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 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).

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

La 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.

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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