소개: 우리는 많은 압력 센서를 사용하며, 사용 기간이 지나면 압력 센서가 표류하는 경우가 종종 있습니다. 압력 센서가 표류하는 원인은 무엇입니까? 설계 중에 압력 센서 드리프트를 어떻게 제거할 수 있습니까?
센서 드리프트의 원인
센서 드리프트란 시간이 지남에 따라 센서의 출력값이 변하는 현상을 말합니다. 이러한 드리프트는 부정확한 센서 측정 결과를 초래하여 실제 응용 분야의 신뢰성과 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다. 센서 드리프트에는 여러 가지 이유가 있는데, 아래에서 하나씩 소개하겠습니다.
온도 변화: 온도 변화는 센서 드리프트의 일반적인 원인 중 하나입니다. 온도 변화는 센서 소자 내부의 물질의 팽창과 수축을 일으킬 수 있으며, 이는 결국 센서의 기계적 구조와 전기적 특성에 영향을 미치고 출력 값이 드리프트되는 원인이 됩니다. 예를 들어, 온도가 증가하면 저항 센서의 저항 값이 증가하여 출력 값이 높아집니다.
전원 공급 장치 변경: 센서의 출력 값은 공급 전압의 영향을 받습니다. 공급 전압이 변경되면 센서의 출력 값도 변경됩니다. 이는 공급 전압의 변화로 인해 센서 내부 회로의 작동 상태가 변경되어 출력 신호의 진폭과 안정성에 영향을 미치기 때문입니다.
장기간 사용: 장기간 사용 역시 센서 드리프트의 중요한 원인입니다. 사용 중에 센서는 기계적, 화학적 또는 열적 팽창 및 수축 요인의 영향을 받아 내부 구조가 변경되어 출력 값이 드리프트될 수 있습니다. 또한, 센서는 진동, 충격 등 외부 환경 요인에도 영향을 받아 드리프트 현상이 더욱 악화될 수 있다.
센서 노화: 시간이 지남에 따라 센서 성능이 점차 저하되고 드리프트가 발생할 수 있습니다. 이는 사용 시간이 길어질수록 센서 내부의 소재와 부품이 노후화되어 물리적 특성이 변하기 때문입니다. 예를 들어, 센서 내부의 전해질이 점차적으로 빠져 나가므로 감도와 안정성이 감소하고 결과적으로 출력 값이 표류하게 됩니다.
환경 영향: 센서의 드리프트는 환경 요인의 영향을 받을 수도 있습니다. 예를 들어, 기압, 습도, 빛과 같은 환경 요인의 변화로 인해 센서 출력 값이 표류할 수 있습니다. 이는 환경 요인의 변화로 인해 센서와 측정 대상 간의 상호 작용이 변경되어 센서의 측정 정확도와 안정성에 영향을 미치기 때문입니다.
압력 센서 개발 초기에는 확산된 실리콘 칩과 금속 베이스를 밀봉하기 위해 유리 분말을 사용했습니다. 단점은 압력 칩 주변에 큰 응력이 있었고, 어닐링 후에도 응력을 완전히 제거할 수 없다는 점이었습니다. 온도가 변하면 금속, 유리 및 확산된 실리콘 칩의 열팽창 계수가 다르기 때문에 열 응력이 발생하여 센서의 영점이 드리프트됩니다. 이것이 센서의 영점 열 드리프트가 칩의 영점 열 드리프트보다 훨씬 큰 이유입니다. 실버 페이스트와 단자 용접을 제대로 처리하지 않으면 접촉 저항이 불안정해지기 쉽습니다. 특히 온도가 변하면 접촉 저항이 변하기 쉽습니다. 이러한 요소는 센서의 영점 드리프트와 온도 드리프트가 큰 이유입니다.
영점 열 드리프트 원인에 대한 반도체 이론 분석: 저항기의 도핑 농도와 저항 값이 일치하는 경우에만 브리지의 영점 출력 전압이 작고 영점 열 드리프트도 작으므로 센서 성능을 향상시키는 데 매우 유용합니다. 그러나 확산 과정에서 균일한 도핑 분포를 얻는 것이 쉽지 않기 때문에 배리스터 스트립은 최대한 가깝고 짧게 만들어야 합니다.
영점 열 드리프트 원인에 대한 회로 분석: 이상적으로는 휘트스톤 브리지를 구성하는 4개의 확산 저항기의 저항값이 동일해야 합니다. 영점 온도 드리프트는 온도에 따른 확산 저항기 값의 변화로 인해 발생합니다. 특정 온도 범위 내에서 온도가 증가함에 따라 저항 값이 증가합니다. 즉, 확산 저항의 온도 계수 R은 양수입니다.
센서 드리프트 문제에 대한 솔루션
전반적으로 압력 센서의 제로 드리프트 보상은 하드웨어 보상과 소프트웨어 보상의 두 가지 방향으로 나눌 수 있습니다.
하드웨어 제로 보상 방법: 브리지 암의 적절한 직렬 및 병렬 정저항 방식: 브리지 암 서미스터 보상 방식, 브리지 외부 직렬 및 병렬 서미스터 보상 방식, 듀얼 브리지 보상 기술, 트랜지스터 보상 기술 등
회로 설계 최적화: 합리적인 회로 설계로 센서 드리프트의 영향을 줄일 수 있습니다. 예를 들어 온도 보상 회로를 사용하면 온도 변화가 센서 출력 값에 미치는 영향을 보정하고 측정 정확도와 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 필터링, 증폭 등의 회로 설계 방법을 사용하여 전원 공급 장치 변경 및 센서에 대한 환경 간섭을 제거할 수도 있습니다.
소프트웨어 보상 제로 드리프트 방법: 신호 획득 과정에서 트리거 신호가 발생하지 않는 시점부터 획득이 트리거되는 시점과 획득이 완료된 후까지 입력 신호는 0이고 출력 신호는 0이 아닙니다. 이렇게 수집된 출력 데이터는 랜덤 노이즈 형태로 존재하며, 이는 데이터 계산 및 처리에 아무런 의미가 없습니다. 이 기간 동안 수집된 신호 값을 제로 드리프트로 정의합니다.
채택된 소프트웨어 방법은 다음과 같습니다.
다항식 피팅 지정 방법. 실제 측정에서 압력 센서에 의해 측정된 온도, 압력 및 기타 물리량은 출력 값과 엄격한 선형 관계를 갖지 않으므로 함수 관계는 종종 다항식 형태입니다. 다항식은 비선형 신호를 맞추는 데 사용될 수 있으며 핵심은 계수를 푸는 것입니다.
RBF 신경망 방법. 기본 원리: 일반적으로 영점 온도 보상 소프트웨어 알고리즘의 공식 방법은 상대적으로 복잡하며 피팅 정확도가 제한되는 경우가 많습니다. 인공신경망 방식은 샘플 수가 적고, 알고리즘이 간단하며, 임의의 함수를 근사화할 수 있고, 활용 가능성이 좋은 장점이 있습니다.
또한 소프트웨어 방식에는 테이블 조회 방식, 보간 방식 등도 포함됩니다.
드리프트의 영향을 줄이려면 다음 조치를 취할 수 있습니다.
온도 안정화: 온도 변동의 영향을 피하기 위해 센서를 가능한 한 일정한 온도 상태로 유지하십시오.
온도 보상 조치 사용: 센서 내부에 온도 센서를 추가하여 온도 변화를 감지하여 보정 보상을 수행합니다.
적합한 기판 접합 방법 선택: 적합한 기판 접합 방법은 기계적 응력의 영향을 줄일 수 있습니다.
독립 증폭기 선택: 독립 증폭기를 사용하여 신호를 증폭하면 다른 외부 요인의 영향을 받지 않고 드리프트 문제를 줄일 수 있습니다.
자동 교정 기술 사용: 자동 교정을 통해 센서는 다양한 온도, 습도 및 기타 환경에서 안정적인 출력을 유지할 수 있습니다.
고정밀 센서를 선택하십시오. 고정밀 센서의 드리프트는 작으므로 충격을 줄일 수 있습니다.
드리프트 데이터 처리: 일정 기간 동안 데이터를 수집하고 드리프트 데이터를 평균화하면 드리프트가 측정 결과에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.
