- За WFсенсори
Оскільки вимоги до точності наднизького тиску зростають, одна матриця часто не може надійно усунути певні джерела помилок. Поєднання двох пресових матриць MEMS із належними стратегіями взаємозв’язку допомагає зменшити зміщення системи та придушити довгостроковий дрейф. Ця стаття базується на інженерній практиці та аналізі на рівні пристрою, зосереджуючись на тому, як компенсовані датчики тиску з двома мікросхемами реалізуються на дуже низьких повномасштабних діапазонах (вважайте дюйми води), які пріоритети дизайну та як їх тестувати та перевіряти.
Каталог
1. Чому потрібен двочіповий підхід
Під час вимірювання при наднизьких тисках однокристальні пристрої зазвичай стикаються зі зміщенням і дрейфом із кількох джерел: варіації процесу, що викликають початкове зміщення, напруга упаковки, яка зсуває нуль із температурою, і довгострокова релаксація напруги матеріалу, що спричиняє поступовий дрейф виходу. Прості корекції програмного забезпечення або базове обрізання схеми можуть охоплювати лише деякі частини, пов’язані з температурою; вони не обробляють певні помилки загального режиму, що виникають через відмінності в упаковці та виробництві. Рішення з подвійною мікросхемою використовує два датчики, з’єднані паралельно або електрично чи пневматично, щоб кожен міг посилатися на інший і скасовувати компоненти помилки, які не змінюються з тиском. Для дуже низьких діапазонів — вимірювання повітряного потоку, мікроперепаду тиску та деяких медичних або екологічних цілей — апаратна компенсація часто є єдиним надійним способом отримати стабільні показання та зменшити потреби в обслуговуванні та повторному калібруванні. На практиці добре розроблений двочіповий модуль значно покращує нульову стабільність протягом тривалої роботи та демонструє кращу повторюваність через термічні цикли та випробування на старіння. Цей підхід особливо актуальний, коли дрейф сигналу становить мікровольти — оптимізація пакета та процесу узгодження є настільки ж критичною для успіху.
Використання та межі пасивної компенсації
Пасивна компенсація розгортає одну матрицю як еталон, а іншу як вимірювальний пристрій; еталонна матриця не забезпечує чутливий до тиску вихід, але живить мережу корекції. Його сильними сторонами є простіша схема та придатність для жорстких обмежень розміру упаковки; коли обидва штампи розташовані поруч на одній пластині, варіації процесу зводяться до мінімуму, а зміщення, пов’язані з виробництвом, можна ефективніше скасовувати. Тим не менш, пасивні макети зменшують силу сигналу і можуть бути непридатними, коли потрібне велике коливання вихідного сигналу. Вони також мають обмежену здатність коригувати різкі температурні зміни або довготривалу релаксацію стресу; Інженери зазвичай поєднують пасивну компенсацію з переднім підсиленням і фільтрацією, щоб компенсувати недолік.
2. Як працює двочіпова компенсація
Є два поширених варіанти реалізації: одна – це схема «активний/еталонний» (один кристал забезпечує основний результат, а другий діє як еталон для корекції); інший — це «подвійно-активний» макет (обидві матриці забезпечують сигнали, які поєднуються для отримання усередненого виходу). Обидва підходи спрямовані на віднімання або скасування незалежних від тиску частин виходу активної матриці за допомогою другої матриці. Завдяки точному електричному перехресному зв’язку опорний сигнал пропорційно видаляється з основного виходу для корекції зсуву. У подвійних активних конфігураціях ви також можете зв’язати тиск механічно — через пневматичні канали — таким чином навколишній або контрольний тиск прикладається до протилежних сторін двох мембран, досягаючи компенсації помилок на механічному рівні. Такі комбінації покращують лінійність і врівноважують чутливість до позитивного та негативного тиску, даючи більш симетричні та стабільні показання при наднизькому тиску.
Механізми перехресного пневматичного та електричного перехресного зчеплення
Пневматична перехресна муфта використовує внутрішні шляхи потоку в упаковці для направлення того самого еталонного тиску на різні сторони двох мембран, тому сам механічний вхід є додатковим. Таким чином, коли обидва датчики стикаються з однаковими зовнішніми завадами, їхні виходи є передбачуваними та симетричними, що полегшує подальшій електроніці усереднення або розрахунки різниць. Електричний перехресний зв’язок працює в сигнальному ланцюзі: виходи масштабуються та підсумовуються або віднімаються для видалення загальних компонентів. Використання як пневматичного, так і електричного перехресного з’єднання посилює ефект компенсації без значного зменшення амплітуди сигналу — по суті, це ефект подвійного негативного множення. Реалізація потребує уваги до імпедансу шляху потоку, однорідності упаковки та зв’язку електричного шуму, оскільки невдалий вибір тут може створити нові перешкоди.
На малюнку 1 показана принципова схема пасивної двочіпової компенсації.
3. Основи дизайну та упаковки
Перетворення ідеї двох мікросхем на апаратне забезпечення робить дизайн корпусу, вибір матриці та термомеханічне узгодження вирішальним. Вибір матриць з однієї пластини та сусідніх позицій значно покращує точність компенсації, оскільки температурні коефіцієнти та початкові напруги тісно збігаються. Внутрішні канали рідини в корпусі повинні забезпечувати постійну швидкість відгуку та стабільну поведінку — неузгоджені об’єми каналів або імпеданси створюють постійні в часі відмінності, які спотворюють перехідні реакції. Відмінності в металевих кінцях, КТР (коефіцієнти теплового розширення) припою та епоксидної смоли є частими джерелами дрейфу; інженери віддають перевагу матеріалам упаковки з низьким рівнем напруги та зменшують концентратори напруги. Вам також потрібно збалансувати вхідні зсуви підсилювача переднього кінця, узгодження резисторів і фільтрацію, щоб створити передній кінець, який коригує зміщення без посилення шуму. Таким чином компенсований сенсорний модуль зберігає чутливість високоточного датчика тиску, покращуючи довгострокову стабільність.
Рисунок 2 ілюструє метод компенсації з подвійним чіпом, який зменшує синфазну помилку порівняно з традиційними методами.
Розмір упаковки, теплопровідність і довготривале управління дрейфом
Розмір упаковки впливає на розподіл тепла та шляхи напруги. Невеликі пакети покращують теплову рівномірність, але можуть обмежити досяжні пневматичні канали; більші пакети дають більше простору для компонування, але можуть створювати градієнти температури. Управління довгостроковим дрейфом починається з вибору матеріалу, ізоляції напруги та попереднього старіння: вибирайте матеріали для інтерфейсу з низьким навантаженням, запускайте контрольований термоцикл після пакування для послаблення напруги та перевіряйте одиниці під час виробництва за допомогою випробувань на старіння. Стабільність зміщення вхідної схеми та якість еталонного джерела живлення також важливі — хороше розташування та ізоляція зменшують дрейф, пов’язаний із живленням. Комбінація цих заходів допомагає звести до мінімуму зміни випуску, які відбуваються з часом.
4. Калібрування та довгострокове управління дрейфом
Двочіповий модуль потребує цілеспрямованого калібрування: початкове калібрування нуля та діапазону, калібрування циклічної температури та прискорене довготривале тестування дрейфу. Автоматизовані калібрувальні установки можуть ступінчасто змінювати статичний тиск і температуру, реєструючи відповіді обох матриць для обчислення коефіцієнтів перехресного зв’язку. Для польового використання модулі повинні підтримувати самоперевірку та оновлення параметрів, але у високонадійних додатках апаратна компенсація зменшує потребу в частому повторному калібруванні місця. Довгостроковий контроль дрейфу також потребує перевірки на старіння (висока температура, вологість, термічні цикли) та перевірки електричної стабільності, тому блоки з високим дрейфом вибраковуються перед відправленням. Інженерний досвід показує, що правильно відкалібровані застарілі двочіпові пристрої часто демонструють набагато нижчий довгостроковий дрейф нуля, ніж аналогічні однокристальні продукти.
На рисунку 3 показаний приклад традиційної структури датчика, де синфазна помилка не зменшена.
Експериментальна перевірка дрейфу до тепла та довгострокового дрейфу
Попередній нагрівний дрейф виникає в основному через внутрішній перерозподіл напруги та стабілізацію контуру. Випробування зазвичай живлять датчик безперервно та записують вихідний сигнал від часу, щоб знайти постійну часу попереднього нагріву та встановити критерій стабільності. Довгострокова перевірка використовує прискорене старіння — термічний цикл, зберігання при високій температурі, вібрацію — для оцінки дрейфу під напругою. Випробувальні установки збирають багато прогонів і статистичні дані щодо дрейфу нуля, зміни чутливості та лінійності. Ці результати дозволяють інженерам налаштовувати виробничі або компенсаційні алгоритми, щоб підвищити показники успішності та продуктивність на місці.
5. Системна інтеграція та впровадження компенсованого сенсорного модуля
Інтеграція двочіпової частини в систему вимагає ретельного керування живленням, спільного проектування аналогового інтерфейсу та цифрової обробки. Хороший компенсований модуль датчика повинен зменшити навантаження на калібрування головної системи, забезпечуючи стабільний цифровий або стандартний аналоговий вихід. Для надійної роботи в суворих середовищах модуль повинен контролювати температуру та живлення та, якщо необхідно, подавати попередження або знижувати продуктивність. Для інтеграції також потрібні EMI/EMC, усунення перешкод і стратегії заземлення, щоб слабкі диференціальні сигнали не були скомпрометовані. Завдяки скоординованій перевірці обладнання та мікропрограми виробничі одиниці можуть досягти цільових показників продуктивності та надійності.
Покращення лінійності та оптимізація цілісності сигналу
Конструкції з двома мікросхемами природно сприяють лінійності: усереднення двох передніх кінців зменшує односторонню нелінійність і врівноважує позитивні/негативні відгуки. Цілісність сигналу вимагає компромісів між пропускною здатністю підсилювача, кутовими частотами фільтра, частотою дискретизації та роздільною здатністю АЦП. Надмірна фільтрація сповільнює відповідь; недостатня фільтрація збільшує шум. На практиці ступінчасте підсилення зі змішаною фільтрацією низьких частот і смуговим фільтруванням і відповідною дискретизацією плюс цифрова фільтрація зберігає час відгуку розумним, одночасно пригнічуючи шум, використовуючи максимальну компенсацію подвійного чіпа.
Висновок
Двочіпові датчики тиску з компенсацією є ефективним способом усунення мікроперепаду тиску та тривалого дрейфу в наднизьких діапазонах. Завдяки відповідним матрицям, пневматичному та електричному перехресному з’єднанню, точному пакуванню та суворому калібруванню дрейф системного рівня та синфазні помилки можна звести до мінімуму. Для конструкцій, які потребують стабільних, надійних виходів, вибір модуля датчика з компенсацією та керування звуковим живленням і температурою на системному рівні скорочує витрати на обслуговування та повторне калібрування. У цій статті описано принципи та практичні кроки, щоб групи інженерів могли впевнено приймати рішення та впроваджувати їх.
Наведене вище введення лише дряпає поверхню застосування технології датчиків тиску. Ми продовжимо досліджувати різні типи сенсорних елементів, які використовуються в різних продуктах, як вони працюють, а також їхні переваги та недоліки. Якщо вам потрібна додаткова інформація про те, що тут обговорюється, ви можете переглянути відповідний вміст далі в цьому посібнику. Якщо у вас немає часу, ви також можете клацнути тут, щоб завантажити докладну інформацію про ці посібники Дані датчика тиску повітря PDF.
Для отримання додаткової інформації про інші сенсорні технології, будь ласка Відвідайте нашу сторінку датчиків.