作者：Karel Claesen, 邁來(lái)芯產(chǎn)品線總監(jiān)

可持續(xù)發(fā)展已成為全球緊迫任務(wù)，節(jié)約用水在環(huán)境管理中占據(jù)首要地位。隨著全球積極應(yīng)對(duì)氣候變化和資源日益稀缺的挑戰(zhàn)，計(jì)量水表已成為至關(guān)重要的診斷與監(jiān)測(cè)工具。對(duì)更優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)的需求，推動(dòng)了先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)更高的效率和精度。邁來(lái)芯（Melexis）作為傳感器創(chuàng)新領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，憑借其Triphibian傳感器技術(shù)，站在了這一變革的前沿。該技術(shù)有望助力工程師為現(xiàn)代社會(huì)重新定義水表計(jì)量方式。

壓力傳感器是水計(jì)量應(yīng)用中的關(guān)鍵組件。壓力傳感技術(shù)的進(jìn)步，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的漏水檢測(cè)、降低運(yùn)營(yíng)成本，還能推動(dòng)更廣泛的環(huán)保行動(dòng)，減少資源浪費(fèi)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

本文對(duì)水計(jì)量行業(yè)進(jìn)行了概述，并闡述了邁來(lái)芯公司（Melexis）先進(jìn)的Triphibian傳感器如何提升水計(jì)量系統(tǒng)的性能。

加強(qiáng)水資源管理的必要性

氣候變化與全球人口增長(zhǎng)，使得我們愈發(fā)需要高效管理寶貴的水資源。城市化進(jìn)程的加速以及天氣事件愈發(fā)難以預(yù)測(cè)，讓精確測(cè)量水量和檢測(cè)漏水的需求變得前所未有的迫切。

在歐盟，2022年約41%的人口面臨水資源短缺問(wèn)題，相較于2000年的30%顯著增加。此外，歐洲水協(xié)（EurEau）估算，歐盟成員國(guó)因漏水造成的水資源損失高達(dá)25%。由此可見(jiàn)，了解并監(jiān)測(cè)水流情況，對(duì)于減少水資源損失、保障未來(lái)水資源供應(yīng)至關(guān)重要。

為此，各國(guó)政府和公用事業(yè)機(jī)構(gòu)正將投資現(xiàn)代數(shù)字計(jì)量解決方案納入其資源管理戰(zhàn)略。出于對(duì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注以及降低水費(fèi)的需求，消費(fèi)者的節(jié)水意識(shí)也在不斷提升。因此，市場(chǎng)對(duì)于能夠提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和分析，以支持高效用水的系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)。

需要更多數(shù)據(jù)助力行業(yè)升級(jí)

根據(jù)市場(chǎng)研究公司Frost & Sullivan的報(bào)告，歐洲智能水表解決方案市場(chǎng)有望迎來(lái)強(qiáng)勁增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)在2023年至2030年期間，該市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)7.4%，再過(guò)十年，其收入規(guī)模將達(dá)到22.6億美元。這一增長(zhǎng)趨勢(shì)凸顯出行業(yè)正廣泛轉(zhuǎn)向采用智能水表技術(shù)，該技術(shù)能夠提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而優(yōu)化資源管理。

全球范圍內(nèi)，有關(guān)用水的監(jiān)管框架也在推動(dòng)該行業(yè)采用兼具精準(zhǔn)性與可靠性的解決方案。自2021年起生效的《歐洲飲用水指令》，便是眾多旨在加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)測(cè)、提高透明度以減少漏水情況的全球舉措之一。

數(shù)字化和智能化的水表技術(shù)可與更廣泛的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施以及個(gè)人智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)集成，從而提升測(cè)量精度、優(yōu)化資源管理。而收集必要的數(shù)據(jù)，則依賴于引入更精確、更耐用的傳感技術(shù)，這其中就包括邁來(lái)芯（Melexis）公司創(chuàng)新的Triphibian技術(shù)。

邁來(lái)芯Triphibian技術(shù)

“多年來(lái)，邁來(lái)芯在汽車壓力傳感器創(chuàng)新領(lǐng)域始終占據(jù)領(lǐng)先地位，憑借小型化、高精度的產(chǎn)品以及創(chuàng)新的封裝方案，持續(xù)推動(dòng)著行業(yè)的技術(shù)革新。其在汽車領(lǐng)域積累的深厚技術(shù)底蘊(yùn)，催生了具有開(kāi)創(chuàng)意義的Triphibian傳感技術(shù)。”

Triphibian技術(shù)成功突破MEMS壓力傳感器的固有局限。該技術(shù)具備長(zhǎng)生命周期、高可靠性以及極低的維護(hù)需求等顯著優(yōu)勢(shì)，因而成為水表計(jì)量系統(tǒng)的理想之選。畢竟，水表計(jì)量系統(tǒng)需在環(huán)境條件變化極大的情況下，高效運(yùn)行數(shù)十年之久。

傳統(tǒng)的MEMS壓力傳感器，受其結(jié)構(gòu)特性影響，存在一些難以避免的缺陷。當(dāng)承受超過(guò)20bar的壓力時(shí)，傳感器內(nèi)部的凝膠或?qū)Ь€極易受損，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器完全失效。此外，在使用相對(duì)壓力傳感器背面感壓的MEMS器件時(shí)，還存在芯片與封裝分離的風(fēng)險(xiǎn)（如圖1所示）。

圖1：常見(jiàn)的 MEMS 傳感器失效機(jī)制

傳統(tǒng)上，MEMS傳感器的應(yīng)用范圍僅局限于氣體壓力傳感領(lǐng)域。這是因?yàn)?，若MEMS傳感器與液體長(zhǎng)時(shí)間接觸，液體會(huì)對(duì)傳感器的精度造成不利影響。具體而言，液體接觸傳感器時(shí)，可能會(huì)透過(guò)凝膠表面發(fā)生滲透，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器輸出出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。雖然非MEMS壓力傳感器對(duì)大多數(shù)液態(tài)介質(zhì)（凍結(jié)狀態(tài)除外）具有一定的耐受性，但實(shí)現(xiàn)替代壓力傳感技術(shù)的小型化，仍然面臨著重大的技術(shù)障礙。上述種種因素，都極大地限制了適用于智能水表計(jì)量任務(wù)的傳感器的可選范圍。

圖2: Triphibian與傳統(tǒng)MEMS器件的對(duì)比

邁來(lái)芯（Melexis）推出的Triphibian技術(shù)，成功攻克了傳統(tǒng)MEMS傳感器存在的諸多缺陷（如圖2所示）。該傳感器創(chuàng)新性地采用了懸浮懸臂設(shè)計(jì)，并在懸臂尖端集成了薄膜?；谶@一獨(dú)特設(shè)計(jì)，該傳感器能夠在氣體和液體介質(zhì)中，穩(wěn)定且可靠地測(cè)量2至70bar范圍內(nèi)的壓強(qiáng)。尤為突出的是，它還具備抵抗凍結(jié)介質(zhì)的能力，這在MEMS壓力傳感器領(lǐng)域堪稱一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的突破（如圖3所示）。

圖3: 邁來(lái)芯Triphibian的獨(dú)特懸浮懸臂設(shè)計(jì)

懸浮懸臂設(shè)計(jì)可確保傳感元件周圍的壓力分布均勻，有效緩解壓力峰值和爆破壓力的影響。因此，與背面暴露式技術(shù)相比，Triphibian技術(shù)具備更強(qiáng)的固有穩(wěn)定性。

背面暴露式技術(shù)易受玻璃基座和引線鍵合面之間壓力差的影響，而Triphibian技術(shù)則不存在這一問(wèn)題。該設(shè)計(jì)能夠最大限度地減少局部應(yīng)力，提升傳感器的耐用性，使傳感器無(wú)需額外阻尼措施，便可承受高達(dá)2000bar/msec的瞬態(tài)壓力峰值以及高達(dá)210bar的靜態(tài)爆破壓力。此外，該傳感器的響應(yīng)時(shí)間極短，僅為0.4毫秒，能夠在工況快速變化的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

Triphibian技術(shù)優(yōu)勢(shì)

為進(jìn)一步提升傳感器性能，Triphibian傳感器在出廠時(shí)已完成校準(zhǔn)，在其整個(gè)使用壽命內(nèi)都能保持±0.5%的一致精度。這有助于在整個(gè)運(yùn)行生命周期內(nèi)，提升對(duì)精度要求嚴(yán)格的控制系統(tǒng)的性能。出廠校準(zhǔn)還省去了外部校準(zhǔn)的需求，方便了水表的組裝工作。

該傳感器內(nèi)置了保護(hù)功能，可防止過(guò)電壓（+40V）和反向電壓（- 40V）的損害，從而確保了傳感器在電氣和環(huán)境適應(yīng)性方面的穩(wěn)定性。其工作溫度范圍為 - 40°C至150°C，能夠在惡劣環(huán)境條件下可靠運(yùn)行，保證已部署的水表持續(xù)正常工作。

Triphibian傳感器易于集成到新系統(tǒng)或現(xiàn)有系統(tǒng)中。它們采用緊湊的SOIC16封裝，將模擬前端、16位數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、電壓調(diào)節(jié)器和輸出驅(qū)動(dòng)器集成到一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝解決方案中（如圖4所示）。

圖4registered:傳感器由邁來(lái)芯出廠校準(zhǔn)

這一設(shè)計(jì)極大地縮減了傳感器的整體占用空間，使PCB的布局更為簡(jiǎn)潔。同時(shí)，它還省去了大規(guī)模組裝后進(jìn)行校準(zhǔn)的環(huán)節(jié)（如圖4所示），進(jìn)而助力工程師簡(jiǎn)化水表的設(shè)計(jì)流程。

采用Triphibian技術(shù)的智能水表計(jì)量解決方案

“邁來(lái)芯（Melexis）推出的Triphibian傳感器技術(shù)，為致力于開(kāi)發(fā)智能水表計(jì)量應(yīng)用的工程師們提供了堪稱完美的解決方案。這項(xiàng)技術(shù)將高精度、高耐用性以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)完美融合，能夠充分滿足智能水表計(jì)量應(yīng)用所提出的嚴(yán)苛要求（如圖5所示）?！?/p>

圖5:邁來(lái)芯壓力傳感技術(shù)對(duì)比

Triphibian傳感器能夠提供高分辨率的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)，為水量測(cè)量的精準(zhǔn)性提供了堅(jiān)實(shí)保障，進(jìn)而有力推動(dòng)水資源的有效管理。該傳感器無(wú)論在氣體還是液體介質(zhì)應(yīng)用中，均展現(xiàn)出卓越的高精度與高可靠性。它能夠敏銳檢測(cè)到水流中的細(xì)微差異，而這些差異很可能預(yù)示著漏水或其他系統(tǒng)低效問(wèn)題，這些問(wèn)題在常規(guī)情況下往往難以被察覺(jué)。傳感器具備的高響應(yīng)性，使其能夠即時(shí)識(shí)別異常狀況，便于及時(shí)開(kāi)展維護(hù)工作，從而將水資源流失控制在最小范圍內(nèi)。

其獨(dú)特的懸臂式設(shè)計(jì)，為該技術(shù)賦予了超凡的耐用性和可靠性，這在器件可能暴露于極端溫度環(huán)境（如冰凍條件）時(shí)顯得尤為關(guān)鍵。對(duì)于水表而言，這種可靠性至關(guān)重要，因?yàn)樗硗ǔＰ枰掷m(xù)運(yùn)行數(shù)十年而無(wú)需維修。

智能水表可集成該傳感器經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)哪M、SENT或LIN輸出（具體輸出類型依型號(hào)而定）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這使得中央監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)χ悄芩W(wǎng)進(jìn)行智能化監(jiān)管，并及時(shí)采取糾正措施。該傳感器緊湊的一體化設(shè)計(jì)，極大地方便了其安裝到緊湊型改造水表和新型水表中，從而拓寬了其應(yīng)用范圍，無(wú)論是家庭供水系統(tǒng)還是大型市政供水系統(tǒng)，均可適用。

本質(zhì)上，Triphibian傳感器能夠在不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度或成本的前提下，提升水表的準(zhǔn)確性、耐用性和效率，助力工程師為水資源管理樹立全新的標(biāo)準(zhǔn)。

Triphibian技術(shù)優(yōu)勢(shì)

結(jié)論

當(dāng)下，全球正同時(shí)承受著氣候變化與資源稀缺的雙重重壓，在此背景下，高效且精準(zhǔn)的水計(jì)量需求變得比以往任何時(shí)候都更為緊迫。Triphibian傳感器憑借其創(chuàng)新設(shè)計(jì)與卓越的性能表現(xiàn)，有望在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的過(guò)程中發(fā)揮舉足輕重的作用。

Triphibian技術(shù)成功突破了傳統(tǒng)MEMS傳感器的固有局限，能夠在氣體和液體介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)可靠測(cè)量，進(jìn)而有力推動(dòng)了更智能的水計(jì)量系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。這些系統(tǒng)具備強(qiáng)大的適應(yīng)性，能夠經(jīng)受住不同環(huán)境條件下長(zhǎng)期使用的嚴(yán)峻考驗(yàn)。將此類傳感器集成到水管理系統(tǒng)中，不僅對(duì)于保護(hù)這一至關(guān)重要的資源意義重大，而且完全契合全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)以及相關(guān)監(jiān)管要求。

在我們大步邁向以數(shù)據(jù)智能利用作為自然資源管理核心要素的未來(lái)征程中，邁來(lái)芯（Melexis）的Triphibian傳感器為智能水計(jì)量領(lǐng)域樹立了全新的標(biāo)桿。它們能夠提供更為精準(zhǔn)、可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這將助力自來(lái)水公司和消費(fèi)者在未來(lái)數(shù)代人的時(shí)間里，更加高效地管理這一不可或缺的重要資源。