección de un sensor de presión de condensador cerámico bajo presión
Figura 2: Vista en sección transversal de un sensor de presión de condensador cerámico bajo presión
Estructura de sellado del sensor de presión de condensador cerámico típico
Para garantizar la estanqueidad al aire, en el diseño de los sensores de presión de condensadores cerámicos, se seleccionan juntas tóricas o juntas como componentes clave del sello, de las cuales las juntas tóricas son más comunes. Debido a que las juntas tóricas tienen excelentes características de sellado lineal, el rango de presión es más amplio que las juntas (generalmente se recomiendan juntas para sellar dentro de 2MPa) y otras ventajas.
La selección de parámetros como el tamaño, el material y la dureza de la junta tórica afectará directamente el rendimiento del producto del sensor de presión final. Debe seleccionarse después de considerar las dimensiones del conjunto, el tipo de medio a medir, el rango de temperatura de funcionamiento y otros factores.
Los materiales comunes de las juntas tóricas en los sensores de presión son: EPDM,
Caucho de nitrilo hidrogenado (HNBR),
Caucho de silicona (QM),
Neopreno (CR), caucho de flúor (FKM), caucho de fluorosilicona (MFQ), etc.
Figura 3: Rango de temperatura de funcionamiento de un material típico de juntas tóricas (fuente: Parker)
En términos generales, los sensores de presión de aire acondicionado automotriz usan juntas tóricas de material HNBR o CR, y los sensores de presión de aceite usan goma fluorada. Los sensores de presión de los frenos de aire automotrices pueden usar juntas tóricas hechas de caucho de silicona; Incluso para el mismo tipo de material, cada fabricante puede extender su rango de temperatura de operación a través de un tratamiento especial de dopaje o polimerización. Puede haber varios materiales opcionales para que coincidan con la misma aplicación del sensor. En uso específico, después de consultar y confirmar con el fabricante de la junta tórica, seleccione el material y la calidad de la junta tórica adecuada para diseñar la estructura del sensor.
La estructura de sellado general del sensor de presión del condensador cerámico se muestra en la siguiente figura:
Figura 4: Diagrama esquemático de una estructura de sellado de condensador cerámico típico
Después de ensamblar el sensor de presión, la parte inferior del condensador de cerámica debe mantener una cierta distancia de la carcasa metálica (el espacio en la figura anterior). En general, los sensores de presión de condensador de cerámica soportan presión positiva, por lo que solo se retiene el anillo exterior de la ranura de la junta tórica para reducir la dificultad de procesamiento.
Al controlar la diferencia de altura entre el primer paso y la parte inferior de la ranura de la junta tórica en la figura anterior, se controla la cantidad de compresión de la junta tórica.
El segundo paso y la parte inferior de la ranura de la junta tórica forman una ranura de la junta tórica, que define la posición de montaje de la junta tórica. Además, la parte superior de la ranura de la junta tórica debe redondearse para evitar que la carcasa corte la junta tórica después de aplicar presión, y la parte inferior de la ranura de la junta tórica se redondea para reducir la tensión del conjunto.
Aplicaciones típicas de sensores de presión capacitivos de cerámica.
Los sensores de presión de condensador de cerámica se pueden utilizar ampliamente en la detección de presión de agua, gas y líquido debido a sus ventajas, tales como resistencia a la corrosión, resistencia al impacto, ausencia de histéresis y compatibilidad fuerte con medios. Particularmente adecuado para trabajar en entornos hostiles de sistemas automotrices. Para el mercado emergente de aplicaciones de sensores de presión como Internet de las cosas y electrodomésticos, la resistencia al impacto de los condensadores cerámicos se puede aplicar a la medición de la presión del agua de las redes de tuberías de suministro de agua, que responden perfectamente al efecto de golpe de ariete; Para aplicaciones de olla a presión de presión variable, la estructura de membrana plana del condensador de cerámica puede evitar la obstrucción.
Las aplicaciones típicas de los sensores de presión de condensadores cerámicos en el campo automotriz se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 1: Aplicaciones típicas de sensores de presión capacitivos cerámicos en el campo automotriz
Las aplicaciones típicas de los sensores de presión capacitivos de cerámica en Internet de las cosas y los electrodomésticos se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 2: Aplicaciones típicas de sensores de presión capacitivos cerámicos en el campo automotriz
Yaxun Electronics puede proporcionar sensores de presión de condensador de cerámica con un rango de presión de trabajo de 0.5MPa ~ 10MPa, hay varios rangos disponibles y hay versiones a prueba de agua.
En combinación con el chip especial NSC9260 para acondicionamiento de señal capacitiva, podemos proporcionar a los clientes soluciones completas de sensores capacitivos. También podemos proporcionar soluciones de sistemas de sensores personalizados de acuerdo con las necesidades reales de los clientes.
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