Por qué es importante el embalaje de un sensor de presión

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Los desarrolladores de sistemas que requieren capacidades de detección de presión donde el sensor estará expuesto a medios agresivos y temperaturas prolongadas deben saber que el empaque es fundamental para mejorar la confiabilidad del sensor de presión. Los sensores de presión a menudo están expuestos a fluidos agresivos, como gas, aceite, refrigerante y otros solventes cáusticos que pueden dañar los circuitos del sensor si el sensor no está empacado correctamente. Los sensores de presión dañados pueden provocar errores de detección y, en última instancia, retiradas de productos y riesgos de seguridad.

Las especificaciones aeroespaciales y automotrices son particularmente estrictas. En estas aplicaciones las temperaturas oscilan entre -40 y 150 °C. Además, los requisitos de precisión y confiabilidad en estas aplicaciones tienden a ser exigentes, ya que la falla de un componente puede generar un riesgo de seguridad y/o la retirada del producto.

Otra cosa a considerar que está relacionada con la temperatura son los coeficientes térmicos de expansión (TCE) entre los elemento de detección de MEMS, o morir, y el sustrato sobre el que se adjunta. El acero inoxidable puede parecer un gran material de sustrato, pero su TCE es mucho más alto que el TCE del silicio, del que está hecho el troquel MEMS. En resumen, el acero inoxidable se expande y contrae mucho más que el silicio. Estas diferencias en TCE hacen que el elemento de detección MEMS reaccione como lo haría con presión real, por lo tanto, introduce errores de detección.

Serie TR para sello frontal y presión trasera

Los medios también tienen que ser considerados. Los adhesivos se utilizan a menudo para sellar la matriz MEMS al sustrato y proteger los circuitos del sensor. Sin embargo, los adhesivos se ablandan con la exposición prolongada a medios duros. Las aplicaciones médicas, por ejemplo, no exponen el sensor a medios tan duros como la gasolina, pero incluso la solución salina puede ser corrosiva después de que el sensor haya estado expuesto durante el tiempo suficiente. Además, el proceso de limpieza y esterilización normalmente requiere un contacto repetido con productos químicos cáusticos, como la lejía. Cuando los adhesivos se ablandan y los sellos se rompen, los circuitos pueden dañarse y pueden ocurrir errores de detección.

Además de la temperatura y el medio, se debe considerar la presión. Las presiones lo suficientemente altas (alrededor de 300 psi) pueden hacer que el elemento sensor de MEMS se separe del sustrato cuando se utilizan adhesivos para la unión del troquel de MEMS.

Otra cosa que degrada la fuerza de unión de los adhesivos es la humedad. Muy pocos adhesivos o epoxis pueden soportar la exposición a largo plazo a temperaturas elevadas con mucha humedad. Y los epóxicos especiales diseñados para este entorno ejercerán una tensión significativa en el elemento de detección MEMS, lo que nuevamente provocará errores de detección.

Para que un sensor de presión funcione bien entre -40 y 150 °C, incluso en medios agresivos y presiones superiores a 300 psi, el embalaje adecuado es esencial.

Serie TR para un sello de junta tórica y presión trasera

En Merit Sensor nos hemos asegurado de que nuestros sensores de presión hayan sido diseñados para medios duros y alta temperatura. Disponemos de innovadores adhesivos para troqueles fabricados con elementos muy resistente a los medios duros. Estos enlaces de troquel se realizan en sustratos cerámicos, lo que da como resultado TCE muy parecidos. Esto da como resultado paquetes de sensores de presión con alta precisión y confiabilidad.

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Plataforma de sensores de presión para una variedad de entornos hostiles

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Muchas aplicaciones de sensores de presión necesitan un dispositivo MEMS compacto con acondicionamiento de señal integrado; sin embargo, el desafío es encontrar un enfoque que sea capaz de soportar los requisitos de volumen y costo de la aplicación, incluida la flexibilidad en términos de rango de presión. Desde aplicaciones industriales a médicas, posventa hasta proyectos automotrices de gran volumen OEM, se considera que la solución es una plataforma que se puede adaptar según el rango de presión, el rango de temperatura y la compatibilidad con los medios.

La plataforma de detección Merit Sensor TVC es un nuevo enfoque que aborda aplicaciones que necesitan rangos de presión más bajos integrados con un sello radial. En lugar de una solución de un solo chip, que limita el rango de presión y los cambios de configuración de salida, estas aplicaciones se adaptan perfectamente a una plataforma de sensores personalizable que incorpora el dispositivo MEMS y el acondicionamiento de señales en un paquete compacto y rentable.

La plataforma de sensores cumple con las necesidades exactas de las aplicaciones

El personalizable plataforma de sensores incorpora un dispositivo MEMS de alta sensibilidad elegido de una de las carteras de elementos de detección MEMS más grandes y líderes a nivel mundial, que comprende dispositivos desde el rango más bajo de 7 kPa hasta 3.5 MPa absolutos, junto con una capacidad de acondicionamiento de señal individual. Esto es compatible con casi cualquier aplicación con componentes fácilmente disponibles, ahorrando la inversión en la producción de un dispositivo para rangos y dimensiones particulares. El ASIC de acondicionamiento de señal con los componentes electrónicos relacionados se fija en un sustrato cerámico compatible con medios duros. El sensor MEMS se fija en un puerto de presión cerámico tipo férula premoldeado, lo que evita posibles vías de fuga adicionales.

La parte trasera de MEMS, el puerto de cerámica y el material adjunto son los únicos elementos expuestos a los medios. El sustrato cerámico poblado protege completamente los componentes y, por lo tanto, no requiere la adición de recubrimientos compatibles con medios dedicados. Los componentes y el acondicionamiento de la señal cumplen con las normas de protección EMI/ESD, por lo que la plataforma de sensores todo en uno minimiza la necesidad de componentes externos.

La solución de dos componentes incluye tanto el acondicionamiento de señales como MEMS en subgrupos conectados mecánicamente por separado. Esto permite a Merit Sensor elegir tanto el sensor de presión MEMS exacto como la salida de acondicionamiento de señal (analógica o SENT) requerida para la aplicación del usuario final. Mantener los dos elementos separados tiene una ventaja funcional y también proporciona una solución más rentable al aprovechar el costo unitario de MEMS de mayor cantidad, incluso si las necesidades de acondicionamiento de la señal cambian entre las aplicaciones.

El elemento de detección MEMS se considera un componente clave para la plataforma. La serie TVC puede cubrir aplicaciones de presión de 7 kPa a 3.5 MPa junto con las series HM y J. Ambas series se han diseñado para mediciones de presión en la parte trasera, y la serie HM (MEMS para entornos hostiles) también cubre la configuración absoluta de 100 kPa a 3.5 MPa. La serie J es el elemento más sensible (5333 µV/V/ psi = 760 µV/V/kPa), se emplea como configuración de calibre (parte trasera) y comprende presión superior (< 0.025 % FS) e histéresis térmica (< 0.1 % FS) para entregar una señal estable al acondicionamiento de señal a través de amplios rangos de temperatura y baja presión.

El conocimiento de Merit Sensor se aplica a la geometría y configuración de MEMS, principalmente en el espesor del vidrio, para garantizar el desacoplamiento mecánico correcto para un comportamiento térmico y una estabilidad óptimos. Los tres procesos de unión de troquel proporcionados dentro de la plataforma abordan diversos requisitos de aplicación, combinando así el mejor comportamiento térmico de MEMS con presión de explosión junto con la compatibilidad de medios solicitada. Los elementos de detección MEMS son desarrollados por la propia fábrica de Merit Sensor, que proporciona un control directo y dinámico de las diferentes soluciones.

Figura 1. El módulo de detección de TVC de Merit Sensor es altamente personalizable para cumplir con los requisitos de aplicaciones específicas en un paquete compacto y rentable.

Figura 2. Los elementos de detección de presión se pueden elegir de la cartera más grande del mundo de dispositivos sensores de presión MEMS.

Elija el proceso de conexión apropiado para el entorno y el costo

La plataforma de detección es geométricamente compacta y la cavidad y el puerto de presión tienen dimensiones definidas para aire, fluidos y gas. Sin embargo, un elemento vital para la precisión y la confiabilidad es la elección del accesorio de matriz. Los adhesivos convencionales que se utilizan para crear el sello de presión y proteger la matriz del sensor y los circuitos relacionados se consideran un enfoque rentable para gases y aire no agresivos, pero eventualmente se ablandan en vapores o fluidos agresivos. Una vez que se rompe el sello, el circuito del sensor se daña, lo que genera una falla de confiabilidad común que puede ser costosa si conduce a la retirada del producto o exige un mantenimiento regular y el reemplazo del subsistema de detección.

En el otro extremo del espectro, un enlace de matriz eutéctico que usa una aleación de soldadura de oro y estaño proporciona un sello hermético incluso en fluidos agresivos, en rangos de temperatura extremadamente amplios y a alta presión. Si bien esta soldadura de oro y estaño es mucho más costosa que el adhesivo, la diferencia de costo es mínima en comparación con la gran mejora en la confiabilidad prolongada y los costos de mantenimiento.

El proceso de unión del troquel que utiliza la frita de vidrio introducida con la plataforma TVC se considera una solución rentable para presiones de estallido altas en términos de confiabilidad, resistencia mejorada a los medios en comparación con el adhesivo y más estabilidad en rangos de presión media/baja. gracias al material de sellado TCE cercano al silicio. El proceso de curado a alta temperatura (> 300 °C) durante el ensamblaje de MEMS a puerto garantiza la estabilidad en aplicaciones de amplio rango de temperatura.

Merit Sensor ofrece una amplia gama de procesos de conexión MEMS en el Al2O3 puerto de presión cerámico para soportar las demandas ambientales y de los medios del sensor, y también los requisitos de costo y confiabilidad de cada aplicación (consulte la Tabla 1). La medición de la presión de la parte trasera del MEMS, junto con el proceso de fijación del troquel dedicado de la plataforma, garantiza una presión de ruptura segura en cada rango de presión (Tabla 1).

Tabla 1. Comparación de enfoques de fijación por troquel y medios apropiados, junto con compensaciones en costo y presión de explosión.

La plataforma de detección de presión personalizable aborda una gama completa de decisiones de diseño

El  Merit Sensor TVC módulo de detección aborda una variedad de requisitos orientados a la aplicación con una única solución. Esto cubre la medición de gases de escape de baja presión, por debajo de 100 kPa, hasta la medición de gases de aire acondicionado de 3.5 MPa solo en el dominio automotriz. Ambos necesitan una sólida compatibilidad con los medios, lo que implica un conocimiento profundo de la unión de troqueles MEMS, así como la coincidencia de los componentes precisos para la temperatura de la aplicación y otros requisitos ambientales.

La junta de sellado y la elección de cómo incorporar mecánicamente y acoplar eléctricamente el sensor depende en gran medida del tipo de aplicación, el rango de presión y la temperatura. La conexión eléctrica estándar se puede lograr con marcos de cables y clavijas o con almohadillas sin orificios (consulte la Figura 3, por ejemplo). La unión de alambres gruesos se puede utilizar como una conexión sin tensión mecánica ideal para rangos de temperatura extremadamente grandes de -40 °C a +150 °C y baja presión. El sellado también necesita atención al material (compatible con los medios) y las tolerancias (fugas), así como la determinación del rango de presión sin o con vacío, que necesitaría que el sensor esté fijo para evitar cualquier movimiento por presión negativa/positiva. cruce.

 

Figura 3. Vista 3D del módulo compacto TVC Merit Sensor, el archivo de pasos 3D está disponible para un diseño rápido en la carcasa del sensor final.

La configuración del puerto de presión, que permite el sellado radial y limita el material en contacto con el medio (simplificando el diseño), se expande y luego cumple con las soluciones de módulos de detección empaquetados de Merit Sensor. El diseño mecánico libre de tensiones permite el uso de elementos MEMS muy sensibles, que soportan idealmente la baja presión necesaria para las aplicaciones más desafiantes que están disponibles actualmente, y estas incluyen vapor de combustible, gases de escape y presión de combustible. El módulo de detección de geometría compacta de 14 x 10 x 4 mm incluye todos los componentes esenciales.

Comparación del tipo de paquete de sensores y consideraciones de diseño.

El uso del ASIC moderno para admitir salida analógica o SENT permite la configuración y calibración desde los tres pads externos, lo que de hecho admite la programación de datos (trazabilidad) y la personalización (valores de salida, parámetros), incluso cuando el módulo de detección se ha instalado previamente en La vivienda. La serie TVC se suministra con temperatura y presión calibradas, con una precisión superior al 2.5 % FS entre -40 °C y +125 °C. La precisión puede variar según el rango de presión y la tecnología de conexión MEMS.

Merit Sensor está completando la cartera para aplicaciones de alta temperatura y entornos hostiles con una solución que es capaz de resolver el estrés mecánico y se expande a baja presión incorporando nuevos MEMS (Serie J) y tecnología de conexión, para una solución rentable.

Caracteristicas

  • Diseño
  • Diseño compacto
  • Requisitos limitados para componentes externos
  • Amplia gama de presiones (7 kPa…3.5 MPa)
  • Influencia mecánica reducida (integración de la carcasa)
  • Módulo de detección todo en uno, listo para usar (probado, calibrado)
  • Solución rentable para aplicaciones compatibles con medios

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Introducción a la soldadura por reflujo y métodos de soldadura

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El objetivo de este artículo es explicar las mejores técnicas para soldar sensores fabricados por Merit Sensor utilizando equipos automatizados. Todos los perfiles deben ser evaluados y probados para obtener el mejor rendimiento.

Debido a las preocupaciones sobre la seguridad del plomo y las nuevas regulaciones que prohíben su uso, como la Directiva de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS) en Europa, un número cada vez mayor de empresas han dejado de usar soldadura convencional de estaño-plomo (Sn/Pb) en la fabricación. de placas de circuitos. La directiva RoHS ha prohibido la venta en Europa de nuevos equipos eléctricos y electrónicos que contengan más de los niveles especificados de cadmio, cromo hexavalente, plomo, mercurio, polibromobifenilo (PBB) y polibromodifenil éter (PBDE) retardantes de llama.

Merit Sensor proporciona sensores de presión que se fijan en sustratos cerámicos y cumplen con RoHS. Las almohadillas de soldadura sin plomo están enchapadas con AgPt para asegurar una excelente unión de soldadura para la mayoría de las conexiones de PCB.

Las piezas de Merit Sensor se pueden soldar mediante un proceso de soldadura que contenga Pb o sin Pb. El objetivo de este artículo es guiar a los clientes sobre cómo soldar piezas de Merit Sensor utilizando soldadura sin Pb o soldadura que contiene Pb.

Para cumplir con la directiva RoHS, los productos deben soldarse con soldadura sin Pb.

Soldadura con Soldadura Libre de Pb

Como los sensores de presión de Merit Sensor están fabricados en cerámica, se debe elegir una soldadura sin Pb que se adapte bien a las almohadillas de soldadura. Merit Sensor sugiere usar aleaciones de soldadura con SnAgCu que tengan un punto de fusión de 217-221 °C. La Tabla 1 muestra las aleaciones de soldadura sin Pb en la familia SnAgCu.

Tabla 1. Aleaciones de soldadura libres de Pb de la familia SnAgCu

La superficie de las aleaciones de soldadura sin Pb puede parecer significativamente diferente en comparación con la soldadura que contiene Pb (consulte la Figura 1). Además, en comparación con una junta de soldadura que contiene Pb, una junta de soldadura sin Pb tendrá un acabado opaco o mate. Esto se debe a que la superficie de la junta de soldadura se volverá áspera cuando las aleaciones sin plomo comiencen a enfriarse. Esta rugosidad se atribuye a la mayor contracción de volumen de las aleaciones libres de Pb. En comparación con las uniones de soldadura que contienen Pb, las uniones de soldadura sin Pb suelen ser más pequeñas, pero esto no afectaría a la fiabilidad, ya que se trata simplemente de características cosméticas.

Figura 1. Ejemplos de una junta de soldadura que contiene Pb (izquierda) y una superficie acabada típica de una junta de soldadura sin Pb (derecha).

Un perfil de soldadura por reflujo para soldadura sin Pb exige un punto de fusión más alto en comparación con las soldaduras que contienen Pb. Las diferencias de temperatura en la placa deben reducirse porque el tiempo de proceso para la soldadura sin Pb es menor que para la soldadura que contiene Pb. Debido a este hecho, Merit Sensor no recomienda los sistemas de reflujo IR para la soldadura sin Pb y, en cambio, sugiere utilizar sistemas de reflujo de convección forzada para garantizar una soldadura por reflujo sin Pb exitosa.

Los sensores de presión que ofrece Merit Sensor se pueden soldar con perfiles que se basan en el estándar IPC/JEDEC J-STD-020C (enero de 2004). Para identificar el mejor perfil de temperatura, se debe evaluar cada proceso. El mejor perfil de temperatura lo define la placa y la soldadura en pasta utilizada.

El perfil recomendado según IPC/JEDEC J-STD-020C se muestra en la Tabla 2 y la Figura 2.

Tabla 2. Perfil de reflujo de clasificación libre de Pb según IPC/JEDEC J-STD-020 C

Figura 2. Perfil de reflujo de Clasificación libre de Pb según IPC/JEDEC J-STD-020.

Uso de nitrógeno — Puede ser esencial trabajar en nitrógeno si el aire conduce a uniones de soldadura insatisfactorias debido al aumento de la temperatura y la oxidación de la soldadura sin Pb; sin embargo, la mayoría de las soldaduras en pasta sin Pb se pueden usar en el aire. Se puede usar nitrógeno si las juntas de soldadura no tienen la humectación adecuada.

Soldadura manual — Merit Sensor no recomienda soldar a mano. Se requiere una cantidad excesiva de energía para la soldadura sin Pb en comparación con las aleaciones de soldadura que contienen Pb. La transferencia de calor a la junta de soldadura es fundamental y nunca debe intentarse con un soldador.

Al usar un soldador, debe recordarse que la soldadura sin Pb necesita una transferencia de calor rápida para lograr una unión de soldadura exitosa. Es posible que necesite aumentar la temperatura de la punta a 360-390 °C y/o un período más prolongado. Se recomienda encarecidamente el uso de estaciones de soldadura de al menos 80 vatios de potencia. El precalentamiento se puede usar para disminuir la cantidad de calor causado en los componentes circundantes durante la soldadura manual, como se hace con la soldadura por reflujo.

Sensores de presión de soldadura con soldadura que contiene Pb

Las temperaturas no deben superar los 225 °C durante 30 segundos si se emplea soldadura que contiene Pb. Los sensores de presión Merit se deben soldar con pasta de soldadura tipo "no-clean" que contiene 62 % Sn36 % Pb2 % Ag y tiene un punto de fusión de 179 °C. La soldadura en pasta que contiene 2% de Ag reduce significativamente la migración de plata desde el pad de AgPt hacia la soldadura en pasta. Por el contrario, no es aconsejable utilizar pasta de soldadura 63%Sn37%Pb. La Tabla 3 y la Figura 3 muestran el perfil de reflujo adecuado para la soldadura SnPb.

Tabla 3. Perfil de reflujo de clasificación SnPb según IPC/JEDEC J-STD-020C

SnPb Clasificación perfil de reflujo según IPC.EDEC J-STD-020C.

Si el proceso de reflujo se sigue correctamente, la junta de soldadura debería poder cubrir toda la almohadilla de soldadura de la placa de circuito impreso de cerámica (consulte la Figura 4, a la izquierda). En la mayoría de los casos, la soldadura manual provocará un sobrecalentamiento del dispositivo debido a la alta conductividad térmica de la cerámica. Las temperaturas muy bajas darán lugar a soldaduras parciales, que además conducirán a una conexión débil a la placa de circuito impreso, como se puede observar en la Figura 4 (centro y derecha). La junta de soldadura en el medio es un ejemplo de una soldadura adecuada. Sin embargo, esa soldadura no pudo humedecer y cubrir toda la almohadilla. La unión de la derecha estuvo expuesta a bajas temperaturas y una soldadura inadecuada, lo que dio como resultado una cobertura de la almohadilla insatisfactoria y también una unión débil a medida que la soldadura se acumulaba. Se recomienda conectar un termopar al sensor para optimizar el perfil de soldadura y garantizar que no se supere ninguna de las temperaturas máximas.

Figura 4. Ejemplo de unión de soldadura buena (izquierda) y unión de soldadura mala (centro y derecha).

Retardo de normalización de tensión para calibración

Para obtener los mejores resultados, Merit Sensor recomienda que cualquier sensor de presión de montaje en superficie se deje reposar a temperatura ambiente durante al menos 48 horas antes de la calibración. El estrés inducido por la soldadura por reflujo generalmente se normaliza dentro de este período y ayuda a mejorar la calibración del producto.

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El valor de la calibración para sensores de presión MEMS

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Los sensores juegan un papel muy importante en los sistemas de diálisis renal. Haber de imagen: Aleksandr Ivasenko/Shutterstock.com

El valor de una herramienta de medición depende de su precisión. Los dispositivos de medición, como los sensores, se encuentran en todas partes en entornos automotrices, de atención médica e industriales. Para muchas de estas aplicaciones, es necesario que los sensores sean precisos para asegurar el control de calidad y garantizar la seguridad del paciente.

Por otro lado, para Sensores de presión piezorresistivos, esta es una opción popular debido a sus respuestas rápidas, robustez y mediciones de amplio rango, los cambios en la temperatura influyen en la salida de presión y, eventualmente, en la precisión. Pero siempre que el tinte en una oblea tenga uniformidad, los errores relacionados con la temperatura pueden corregirse o recompensarse.

La compensación del sensor de presión tiene dos métodos populares: pasivo y activo. La compensación pasiva se completa recortando las resistencias mientras se fabrica. Es adecuado para entornos en los que el sensor sufrirá pequeños cambios de temperatura. Para los cambios de temperatura que son más desafiantes, la compensación activa utiliza un circuito integrado o un microcontrolador.

Aquí es donde el sensor de temperatura mide regularmente la temperatura del entorno inmediato del sensor de presión. Luego lo mueve al circuito integrado para corregir cualquier error relacionado con la temperatura, también conocido como compensación. Esto también permite errores de temperatura cercanos a cero y mayores rangos de operación, lo que lo convierte en una cualidad atractiva para sensores de presión de alta calidad.

Calibre usted mismo o cómprelo calibrado

Calibración del sensor tiene dos opciones posibles: 1) los sensores en la línea de fabricación están calibrados por el cliente del sensor de presión o 2) el fabricante del sensor de presión está totalmente compensado; sensor precalibrado integrado por el cliente.

Hay algunas buenas razones por las que los clientes de sensores de presión pueden querer calibrar sus propios sensores. Una de las razones es que es posible que ya tengan un microcontrolador en su producto final, por ejemplo, en una pieza que se puede montar en placa. En situaciones como esta, la calibración activa se puede completar con el microcontrolador.

Un cliente también puede tener un proceso de alojamiento/embalaje del sensor que ejerce una gran presión sobre el sensor. Cuando esto sucede, el sensor de presión que ya está calibrado registraría una presión adicional a través del proceso de empaquetado que induce el estrés. El aumento de la presión introduciría entonces un nuevo punto cero.

Una desventaja de los clientes que realizan su propia calibración es que la calibración en línea puede ser difícil de realizar y también puede ser muy disruptiva. Otro problema es que comprar un sensor ya calibrado costaría menos que adquirir una calibración en línea que requeriría experiencia y equipo especializado.

El más importante de todos los inconvenientes es el tiempo que requeriría la calibración si los clientes la hicieran por su cuenta. La calibración de masa no se puede realizar ya que cada sensor requiere una calibración individual. Además, el rango de temperatura requerido para la calibración significa que el equipo tarda mucho en alcanzar los extremos de temperatura requeridos.

Comprar un sensor de presión totalmente compensado de un fabricante, como Merit Sensor, será más costoso en comparación con un sensor no compensado. Sin embargo, es importante sopesar esto con respecto a cuánto costaría si las piezas se calibraran internamente. El tiempo es dinero.

Comprar piezas completamente compensadas del fabricante es una forma de reducir parte del tiempo y los costos asociados con los problemas de calibración porque las piezas calibradas simplemente se pueden conectar en línea según sea necesario.

Esto es ideal para las empresas que desean mover los productos a través de la producción más rápido, en particular aquellas que no tienen el equipo, la habilidad y el flujo de proceso para realizar la calibración en línea. A menudo tiene sentido que el fabricante del sensor de presión tenga su propio profesional de calibración, herramientas y experiencia para realizar la calibración.

Soluciones de detección personalizadas

La serie LP es una de las diversas gamas de sensores de presión que ofrece Merit Sensor para aplicaciones de presión ultrabaja. Este tipo de sensor es ideal para aplicaciones como máquinas de presión positiva continua en las vías respiratorias (CPAP) debido a su idoneidad para su uso con gases no corrosivos. La serie LP ofrece una opción precalibrada, lo que significa que se puede acceder instantáneamente al sensor de presión para uso médico. También es adecuado para uso industrial, en sistemas de filtración de aire y mediciones de espirometría en el cuidado de la salud.

Merit Sensor ofrece la serie PMD para aplicaciones que necesitan presiones bajas a medias. La serie PMD es adecuada para su uso con aire y otros líquidos no corrosivos. También es capaz de medir presión diferencial, absoluta y de vacío. Esta serie es el sensor de presión más ideal para monitorear el nivel de tinta en impresoras y puede funcionar en un rango de presión de 0.34 a 3.5 bar. Para esta aplicación, la calibración es rápida y sencilla porque utiliza un microprocesador externo. Esto significa que la serie PMD no compensada es realmente una opción popular.

La serie TVC, por otro lado, es adecuada para operaciones con medios duros, como aceite a alta temperatura. El sensor es una excelente opción para la industria automotriz debido a su alto nivel de resistencia a los medios. El sellado radial del dispositivo significa que puede integrarse a nivel de módulo con una mínima introducción de tensión.

Sensor de presión totalmente compensado de la serie TVC

Serie de TVC

Los sensores completamente compensados ​​son ampliamente preferidos en aplicaciones automotrices porque evitan que los fabricantes de automóviles integren calibraciones que consumen mucho tiempo, en un amplio rango de temperatura, en sus procesos de producción.

Durante los últimos 25 años, Merit Sensor ha ganado mucha experiencia especializándose en sensores de presión piezoresistivos. Es una muy buena opción para los clientes que necesitan sensores de presión para sus aplicaciones. Ofrece soluciones estándar y personalizadas para una amplia selección de aplicaciones. Merit Sensor también puede suministrar componentes sin compensación, con compensación pasiva, para usar en un rango de temperatura estrecho, o con compensación total, para usar en un rango de temperatura amplio.

Merit Sensor puede ayudar si los clientes no están seguros de qué solución es la más adecuada para usar. Todos los productos de Merit Sensor vienen con soporte a tiempo, personal y capacitado para encontrar soluciones flexibles e innovadoras para llevar los productos de los clientes al mercado.

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Montaje y manejo de matriz de presión

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Este artículo tiene como objetivo describir los mejores métodos para manipular y montar sensores de presión de matriz desnudos. Merit Sensor fabrica todos los chips de presión en obleas de 4 pulgadas, que se cortan y entregan en película Mylar (cinta de aluminio). Esta cinta de aluminio está fijada a un marco de oblea de metal que es apropiado para la mayoría de las máquinas de soldadura por troquel automatizadas (consulte la Figura 1). Si una unidad está marcada con un punto de tinta negra, se considera que es una unidad defectuosa.

figura 1.

Embalaje y almacenamiento

Todas las obleas ensambladas en cinta de aluminio se suministrarán en cubiertas de plástico tipo almeja (consulte la Figura 2), que luego se insertan en una bolsa antiestática con cierre hermético. Se requiere que las bolsas se abran solo en salas limpias y se almacenen en un gabinete oscuro lleno de nitrógeno tan pronto como se abra. Las obleas se pueden enviar individualmente o en múltiples conchas en una sola bolsa de plástico antiestática con cierre hermético. La etiqueta de cada bivalva incluirá la cantidad de matriz en buen estado, el número de orden de compra (si corresponde), el número de pieza y el número de lote y oblea (consulte la Figura 3). La cinta de aluminio también tendrá escrito el número de lote y de la oblea.

Figura 2.

Figura 3 y XNUMX

La temperatura de almacenamiento es de 19-26 °C: En un entorno de almacenamiento adecuado, el tiempo de almacenamiento de las obleas aserradas es de unos cinco años. El almacenamiento más allá de este límite, o el almacenamiento en un entorno diferente o no controlado, puede ocasionar problemas de picado en la unión del troquel (troquel pegado) o uniones de alambre poco confiables debido a la corrosión de las almohadillas de unión de aluminio.

Manipulación de obleas

Todos fichas de sensores están 100% probados eléctricamente para garantizar que cumplen con los límites de la hoja de datos. Las obleas se examinan visualmente para garantizar que todos los sensores estén completamente libres de defectos. Los chips de presión cumplen con RoHS y, en la mayoría de los casos, consisten en una pila de silicio/vidrio unida electrostáticamente.

  • Todas las obleas se montan, prueban, cortan en cubitos y se entregan en un marco de metal para obleas. Dependiendo del producto, cada oblea rinde alrededor de 600 a 1600 piezas.
  • Se debe tener especial cuidado al manipular la oblea ya que su superficie es muy sensible.
  • Aunque no se requiere limpieza, la oblea debe abrirse en una sala limpia.
  • No se recomienda quitar el troquel del marco de la oblea con pinzas. Las virutas de presión deben recogerse con una herramienta hecha de goma blanda con un orificio de vacío en el medio que sea más grande que la membrana del sensor.
  • La fuerza de unión no debe exceder los 100 gramos para evitar el estrés mecánico, que puede provocar un desvío inestable y a la deriva.
  • Es fundamental limpiar todas las herramientas a fondo para evitar que queden residuos en las almohadillas de unión, lo que podría provocar problemas de fiabilidad.
  • Para los sensores de presión manométrica (agujero en la parte posterior), se pueden usar pasadores eyectores con 3 o 4 agujas para retirar el troquel de la cinta de oblea.
  • Para sensores de presión absoluta (sin agujero en la parte trasera) una sola aguja eyectora será adecuada.
  • Deben evitarse temperaturas de proceso superiores a 225 °C. Si la temperatura máxima es más baja, el sensor será más estable a largo plazo.

Montaje de Chips de Presión

  • La unión del troquel con silicona dura o epoxi generalmente dará como resultado un valor de compensación inestable y un alto TCO (compensación del coeficiente de temperatura).
  • Los chips de presión son sensibles a la tensión mecánica, en particular los sensores con presiones de escala completa por debajo de 1 bar. Estos chips de presión deben montarse con un adhesivo de silicona suave con una dureza baja (A25 o inferior) y un grosor de línea de unión de 50-100 µm. En particular, se debe tener cuidado para evitar que el adhesivo suba por las paredes internas o externas de la matriz del sensor, ya que esto podría generar una salida inestable.
  • Todos los chips de presión se han optimizado para una estabilidad a largo plazo y la señal de salida más alta. Para lograr el mejor rendimiento (comportamiento de la temperatura, deriva a largo plazo, histéresis), se debe tener especial cuidado al montar la matriz.

Colocación de los chips de presión

  • Las almohadillas de unión en cada chip de presión son de al menos 100 × 100 µm. El material de la almohadilla está hecho de aluminio y tiene un grosor de 1-2 µm.
  • Se puede usar un alambre de aluminio o de oro para la unión de alambres. Una buena unión de bola de oro termosónica, con alambre de oro de 30 µm, dará como resultado una fuerza de corte de bola de >30 gramos y una fuerza de tracción de >6 gramos.
  • Se debe usar un gel de silicona suave sin iones con una viscosidad de <1000 cps y sin dureza para proteger las uniones del cable. El gel puede tener un impacto considerable en el rendimiento del sensor; por lo tanto, se debe tener especial cuidado al hacer una selección. Merit Sensor ha probado y actualmente utiliza Dow Corning Sylgard 527.
  • El gel se puede aplicar como una gota sobre la superficie del sensor para simplemente proteger las almohadillas de unión de la corrosión. Si es necesaria una protección adicional contra la humedad, se puede cubrir toda el área alrededor del sensor, incluidos los cables de unión.
  • Para el sensor de presión manométrica, donde la presión se aplica desde la parte posterior, Merit Sensor aún recomienda proteger la parte superior del sensor con un gel para evitar la corrosión de la almohadilla de unión de aluminio.

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Configuraciones de puente para sensores de presión

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Este artículo describe las configuraciones de puente de diferentes sensores de presión, cuándo se puede y no se puede usar cada uno, y las ventajas y desventajas de cada uno.

Introducción

El puente de Wheatstone es el núcleo de Merit Sensor sensores de presión y se compone de un grupo de cuatro resistencias en un diafragma grabado de silicio. Cuando se aplica presión al diafragma, las resistencias se tensan, lo que cambia su resistencia.

En una configuración ideal, todas las resistencias estarían perfectamente emparejadas y serían totalmente independientes de la temperatura.

Sin embargo, en la práctica, existen diferencias entre los valores de resistencia de cada resistencia. Además, la temperatura también cambia los valores de las resistencias. El cambio en los valores de resistencia y la salida general del puente causada por la temperatura se denomina Coeficiente de resistencia de temperatura o TCR.

En muchas aplicaciones se necesita un sensor de presión que funcione independientemente de la temperatura. Tales aplicaciones requieren la compensación del TCR del sensor de presión.

La compensación de TCR se puede realizar en dos métodos generales: pasivo y activo. En la compensación pasiva, se deben medir los valores de cada resistencia de puente para determinar los valores requeridos para las resistencias de compensación.

En la compensación activa, un circuito analógico, un microcontrolador o un acondicionador de señal registra la salida del puente en varias condiciones de presión y temperatura y ajusta las salidas del sensor en consecuencia.

Configuraciones de puente

una. Cerrado – Un puente en el que se conectan todas las resistencias (Ver Figura 1).

Figura 1. Puente cerrado.

En un puente cerrado, las resistencias individuales no se pueden medir porque las otras tres resistencias del puente siempre tendrán influencia sobre ellas.

b. Medio abierto – Un puente semiabierto se divide en dos ramales y se conecta por un extremo (Ver Figura 2).

Figura 2. Puente medio abierto.

A diferencia del puente cerrado, un puente semiabierto permite medir cada resistencia, lo que es una ventaja si es necesario determinar el rendimiento del sensor. Además, un puente semiabierto permite agregar compensación activa o pasiva según se requiera.

Se necesita una conexión eléctrica adicional por medio de un puente abierto.

C. Completamente abierto – Un puente totalmente abierto se divide en dos ramales y está abierto en ambos extremos (consulte la figura 3).

Figura 3. Puente completamente abierto.

Al igual que el puente semiabierto, el puente completamente abierto también permite la medición de cada resistencia. Puede utilizar compensación activa o pasiva. Además, cada mitad del puente se puede alimentar y medir de forma independiente, lo cual es una ventaja porque algunos acondicionadores de señal que se usan comúnmente en aplicaciones de sensores de presión requieren dos ramas independientes.

Sin embargo, la configuración de puente completamente abierto necesita una conexión eléctrica adicional que va más allá de la requerida por la configuración semiabierta.

Ejemplos de implementaciones

una. Cerrado – Como no es posible medir las resistencias individuales en un puente cerrado, se puede usar con compensación activa o en una aplicación donde las fluctuaciones de salida del sensor causadas por cambios de temperatura son aceptables.

En la Figura 4 se muestra un puente cerrado con compensación activa.

Figura 4. Puente cerrado con dispositivo de interfaz (ASIC de acondicionamiento de señal, microcontrolador, circuitos analógicos, etc.)

Un interruptor de presión es un ejemplo de una aplicación adecuada para un puente cerrado, donde la independencia de la temperatura no es crítica. Aquí, saber que se ha alcanzado un umbral de presión es más importante que medir la presión absoluta.

b. Medio abierto – Como se muestra en la Figura 4, la compensación activa se puede aplicar al puente semiabierto. De manera similar, la compensación pasiva también se puede aplicar al puente semiabierto como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Puente medio abierto con compensación pasiva.

La Figura 5 muestra la implementación de un puente semiabierto con compensación pasiva, indicando que los componentes agregados y la conexión eléctrica extra (Ven +) son necesarios para cerrar el puente. Tal como su nombre lo indica, las resistencias adicionales logran compensación de amplitud, cero e impedancia de salida. Estos componentes deben agregarse después de tomar las medidas del puente abierto en las condiciones requeridas.

C. Completamente abierto – El puente abierto completo tiene una amplia gama de implementaciones. Además de usarse como un puente completamente abierto, el puente completamente abierto se puede usar como un puente cerrado (Figura 4) o semiabierto (Figura 5). La figura 6 muestra cómo se podría usar un puente completamente abierto para dos funciones: presión y temperatura.

Figura 6. Puente abierto completo con dos funciones.

En esta implementación, la mitad del puente está siendo utilizado como sensor de presión y el otro se utiliza como sensor de temperatura. Como solo existe la oscilación de voltaje de la mitad del puente, solo estará presente la mitad de la señal de salida de presión. Sin embargo, esto proporciona el beneficio adicional de medir la temperatura real del troquel. Cuando se compara con una medición de temperatura ambiente, esta medición de temperatura permitirá una entrada más precisa para la compensación de temperatura.

Elección de la configuración adecuada para una aplicación

Es necesario considerar todo el sistema de detección al tomar decisiones sobre la configuración del puente. Primero, los usuarios deben decidir si la independencia de la temperatura es significativa. Si es importante, entonces deben decidir si se utilizará una compensación pasiva o activa. Si se selecciona la compensación activa y se utilizará un acondicionador de señal u otro dispositivo electrónico, debe cumplir con los requisitos de ese dispositivo. Se debe tener cuidado ya que los dispositivos con funciones similares pueden tener requisitos muy diferentes.

Como se discutió antes, cada configuración tiene sus propias ventajas y desventajas. Aunque las conexiones eléctricas adicionales de un puente completamente abierto aumentan la complejidad del ensamblaje, permiten una mayor flexibilidad y también brindan la capacidad de solucionar los problemas del puente con mayor facilidad.

Eventualmente, la configuración del puente debe elegirse en base a un análisis exhaustivo del sistema.

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Sensor de presión para temperaturas extendidas

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Varias aplicaciones de sensores de presión en entornos hostiles, como equipos industriales, automotrices, aeroespaciales e incluso médicos, presentan a los desarrolladores requisitos contradictorios que resultan en compromisos costosos. Generalmente, estos sensores se emplean para medir el flujo, el nivel y la presión de fluidos agresivos como refrigerante, aceite, gas u otros solventes cáusticos que pueden dañar el elemento del sensor. Surgen desafíos adicionales como resultado de los requisitos de temperatura extendida, incluso más allá de la compensación por lecturas de presión precisas.

Las especificaciones aeroespaciales y automotrices son particularmente estrictas, con rangos de temperatura de funcionamiento tan amplios como -40 °C a +150 °C. Y estas aplicaciones resistentes generalmente tienen requisitos de alta precisión y confiabilidad, ya que la falla de los componentes puede generar riesgos de seguridad o retiros del producto. Para responder, los fabricantes de equipos dependen del costoso mantenimiento continuo y el reemplazo de componentes para evitar la corta vida útil inherente del sensor.

Desafios

A pesar de que el empaque del componente del sensor es importante para resolver este problema, es un desafío que, hasta hace poco, ha eludido a los fabricantes de sensores. Considere un caso de uso típico. Una aplicación automotriz como la detección de línea de combustible de gas o diésel requiere un elemento sensor sellado que se puede instalar dentro de la línea de combustible para detectar cambios de presión que significan un filtro de combustible obstruido, que ofrece una señal de retroalimentación a la computadora del automóvil para advertir al conductor. El motor de avión, los controles y engranajes de válvulas y los sistemas de detección de fugas o de medición y control de compresores en equipos industriales suelen tener requisitos similares. Si bien es posible que las aplicaciones médicas no exijan que el sensor de presión funcione en fluidos tan severos como la gasolina, eventualmente incluso la solución salina puede ser corrosiva, y el proceso de limpieza y esterilización generalmente requiere un contacto repetido con productos químicos cáusticos como la lejía.

El problema principal es que los adhesivos que se emplean para hacer el sello a presión y proteger el troquel del sensor y los circuitos relacionados finalmente se ablandan en el fluido circundante. El circuito del sensor se rompe tan pronto como se rompe el sello, lo que crea una falla de confiabilidad familiar que puede tener un precio alto si provoca la retirada del producto o requiere un mantenimiento regular y el reemplazo del subsistema de detección.

Figura 1. Paquete de sensores que muestra la entrada trasera para proteger los circuitos electrónicos de los medios agresivos. 

La dificultad en el envasado aumenta aún más debido a los requisitos de temperatura extendida. A pesar de que algunos de los adhesivos más recientes son capaces de soportar temperaturas más altas de lo que era posible en el pasado, la humedad puede destruir la fuerza de unión de la mayoría de los adhesivos y aún corren el riesgo de que se desprendan a presiones de 300 psi. Aunque hay epoxis exóticos que pueden soportar algunos extremos de humedad y temperatura, el almacenamiento y la aplicación generan problemas de fabricación adicionales, y estos epoxis son capaces de afectar la precisión del elemento sensor en aplicaciones de temperatura extendida.

Solución

Para funcionar bien en los rangos entre -40 °C y +150 °C, un sensor de presión requiere un elemento MEMS estable, así como procesos de embalaje y fabricación estables. Sin embargo, la inestabilidad generalmente ocurre debido a las diferencias en los TCE (coeficientes térmicos de expansión) del troquel MEMS y el sustrato sobre el que está montado. Aunque el acero inoxidable podría considerarse un sustrato perfecto, su TCE es mucho más alto que el del silicio. El metal se expande y contrae, a medida que cambia la temperatura, mientras que los elementos de silicio soldados sobre él experimentan cambios mucho menores. El elemento MEMS reacciona a las tensiones causadas por las diferencias de TCE, induciendo errores que parecen cambios de presión en el sistema, dando así a los diseñadores de sistemas un nuevo problema de confiabilidad.

Un nuevo e innovador enfoque de empaquetado del sensor de presión crea una unión de matriz eutéctica en el sustrato cerámico utilizando una aleación de soldadura de oro y estaño para un sello hermético incluso en rangos de temperatura extremadamente amplios, en fluidos agresivos y a alta presión. El sustrato cerámico presenta un TCE cercano al silicio, por lo que no hay un desajuste térmico considerable, y el estaño y el oro son elementos de soldadura comunes que se adhieren bien a los fluidos agresivos.

Si bien la capacidad de fabricación se ve afectada por sus altos puntos de fusión individuales, se produce una aleación con un punto de fusión mucho más bajo mediante un enlace de soldadura de oro y estaño con una proporción de 80:20. Esto, a su vez, mejora la capacidad de fabricación al mismo tiempo que conserva los beneficios de ambos metales en entornos hostiles. A pesar de que esta soldadura de oro y estaño es más costosa que el adhesivo, el diferencial de costos es pequeño en comparación con la mejora considerable en los costos de mantenimiento y la confiabilidad a largo plazo.

Tabla 1. Comparación de tipos de paquetes de sensores de presión en requisitos de aplicaciones exigentes.

Conclusión

Verificar si los medios de presión entran por la parte posterior o por la parte superior del sensor es un aspecto adicional que se debe considerar al comparar los enfoques de empaquetado del sensor. El circuito debe estar protegido contra la corrosión o cortocircuitos si la presión está en la parte superior del sensor. Esta protección se suele conseguir con un gel protector. Sin embargo, un gel que es lo suficientemente rígido para soportar fluidos corrosivos generalmente también es lo suficientemente rígido como para causar tensión en el elemento MEMS, lo que, nuevamente, produce errores de detección. Por el contrario, la entrada por la parte posterior descubre solo el accesorio de matriz eutéctica, el vidrio y el silicio al medio de presión, elementos que han demostrado resistir estos entornos hostiles.

Figura 2. Los sensores Merit Sensor para medios hostiles y temperatura extendida están disponibles con férula opcional (derecha), clavijas y férula (izquierda) y sello frontal estándar. (cima).

Los desarrolladores de sistemas que necesitan capacidades de detección de presión en aplicaciones de temperatura extendida y medios duros han descubierto que el empaque es importante para reducir el costo de propiedad y mejorar la confiabilidad de la vida útil del producto. Este desafío finalmente se ha resuelto.

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Módulos de sensor: no compensados ​​pero rentables

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La elección de los componentes de un sistema, incluidos los sensores de presión, se ve significativamente afectada por la rentabilidad. Si los componentes encajan exactamente en la aplicación sin la adición de costos o valores irrelevantes, entonces es posible lograr los mejores resultados. La investigación sobre varias configuraciones de módulos de sensores condujo al descubrimiento de una configuración no compensada (sensor de presión sin acondicionamiento de señal y ninguna corrección de cambios térmicos de compensación y alcance) que puede ofrecer la mejor opción de costo-rendimiento.

En general, las ventajas de un sensor no compensado son las siguientes:

  • Buena señal para sensibilidad/nivel, linealidad, histéresis
  • Conversión de señal más rápida
  • Ahorro de costos de acondicionamiento de señal
  • Capacidad de bajo voltaje con menos consumo de energía
  • Alta sensibilidad/resolución

Un enfoque paso a paso para analizar su aplicación y sus requisitos lo ayudará a tomar la decisión adecuada.

Paso 1: Comprobación del entorno del sensor

En la mayoría de los casos, una entrada digital o A/D está disponible en el circuito. Si esa función ya está presente, vuelva a pagar por ella en un sensor compensado, especialmente si la entrada existente ya proporciona una resolución más alta y el tiempo de conversión es innecesario. Una señal de salida no compensada es lo suficientemente alta incluso a baja presión en un gran número de casos. Por ejemplo, a 1 psi, un dado desnudo ofrece una generosa salida de 40 mV a 5 V CC (consulte la figura 1).

Figura 1. Función de transferencia de Merit Sensor serie J (rango de 1 a 300 psi).

La capacidad de trabajar con tensión de alimentación extremadamente baja, a partir de 1.0 Vcc, es otra característica de la configuración no compensada. Esto agrega los beneficios adicionales de un tiempo de encendido rápido, bajos efectos de autocalentamiento y bajo consumo de energía, que deben tenerse en cuenta en aplicaciones alimentadas por batería, por ejemplo.

Paso 2: Definir el límite

Es importante definir el requisito de precisión de la señal. Dado que la señal no compensada proviene del troquel desnudo sin compensación, se deben tener en cuenta una serie de parámetros para el cálculo del error final, incluidos TCS (coeficiente de temperatura de sensibilidad), TCO (coeficiente de temperatura de compensación), sensibilidad y linealidad.

El valor de sensibilidad (mV/V) determina si la parte frontal del acondicionador, un microprocesador o microcontrolador, funciona correctamente. Define la resolución de la medida, junto con los bits disponibles (convertidor A/D). Se puede utilizar un convertidor A/D de hasta 16 bits sin ninguna dificultad debido a la excepcional relación señal/ruido. Sin embargo, la calibración de la señal es necesaria ya que el troquel desnudo tiene una dispersión de sensibilidad. El valor de sensibilidad típico difiere +/-10 % de un lote a otro y dentro del 5 % dentro del mismo lote y oblea.

El error de la señal se ve directamente afectado por la linealidad. Dependiendo de las características de la señal MEMS, se puede compensar fácilmente si la precisión final es estrecha. En general, el error de no linealidad suele ser inferior al 0.2 % en el punto medio del rango de presión basado en la línea recta de mejor ajuste (consulte la Figura 2). El error de no linealidad se puede compensar para lograr más del 0.2 % introduciendo un tercer punto de presión.

Figura 2. Al agregar un tercer punto de presión, los errores de no linealidad se pueden compensar para lograr más del 0.2 %.

La repetibilidad y la histéresis, que suelen ser inferiores al 0.05 %, son dos parámetros que provienen del troquel MEMS desnudo que no se pueden compensar. El impacto de estos dos parámetros es generalmente insignificante ya que pertenece a la especificación de precisión general.

A una temperatura fija, se deben tener en cuenta los siguientes errores al compensar un elemento MEMS:

  • +/- Offset: calibración de presión a cero con 1 punto
  • +/- Señal (spread): calibración de presión con 2 puntos
  • +/- Linealidad: calibración de presión con 3 puntos
  • +/- Histéresis/ repetibilidad: error típico inferior al 0.05 %

Otro parámetro clave necesario para completar el cálculo del error sería la temperatura de funcionamiento. El error térmico debe calcularse para determinar si se necesita una compensación de temperatura. El ejemplo que se proporciona a continuación demuestra un caso simple en el que el error de temperatura es de 0 a +50 °C.

  • Ejemplo: Rango de temperatura: 0 a +50 °C con respecto a la temperatura ambiente (25 °C), el delta máximo es: 50-25 = 25 °C
  • máx. Deriva de compensación (TCO): +/- 0.25 % FS/ °C * 25 °C = +/- 6.25 % FS
  • máx. Deriva de intervalo (TCS): -2200 ppm = -0.22 % FS/ °C * 25 °C = -5.5 % FS
  • Error de deriva de temperatura total: +6.25 % FS/ °C, -13.25 % FS/ °C (peor caso)

Nota:  TCS siempre es negativo y podría compensarse como un valor fijo por al menos la mitad del valor y con un algoritmo definido.

Si se necesita compensación de temperatura, hay un par de opciones básicas disponibles para ayudar a lograr los requisitos de precisión.

Paso 3: Proceso de calibración/compensación

En función del cálculo de error solicitado y de la calibración, el siguiente paso es definir si se puede realizar el proceso solicitado y dónde se realizará. La compensación de temperatura y la calibración de presión tienen diferentes impactos en el proceso de fabricación. En cualquier caso, ambos pasos se pueden subcontratar o realizar internamente durante el proceso de fabricación.

Como es posible que ya exista una prueba de presión en el sitio de fabricación, este paso podría usarse para la calibración de la presión. Por el contrario, la compensación de temperatura requiere equipos y conocimientos específicos. El sensor no compensado requiere una gestión de temperatura precisa y estable para garantizar un proceso de compensación constante y seguro. Por lo general, esto requiere tiempo de proceso y una manera fácil de presurizar el sensor, por ejemplo, si se debe compensar el cambio térmico de rango.

Conclusión

Los desarrolladores podrán tomar la decisión correcta entre un sensor compensado y no compensado si se definen la precisión requerida y los límites exactos de temperatura operativa. Los sensores MEMS tienen un TCS y un TCO importantes y esto puede resultar en la decisión de implementar la compensación de temperatura, lo que en algunos casos puede generar costos elevados.

Mientras que, si el error total está dentro de la precisión esperada, una simple calibración de un punto de presión en combinación con una compensación de temperatura garantiza una alta resolución, un tiempo de respuesta rápido, baja potencia y eventualmente un bajo costo.

Aplicación

Sensores no compensados de Merit cubren un amplio rango de presión desde 10 mbar hasta 35 bar y se pueden emplear para medir aire y líquidos y gases no corrosivos. El rango de temperatura es amplio, lo que hace que las piezas sean ideales para muchas aplicaciones. Una máquina de colocación automática maneja el paquete y el mismo se puede soldar mediante un proceso de reflujo sin plomo.

Debido al estrecho rango de temperatura en el campo médico (0 a 50 °C), los sensores no compensados ​​funcionan bien en aplicaciones tales como monitores de presión arterial, dispositivos de inflado, gases hospitalarios, monitoreo de vacío y presión de líquidos, medición de aire/flujo (respiradores) .

Para las industrias de consumo e industrial, muchas aplicaciones con rangos de temperatura de moderados a extendidos, como el monitoreo de la presión del agua, el monitoreo de la presión de la sala blanca/edificio y la detección de bloqueo de filtros, utilizan sensores no compensados ​​ya que la calibración de la presión y la temperatura ya está incorporada en el producto final.

Figura 2. Serie MS, sensor no compensado (1 a 35 bar G/A).

 

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Dentro de un automóvil: sensor de presión de aceite

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Los ejemplos de un automóvil básico se remontan a la década de 1700, con el diseño y la ingeniería de motores a vapor, construidos para transportar humanos. Hacia 1806, la industria del automóvil inició la producción de motores que funcionaban con combustibles como la gasolina y la gasolina. Desde 1985, la revolución del diseño de automóviles ha resultado en la creación de una máquina que es lo suficientemente intuitiva para hacer que el transporte sea lo más fluido y sofisticado posible.

Los vehículos modernos, ya sea que tengan la forma de un automóvil, una motocicleta, un camión, un avión o un bote, tendrán una serie de sensores integrados en el esqueleto de un vehículo para animar y dar vida a una estructura alimentada por combustible. El alcance de este artículo analiza los sensores de presión de aceite como un tipo de sensor particular en un automóvil.

Principio funcional

Los sensores de presión de aceite estándar funcionan mostrando una señal de advertencia cuando la presión de aceite cae fuera del rango establecido. Dos componentes importantes del sensor de presión de aceite incluyen el interruptor de resorte y un diafragma. El interruptor cargado por resorte está conectado al diafragma que está expuesto a la presión del aceite.

El interruptor de presión está montado en el costado de un bloque de motor y conectado a una galería de aceite. A medida que la fuerza de la presión del aceite comienza a acumularse en el diafragma, esta fuerza supera la presión del resorte del interruptor, que luego separa los contactos eléctricos para encender la luz de advertencia. Si la presión del aceite cae por debajo del límite establecido, el diafragma libera presión de los resortes para cerrar los contactos del interruptor, lo que normalmente resultaría en la visualización de una señal de advertencia para el conductor (Figura 1).

Figura 1. Mecanismo de trabajo de un sistema sensor de presión de aceite. Crédito de la imagen: Universidad de Clemson

La luz indicadora de baja presión de aceite se muestra en el tablero de un vehículo. Cualquier conductor sabrá que cuando esta luz parpadea continuamente, indica una caída momentánea en la presión del aceite. Sin embargo, si esta luz permanece encendida, se alerta al conductor de una pérdida total de presión de aceite. Entonces, cuando se enciende el motor de un vehículo, una corriente eléctrica viaja desde un fusible y directamente al interruptor de presión de aceite, asegurándose de que la luz indicadora esté 'apagada'. Cuando la presión del aceite comienza a subir por encima de 4.3 psi (por pulgada cuadrada), el diafragma separa los contactos y enciende la luz de presión del aceite.

Sensor de manómetro

Una luz de advertencia de baja presión de aceite es un método que se usa para alertar al conductor sobre las fluctuaciones en los niveles de presión de aceite. Un sistema alternativo para este fin se conoce como componente de manómetro de tipo mecánico. Hay un tubo de Bourdon dentro de un manómetro que tiende a enderezarse al recibir presión a través de un componente tubular de cobre. El tubo de Bourdon está conectado a una aguja en el manómetro, que se mueve a medida que el tubo comienza a tomar una forma diferente. El movimiento de la aguja a través de una escala en el indicador se usa como punto de referencia para indicar los cambios en la presión del aceite dentro del motor de un vehículo.

Fuentes y lecturas adicionales

  • Ribbens, WB, Mansour, NP (2003). Comprender la electrónica automotriz. Estados Unidos, Massachusetts: Elsevier Science.
  • Schwaller, AE (2005). Tecnología automotriz total. Estados Unidos, Nueva York: Thomson y Delmar Learning.
  • Hillier, V., Coombes, P. (2004). Fundamentos de la tecnología de vehículos de motor. Reino Unido, Cheltenham: Nelson Thornes Ltd.
  • Knowles, D., Erjavec, J. (2005). TechOne: Servicio y Mantenimiento Automotriz Básico. Estados Unidos, Nueva York: Thomson Delmar Learning.

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Sensores de presión compensados ​​y no compensados

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Eche un vistazo a Merit Sensor portafolio de productos, y verá que los sensores de presión están disponibles totalmente compensados, pasivamente compensados ​​y no compensados. Repasemos brevemente las diferencias.

Cuando se utiliza el acondicionamiento de señales para compensar la salida no ideal de un sensor, el sensor se considera totalmente compensado. Cuando se utiliza la tecnología de recorte por láser para cambiar las propiedades y el rendimiento de la resistencia de un sensor, el sensor se considera compensado pasivamente. Y cuando un sensor comprende nada más que un troquel MEMS adherido a un sustrato cerámico y un cable adherido a las trazas de metal en la cerámica, pero no tiene acondicionamiento de señal ni resistencias recortadas con láser, el sensor no está compensado.

La aplicación en la que se utiliza un sensor de presión a menudo determina si el cliente necesita que el sensor esté totalmente compensado, pasivamente compensado o no compensado. Por ejemplo, al monitorear la presión arterial, un sensor de presión está expuesto solo a un rango de temperatura estrecho alrededor de la temperatura ambiente. Un sensor de presión compensado pasivamente es lo suficientemente preciso para la aplicación. Sin embargo, al monitorear la presión en el riel de combustible de un automóvil, el sensor de presión debe poder funcionar de manera precisa y consistente en rangos de temperatura mucho más amplios. También es solo una de las muchas piezas diferentes ensambladas en volúmenes demasiado grandes para compensar en línea. Un sensor de presión completamente compensado es ideal para esta aplicación. Pero para medir el volumen de aire variable en un edificio, un cliente podría comprar un sensor de presión sin compensación porque el sensor de presión probablemente estaría integrado en el tablero de control, donde se podría hacer la compensación.

Sensor de presión de la serie TVC totalmente compensado en carcasa

También está la cuestión de empaquetar el sensor de presión, es decir, integrarlo en una carcasa. Si el proceso de empaque de un cliente introduce una tensión significativa en el sensor, un sensor compensado registraría un nuevo punto cero y la compensación sería defectuosa. En este caso, el cliente debería considerar comprar un sensor no compensado y luego compensarlo, o encargarlo a un especialista, una vez que el sensor se haya integrado completamente en el módulo final.

Sin embargo, la compensación del sensor de presión es desafiante y costosa. Requiere equipo especializado y experiencia. Quizás lo más importante es que requiere mucho tiempo. Cada sensor debe calibrarse individualmente y el equipo tarda mucho en alcanzar las temperaturas requeridas para la calibración.

En Merit Sensor somos expertos en calibración. Sabemos que algunos de nuestros clientes también lo son, mientras que otros no. Es por eso que tenemos sensores de presión disponibles sin compensación, con compensación pasiva y completamente compensados ​​para satisfacer las necesidades de varios clientes.

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