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Mike Powers, Product Marketing Director für Gems Sensors und Controls, schaut auf Entwicklungen in der Druckwandler-Technologie

Wandler

Druckwandler werden häufig in Prozess- und Industrieanwendungen eingesetzt, wo sie oft aggressiven Betriebsbedingungen standhalten müssen, die von hydraulischen Hochdruckspitzen bis zu extremen Temperaturen, mechanischen Erschütterungen und Vibrationen reichen. In jedem Fall müssen die Aufnehmer zuverlässig, konsistent und genau arbeiten, ohne Wartung oder Nachkalibrierung. In der Tat wird von modernen Wandlern erwartet, dass sie wirklich "fit and forget" -Instrumente sind.

In jedem Wandler befindet sich jedoch normalerweise ein äußerst empfindlicher Drucksensormechanismus, der mit einem ausgeklügelten Elektronikpaket kombiniert wird. Zusammen können sie eine Genauigkeit bieten, die besser ist als 0.25% der vollen Skalenleistung, mit einer Zeitabweichung von nahezu Null, jedoch mit einer Reaktion auf Druckänderungen von 1msec oder weniger und einer Lebensdauer von mehr als 100 Millionen Zyklen.

Dieses herausragende Leistungsniveau ist nur dank einer Reihe innovativer und sorgfältig kontrollierter Konstruktionsmethoden möglich. Drei davon nutzen die fortschrittliche DMS-Technologie: Zerstäubter Dünnfilm, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und mikrobearbeitetes Silizium (MMS); ein viertes nutzt die Kapazität als ein Verfahren zum Erfassen von Druckänderungen.

Atomar gebunden
Die gesputterte Dünnschichttechnologie wurde vor etwa dreißig Jahren entwickelt und entwickelte sich aus den Herstellungsprozessen der Elektronikbranche zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen. Die Produktionstechnik ist zwar relativ unkompliziert, erfordert jedoch hochentwickelte technische Systeme und sorgfältig kontrollierte Bedingungen, um einen atomar gebundenen DMS-Sensor auf einer Edelstahlmembran zu erzeugen.

Dies wird hergestellt, indem ein Material wie Siliziumdioxid im Vakuum angeordnet wird und dann mit Argonionen beschossen wird. Die anschließend freigesetzten Atome werden in einer Schicht auf einem Edelstahlträger abgeschieden, um die Basisisolationsschicht für den Dehnungsmessstreifen zu bilden. Nach dem gleichen Verfahren wird dieses mit weiteren Schichten eines geeigneten Eichmaterials beschichtet, bevor es mit Photoresisttechniken strukturiert wird. Die unerwünschten Bereiche werden durch Sputter-Ätzen entfernt, um einen dielektrisch isolierten Dehnungsmesser in einer herkömmlichen Wheatstone-Brückenanordnung zu erzeugen, der auf der Rückseite einer Edelstahlmembran montiert ist.

Eine Verschiebung der Membran bewirkt somit, dass sich der Dehnungsmessstreifen entweder unter Druck oder unter Spannung biegt, wobei der elektrische Ausgang direkt proportional zu dem angelegten Druck oder Vakuum ist. Der Ausgang des Sensors ist mit der Bordelektronik verbunden, wobei die gesamte Einheit in einem kompakten und abgedichteten Edelstahlgehäuse untergebracht ist.

Diese Konstruktion ist äußerst robust. Die Membran eignet sich für den direkten Kontakt mit fast allen Flüssigkeiten, Ölen und Gasen. Darüber hinaus sind die Konstruktionsmaterialien sowohl für den Sensormechanismus als auch für den Wandler insgesamt thermisch kompatibel, um nicht wiederholbare Fehler für die Hysterese und die thermische Stabilität zu minimieren und um sicherzustellen, dass die Koeffizienten für den thermischen Nullpunkt und die Empfindlichkeitsverschiebungen über einen weiten Bereich konstant bleiben Temperaturband.

Die Serienproduktion
Obwohl Dünnschicht-Druckwandler außergewöhnliche Leistungen und Langzeitstabilität bieten, bedeuten die mechanischen Komplexitäten der Sensoren der ersten Generation, dass sie in großen Stückzahlen relativ teuer in der Herstellung sein können. Um diesem Bedarf zu begegnen, war der chemische Dampfabscheidungsprozess ursprünglich Pionierarbeit, wobei Halbleiterherstellungsverfahren verwendet wurden, um mehrere Sensoren zu niedrigeren Kosten herzustellen, während viele der Vorteile und Leistungseigenschaften von Dünnfilmvorrichtungen beibehalten wurden.

CVD-Sensoren werden auf Wafern in großen Mengen produziert, unter Verwendung von Polysilizium auf einem rostfreien Stahlsubstrat abgeschieden wird, wobei die Dehnungsmessmuster chemisch gefräst. Der Wafer wird dann unterteilt, um einzelne Sensorbalken, die lasergeschweißt, um eine Edelstahl Summieren Membran und Drucköffnung, bevor sie an der Elektronik zur Signalaufbereitung und-verstärkung verbunden zu produzieren.

Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von Sensoranordnungen in Volumen und zu geringen Stückkosten. Jeder Sensor erzeugt eine hohe elektrische Leistung aus einer kleinen mechanischen Auslenkung, wodurch die Signalverarbeitung vereinfacht wird, und ist inhärent stabil mit einer Genauigkeit von 0.5%. Es bietet auch eine lange Lebensdauer mit hervorragender Beständigkeit gegen Druckstöße und mechanische Schwingungen. Zusätzlich erzeugt die Verwendung von Hochtemperatur-Vakuumlöten des Edelstahls während der Sensorfertigung eine Struktur mit geringer Hysterese und geringem Kriechen sowie hoher Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Kleinere Lösungen
Traditionell wurden die meisten Druckwandler mit einem Außendurchmesser von etwa 25mm hergestellt. Dies ist für viele verfahrenstechnische und industrielle Anwendungen zufriedenstellend. Im Wasser-, Abfall- und Bohrsektor, wo der Trend zu Bohrungen mit kleinerem Durchmesser geht, ist jedoch eine Einheit mit einem kleineren Durchmesser von etwa 19mm erforderlich. Dies ist mit Dünnschicht- und CVD-Herstellungsverfahren schwierig zu erreichen, bei denen die Größe jedes Sensors durch die mechanischen Anforderungen der Membran begrenzt ist.

Im Vergleich dazu werden mikrobearbeitete Siliziumsensoren mit einer ähnlichen Technologie wie bei der Herstellung von integrierten Schaltungen auf Siliziumwafern hergestellt, wobei die Ionenimplantation die Diffusion einer Dehnungsmesserstruktur in das interne Gitter des Siliziums ermöglicht. Dies optimiert die einzigartigen mechanischen und elektronischen Eigenschaften von Silizium, wodurch die Größe von Sensor und Membran proportional reduziert werden kann, ohne Faktoren wie Hysterese, Linearität oder Leistung unter harten Betriebsbedingungen negativ zu beeinflussen. Wie bei der CVD-Technologie ermöglichen die Herstellungsverfahren für MMS-Wandler die Herstellung größerer Volumina bei niedrigeren Stückkosten, obwohl im Gegensatz zu CVD-Geräten, bei denen die Membran in direktem Kontakt mit den Medien steht, MMS-Sensoren im Allgemeinen durch ölgefüllte Isolationsmembranen geschützt werden.

Nieder Anforderungen
In einer Reihe von Anwendungen können die Anforderungen für die Drucküberwachung und Steuerung relativ bescheiden sein, fordern eine kostengünstige, zuverlässige, aber nicht unbedingt sehr angegebene Gerät; oder umgekehrt, ein Gerät, das in der Lage, Messungen bei niedrigen Drücken und auf einem vernünftigen Niveau von Genauigkeit, typisch ± 1% der Vollausschlag.

Dieser Bedarf kann durch die Verwendung von Kapazitätssensoren erfüllt werden, bei denen eine flexible Keramikmembran und eine feste Platte die beiden Kapazitätsflächen bilden. An der Membran anliegender Druck oder Vakuum bewirkt daher eine proportionale Kapazitätsänderung, wobei das Ausgangssignal wiederum direkt der integrierten Elektronik zur nachfolgenden Aufbereitung und Verstärkung zugeführt wird.

Es sei angemerkt, dass, obwohl diese Geräte sind kostengünstig, mit guten Temperatureigenschaften, sie sind auch in der Anwendung begrenzt sein; insbesondere die Sensorkonstruktion verwendet oft die Verwendung von O-Ring-Dichtungen, die anfällig für Lecks sein kann. Große Sorgfalt wurde auch auf mögliche Medienkompatibilitätsprobleme mit den eingesetzten Dichtungen bezahlt werden.

Electronics halten Sie die Taste
Die oben beschriebenen Wandlertechnologien sind seit einiger Zeit verfügbar und haben sich in vielen verschiedenen Anwendungen bewährt. In den letzten Jahren gab es jeweils Entwicklungen in den jeweiligen Fertigungsprozessen, die in Verbindung mit Detailänderungen in Konstruktion und Konstruktionsmaterialien zu einer stetigen Verbesserung in Bereichen wie Leistung, Stabilität und Zuverlässigkeit geführt haben.

Zum Beispiel verwenden die neuesten CVD-Geräte jetzt kleinere Sensorbaugruppen und wurden zur Reduzierung der Gesamtabmessungen entwickelt, um für niedrige Druckbereiche (0-16bar) verwendet zu werden. Umgekehrt wurde die Fähigkeit von Dünnschichtgeräten auf 2,200bar erweitert, während Größe, Gewicht und Herstellungskosten reduziert wurden, um die Anforderungen der Hochdruckhydraulik und Diesel-Rail-Einspritzsysteme zu erfüllen.

Die vielleicht wichtigsten Entwicklungen waren jedoch die elektronischen Gehäuse, die zunehmend mit Druckwandlern versorgt werden. Insbesondere verfügen viele der neuesten Geräte und Dünnschichtwandler über eine fortschrittliche ASIC-Technologie (Application Specific Integrated Circuits, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen), mit der die Leistung und Funktionalität jedes Wandlers an die spezifischen Anforderungen eines Marktes, einer Anwendung oder eines Kunden angepasst werden kann.

Diese Verbesserungen können von umfassenden Genauigkeitsverbesserungen, On-Board-Diagnosen und der Möglichkeit der Datenanalyse mit digitalem Ausgang zu übergeordneten Prozesssteuerungssystemen reichen. Mit der digitalen Verarbeitung können Geräte auch leicht vernetzt und mit einer SPS verbunden werden, um ein diskretes und kostengünstiges Steuerungssystem für Bereiche zu bilden, in denen der Aufwand und die Komplexität einer übergeordneten Technologie unangemessen wäre.

Ebenso für Geräte wie Gems MMS Wandlern, wo sie für die hydrostatische Niveauüberwachung mit Flüssigkeiten mit wechselnden Dichten verwendet wird, ermöglicht die Verwendung von Mikroprozessor-Technologie sowohl Temperatur und Druck überwacht werden und die Ergebnisse mit einem bekannten spezifischen Gewicht verarbeitet, , eine extrem genaue Messwertes, zu produzieren.

Die Verwendung der ASIC-Technologie in Kombination mit Verbesserungen bei der Herstellung von Serienfertigkeiten hat in vielen Fällen die Stückkosten von Wandlern um den Faktor 10 reduziert. Zum Beispiel kann die bisher mit Einheiten, die für £ 300 verkauft wurden, verbundene Leistung jetzt von Geräten erbracht werden, die £ 30 oder weniger kosten. Infolgedessen besteht das Potenzial, dass der Einsatz von Druckwandlern noch weiter verbreitet wird und dass die Technologie eine noch größere Rolle bei der Datenerfassung und Systemsteuerung spielt.

Für weitere Informationen über Gems Sensors kontaktieren Sie bitte:

Gems Sensors und Controls
Basingstoke
Hampshire.

Kann benachrichtigt werden

Tel: + 44 (0) 1256 320244.
E-Mail: [Email protected]
Web: www.gemssensors.com

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