MEMS 壓阻式壓力傳感器與傳統(tǒng)氣壓計(jì)不同，具有防水封裝、內(nèi)置溫度補(bǔ)償和高應(yīng)力耐受性。
雖然氣壓計(jì)已經(jīng)存在了 300 多年，但現(xiàn)代氣壓傳感器的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)。縮小的芯片尺寸現(xiàn)在允許這些傳感器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)甚至智能手機(jī)中發(fā)揮作用。
ROHM Semiconductor 最近推出了 BM1390GLV 氣壓傳感器。這款新器件是一種 MEMS 壓阻式傳感器，防水等級(jí)為 IPX8，主要針對(duì)家用電器、工業(yè)設(shè)備和緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
這種常見的傳感器有什么獨(dú)特之處？
MEMS 壓阻式壓力傳感器如何工作？
首先，簡(jiǎn)要回顧一下 BM1390GLV 的基本原理可能會(huì)有所幫助：壓阻效應(yīng)。這種效應(yīng)是指響應(yīng)于外部機(jī)械力而發(fā)生的材料電阻的變化。與金屬相比，半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)更為明顯。
如下所示，壓阻式壓力傳感器通過(guò)將壓阻式傳感元件連接到柔性膜片上來(lái) 創(chuàng)建惠斯通電橋。
產(chǎn)生惠斯通電橋的壓阻式壓力傳感器。圖片由羅姆提供
在壓力的影響下，隔膜會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而改變壓阻元件的電阻。電阻的變化會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電橋輸出端施加的壓力成比例的電壓信號(hào)。
今天的傳感器通常具有內(nèi)置電子設(shè)備，可在將電橋輸出信號(hào)傳送到信號(hào)調(diào)理鏈中的下一個(gè)環(huán)節(jié)之前進(jìn)一步處理電橋輸出信號(hào)。
MEMS：一項(xiàng)關(guān)鍵的使能技術(shù)
許多傳感器，包括壓力傳感器，都依賴于系統(tǒng)中的可移動(dòng)部件。MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫）是一種關(guān)鍵技術(shù)，可以在信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備旁邊的硅芯片上實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)部件。
下圖顯示了如何使用該技術(shù)在硅芯片上創(chuàng)建微型質(zhì)量阻尼彈簧系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)傳感器。
CMOS MEMS 加速度計(jì)的掃描電子顯微照片 (SEM)。圖片由K. Zhang提供
事實(shí)上，微制造技術(shù)的巨大進(jìn)步使當(dāng)今許多小型低成本傳感器成為可能。例如， ROHM基于 MEMS 技術(shù) 的新型壓力傳感器采用緊湊的 2.0 mm × 2.0 mm × 1.0 mm 封裝。
防水性能
下圖比較了 BM1390GLV 與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。
圖片由羅姆提供
BM1390GLV 中使用的 MEMS 和控制電路可能與其他類似產(chǎn)品沒有太大區(qū)別；但是，新傳感器采用專有結(jié)構(gòu)和特殊防水凝膠，可用于需要防水性能的工業(yè)設(shè)備和家用電器。
BM1390GLV 采用防水IPX8 等級(jí)封裝——防水等級(jí)。
內(nèi)置溫度補(bǔ)償
應(yīng)變儀的特性隨溫度而變化，因此需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償以提高壓阻式壓力傳感器的精度，尤其是當(dāng)設(shè)備要在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用時(shí)。
據(jù) ROHM 稱，BM1390GLV 采用專有的溫度補(bǔ)償算法，以大限度地減少溫度引起的誤差。
下圖是新傳感器與其他同類產(chǎn)品的性能對(duì)比。
BM1390GLV 與同類產(chǎn)品的性能比較。圖片由羅姆提供
該公司聲稱，新傳感器（上面的紅色曲線）優(yōu)于具有內(nèi)部溫度補(bǔ)償（藍(lán)色曲線）的類似產(chǎn)品，以及那些在外部 MCU 中消除誤差的解決方案（綠色曲線）。另外請(qǐng)注意，由于溫度校準(zhǔn)不需要外部 MCU，因此新器件可以提供較低的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。
對(duì)壓力的耐受性
BM1390GLV 采用陶瓷封裝，可大限度地減少安裝應(yīng)力造成的誤差。下圖顯示了用于新型傳感器的陶瓷封裝和傳統(tǒng)傳感器常用的樹脂封裝的應(yīng)力模擬。
陶瓷封裝與樹脂封裝的應(yīng)力模擬。圖片由羅姆提供
采用更堅(jiān)固的封裝消除了設(shè)計(jì)人員在使用樹脂產(chǎn)品時(shí)面臨的布局限制，從而提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。
氣壓傳感器的應(yīng)用
氣壓傳感器測(cè)量絕對(duì)氣壓。除了傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用之外，這些傳感器還可以用于智能手機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航。由于氣壓隨海拔高度而降低，來(lái)自高分辨率氣壓傳感器的信息可用于確定海拔高度。
BM1390GLV典型應(yīng)用電路及框圖。圖片由羅姆提供
此信息可用于輔助衛(wèi)星導(dǎo)航或在丟失衛(wèi)星信號(hào)的情況下。航位推算通過(guò)估計(jì)行進(jìn)的方向和距離來(lái)計(jì)算一個(gè)人的位置。在某些情況下，氣壓傳感器可以區(qū)分小至一步高度的高度變化。
這些傳感器適用于跟蹤健身活動(dòng)和識(shí)別手勢(shì)。氣壓傳感器還用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，以在不同海拔高度行駛時(shí)實(shí)現(xiàn)效率。
新型 BM1390GLV 氣壓傳感器的用例。圖片由羅姆提供
ROHM的新型傳感器主要針對(duì)電飯煲、吸塵器等家電產(chǎn)品而設(shè)計(jì)；需要防水性能的工業(yè)設(shè)備；在戶外運(yùn)行的小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；和無(wú)人機(jī)。
