SFM3019数字式质量流量计：医疗通风应用的理想之选

在医疗设备领域，尤其是在新冠疫情这样的全球大流行背景下，对高质量、高性能流量传感器的需求激增。Sensirion公司推出的SFM3019系列数字式质量流量计，正是为满足医疗通风设备的高流量需求而设计的解决方案。下面，我们就来详细了解一下这款产品。

文件下载：SEK-SFM3019.pdf

产品概述

SFM3019是Sensirion为支持全球新冠疫情期间医疗呼吸机对大量流量计的需求而推出的产品。它采用模块化组装方式，使用易于获取的经批准部件，并具备高产量制造能力。其外壳几何形状基于SFM3000流量计，因此在机械上与SFM3000兼容。该流量计的流量范围为 -10slm 至 +240slm，支持单向流量，可满足高流量应用需求，同时还能检测回流。为了最小化压力降，SFM3019在入口处配备了一个滤网。

关键特性

• 高流量范围：最高可达240slm，能满足多种医疗通风应用需求。
• 多气体校准：针对 (O_{2})、空气及其混合物进行校准，适用范围广。
• I2C接口：方便与其他设备进行通信和集成。
• 低压力降：减少对系统压力的影响，提高系统效率。
• 无需重新校准：节省时间和成本，提高使用便利性。

CMOSens®技术优势

• 可扩展性：便于根据不同应用需求进行定制和扩展。
• 高可靠性和长期稳定性：确保在长期使用过程中性能稳定，减少维护成本。
• 出色的信噪比：提供更准确的测量结果。
• 行业验证技术：拥有超过15年的应用记录，值得信赖。
• 适合大规模生产：降低生产成本，提高市场竞争力。
• 高工艺能力：保证产品质量的一致性和稳定性。

详细规格

流量规格

SFM3019的流量测量范围为 -10slm 至 +240slm，在不同流量区间具有不同的精度。在0 - 240slm 范围内，精度为 ±3%（典型值 ±2%）；在 -10 - 0slm 范围内，精度为 ±5%（典型值 ±3%）。零点误差最大为0.1slm（典型值0.05slm），噪声水平在全量程范围内为 ±1.5%（典型值 ±1%）。此外，它还具有快速的流量阶跃响应时间（<3ms）和16位的分辨率。

温度规格

温度测量范围为 -20°C 至 +85°C，分辨率为16位。在 -10°C 至 +60°C 范围内，精度为 ±2°C；在其他范围内，精度为 ±3°C，重复性为0.1°C。

电气规格

• 电源电压：2.7V - 5.5V，推荐使用3.3V ± 5%。
• 上电/掉电电平：2.3V - 2.7V。
• 供电电流：测量时典型值为3.8mA，空闲状态为1.1mA，睡眠模式为1μA。

时序规格

• 上电时间：典型值为2ms。
• 软复位时间：最大为2ms。
• 预热时间：典型值为30ms。
• I2C SCL频率：400kHz - 1000kHz。
• 流量值更新速率：1800Hz - 2200Hz。
• 温度值更新速率：至少每16个流量值更新一次。

机械规格

• 工作压力范围：0.7 - 1.3 bar 绝对压力。
• 允许过压：-0.2 - 0.2 bar 表压。
• 额定爆破压力：>1 bar 表压。
• 重量：14.6g。

材料

与介质接触的材料包括PPE + PS 混合物、Si、玻璃、金、FR4、铜合金、无铅焊料、环氧树脂、聚氨酯和不锈钢等，符合REACH和RoHS标准。

绝对最小和最大额定值

• 电源电压：-0.3V - 5.5V。
• 引脚最大电压：-0.3V - VDD + 0.3V。
• 输入电流：±70mA。
• 工作温度范围：0°C - +60°C（空气和 (N_{2}) 环境）。
• 存储温度范围：-20°C - +70°C。
• 长期暴露最大湿度：40°C 露点。
• ESD HBM：2kV。

引脚分配

SFM3019系列采用I2C接口，引脚包括SCL（串行时钟）、VDD（电源）、GND（接地）和SDA（双向串行数据）。其引脚间距为0.5mm，帽盖与DuraClik™ 线对板插座外壳兼容。

测量模式

连续测量

传感器接收到“开始连续测量”命令后，进入相应测量模式，每约0.5ms进行一次连续测量，可每0.5ms获取一次新的读数。每次读数包含流量、温度和状态字三个测量值。

流量值平均模式

• 平均至读取模式（Average-until-read）：这是启动和复位后的默认模式。在该模式下，传感器在读取前对所有测量值进行平均。在最初的64ms内，采用算术平均值计算；超过64ms后，采用指数平滑算法（平滑因子 (alpha = 0.02)）。为避免信息丢失，建议至少每64ms读取一次传感器数据。
• 固定N平均模式（Fixed-N averaging）：用户可设置将N（1 ≤ N ≤ 128）个测量值进行平均。更新时间为 (N * 0.5ms)，平均后的值为 (N) 个测量值的算术平均值。若不需要平均，可将 (N) 设置为1。

传感器启动和预热行为

系统上电后，传感器响应通信请求的典型时间为2ms；软复位后，若SCL线为高，传感器响应通信请求的时间同样为2ms。传感器复位或启动后，内部加热器关闭，执行“开始连续测量”命令后自动开启。首次测量在命令发出后约12ms准备就绪，由于热测量原理，通常需要30ms的预热时间才能进行准确测量。

启动时传感器检查

气体流量传感器在启动时会自动使用CRC校验和检查其整个内存内容（包括所有气体和气体混合物的查找表以及整个配置）的完整性。若CRC校验失败，I2C接口将被停用。此外，还可使用“读取产品标识符”命令（命令代码0xE102）进一步检查传感器连接是否正确以及I2C地址是否分配正确。

数字接口描述

I2C地址

SFM3019的I2C地址为0x2E（二进制为b 0101110），在I2C协议中，其后跟随一个读或写位。

I2C序列

命令长度为16位，若命令需要参数，则后面跟随16位参数和8位校验和。数据从传感器读取时，以16位字为单位，每个字后面跟随8位校验和，以确保通信可靠性。I2C序列可通过NACK和STOP条件中止。

I2C命令

• 开始连续测量并读取结果：根据不同的气体或气体混合物，有多个命令代码可供选择。命令发送后，芯片持续测量并更新结果，可通过单个I2C读取头连续读取新结果。首次测量结果在12ms后可用，前30ms内可能会出现小的精度偏差。
• 更新浓度：用于动态更新二元气体混合物的浓度，通过两个I2C传输指令实现。更新浓度后，无需新的启动命令即可读取测量结果，但浓度值更新频率不得超过每秒一次，且不得超过1000。
• 停止连续测量：命令代码为0x3FF9，可使传感器停止连续测量并进入空闲模式。传感器接收停止命令后，最多需要0.5ms关闭加热器并进入空闲模式。
• 配置平均模式：命令代码为0x366A，可设置平均测量值的数量 (N)。复位后，默认平均模式为平均至读取模式（(N = 0)），允许的最大平均数量为128。
• 读取比例因子、偏移量和流量单位：命令代码为0x3661，可获取将流量读数转换为物理单位所需的比例因子和偏移量。流量单位为固定值0x0148，对应标准升每分钟（slm）。
• 软复位：命令代码为0x0006，复位后传感器通常需要2ms恢复，在此期间不响应地址和命令。
• 进入和退出睡眠模式：进入睡眠模式命令代码为0x3677，传感器只能从空闲模式进入睡眠模式，该模式可显著降低功耗。退出睡眠模式时，传感器在接收到有效I2C地址和写位（‘0’）后进入空闲模式，通常需要16ms。
• 读取产品标识符：可从空闲模式下读取产品标识符和序列号。

校验和计算

每个数据字后面传输的8位CRC校验和由CRC算法生成，其属性包括多项式0x31、初始值0xFF等。

数字格式和物理值转换

• 流量：传感器读取的数字校准气体流量信号为16位有符号整数，可通过减去偏移量并除以比例因子转换为物理值（气体流量 (slm = frac{传感器输出 - 偏移量}{比例因子})）。
• 温度：数字校准温度信号同样为16位有符号整数，转换公式为温度 (^{circ}C = frac{传感器输出 - 偏移量}{比例因子})。
• 流量单位：流量单位特定于每个校准气体或气体混合物，可通过I2C命令读取，其信息编码在16位无符号字的前13位中。

其他信息

封装和焊接

SFM3019可使用标准波峰焊接系统进行焊接，不适合回流焊接，否则可能损坏传感器。如需更多信息，请联系Sensirion。

标签信息

每个传感器的标签包含产品部件名称、产品订单号、QR码和序列号等信息。

运输包装

包装单位为每托盘20个，托盘尺寸为38.3 x 28.3 x 4.7 cm，最小订单数量为6托盘，6托盘的箱子尺寸为41 x 31 x 32 cm。

修订历史

该产品的文档在2021年6月和7月进行了修订，包括去除初步声明和免责声明、完善脚注以及修正流量规格等。

重要注意事项

• 安全警告：请勿将该产品用作安全或紧急停止设备，或用于产品故障可能导致人身伤害的任何其他应用。在安装、处理、使用或维护产品前，请查阅数据手册和应用笔记。
• ESD预防：该组件对静电放电敏感，处理时应采取常规的ESD预防措施。
• 保修：Sensirion对产品提供12个月的保修，前提是在出现缺陷后14天内书面通知，并证明缺陷是由Sensirion的设计、材料或工艺问题引起的。

SFM3019数字式质量流量计凭借其出色的性能、丰富的功能和可靠的质量，为医疗通风设备提供了一个理想的流量测量解决方案。电子工程师在设计相关设备时，可根据实际需求充分利用该产品的特点，打造出更加高效、稳定的系统。你在实际应用中是否遇到过类似的流量传感器？它们的表现如何呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。