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讓壓力感測不再受限天時與地利
業界首款防水壓力感測器

【作者: 籃貫銘】   2023年09月25日 星期一

瀏覽人次:【1026】

分類/型態:元件


物主/業主:意法半導體


物品編號:ILPS28QSW


發表日期:2023.01



圖一 : 意法半導體「防水壓力感測器-ILPS28QSW」
圖一 : 意法半導體「防水壓力感測器-ILPS28QSW」

本次要介紹的產品,也是一款十分特別的產品,它是目前業界首款防水的壓力感測器、它就是意法半導體(ST)產品型號為「ILPS28QSW」的MEMS防水/防液絕對壓力感測器。


先從基本原理談起,什麼是壓力感測器?


顧名思義,壓力感測器就是將氣體或液體等流體的壓力,轉換為電子數位訊號的元件。以類型大致分為三種:表壓-以大氣壓力為基準的壓力、絕壓-以絕對真空為基準的壓力、差壓-相對於某一任意基準的壓力。


那壓力感測器之所以能量測到壓力,很重要的就是用到了「壓阻效應」,它的原理是感測膜片受到壓力而變形,因而產生電阻變化,其後的感測晶片再將之轉換為電子訊號,從而判定壓力的數值。


至於ST的「ILPS28QSW」MEMS防水壓力感測器,則是採用矽薄膜的半導體微機電製程(Si-MEMS),整合了薄膜結構和壓阻感測IC。它透過一個低雜訊放大器,轉換電阻變化值,並使用類比數位轉換器,將MEMS感測器(壓力和溫度)轉換為類比電壓。壓力和溫度資料可以透過 I2C、MIPI I3CSM介面,直接與微控制器連接。



圖二 : ILPS28QSW壓力感測器的結構示意說明圖。(source:ST)
圖二 : ILPS28QSW壓力感測器的結構示意說明圖。(source:ST)

再進一步看這個感測器的結構。首先,整個感測器的外蓋是採用高階手術用鋼材質,所以能提供很強悍的抗環境能力;再者,它使用圓柱形的表面黏著封裝,非常符合流體環境需求。而為了達成防水的性能,此元件採用了車用的封膠和防滲透的陶瓷基板,並搭配O形密封和環氧樹脂黏著劑固定。


至於內部晶片的部分,MEMS感測元件則是堆疊於上方,其下是一個ASIC晶片,具備類比前端、ADC類比數位轉換、數位邏輯與IO介面的控制。


也因為妥善的封裝設計,因此「ILPS28QSW」MEMS防水壓力感測器具有IP58的防水等級,可在水下1公尺運行,同時也達成IEC 60529和ISO 20653的規範。另外也有10Bar過壓的性能。


這是進一步的電路區塊示意圖,前面是MEMS感測元件,後面就接MUX(multiplexer),訊號輸入包含了溫度感測和Qvar(ST獨有的靜電荷感測通道,配合壓力訊號可以監測液位),接著就是類比前端、ADC、數位邏輯,然後是IO輸出,這邊支援的介面就是I2C和MIPI I3CSM


接著也看看此元件具體的產品規格。包含它是一顆採用防水封裝的絕對壓力感知器,具有兩個模式(模式1:260 ~ 1260 hPa(百帕);模式2:260 ~ 4060 hPa)。另也內建了類比Hub:處理類比數據輸入、以及ST的Qvar技術,可偵測電荷變化。


此感應器的電流消耗低於1.7μA、絕對壓力精度為0.5 hPa、低電壓感測雜訊為0.32 Pa,並具有溫度補償、擴展溫度範圍為-40 至 +105 °C。採用24位壓力資料輸出,ODR從1 Hz到200 Hz,數位輸出為I2C或MIPI I3CSM介面。此外,也內建FIFO記憶體(先進先出),電源電壓為1.7至3.6 V,並符合ECOPACK無鉛標準。


至於應用的部分則十分廣泛,包含工業應用、瓦斯和水表、氣象站設備、戶外高度計和氣壓計、智慧型過濾器、呼吸器及CPAP設備和倒地檢測。


CTIMES 五項評比人文科技指標:★★★★

名稱:意法半導體「防水壓力感測器-ILPS28QSW」


評比:


1.創新指標:5


2.精進品質:4


3.環保意識:4


4.人文關懷:3


5.服務評價:4


編輯評語

壓力感測器是一個相當成熟且運用廣泛的元件,但ST為它帶來了全新的應用風貌。且其所用的方式也不是極端特別的技術突破,而是更佳的使用考量、更妥善的製程設計,以及更全面的電子電路思考,而這三點,就足以讓壓力感測器脫胎換骨,前進到完全不同的運用場景,更重要的,是同時也讓開發者有了創新的機會,用戶有更好的體驗。


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