Plate-forme de capteurs de pression pour une gamme d'environnements difficiles

Un dispositif MEMS compact avec conditionnement de signal intégré est nécessaire pour de nombreuses applications de capteurs de pression ; cependant, le défi consiste à trouver une approche capable de prendre en charge les exigences de volume et de coût de l'application, y compris la flexibilité en termes de plage de pression. Des applications industrielles aux applications médicales, du marché secondaire aux projets automobiles OEM à grand volume, la solution est considérée comme une plate-forme qui peut être adaptée en fonction de la plage de pression, de la plage de température et de la compatibilité des fluides.

La plate-forme de détection Merit Sensor TVC est une nouvelle approche qui s'adresse aux applications nécessitant des plages de pression inférieures intégrées à un joint radial. Au lieu d'une solution à puce unique, qui limite les changements de plage de pression et de configuration de sortie, ces applications sont parfaitement adaptées à une plate-forme de capteurs personnalisable qui intègre le dispositif MEMS et le conditionnement du signal dans un boîtier compact et économique.

La plate-forme de capteurs répond aux besoins exacts des applications

Le personnalisable plate-forme de capteurs intègre un dispositif MEMS haute sensibilité choisi parmi l'un des plus grands portefeuilles d'éléments de détection MEMS au monde, qui comprend des dispositifs de la plage la plus basse de 7 kPa jusqu'à 3.5 MPa absolus, ainsi qu'une capacité de conditionnement de signal individuel. Cela prend en charge presque toutes les applications avec des composants facilement disponibles, ce qui permet d'économiser l'investissement dans la production d'un appareil pour des dimensions et des gammes particulières. L'ASIC de conditionnement du signal avec les composants électroniques associés est fixé sur un substrat céramique compatible avec les milieux agressifs. Le capteur MEMS est fixé sur un orifice de pression en céramique de type virole pré-moulé, empêchant ainsi tout chemin de fuite potentiel supplémentaire.

L'arrière du MEMS, le port en céramique et le matériau de fixation sont les seuls éléments exposés au support. Le substrat en céramique peuplé protège complètement les composants et ne nécessite donc pas l'ajout de revêtements dédiés compatibles avec les supports. Les composants et le conditionnement du signal répondent aux normes de protection EMI/ESD, ainsi la plate-forme de capteurs tout-en-un minimise le besoin de composants externes.

La solution à deux composants comprend à la fois le conditionnement du signal et le MEMS dans des sous-groupes séparés fixés mécaniquement. Cela permet à Merit Sensor de choisir à la fois le capteur de pression MEMS exact et la sortie de conditionnement du signal (analogique ou SENT) requis pour l'application de l'utilisateur final. Garder les deux éléments séparés présente un avantage fonctionnel et fournit également une solution plus rentable en tirant parti du coût unitaire MEMS en quantité plus élevée, même si les besoins de conditionnement du signal changent d'une application à l'autre.

L'élément de détection MEMS est considéré comme un élément clé de la plate-forme. La série TVC peut couvrir des applications de pression de 7 kPa à 3.5 MPa avec les séries HM et J. Les deux séries ont été conçues pour les mesures de pression arrière, et la série HM (MEMS pour environnements difficiles) couvre également la configuration absolue de 100 kPa à 3.5 MPa. La série J est l'élément le plus sensible (5333 µV/V/psi = 760 µV/V/kPa), utilisé comme configuration de jauge (arrière) et comprenant une pression supérieure (< 0.025 % FS) et une hystérésis thermique (< 0.1 % FS) afin de fournir un signal stable au conditionnement du signal via de larges plages de température et une basse pression.

Le savoir-faire de Merit Sensor est appliqué à la géométrie et à la configuration du MEMS, principalement sur l'épaisseur du verre, afin d'assurer le bon découplage mécanique pour un comportement thermique et une stabilité optimaux. Les trois processus de fixation de puce fournis dans la plate-forme répondent à diverses exigences d'application, combinant ainsi le meilleur comportement thermique MEMS avec la pression d'éclatement ainsi que la compatibilité des supports requise. Les éléments de détection MEMS sont développés par la propre usine de Merit Sensor, qui fournit un contrôle direct et dynamique des différentes solutions.

Figure 2. Les éléments de détection de pression peuvent être choisis parmi le plus grand portefeuille de capteurs de pression MEMS au monde.

Choisir le processus d'attachement approprié pour l'environnement et le coût

La plate-forme de détection est géométriquement compacte, et la cavité et l'orifice de pression ont des dimensions définies pour l'air, les fluides et le gaz. Cependant, un élément vital pour la précision et la fiabilité est le choix de la matrice. Les adhésifs conventionnels utilisés pour créer le joint de pression et protéger la matrice du capteur et les circuits associés sont considérés comme une approche rentable pour les gaz et l'air non agressifs, mais ils finissent par se ramollir dans les vapeurs ou les fluides agressifs. Une fois le sceau rompu, le circuit du capteur est endommagé, ce qui développe une défaillance de fiabilité courante qui peut être coûteuse si elle entraîne un rappel de produit ou nécessite une maintenance et un remplacement réguliers du sous-système de détection.

À l'autre extrémité du spectre, une liaison de matrice eutectique utilisant un alliage de soudure or-étain fournit un joint hermétique même dans des fluides agressifs, à des plages de température extrêmement larges et à haute pression. Bien que cette soudure or-étain soit beaucoup plus chère que l'adhésif, la différence de coût est infime par rapport à l'amélioration majeure de la fiabilité prolongée et des coûts de maintenance.

Le processus de fixation de matrice utilisant la fritte de verre introduit avec la plate-forme TVC est considéré comme une solution rentable pour une pression d'éclatement élevée en termes de fiabilité, une meilleure résistance aux médias par rapport à l'adhésif et une plus grande stabilité dans les plages de pression moyenne/basse. grâce au matériau d'étanchéité TCE proche du silicium. Le processus de durcissement à haute température (> 300 °C) lors de l'assemblage MEMS-port garantit la stabilité dans les applications à large plage de températures.

Merit Sensor propose une large gamme de processus de fixation MEMS sur l'Al₂O₃ orifice de pression en céramique afin de prendre en charge les exigences du milieu du capteur et de l'environnement, ainsi que les exigences de coût et de fiabilité de chaque application (voir tableau 1). La mesure de la pression arrière MEMS, ainsi que le processus de fixation de matrice dédié de la plate-forme, garantissent une pression d'éclatement sûre dans chaque plage de pression (tableau 1).

La plate-forme de détection de pression personnalisable répond à une gamme complète de décisions de conception

Le Module de détection Merit Sensor TVC répond à une variété d'exigences axées sur les applications avec une seule solution. Cela couvre la mesure des gaz d'échappement à basse pression, inférieure à 100 kPa, jusqu'à 3.5 MPa, dans le seul domaine automobile. Les deux nécessitent une compatibilité solide avec les supports, ce qui implique une connaissance approfondie de la fixation de matrice MEMS, ainsi que la correspondance des composants précis pour la température de l'application et diverses autres exigences environnementales.

Le joint d'étanchéité et le choix de l'incorporation mécanique et du couplage électrique du capteur dépendent principalement du type d'application, de la plage de pression et de la température. La connexion électrique standard peut être réalisée avec des grilles de connexion et des broches ou avec des pastilles sans trous (voir la figure 3 par exemple). La liaison par fil épais peut être utilisée comme connexion mécanique sans contrainte, idéale pour les plages de température extrêmement larges de -40 °C à +150 °C et les basses pressions. L'étanchéité nécessite également une attention au matériau (compatible avec les fluides) et aux tolérances (fuite), ainsi qu'à la détermination de la plage de pression sans ou avec vide, ce qui nécessiterait que le capteur soit fixé afin d'éviter tout mouvement par pression négative/positive traversée.

 

Figure 3. Vue 3D du module compact TVC Merit Sensor, un fichier d'étape 3D est disponible pour une conception rapide dans le boîtier du capteur d'extrémité.

La configuration de l'orifice de pression, permettant l'étanchéité radiale et limitant le matériau en contact avec le fluide (simplifiant la conception), s'étend et remplit ensuite les solutions de modules de détection en boîtier Merit Sensor. La conception sans contrainte mécanique permet l'utilisation d'éléments MEMS très sensibles, supportant idéalement la basse pression nécessaire pour les applications les plus difficiles actuellement disponibles, et celles-ci incluent les vapeurs de carburant, les gaz d'échappement et la pression de carburant. Le module de détection de géométrie compact de 14 x 10 x 4 mm comprend tous les composants essentiels.

L'utilisation de l'ASIC moderne pour prendre en charge la sortie analogique ou SENT permet la configuration et l'étalonnage à partir des trois pads externes, qui prennent en effet en charge la programmation des données (traçabilité) et la personnalisation (valeurs de sortie, paramètres), même lorsque le module de détection a déjà été installé dans le logement. La série TVC est fournie avec une température et une pression calibrées, atteignant une précision supérieure à 2.5 % FS entre -40 °C et +125 °C. La précision peut varier en fonction de la plage de pression et de la technologie de connexion MEMS.

Merit Sensor complète le portefeuille pour les applications à haute température et dans des environnements difficiles avec une solution capable de résoudre les contraintes mécaniques et de s'étendre à la basse pression en incorporant le nouveau MEMS (série J) et la technologie de fixation, pour une solution rentable.

Fonctionnalité

• Personnalisable
• Design compact pour une installation en extérieur
• Exigences limitées pour les composants externes
• Large plage de pressions (7 kPa…3.5 MPa)
• Influence mécanique réduite (intégration dans le boîtier)
• Module de détection tout-en-un prêt à l'emploi (testé, calibré)
• Solution économique pour les applications compatibles avec les médias

Pour plus d'informations, consultez cet article sur AZOCapteurs.com