LPS27HHW在防水应用中的指南

LPS27HHW是ST推出的一款测量范围从260hPa~1260hPa的防水气压计模组。顾名思义,它的主要亮点是防水。区别于其它气压计,ST已经将MEMS和电路板封装在一个密封的环境——独特的圆柱形封装桶内,并将这种圆柱形封装筒外侧做成易于嵌入o形环密封胶圈的形状。

1. LPS27HHW内部结构




MEMS的灵敏度和准确性取决于灌封胶对压力和温度的传导特性,下图列举了灌封胶的性能参数




2. LPS27HHW的系统应用

LPS27HHW作为一颗防水气压和温度计模组,被广泛应用到智能手机、户外便携、穿戴设备、气象站或工业工具等应用系统中。一般来说,设计产品时,需要做出一套密封的装置,将整个PCB板和元器件置入其中,以防止应用中水的渗入和烟雾、氯溴和工业化学品侵蚀。对外只留出LPS27HHW开口,以检测外界的气压Px和温度Tx。如下图



LPS27HHW的密封效果是整个设备的关键,因为壳体其它地方都可以做整体设计或焊接处理来防漏,但LPS27HHW的金属圆筒与壳体之间只能靠密封圈的紧配合来做防水防侵蚀。LPS27HHW提供了通过将o形环放置在槽位(金属筒的中部)来密封和保护,仿真结果表明,在此条件下,直径为1 mm的o形密封圈与两接触面(LPS27HHW和塑料实施例的盖)之间的表面接触压力为1.25 MPa,这样的压力足可以应对3米深的水压(再深的地方压强已超过LPS27HHW的测量范围,变得没有意义)。下图提供LPS27HHW在实际应用中的参考安装尺寸,以及密封胶圈的受力状态。(更多详细数据参考手册AN5606






3. 影响LPS27HHW数据精确度的要素

不正确或不合理的机械机构设计、安装方式和应用环境可能导致LPS27HHW对压、温的采样失准,或响应变慢,甚至失效。其总结因素有:

  • 测量环境需要稳定:监测环境条件的任何变化都会反馈到传感器,导致压力Px和温度Tx的快速变化。因此,集成设计必须保证环境条件不仅在“稳态”条件下进行,而且在动态条件下与传感器的响应速度也必须要匹配
  • 将LPS27HHW传感器放置在与测试环境最佳的位置,尽可能靠近需要测量的区域,并且尽量保证LPS27HHW整个圆筒开口没有遮拦,以最大限度实现与外部环境接触。


  • 壳体内部压力Ps、温度Ts的变化对真实数据的影响。在测量外部压力Px和温度Tx的同时,不能忽略的是壳体内部环境的变化。由于壳体内部是一个严格的密封体,独立于外部环境,因此会出现壳体内部压力Ps与外部压力Px,内部温度Ts和外部温度Tx有差异。造成这种差异的原因有很多,比如外部温度急剧变化,内部温度未能及时改变造成温差,或内部PCB板在工作时升温等。

通过仿真分析,内部Ps的变化对传感器影响相对较小,而内部Ts变化所带来的影响相对较大,内部温度Ts可直接通过LPS27HHW金属圆筒的金属部分导热到圆筒内,使得圆筒内的压力和温度都会发生波动,而圆筒内的压力和温度恰恰是需要测量的,太大的波动可使测量准确性降低,不可接受。

改善方法:
壳体尽量采用金属或导热良好的材料,这样可以在较短时间内消除内外温差,从而避免上述引起的波动减小壳体内部体积(dead volume)。
实践证明,壳体内部空间越大,内外温差达到平衡的响应时间越长,对压力响应时间的贡献越大。因此,建议将壳体体积最小化。

  • 环境光对MEMS的影响
手册上已明确写出,传感器上的直射光源(太阳、卤素灯等)可能会导致压力值偏移,从而使测量失准。这是因为LPS27HHW器件中的材料对光很敏感。建议机械设计的应用避免直射光线,尽量避免传感器直接暴露在光下,参考下图中左侧的正确设计示例



  • 安装时的机械应力

在应用中,假如PCB模块上的传感器在组装过程中被螺钉紧固,则需要小心操作,以避免PCB上的应变和应力,这可能导致地LPS27HHW底板撕裂,或使PCB板焊盘脱落,致使短路或失效。如图所示


此外,在外壳装配过程中,也会出现安装不到位,使传感器和壳体、PCB之间产生不平衡的应力。所以,在装配中需要按照操作规范执行。

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