基礎知識之氣壓傳感器

氣壓傳感器是一種測量周圍環境中氣體壓力的傳感器。這些傳感器通常包括一個壓敏元件，例如撓性金屬薄片、半導體材料或陶瓷材料。當受到氣體壓力作用后，壓敏元件會發生微小的形變，并且這種形變會被轉換成與壓力成正比的電信號輸出。氣壓傳感器是一種非常常見的傳感器類型，在各個領域都有重要作用。

氣壓傳感器的原理基于壓電效應或壓阻效應。撓性金屬薄片傳感器通常采用壓電效應，當受到氣體壓力作用時，金屬薄片會產生形變，并且這種形變會引起其表面電荷分布的改變。通過測量這個電荷分布的變化，可以得出與壓力成正比的電信號輸出。而半導體材料則使用壓阻效應，即在不同的壓力下產生不同的電阻值。現在的氣壓傳感器作為使用MEMS技術的產品被廣泛普及。

MEMS氣壓傳感器主要有兩種類型：壓電電阻式和靜電電容式。

壓電電阻式傳感器：這種傳感器使用了壓電材料作為感應元件，使用Si單晶板作為隔膜（壓力接收元件），通過在其表面上擴散雜質形成電阻橋電路，將施加壓力時產生的變形作為電阻值變化，來計算壓力（氣壓）。當外界壓力變化作用于傳感器時，壓電材料會產生電荷分布的變化，從而導致電阻值發生變化。通過測量電阻的變化可以獲得與壓力相關的信號。壓電電阻式傳感器具有快速響應、較高的靈敏度和穩定性，被廣泛應用于氣壓測量、氣體流量測量等領域。

壓電電阻式氣壓傳感器具有以下幾個特點：

• 高靈敏度：壓電材料對于微小的壓力變化非常敏感，能夠快速響應氣壓的變化。
• 寬測量范圍：這種類型的傳感器通常具有較大的測量范圍，可以適應不同的氣壓條件。
• 高穩定性：壓電材料的性能相對穩定，具有較低的溫度漂移和長期穩定性，能夠提供可靠的氣壓測量結果。
• 快速響應時間：由于壓電材料的優異特性，壓電電阻式氣壓傳感器具有快速的響應時間，可以實時監測氣壓變化。
• 寬工作溫度范圍：這種傳感器通常能夠在較寬的溫度范圍內正常工作，適用于不同環境下的氣壓測量。
• 小型化和集成化：壓電電阻式氣壓傳感器可以制造成小型化和集成化的封裝形式，方便安裝和集成到各種設備和系統中。
• 低功耗：這種傳感器通常具有低功耗的特點，適用于電池供電或對能源消耗敏感的應用場景。

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圖1：壓阻電阻式氣壓傳感器結構

靜電電容式傳感器：這種傳感器利用了靜電電容效應。傳感器內部有一個微小的空氣腔體，當外界壓力變化時，腔體的體積會發生微小變化，進而改變了電容值。通過測量電容的變化可以得到與壓力相關的信號。靜電電容式傳感器具有較高的靈敏度和精度，適用于氣壓測量、液位測量等應用。

靜電電容式氣壓傳感器具有以下幾個優點：

• 高精度和靈敏度：靜電電容式氣壓傳感器可以提供高精度的氣壓測量結果。它們能夠感知微小的氣壓變化，并將其轉化為電容變化的信號。由于電容變化與壓力變化之間存在線性關系，傳感器能夠提供準確的氣壓讀數。
• 寬測量范圍：靜電電容式氣壓傳感器通常具有較寬的測量范圍。它們可以在大氣壓力的不同范圍內進行準確測量，從低氣壓到高氣壓都具備可靠性。
• 快速響應時間：這類傳感器具有快速的響應時間。它們能夠迅速感知并轉換氣壓變化，提供即時的測量結果。這對于實時應用，如氣象觀測、控制系統和自動化系統等非常重要。
• 低功耗：靜電電容式氣壓傳感器通常具有低功耗特性。它們能夠在持續運行的情況下消耗較少的能量，適用于需要長時間使用的應用和電池供電設備。
• 小型化和集成化：這種類型的傳感器通常具有小型化的設計。它們占用空間較小，適用于對尺寸要求嚴格的應用場景。此外，靜電電容式氣壓傳感器也可以與其他傳感器或電路集成在一起，以實現更多功能的綜合系統。

圖2：靜電電容式氣壓傳感器結構

這兩種傳感器各有優勢，選擇取決于具體應用需求。壓電電阻式傳感器在快速響應和穩定性方面較好，適用于對動態壓力變化敏感的應用；靜電電容式傳感器具有高靈敏度和較高的分辨率，適用于對靜態和微小壓力變化的測量。

氣壓傳感器是一種用于測量大氣壓力的傳感器，它在許多領域都有廣泛的應用。以下是一些氣壓傳感器的常見應用：

天氣預報：氣壓是天氣變化的重要指標之一。氣壓傳感器可以用于測量大氣壓力的變化，并根據這些數據來預測天氣的變化。通過監測氣壓的趨勢，可以預測是否有即將來臨的降雨、氣溫變化等天氣情況。

導航和高度測量：氣壓傳感器可以用于測量高度和海拔高度。它們可用于飛機、導航系統、高空氣球等應用中，幫助確定物體或載具相對于地面的高度位置。例如，在航空中，氣壓傳感器配合其他傳感器（如加速度計、陀螺儀等）使用，可提供精確的高度測量數據。

環境監測：氣壓傳感器可用于環境監測和氣候研究。它們可以測量大氣壓力的變化，幫助科學家了解和研究氣候模式、氣象現象以及大氣層的變化。這些傳感器廣泛應用于氣象站、環境監測設備和氣候研究項目中。

氣壓補償：氣壓傳感器可以用于補償其他傳感器的測量誤差。在某些應用中，如液位測量、氣體流量測量等，氣壓傳感器可以測量環境大氣壓力的變化，并將其應用于修正其他傳感器的輸出，以提供更準確的測量結果。

總之，氣壓傳感器在天氣預報、導航和高度測量、環境監測以及補償其他傳感器等方面發揮著重要作用。它們幫助我們獲得關于大氣壓力的信息，從而推斷氣候變化、確定高度位置和改進其他測量系統的準確性

honeywell：(霍尼韋爾)- Honeywell 是一家知名的傳感器制造商，提供各種類型的氣壓傳感器，包括絕對壓力傳感器和差壓傳感器。

bosch-sensortec：(博世傳感器技術) - Bosch Sensortec 專注于MEMS(微機電系統)傳感器技術，其產品線包括氣壓傳感器，廣泛應用于手機、智能手表和其他移動設備中。

sensirion：(森賽龍)- Sensirion 是一家瑞士公司，專注于各種環境傳感器，包括氣壓傳感器。他們提供高精度的數字式氣壓傳感器，適用于工業、醫療和消費電子等領域。

TE Connectivity：(泰科電子)- TE Connectivity 是一家綜合性電子元器件制造商，他們提供氣壓傳感器解決方案，用于航空航天、汽車、醫療和工業等領域。

from machine import I2C, Pin
import time
i2c = I2C(0, scl=Pin(21), sda=Pin(20), freq=400_000)
ms5611_c = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
GY63_ADDRESS = 0x77
print(i2c.scan())
def reset():
    i2c.writeto(GY63_ADDRESS, bytearray([0x1E]))
    time.sleep(0.01)
def init():
    reset()
    for i in range(8):
        ms5611_c[i] = prom(i)
def prom(coef_num):
    rxbuff = i2c.readfrom_mem(GY63_ADDRESS, 0XA0+coef_num*2, 3)
    return rxbuff[0] << 8 | rxbuff[1]    
def read_pressure():   
    i2c.writeto(GY63_ADDRESS, bytearray([0x48]))   
    time.sleep(0.02)    
    data = i2c.readfrom_mem(GY63_ADDRESS, 0, 3)    
    pressure = (data[0] << 16) + (data[1] << 8) + data[2]    
    return pressure
def read_temperature():
    i2c.writeto(GY63_ADDRESS, bytearray([0x58]))   
    time.sleep(0.02)    
    data = i2c.readfrom_mem(GY63_ADDRESS, 0, 3)    
    temperature = (data[0] << 16) + (data[1] << 8) + data[2]   
    return temperature
def calculate(ut, up):
    dT = ut - (ms5611_c[5] << 8)
    off = (ms5611_c[2] << 16) + ((ms5611_c[4]*dT) >> 7)
    sens = (ms5611_c[1] << 15) + ((ms5611_c[3]*dT) >> 8)
    temp = 2000 + ((dT*ms5611_c[6]) >> 23)   
    if (temp < 2000):
        delt = temp - 2000
        delt = 5 * delt *delt
        off = off - (delt >> 1)
        sens = sens - (delt >> 2)   
    if (temp < -1500):
        delt = temp + 1500
        delt = delt * delt
        off = off - (7 * delt)
        sens = sens - ((11 * delt) >> 1)   
    temp = temp - ((dT*dT) >> 31)
    press = (((int(up)*sens) >> 21) - off) >> 15
    return press, temp   
init()
while True:
    up = read_pressure()
    ut = read_temperature()
    pressure, temperature = calculate(ut, up)
    print("Pressure:", pressure)
    print("Temperature:", temperature)    
    time.sleep(1)  

結果顯示：