상용 칩은 MEMS 약한 신호를 추출할 수 없습니다. 센서 물리학에 맞춤화된 ASIC은 소음을 업계 최고 수준으로 줄이고 극한의 온도에서 24비트 정확도를 구현합니다. 신호 체인, 열 보상 및 전력 제어를 공동 설계함으로써 ASIC은 깨지기 쉬운 MEMS 요소를 TPMS, 웨어러블 및 스마트 공장을 위한 견고하고 신뢰할 수 있는 구성 요소로 변환하여 엄격한 신뢰성 및 수명 요구 사항을 충족합니다.
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1. ASIC 압력센서의 본질
정밀도의 도약을 감지하면 백엔드 복잡성이 폭발적으로 증가합니다. MEMS 출력(펨토패럿)은 매우 작으며 최소한의 기생 및 맞춤형 회로가 필요합니다. ASIC은 불필요한 일반 블록을 제거하고, 회로 토폴로지를 MEMS 메커니즘에 일치시키고, 성능 대 전력을 최적화하여 잡음이나 왜곡 없이 작은 신호를 증폭하고 디지털화할 수 있습니다.
1.1 ASIC 맞춤화를 통한 성능 향상
일반 아날로그 프런트 엔드는 낭비되는 영역과 기생을 발생시킵니다. ASIC은 임피던스를 일치시키고 선형성을 보존하기 위해 MEMS 메커니즘과 회로를 공동 설계합니다. 온칩 온도 감지 및 신속한 보상 알고리즘은 드리프트를 획기적으로 줄입니다. 결과: 개별 솔루션에 비해 넓은 압력 및 온도 범위에서 훨씬 더 작은 드리프트와 뛰어난 선형성 및 정확도를 제공합니다.
1.2 일반 칩 솔루션과의 근본적인 차이점
범용 칩에는 구성 가능한 ADC 및 연산 증폭기가 필요하며 기생 성분과 면적이 추가됩니다. ASIC은 이를 제거하고 리소스를 소음과 안정성에 재할당합니다. 실제 스왑에서는 전력 강하, 면적 축소 및 정확도 점프(예: TPMS 예)를 보여줍니다. 개별 부품과 PCB 기생 물질은 ASIC 공동 설계가 극복할 수 있는 엄격한 물리적 한계를 형성합니다.
2. 약한 신호 처리
MEMS 센서 신호는 매우 작으며(변환 후 밀리볼트 미만) 여러 잡음 단계를 통과합니다. 요소가 추가될 때마다 누적 노이즈와 오류가 증가합니다. ASIC은 스테이지를 압축하고, 정밀 커패시터와 PGA를 통합하며, 스위치드 커패시터 통합 및 상관 샘플링과 같은 아키텍처를 사용하여 ADC를 통해 신호 무결성을 보존합니다.
2.1 밀리볼트 수준의 신호 변환 과제
기존 연산 증폭기 체인은 고임피던스 노드에서 바이어스 및 오프셋 오류를 발생시킵니다. ASIC은 단일 스테이지 스위치드 커패시터 전하 통합, 상관 이중 샘플링, 낮은 TC 커패시터 어레이 및 동적 요소 매칭 PGA를 사용합니다. 이는 이득 오류와 드리프트를 줄여 24비트 센서 시스템에서 21비트 이상의 ENOB와 Pa 수준 분해능을 가능하게 합니다.
2.2 온도 보상 센서 구현 메커니즘
압저항 감도는 온도에 따라 크게 변화합니다. ASIC에는 온도 센서, ADC 및 마이크로컨트롤러가 내장되어 실시간으로 다점 다항식 보상을 실행합니다. 여러 온도에서 교정을 저장하고 온칩 보간을 수행하면 추가 전력 오버헤드를 최소화하면서 넓은 열 범위에서 0.1% 미만의 정확도를 얻을 수 있습니다.
2.3 극한 환경에서의 정밀도 보증
가혹한 자동차 및 다운홀 조건은 일반 칩을 누출, 전자 이동 및 드리프트에 노출시킵니다. ASIC은 누출을 억제하고 임계값을 유지하기 위해 고온 CMOS, 맞춤형 도핑 및 응력 분리 레이아웃을 채택합니다. 잘 설계된 ASIC은 높은 온도에서도 노이즈 플로어와 앰프 성능을 유지하여 극한 환경에서도 안정성을 보장합니다.
3. 초저잡음 아키텍처
시스템 소음은 기계적 브라운 소음과 전자 소음의 합입니다. ASIC은 초퍼 안정화 프런트 엔드와 Σ-Δ 노이즈 쉐이핑을 통해 열, 깜박임 및 양자화 노이즈를 목표로 합니다. 1/f 잡음 및 양자화 인공물을 대역 밖으로 밀어내고 공격적인 데시메이션을 사용함으로써 ASIC은 ADC의 하위 비트를 실제 신호에 사용 가능하게 하여 진정한 높은 동적 범위를 가능하게 합니다.
3.1 24비트 압력 센서의 고해상도 비밀
실용적인 24비트 성능을 위해서는 ADC 최하위 비트보다 훨씬 낮은 프런트엔드 잡음이 필요합니다. ASIC은 초퍼 증폭기, 높은 오버샘플링을 갖춘 고차 Σ-Δ 변조기 및 디지털 데시메이션 필터를 결합하여 매우 낮은 통합 RMS 잡음에 도달하는 동시에 ADC 전력을 적당하게 유지하여 마이크로암페어 전력 수준에서 Pa RMS 미만 및 의료 등급 정확도를 달성합니다.
3.2 소음 억제 기술의 실제 성능
초퍼 안정화는 1/f 잡음을 줄이지만 전하 주입 및 클록 피드스루 문제를 발생시킵니다. ASIC은 보완/더미 스위치 및 상관 샘플링을 통해 이러한 문제를 완화하여 주입된 전하를 fC 미만 수준으로 줄입니다. 측정 결과는 고온에서도 밴드갭과 증폭기 잡음이 크게 개선되어 잡음 플로어가 기본적인 기계적 한계로 이동함을 보여줍니다.
4. 힘과 크기의 균형
웨어러블에는 초저 평균 전류와 작은 모듈이 필요합니다. ASIC은 요청 시 깨우기 전력 도메인, 소형 RTC 및 임계값 깨우기 비교기를 구현하여 단일 마이크로암페어 수준에서 깊은 절전 전류를 유지하는 동시에 빠른 깨우기 및 캡처를 지원합니다. 밀도 높은 통합과 결합된 이러한 듀티 사이클링은 밀리미터 규모 패키지에서 수년 간의 배터리 수명을 제공합니다.
4.1 50 마이크로암페어 대기 전류를 달성하는 방법
저전력 ASIC은 작동을 최대 절전 모드, 대기 모드, 활성 모드로 나눕니다. 필수 클록과 웨이크 비교기만 절전 모드에서 실행됩니다. 빠른 웨이크 및 짧은 활성 버스트는 듀티 사이클을 최소화합니다. 마이크로초 깨우기 시간과 밀리초 캡처를 통해 평균 전류는 한 자릿수 마이크로암페어로 떨어지므로 실제 모니터링 모드에서 소형 버튼 셀로 수년간 작동할 수 있습니다.
4.2 2 평방 밀리미터 칩의 집적 밀도
면적 감소는 아날로그 리소스 다중화 및 이기종 통합(단일 정밀 연산 증폭기의 시간 분할, 더 작은 밴드갭 및 ADC 최적화)에서 비롯됩니다. TSV 및 프로세스 혼합을 사용하여 아날로그 다이 위에 디지털 로직을 적층하면 실리콘 설치 공간이 절약됩니다. 그 결과, 소형 제품에 적합한 ADC, 필터, 인터페이스 및 전력 관리를 포함하는 2mm² 미만의 ASIC이 탄생했습니다.
5. 압저항 센서에서 지능형 시스템으로
ASIC은 MCU, 교정 데이터, 필터 및 통신을 통합하여 간단한 변환기를 스마트 에지 노드로 전환합니다. 온칩 프로세싱은 필터링되고 보상된 디지털 압력 값과 이벤트 감지를 제공하여 데이터 트래픽을 줄이고 현지 의사 결정을 가능하게 합니다. 이는 견고성을 높이고 시스템 전력을 낮추며 최종 제품의 통합을 단순화합니다.
5.1 TPMS 애플리케이션의 실시간 데이터 처리
TPMS ASIC은 자주 샘플링하지만 요약만 전송합니다. 내장된 알고리즘은 진동 인공물을 필터링하고 누출률을 계산하며 경고를 위해 RF를 깨울 시기를 결정합니다. 로컬 처리는 전송 듀티 사이클과 RF 전력을 줄여 배터리 수명을 차량 수명까지 연장하는 동시에 위험한 압력 이벤트를 신속하고 안정적으로 감지합니다.
5.2 산업용 IoT의 압력 모니터링 솔루션
ASIC 지원 차동 센서는 HVAC 및 필터 모니터링을 위한 일관된 임계값 기반 경고를 제공합니다. 내장된 비교기와 저장된 교정 기능으로 허위 경보를 제거하고 응답 대기 시간을 단축합니다. 통합된 인텔리전스는 PLC 기반 설정에 비해 시스템 비용을 절감하고 측정 가능한 절감 효과와 긴 런타임을 통해 안정적이고 유지 관리가 적은 배포를 가능하게 합니다.
결론
ASIC 개발은 MEMS 압력 감지를 재정의합니다. 초저잡음, 엄격한 열 보상 및 마이크로 전력 작동으로 매우 정확하고 컴팩트하며 내구성이 뛰어난 센서가 생성됩니다. ASIC 공동 설계는 약한 신호, 비선형성 및 수명 문제를 해결하여 향상된 비용, 크기, 수명 및 IP 보호 기능을 갖춘 상업용, 자동차, 의료 및 산업용 애플리케이션을 구현합니다.
위의 소개는 압력 센서 기술 적용의 표면적인 부분에 불과합니다. 우리는 다양한 제품에 사용되는 다양한 유형의 센서 요소, 작동 방식, 장점과 단점을 계속해서 탐구할 것입니다. 여기에서 논의된 내용에 대해 더 자세히 알아보려면 이 가이드 뒷부분의 관련 콘텐츠를 확인하세요. 시간이 촉박한 경우 여기를 클릭하여 이 가이드의 세부정보를 다운로드할 수도 있습니다. 공기 압력 센서 제품 PDF 데이터.
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