bedrijfsnieuws over Hoe de voorverwarmingsverschuiving van druksensoren tot een minimum te beperken

Het temperatuurdriftfenomeen van druksensoren kan leiden tot fluctuaties in de metingen totdat het systeem de werktemperatuur bereikt. Deze situatie heeft meestal weinig impact. In medische apparatuur zoals ziekenhuisventilatoren, longfunctietestapparaten en neonatale monitoren die continue hoge precisie vereisen, is deze temperatuurdrift echter onacceptabel. Het controleren van de basis piezoresistieve druksensor helpt om de impact van voorverwarmingsdrift te begrijpen.

Deze sensor bestaat uit een hoofdgedeelte (d.w.z. de "chip") en een dun siliconen membraan met vier piezoresistieve torsiestructuren op het oppervlak. De piezoresistieve elementen veranderen hun weerstandswaarden met spanningsveranderingen en worden meestal in een brugstructuur gerangschikt en nauwkeurig op het membraanoppervlak geïnstalleerd om de respons op membraanvervorming te verbeteren. Dit ontwerp kan de responsgevoeligheid effectief verbeteren wanneer het drukverschil aan beide zijden van het membraan verandert.

Er zijn twee belangrijke bronnen van voorverwarmingsdrift in basisdruksensoren. Eén is de voorverwarmingsoffset van het sensorelement. Wanneer het systeem de bedrijfstemperatuur bereikt, veroorzaken de buis, de oppervlaktetemperatuur en de resulterende hotspots (oppervlaktebijdrage) een onbalans in de weerstandsbrug op de chip en het membraanoppervlak. De temperatuurstijging van het weerstandssensorelement is evenredig met het afgevoerde vermogen en dus evenredig met het kwadraat van de sensorvoedingsspanning (ΔTαV2).

Daarom, wanneer de voedingsspanning wordt gehalveerd, wordt de temperatuurstijging van het sensorelement met een kwart verminderd, waardoor de voorverwarmingsoppervlakteconditie met vier keer wordt verminderd. Aangezien het sensorsignaalniveau in beide gevallen ook met een kwart wordt verminderd (met de verminderde voedingsspanning), is het algehele effect om de voorverwarmingsfout als gevolg van de oppervlaktebijdrage met de helft te verminderen. Het verminderen van de sensorvoeding heeft echter een nadelig effect op het elektronische ruisniveau van het systeem.

Een andere voorkeursoplossing is om de sensorspanningsspanning aan te passen aan de bandbreedtevereisten van het systeem. De sensor wordt specifiek alleen gevoed wanneer dat nodig is. Dit ontwerp past de inschakeltijd van de sensor aan op de gemiddelde duty cycle (d.w.z. de werkcyclus), waardoor het thermische opstartdriftfenomeen effectief wordt onderdrukt. Hoewel het implementatiemechanisme van deze methode iets complexer is, biedt het uitstekende prestaties zonder het ruisniveau van het systeem te beïnvloeden.

Hier verwijst de periode p tussen stroompulsen van de toepassing naar de tijd dat de stroom is uitgeschakeld plus de tijd dat de stroom is ingeschakeld. Dit is de tijd die nodig is voor alle signalen om te stabiliseren en voor de sensor om metingen te verrichten.

Beschouw bijvoorbeeld een apparaat dat elke 500 ms metingen moet verrichten, met een stabilisatietijd van 4 ms en een signaalacquisitietijd van 1 ms. Vergeleken met een niet-gemoduleerd systeem is het gemiddelde vermogen van de sensor slechts 1% van het toegepaste vermogen ((1 ms + 4 ms) / 500 ms). Uiteraard is deze tijdsperiode afhankelijk van de bemonsteringsvereisten van de toepassing. Vanwege de invloed van oppervlakteladingen is de constantheid van p en tijd t erg belangrijk. Gezien de voordelen van het reguleren van de sensorvoeding is dit echter een secundaire beperking.

Temperatuurcompensatietechnologie

Een andere hoofdoorzaak van voorverwarmingsdrift houdt in feite meer verband met de sensorkenmerken, die nauw verband houden met de temperatuurcompensatietechnologie van het systeem. Dergelijke systemen zijn meestal uitgerust met externe temperatuursensoren om de druksensor te kalibreren om de invloed van temperatuur te elimineren. In een dual-sensor systeem wordt een temperatuurgradiënt gegenereerd tussen het externe apparaat en het membraanoppervlak. De tijd die nodig is voor deze temperatuurgradiënt om te stabiliseren, wordt waargenomen als het voorverwarmingsdriftfenomeen.

Door de sensorweerstand (de brugweerstand die varieert met de temperatuur) te gebruiken als het temperatuursensorelement, kan deze invloed worden geminimaliseerd. Hier vervangt de druksensorbrug de thermistor (een weerstand die wordt gebruikt om temperatuurveranderingen te meten) die typisch in het circuit wordt gebruikt, waardoor effectief een Wheatstone-brug wordt gevormd. De sensorbrug heeft een relatief hoge positieve temperatuurcoëfficiënt (TCR), dus een temperatuurstijging zal er geleidelijk toe leiden dat de signaaluitgangsspanning (Vt) van het temperatuurmonitoringgedeelte van het circuit een negatieve verandering vertoont. De verandering van Vt ten opzichte van de referentiespanning (Vref) is in feite een effectieve meting van de sensortemperatuur zelf. De systeemelektronica gebruikt deze meting als de kalibratietemperatuurreferentie voor de druksensor. Omdat het niet nodig is om afhankelijk te zijn van een externe temperatuursensor, is er geen temperatuurgradiënt in het systeem, waardoor het zogenaamde voorverwarmingsdriftfenomeen wordt geëlimineerd. Nog aangenamer is dat door de technieken voor stroomregeling en temperatuurcompensatie te combineren, de invloed van voorverwarmingsdrift bijna volledig kan worden geëlimineerd.