Датчики давления с нормализованным выходным сигналом фирмы Motorola

Сегодняшний день невозможно представить без микропроцессоров и микроконтроллеров (в дальнейшем МП). Они используются в устройствах проводной и беспроводной связи, в промышленной и автомобильной электронике, в аппаратуре вычислительной техники и в бытовой аппаратуре и для реализации предписанных программой функций каждый МП должен получать информацию из внешнего мира - "увидеть" его, "услышать", "ощутить". Такими "органами чувств" для МП являются датчики - датчики давления, температуры, уровня, расхода, химического состава и т.п.
    В общем ряду датчиков важное место, особенно в автомобильной и промышленной электронике, занимают датчики давления и в данной статье будет представлена серия MPX5000 фирмы Motorola - серия датчиков давления с нормализованным выходным сигналом.
    Основные особенности датчиков давления серии MPX5000

• базовый элемент - тензодатчик (X-duser{TM})
• встроенная схема нормализации сигнала - выходное напряжение от 0.2 В до 4.7 В
• встроенная калибровка
• термокомпенсация в диапазоне температур от 0 до 85 °C
• идеально подходит для микропроцессорных (микроконтроллерных) систем
• одновходовая и дифференциальная конфигурации
• прочный эпоксидный корпус
• напряжение питания - 5 В
• малое потребление -7 мА (типовое)
• смещение выходного сигнала - 0.2 В (типовое)
• малое время отклика - 1.0 мсек.
• высокая точность
• малый вес базового элемента - 4 Г
• малые габариты и вес датчика в сборе с входными портами
• широкий диапазон рабочих температур и температур хранения

    Примечание:

1. 1000 кПа = 9.869 атмосфер; 1 атмосфера = 101.325 кПа.

2. Размах выходного напряжения (Full Scale Span - Vfss) определяется как алгебраическая разница между выходным напряжением при максимальном сертифицированном рабочем давлении и напряжением при минимальном сертифицированном рабочем давлении.

3. Начальное смещение (Voff) определено как выходное напряжение при минимальном сертифицированном давлении.

4. Точность (суммарная ошибка) складывается из:

Линейности	Отклонение выходного напряжения от линейной зависимости P/Vout
Гистерезиса температуры	Разница выходных напряжений при изменении температуры от минимума к максимуму, или наоборот, при приложенном нулевом дифференциальном давлении
Гистерезиса давления	Разница выходных напряжений при изменении сертифицированного давления от минимума к максимуму, или наоборот, при 25°C
Стабильности смещения	Разница выходных напряжений после 1000 циклов изменения температуры от -40 до 125°C и приложения 1.5 миллиона минимальных сертифицированных циклов давления
Температурной ошибки	Разница выходных напряжений в диапазоне температур от 0 до 85°C относительно температуры 25°C
Ошибки смещения	Разница выходных напряжений, при приложении минимального сертифицированного давления в диапазоне температур от 0 до 85°C относительно температуры 25°C
Отклонения от номинала	Отклонения от номинальных значений смещения или размаха выходного напряжения в процентах от Vfss при 25°С

5. Время отклика определяется как время нарастания выходного напряжения от 10% до 90% его конечного значения, определяемого изменением давления.

6. Внешнее давление, превышающее указанное, может привести к утечкам тока с выводов на корпус.

7. Применение приборов за указанными пределами может привести к их деградации или неустранимым повреждениям.

Датчики давления серии MPX5000 поставляются в конфигурациях, обеспечивающих измерение относительного или дифференциального давления. Они могут быть или в корпусе базового элемента, или в корпусах с присоединенными портами (патрубками входов) давления (см. Рис. 1), что облегчает монтаж на печатные платы и подсоединение трубопроводов давления.

Тип датчика	Описание	Тип корпуса	Номер модели	Маркировка
Базовый элемент	Дифференциальный	867 - 04	MPX5010D	MPX5010D
Элемент с портами	Дифференциальный с двумя портами	867C - 03	MPX5010DP	MPX5010DP
Элемент с портами	Относительного давления	867B - 03	MPX5010GP	MPX5010GP
Элемент с портами	Абсолютного давления	867D - 03	MPX5010GVP	MPX5010GVP
Элемент с портами	Относительного давления аксиальный	867E - 02	MPX5010GS	MPX5010D
Элемент с портами	Абсолютного давления аксиальный	867A - 03	MPX5010GVS	MPX5010D
Элемент с портами	Относительного давления аксиальный	867F - 02	MPX5010GSX	MPX5010D
Элемент с портами	Абсолютного давления аксиальный	867G -02	MPX5010GVSX	MPX5010D

Датчики давления серии MPX5000 являются законченными датчиками давления, перекрывающими диапазон давлений от нуля до тысячи килопаскалей, разработанными для массового применения и за счет нормализации выходного сигнала очень удобными для применения в системах с микропроцессорным управлением.
    Датчик, на основе запатентованного фирмой Motorola элемента X-duser, реализован с использованием микромеханической технологии, тонкопленочной металлизации, биполярной полупроводниковой технологии и компьютеризованной лазерной подстройки, что позволило получить точный, качественный аналоговый выходной сигнал пропорциональный прилагаемому давлению.
    Зададимся вопросом -что же такое элемент X-duser и какими преимуществами он обладает по сравнению с традиционными полупроводниковыми датчиками давления? Датчики давления фирмы Motorola созданы на основе монолитного кремниевого пьезорезистора, генерирующего выходное напряжение изменяющееся в зависимости от изменения прилагаемого давления. Резистивный элемент, основа тензодатчика, формируется имплантацией ионов в краевой зоне тонкой кремниевой диафрагмы, сформированной травлением полости в относительно толстом кремниевом кристалле.
    Датчик работает таким образом: ток возбуждения протекает по резистору (отводы 1 и 3) а подаваемое к диафрагме давление, воздействуя на диафрагму, изгибает резистор. Изгиб приводит к возникновению в резисторе поперечного электрического поля , которое проявляется как напряжение на отводах 2 и 4, соединенных со средней точкой резистора. Выходной сигнал изменяется пропорционально прилагаемому давлению. Одноэлементный тензодатчик, с поперечным съемом напряжения, можно рассматривать как механический аналог прибора на эффекте Холла.
    Тензодатчик является интегральной частью диафрагмы и, следовательно, его температурный коэффициент не отличается от температурного коэффициента диафрагмы. Выходные параметры самого тензодатчика все же зависят от температуры и для обеспечения расширенного диапазона температур необходима температурная компенсация. Для диапазона температур от 0 до 85°C достаточно простой резистивной цепочки, реализованной на том же кристалле, но для более широкого диапазона температур, например от -40 до 125°C, потребуется и более сложная схема компенсации. Такая дополнительная компенсация реализуется внешними схемами.
    Использование одного чувствительного элемента исключает необходимость точного согласования четырех , чувствительных и к давлению и к температуре, резисторов, составляющих мост Уитстоуна. Кроме того, существенно упрощаются дополнительные схемы, необходимые для калибровки и температурной компенсации. Начальное смещение зависит , в основном, от степени выравнивания отводящих проводников, снимающих напряжение. Это выравнивание выполняется в одном литографическом процессе, обеспечивающем простое их согласование а использование только положительного напряжения, упрощают схему сведения смещения к нулю.

Выводы: 1.GROUND(Земля) 2. +Vout 3. Vs 4. -Vout

    Рис.2 Базовый элемент некомпенсированного датчика (Вид сверху).

Базовые элементы кремниевых датчиков давления фирма Motorola изготавливает двух видов. Один вид обеспечивает измерение абсолютного давления (в серии MPX5000 этот вид базового элемента не используется), другой обеспечивает измерение дифференциального и относительного давлений.
    Абсолютное давление, такое как барометрическое давление, измеряется относительно вакуума во встроенной в кристалл датчика полости. Дифференциальное давление, такое как падение давления в регуляторе тяги или на фильтре в воздушном канале, измеряется подачей давления с противоположных сторон чувствительного элемента датчика. Относительное давление, как в случае измерения кровяного давления, является частным случаем дифференциального, в котором в качестве давления сравнения служит атмосферное давление.
    На Рис.3 показан кристалл датчика абсолютного давления (слева) и кристалл дифференциального (или относительного) датчика в корпусе - носителе кристалла. Разница между кристаллами датчиков дифференциального и абсолютного давления заключается в том, что у последнего нет отверстия в нижней - герметизирующей кремниевой пластине и полость, сформированная углублением, вытравленным в верхней пластине, и нижней пластиной содержит вакуум - давление сравнения.

Базовый элемент датчика абсолютного давления



Датчик дифференциального/относительного давления

    Рис.3 Поперечные сечения базового элемента абсолютного давления и носителя кристалла датчика дифференциального/относительного давления (не в масштабе).

На сечении носителя кристалла с кристаллом дифференциального датчика давления, виден кремниевый гель, который изолирует поверхность кристалла и соединительные проводники от повреждения твердыми частицами. которые могут оказаться в среде, передающей давление на диафрагму.
    Датчики давления серии MPX поставляются как в виде базовых элементов без компенсации, базовых элементов с температурной компенсацией и калибровкой, и со схемой полной нормализации выходного сигнала (семейство MPX5000), размещенной на этом же кристалле. Достоинство некомпенсированных приборов в том, что внешнюю схему компенсации можно реализовать на любую требуемую температуру.
    С тем, чтобы облегчить жизнь разработчикам систем, в которых используются датчики давления, фирма Motorola увеличила уровень интеграции датчиков - кроме встроенной температурной компенсации и калибровки, реализованных в датчиках предшествовавшей серии (серии MPX20000 ), в серии MPX5000 на кристалле датчика реализован усилитель нормализации сигнала, что позволяет реализовать прямой интерфейс датчика с аналого-цифровым преобразователем микропроцессора.
    На Рис. 4 представлена блок схема, датчика давления с встроенными на кристалл элементами термокомпенсации, калибровки и нормализации выходного сигнала.

Рис.4 Блок - схема интегрального датчика давления семейства MPX5000.

Нормализация выходного сигнала реализована посредством четырехкаскадного биполярного линейного усилителя с использованием технологии тонкопленочной технологии и интерактивной лазерной подгонкой .

Рис.5 Упрощенная принципиальная схема датчика давления семейства MPX5000.

Датчики давления фирмы Motorola продаются и как базовые элементы, для монтажа в условиях, определяемых потребителем, и в комплекте с одним или двумя портами, разработанными фирмой Motorola, которые обеспечивают удобный монтаж датчика на печатной плате и подключение к нему подводящих среду передачи давления магистралей. Возможны и нестандартные , например обеспечивающие биологическую совместимость, материалы корпусов.
    Рабочие характеристики датчиков серии MPX, их надежность и сертификационные тесты основываются на использовании в качестве передающей давление среды сухого воздуха. Другие среды могут оказать неблагоприятное воздействие на характеристики датчика и его долговременную стабильность.
    Вопросы определения степени надежности полупроводниковых датчиков давления приобрели важное значение практически с самого начала их разработки и применения. Для микроэлектроники эти вопросы не являются новыми. Однако, при разработке новых технологий, таких, как датчики, не всегда ясно как определять надежность. Датчики давления имеют два "лица" - электронное и механическое. Поскольку они являются электромеханическими устройствами, эксплуатируемыми под воздействиями самого различного вида, необходимо быть уверенными, что на различные элементы датчика при испытаниях на надежность будут использоваться такие же воздействия, как и в реальных условиях эксплуатации. Дополнительные сложности при проведении испытаний на надежность создает большое количество сильно отличающихся корпусов датчиков, по сравнению со стандартными корпусами других полупроводниковых приборов, что требует разработки и изготовления специальных фиксаторов и измерительных установок. Однако, поскольку объемы применения датчиков продолжают расти, вопросы определения надежности становятся более важными, чем даже обеспечение того, чтобы датчики использовались во всех сегментах рынка.

Фирма Motorola проводит испытания своих полупроводниковых датчиков на надежность основываясь на статистике выявлении отказов под воздействием возможных факторов окружающей Среды, что позволило фирме прогнозировать характеристики надежности своих приборов. Потенциально возможные режимы работы и механизмы отказов выявляются как проведением сертификационных тестов, так и посредством разрушающего контроля - заданием режимов и условий работы за пределами действия сертификационных тестов. Ниже представлен перечень типовых испытаний на надежность, используемых фирмой для обеспечения соответствия рабочих характеристик датчиков давления требованиям конечного пользователя в промышленной и автомобильной областях.

Термоциклирование включенного прибора под переменным давлением.

Этот тест является тестом на воздействие температуры объединенным с циклической подачей давления при котором электрически включенный прибор попеременно подвергается низкой и высокой температуре при изменяющемся давлении. Этот тест имитирует экстремальные ситуации в жизненном цикле датчика.
    Типовые условия при тестировании: предельная температура окружающей среды -40°C и +125°C с выдержкой по 8 часов при каждой температуре в течение 500 часов, , воздействие давления с частотой 1 Гц от нулевого до полного в течение 1800000 циклов, диапазон напряжений = 100% номинального напряжения.
    Потенциальные виды отказов: обрыв, короткое замыкание, уход параметров
    Возможные отказы: дефекты проводников и приварки проводников, нарушение посадки кристалла, вспенивание изолирующего геля, нарушение целостности корпуса, нарушение стабильности параметров.

Воздействие высокой влажности, высокой температуры на включенный прибор.

Комплексный тест на воздействие среды/тока в котором электрически включенный прибор подвергается воздействию высокой температуры и влажности.
    Типовые условия при тестировании: температура окружающей среды = 85°C, относительная влажность = 85%, диапазон напряжений = 100 % номинального напряжения, время тестирования 500 часов.
    Потенциальные виды отказов: обрыв, короткое замыкание, уход параметров
    Возможные отказы: дефекты приварки проводников, нарушение целостности корпуса, нарушение стабильности параметров.

Механический удар (Military standard 750 Metod 2016).

Тест имитирует потенциально возможные экстремальные условия эксплуатации.
    Типовые условия при тестировании: воздействие на датчик ускорения 3000 g по пять раз по каждой из шести осей ориентации
    Потенциальные виды отказов: обрыв, короткое замыкание, уход параметров
    Возможные отказы: дефекты приварки проводников, нарушение целостности кремниевой диафрагмы, нарушение стабильности параметро

Воздействие вибрации с переменной частотой (Military standard 750 Metod 2056).

Тест имитирует потенциально возможные экстремальные условия эксплуатации.
    Типовые условия при тестировании: воздействие на датчик вибрации с логарифмически изменяющейся от 100 Гц до 2 кГц частотой в течение 4 циклов по каждой оси по 4 минуты в каждом цикле.
    Потенциальные виды отказов: обрыв, короткое замыкание, уход параметров
    Возможные отказы: нарушение целостности кристалла, целостности корпуса, нарушение стабильности параметров

Воздействие экстремальных температур условий хранения

Тест имитирует возможные экстремальные условия хранения.
    Типовые условия при тестировании: выдержка при -40°C и +125°C по 1000 часов при каждой температуре.
    Возможные отказы: нарушение рабочих характеристик.

Термоциклирование (Military standard 750 Metod 1051).

Тест на попеременное воздействие высокой и низкой температурой
    Типовые условия при тестировании: выдержка при -40°C и +125°C по 15 минут при каждой из указанных температур, длительность теста - 1000 циклов.
    Потенциальные виды отказов: обрыв, короткое замыкание, уход параметров
    Возможные отказы: нарушение целостности и посадки кристалла, дефекты приварки проводников, нарушение целостности корпуса, нарушение рабочих характеристик.

Термический удар (Military standard 750 Metod 1056).

Тест аналогичен термоциклированию но проводится в жидкостной среде, что обеспечивает быструю передачу тепла к местам присоединения кристалла, проводников и корпусу в целом.
    Типовые условия при тестировании: выдержка при -40°C и +125°C по 1 минуте при каждой из указанных температур, в течение 500 циклов.
    Потенциальные виды отказов: обрыв, короткое замыкание, уход параметров
    Возможные отказы: нарушение целостности и посадки кристалла, дефекты приварки проводников, нарушение целостности корпуса, нарушение рабочих характеристик.

Воздействие соляным туманом (Military standard 750 Metod 1041).

Тест на воздействие атмосферы соляного тумана имитирующего атмосферу морского побережья
    Возможные отказы: коррозия датчика

Дополнительную информацию по конкретным датчикам, их применеию, подключению их к МП, разработке программ для конкретной системы, использующей датчики давления фирмы Motorola можно получитьв Консультационно- Техническом Цнтре по Микроконтроллерам (КТЦ - МК).

аппарат для измерения давления - тонометр, небулайзер