- К WFсенсоры
Поскольку требования к точности сверхнизкого давления растут, один кристалл часто не может надежно устранить определенные источники ошибок. Объединение двух пресс-форм МЭМС с правильными стратегиями соединения помогает сократить системные смещения и подавить долговременный дрейф. Эта статья опирается на инженерную практику и анализ на уровне устройства, уделяя особое внимание тому, как двухчиповые датчики давления с компенсацией реализуются на очень низких полномасштабных диапазонах (подумайте о дюймах воды), каковы приоритеты проектирования, а также как их тестировать и проверять.
Каталог
1. Почему необходим двухчиповый подход
При измерении при сверхнизких давлениях одночиповые устройства обычно сталкиваются со смещением и дрейфом из-за нескольких источников: изменений процесса, которые создают начальное смещение, напряжения корпуса, которое смещает ноль с температурой, и долговременной релаксации напряжения материала, вызывающей постепенный дрейф выходного сигнала. Простые программные исправления или базовая настройка схемы могут охватывать только некоторые части, связанные с температурой; они не обрабатывают некоторые синфазные ошибки, возникающие из-за различий в упаковке и производстве. В двухчиповом решении используются два датчика, соединенные параллельно или перекрестно электрически или пневматически, поэтому каждый может ссылаться на другой и устранять компоненты ошибок, которые не изменяются под давлением. Для очень низких диапазонов — измерения расхода воздуха, микроперепада давления, а также некоторых медицинских или экологических применений — компенсация на аппаратном уровне часто является единственным надежным способом получить стабильные показания и уменьшить потребности в обслуживании и повторной калибровке. На практике хорошо спроектированный двухкристальный модуль значительно улучшает стабильность нуля при длительной эксплуатации и демонстрирует лучшую повторяемость при термических циклах и испытаниях на старение. Этот подход особенно актуален, когда дрейф сигнала находится на уровне микровольт — оптимизация корпуса и процесса согласования не менее важны для успеха.
Использование и пределы пассивной компенсации
Пассивная компенсация использует один кристалл в качестве эталона, а другой — в качестве измерительного устройства; эталонный кристалл не выдает выходной сигнал, чувствительный к давлению, но подает сигнал в корректирующую сеть. Его сильными сторонами являются более простая схема и пригодность для жестких ограничений по размерам корпуса; когда оба штампа расположены рядом на одной и той же пластине, вариации процесса сводятся к минимуму, а смещения, связанные с производством, могут быть устранены более эффективно. Тем не менее, пассивные схемы уменьшают мощность сигнала и могут оказаться непригодными, когда требуется большой размах выходного сигнала. Они также имеют ограниченную способность корректировать резкие изменения температуры или долговременную релаксацию напряжения; инженеры обычно сочетают пассивную компенсацию с внешним усилением и фильтрацией, чтобы восполнить недостаток.
2. Как работает двухчиповая компенсация
Существует две распространенные реализации: одна — схема «активный/опорный» (один кристалл обеспечивает основной выходной сигнал, а второй действует как опорный для коррекции); другой — «двойная активная» схема (оба кристалла выдают сигналы, которые объединяются для получения усредненного выходного сигнала). Оба подхода направлены на вычитание или отмену независящих от давления частей выходного сигнала активного кристалла с помощью второго кристалла. Благодаря точной электрической перекрестной связи опорный сигнал пропорционально удаляется с основного выхода для коррекции смещения. В конфигурациях с двойной активацией вы также можете связать давления механически — через пневматические каналы — так, чтобы давление окружающей среды или эталонное давление прикладывалось к противоположным сторонам двух мембран, обеспечивая устранение ошибок на механическом уровне. Такие комбинации улучшают линейность и балансируют чувствительность к положительному и отрицательному давлению, обеспечивая более симметричные и стабильные показания при сверхнизких давлениях.
Пневматические и электрические перекрестные механизмы.
Пневматическая перекрестная связь использует внутренние пути потока внутри корпуса для направления одного и того же эталонного давления на разные стороны двух мембран, поэтому механическое воздействие само по себе является взаимодополняющим. Таким образом, когда оба датчика сталкиваются с одним и тем же внешним возмущением, их выходные сигналы становятся предсказуемыми и симметричными, что упрощает для последующей электроники усреднение или определение различий. В сигнальной цепи работает электрическая перекрестная связь: выходные сигналы масштабируются и суммируются или вычитаются для удаления общих компонентов. Совместное использование пневматической и электрической перекрестной связи усиливает эффект компенсации без значительного уменьшения амплитуды сигнала — по сути, эффект двойного отрицательного умножения. При реализации необходимо обратить внимание на импеданс пути потока, однородность корпуса и электрическую шумовую связь, поскольку неправильный выбор здесь может привести к появлению новых помех.
На рисунке 1 показана принципиальная схема пассивной двухкристальной компенсации.
3. Основы дизайна и упаковки
Превращение идеи двухчипового процессора в аппаратное обеспечение делает дизайн корпуса, выбор кристалла и термомеханическое соответствие решающими. Выбор штампов из одной и той же пластины и соседних позиций значительно повышает точность компенсации, поскольку температурные коэффициенты и начальные напряжения точно совпадают. Внутренние каналы для жидкости в корпусе должны обеспечивать постоянную скорость отклика и стабильное поведение — несовпадающие объемы или импедансы каналов создают постоянные во времени различия, которые искажают переходные характеристики. Различия в металлических выводах, КТР припоя и эпоксидной смолы (коэффициенты теплового расширения) являются частыми источниками дрейфа; инженеры отдают предпочтение упаковочным материалам с низким напряжением и уменьшают количество концентраторов напряжений. Вам также потребуется сбалансировать входные смещения входного усилителя, согласование резисторов и фильтрацию, чтобы создать входной каскад, который корректирует смещение без усиления шума. Таким образом, компенсированный сенсорный модуль сохраняет чувствительность высокоточного датчика давления, одновременно улучшая долговременную стабильность.
На рисунке 2 показан метод двухкристальной компенсации, который уменьшает синфазную ошибку по сравнению с традиционными методами.
Размер упаковки, теплопроводность и долгосрочное управление дрейфом
Размер упаковки влияет на распределение тепла и пути напряжения. Небольшие упаковки улучшают температурную однородность, но могут ограничивать достижимые пневматические каналы; Упаковки большего размера дают больше места для компоновки, но могут создавать температурные градиенты. Управление долгосрочным дрейфом начинается с выбора материала, изоляции напряжений и предварительного старения: выбирайте материалы с интерфейсом с низким напряжением, запускайте контролируемый термоцикл после упаковки для снятия напряжений и проверяйте изделия во время производства с помощью испытаний на старение. Также важны стабильность смещения входной схемы и качество опорного источника питания — хорошая компоновка и изоляция уменьшают дрейф, связанный с питанием. Сочетание этих мер помогает минимизировать сдвиги объема производства, которые развиваются с течением времени.
4. Калибровка и долгосрочное управление дрейфом
Двухчиповому модулю необходима целевая калибровка: первоначальная калибровка нуля и диапазона, циклическая калибровка температуры и ускоренное долговременное тестирование дрейфа. Автоматизированные калибровочные установки могут изменять статическое давление и температуру, одновременно регистрируя реакцию обеих матриц для расчета коэффициентов перекрестной связи. Для использования в полевых условиях модули должны поддерживать самотестирование и обновление параметров, но в высоконадежных приложениях аппаратная компенсация снижает необходимость частой повторной калибровки на месте. Для долгосрочного контроля дрейфа также требуется проверка на старение (высокая температура, влажность, термоциклирование) и проверки электрической стабильности, поэтому перед отправкой устройства с высоким дрейфом отбраковываются. Инженерный опыт показывает, что правильно откалиброванные, устаревшие двухчиповые устройства часто демонстрируют гораздо меньший долговременный дрейф нуля, чем сопоставимые однокристальные продукты.
На рисунке 3 показан пример традиционной структуры датчика, в которой синфазная ошибка не уменьшена.
Экспериментальная проверка предварительного теплового дрейфа и долговременного дрейфа
Предварительный тепловой дрейф обусловлен главным образом перераспределением внутреннего напряжения и стабилизацией цепи. В ходе испытаний датчик обычно подается на датчик непрерывно и регистрируется зависимость выходного сигнала от времени, чтобы определить постоянную времени предварительного нагрева и установить критерий стабильности. При долгосрочной проверке используется ускоренное старение — термоциклирование, хранение при высоких температурах, вибрация — для оценки дрейфа под нагрузкой. Испытательные стенды собирают многочисленные прогоны и статистические данные о дрейфе нуля, изменении чувствительности и сдвигах линейности. Эти результаты позволяют инженерам настраивать производственные или компенсационные алгоритмы для повышения скорости прохождения и производительности в полевых условиях.
5. Системная интеграция и внедрение компенсированного сенсорного модуля.
Интеграция двухчиповой части в систему требует тщательного управления питанием, совместного проектирования аналогового интерфейса и цифровой обработки. Модуль датчика с хорошей компенсацией должен снизить нагрузку на калибровку хост-системы, обеспечивая при этом стабильный цифровой или стандартный аналоговый выход. Для надежной работы в суровых условиях модуль должен контролировать температуру и питание, а также выдавать предупреждения или снижать производительность при необходимости. Для интеграции также необходимы стратегии EMI/EMC, подавления помех и заземления, чтобы не подвергать риску слабые дифференциальные сигналы. Благодаря скоординированной проверке оборудования и встроенного ПО производственные подразделения могут достичь целевых показателей производительности и надежности.
Улучшение линейности и оптимизация целостности сигнала
Двухчиповая конструкция естественным образом способствует линейности: усреднение двух входных каскадов уменьшает односторонние нелинейности и уравновешивает положительные/отрицательные отклики. Целостность сигнала требует компромисса между полосой пропускания усилителя, угловыми частотами фильтра, частотой дискретизации и разрешением АЦП. Чрезмерная фильтрация замедляет реакцию; недостаточная фильтрация увеличивает шум. На практике каскадное усиление со смешанной фильтрацией нижних частот и полосовой фильтрацией, подходящей выборкой и цифровой фильтрацией обеспечивает разумное время отклика, одновременно подавляя шум, максимально используя двухчиповую компенсацию.
Заключение
Двухчиповые датчики давления с компенсацией являются эффективным средством решения проблемы микроперепада давления и долговременного дрейфа на сверхнизких диапазонах. Благодаря подобранным матрицам, пневматической и электрической перекрестной связи, точной упаковке и строгой калибровке дрейф на уровне системы и синфазные ошибки могут быть сведены к минимуму. Для проектов, которым необходимы стабильные и надежные выходные данные, выбор компенсированного сенсорного модуля и управление звуковой мощностью и температурой на уровне системы сокращают затраты на обслуживание и повторную калибровку. В этой статье рассматриваются принципы и практические шаги, которые помогут командам инженеров принимать решения и уверенно их реализовывать.
Вышеупомянутое введение лишь поверхностно коснулось области применения технологии датчиков давления. Мы продолжим изучать различные типы сенсорных элементов, используемых в различных продуктах, их работу, их преимущества и недостатки. Если вам нужна более подробная информация о том, что здесь обсуждается, вы можете просмотреть соответствующий контент далее в этом руководстве. Если у вас мало времени, вы также можете нажать здесь, чтобы загрузить подробную информацию об этом руководстве. Данные датчика давления воздуха PDF.
Для получения дополнительной информации о других сенсорных технологиях, пожалуйста, Посетите нашу страницу датчиков.