What is a PCB Sensor?

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PCB 传感器是电子设备中的关键组件，使设备能够感知、测量和响应环境变化，例如检测温度、压力、运动和湿度。这些传感器直接集成在印刷电路板 (PCB) 上，从而实现紧凑、高效且可靠的设备。

PCB传感器板的关键组件​

• 传感元件
  这是传感器系统的核心，它直接检测温度、压力、气体浓度或触摸等物理参数。
• 信号调理电路：
  直接传感元件的输出通常较弱且噪声较大。信号调理电路在信号数字化之前对其进行整形。
• ADC（模数转换器）
  由于大多数处理器仅处理数字信息，因此模拟传感器信号需要转换。这由模数转换器 (ADC) 完成，它将连续的模拟电压转换为离散的数字值。
• 与微控制器或处理器的接口
  微控制器 (MCU) 或处理器解码并解释数字化信号。
• 电源和调节
  大多数传感器和集成电路都需要稳定的电压。无噪声且稳定的电源至关重要，尤其对于模拟传感器而言。

PCB传感器的类型​

PCB 传感器有多种类型，每种类型都旨在测量特定的物理量。一些最常见的类型包括：
温度传感器
PCB 温度传感器用于测量特定物体或环境的温度。它们可以基于各种传感元件，例如热敏电阻、电阻温度检测器 (RTD) 或热电偶。

热敏电阻	电阻随温度变化	-90°C 至 130°C	±0.1°C 至 ±1.5°C
RTD	电阻随温度变化	-200°C 至 850°C	±0.1°C 至 ±1°C
热电偶	温差产生的电压	-270°C 至 1,260°C	±0.5°C 至 ±2°C

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传感器类型​

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工作原理​

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温度范围​

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准确性​

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压力传感器
PCB 压力传感器用于测量气体或液体的压力。它们可以基于各种传感元件，例如压阻应变计、电容式传感器或压电传感器。

压阻式	施加压力后电阻的变化	0 至 100,000 psi	±0.1% 至 ±0.5%
电容式	电容随施加压力而变化	0至10,000 psi	±0.1% 至 ±0.5%
压电	施加压力产生的电压	0 至 100,000 psi	±0.5% 至 ±2%

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传感器类型​

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工作原理​

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压力范围​

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准确性​

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湿度传感器
PCB 湿度传感器用于测量空气中的水蒸气含量。它们可以基于电容式或电阻式传感元件。

电容式	电容随湿度的变化	0% 至 100% 相对湿度	±2% 至 ±5% 相对湿度
电阻	电阻随湿度的变化	0% 至 100% 相对湿度	±2% 至 ±5% 相对湿度

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传感器类型​

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工作原理​

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湿度范围​

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准确性​

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光传感器
PCB 光传感器用于测量特定环境中的光强度。它们可以基于光电二极管、光电晶体管或光电阻。

光电二极管	入射光产生的电流	190至1,100纳米	1 纳秒至 100 纳秒
光电晶体管	入射光电流的放大	400至1,100纳米	1 μs 至 100 μs
光敏电阻	入射光引起的电阻变化	400至1,000纳米	1 毫秒至 100 毫秒

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传感器类型​

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工作原理​

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光谱范围​

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响应时间​

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传感器PCB的应用

物联网节点	环境监测、智能家居系统	温度/湿度、光线、空气质量、运动、门/窗、泄漏检测
工业自动化	过程控制、机器健康监测	压力、流量、液位、振动、温度、接近度、编码器
消费电子产品	智能手机、可穿戴设备	加速度计、陀螺仪、环境光、近距离、心率、血氧饱和度、运动
汽车电子	发动机控制、安全系统、ADAS	压力、温度、氧气、胎压监测系统 (TPMS)、安全气囊加速度计、雷达、摄像头、超声波
医疗器械	生命体征监测、诊断设备	ECG 电极、SpO₂ 探头、温度、生物传感器
环境与农业科技	气候/土壤监测、精准农业	土壤湿度、pH值、光照强度、气象站传感器

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场地​

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主要应用​

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传感器示例​

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为什么选择 PCB 传感器？​

• 无与伦比的精度和可靠性：在航空航天和国防等关键领域，测量精度对于成功和安全至关重要，PCB 传感器因其近乎绝对的可靠性而受到全球顶级客户的信赖。
• 出色的高频响应特性：压电技术本质上适合测量快速变化的动态信号，使得 PCB 传感器在捕捉冲击和爆炸等瞬态事件方面表现出色。
• 坚固耐用：设计用于承受恶劣的工业环境，包括高温、高湿度和强电磁干扰。
• 即插即用的便利性：得益于ICP®技术，用户无需使用复杂的外部电荷放大器，大大降低了系统集成的难度和成本。
• 强大的技术支持和全球服务网络： PCB提供深入的技术咨询和校准服务，确保用户始终如一地获得准确的数据。

如何构建 PCB 传感器模块：分步指南​

步骤 1：定义需求。
设计 PCB 传感器模块的第一步是明确功能和环境要求。这决定了待测量的物理参数（例如温度、压力或运动）、校准范围、所需精度、分辨率、响应时间以及任何环境条件，例如温度范围、湿度或电磁兼容性。在此阶段还必须考虑机械约束，包括电路板尺寸、形状和安装位置/方法。
步骤2：选择正确的传感器类型。
因此，选择合适的传感器需要考虑所选的参数组合及其预期应用。灵敏度、线性度和功耗等性能特性必须满足特定应用的要求。此外，还必须考虑接口（模拟或数字）、尺寸以及与其他电路的可用性和兼容性。
步骤3：原理图设计
接下来，将传感器添加到所选EDA工具（例如Altium Designer、KiCad或Autodesk Eagle）的原理图电路中。适当的集成定义了电气连接，使用了合适的信号调理组件（放大器、滤波器、ADC），甚至在适当的情况下实施电压保护。
步骤 4：PCB 布局。
为了最大限度地降低噪声和串扰，接地层、屏蔽和精心的走线布线至关重要。对于模拟传感器，建议使用短而直的走线。如有需要，可以采用差分信号布线。对于高精度设计，必须考虑通孔缝合的热管理和 EMI 保护。

步骤5：仿真和原型设计。
电路仿真涉及分析标称工作条件下信号行为的稳定性和响应能力。必须模拟信号完整性、热性能和功率分布。随后，开发并构建物理原型，以便在真实环境条件下进行验证。此步骤允许在实际条件下进行测试，以验证性能、应力耐受性和机械配合度。
步骤 6：测试和校准
传感器组装完成后，必须进行测试。测试内容包括负载测量、响应时间、分辨率、线性度以及整个负载范围内的精度。从稳健性角度来看，还可以进行环境压力测试。校准将使用这些测试数据进行，校准可以在受控条件下进行，也可以参考参考标准进行。某些应用可能需要将工厂校准数据存储在 PCB 的非易失性存储器中，而其他应用则可能允许在安装后进行现场校准。
步骤 7：量产
最终设计经过验证和确认后，即可进入量产阶段。这包括生成 Gerber 文件、物料清单 (BOM) 和装配指南。选择值得信赖的制造合作伙伴（例如 ELEPCB）对于确保质量、可追溯性、认证和标准至关重要。最终应用的良率优化、成本、自动化测试技术以及强制性法规合规性都必须纳入考虑。

结论​

从喧嚣的工厂到沉寂的实验室，从疾驰的赛车到翱翔的飞机，PCB传感器如同无处不在的“动态感官”，默默地将物理世界的动态变化转化为精准的数据流。它们不仅是精密测量的代名词，更是推动现代工业技术进步、保障人类安全的重要基石。
在选择动态测量解决方案时，PCB 传感器始终是追求卓越性能和可靠数据的人的明确选择。