Analiza awarii: przetwornik ciśnienia MEMS

/parametry/przetwornik-cisnienia-mems/ wersja raportu: 1.0 ID sprawy: MEMS-PRS-25-241

Zakres: krzemowe przetworniki ciśnienia MEMS (mostek piezorezystancyjny + ASIC) stosowane do pomiaru poziomu wody i detekcji zatorów. Zakres roboczy: 0–45 mH₂O (0–441 mbar), nadciśnienie do 1 bar. Interfejs: I²C 100/400 kHz lub SENT 3 kHz, rozdzielczość 12–16 bit, V_dd=3,3 V. Filtry FW: IIR α=0,15, median 5pkt, okno diagnostyczne 15 min.

Objawy i kody błędów

Fałszywe przepełnienia lub niedopełnienia (błąd poziomu ±7–15 mbar) zależne od temperatury.
Skoki odczytu podczas pracy pompy spustowej i grzałki (sprzęganie EMI + wibracje).
Wydłużony czas stabilizacji po starcie (> 10 s), sporadyczne time-outy magistrali.
Kody: E:PRS-40 (niespójność krzywej P–t), E:I2C-21 (NACK/timeout), W:TMP-06 (kompensacja T niewystarczająca), W:FLT-02 (filtr saturuje).

Kod	Warunek zapisu	Skutek
`E:PRS-40`	\|ΔP/Δt\| < 0,25 mbar/s przy aktywnym napełnianiu ≥ 8 s	przerwanie cyklu, drenaż
`E:I2C-21`	≥ 3 NACK/100 cykli odczytu @400 kHz	reset magistrali, retry ×2
`W:TMP-06`	\|Δoffset/ΔT\| > 0,12 mbar/°C	korekta soft
`W:FLT-02`	\|P_raw−P_filt\| > 10 mbar przez ≥ 1 s	log ostrzegawczy

Stanowisko i metodyka

Stanowisko: kolumna wodna 0–50 mH₂O z precyzyjną skalą, wytwornica ciśnienia 0–600 mbar (0,1%), manometr referencyjny kl. 0,25, komora klimatyczna 20±1/60±1 °C, generator EMI 150 kHz–30 MHz, oscyloskop 200 MHz + sonda różnicowa. Procedury: kalibracja 6-punktowa (0/7/14/21/30/40 mH₂O), test ramp 0→30 mH₂O, test wibracyjny 10–14 Hz @ 0,6 g, kampania EMI z imitacją PWM grzałki i pompy.

Parametr	Wartość ref.	Uwagi
czułość	1,8–2,2 mV/V/kPa	mostek MEMS
ADC / SENT	12–16 bit	LSB ≈ 0,08–0,20 mbar
τ pneumatyczne	0,6–1,1 s	wężyk 3×5 mm, 0,6–0,9 m
PSRR toru	> 55 dB @100 kHz	zasilanie 3,3 V

Wyniki i obserwacje

Dryf temperaturowy offsetu: po rozgrzaniu do 60 °C offset wzrastał o +5,8…+9,7 mbar; regresja |Δoffset/ΔT|=0,14±0,03 mbar/°C → W:TMP-06. Bez rekalibracji błąd poziomu osiągał +9–12 mbar.
Kondensacja i histereza pneumatyczna: w 8/27 próbkach wykryto kondensat w kubku pomiarowym i wężyku; różnica ramp up/down 6,2–9,1 mbar. Objawiało się to jako „martwa strefa” przy szybkim napełnianiu.
EMI/przełączanie: praca grzałki i pompy (triak/PWM 10–20 kHz) generowała zaburzenia 200–600 kHz; |P_raw−P_filt| rosło do 12–18 mbar → W:FLT-02. Niewystarczająca filtracja zasilania sensora (C_in=100 nF bez bulk).
Interfejs I²C/SENT: przy 400 kHz i pętli mas > 8 cm rejestrowano wzrost rise-time i losowe NACK → E:I2C-21. Kanał SENT poprawny, ale podatny na jitter przy braku kwarcu MCU.
Zużycie ASIC/ESD: w 3 modułach obserwowano zwiększony szum wyjściowy (σ 2,1–3,4 mbar) i sporadyczne „zęby” co 25–40 ms; podejrzenie częściowego uszkodzenia wejścia wzmacniacza po zdarzeniu ESD.

LOG START [MEMS-PRS-25-241]
t[s]  P_ref[mbar]  P_raw[mbar]  P_filt[mbar]  T[°C]  Bus  Flags
0.0   0            +1.7         +0.8          22.4   I2C  OK
18.2  176          171.3        168.5         23.6   I2C  OK
41.5  176          186.9        179.7         24.9   I2C  W:FLT-02
402.7 0            +8.6         +5.4          59.1   I2C  W:TMP-06
417.9 220          238.1        230.6         59.7   I2C  E:PRS-40
LOG END

Hipotezy przyczynowe (ranking)

T-DRIFT: kompensacja temperaturowa ASIC niewystarczająca dla danego montażu/obudowy (priorytet: wysoki).
UKŁAD POWIETRZNY: kondensacja i kompresja kolumny powietrza → histereza, opóźnienia, błędy ramp (wysoki).
EMI/ZASILANIE: brak bulk 4,7–10 µF blisko sensora i słabe PSRR toru 3,3 V → podatność na PWM (średni/wysoki).
INTERFEJS: pętle mas, zbyt duże R_PU → flanki wolne, NACK/timeout (średni).
ESD/ANALOG: degradacja wejścia wzmacniacza → szum i „zęby” P_raw (średni).

Wycinek procedury serwisowej

Odłączyć 230 VAC; odpiąć wężyk i osuszyć układ (sprężone powietrze < 0,5 bar, suchy filtr). Sprawdzić szczelność: 200 mbar, spadek < 5 mbar/60 s.
Zasilanie sensora: dodać 100 nF + 4,7–10 µF (low-ESR) bezpośrednio przy pinach; PSRR @100 kHz ≥ 55 dB. Poprowadzić GND gwiazdą.
I²C: R_PU=3,3–4,7 kΩ, rise-time < 1,2 µs @400 kHz; pętla mas < 3 cm; w razie problemów przejść na 100 kHz lub SENT.
Rekalibracja: 0/200 mbar w 25 °C i 55–60 °C; odchyłka offsetu docelowo ≤ ±3 mbar, błąd skali < 1,5%.
Anty-EMI: ferryt 600 Ω@100 MHz na zasilaniu sensora, RC 100 Ω/1 nF na wejściu ADC (jeśli stosowane). Dystans i izolacja wibracyjna czujnika od pompy.
Test końcowy: napełnianie 0→30 mH₂O w 45 s; |błąd| < ±3 mbar, brak E:PRS-40/E:I2C-21, |P_raw−P_filt| < 5 mbar.

Wnioski

Awaryjność przetworników ciśnienia MEMS w AGD wynika głównie z dryftu temperaturowego offsetu, histerezy układu powietrznego spowodowanej kondensacją oraz podatności na EMI/pulsacje zasilania. Po osuszeniu i uszczelnieniu toru, dołożeniu filtracji zasilania, korekcie I²C/SENT i rekalibracji 0/200 mbar uzyskano stabilność odczytu < ±3 mbar oraz eliminację E:PRS-40/E:I2C-21 w testach powtarzalnych.

Przypadki rekurencyjne kierować do jednostki lokalnej wraz z logami P_raw/P_filt, temperaturą oraz zrzutami z magistrali.