- はじめに: 私たちは多くの圧力センサーを使用していますが、一定期間使用すると圧力センサーがドリフトすることがよくあります。圧力センサーがドリフトする原因は何ですか?設計中に圧力センサーのドリフトを排除するにはどうすればよいでしょうか?
センサードリフトの原因
センサードリフトとは、センサーの出力値が時間の経過とともに変化する現象を指します。このドリフトによりセンサーの測定結果が不正確になる可能性があり、実際のアプリケーションでの信頼性と安定性に影響を与えます。センサーのドリフトには多くの理由がありますが、以下で 1 つずつ紹介します。
- 温度変化: 温度変化は、センサーのドリフトの一般的な原因の 1 つです。温度変化によりセンサー素子内の材料が膨張・収縮し、センサーの機械的構造や電気的特性に影響を及ぼし、出力値がドリフトすることがあります。たとえば、温度が上昇すると抵抗センサーの抵抗値が増加し、出力値が増加します。
- 電源の変化：センサーの出力値は電源電圧の影響を受けます。電源電圧が変化すると、センサーの出力値も変化します。これは、電源電圧の変化によりセンサーの内部回路の動作状態が変化し、出力信号の振幅と安定性に影響を与えるためです。
- 長期使用: 長期使用もセンサードリフトの重要な原因となります。使用中に、センサーは機械的、化学的、または熱による膨張収縮要因の影響を受け、内部構造が変化し、出力値がドリフトすることがあります。さらに、センサーは振動や衝撃などの外部環境要因の影響を受ける可能性があり、ドリフト現象がさらに悪化します。
- センサーの経年劣化: 時間の経過とともにセンサーの性能が徐々に低下し、ドリフトが発生する場合があります。これは、使用時間の経過とともにセンサー内部の材料や部品が劣化し、物理的特性が変化するためです。たとえば、センサー内の電解液が徐々に排出され、感度と安定性が低下し、出力値がドリフトします。
- 環境の影響: センサーのドリフトは環境要因にも影響される可能性があります。たとえば、気圧、湿度、光などの環境要因の変化により、センサーの出力値がドリフトする場合があります。これは、環境要因の変化によりセンサーと測定対象物の相互作用が変化し、センサーの測定精度や安定性に影響を与えるためです。
圧力センサー開発の初期には、拡散シリコンチップと金属ベースを封止するためにガラス粉末が使用されていました。欠点は、加圧チップの周囲に大きな応力があり、アニールを行っても応力を完全に除去できないことでした。温度が変化すると、金属、ガラス、拡散シリコンチップの熱膨張係数が異なるため、熱応力が発生し、センサーのゼロ点がドリフトします。これが、センサーのゼロ点熱ドリフトがチップのゼロ点熱ドリフトよりもはるかに大きい理由です。銀ペーストや端子溶接の取り扱いを誤ると、接触抵抗が不安定になりやすくなります。特に温度が変化すると接触抵抗が変化しやすくなります。これらの要因が、センサーの大きなゼロ点ドリフトと温度ドリフトの原因となります。
ゼロ点熱ドリフトの原因の半導体理論分析: ドーピング濃度と抵抗器の抵抗値が一致している場合にのみ、ブリッジのゼロ点出力電圧が小さくなり、ゼロ点熱ドリフトも小さくなり、センサーの性能向上に非常に役立ちます。ただし、拡散中に均一なドーピング分布を達成するのは簡単ではないため、バリスタ ストリップはできる限り近づけて、できるだけ短くする必要があります。
ゼロ点熱ドリフトの原因の回路解析: 理想的には、ホイートストン ブリッジを構成する 4 つの拡散抵抗の抵抗値は等しい必要があります。ゼロ点温度ドリフトは、温度による拡散抵抗値の変化によって引き起こされます。ある温度範囲内では、温度の上昇に伴って抵抗値が増加します。つまり、拡散抵抗の温度係数 R は正になります。
センサードリフトの問題のソリューション
全体として、圧力センサーのゼロドリフト補償は、ハードウェア補償とソフトウェア補償の 2 つの方向に分けることができます。
ハードウェアゼロ補正方式：
ブリッジアームの直列および並列における適切な定抵抗方式：ブリッジアームサーミスタ補償方式、ブリッジ外部直列および並列サーミスタ補償方式、デュアルブリッジ補償技術、トランジスタ補償技術など。回路設計を最適化します。 合理的な回路設計により、センサーのドリフトの影響を軽減できます。たとえば、温度補償回路を使用すると、センサー出力値に対する温度変化の影響を補正し、測定精度と安定性を向上させることができます。さらに、フィルタリングや増幅などの回路設計方法を使用して、電源の変化や環境によるセンサーへの干渉の影響を排除することもできます。
ソフトウェア補償ゼロドリフト方式: 信号収集過程では、トリガ信号が発生していないときから、収集トリガが発生するまで、および収集完了後まで、入力信号はゼロであり、出力信号はゼロではありません。この収集された出力データはランダム ノイズの形で存在しますが、データの計算や処理には意味がありません。この期間中に収集された信号値をゼロ ドリフトと定義します。
採用されたソフトウェア方式は次のとおりです。
多項式フィッティングの指定方法。実際の測定においては、圧力センサーで測定される温度や圧力などの物理量と出力値は厳密な線形関係にないため、その関数関係は多項式となることが多いです。多項式を使用して非線形信号を近似することができ、重要なのはその係数を解くことです。
RBFニューラルネットワーク方式。基本原則: 通常、ゼロ点温度補償ソフトウェア アルゴリズムの計算方法は比較的複雑で、フィッティング精度が制限されることがよくあります。人工ニューラル ネットワーク法には、サンプル数が少なく、アルゴリズムが単純で、任意の関数を近似できる、応用の可能性が高いなどの利点があります。
また、ソフトウェア方式には、テーブルルックアップ方式、補間方式なども含まれます。
ドリフトの影響を軽減するには、次の措置を講じることができます。
- 温度の安定化：温度変動の影響を避けるため、センサーをできるだけ一定の温度状態に保ちます。
- 温度補償手段を使用する: センサー内に温度センサーを追加し、温度変化を感知して補正補償を実行します。
- 適切な基板接合方法を選択する: 適切な基板接合方法を使用すると、機械的ストレスの影響を軽減できます。
- 独立したアンプを選択する: 独立したアンプを使用して信号を増幅すると、他の外部要因の影響を受けず、ドリフトの問題を軽減できます。
- 自動キャリブレーション技術を使用: 自動キャリブレーションにより、センサーはさまざまな温度、湿度、その他の環境下でも安定した出力を維持できます。
- 高精度のセンサーを選択する: 高精度のセンサーはドリフトが小さいため、衝撃を軽減できます。
- ドリフトデータを処理する: 一定期間にわたってデータを収集し、ドリフトデータを平均化することで、測定結果に対するドリフトの影響を軽減できます。