Интегрални сензори за температура, налягане, влажност и газове

Развитието на съвременните технически средства е все по-тясно свързано с ползването на сензори за контрол на начина им на функциониране и подобряване на параметрите. Съществуващите отдавна сензори като самостоятелни блокове продължават да са широко разпространени, но непрекъснато нараства относителният дял на интегралните сензори с вградена електроника за обработка на събираните данни и предаването им чрез програмни средства и протоколи. Микроелектронните сензори периодично намират място в списание Инженеринг ревю: “Интегрални схеми за безжични сензори” в бр. 4/2014 г., “Новости в областта на интегралните сензори” в бр. 2/2016 г. и “Сензори за движение и положение в електрониката” в бр. 5/2018 г. Настоящата статия отразява новостите при сензорите за температура и налягане с пазарно представяне след 01.04.2016 г., както и при сензорите за влажност и газове от началото на 2014 г. Дадени са и сведения за добиващите нарастваща популярност комбинирани сензори за две и повече величини.

Сензори за температура

При ползването на интегралните сензори за температура (Temperature Sensor) не трябва да се забравя, че постигането на желани параметри на устройствата нерядко може да се осъществи и чрез по-прости дискретни прибори, чието приложение не трябва да се пренебрегва за сметка на интегралните сензори. От последните преобладаващо се използват цифровите, които превръщат температурата в двоично число с 9 до 24 разреда (колона 2 на табл. 1). То е с фиксирана разредност, която в някои модели може да се програмира (сензорите на редове 4 и 9). За някои приложения без изисквания за висока точност на измерване (например в автомобили и регистриране на температура, преминаваща определена граница) продължават да се ползват аналогови сензори (ред 12).

Същност. Опростената структура на цифров сензор за температура е на фиг. 1а. Биполярният транзистор Т създава постоянно напрежение с нелинейна зависимост от температурата, но на изхода на блока за калибровка Cal тя вече е линейна. Аналогово-цифровият преобразувател ADC извършва до 10 преобразувания в секунда (в зависимост от модела на сензора), всяко за време Т (фиг. 1б). Самото преобразуване Conv е от t1 до t2 и през значително по-голямото време t2-t3 (Standby) консумацията на сензора е стотина пъти по-малка. Полученото двоично число на изхода на АЦП чрез блока Logic се прехвърля на регистрите Reg, чийто брой и предназначение също са в зависимост от сензора. Блокът Interface формира числото най-често в съответствие с интерфейс I2C и по-рядко с SPI или SMBus и съответно го изпраща в последователен код чрез изхода Out. Също част от сензорите съдържат и EEPROM (блок Mem) с обем до няколко kb и/или блок Alert, на чийто изход се получава съответното логическо ниво при температура над определена стойност.

Основни параметри. В температурния обхват (Temperature Range) TR на сензорите е гарантирана точността (Accuracy, Temperature Accuracy), като той може да е равен или по-тесен от работния температурен обхват (Operating Temperature) на самата интегрална схема (ИС). Освен това някои сензори имат по-голяма точност в средната част на TR в сравнение с двата му края, а в други той е разделен на няколко подобхвата всеки с различна точност – така например този на ред 6 в табл. 1 е с три, а с 5 подобхвата е даденият на ред 13.

Цифровите сензори имат два специфични параметъра, свързани с измерването на температурата, първият от които е разрешаващата способност по температура (Temperature Resolution) Res, показваща каква промяна на температурата съответства на 1b от изходното число. Времето на преобразуване (Conversion Time) CT е от смяната на температурата до установяване съответстващото й число на изхода на сензора. Към него в някои сензори е прибавена скоростта на преобразуване (Conversion Rate), показваща броя на преобразуванията за 1s. Например даденият на ред 1 има скорости 0,25, 1, 4 и 8 conv/s, задавани външно чрез 2b число. В аналоговите сензори постоянното изходно напрежение е линейна функция на температурата и вместо RES и СТ като параметър се ползва усилването (Sensor Gain) SG, представляващо промяната на напрежението при изменение на температурата с 1°С. То е с отрицателен знак при промяна на двете величини в противоположни посоки.

Сред електрическите параметри са захранващото напрежение VСС (или V+) и консумираният ток, който зависи от режима на работа – в табл. 1 с IQ е означен този в процес на преобразуване (Continuous Conversion Time) и ISD е на неработещ сензор (Shutdown Current). Освен тези два тока често се дават и други в различни режими на работа, например за различен брой преобразувания в секунда.

Съвременни модели. Размерите на техните корпуси непрекъснато намаляват заедно с постояннотоковата им консумация, примери за което са дадените в табл. 1. Тези и някои други особености правят интегралните сензори подходящи за преносими прибори (таблети, смартфони, фотоапарати, и др.), за вграждане в медицински уреди (например за измерване на телесната температура), контрол на хладилни системи в индустрията и бита, автоматизирани индустриални машини (№1 и №8 в табл. 1). Съществуват специализирани сензори с разширен обхват на измерваните температури за работа в автомобили и дронове и за осигуряване на контрол и защити (№2 и №11). Малките стойности на СТ в част от моделите (№6) са предпоставка за бързо и съответно с повишена точност измерване на температурата. Не са за пренебрегване и възможностите на сензори, позволяващи свързване с еднопроводна линия. Сериозно е мястото им в комуникационни прибори, компютри и сървъри – номера 1, 4, 9 и 10 в табл. 1. Нараства броят на сензорите без корпуси (номера 2 и 4), като често даден модел се предлага и в класически корпуси (№3).

Добре познатото от други области разширение на възможностите на една ИС чрез прибавяне в структурата й на EEPROM не отминава и сензорите за температура макар и в сравнително ограничен мащаб. Предназначението на паметите е програмиране на някои функции и параметри на сензора, като в табл. 1 това са дадените с номера 6 и 13. Споменатият блок Alarm също осигурява ефективно разширяване на приложенията и неговият изход Alert се свързва към управляващия блок на устройството, което обикновено то се изключва при достигане на определена температура и включва при друга - характерни примери са отоплителните и хладилните системи, а в табл. 1 такива сензори са дадените с номера 1, 2 и 8. Все по-популярна става разновидността със задаване от ползващия устройството на двата прага, каквито са сензорите с номера 4-6, 10 и 13. За системи с няколко сензора, събиране на данните и общо управление са сензорите с възможност за адресиране обикновено чрез 1-битово до 3-битово число – приборите с номера 1, 4-8 и 13 в табл. 1.

Дискретни сензори. Известните отдавна и все още най-масово използвани термистори имат и различни специфични приложения особено в автомобилите. Например ERTSW06D202 на Panasonic е за измерване температурата на охладителната течност с обхват -30ё+120°С, а ERTSW04D222 е за температурата на маслото с обхват -30ё+200°С. С автомобилно и индустриално приложение е NTGALU03A/LUG39A Mini Lug Series на Vishay BCcomponents с температурен обхват -40ё+125°С.

Предназначени за работа до значително по-високи температури са сензорите на основата на тънкослоен платинов слой (Platinum thin film thermal sensor) върху керамична подложка. Такъв е SDT310HCTP на KOA Speer Electronics с линейна зависимост на съпротивлението му от температурата, обхват -55ё+400°С и размери 1,2x3x1,1 mm. За безконтактно измерване на температура се ползват инфрачервени сензори с термодвойка (Infrared thermopile sensor) какъвто е TSD305 на TE Connectivity с обхват 0ё+300°С, изход I2C и размери Ж8,2x8,45 mm.

Сензорни модули. Размерите им продължават да намаляват и през последните години се появиха прибори, подходящи за преносими устройства. Такъв е MLX90640 на Melexis, като основното му предимство спрямо интегралното изпълнение е възможността за безконтактно измерване на температури до 300°С, извършвано чрез излъчените от нагрятото тяло инфрачервени лъчи. Това позволява измерване на температурата на движещи се обекти и регистриране на появата им (Presence Detection). Модулът е цифров, а размерите му Ж9,3x5,7 mm позволяват да включва EEPROM и оперативна памет. Специфичен параметър е максималният ъгъл от 110°x75° спрямо перпендикуляра към повърхността на сензора, който регистрираният обект може да сключва. При ползването му трябва да се има предвид постояннотоковата консумация от 23 mA и при нужда да се вземат мерки за намаляването й чрез краткотрайни включвания през определени интервали от време.

Сензори за налягане

Основната мерна единица за налягане (Pressure) е N/m2, наричана паскал (Pascal) Pa. Освен нея в част от моделите се използва bar, равен на 105Pa и по-рядко pound per square inch (psi) като 1psi=6895Pa. В статията е запазена ползваната в съответния каталог мерна единица.

В зависимост от вида на изходната величина съществуват аналогови (Analog Pressure Sensor) и цифрови (Digital Pressure Sensor) сензори за налягане с приблизително еднакъв относителен дял и тип, отбелязан в колона 2 на табл. 2, като за цифровите е дадена разредността на изходното им число. Преобразуването на налягането в постоянно напрежение и в двата вида става чрез мостова схема от пиезорезистори и рядко чрез капацитивен MEMS преобразувател (ред 5).

Основни видове. Те са в зависимост от предназначението, като най-голяма е групата на сензорите за абсолютно налягане (Absolute Pressure Sensor), като в зависимост от стойността му те се разделят на 3 подгрупи. В сензорите за ниско налягане (Low Pressure Sensor) то е обикновено няколко kPa, а характерните им приложения са в уреди за контрол на въздуха в жилищни и производствени помещения (HVAC systems). Такъв е сензорът на ред 3 в табл. 2. Сензорите за средно налягане (Mid Pressure Sensor) са за максимална негова стойност около 100 kPa и имат приложения в индустрията (помпи, роботика), автомобилите (контрол на налягането на горивото и маслото), медицински уреди (например за измерване на кръвно налягане). Такива са дадените на редове 4, 6 и 9 в табл. 2. Третата група са сензорите за високо налягане, но терминът High Pressure Sensor не винаги присъства в каталожната им информация. Те са за максимално налягане над 100 kPa, каквито са дадените на редове 7 и 8 в таблицата.

Сравнително малък е относителният дял на сензорите за барометрично налягане (Barometric Pressure Sensor), не защото се използват малко (от дадения на ред 2 в табл. 2 са произведени над 1 милиард броя), а защото производителите го определят като такъв. По своята същност това са сензори за високо налягане, но някои особености, главно конструктивни, определят наименованието им и препоръчваните приложения. От последните характерни са тези в преносими прибори, дронове и за подобряване на прецизността на GPS устройства.

Значително повече са сензорите предназначени едновременно за барометри и висотомери (Altimeter). Това са дадените на редове 1 и 5 в табл. 2, които освен споменатите приложения на барометрите се ползват в медицински прибори, метеорологични станции, уреди за спорт, фитнес и развлечения, както и в някои компютърни периферни устройства.

Същност. Идея за структурата на сензорите за налягане е дадена на фиг.2. В аналоговите модели напрежението от моста Bridge се усилва и коригира от изходното стъпало Output stage за получаване на достатъчна негова стойност и линейна зависимост от налягането. Съществуват и аналогови сензори с преобразуване на напрежението от моста в число, обработката му чрез микроконтролер и обратно преобразуване в напрежение (ред 4 на табл. 2). Същността на цифровите сензори e изяснена на фиг. 2б. Напрежението от моста се усилва и подава на ADC, като в част от моделите чрез измервателен блок Test и изхода Tout се осигурява контролирането му. Логическият блок Logic е за необходимата обработка на данните и чрез Interface те се получават с последователен код на Out. Ползваната в част от сензорите памет Mem запазва съдържанието и след изключване на захранването.

Основни параметри. Към налягането с означение Р в табл. 2 се прибавя максимално допустимото и безопасно за сензора (Overpressure) Pmax. Грешката при измерване на налягането се оценява чрез максималната й стойност с наименование абсолютна точност (Absolute Accuracy) АА и чрез типичната й, наричана относителна точност (Relative Accuracy) RA. Разрешаващата способност (Resolution) Res представлява най-малкото измервано налягане, като вместо нея в някои сензори се използва чувствителността (Pressure Sensitivity) Psens, която е промяната на изходното напрежение с 1 kPa при аналоговите сензори и броя на разредите при цифровите за определено изменение на Р. Освен това за част от моделите се отбелязва в каква газова среда могат да се използват - например даденият на ред 3 в табл. 2 е за чисти, сухи и непредизвикващи корозия газове. Подобно на сензорите за температура и тук изходните данни обикновено се оформят в съответствие с един или повече интерфейси, като в колона 3 на табл. 2 е дадена и тяхната тактова честота (Clock Frequency) fcl. Параметрите VCC, IQ и ISB са както при сензорите за температура, като последният е по време на интервала Standby на фиг.1б. Времето на задействане (Start-up Time) tst е от подаването на VCC до осигуряване работата на интерфейса.

Сензори за влажност

Този тип сензори са по-малко в сравнение с предните два вида, тъй като измерването на влажността се налага по-рядко от температурата и налягането. При това измерването обикновено се съчетава с регистрирането на други физични величини чрез комбинирани сензори, което е причина за малкото количество сензори само за влажност, практически само аналогови.

Характерни приложения на сензорите са в климатични, сушилни и хладилни системи в индустрията и бита, в медицински и битови прибори, метрологични и метеорологични уреди, автомобили.

Същност. Основната част на съвременните сензори за влажност са капацитивни (Variable Capacitance Humidity Sensor), и представляват кондензатор с тънък филм от полимер като диелектрик, променящ капацитета си с няколко десетки pF при относителна влажност (Relative Humidity) RH на околния въздух от 0 до 100%. Тези промени се обработват от електронните блокове на сензора, за да се получи изходно напрежение Vout с достатъчно голяма стойност, която може да бъде измерена с обикновен мултицет. Идея за структурата може да се добие от опростената блокова схема на фиг. 3, която е на сензора от ред 4 в табл. 3.

Капацитетът Cap променя честотата на осцилатора Osc, а блокът за обработка Proc я сравнява с тази на опорния осцилатор RefOsc. Тъй като капацитетът е нелинейна функция на RH, една от задачите на Proc e осигуряване на линейна зависимост на Vout от RH. Такива са сензорите на редове 1, 3 и 4 в табл. 3.
Също с полимер, но между електроди с друга форма са резистивните сензори за влажност (Variable Resistance Humidity Sensor), чието наименование изяснява принципа им на действие - промяна на съпротивлението на полимера в зависимост от RH. Такъв е сензорът на ред 2 в табл. 3, сравнението на чиито параметри с тези на останалите обяснява по-малкото разпространение на резистивните сензори.

Основни параметри. Освен RH това са грешката (Accuracy) Acc при измерването й и стабилността Stab на RH във времето. Напрежението VCC и токът IQ са както при другите сензори, а tst (Setting Time, Time Constant) е времето за установяване на Vout след промяна на RH.

Сензори за газ

Този тип (Gas Sensor) са предназначени за измерване на процентното съдържание във въздуха на различни видове газове, а не за определяне на количеството преминаващ газ, каквито са сензорите за поток (Flow Sensor). Освен самостоятелно, сензорите се ползват и като част от комбинирани сензори.

Основни параметри. Обхватът (Measurement Range) показва границите с мерни единици ppm или ppb на относителното съдържание на газа във въздуха, при които се гарантират останалите параметри. Грешката Асс на измерване може да не е една и съща за целия обхват, зависи от температурата и налягането на въздуха и това е отразено в документацията на сензора. Същността на стабилността Stab не се различава от тази на сензорите за влажност, което се отнася и за VСС, IQ и Isleep.

Времето tst (Response Time) е от подаване на газа на входа на сензора до установяване на съответстващото показание. При ползване на сензорите трябва да се има предвид и необходимото време (Warm Up Time) от подаване на VCC на сензора до готовността му за нормално функциониране. Трябва да се има предвид, че резултатите от измерванията могат да зависят от налягането на газа и че са валидни в определени негови граници. Тези сведения се дават в техническата документация на сензора.

Сензори за качество на въздуха (Indoor Air Quality Monitoring). Предназначени са за затворени помещения и особено такива с присъствието продължително време на много хора като офиси, театрални, учебни и други зали. Измерват общото съдържание на летливи органични съединения (Total Volatile Organic Compound) TVOC във въздуха или еквивалентното съдържание на въглероден диоксид (еСО2), които могат да причинят краткотрайни или дълготрайни увреждания на здравето. Когато трябва да се контролира въздухът в много помещения, резултатите от сензора във всяко се изпращат в център за събиране и обработка, което налага да имат адреси. Примери за сензори от този тип са дадени на редове 2 и 3 в табл. 4.

Сензори за един газ. Обикновено химичната формула на газа е част от наименованието им. Освен за контрол на качеството на въздуха в затворени помещения сензорите се използват в индустриални цехове и мини за предпазване здравето на работещите. Примери са дадени на редове 1 и 5 в табл. 4, като колона 2 съдържа вида на измервания газ, а този на ред 5 позволява работа на сензора в експлозивна атмосфера. Той е с 3 обхвата за процента на газа във въздуха и даването на Асс в проценти означава точността като част от измерваната величина.

Сензори за множество газове. Те също се ползват за измерване в затворени помещения, като типични прибори са показани на редове 4 и 6 в табл. 4.

Комбинирани сензори

Обикновено измерват 2 до 4 величини и рядко повече (например сензорът на ред 6 в табл. 5 измерва още интензитет на светлината и ускорение), а някои съдържат и памет. Няколкото измервани величини обуславят допълнителни приложения към тези на сензорите за една като домакински уреди, портативни прибори за контрол на здравето и за фитнес, метеорологични станции, навигационни системи, дронове, управление на климатизацията в помещения и автомобили. Независимо от увеличената сложност на сензорите размерите им обикновено не са по-големи от тези на приборите за една величина, а постояннотоковата консумация е в граници, които позволяват запазването на възможностите за вграждане в преносими устройства с батерийно захранване. При използването им трябва да се има предвид, че IQ може да е в твърде широки граници в зависимост от измерваната величина. За предпазване от вода и прах съществуват сензори като дадения на ред 12 в табл. 5 с предпазна мембрана.