Новости Электроники 2, 2008
Новая технология измерительных элементов, примененная компанией OMRON в датчике потока газа D6F, позволила повысить точность измерения, уменьшить габаритные размеры датчика, а также обойтись без необходимых в предыдущих моделях дополнительного питания и отладки.
Вместо пары резисторов, применяющихся обычно в датчике потока, в новом устройстве OMRON использованы два термопреобразователя. Основой для тех и других служит кремний, поэтому по своим физическим свойствам термопреобразователи и резисторы схожи. Однако разница в технических характеристиках существенна: термопреобразователи не требуют лазерной отладки баланса. К тому же они генерируют собственный электрический выходной сигнал и не нуждаются в электропитании (для резисторов необходимы и отладка баланса, и дополнительное питание).
Чип
Система MEMS от OMRON основана на ультрачувствительном чипе, с площадью всего 1,5 х 1,5 мм при толщине 0,4 мм. Термопреобразователи располагаются с каждой стороны миниатюрного нагревательного элемента, измеряют отклонения теплового баланса при прохождении потока любого газа в любом направлении (рис. 1).
Рис. 1. Принцип работы MEMS-датчика
Тонкий слой изолирующей пленки предохраняет микрочип датчика от воздействия окружающей среды. Когда поток отсутствует, температура вокруг нагревателя постоянна и разность напряжений между двумя термопреобразователями нулевая. Напротив, когда регистрируется даже самое незначительное движение газа, тепловое соотношение нарушается, температура на лицевой стороне нагревателя понижается потоком проходящего газа, а на другой стороне повышается. Разница температур проявляется как разница напряжений между двумя термопреобразователями, позволяя измерить массу, скорость, направление потока (датчики при необходимости способны уловить отклонения от изначальной массы проходящего газа с точностью до ±0,1%).
Новые возможности
Для того чтобы достичь требуемой точности, необходимо было интегрировать большое количество термопреобразователей на одну пленку толщиной всего два микрона. Однако ширина ее должна быть такова, чтобы пленка могла выдерживать давление газа. После многочисленных испытаний пленок различных форм, инженеры OMRON определили, что наиболее оптимальна пленка с формой отверстия в виде «Н». Именно такое отверстие в пленке лучше других будет рассеивать силу потока, покрывать наибольшую рабочую площадь чипа и, к тому же, обеспечит надлежащую твердость самой пленки.
Специалисты OMRON также разработали уникальную мостовую схему, которая гарантирует поддержание необходимых внутренних тепловых характеристик датчика по отношению к окружающей температуре. На это изобретение OMRON получил патент.
Применение в топливных элементах
Первыми потребителями датчиков расхода OMRON стали производители топливных элементов. Датчики были идеальны для этих применений: компактны, менее зависимы от перепадов давления, недороги по сравнению с аналогами. Но заказчики обратили внимание, что пульсирующий поток газа, например, в насосах диафрагменного типа, зачастую приводит к нестабильной работе датчика. Поэтому в насосах для компенсации воздействия пульсирующего газового потока предусматривается дополнительное отверстие и отдельная буферная емкость. В новой серии продукции OMRON уже в самом датчике предусмотрено отверстие, позволяющее стабилизировать поток газа (рис. 2).
Рис. 2. Элемент, снижающий пульсирующий поток
Система пылеотделения
Благодаря чрезвычайно высоким показателям чувствительности, датчики на основе MEMS реагируют на мельчайшие частицы пыли, следовательно, кроме чистого газа, ничто не должно попадать на рабочий элемент чипа. Достигнуть этого удалось, пропустив поток воздуха через две разделительные камеры, основанные на принципе центрифуги (рис. 3).
Рис. 3. Воздушный поток в камере отделения пыли
Уловитель отделяет и выбрасывает пыль через специальное выпускное отверстие, остальное задерживается на дне накопителя благодаря силе гравитации. Система, названная 3D Dust Segregation Chamber, удаляет до 99,5% твердых частиц (результат получен на основе многочисленных опытов). Данная система применена в версиях -V и -W датчиков D6F.
Применение
Датчики потока OMRON D6F могут широко использоваться как в промышленности, так и в быту. Системы вентиляции, разнообразные газовые нагреватели, медицинское оборудование, топливные и пневматические устройства - вот далеко не полный список возможных применений. Датчик способен работать с большинством известных газов и их смесей, за исключением агрессивных и коррозийных. Возможны доработки существующих серий в зависимости от потребностей заказчика.
