Avantages des capteurs de pression LBA - Sensortechnics

Avantages des capteurs de pression différentielle LBA en raison de leurrésistance pneumatique très élevée1 PRINCIPE DE MESURELes capteurs de pression différentielleultrasensibles LBA de First Sensors mesurentdes pressions très faibles d’air et de gaz à partird’une gamme de pression de 25 Pa pleineéchelle. La série LBA est basée sur unetechnologie MEMS entièrement inédite, quiintègre le canal d’écoulement dans la pucesemi-conductrice en silicium. Ces capteursutilisent le principe éprouvé de la mesurethermique de débit massique (voir figure 1) ettranspose cette valeur en pression. Pour cefaire, un élément chauffant est disposé àl’intérieur du capteur, entre deux thermistancesqui se trouvent en amont et en aval. Un flux degaz a comme effet une augmentation de latempérature au niveau de la résistance situéeen aval. Il en résulte une différence detempérature entre les deux résistances, ce quigénère un signal de tension proportionnel à ceflux. Étant donné que l’écoulement à travers lecapteur est provoqué par une différence depression entre les deux entrées du capteur, lesignal de sortie représente également cettepression différentielle.La figure 2 montre la courbe caractéristique del’élément de base du capteur LBA non amplifiéen fonction de la pression différentielle. Latechnologie LBA se distingue par une sensibilitéélevée dans le domaine des pressionsdifférentielles très faibles et en particulier pourles valeurs proches de zéro ainsi que par unegrande plage de mesure. Les capteurs LBApossèdent un traitement de signal analogiqueintégré pour la calibration, une compensationen température et une amplification de signal,et peuvent en outre être optimisés selondifférentes exigences d’utilisation, c’est-à-dire siune plus grande dynamique de mesure, unsignal de sortie linéaire ou une résolutionélevée sont requis.200100Vout(mV)-4000-2000-10000 2000 4000∆p (Pa)écoulement-200thermistancesélément de chauffageFigure 2 :courbe caractéristique signal/pressionde l’élément de base du capteur LBAnon amplifiéFigure 1 :principe de la mesure thermique dudébit massiqueF / 11162 / 01/4www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

Avantages des capteurs de pression différentielle LBA en raison de leurrésistance pneumatique très élevée2 CONSTRUCTION DU CAPTEURLes capteurs LBA sont basés sur une puce ensilicium de seulement 2 x 2 mm env., quicontient le canal d’écoulement, l’élément demesure et un traitement de signal analogiqueCMOS. Grâce à la miniaturisation et àl’intégration du canal d’écoulement au niveaude la puce (voir figure 3), on obtient desrésistances pneumatiques très élevées allantjusqu’à 200 000 Pa/(ml/s), jusqu’à 1000 foisplus grandes par rapport aux autres capteursde même type. Cela réduit au minimum le fluxde gaz à travers le capteur et présente desavantages particuliers pour des utilisations dansdes environnements poussiéreux ou humidesainsi que pour l’utilisation de longs flexibles etde filtres (pour plus d’explications : voir chapitre4 - 6).élément supérieur de la pucecanal d'écoulementFigure 3 :élément de mesureécoulementélément inférieur de la puceprincipe de construction du capteur depression différentielle LBA(coupe transversale)Dans les capteurs traditionnels basés sur ledébit, le canal d’écoulement, et de ce fait le fluxde gaz à travers le capteur, sont déterminés parle boîtier en matière plastique du capteur.Contrairement à cela, dans le cas des capteursde pression différentielle LBA, un canald’écoulement très étroit est fabriqué au niveaude la puce. Cette particularité présente desavantages au niveau de la construction duboîtier, notamment une grande flexibilité de laforme, des composants du boîtier très petits etstables et une réduction des coûts. De plus, latechnologie semi-conductrice utilisée par lescapteurs LBA permet des tolérances defabrication extrêmement faibles et la fabricationen série des puces semi-conductrices descapteurs à un prix avantageux.F / 11162 / 02/4www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

Avantages des capteurs de pression différentielle LBA en raison de leurrésistance pneumatique très élevée3 MESURE DE DÉBIT VOLUMÉTRIQUEAVEC CAPTEUR DE PRESSIONDIFFÉRENTIELLELes capteurs de pression différentielle avec deplages de faibles pressions de quelquesmillibars sont souvent utilisés pour mesurer ledébit volumétrique dans les conduites rigides etcanaux d’écoulement. Ils sont par exempleindiqués pour déterminer le flux respiratoiredans le domaine médical ainsi que pour mesurerles échanges respiratoires ou pour le contrôledu filtre dans le domaine climatique. Grâce à unétranglement artificiel dans la conduite de flux,réalisé par exemple au moyen d’un élémentlaminaire ou d’un diaphragme, il est possibled’obtenir une chute de pression indicative dudébit (voir figure 4) pouvant être mesurée àl’aide d’un capteur de pression différentielle.Les capteurs LBA basés sur le débit sontcalibrés sur la pression différentielle et peuventmesurer la chute de pression sur un élémentd’écoulement comme décrit ci-avant. Le capteurLBA dans des utilisations visant à mesurer ledébit volumétrique se rapproche d’un capteurde pression différentielle basé sur une membrane,pour lequel aucun flux de gaz ne passe dans lecapteur, sans toutefois perdre l’avantage de lasensibilité élevée aux valeurs proches de zéro,comme cela se voit typiquement pour la mesurethermique du débit massique.écoulementflexible deraccordementFigure 4 :F / 11162 / 0p 1p 2capteurLBAélément pourflux laminaire∆p= p 1 − p 2•V ∝ ∆pmise en place typique pour mesurer ledébit volumétrique à l’aide d’un capteurde pression différentielle4 INSENSIBILITÉ À LA LONGUEUR DUFLEXIBLE ET AUX FILTRESPour mesurer le débit, un capteur de pressiondifférentielle est par exemple relié à la conduited’écoulement par le biais de flexibles, commel’illustre la figure 4. Dans de nombreusesutilisations, des filtres sont placés dans lesconduites d’alimentation pour, par exemple,protéger le capteur de la poussière, del’humidité ou de toute contamination bactérienne.Chaque élément pneumatique entre la conduited’écoulement principale et les raccords depression du capteur représente une résistanceconduisant à une perte de pression. Le capteurde pression mesure dès lors une pressiondifférentielle, qui est plus faible que celle qui estprovoquée par la chute de pression sur laconduite. Cela conduit à des imprécisions lorsde la saisie du débit volumétrique dans laconduite principale. Plus la résistance pneumatiquedu flexible de raccordement ou du filtre estimportante par rapport au capteur, plus cet effetsera marqué. Pour les capteurs traditionnelsbasés sur le débit, une longueur maximale deflexible à ne pas dépasser est dès lorsrecommandée ou une formule de correction estindiquée, pour compenser la chute de pressiondans le flexible.Un flexible d’une longueur de 1 m avec undiamètre intérieur de 1/16 de pouce (1,6 mm)provoque par exemple un résistance pneumatiqued’env. 120 Pa/(ml/s). Les capteurs LBA de FirstSensor possèdent une résistance allant jusqu’à200 000 Pa/(ml/s). Cela signifie que la mesureest presque exclusivement déterminée par larésistance au flux très élevée du capteur LBA etque la longueur et le diamètre du flexible deraccordement ou du filtre utilisé sontnégligeables. Les capteurs LBA permettent dèslors sans problème l’utilisation de flexibles deraccordement, de filtres et d’autres éléments,sans perdre leur calibration. Même le changementdes résistances pneumatiques de ces élémentsdurant le service, par exemple pour appliquerun filtre, n’a en règle générale aucune incidencenégative sur l’exactitude de la mesure.3/4www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

Avantages des capteurs de pression différentielle LBA en raison de leurrésistance pneumatique très élevée5 INSENSIBILITÉ À LA POUSSIÈRESi les capteurs de pression basés sur le débitou les capteurs de débit thermiques sontutilisés dans des environnements chargés depoussières, par exemple dans le domaineclimatique, les particules de poussières risquentde pénétrer à l’intérieur du capteur et de sedéposer sur les parois du canal d’écoulement.Cela entraîne une augmentation de larésistance pneumatique du capteur du faitd’une obstruction des canaux d’écoulementintérieurs. La conséquence est un signal desortie plus faible du capteur dans le cas d’unflux inchangé dans la conduite principale et uneerreur de mesure augmentant significativementavec le temps. Dans le pire des cas, un blocagecomplet se produit avec pour résultat unedéfaillance complète du capteur. En outre, leséléments de mesure sensibles du capteurpeuvent être recouverts d’une couche depoussières, ce qui entraîne également desdonnées de mesure erronées.Les capteurs de pression LBA sontparticulièrement insensibles à la poussière.Grâce à leur résistance pneumatique trèsélevée, l’écoulement à travers le capteur et sesflexibles de raccordement est extrêmementfaible. De ce fait, la quantité globale d’airchargé de poussières, qui circule à travers lecanal d’écoulement est réduite au strictminimum par rapport aux capteurs traditionnelsbasés sur le débit. Par ailleurs, la vitessed’écoulement baisse aussi fortement, de sorteque la masse résiduelle de poussières encoreprésente se détache d’une manière générale duflux de gaz déjà fortement réduit, et ce, avantde pénétrer dans le capteur LBA. De cettemanière, les capteurs de pression différentielleLBA de First Sensor empêchent la poussière depénétrer dans le capteur et garantissent ainsiune durée de vie très élevée et le respect detoutes les spécifications, même dans desenvironnements chargés de poussières.6 INSENSIBILITÉ À L’HUMIDITÉDans de nombreux appareils médicaux, telsque les systèmes d’assistance respiratoire,spiromètres, appareils de diagnostic dusommeil et concentrateurs d’oxygène, le fluxrespiratoire du patient est surveillé à l’aide decapteurs de pression différentielle basés sur ledébit. Étant donné que l’air inhalé contient uneproportion considérable d’humidité et estgénéralement plus chaud que l’environnement,de la condensation peut se former à l’intérieurde l’appareil. Des gouttes d’eau peuvent sedéposer sur les parois des conduites deraccordement du canal d’écoulement principalallant jusqu’au capteur ou dans le capteurmême. Si ces gouttes d’eau dépassent unecertaine quantité ou forment de grosamoncellements, les caractéristiquespneumatiques dans le canal d’écoulement ou àl’intérieur du capteur peuvent être altérées demanière telle que la calibration du capteur peutêtre perdue. Dans le pire des cas, un blocagecomplet se produit avec pour corollaire unedéfaillance complète du capteur.Grâce à la résistance pneumatique très élevéedes capteurs de pression LBA, l’écoulement àtravers le capteur et ses flexibles deraccordement est extrêmement faible. De cefait, la quantité globale d’air humide pouvantformer de la condensation est réduite au strictminimum par rapport aux capteurs traditionnelsbasés sur le débit. Les capteurs de pressiondifférentielle LBA de First Sensor ne montrent,lors d’utilisations typiques dans unenvironnement où l’air est chargé d’humidité,aucune modification de la précision de lamesure et respectent toutes les spécifications.F / 11162 / 04/4www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com