Analyse des Prinzips und der Anwendung des kapazitiven Keramikdrucksensors
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Was ist ein kapazitiver Keramikdrucksensor?
Keramikkondensatoren als technischer Hauptweg bei Drucksensoren bieten die Vorteile von Korrosionsbeständigkeit, Schlagfestigkeit und guter dielektrischer Verträglichkeit. Drucksensoren sind eine große Kategorie von Sensoren und werden häufig in den Bereichen Automobil, Industrie und Internet der Dinge eingesetzt.
Gängige Drucksensortechnologietypen
Drucksensoren werden im Allgemeinen verwendet, um den Druck der Gas- oder Flüssigkeitsatmosphäre zu messen, in der sich die empfindlichen Komponenten des Sensors befinden, und werden im Allgemeinen verwendet, um zur Hauptsteuereinheit des Systems eine Rückmeldung zu geben, um eine genaue Systemsteuerung zu erreichen.
Die piezoresistive Siliziumtechnologie wird durch die piezoresistiven Eigenschaften von Halbleitern realisiert. Die piezoresistiven Eigenschaften von Halbleitermaterialien hängen von Faktoren wie der Art des Materials, der Dotierungskonzentration und der Kristallorientierung des Kristalls ab. Diese Technologie kann unter Verwendung der Halbleitertechnologie implementiert werden und hat die Vorteile einer geringen Größe, einer hohen Ausbeute, niedriger Kosten und einer hohen Signalausgangsempfindlichkeit. Die Mängel spiegeln sich hauptsächlich in der geringen Toleranz des Mediums, den schlechten Temperatureigenschaften und der schlechten Langzeitstabilität wider. Es ist im Nieder- und Mitteldruckbereich üblich, wie z. B. 5 kPa ~ 700 kPa. Die Industrie hat auch Lösungen zur Verbesserung des dielektrischen Widerstands der piezoresistiven Siliziumtechnologie durch spezielle Verpackungsverfahren. Wie Ölfüllung, Gegendruck und andere Technologien, bringt aber auch Probleme wie einen erheblichen Kostenanstieg mit sich.
Die Keramikwiderstandstechnologie verwendet ein Dickschichtdruckverfahren, um eine Wheatstone-Brücke auf die Oberfläche einer Keramikstruktur zu drucken, und verwendet den Varistoreffekt, um das Drucksignal des Mediums in ein Spannungssignal umzuwandeln. Die Keramikwiderstandstechnologie bietet die Vorteile moderater Kosten und einfacher Verfahren. Gegenwärtig bieten viele inländische Hersteller keramische Widerstandsdrucksensorkerne an. Die Signalausgangsempfindlichkeit dieser Technologie ist jedoch gering, der Bereich ist im Allgemeinen auf 500 kPa ~ 10 MPa begrenzt, und die herkömmliche Hohlstruktur trägt nur den Druck der Membran, die einen geringen Widerstand gegen Überlastung aufweist. Wenn der Druck des zu messenden Mediums überlastet ist, riskiert der Keramikwiderstandssensor den Membranbruch und das Mediumleck.
Die Glasmikrofusionstechnologie verwendet ein Hochtemperatursinterverfahren, bei dem ein Silizium-Dehnungsmessstreifen mit einer Edelstahlstruktur kombiniert wird. Ein Silizium-Dehnungsmessstreifen, der vier Widerständen entspricht, bildet eine Wheatstone-Brücke. Wenn auf der anderen Seite der Edelstahlmembran ein mittlerer Druck herrscht, erzeugt die Edelstahlmembran eine leichte Verformung, die eine Änderung der Brücke bewirkt und ein Spannungssignal erzeugt, das proportional zur Druckänderung ist. Der Glasmikroschmelzprozess ist schwer zu realisieren und die Kosten sind hoch. Der Hauptvorteil ist, dass das Medium eine gute Toleranz und eine starke Überlastbeständigkeit aufweist. Es ist im Allgemeinen für Hochdruck- und Ultrahochdruckbereiche wie 10 MPa ~ 200 MPa geeignet und seine Anwendung ist begrenzt.
Abbildung 1: Schnittansicht eines Keramikkondensator Drucksensor unter Druck
Abbildung 2: Querschnitt eines Keramik-Kondensator-Drucksensor unter Druck
Dichtungsstruktur typischen keramischen Kondensator-Drucksensor
Um die Luftdichtheit zu gewährleisten, werden bei der Konstruktion von Keramikkondensator-Drucksensoren O-Ringe oder Dichtungen als Schlüsselkomponenten der Dichtung ausgewählt, von denen O-Ringe häufiger sind. Da O-Ringe hervorragende lineare Dichtungseigenschaften aufweisen, ist der Druckbereich breiter als bei Dichtungen (Dichtungen werden im Allgemeinen für die Abdichtung innerhalb von 2 MPa empfohlen) und anderer Vorteile.
Die Auswahl von Parametern wie Größe, Material und Härte des O-Rings wirkt sich direkt auf die Produktleistung des endgültigen Drucksensors aus. Die Auswahl muss unter Berücksichtigung der Abmessungen der Baugruppe, der Art des zu messenden Mediums, des Betriebstemperaturbereichs und anderer Faktoren erfolgen.
Übliche O-Ring-Materialien in Drucksensoren sind: EPDM,
Hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR),
Silikonkautschuk (QM),
Neopren (CR), Fluorkautschuk (FKM), Fluorsilikonkautschuk (MFQ) usw.
Abbildung 3: Betriebstemperaturbereich eines typischen O-Ring-Materials (Quelle: Parker)
Im Allgemeinen verwenden Drucksensoren für Fahrzeugklimaanlagen O-Ringe aus HNBR- oder CR-Material und Öldrucksensoren Fluorkautschuk. Druckluftbremsdrucksensoren für Kraftfahrzeuge können O-Ringe aus Silikonkautschuk verwenden. Selbst für die gleiche Art von Material kann jeder Hersteller seinen Betriebstemperaturbereich durch spezielle Dotierungs- oder Polymerisationsbehandlung erweitern. Es können mehrere optionale Materialien für dieselbe Sensoranwendung vorhanden sein. Wählen Sie bei spezifischer Verwendung nach Rücksprache und Bestätigung mit dem O-Ring-Hersteller das geeignete O-Ring-Material und die geeignete Sorte aus, um die Sensorstruktur zu entwerfen.
Die allgemeine Dichtungsstruktur des Keramikkondensator Drucksensors ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Nach dem Zusammenbau des Drucksensors muss der Boden des Keramikkondensators einen gewissen Abstand zum Metallgehäuse einhalten (der Spalt in der obigen Abbildung). Im Allgemeinen halten Keramikkondensatordrucksensoren einem Überdruck stand, sodass nur der Außenring der O-Ring-Nut erhalten bleibt, um die Verarbeitungsschwierigkeiten zu verringern.
Durch Steuern des Höhenunterschieds zwischen dem ersten Schritt und dem Boden der O-Ring-Nut in der obigen Abbildung wird das Ausmaß der Kompression des O-Rings gesteuert.
Der zweite Schritt und der Boden der O-Ring-Nut bilden eine O-Ring-Nut, die die Montageposition des O-Rings definiert. Außerdem muss die Oberseite der O-Ring-Nut abgerundet werden, um zu verhindern, dass der O-Ring nach dem Anlegen von Druck durch das Gehäuse geschnitten wird, und die Unterseite der O-Ring-Nut wird abgerundet, um die Montagespannung zu verringern.
Typische Anwendungen von kapazitiven Keramikdrucksensoren
Keramische Kondensatordrucksensoren können aufgrund ihrer Vorteile wie Korrosionsbeständigkeit, Schlagfestigkeit, keine Hysterese und starke Medienverträglichkeit in großem Umfang zur Druckerfassung von Wasser, Gas und Flüssigkeit eingesetzt werden. Besonders geeignet für Arbeiten in rauen Umgebungen von Fahrzeugsystemen. Für den aufstrebenden Anwendungsmarkt von Drucksensoren wie dem Internet der Dinge und Haushaltsgeräten kann die Schlagfestigkeit von Keramikkondensatoren auf die Wasserdruckmessung von Wasserversorgungsleitungsnetzen angewendet werden, die perfekt auf den Wasserschlag-Effekt reagieren. Bei Schnellkochtopfanwendungen mit variablem Druck kann die flache Membranstruktur des Keramikkondensators ein Verstopfen vermeiden.
Typische Anwendungen von Keramikkondensatordrucksensoren im Automobilbereich sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Tabelle 1: Typische Anwendungen von kapazitiven Keramikdrucksensoren im Automobilbereich
Typische Anwendungen von kapazitiven Keramikdrucksensoren im Internet der Dinge und Haushaltsgeräten sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Tabelle 2: Typische Anwendungen von kapazitiven Keramikdrucksensoren im Automobilbereich
Yaxun Electronics kann Keramikkondensatordrucksensoren mit einem Arbeitsdruckbereich von 0,5 MPa bis 10 MPa bereitstellen, es stehen mehrere Bereiche zur Verfügung und wasserdichte Versionen sind verfügbar
In Kombination mit dem Spezialchip NSC9260 zur kapazitiven Signalkonditionierung können wir Kunden komplette kapazitive Sensorlösungen anbieten. Wir können auch kundenspezifische Sensorsystemlösungen anbieten, die auf die tatsächlichen Bedürfnisse der Kunden zugeschnitten sind.
Keramikkondensatoren als technischer Hauptweg bei Drucksensoren bieten die Vorteile von Korrosionsbeständigkeit, Schlagfestigkeit und guter dielektrischer Verträglichkeit. Drucksensoren sind eine große Kategorie von Sensoren und werden häufig in den Bereichen Automobil, Industrie und Internet der Dinge eingesetzt.
Gängige Drucksensortechnologietypen
Drucksensoren werden im Allgemeinen verwendet, um den Druck der Gas- oder Flüssigkeitsatmosphäre zu messen, in der sich die empfindlichen Komponenten des Sensors befinden, und werden im Allgemeinen verwendet, um zur Hauptsteuereinheit des Systems eine Rückmeldung zu geben, um eine genaue Systemsteuerung zu erreichen.
Als große Kategorie von Sensoren werden Drucksensoren in verschiedenen Branchen wie der Automobilindustrie, der Industrie, Haushaltsgeräten und der Unterhaltungselektronik häufig eingesetzt. Häufig verwendete Drucksensoren unterscheiden sich vom Erfassungsprinzip, das hauptsächlich folgende Kategorien umfasst:
-Silicium piezoresistive Technologie
-Keramikwiderstandstechnologie
-Glasmikrofusionstechnologie
-Keramikkondensator-Technologie
-Silicium piezoresistive Technologie
-Keramikwiderstandstechnologie
-Glasmikrofusionstechnologie
-Keramikkondensator-Technologie
Die piezoresistive Siliziumtechnologie wird durch die piezoresistiven Eigenschaften von Halbleitern realisiert. Die piezoresistiven Eigenschaften von Halbleitermaterialien hängen von Faktoren wie der Art des Materials, der Dotierungskonzentration und der Kristallorientierung des Kristalls ab. Diese Technologie kann unter Verwendung der Halbleitertechnologie implementiert werden und hat die Vorteile einer geringen Größe, einer hohen Ausbeute, niedriger Kosten und einer hohen Signalausgangsempfindlichkeit. Die Mängel spiegeln sich hauptsächlich in der geringen Toleranz des Mediums, den schlechten Temperatureigenschaften und der schlechten Langzeitstabilität wider. Es ist im Nieder- und Mitteldruckbereich üblich, wie z. B. 5 kPa ~ 700 kPa. Die Industrie hat auch Lösungen zur Verbesserung des dielektrischen Widerstands der piezoresistiven Siliziumtechnologie durch spezielle Verpackungsverfahren. Wie Ölfüllung, Gegendruck und andere Technologien, bringt aber auch Probleme wie einen erheblichen Kostenanstieg mit sich.
Die Keramikwiderstandstechnologie verwendet ein Dickschichtdruckverfahren, um eine Wheatstone-Brücke auf die Oberfläche einer Keramikstruktur zu drucken, und verwendet den Varistoreffekt, um das Drucksignal des Mediums in ein Spannungssignal umzuwandeln. Die Keramikwiderstandstechnologie bietet die Vorteile moderater Kosten und einfacher Verfahren. Gegenwärtig bieten viele inländische Hersteller keramische Widerstandsdrucksensorkerne an. Die Signalausgangsempfindlichkeit dieser Technologie ist jedoch gering, der Bereich ist im Allgemeinen auf 500 kPa ~ 10 MPa begrenzt, und die herkömmliche Hohlstruktur trägt nur den Druck der Membran, die einen geringen Widerstand gegen Überlastung aufweist. Wenn der Druck des zu messenden Mediums überlastet ist, riskiert der Keramikwiderstandssensor den Membranbruch und das Mediumleck.
Die Glasmikrofusionstechnologie verwendet ein Hochtemperatursinterverfahren, bei dem ein Silizium-Dehnungsmessstreifen mit einer Edelstahlstruktur kombiniert wird. Ein Silizium-Dehnungsmessstreifen, der vier Widerständen entspricht, bildet eine Wheatstone-Brücke. Wenn auf der anderen Seite der Edelstahlmembran ein mittlerer Druck herrscht, erzeugt die Edelstahlmembran eine leichte Verformung, die eine Änderung der Brücke bewirkt und ein Spannungssignal erzeugt, das proportional zur Druckänderung ist. Der Glasmikroschmelzprozess ist schwer zu realisieren und die Kosten sind hoch. Der Hauptvorteil ist, dass das Medium eine gute Toleranz und eine starke Überlastbeständigkeit aufweist. Es ist im Allgemeinen für Hochdruck- und Ultrahochdruckbereiche wie 10 MPa ~ 200 MPa geeignet und seine Anwendung ist begrenzt.
Die Keramikkondensatortechnologie verwendet eine feste Keramikbasis und eine bewegliche Keramikmembranstruktur. Die bewegliche Membran wird versiegelt und mit der Basis durch ein Verfahren wie eine Glasaufschlämmung fixiert.
Ein Elektrodenmuster wird auf die Innenseite zwischen den beiden gedruckt, um einen variablen Kondensator zu bilden. Wenn sich der Mitteldruck auf die Membran ändert, ändert sich die Kapazität zwischen den beiden entsprechend. Das Signal wird von einem Konditionierungschip umgewandelt und konditioniert und dann zur Verwendung an eine nachfolgende Stufe ausgegeben.
Die Keramikkondensatortechnologie bietet die Vorteile moderater Kosten, eines großen Messbereichs, guter Temperatureigenschaften, Konsistenz und Langzeitstabilität. Aus internationaler Sicht ist es in der Automobil- und Industrieprozesskontrolle sowie in anderen Bereichen weit verbreitet, vertreten durch American Sensata und Swiss E + H. Da sich das Kapazitätssignal vom Widerstandssignal unterscheidet, muss die Signalverarbeitungsschaltung höher sein. Das Sensordesign muss den Kapazitäts- und Signalaufbereitungs-Chip-ASIC zusammen berücksichtigen. Derzeit kann nur Yaxun Electronics eine Komplettlösung für die Integration beider anbieten.
Produktdesign des kapazitiven Keramikdrucksensors
Prinzip des keramischen kapazitiven Drucksensors Kerndruckmessung
Ein Elektrodenmuster wird auf die Innenseite zwischen den beiden gedruckt, um einen variablen Kondensator zu bilden. Wenn sich der Mitteldruck auf die Membran ändert, ändert sich die Kapazität zwischen den beiden entsprechend. Das Signal wird von einem Konditionierungschip umgewandelt und konditioniert und dann zur Verwendung an eine nachfolgende Stufe ausgegeben.
Die Keramikkondensatortechnologie bietet die Vorteile moderater Kosten, eines großen Messbereichs, guter Temperatureigenschaften, Konsistenz und Langzeitstabilität. Aus internationaler Sicht ist es in der Automobil- und Industrieprozesskontrolle sowie in anderen Bereichen weit verbreitet, vertreten durch American Sensata und Swiss E + H. Da sich das Kapazitätssignal vom Widerstandssignal unterscheidet, muss die Signalverarbeitungsschaltung höher sein. Das Sensordesign muss den Kapazitäts- und Signalaufbereitungs-Chip-ASIC zusammen berücksichtigen. Derzeit kann nur Yaxun Electronics eine Komplettlösung für die Integration beider anbieten.
Produktdesign des kapazitiven Keramikdrucksensors
Prinzip des keramischen kapazitiven Drucksensors Kerndruckmessung
Der Kern eines typischen kapazitiven Keramikdrucksensors ist eine abgedichtete Manometerdruckstruktur, die aus einer Keramikbasis, einer verformbaren Membran und einem hohlen abgedichteten Hohlraum besteht. Die drucktragende Oberfläche ist eine verformbare Membran. Wenn sich der Kernlagerdruck ändert, biegt sich der verformte Film nach dem Lagerdruck, wodurch sich der Substratabstand ändert und sich die Kapazität zwischen den Platten ändert. Die Kapazitätsänderung wird über den Konditionierungschip in einen Standardausgang (wie 0 ~ 5 V Spannungsausgang, 4 ~ 20 mA Stromausgang, I2C, digitaler SPI-Ausgang usw.) umgewandelt.
Abbildung 1: Schnittansicht eines Keramikkondensator Drucksensor unter Druck
Abbildung 2: Querschnitt eines Keramik-Kondensator-Drucksensor unter Druck
Dichtungsstruktur typischen keramischen Kondensator-Drucksensor
Um die Luftdichtheit zu gewährleisten, werden bei der Konstruktion von Keramikkondensator-Drucksensoren O-Ringe oder Dichtungen als Schlüsselkomponenten der Dichtung ausgewählt, von denen O-Ringe häufiger sind. Da O-Ringe hervorragende lineare Dichtungseigenschaften aufweisen, ist der Druckbereich breiter als bei Dichtungen (Dichtungen werden im Allgemeinen für die Abdichtung innerhalb von 2 MPa empfohlen) und anderer Vorteile.
Die Auswahl von Parametern wie Größe, Material und Härte des O-Rings wirkt sich direkt auf die Produktleistung des endgültigen Drucksensors aus. Die Auswahl muss unter Berücksichtigung der Abmessungen der Baugruppe, der Art des zu messenden Mediums, des Betriebstemperaturbereichs und anderer Faktoren erfolgen.
Übliche O-Ring-Materialien in Drucksensoren sind: EPDM,
Hydrierter Nitrilkautschuk (HNBR),
Silikonkautschuk (QM),
Neopren (CR), Fluorkautschuk (FKM), Fluorsilikonkautschuk (MFQ) usw.
Abbildung 3: Betriebstemperaturbereich eines typischen O-Ring-Materials (Quelle: Parker)
Die allgemeine Dichtungsstruktur des Keramikkondensator Drucksensors ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Abbildung 4: Schematische Darstellung einer typischen Dichtungsstruktur eines Keramikkondensators
Nach dem Zusammenbau des Drucksensors muss der Boden des Keramikkondensators einen gewissen Abstand zum Metallgehäuse einhalten (der Spalt in der obigen Abbildung). Im Allgemeinen halten Keramikkondensatordrucksensoren einem Überdruck stand, sodass nur der Außenring der O-Ring-Nut erhalten bleibt, um die Verarbeitungsschwierigkeiten zu verringern.
Durch Steuern des Höhenunterschieds zwischen dem ersten Schritt und dem Boden der O-Ring-Nut in der obigen Abbildung wird das Ausmaß der Kompression des O-Rings gesteuert.
Der zweite Schritt und der Boden der O-Ring-Nut bilden eine O-Ring-Nut, die die Montageposition des O-Rings definiert. Außerdem muss die Oberseite der O-Ring-Nut abgerundet werden, um zu verhindern, dass der O-Ring nach dem Anlegen von Druck durch das Gehäuse geschnitten wird, und die Unterseite der O-Ring-Nut wird abgerundet, um die Montagespannung zu verringern.
Typische Anwendungen von kapazitiven Keramikdrucksensoren
Keramische Kondensatordrucksensoren können aufgrund ihrer Vorteile wie Korrosionsbeständigkeit, Schlagfestigkeit, keine Hysterese und starke Medienverträglichkeit in großem Umfang zur Druckerfassung von Wasser, Gas und Flüssigkeit eingesetzt werden. Besonders geeignet für Arbeiten in rauen Umgebungen von Fahrzeugsystemen. Für den aufstrebenden Anwendungsmarkt von Drucksensoren wie dem Internet der Dinge und Haushaltsgeräten kann die Schlagfestigkeit von Keramikkondensatoren auf die Wasserdruckmessung von Wasserversorgungsleitungsnetzen angewendet werden, die perfekt auf den Wasserschlag-Effekt reagieren. Bei Schnellkochtopfanwendungen mit variablem Druck kann die flache Membranstruktur des Keramikkondensators ein Verstopfen vermeiden.
Typische Anwendungen von Keramikkondensatordrucksensoren im Automobilbereich sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Tabelle 1: Typische Anwendungen von kapazitiven Keramikdrucksensoren im Automobilbereich
Typische Anwendungen von kapazitiven Keramikdrucksensoren im Internet der Dinge und Haushaltsgeräten sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Tabelle 2: Typische Anwendungen von kapazitiven Keramikdrucksensoren im Automobilbereich
Yaxun Electronics kann Keramikkondensatordrucksensoren mit einem Arbeitsdruckbereich von 0,5 MPa bis 10 MPa bereitstellen, es stehen mehrere Bereiche zur Verfügung und wasserdichte Versionen sind verfügbar
In Kombination mit dem Spezialchip NSC9260 zur kapazitiven Signalkonditionierung können wir Kunden komplette kapazitive Sensorlösungen anbieten. Wir können auch kundenspezifische Sensorsystemlösungen anbieten, die auf die tatsächlichen Bedürfnisse der Kunden zugeschnitten sind.
