Сравнительный Анализ Конструкций и Характеристик Датчиков.
Введение.

          Для осуществления идеи по разработке устройства, регулирующего уровень минеральной воды в скважине с помощью датчика давления, очевидно, нужно было провести патентный поиск, а также сравнительный анализ конструкций и характеристик датчиков, что и было проделано мною. Полученные и переведенные с английского языка данные представлены в этом разделе. Мною была предпринята попытка анализа и систематизации данных, которые для удобства пользователя сведены в таблицы.

          Датчики семейства Senseon фирмы Motorola включают в себя широчайший набор миниатюрных кремниевых датчиков ускорения, давления, а также химических датчиков. Миниатюрные кремниевые датчики имеют следующие преимущества:

·        Высокая надежность

·        Безукоризненная точность и постоянство всех рабочих характеристик

·        Высокая технологичность


ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
          Датчики давления семейства Senseon выбирают производители медицинского и промышленного оборудования по всему миру. Они долговечны, точны и надежны, и вскоре вы обнаружите их в своей машине, в промышленном и сельскохозяйственном оборудовании, на душных и пыльных конвейерах, в вашем доме и в ближайшем магазине запчастей.
Основное устройство.
          Датчик давления фирмы Motorola разработан с использованием монолитного кремниевого пьезорезистора, который генерирует изменяющееся в зависимости от величины давления напряжение на выходе. Резистивный элемент, который представляет собой датчик напряжений, ионно имплантирован в тонкую кремниевую диафрагму. Малейшее давление на диафрагму приводит к изменению сопротивления датчика напряжений, что в свою очередь изменяет напряжение на выходе пропорционально приложенному давлению. Датчик напряжений является составной частью диафрагмы, благодаря чему устраняются температурные эффекты, возникающие из-за разницы в тепловых расширениях датчика и диафрагмы. Параметры на выходе самого датчика деформаций зависят от температуры, так что при использовании в диапазоне температур, превышающих допустимые значения, требуется компенсация. В узких диапазонах температур, например от 0⁰С до 85⁰С, в этом качестве может быть использована простая резисторная схема. В диапазоне температур от –40⁰С до +125⁰С потребуются расширенные компенсационные схемы.


Действие.
          Датчики абсолютного давления измеряют внешнее давление относительно вакуума (нулевого давления), который запечатывается в эталонную камеру при производстве датчика.
          Датчики дифференциального давления измеряют разницу между давлениями, одновременно приложенными к противоположным сторонам диафрагмы.

          Датчики шаблонного давления, это частный случай датчика дифференциального давления. В качестве одного из давлений, приложенных к диафрагме, берется атмосферное давление.


Система цифровой маркировки датчиков давления.

MPX
Y       #       #       ###   ZZZZ

MPX– Motorola Pressure X-ducer (Запатентованная Моторолой технология измерения давления)

Y- Вариант исполнения:

                    -       Универсальный

                   В       Заднее расположение клапана

                   D       Двойное расположение клапана

                   S       Поверхностной установки

                   Т       Верхнее расположение клапана

#- Устойчивый к внешней среде (9)

#- Семейство:

                    -       Основной элемент

                   2       Компенсированные и калиброванные

                   4,5    С преобразованием сигнала

                   7       С высоким полным сопротивлением

###- Максимальное давление (кПа)

ZZZZ- Тип измерения/ Наличие специализации:

                    А      Абсолютный элемент

                    АР   Абсолютный специализированный

                    AS   Абсолютный специализированный типа печной трубы

                    D      Дифференциальный и шаблонный элемент

                    DP   Дифференциальный, двойной, специализированный

                    GP   Шаблонный специализированный

                    GVP          Шаблонный вакуумный специализированный

                    GS   Шаблонный специализированный типа печной трубы

                    GVS          Шаблонный вакуумный типа печной трубы

                    GSX          Шаблонный вакуумный специализированный,                                             осевой

                    GVSX       Шаблонный вакуумный специализированный типа                                      печной трубы, осевой

                    GVW         Шаблонный вакуумный, водонепроницаемый


Некомпенсированные

Серия	Максимальный уровень давления			Избыточное давление(kПa)	Допустимое отклонение ( mV ) (Обычно)	Полный диапазон (mV) (Обычно)	Чувствитель ность (mV/kПa)	Линейность % от полного диапазона
	Psi		кПа					(Min)		(Max)
MPX10D	1.45		10	75	20	35	3.5	-1.0		1.0
MPX50D	7.3		50	200	20	60	1.2	-0.25		0.25
MPX100D, A	14.5		100	200	20	60	0.6	-0.25		0.25
MPX200D, A	29		200	400	20	60	0.3	-0.25		0.25
MPX700A	100		700	2800	20	60	0.086	-1.0		1.0
MPX700D	100		700	2800	20	60	0.086	-1.0		1.0
MPX906D	0.87		6	100	20	20	3.3	-0.50		2.0

Компенсированные и калиброванные (на чипе)

MPX2010D	1.45	10	75	±1.0	25	2.5	-1.0	1.0
MPX2050D	7.3	50	200	±1.0	40	0.8	-0.25	0.25
MPX2052D	7.3	50	200	±0.1	40	0.8	-0.55	0.25
MPX2100A	14.5	100	400	±2.0	40	0.4	-1.0	1.0
MPX2100D	14.5	100	400	±1.0	40	0.4	-0.25	0.25
MPX2200A	29	200	400	±1.0	40	0.2	-1.0	1.0
MPX2200D	29	200	400	±1.0	40	0.2	-0.25	0.25
MPX2700A	100	700	2800	±1.0	40	0.057	-0.5	0.5

С высоким полным сопротивлением (на чипе)

MPX7050D	7.3	50	200	±1.0	40	0.8	-0.25	0.25
MPX7100A	14.5	100	400	±2.0	40	0.4	-1.0	1.0
MPX7100D	14.5	100	400	±1.0	40	0.4	-0.25	0.25
MPX7200A	29	200	400	±2.0	40	0.2	-1.0	1.0
MPX7200D	29	200	400	±1.0	40	0.2	-0.25	0.25

Компенсированные и калиброванные (на чипе). Медицинский класс.

Серия	Максимальный уровень давления			Напряжение питания (V dc)	Допустимое отклонение, mV (Max)	Чувствительность (µV/V/mmHg)	Полное выходное сопротивление Ом (Max)	линейность % от полного диапазона
	psi		кПа					(Min)		(Max)
MPX2300DT1	5.8		40	6.0	0.75	5.0	330	-2.0		2.0

С преобразованием сигнала (на чипе)

Серия	Максимальный уровень давления			Избыточное давление (kПa)	Полный диапазон mV (Обычно)	Чувствительность (mV/kПa)	Точность  (0-85°C) % от полного диапазона
	Psi		kПa
MPX4100A	15.2		105	400	4.59	54	±1.8
MPX4101A	14.7		102	400	4.59	54	±1.8
MPX4115A	16.6		115	400	4.59	45.9	±1.5
MPX4250A	36.2		250	400	4.69	20	±1.5
MPX5010D	1.45		10	75	4.5	450	±5.0
MPX5050D	7.3		50	200	4.5	90	±2.5
MPX5100A	16.6		115	400	4.5	45	±2.5
MPX5100D	14.5		100	400	4.5	45	±2.5
MPX5500D	72.5		500	2000	4.5	9.0	±2.5
MPX5700D	100		700	2800	4.5	6.0	±2.5
MPX5999D	150		1000	4000	4.7	5.0	±2.5

Серия MPX900 (Некомпенсированные) (Устойчивые к воздействию водяных паров)

Тип устройства	Возможные системы измерения	Возможные исполнения	Диапазон давлений
			От 0 до 0.87 PSI (от 0 до 6 kПa)
6-ти штырьковый основной элемент	Дифференциальная	Case 867-07	MPX906D
6-ти штырьковый специализирован ный элемент	Шаблонная	Case 867H-03	MPX906GVW

Основные некомпенсированные

Серии МРХ 10, 12, 50, 100, 200, 700, 906

Датчики этих серий некомпенсированные, имеют низкую стоимость и позволяют конструкторам разрабатывать и добавлять свои собственные внешние схемы компенсации и преобразования сигнала. Их основное различие – это диапазон измеряемых давлений: от 6 kПа (серия МРХ 906) до 700 kПа (серия МРХ 700).


Калиброванные с температурной компенсацией

Серии МРХ 2010, 2012, 2050, 2052, 2100, 2101, 2200, 2201, 2300, 2700

Датчики этих серий имеют температурную компенсацию и калибровку, что повышает их точность, линейность измерений (линейность зависимости между прилагаемым давлением и напряжением на выходе), а также их стоимость.


С преобразованием сигнала

Серии МРХ 4100, 4101, 4115, 4250, 5010, 5050, 5100, 5500, 5700, 5999

Датчики этих серий более совершенны и применяются в двигателях внутреннего сгорания (серии МРХ 4100, 4101, 4250) для вычисления количества топлива, необходимого каждому цилиндру, а также для измерения абсолютного давления воздуха в барометрах и альтиметрах.


С высоким полным сопротивлением

Серии МРХ 7050, 7100, 7200

Датчики этих серий сочетают в себе все преимущества серии МРХ 2000 (температурная компенсация и калибрация на чипе) с высоким полным входным сопротивлением (обычно 10 kОм), что делает их незаменимыми в переносных устройствах, работающих на аккумуляторах. Эти датчики могут использоваться в приборах, требующих точного определения давления при малом потреблении энергии, таких как переносное медицинское оборудование и т.п.

ДАТЧИКИ УСКОРЕНИЯ

          Датчики ускорения фирмы Motorola имеют внутреннее усиление сигнала, его преобразование, 4-ех полюсный фильтр нижних частот, а также температурную компенсацию. Устройство предлагается в двух исполнениях, что позволит воплотить любые конструкторские замыслы. Внутри датчика находится единая сейсмическая масса поликристаллического кремния, подвешенная между двумя пластинами из поликристаллического кремния (G-cell). Силы ускорения сдвигают сейсмическую массу, вызывая тем самым изменение емкости. G-cell запечатан на кристаллическом уровне, что создает чистую среду без каких-либо частиц.

          Эти датчики ускорения идеально подходят для определения и записи автомобильных катастроф, отслеживания вибрационного фона и т.д.
Система цифровой маркировки для датчиков ускорения
.

XM
    M      A       S       40G  10     D
XM- Моторола X-ducer
M- Миниатюрный
А- Измеритель ускорения
S- Датчик
40G- Диапазон измерения
10- Допуск на чувствительность переменного тока
D- Исполнение

Серия	Диапазон	Чувствительность	Частота/ Полоса частот, Гц	Потребляемый ток, µA	Начальное напряжение, V
XMMAS500G10D	±500g	3.2 mВ/g	700	5	2.7
XMMAS500G10D	±500g	3.2 mВ/g	700	5	2.7
XMMAS250G10D	±250g	6.5 mВ/g	700	5	2.9
XMMAS250G10S	±250g	6.5 mВ/g	700	5	2.9
XMMAS40G10S	±40g	40 mВ/g	400	5	2.9
ХMMAS40G10D	±40g	40 mВ/g	400	5	2.9

ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
          Новейшими датчиками семейства Senseon стали химические датчики. Они способны определять наличие химикалий, включая моно оксид углерода (СО), метан (СН₄), а также различные летучие газы в домах, офисах, производственных помещениях, шахтах и туннелях. Эти датчики позволят обнаружить присутствие одних из самых опасных химикалий в воздухе и воде.
CO
Датчики
серии MGS1100
          СО – датчики фирмы Motorola серии MGS1100 разработаны в соответствии с большинством требований к определителям CO в помещениях (UL 2034). Датчики серии MGS1100 снабжены решетками из нержавеющей стали и активным угольным фильтром для защиты его элементов от повреждений, а также для выборочного отсеивания примесных газов. CO выделяется при неполном сгорании топлива в нагревательном оборудовании, а также в оборудовании предназначенном для приготовления пищи, таком как печи и газовые плиты. При возникновении неисправностей это оборудование может работать с выделением опасного количества CO.
Метановые (CH₄) датчики серии MGS1200
          Датчики серии MGS1200, производимые фирмой Motorola, сконструированы на основе той же технологии химического улавливания с ее модернизацией в сторону увеличения селективности и чувствительности к метану. Метановые (СН₄) датчики фирмы Motorola могут быть использованы в таких целях, как обнаружение присутствия малых количеств природного газа в домах. Среди других возможных применений метановых датчиков можно назвать легковоспламеняющиеся газы, множество типов растворителей и других летучих органических соединений.


КРЕМНИЕВЫЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ
          Кремниевые датчики температуры предназначены для определения температуры и могут быть использованы при производстве автомобилей, потребительских и промышленных товаров, требующих малой себестоимости и высокой точности.

·        Высокая точность показаний даже при экстремальных температурах MTS102: ±2⁰C в диапазоне от -40⁰С до +150⁰С

·        Точный температурный коэффициент

·        Быстрота определения температуры:

                   3 секунды — в жидкости

                   8 секунд    — в воздухе

·        Линейная зависимость V_BE от Температурной кривой

·        Возможность различных исполнений

Максимальные показатели

Показатель	Обозначение	Величина	Единицы
Напряжение между эмиттером и базой	VEB	4.0	В, dc
Ток на коллекторе (5)	IC	100	MA, ac
Температурный диапазон работы и хранения	TJ, Tstg	От –55 до +150	0С

MTS102 MTS103 MTS105
Электрические характеристики (Т_А (рабочая температура)= 25⁰С, если не указана другая)

Показатель	Обозначение	Min величина	Обычная величина	Mах величина	Единицы
Напряжение питания	VS	-0.2	-	35	В, dc
Напряжение на выходе	VOUT	-1.0	-	6	В, dc
Ток на выходе	IO	-	-	10	MA, dc
Напряжение пробоя между эмиттером и базой (IE= 100 mA, IC= 0)	VBR(EBO)	4.0	-	-	В, dc
Напряжение между базой и эмиттером (IC= 0.1 mA)	VBE	580	595	620	MB
Сопоставление напряжения между базой и эмиттером(1) (IC=0.1 mA, TA= 25 ± 0.05 0C)	DVBE MTS102 MTS103 MTS105	-3.0 –4.0 –7.0	- - -	3.0 4.0 7.0	MB
Сопоставление точности показаний температуры(2) (T1= -40, T2= +150 TA= 25 ± 0.05 0C)	DT MTS102 MTS103 MTS105	-3.0 –3.0 –5.0		3.0 3.0 5.0	0C
Температурный коэффициент(3,4) (VEB= 595 mB, IC= 0.1 mA)	TC	-2.28	-2.265	-2.26	MB/0C
Время измерения температуры	t TH жидкость воздух	- -	3.0 8.0	- -	С
Зависимость ТС от VBE при 250С(4)	DTС/DVBE	-	0.0033	-	mV/0C mV

Механические характеристики

Показатель	Обозначение	Min величина	Обычная величина	Mах величина	Единицы
Вес	-	-	87	-	Грамм

Примечания:

1.    Все изделия одной группы или исполнения будут соответствовать допуску по V_BE, указанному в таблице электрических характеристик. На каждом изделии будет указана средняя величина V_BE для данной группы.

2.    Все изделия группы будут работать с определенной температурной точностью. Имеются в виду изменения значений Т_С, V_BE и нелинейность в диапазоне температур от –40 до +150 ⁰С. Обычно, величина нелинейности в пределах этого диапазона составляет менее ±1°C.

3.    Т_С, определенный с помощью обратной наиболее линейной зависимости V_BE от температуры из диапазона –40 /+150 ⁰С при номинальной величине V_BE = 595 mB при 25⁰С. В случае других номинальных значений V_BE величина Т_С должна быть откорректирована в соответствии с зависимостью Т_С от V_BE.

4.    В случае номинальных значений V_BE отличных от 595 mВ при 25⁰С, нужно скорректировать Т_С в соответствии с уравнением T_C = –2.265 + 0.003 (V_BE – 595), где V_BE указывается в mВ, а Т_С – в mВ/ ⁰С. Точность полученного значения Т_С обычно составляет ±0.01 mВ/ ⁰C.

5.    Максимальная точность температуры достигается при I_C, не превышающем 2 mA.