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

可持續(xù)發(fā)展已成為全球緊迫任務，節(jié)約用水在環(huán)境管理中占據(jù)首要地位。隨著全球積極應對氣候變化和資源日益稀缺的挑戰(zhàn)，計量水表已成為至關重要的診斷與監(jiān)測工具。對更優(yōu)質數(shù)據(jù)的需求，推動了先進技術的發(fā)展，這些技術有望實現(xiàn)更高的效率和精度。邁來芯（Melexis）作為傳感器創(chuàng)新領域的領軍者，憑借其Triphibian傳感器技術，站在了這一變革的前沿。該技術有望助力工程師為現(xiàn)代社會重新定義水表計量方式。

壓力傳感器是水計量應用中的關鍵組件。壓力傳感技術的進步，不僅能夠實現(xiàn)更精準的漏水檢測、降低運營成本，還能推動更廣泛的環(huán)保行動，減少資源浪費、保護生態(tài)環(huán)境。

本文對水計量行業(yè)進行了概述，并闡述了邁來芯公司（Melexis）先進的Triphibian傳感器如何提升水計量系統(tǒng)的性能。

加強水資源管理的必要性

氣候變化與全球人口增長，使得我們愈發(fā)需要高效管理寶貴的水資源。城市化進程的加速以及天氣事件愈發(fā)難以預測，讓精確測量水量和檢測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，歐盟成員國因漏水造成的水資源損失高達25%。由此可見，了解并監(jiān)測水流情況，對于減少水資源損失、保障未來水資源供應至關重要。

為此，各國政府和公用事業(yè)機構正將投資現(xiàn)代數(shù)字計量解決方案納入其資源管理戰(zhàn)略。出于對可持續(xù)發(fā)展的關注以及降低水費的需求，消費者的節(jié)水意識也在不斷提升。因此，市場對于能夠提供實時數(shù)據(jù)和分析，以支持高效用水的系統(tǒng)的需求日益增長。

需要更多數(shù)據(jù)助力行業(yè)升級

根據(jù)市場研究公司Frost & Sullivan的報告，歐洲智能水表解決方案市場有望迎來強勁增長。預計在2023年至2030年期間，該市場的復合年增長率將達7.4%，再過十年，其收入規(guī)模將達到22.6億美元。這一增長趨勢凸顯出行業(yè)正廣泛轉向采用智能水表技術，該技術能夠提供實時數(shù)據(jù)，進而優(yōu)化資源管理。

全球范圍內(nèi)，有關用水的監(jiān)管框架也在推動該行業(yè)采用兼具精準性與可靠性的解決方案。自2021年起生效的《歐洲飲用水指令》，便是眾多旨在加強行業(yè)監(jiān)測、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可與更廣泛的數(shù)字基礎設施以及個人智能手機實現(xiàn)集成，從而提升測量精度、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，這其中就包括邁來芯（Melexis）公司創(chuàng)新的Triphibian技術。

邁來芯Triphibian技術

“多年來，邁來芯在汽車壓力傳感器創(chuàng)新領域始終占據(jù)領先地位，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)推動著行業(yè)的技術革新。其在汽車領域積累的深厚技術底蘊，催生了具有開創(chuàng)意義的Triphibian傳感技術?！?/p>

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

傳統(tǒng)的MEMS壓力傳感器，受其結構特性影響，存在一些難以避免的缺陷。當承受超過20bar的壓力時，傳感器內(nèi)部的凝膠或導線極易受損，進而導致傳感器完全失效。此外，在使用相對壓力傳感器背面感壓的MEMS器件時，還存在芯片與封裝分離的風險（如圖1所示）。

圖1：常見的 MEMS 傳感器失效機制

傳統(tǒng)上，MEMS傳感器的應用范圍僅局限于氣體壓力傳感領域。這是因為，若MEMS傳感器與液體長時間接觸，液體會對傳感器的精度造成不利影響。具體而言，液體接觸傳感器時，可能會透過凝膠表面發(fā)生滲透，進而導致傳感器輸出出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。雖然非MEMS壓力傳感器對大多數(shù)液態(tài)介質（凍結狀態(tài)除外）具有一定的耐受性，但實現(xiàn)替代壓力傳感技術的小型化，仍然面臨著重大的技術障礙。上述種種因素，都極大地限制了適用于智能水表計量任務的傳感器的可選范圍。

圖2: Triphibian與傳統(tǒng)MEMS器件的對比

邁來芯（Melexis）推出的Triphibian技術，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計，并在懸臂尖端集成了薄膜?；谶@一獨特設計，該傳感器能夠在氣體和液體介質中，穩(wěn)定且可靠地測量2至70bar范圍內(nèi)的壓強。尤為突出的是，它還具備抵抗凍結介質的能力，這在MEMS壓力傳感器領域堪稱一項開創(chuàng)性的突破（如圖3所示）。

圖3: 邁來芯Triphibian的獨特懸浮懸臂設計

懸浮懸臂設計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，與背面暴露式技術相比，Triphibian技術具備更強的固有穩(wěn)定性。

背面暴露式技術易受玻璃基座和引線鍵合面之間壓力差的影響，而Triphibian技術則不存在這一問題。該設計能夠最大限度地減少局部應力，提升傳感器的耐用性，使傳感器無需額外阻尼措施，便可承受高達2000bar/msec的瞬態(tài)壓力峰值以及高達210bar的靜態(tài)爆破壓力。此外，該傳感器的響應時間極短，僅為0.4毫秒，能夠在工況快速變化的環(huán)境中實現(xiàn)實時監(jiān)測。

Triphibian技術優(yōu)勢

為進一步提升傳感器性能，Triphibian傳感器在出廠時已完成校準，在其整個使用壽命內(nèi)都能保持±0.5%的一致精度。這有助于在整個運行生命周期內(nèi)，提升對精度要求嚴格的控制系統(tǒng)的性能。出廠校準還省去了外部校準的需求，方便了水表的組裝工作。

該傳感器內(nèi)置了保護功能，可防止過電壓（+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)字信號處理器（DSP）、電壓調(diào)節(jié)器和輸出驅動器集成到一個系統(tǒng)級封裝解決方案中（如圖4所示）。

圖4registered:傳感器由邁來芯出廠校準

這一設計極大地縮減了傳感器的整體占用空間，使PCB的布局更為簡潔。同時，它還省去了大規(guī)模組裝后進行校準的環(huán)節(jié)（如圖4所示），進而助力工程師簡化水表的設計流程。

采用Triphibian技術的智能水表計量解決方案

“邁來芯（Melexis）推出的Triphibian傳感器技術，為致力于開發(fā)智能水表計量應用的工程師們提供了堪稱完美的解決方案。這項技術將高精度、高耐用性以及創(chuàng)新設計完美融合，能夠充分滿足智能水表計量應用所提出的嚴苛要求（如圖5所示）?！?/p>

圖5:邁來芯壓力傳感技術對比

Triphibian傳感器能夠提供高分辨率的壓力測量數(shù)據(jù)，為水量測量的精準性提供了堅實保障，進而有力推動水資源的有效管理。該傳感器無論在氣體還是液體介質應用中，均展現(xiàn)出卓越的高精度與高可靠性。它能夠敏銳檢測到水流中的細微差異，而這些差異很可能預示著漏水或其他系統(tǒng)低效問題，這些問題在常規(guī)情況下往往難以被察覺。傳感器具備的高響應性，使其能夠即時識別異常狀況，便于及時開展維護工作，從而將水資源流失控制在最小范圍內(nèi)。

其獨特的懸臂式設計，為該技術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）時顯得尤為關鍵。對于水表而言，這種可靠性至關重要，因為水表通常需要持續(xù)運行數(shù)十年而無需維修。

智能水表可集成該傳感器經(jīng)溫度補償?shù)哪M、SENT或LIN輸出（具體輸出類型依型號而定）的實時數(shù)據(jù)。這使得中央監(jiān)控系統(tǒng)能夠對智能水網(wǎng)進行智能化監(jiān)管，并及時采取糾正措施。該傳感器緊湊的一體化設計，極大地方便了其安裝到緊湊型改造水表和新型水表中，從而拓寬了其應用范圍，無論是家庭供水系統(tǒng)還是大型市政供水系統(tǒng)，均可適用。

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

Triphibian技術優(yōu)勢

結論

當下，全球正同時承受著氣候變化與資源稀缺的雙重重壓，在此背景下，高效且精準的水計量需求變得比以往任何時候都更為緊迫。Triphibian傳感器憑借其創(chuàng)新設計與卓越的性能表現(xiàn)，有望在應對這些挑戰(zhàn)的過程中發(fā)揮舉足輕重的作用。

Triphibian技術成功突破了傳統(tǒng)MEMS傳感器的固有局限，能夠在氣體和液體介質中實現(xiàn)可靠測量，進而有力推動了更智能的水計量系統(tǒng)的研發(fā)與應用。這些系統(tǒng)具備強大的適應性，能夠經(jīng)受住不同環(huán)境條件下長期使用的嚴峻考驗。將此類傳感器集成到水管理系統(tǒng)中，不僅對于保護這一至關重要的資源意義重大，而且完全契合全球可持續(xù)發(fā)展目標以及相關監(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征程中，邁來芯（Melexis）的Triphibian傳感器為智能水計量領域樹立了全新的標桿。它們能夠提供更為精準、可靠的實時數(shù)據(jù)，這將助力自來水公司和消費者在未來數(shù)代人的時間里，更加高效地管理這一不可或缺的重要資源。