新一代差压传感器的特点及其原理

据麦姆斯咨询报道，如今的压力传感器几乎与上世纪90年代的“运算放大器（op-amp）”一样普遍。从消费者的智能手机到世界上工艺最复杂的工厂里精密控制仪表，压力传感器的应用遍布其中。压力传感器本身并不新鲜，但究其技术和器件本身，差异却很大。本文旨在帮助设计工程师快速了解最新的差压（differential pressure，DP）测量。

差压（DP）传感器是一种特殊类型的压力传感器，它可以测量器件上两端口间的压力变化。这种传感器与只测量单个端口压力的静态或绝对压力传感器不同。气压计和高度计是绝对压力传感器的经典例子，而飞机空速传感器则是DP测量器件的经典例子。DP也是一种对流量的测量；因此，许多应用将其需求描述为流量测量。

低压值域的DP测量通常用于医疗、工业和物联网（IoT）等应用。DP测量的单位是帕斯卡（Pa）或英寸水柱（inH20），即1.0 Pa= 0.00402 inH20。高精度DP测量则是比0.1 Pa更精确的测量方法。

流量和DP的典型终端应用包括：

1、医疗设备：例如，家庭中，被称为持续正压通气（CPAP）的小型机器就是利用流量传感器来帮助用户调节气流，这种方法有助于治疗睡眠呼吸暂停。

2、住宅计量：流量传感器常用于世界各地的房屋和建筑中的天然气测量和计算。

3、电器：DP存在于住宅、商业及工业气体等各类燃烧器中，用于控制气体流向燃烧系统。它们也存在于暖通空调系统（HVAC systems）中，用于操控特定区域的加热和冷却。

4、工业元器件：阀门、泵和工业中的其他基本构件通常需要精确可靠的流量和DP测量。

5、物联网（IoT）：IoT创造了需要高精度的用于空气质量和气流测量的新型智能消费设备。这些设备将粒子计数器与气流测量相结合，来测量空气中微小的pm2.5颗粒的数量。已有证据表明，大量pm2.5颗粒会导致严重的儿童健康问题。

近期，新技术利用“热式MEMS”传感实现了精确DP测量的超低成本。

MEMS（微电子机械系统，Micro-electrical Mechanical Systems）是广泛使用的、可在硅中创建结构的工艺。下图呈现了热工作原理（如图1）。通过以下示意图，可以更好地理解热MEMS压力传感。

图1：MEMS流量传感器理论示意图

MEMS流量传感器可利用单个或多个加热器和温度传感器来制造。一种简单的制造方法就是两个温度传感器围绕一个加热器，并对称地放置在左右两边。当加热器（即电阻）通过电流加热时，加热器周围就会形成稳态温度曲线。当气体（介质）不流动时，对称的两个温度传感器就会检测到相同的温度。当气体流动时（如从左到右），热空气从左向右吹，此时，传感器的温度读数就是右边高于左边。由于温差与流速成正比（低流速时呈线性&高流速时呈非线性），我们可通过测量两个温度传感器的温差来确定流量。

在热式MEMS流量测量实例中，是利用CMOS工艺的标准材料，通过将ACEINNA MDP200传感器、MEMS传感器和信号调解电路集成在单芯片上，来构建MEMS流量传感器。CMOS工艺中，多晶硅和铝属于常用材料，通常用于互连。在热式MEMS传感器中，多晶硅可充当发热件电阻，而多晶硅和铝则相互接触，就形成了基于热电偶的温度传感器。

使用这种方法，就可在无需任何特殊材料和工艺的情况下构建MEMS流量传感器。信号调节电路可自然地与传感器集成到单个芯片上。这种单片集成电路可实现尺寸更小、成本更低、精度更高并控制传感器。集成CMOS电路，就可以监控低至微开尔文（micro-Kelvin）的温度差，以允许高分辨率和低流速感应。美新半导体推出的热式微压差流量传感器MDP200及其内部传感器，如图2和图3所示。

图2：封装后的流量传感器

图3：传感器敏感元件和ASIC

低成本半导体流量传感器可简单地连接到任何带有I2C接口的标准微控制器。软件集成可在几个小时内完成。3.3 V工作电压下低于10 mA的低功耗也可被普遍接受。在电池驱动的应用中，充电和测量时间加起来仅不到0.1秒，该器件可以循环使用。

在选择和指定热式MEMS流量传感器时，还有以下注意事项：

1、气体类型；

2、精确度；

3、连接机制和高度修正。

在选择气体传感器时必须考虑气体类型。典型的气体传感器兼容包括空气、氮气（N2）和氧气（O2）。ACEINNA的传感器也兼容二氧化碳（CO2）、氦气（He）和CH4（甲烷）。流量传感器返回与流量的比值；因此，描述精度的经典术语有零点（偏移）和跨度（线性）误差。

目前有两种方法可以确定流量或差速测量设备的准确性是否符合需求。其中一种方法，也是最简单的方法，是考虑制造商的总精度规范。该规范结合了最初的偏移量和跨度误差，以及受温度和其他细微影响的变化。

如果这个误差对于预期应用来说太大，那么就有必要分开考虑每种误差了。在众多应用中，一旦安装了设备，就可以消除初始偏误，以减少总误差估计。在其他应用中，所需的范围可能比设备规范要小，因此跨度误差的贡献也可能小于总误差规范所包含的范围。

最后，如何将流量传感器连接到流体中，也通常是一项有趣的挑战。无需直接将设备插入电流中，可以使用旁路节流电路（bypass flow circuit）。图4体现了如何正确设置压降电路，这将迫使一部分电流通过该装置。这种流滴电路（flow drop circuit）一般由流量传感器制造商定制或提供。

图4：旁路节流电路可以测量管内流量

另一个改进的问题是，DP传感器可以要求对精度应用进行高度修正。高度修正通常是通过在终端设备上增加一个气压计来完成的。制造商通常会提供一个适当的高度修正公式。在较低精度的应用中，则无需这种补偿。