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压力传感器 特集

  • 第 1 章
  • 什么是压力传感器?
 

 

 
 

1. 引言

 

 

 
 
Pressure sensors
压力传感器是将气体或液体等流体的压力转换为电信号的压力转换器的总称。
压力传感器检测和测量的压力类型,大致分为以下三种。
①以大气压力为基准所表示的压力大小 = 表压
②以绝对真空为基准所表示的压力大小 = 绝压
③相对于某一任意比较的压力(基准压力)所表示的压力大小 = 差压

 

 

2. 压力传感器原理

 

 

 
 

压力传感器在受压部使用应变片作为压力敏感元件,通常是将金属箔式应变片或是膜片粘合到圆柱形弹性体上。由于膜片受到压力而变形,将这种物理变形引起的电阻变化转换为电信号以检测和测量压力。

尼得科科智博电子提供两种传感方式的压力传感器:半导体压电阻型(Si-MEMS)方式和使用压电薄膜(SUS隔膜)方式。每方式都有个自的特点,我们根据用途提供种类繁多的压力传感器产品。

让我们仔细看看每种方式的工作原理。

 
Ⅰ.半导体压电阻型 (Si-MEMS方式)
Sensor chip_Si-MEMS
Cross-section of Sensor chip_Si-MEMS
Cross-section of diaphragm_Si-MEMS
隔膜横截面
Si-MEMS 方式主要利用了单晶硅的压阻效应,是指当半导体受到应力作用时,由于应力引起能带的变化,能谷的能量移动,使其电阻率发生变化的现象。

单晶硅用于压敏元件以形成隔膜。通过热扩散在硅单晶上形成的压阻效应,接收隔膜在压力下的变形作为应力。

如下图所示,连接4个压电电阻,组成惠斯通电桥电路。该桥式电路由恒定电流(标称电压DC 1.5mA)驱动。当施加压力时,R2和R3的阻值增加,另一个R1和R4的阻值减小,导致电桥电路不平衡,输出端出现电压差。该电压差成为与压力成正比的输出电压。负压原理与正压原理相同,只是极性相反而已。

右侧隔膜的截面图中,为了便于理解,故意夸大了隔膜的变形(拉伸或弯曲)(指红色虚线部分),但实际隔膜变形量极小,几乎是几微米无法看到的。由于Si-MEMS方式,可以通过轻微的机械变形获得很大的电阻变化。作为压力输出特性,特征是相对于扭曲量(=应变比)的输出转换效率高。

  • 应变片图案_Si-MEMS型
  • 惠斯通电桥电路_Si-MEMS型
 
Ⅱ. 压电薄膜传感器(SUS隔膜法)
Cross-section of Sensor chip_SUS
Cross-section of diaphragm_SUS
压电薄膜传感器元件横截面图
Ⅱ. 压电薄膜传感器(SUS隔膜方式)
该方式具有通过绝缘膜在金属隔膜上形成一种薄膜动态应变的结构。当施加压力时,金属膜片发生变形,形成在膜片上的薄膜应变片发生变形,从而检测出应变片电阻值的变化。

如下图所示,薄膜型传感器也与硅MESM一样,连接四个薄膜电阻,形成惠斯通电桥电路。薄膜电阻由恒定电压驱动,当施加压力时,金属膜片上形成的薄膜电阻发生变形(拉伸或弯曲)以检测表电阻值的变化,得到与压力成正比的电压信号。

与Si-MEMS方法相比,压力输出特性小,因此不适用于低压区域,适用于需要高真空的高压应用环境里。另外,这种方法的特点之一是可以拓宽工作温度范围,受温度影响小。

  • 惠斯通电桥电路_压电薄膜
 
  • 第 2 章
  • 压力传感器业务介绍
 

 

 
 

1. 历 史

 

 

 
 

我们的压力传感器业务,自从1980年开始制造和销售电子血压计以来,已经发展并持续了40多年。现在被广泛应用于半导体制造设备・工业机械・医疗设备・分析设备・测量设备和液压设备等各个行业。

  • 尼得科科智博电子压力传感器事业里程碑
  • 佐野事业所航拍照片
  • 开发技术中心

业务基地是枥木县的佐野事业所。我们在这里生产从传感器芯片到最终产品的所有业务,如今已发展成为我们公司的领先业务。

 

2. 丰富的产品阵容

 

 

 
 
Pressure sensor products
我们拥有模块型,内置放大器型,通过施加特定的压力值来打开和关闭压敏元件的触点的压力开关,以及带显示的压力计等,多种不同形式的压力传感器产品。传感器元件的种类有,半导体压电阻型Si-MEMS方式和压电薄膜(SUS)方式。其中Si-MEMS方式有,用于非腐蚀性气体的单晶硅膜片和通过在接液部分设置SUS隔膜构成硅双隔膜(硅油封装隔离)和,可用于液体等腐蚀性介质里的两种。我们根据用途和环境适当使用传感器元件,并将其开发成各种最终产品。
方 法Si-MEMS (单晶硅薄膜)Si-MEMS (双薄膜)金属薄膜 (SUS薄膜)
构 造
单晶硅元件通过玻璃中包含的Na离子通过阳极键合而键合到玻璃基座上。元件直接接收介质。 SUS隔膜通过激光焊接与外壳连接,压力通过硅油传送到硅元件里。 通过使绝缘膜穿过SUS薄膜片,气相沉积形成压电薄膜。
介 质 无腐蚀性气体 不腐蚀接液部材的气体/液体 不腐蚀接液部材的气体/液体
特 征
  • 通过使用绝缘膜穿过金属膜片,气相沉积形成压电薄膜
  • 特性随温度而变化,但在一定温度下再现性高
  • 压力高/输出大,高精度 (在额定100 kPa里,约100 mV)
  • 无机械运动部件,使用寿命长
  • 大批量生产和低成本制造可能
  • 适用于真空, 高温和低温
  • 温度引起的特性变化很小
  • 通过单一型号的批量生产可以实现低成本制造
  • 电解抛光对应

压力传感器各种阵容系列

压力传感器模块

P-2000, P-3000S P-8300, P-8305, P-8505

内置放大器
压力传感器

PA-20, PA-500 P-7100, PA-750/758, PA-800, PA-830/838, PA-838-D, PA-850/858, PA-860/868
高真空对应: PA-920S/928S
高温対応(~150°C): PA-930/930-A
高圧/低·高温対応(-40~125°C):
PA-970S/971S/972S/973S/978S
压力开关 PS20, PS30, PS40, PS6, PS60 PS8, PS83, PS85, PS86 高真空対応: PS91
高圧/低·高温対応(-40~125°C): PS97
压力显示计
便携式数字压力计
PG-30, PG-200,PG-100N PG-35, PG-75, PG-208, PG-100B 高真空対応: PG-20, PG-35L
高圧対応: PG-35H
※此外,还标准阵容 PZ-30 和 PZ-200 两个系列的压力指示器。

近年来,我们还积极推出带有比例输出的内置小型放大器的类型和使用薄膜元件的高真空・高压・高温对应的新产品等,正在扩大我们的业务领域。

 
  • 第 3 章
  • 我们压力传感器的优势
 

 

 
 

1. 一站式业务架构

 

 

 
 

我们充分利用半导体技术从传感器元件内部制造,并通过安装,温度补偿,电子电路附加和外壳等工艺进一步开发和制造压力传感器最终产品。


  • 硅片 ⇒ 传感器元件

  • 压力传感器模块

  • 内置放大器的各种压力传感器

对应多品种・小批量的生产为基础,从开发设计到传感器元件制造工程,产品组装工程/校准,全部在各部门的综合品质管理下进行是我们最大的特点。并且可以详细对应特殊规格和各种客户需求的这种业务结构正是我们的强项。

 

2. 定制产品个别对应

 

 

 
 
― 个别对应方针 ―
在压力传感器业务中,我们在加强上述标准产品阵容的同时,以客户至上为座右铭,根据市场和客户的个别需求,积极支持定制对应和共同开发。

对于个别对应的敝司方针为如下。

  1. 如果可以应用我们现有的产品/技术,并考虑到商业可行性判断可以商业化的话,我们将积极对应。
  2. 即使我们拥有的技术在依赖时稀缺,但如果判断共同开发是可能的,也会积极考虑。
  3. 我们还将按行业收集信息,并主动提出客户需要的产品和服务。

我们的压力传感器供应系列总数为92机种,按型号数为1,992种。其中,个别对应,即所谓的特殊产品,按货币计算占总数的近80%。结果表明,我们已经能够响应市场和客户的个别要求提供了许多产品和服务。下面,我们将介绍一些特殊产品的具体例子。

 

个别对应实例

1. 电解抛光+无油处理+清洁包装
电解抛光/无油处理/清洁包装,通常是半导体制造设备中的在线管道应用种必不可少的。首先,在「电解抛光」中通过化学抛光提高平整度,使受压部分不残留杂质。此外,「无油处理」通过清洁受压部分的有机物来防止污染。同样,「清洁包装」可防止来自外部的污染,并保证压力传感器产品在客户使用之前的清洁状态。
 
2. PA-75系列: 电缆连接器对应 /电缆本体直出
  • 标准型号
  • ①电缆连接器规格
  • ②电缆本体直出规格

PA-750/758 系列的标准产品使用连接器类型,以便主体和电缆可以连接和拆卸,电缆尖端有引线。还有根据市场/客户的需求,具有(1)指定连接器的安装和(2)从主体直接电缆输出的两个实绩。

 
3. PS20: 特殊接头规格

  • 标准型号

  • 特殊接头规格

PS20系列的标准产品是M5公螺纹和M5母螺纹,但我们根据市场需求提出了对应特殊接头的方案,这些接头可以在延长模块尖端并制作M5孔后用安装螺钉固定。

 
4. 其他 案例
a. 规格/性能变更
压力范围 对应标准系列以外的范围,变更基准压力单位 (PSI单位等)
性能变更 高精确度 (输出校准误差,温度特性改善,耐压改善等)
输出变更 模拟输出值变更, I2C/SPI对应 等
电源电压变更 变更为所需的电源电压里
环境温度变更 变更为符合所需环境温度的规格
清洁对应 电解抛光, 清洗, 清洁包装 等
调零 添加调零功能
b. 外观/形状变更
接头规格变更 形状, 尺寸,材料 等
电缆变更 长度, 引线直径, 连接器加工, 端子加工, 标记 等
对应OEM 铭版, 面板印刷, 表壳换色 等
c. 其他
定制开发 电路板制造, 外壳制造, 高速响应 等
 

最终,我们将考虑业务可行性等做出适当的决定。请参考上述内容,随时通过以下按钮与我们联系以获取定制产品对应和共同开发的要求。

 
 
  •  第 4 章
  • 压力传感器  常见问题 FAQ
 
 

 

 
 
1. 产品关系
1. 关于电缆规格(电缆芯线直径等)
Q. 要连接器连接到电缆里,请告诉电缆规格是什么? Answer
2. 适用介质中的非腐蚀性气体范围
Q. P-2000和P-3000S的适用介质是非腐蚀性气体,是否可以使用含有水蒸气的空气?如果无法使用,请推荐可用的型号? Answer
3. 处理噪音(屏蔽处理)
Q. 正在使用压力传感器(with Amp.),但是因为受到噪音的影响输出变动。 该设备安装侧是绝缘的,接收侧的屏蔽线未连接时使用。是否有良好的对策? Answer
4. 压力开关的开关设定方法(例如:PS91系列)
Q. 正在尝试使用压力开关PS91的KF25法兰来检测真空炉的大气压。不知道如何选择N1和N2,当从真空恢复到大气压时ON,从大气压到真空是在-80kPa里ON。 请告诉如何选择和设置的开关量输出。 Answer
5. PCB安装类型的推荐焊接条件
Q. 将P-2000焊接到印刷电路板上,是否有任何推荐的焊接条件? Answer
6. 用于连接软管和M5内螺纹的推荐接头
Q. 想使用压力传感器的M5内螺丝连接到软管上,有推荐的附件吗? Answer
7. 用于快速接头连接的推荐软管
Q. 请告诉我连接到快速接头的推荐软管。 Answer
8. 锥形螺钉的推荐紧固扭矩
Q. 请告诉我锥形的推荐紧固扭矩。 Answer
9. 端口方向对输出的影响
Q. 使用双重隔膜的压力传感器。端口朝下和横向是输出会发生变化,是故障吗? Answer
10. 接通电源后的稳定性(建议预热)
Q. 在共通注意事项上指出,打开设备电源后其预热约10分钟可以获得更准确的测量,但在这10分钟内输出电压 [V] 会发生多大变化?另外,输出电压是否线性变化。 Answer
11. 适用于高真空领域的产品(注意压力下限值)
Q. 在真空室中,PA-850-102A-NR2用于监视内部压力。在这个过程中,绝对压力将压力减到0kPa附近,但是,目录中的真空使用下限值是1.3kPa abs。为什么不能使用呢?另外,如果有可以使用的压力传感器,请介绍。 Answer
12. 关于介质的使用温度范围
Q. 请告诉压力显示计PG-35中可以使用的温度范围吗?虽然现在使用的是常温的水,但是今后想使用加热过的水,所以想知道液体温度的范围。 Answer
13. 综合精度(室温/非室温下的差异)
Q. 为什么手持式压力液晶显示计PG-100B的综合精度有±0.5%F.S.±2digits 和±1.0%F.S.±2digits 这两个因素?另外,请告诉我±2digits的意思。 Answer
14. 额定压力/最大压力/破裂压力的定义
Q. 请告诉我目录中“额定压力范围”和“最大压力”的含义。另外,如果超过“破裂压力”,传感器会损坏吗? Answer
15. PG-100用锂电池的购买方法
Q. 手持式压力液晶显示计PG-100的更换用电池明确记载为锂电池DC3.6V,最初附带的是东芝的ER6VM/3.6型号。东芝的主页上没有登载该产品,登载了ER6V P3.6。这边也可以使用吗? Answer
16. 符合UL991的产品阵容
Q. 正在考虑一种用于半导体制造设备的压力传感器,有适合UL991的吗? Answer
17. 如何处理压力表产品的 E2 error”
Q. 使用压力计PG-75时,可能是长时间切断电源,启动时进行了零调整,显示 E2错误”。请告诉我处理方法。 Answer
18. 未规定的驱动电源使用带来的影响
Q. P-3000S的标准规格是恒定电流1.5mA驱动,请告诉我恒定电压5V驱动时的问题。另外,将恒定电流驱动时的电流设为1mA时,线性和温度特性的精度如何? Answer
19. ZERO点产生误差时的应对方法
Q. 使用手持式压力液晶显示计PG-100,打开电源后显示为“-0.3”。通常认为是“00.0”,是故障吗? Answer
20. 手持式压力液晶显示计电池更换时期
Q. 如果手持式压力液晶显示计电池量不足,压力表显示会减少吗? 请让我知道是否有确认方法可以作为更换指南。 Answer
21. 关于传感方法及传感器材料
Q. 压力表PG-35用于我们的真空装置的大气压检测里。现在,装置里检讨的最终用户的设备规格有「大气压传感器使用半导体式传感器,隔膜的材质用不锈钢」的指定,本公司的PG-35对应吗? Answer
22. 含有机溶剂介质的压力计选择
Q. 正在使用手持压力计PG-100、是否可以将其用于含有稀有机溶剂的流体中? Answer
23. 在海拔较高的地方使用/指示方式的种类
Q. 考虑在高度1000m的土地上使用压力开关PS6-12G-NAR。可以使用吗? Answer
24. 停产信息
Q. 请告诉本公司压力传感器产品的停产信息。 Answer
25. 关于压力显示计 PG-30/PG-35操作面板设置模式
Q. 购买的压力显示计PG-35,认为通过面板可以操作设置各种模式。因此查看使用说明书尝试进行操作,但是设置不好搞定。 是否有初学者也都可以理解的解说资料呢? Answer
2. 关于资料·各种证书关系
26. 适用性证书的取得方法
Q. 为了将现货单独出口到海外,需要出口管制适用性证书供海关查验。请告诉取得方法。 Answer
27. 获取CAD数据的方法
Q. 可以得到产品的2D/3D CAD数据吗? Answer
28. 如何获取CE符合性声明
Q. 请告诉压力传感器CE符合宣言书的获得方法。 Answer
29. ISO9001/14001 认证书的取得方法
Q. 公司已获得ISO9001/14001,可以得到认证书吗? Answer
30. 想知道故障率
Q. 想知道压力传感器的故障率 Answer
31. RoHS合规状态,证书获取方法
Q. 产品是否符合RoHS指令(EU)2015/863?可以拿到RoHS证书吗? Answer
32. UL认证书的获得方法
Q. 为了我们产品的安全审查,可以拿到产品的UL认证书吗? Answer
3. 关于维修、校正关系
33. 校正对应机种/发行校正证明等文件
Q. 正在使用液压手持压力计PG-100B,可以校正吗? Answer
34. 调查故障原因及修理可能性
Q. 手持压力计PG-100的电源打开时,显示屏显示 “-1”,即使施加压力也不改变。 是否可以调查故障原因并进行维修? Answer

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