作者：Karel Claesen, 迈来芯产品线总监
可持续发展已成为全球紧迫任务，节约用水在环境管理中占据首要地位。随着全球积极应对气候变化和资源日益稀缺的挑战，计量水表已成为至关重要的诊断与监测工具。对更优质数据的需求，推动了先进技术的发展，这些技术有望实现更高的效率和精度。迈来芯（Melexis）作为传感器创新领域的领军者，凭借其Triphibian传感器技术，站在了这一变革的前沿。该技术有望助力工程师为现代社会重新定义水表计量方式。
压力传感器是水计量应用中的关键组件。压力传感技术的进步，不仅能够实现更精准的漏水检测、降低运营成本，还能推动更广泛的环保行动，减少资源浪费、保护生态环境。
本文对水计量行业进行了概述，并阐述了迈来芯公司（Melexis）先进的Triphibian传感器如何提升水计量系统的性能。
加强水资源管理的必要性
气候变化与全球人口增长，使得我们愈发需要高效管理宝贵的水资源。城市化进程的加速以及天气事件愈发难以预测，让精确测量水量和检测漏水的需求变得前所未有的迫切。
在欧盟，2022年约41%的人口面临水资源短缺问题，相较于2000年的30%显著增加。此外，欧洲水协（EurEau）估算，欧盟成员国因漏水造成的水资源损失高达25%。由此可见，了解并监测水流情况，对于减少水资源损失、保障未来水资源供应至关重要。
为此，各国政府和公用事业机构正将投资现代数字计量解决方案纳入其资源管理战略。出于对可持续发展的关注以及降低水费的需求，消费者的节水意识也在不断提升。因此，市场对于能够提供实时数据和分析，以支持高效用水的系统的需求日益增长。
需要更多数据助力行业升级
根据市场研究公司Frost & Sullivan的报告，欧洲智能水表解决方案市场有望迎来强劲增长。预计在2023年至2030年期间，该市场的复合年增长率将达7.4%，再过十年，其收入规模将达到22.6亿美元。这一增长趋势凸显出行业正广泛转向采用智能水表技术，该技术能够提供实时数据，进而优化资源管理。
全球范围内，有关用水的监管框架也在推动该行业采用兼具精准性与可靠性的解决方案。自2021年起生效的《欧洲饮用水指令》，便是众多旨在加强行业监测、提高透明度以减少漏水情况的全球举措之一。
数字化和智能化的水表技术可与更广泛的数字基础设施以及个人智能手机实现集成，从而提升测量精度、优化资源管理。而收集必要的数据，则依赖于引入更精确、更耐用的传感技术，这其中就包括迈来芯（Melexis）公司创新的Triphibian技术。
迈来芯Triphibian技术
“多年来，迈来芯在汽车压力传感器创新领域始终占据领先地位，凭借小型化、高精度的产品以及创新的封装方案，持续推动着行业的技术革新。其在汽车领域积累的深厚技术底蕴，催生了具有开创意义的Triphibian传感技术。”
Triphibian技术成功突破MEMS压力传感器的固有局限。该技术具备长生命周期、高可靠性以及极低的维护需求等显著优势，因而成为水表计量系统的理想之选。毕竟，水表计量系统需在环境条件变化极大的情况下，高效运行数十年之久。
传统的MEMS压力传感器，受其结构特性影响，存在一些难以避免的缺陷。当承受超过20bar的压力时，传感器内部的凝胶或导线极易受损，进而导致传感器完全失效。此外，在使用相对压力传感器背面感压的MEMS器件时，还存在芯片与封装分离的风险（如图1所示）。
图1：常见的 MEMS 传感器失效机制
传统上，MEMS传感器的应用范围仅局限于气体压力传感领域。这是因为，若MEMS传感器与液体长时间接触，液体会对传感器的精度造成不利影响。具体而言，液体接触传感器时，可能会透过凝胶表面发生渗透，进而导致传感器输出出现漂移现象。虽然非MEMS压力传感器对大多数液态介质（冻结状态除外）具有一定的耐受性，但实现替代压力传感技术的小型化，仍然面临着重大的技术障碍。上述种种因素，都极大地限制了适用于智能水表计量任务的传感器的可选范围。
图2: Triphibian与传统MEMS器件的对比
迈来芯（Melexis）推出的Triphibian技术，成功攻克了传统MEMS传感器存在的诸多缺陷（如图2所示）。该传感器创新性地采用了悬浮悬臂设计，并在悬臂尖端集成了薄膜。基于这一独特设计，该传感器能够在气体和液体介质中，稳定且可靠地测量2至70bar范围内的压强。尤为突出的是，它还具备抵抗冻结介质的能力，这在MEMS压力传感器领域堪称一项开创性的突破（如图3所示）。
图3: 迈来芯Triphibian的独特悬浮悬臂设计
悬浮悬臂设计可确保传感元件周围的压力分布均匀，有效缓解压力峰值和爆破压力的影响。因此，与背面暴露式技术相比，Triphibian技术具备更强的固有稳定性。
背面暴露式技术易受玻璃基座和引线键合面之间压力差的影响，而Triphibian技术则不存在这一问题。该设计能够最大限度地减少局部应力，提升传感器的耐用性，使传感器无需额外阻尼措施，便可承受高达2000bar/msec的瞬态压力峰值以及高达210bar的静态爆破压力。此外，该传感器的响应时间极短，仅为0.4毫秒，能够在工况快速变化的环境中实现实时监测。
Triphibian技术优势
为进一步提升传感器性能，Triphibian传感器在出厂时已完成校准，在其整个使用寿命内都能保持±0.5%的一致精度。这有助于在整个运行生命周期内，提升对精度要求严格的控制系统的性能。出厂校准还省去了外部校准的需求，方便了水表的组装工作。
该传感器内置了保护功能，可防止过电压（+40V）和反向电压（- 40V）的损害，从而确保了传感器在电气和环境适应性方面的稳定性。其工作温度范围为 - 40°C至150°C，能够在恶劣环境条件下可靠运行，保证已部署的水表持续正常工作。
Triphibian传感器易于集成到新系统或现有系统中。它们采用紧凑的SOIC16封装，将模拟前端、16位数字信号处理器（DSP）、电压调节器和输出驱动器集成到一个系统级封装解决方案中（如图4所示）。
图4registered:传感器由迈来芯出厂校准
这一设计极大地缩减了传感器的整体占用空间，使PCB的布局更为简洁。同时，它还省去了大规模组装后进行校准的环节（如图4所示），进而助力工程师简化水表的设计流程。
采用Triphibian技术的智能水表计量解决方案
“迈来芯（Melexis）推出的Triphibian传感器技术，为致力于开发智能水表计量应用的工程师们提供了堪称完美的解决方案。这项技术将高精度、高耐用性以及创新设计完美融合，能够充分满足智能水表计量应用所提出的严苛要求（如图5所示）。”
图5:迈来芯压力传感技术对比
Triphibian传感器能够提供高分辨率的压力测量数据，为水量测量的精准性提供了坚实保障，进而有力推动水资源的有效管理。该传感器无论在气体还是液体介质应用中，均展现出卓越的高精度与高可靠性。它能够敏锐检测到水流中的细微差异，而这些差异很可能预示着漏水或其他系统低效问题，这些问题在常规情况下往往难以被察觉。传感器具备的高响应性，使其能够即时识别异常状况，便于及时开展维护工作，从而将水资源流失控制在最小范围内。
其独特的悬臂式设计，为该技术赋予了超凡的耐用性和可靠性，这在器件可能暴露于极端温度环境（如冰冻条件）时显得尤为关键。对于水表而言，这种可靠性至关重要，因为水表通常需要持续运行数十年而无需维修。
智能水表可集成该传感器经温度补偿的模拟、SENT或LIN输出（具体输出类型依型号而定）的实时数据。这使得中央监控系统能够对智能水网进行智能化监管，并及时采取纠正措施。该传感器紧凑的一体化设计，极大地方便了其安装到紧凑型改造水表和新型水表中，从而拓宽了其应用范围，无论是家庭供水系统还是大型市政供水系统，均可适用。
本质上，Triphibian传感器能够在不增加系统复杂程度或成本的前提下，提升水表的准确性、耐用性和效率，助力工程师为水资源管理树立全新的标准。
Triphibian技术优势
结论
当下，全球正同时承受着气候变化与资源稀缺的双重重压，在此背景下，高效且精准的水计量需求变得比以往任何时候都更为紧迫。Triphibian传感器凭借其创新设计与卓越的性能表现，有望在应对这些挑战的过程中发挥举足轻重的作用。
Triphibian技术成功突破了传统MEMS传感器的固有局限，能够在气体和液体介质中实现可靠测量，进而有力推动了更智能的水计量系统的研发与应用。这些系统具备强大的适应性，能够经受住不同环境条件下长期使用的严峻考验。将此类传感器集成到水管理系统中，不仅对于保护这一至关重要的资源意义重大，而且完全契合全球可持续发展目标以及相关监管要求。
在我们大步迈向以数据智能利用作为自然资源管理核心要素的未来征程中，迈来芯（Melexis）的Triphibian传感器为智能水计量领域树立了全新的标杆。它们能够提供更为精准、可靠的实时数据，这将助力自来水公司和消费者在未来数代人的时间里，更加高效地管理这一不可或缺的重要资源。
