- Авторы WFсенсорлары
Төмен қысымның дәлдігіне қойылатын талаптар артқан сайын, бір штамп көбінесе белгілі бір қате көздерін сенімді түрде жоя алмайды. Екі MEMS қысым өлшегішін тиісті өзара байланыстыру стратегияларымен жұптау жүйенің ығысуын қысқартуға және ұзақ мерзімді дрейфті басуға көмектеседі. Бұл бөлім инженерлік тәжірибеге және құрылғы деңгейіндегі талдауға сүйеніп, қос чипті компенсацияланған қысым датчиктерінің өте төмен толық масштабты диапазондарда (су дюймдерін ойлаңыз) қалай жүзеге асырылатынына, дизайн басымдықтары қандай екеніне және оларды қалай тексеруге және тексеруге болатынына назар аударады.
Каталог
1. Қос чипті тәсіл не үшін қажет
Өте төмен қысымдарда өлшеу кезінде бір чипті құрылғылар әдетте бірнеше көздерден ауытқуға және дрейфке ұшырайды: бастапқы ауытқуды тудыратын процестің вариациялары, температураға байланысты нөлді ауыстыратын қаптама кернеуі және шығыстың біртіндеп ауытқуын тудыратын ұзақ мерзімді материалдық кернеудің релаксациясы. Қарапайым бағдарламалық құралды түзету немесе негізгі тізбекті кесу температураға қатысты кейбір бөліктерді ғана қамтуы мүмкін; олар орау және өндіріс айырмашылықтарынан туындайтын белгілі бір жалпы режимдегі қателерді өңдемейді. Қос чипті шешім параллель қосылған немесе электрлік немесе пневматикалық жолмен айқастырылған екі сенсорды пайдаланады, осылайша олардың әрқайсысы екіншісіне сілтеме жасай алады және қысыммен өзгермейтін қате компоненттерін болдырмайды. Өте төмен диапазондар үшін — ауа ағынын анықтау, микро дифференциалды қысым және кейбір медициналық немесе қоршаған ортаны пайдалану — аппараттық деңгейдегі өтемақы көбінесе тұрақты көрсеткіштерді алудың және техникалық қызмет көрсету және қайта калибрлеу қажеттіліктерін азайтудың жалғыз сенімді жолы болып табылады. Іс жүзінде жақсы жобаланған қос чипті модуль ұзақ жұмыс кезінде нөлдік тұрақтылықты айтарлықтай жақсартады және термиялық циклдар мен қартаю сынақтарында жақсырақ қайталану мүмкіндігін көрсетеді. Бұл тәсіл әсіресе сигналдың дрейфі микровольт деңгейінде болғанда өзекті болып табылады — пакетті оңтайландыру және сәйкестендіру үдерісі сәттілік үшін өте маңызды.
Пассивті компенсацияның қолданылуы мен шектері
Пассивті компенсация бір матрицаны анықтама ретінде, екіншісін өлшеу құрылғысы ретінде орналастырады; анықтамалық матрица қысымға сезімтал шығысты бермейді, бірақ түзету желісін береді. Оның күшті жақтары қарапайым сұлба және қаптама өлшемдерінің қатаң шектеулеріне жарамдылығы; екі штамп бір пластинада іргелес болған кезде, процестің ауытқулары азайтылады және өндіріске байланысты ығысуларды тиімдірек жоюға болады. Дегенмен, пассивті орналасулар сигнал күшін төмендетеді және үлкен шығыс тербелісі қажет болғанда жарамсыз болуы мүмкін. Сондай-ақ оларда температураның күрт ауысуын немесе ұзақ мерзімді стресс релаксациясын түзету мүмкіндігі шектеулі; Инженерлер, әдетте, жетіспеушілікті толтыру үшін пассивті компенсацияны алдыңғы жақтағы күшейту және сүзумен қосады.
2. Қос чипті компенсация қалай жұмыс істейді
Екі жалпы іске асыру бар: бірі – «белсенді/анықтамалық» орналасу (бір қалып негізгі шығысты қамтамасыз етеді, ал екіншісі түзетуге сілтеме ретінде әрекет етеді); екіншісі – «қос белсенді» орналасу (екеуі де орташа шығысты шығару үшін біріктірілген сигналдарды береді). Екі тәсіл де екінші қалыпты пайдалану арқылы белсенді штамптың шығысының қысымға тәуелсіз бөліктерін алып тастауға немесе жоюға бағытталған. Дәл электрлік кросс-байланыс кезінде тірек сигналы ауытқуды түзету үшін негізгі шығыстан пропорционалды түрде жойылады. Қос белсенді конфигурацияларда қысымдарды механикалық түрде байланыстыра аласыз - пневматикалық арналар арқылы - осылайша орта немесе анықтамалық қысым екі мембрананың қарама-қарсы жақтарына қолданылады, механикалық деңгейдегі қателерді жоюға қол жеткізеді. Мұндай комбинациялар сызықтықты жақсартады және оң және теріс қысым сезімталдығын теңестіреді, өте төмен қысымда симметриялы, тұрақты көрсеткіштерді береді.
Пневматикалық айқаспалы және электрлік айқаспалы ілінісу механизмдері
Пневматикалық кросс-муфта бірдей анықтамалық қысымды екі мембрананың әртүрлі жақтарына бағыттау үшін орамдағы ішкі ағын жолдарын пайдаланады, осылайша механикалық кірістің өзі бір-бірін толықтырады. Осылайша, екі сенсор да бірдей сыртқы кедергіге тап болған кезде, олардың шығыстары болжамды және симметриялы болады, бұл төменгі ағын электроникасының орташа немесе айырмашылықтарды қабылдауын жеңілдетеді. Электрлік кросс-байланыс сигнал тізбегінде жұмыс істейді: жалпы құрамдастарды жою үшін шығыстар масштабталады және жинақталады немесе шегеріледі. Пневматикалық және электрлік кросс-байланыстыруды бірге пайдалану сигнал амплитудасын айтарлықтай төмендетпестен компенсация әсерін күшейтеді — мәні бойынша екі есе теріс көбейту әсері. Іске асыру ағын жолының кедергісіне, қаптаманың біркелкілігіне және электр шуының қосылуына назар аударуды қажет етеді, өйткені мұнда нашар таңдау жаңа кедергілерді тудыруы мүмкін.
1-суретте пассивті қос чипті компенсацияның схемалық диаграммасы көрсетілген.
3. Дизайн және қаптаманың негізгі шарттары
Қос чиптік идеяны аппараттық құралға айналдыру пакет дизайнын, пішінді таңдауды және термомеханикалық сәйкестікті шешуші етеді. Бір вафлиден және көрші позициялардан қалыптарды алу өтемақы дәлдігін айтарлықтай жақсартады, себебі температура коэффициенттері мен бастапқы кернеулер бір-біріне сәйкес келеді. Қаптамадағы ішкі сұйықтық арналары жауап беру жылдамдығының және тұрақты күйдің әрекетін қамтамасыз етуі керек — сәйкес келмейтін арна көлемдері немесе кедергілер уақытша жауаптарды бұрмалайтын тұрақты уақыт айырмашылығын тудырады. Металл ұштары, дәнекерлеу және эпоксидті CTE-лердегі айырмашылықтар (жылулық кеңею коэффициенттері) жиі дрейф көздері болып табылады; инженерлер кернеуі төмен қаптама материалдарын жақсы көреді және кернеу концентраторларын азайтады. Сондай-ақ шуды күшейтпей қиғаштықты түзететін алдыңғы жақты жасау үшін алдыңғы жақтағы күшейткіштің кіріс ауытқуларын, резисторларды сәйкестендіруді және сүзуді теңестіру керек. Осылайша компенсацияланған сенсор модулі ұзақ мерзімді тұрақтылықты жақсарта отырып, жоғары дәлдіктегі қысым сенсорының сезімталдығын сақтайды.
2-сурет дәстүрлі әдістермен салыстырғанда жалпы режим қатесін азайтатын қос чипті өтеу әдісін көрсетеді.
Пакет өлшемі, жылу өткізгіштігі және ұзақ мерзімді дрейфті басқару
Пакет өлшемі термиялық таралу мен кернеу жолдарына әсер етеді. Шағын пакеттер жылу біркелкілігін жақсартады, бірақ қол жеткізуге болатын пневматикалық арналарды шектей алады; үлкенірек пакеттер көбірек орналасу бөлмесін береді, бірақ температура градиенттерін енгізе алады. Ұзақ мерзімді дрейфті басқару материалды таңдаудан, кернеуді оқшаулаудан және алдын ала қартаюдан басталады: кернеуі төмен интерфейс материалдарын таңдаңыз, кернеулерді жеңілдету үшін қаптамадан кейін басқарылатын термиялық циклді іске қосыңыз және өндіріс кезінде қартаю сынақтарымен блоктарды экрандаңыз. Алдыңғы жағындағы тізбектің тұрақтылығы мен анықтамалық жабдықтау сапасы да маңызды - жақсы орналасу және оқшаулау жабдықтауға байланысты ауытқуды азайтады. Осы шараларды біріктіру уақыт өте келе пайда болатын өнім жылжуын азайтуға көмектеседі.
4. Калибрлеу және ұзақ мерзімді дрейфті басқару
Қос чипті модуль мақсатты калибрлеуді қажет етеді: нөлдік және аралықты бастапқы калибрлеу, температура циклін калибрлеу және жылдам дрейфті ұзақ мерзімді сынау. Автоматтандырылған калибрлеу қондырғылары айқаспалы байланыс коэффициенттерін есептеуге екі штамптың жауаптарын тіркеу кезінде статикалық қысым мен температураны арттыра алады. Өрісті пайдалану үшін модульдер өзін-өзі тексеруді және параметрлерді жаңартуды қолдауы керек, бірақ сенімділігі жоғары қолданбаларда аппараттық компенсация торапты жиі қайта калибрлеу қажеттілігін азайтады. Ұзақ мерзімді дрейфті басқару сонымен қатар қартаюды скринингті (жоғары температура, ылғалдылық, термиялық цикл) және электрлік тұрақтылықты тексеруді қажет етеді, сондықтан жоғары дрейфті қондырғылар жөнелту алдында жойылады. Инженерлік тәжірибе дұрыс калибрленген, ескі қос чипті қондырғылар салыстырмалы бір чипті өнімдерге қарағанда ұзақ мерзімді нөлдік дрейфті жиі көрсетеді.
3-суретте жалпы режим қатесі азаймайтын дәстүрлі сенсор құрылымының мысалы көрсетілген.
Алдын ала қыздыру дрейфі және ұзақ мерзімді дрейфтің эксперименттік валидациясы
Алдын ала қыздыру дрейфі негізінен ішкі кернеуді қайта бөлуден және тізбекті тұрақтандырудан туындайды. Сынақтар әдетте сенсорды үздіксіз қуаттайды және алдын ала қыздыру уақытының тұрақтысын табу және тұрақтылық критерийін орнату үшін шығысты уақытқа қарсы жазады. Ұзақ мерзімді валидация стресс жағдайында дрейфті бағалау үшін жеделдетілген қартаюды — термиялық циклді, жоғары температурада сақтауды, дірілді пайдаланады. Сынақ қондырғылары нөлдік дрейф, сезімталдықтың өзгеруі және сызықтық ауысуы туралы көптеген жүгірулер мен статистикалық деректерді жинайды. Бұл нәтижелер инженерлерге өту жылдамдығын және өрістегі өнімділікті арттыру үшін өндіріс немесе өтемақы алгоритмдерін өзгертуге мүмкіндік береді.
5. Жүйені біріктіру және компенсацияланған сенсорлық модульді енгізу
Қос чипті бөлікті жүйеге біріктіру қуатты мұқият басқаруды, аналогтық фронталды және цифрлық өңдеудің бірлескен дизайнын талап етеді. Жақсы компенсацияланған сенсор модулі тұрақты сандық немесе стандартты аналогтық шығысты ұсына отырып, негізгі жүйенің калибрлеу жүктемесін азайтуы керек. Қиын орталарда сенімді жұмыс істеу үшін модуль температура мен қуат беруді бақылап, ескертулерді көтеруі немесе қажет болса өнімділікті төмендетуі керек. Интеграцияға сондай-ақ EMI/EMC, кедергілерді қабылдамау және жерге қосу стратегиялары қажет, сондықтан әлсіз дифференциалды сигналдар бұзылмайды. Үйлестірілген аппараттық және микробағдарламаны тексеру арқылы өндірістік бөлімшелер өнімділік пен сенімділік мақсаттарына қол жеткізе алады.
Сызықтықты жақсарту және сигнал тұтастығын оңтайландыру
Қос чипті конструкциялар, әрине, сызықтыққа көмектеседі: екі алдыңғы ұшты орташалау бір жақты сызықтық еместерді азайтады және оң/теріс жауаптарды теңестіреді. Сигнал тұтастығы күшейткіштің өткізу қабілеттілігі, сүзгі бұрышының жиілігі, үлгі жылдамдығы және ADC рұқсаты бойынша айырбастарды қажет етеді. Шамадан тыс сүзгі реакцияны баяулатады; аз сүзгілеу шуды арттырады. Тәжірибеде аралас төмен жиілікті және жолақты сүзумен және сәйкес үлгі алумен және сандық сүзумен кезеңді күшейту шуды басу кезінде жауап беру уақытын ақылға қонымды сақтайды, бұл қос чипті өтеуді барынша пайдаланады.
Қорытынды
Қос чипті компенсацияланған қысым сенсорлары микро дифференциалды қысымды және өте төмен диапазондағы ұзақ мерзімді дрейфті шешудің тиімді жолы болып табылады. Сәйкес қалыптармен, пневматикалық және электрлік айқаспалы муфтамен, дәл ораумен және қатаң калибрлеумен, жүйе деңгейіндегі дрейф пен жалпы режимдегі қателерді минимумға дейін азайтуға болады. Тұрақты, сенімді шығыстарды қажет ететін конструкциялар үшін өтемделген сенсорлық модульді таңдау және жүйе деңгейінде дыбыс қуаты мен жылуды басқаруды орындау техникалық қызмет көрсету және қайта калибрлеу шығындарын азайтады. Бұл мақалада инженерлік топтар сенімді түрде шешім қабылдауы және жүзеге асыруы үшін принциптер мен практикалық қадамдар қарастырылады.
Жоғарыда келтірілген кіріспе тек қысым сенсорының технологиясының қолданбаларының бетін көрсетеді. Біз әртүрлі өнімдерде қолданылатын сенсорлық элементтердің әр түрлі түрлерін, олардың қалай жұмыс істейтінін және олардың артықшылықтары мен кемшіліктерін зерттеуді жалғастырамыз. Егер сіз осы жерде талқыланғаныңыз туралы толығырақ болғыңыз келсе, осы нұсқаулықта тиісті мазмұнды кейінірек тексере аласыз. Егер сіз уақытылы бассаңыз, осы нұсқаулықтардың мәліметтерін жүктеу үшін мына жерді басуға болады Ауа қысымы сенсоры PDF деректері.
Басқа сенсорлық технологиялар туралы қосымша ақпарат алу үшін өтінемін Біздің сенсорлар парағын кіріңіз.
