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壓力傳感器專題

  • 第 1 章
  • 何謂壓力傳感器?
 

 

 
 

1. 引言

 

 

 
 
Pressure sensors
壓力傳感器是將氣體或液體等流體的壓力轉換為電信號的壓力轉換器的總稱。壓力傳感器檢測和測量的壓力類型,大致分為以下三種。
①以大氣壓力為基準所表示的壓力大小 = 表壓
②以絕對真空為基準所表示的壓力大小 = 絕壓
③相對於某一任意比較的壓力(基準壓力)所表示的壓力大小 = 差壓

 

 

2. 壓力傳感器原理

 

 

 
 

壓力傳感器在受壓部使用應變片作為壓力敏感元件,通常是將金屬箔式應變片或是膜片粘合到圓柱形彈性體上。由於膜片受到壓力而變形,將這種物理變形引起的電阻變化轉換為電信號以檢測和測量壓力。

日本電產科寶電子提供兩種傳感方式的壓力傳感器:半導體壓電阻抗擴散式(Si-MEMS)方式和使用壓電薄膜(SUS隔膜)方式。每方式都有個自的特點,我們根據用途提供種類繁多的壓力傳感器產品。

讓我們仔細看看每種方式的工作原理。

 
Ⅰ. 半導體壓電阻抗擴散式(Si-MEMS方式)
Sensor chip_Si-MEMS
Cross-section of Sensor chip_Si-MEMS
Cross-section of diaphragm_Si-MEMS
隔膜橫截面
Si-MEMS 方式主要利用了單晶矽的壓阻效應,是指當半導體受到應力作用時,由於應力引起能帶的變化,能谷的能量移動,使其電阻率發生變化的現象。

單晶矽用於壓敏元件以形成隔膜。通過熱擴散在矽單晶上形成的壓阻效應,接收隔膜在壓力下的變形作為應力。

如下圖所示,連接4個壓電電阻,組成惠斯通電橋電路。該橋式電路由恆定電流(標稱電壓DC 1.5mA)驅動。當施加壓力時,R2和R3的阻值增加,另一個R1和R4的阻值減小,導致電橋電路不平衡,輸出端出現電壓差。該電壓差成為與壓力成正比的輸出電壓。負壓原理與正壓原理相同,只是極性相反而已。

右側隔膜的截面圖中,為了便於理解,故意誇大了隔膜的變形(拉伸或彎曲)(指紅色虛線部分),但實際隔膜變形量極小,幾乎是幾微米無法看到的。由於Si-MEMS方式,可以通過輕微的機械變形獲得很大的電阻變化。作為壓力輸出特性,特徵是相對於扭曲量(=應變比)的輸出轉換效率高。

  • 應變片圖案_Si-MEMS型
  • 惠斯通電橋電路_Si-MEMS型
 
Ⅱ. 壓電薄膜傳感器(SUS隔膜法)
Cross-section of Sensor chip_SUS
Cross-section of diaphragm_SUS
壓電薄膜傳感器元件橫截面圖
Ⅱ. 壓電薄膜傳感器(SUS隔膜法)
該方式具有通過絕緣膜在金屬隔膜上形成一種薄膜動態應變的結構。當施加壓力時,金屬膜片發生變形,形成在膜片上的薄膜應變片發生變形,從而檢測出應變片電阻值的變化。

如下圖所示,薄膜型傳感器也與硅MESM一樣,連接四個薄膜電阻,形成惠斯通電橋電路。薄膜電阻由恆定電壓驅動,當施加壓力時,金屬膜片上形成的薄膜電阻發生變形(拉伸或彎曲)以檢測表電阻值的變化,得到與壓力成正比的電壓信號。

與Si-MEMS方法相比,壓力輸出特性小,因此不適用於低壓區域,適用於需要高真空的高壓應用環境裡。另外,這種方法的特點之一是可以拓寬工作溫度範圍,受溫度影響小。

  • 惠斯通電橋電路_壓電薄膜
 
  • 第 2 章
  • 壓力傳感器業務介紹
 

 

 
 

1. 歷 史

 

 

 
 

我們的壓力傳感器業務,自從1980年開始製造和銷售電子血壓計以來,已經發展並持續了40多年。現在被廣泛應用於半導體製造設備・工業機械・醫療設備・分析設備・測量設備和液壓設備等各個行業。

  • 日本電產科寶電子壓力傳感器事業里程碑
  • 佐野事業所航拍照片
  • 開發技術中心

業務基地是櫪木縣的佐野事業所。我們在這裡生產從傳感器芯片到最終產品的所有業務,如今已發展成為我們公司的領先業務。

 

2. 豐富的產品陣容

 

 

 
 
Pressure sensor products
我們擁有模塊型,內置放大器型,通過施加特定的壓力值來打開和關閉壓敏元件的觸點的壓力開關,以及帶顯示的壓力計等,多種不同形式的壓力傳感器產品。傳感器元件的種類有,半導體壓電阻抗擴散式Si-MEMS方式和壓電薄膜(SUS)方式。其中Si-MEMS方式有,用於非腐蝕性氣體的單晶矽膜片和通過在接液部分設置SUS隔膜構成矽雙隔膜(矽油封裝隔離)和,可用於液體等腐蝕性介質裡的兩種。我們根據用途和環境適當使用傳感器元件,並將其開發成各種最終產品。
方 法Si-MEMS (單晶矽薄膜)Si-MEMS (雙薄膜)金屬薄膜 (SUS薄膜)
構 造
單晶矽元件通過玻璃中包含的Na離子通過陽極鍵合而鍵合到玻璃基座上。元件直接接收介質。 SUS隔膜通過激光焊接與外殼連接,壓力通過矽油傳送到矽元件裡。 通過使絕緣膜穿過SUS薄膜片,氣相沉積形成壓電薄膜。
介 質 無腐蝕性氣體 不腐蝕接液部材的氣體/液體 不腐蝕接液部材的氣體/液體
特 徵
  • 通過使用絕緣膜穿過金屬膜片,氣相沉積形成壓電薄膜
  • 特性隨溫度而變化,但在一定溫度下再現性高
  • 壓力高/輸出大,高精度 (在額定100 kPa裡,約100 mV)
  • 無機械運動部件,使用壽命長
  • 大批量生產和低成本製造可能
  • 適用於真空, 高溫和低溫
  • 溫度引起的特性變化很小
  • 通過單一型號的批量生產可以實現低成本製造
  • 電解拋光對應

壓力傳感器各種陣容系列

壓力传感器模塊

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

內置放大器
壓力傳感器

PA-20, PA-100, PA-500 P-7100, PA-750/758, PA-800, PA-830/838, PA-838-D, PA-850/858, PA-860/868
高真空對應: PA-920S/928S
高溫對應(~150°C): PA-930/930-A
高壓/低·高溫對應(-40~125°C):
PA-970S/971S/972S/973S/978S
壓力開關 PS20, PS30, PS40, PS6, PS60 PS8, PS83, PS85, PS86 高真空對應: PS91
高壓/低·高溫對應(-40~125°C): PS97
壓力顯示計
便攜式數字壓力計
PG-30, PG-200,PG-100N PG-35, PG-75, PG-208, PG-100B 高真空對應: PG-20, PG-35L
高壓對應: PG-35H
※此外,還標準陣容 PZ-30 和 PZ-200 兩個系列的壓力指示器。

近年來,我們還積極推出帶有比例輸出的內置小型放大器的類型和使用薄膜元件的高真空・高壓・高溫對應的新產品等,正在擴大我們的業務領域。

 
  • 第 3 章
  • 我們壓力傳感器的優勢
 

 

 
 

1.一站式業務架構

 

 

 
 

我們充分利用半導體技術從傳感器元件內部製造,並通過安裝,溫度補償,電子電路附加和外殼等工藝進一步開發和製造壓力傳感器最終產品。


  • 矽片 ⇒ 傳感器元件

  • 壓力傳感器模塊

  • 內置放大器的各種壓力傳感器

對應多品種・小批量的生產為基礎,從開發設計到傳感器元件製造工程,產品組裝工程/校準,全部在各部門的綜合品質管理下進行是我們最大的特點。並且可以詳細對應特殊規格和各種客戶需求的這種業務結構正是我們的強項。

 

2. 定制產品個別對應

 

 

 
 
― 個別對應方針 ―
在壓力傳感器業務中,我們在加強上述標準產品陣容的同時,以客戶至上為座右銘,根據市場和客戶的個別需求,積極支持定制對應和共同開發。

對於個別對應的敝司方針為如下:

  1. 如果可以應用我們現有的產品/技術,並考慮到商業可行性判斷可以商業化的話,我們將積極對應。
  2. 即使我們擁有的技術在依賴時稀缺,但如果判斷共同開發是可能的,也會積極考慮。
  3. 我們還將按行業收集信息,並主動提出客戶需要的產品和服務。

我們的壓力傳感器供應系列總數為92機種,按型號數為1,992種。其中,個別對應,即所謂的特殊產品,按貨幣計算佔總數的近80%。結果表明,我們已經能夠響應市場和客戶的個別要求提供了許多產品和服務。下面,我們將介紹一些特殊產品的具體例子。

 

個別對應實例

1. 電解拋光+無油處理+清潔包裝
電解拋光/無油處理/清潔包裝,通常是半導體製造設備中的在線管道應用種必不可少的。首先,在「電解拋光」中通過化學拋光提高平整度,使受壓部分不殘留雜質。此外,「無油處理」通過清潔受壓部分的有機物來防止污染。同樣,「清潔包裝」可防止來自外部的污染,並保證壓力傳感器產品在客戶使用之前的清潔狀態。
 
2. PA-75系列: 電纜連接器對應 /電纜本體直出
  • 標準型號
  • ①電纜連接器規格
  • ②電纜本體直出規格

PA-750/758 系列的標準產品使用連接器類型,以便主體和電纜可以連接和拆卸,電纜尖端有引線。還有根據市場/客戶的需求,具有(1)指定連接器的安裝和(2)從主體直接電纜輸出的兩個實績。

 
3. PS20: 特殊接頭規格

  • 標準型號

  • 特殊接頭規格

PS20系列的標準產品是M5公螺紋和M5母螺紋,但我們根據市場需求提出了對應特殊接頭的方案,這些接頭可以在延長模塊尖端並製作M5孔後用安裝螺釘固定。

 
4. 其他 案例
a. 规格/性能变更
壓力範圍 對應標準系列以外的範圍,變更基準壓力單位 (PSI單位等)
性能變更 高精確度 (輸出校準誤差,溫度特性改善,耐壓改善等)
輸出變更 模擬輸出值變更, I2C/SPI對應 等
電源電壓變更 變更為所需的電源電壓裡
環境溫度變更 變更為符合所需環境溫度的規格
清潔對應 電解拋光, 清洗, 清潔包裝 等
調零 添加調零功能
b. 外觀/形狀變更
接頭規格變更 形狀, 尺寸,材料 等
電纜變更 長度, 引線直徑, 連接器加工, 端子加工, 標記 等
對應OEM 銘版, 面板印刷, 錶殼換色 等
c. 其他
定制開發 電路板製造, 外殼製造, 高速響應 等
 

最終,我們將考慮業務可行性等做出適當的決定。請參考上述內容,隨時通過以下按鈕與我們聯繫以獲取定制產品對應和共同開發的要求。

 
 
  •  第 4 章
  • 壓力傳感器 常見問題 FAQ
 
 

 

 
 
1. 產品關係
1. 關於電纜規格(電纜芯線直徑等)
Q. 要連接器連接到電纜裡,請告訴電纜規格是什麼? Answer
2. 適用介質中的非腐蝕性氣體範圍围
Q. P-2000和P-3000S的適用介質是非腐蝕性氣體,是否可以使用含有水蒸氣的空氣?如果無法使用,請推薦可用的型號? Answer
3. 处處理噪音(屏蔽處理)
Q. 正在使用壓力傳感器 (with Amp.),但是因為受到噪音的影響輸出變動。該設備安裝側是絕緣的,接收側的屏蔽線未連接時使用。是否有良好的對策? Answer
4. 壓力開關的開關設定方法(例如:PS91系列)
Q. 正在嘗試使用壓力開關PS91的KF25法蘭來檢測真空爐的大氣壓。不知道如何選擇N1和N2,當從真空恢復到大氣壓時ON,從大氣壓到真空是在-80kPa裡ON。請告訴如何選擇和設置開關量輸出。 Answer
5. PCB安裝類型的推薦焊接條件
Q. 將P-2000焊接到印刷電路板上,是否有任何推薦的焊接條件? Answer
6. 用於連接軟管和M5內螺紋的推薦接頭
Q. 想使用壓力傳感器的M5內螺絲連接到軟管上,有推薦的附件嗎? Answer
7. 用于快速接头连接的推荐软管
Q. 請告訴我連接到快速接頭的推薦軟管。 Answer
8. 錐形螺釘的推薦緊固扭矩
Q. 請告訴我錐形的推薦緊固扭矩。 Answer
9. 端口方向對輸出的影響
Q. 使用雙重隔膜的壓力傳感器。端口朝下和橫向是輸出會發生變化,是故障嗎? Answer
10. 接通電源後的穩定性(建議預熱)
Q. 在共通注意事項上指出,打開設備電源後其預熱約10分鐘可以獲得更準確的測量,但在這10分鐘內輸出電壓 [V] 會發生多大變化?另外,輸出電壓是否線性變化。 Answer
11. 適用於高真空領域的產品(注意壓力下限值)
Q. 在真空室中,PA-850-102A-NR2用於監視內部壓力。在這個過程中,絕對壓力將壓力減到0kPa附近,但是,目錄中的真空使用下限值是1.3kPa abs.。為什麼不能使用呢?另外,如果有可以使用的壓力傳感器,請介紹。 Answer
12. 關於介質的使用溫度範圍
Q. 請告訴壓力表PG-35中可以使用的溫度範圍嗎?雖然現在使用的是常溫的水,但是今後想使用加熱過的水,所以想知道液體溫度的範圍。 Answer
13. 綜合精度(室溫/非室溫下的差異)
Q. 為什麼手持式壓力液晶顯示計PG-100B的綜合精度有±0.5%F.S.±2digits 和±1.0%F.S.±2digits 這兩個因素?另外,請告訴我±2digits的意思。 Answer
14. 額定壓力/最大壓力/破裂壓力的定義
Q. 請告訴我目錄中“額定壓力範圍”和“最大壓力”的含義。另外,如果超過“破裂壓力”,傳感器會損壞嗎? Answer
15. PG-100用鋰電池的購買方法
Q. 手持式壓力液晶顯示計PG-100的更換用電池明確記載為鋰電池DC3.6V,最初附帶的是東芝的ER6VM/3.6型號。東芝的主頁上沒有登載該產品,登載了ER6V P3.6。這邊也可以使用嗎? Answer
16. 符合UL991的產品陣容
Q. 正在考慮一種用於半導體製造設備的壓力傳感器,有適合UL991的嗎? Answer
17. 如何處理壓力表產品的 "E2 error”
Q. 使用壓力計PG-75時,可能是長時間切斷電源,啟動時進行了零調整,顯示“E2錯誤”。請告訴我處理方法。 Answer
18. 未規定的驅動電源使用帶來的影響
Q. P-3000S的標準規格是恆定電流1.5mA驅動,請告訴我恆定電壓5V驅動時的問題。另外,將恆定電流驅動時的電流設為1mA時,線性和溫度特性的精度如何? Answer
19. ZERO點產生誤差時的應對方法
Q. 使用手持式壓力液晶顯示計PG-100,打開電源後顯示為“-0.3”。通常認為是“00.0”,是故障嗎? Answer
20. 手持式壓力液晶顯示計電池更換時期
Q. 如果手持式壓力液晶顯示計電池量不足,壓力表顯示會減少嗎? 請讓我知道是否有確認方法可以作為更換指南。 Answer
21. 關於傳感方法及傳感器材料
Q. 壓力表PG-35用於我們的真空裝置的大氣壓檢測裡。現在,裝置裡檢討的最終用戶的設備規格有「大氣壓傳感器使用半導體式傳感器,隔膜的材質用不銹鋼」的指定,本公司的PG-35對應嗎? Answer
22. 含有機溶劑介質的壓力計選擇
Q. 正在使用手持壓力計PG-100、是否可以將其用於含有稀有機溶劑的流體中? Answer
23. 在海拔較高的地方使用/指示方式的種類
Q. 考慮在高度1000m的土地上使用壓力開關PS6-12G-NAR。可以使用嗎? Answer
24. 停產信息
Q. 請告訴本公司壓力傳感器產品的停產信息。 Answer
25. 關於壓力顯示計 PG-30/PG-35操作面板設定模式
Q. 購買的壓力顯示計PG-35,認為透過面板可以操作設定各種模式。因此查看使用說明書嘗試進行操作,但是設定不好搞定。有沒有初學者也都可以理解的解說資料呢? Answer
2. 關於資料·各種證書關係
26. 適用性證明書的取得方法
Q. 為了將現貨單獨出口到海外,需要出口管制適用性證明供海關查驗。請告訴取得方法。 Answer
27. 獲取CAD數據的方法
Q. 可以得到產品的2D/3D CAD數據嗎? Answer
28. 如何獲取CE符合性聲明
Q. 請告訴壓力傳感器CE符合宣言書的獲得方法。 Answer
29. ISO9001/14001 認證書的取得方法
Q. 公司已獲得ISO9001/14001,可以得到認證書嗎? Answer
30. 想知道故障率
Q. 想知道壓力傳感器的故障率 Answer
31. RoHS合規狀態,證書獲取方法
Q. 產品是否符合RoHS指令(EU)2015/863?可以拿到RoHS證書嗎? Answer
32. UL認證書的獲得方法
Q. 為了迎接本公司產品的安全審查,可以拿到產品的UL認證書嗎? Answer
3. 關於維修、校正相關問題
33. 校正對應機種/發行校正證明等文件
Q. 正在使用液壓手持壓力計PG-100B,可以校正嗎? Answer
34. 故調查故障原因及维修可能性
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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