Wie man die Vorwärmungsverschiebung von Drucksensoren minimiert

Das Temperaturdriftphänomen von Drucksensoren kann zu Leseschwankungen führen, bis das System die Betriebstemperatur erreicht. Diese Situation hat normalerweise wenig Auswirkungen. In medizinischen Geräten wie Beatmungsgeräten, Lungenfunktionsprüfgeräten und Neugeborenenmonitoren, die eine kontinuierliche hohe Präzision erfordern, ist diese Temperaturdrift jedoch inakzeptabel. Die Überprüfung des grundlegenden piezoresistiven Drucksensors hilft, die Auswirkungen des Vorheizdrifts zu verstehen.

Dieser Sensor besteht aus einem Hauptkörper (d. h. dem "Chip") und einer dünnen Siliziummembran mit vier piezoresistiven Torsionsstrukturen auf seiner Oberfläche. Die piezoresistiven Elemente verändern ihre Widerstandswerte mit Spannungsänderungen und sind in der Regel in einer Brückenstruktur angeordnet und präzise auf der Membranoberfläche installiert, um die Reaktion auf die Membranverformung zu verstärken. Dieses Design kann die Reaktionsempfindlichkeit effektiv verbessern, wenn sich die Druckdifferenz auf beiden Seiten der Membran ändert.

Es gibt zwei Hauptursachen für den Vorheizdrift in grundlegenden Drucksensoren. Eine ist der Vorheiz-Offset des Sensorelements. Wenn das System die Betriebstemperatur erreicht, verursachen das Rohr, die Oberflächentemperatur und die daraus resultierenden Hotspots (Oberflächenbeitrag) ein Ungleichgewicht in der Widerstandsbrücke auf dem Chip und der Membranoberfläche. Der Temperaturanstieg des Widerstandssensorelements ist proportional zur Verlustleistung und damit proportional zum Quadrat der Sensoranregungsspannung (ΔTαV2).

Wenn also die Anregungsspannung halbiert wird, wird der Temperaturanstieg des Sensorelements um ein Viertel reduziert, wodurch der Vorheizoberflächenzustand um das Vierfache reduziert wird. Da der Sensorsignalpegel in beiden Fällen (mit der reduzierten Versorgungsspannung) ebenfalls um ein Viertel reduziert wird, besteht der Gesamteffekt darin, den Vorheizfehler aufgrund des Oberflächenbeitrags um die Hälfte zu reduzieren. Die Reduzierung der Sensorstromversorgung hat jedoch einen negativen Einfluss auf den elektronischen Rauschpegel des Systems.

Eine weitere bevorzugte Lösung ist die Anpassung der Sensorversorgungsspannung an die Systembandbreitenanforderungen. Konkret wird der Sensor nur bei Bedarf mit Strom versorgt. Dieses Design passt die Einschaltzeit des Sensors an den durchschnittlichen Arbeitszyklus (d. h. den Arbeitszyklus) an und unterdrückt effektiv das thermische Anlaufdriftphänomen. Obwohl der Implementierungsmechanismus dieser Methode etwas komplexer ist, bietet sie eine hervorragende Leistung, ohne den Rauschpegel des Systems zu beeinträchtigen.

Hier bezieht sich die Periode p zwischen den Leistungsimpulsen der Anwendung auf die Zeit, in der die Stromversorgung ausgeschaltet ist, plus die Zeit, in der die Stromversorgung eingeschaltet ist. Dies ist die Zeit, die benötigt wird, damit sich alle Signale stabilisieren und der Sensor Messwerte aufnimmt.

Betrachten Sie beispielsweise ein Gerät, das alle 500 ms Messwerte aufnehmen muss, mit einer Stabilisierungszeit von 4 ms und einer Signalerfassungszeit von 1 ms. Im Vergleich zu einem nicht modulierten System beträgt die durchschnittliche Leistung des Sensors nur 1 % der angelegten Leistung ((1 ms + 4 ms) / 500 ms). Natürlich hängt dieser Zeitraum von den Abtastanforderungen der Anwendung ab. Aufgrund des Einflusses von Oberflächenladungen ist die Konstanz von p und der Zeit t sehr wichtig. Unter Berücksichtigung der Vorteile der Regulierung der Sensorstromversorgung ist dies jedoch eine sekundäre Einschränkung.

Temperaturkompensationstechnologie

Eine weitere Ursache für den Vorheizdrift hängt tatsächlich stärker mit den Sensoreigenschaften zusammen, die eng mit der Temperaturkompensationstechnologie des Systems zusammenhängen. Solche Systeme sind in der Regel mit externen Temperatursensoren ausgestattet, um den Drucksensor zu kalibrieren und den Temperatureinfluss zu eliminieren. In einem Dual-Sensor-System wird ein Temperaturgradient zwischen dem externen Gerät und der Membranoberfläche erzeugt. Die Zeit, die dieser Temperaturgradient benötigt, um sich zu stabilisieren, wird als Vorheizdriftphänomen wahrgenommen.

Durch die Verwendung des Sensorwiderstands (des Brückenwiderstands, der sich mit der Temperatur ändert) als Temperaturelement kann dieser Einfluss minimiert werden. Hier ersetzt die Drucksensorbrücke den Thermistor (einen Widerstand zur Messung von Temperaturänderungen), der typischerweise in der Schaltung verwendet wird, und bildet effektiv eine Wheatstone-Brücke. Die Sensorbrücke hat einen relativ hohen positiven Temperaturkoeffizienten (TCR), so dass ein Temperaturanstieg allmählich dazu führt, dass die Signalausgangsspannung (Vt) des Temperaturüberwachungsteils der Schaltung eine negative Änderung aufweist. Die Änderung von Vt relativ zur Referenzspannung (Vref) ist tatsächlich eine effektive Messung der Sensortemperatur selbst. Die Systemelektronik verwendet diese Messung als Kalibriertemperaturreferenz für den Drucksensor. Da kein externer Temperatursensor benötigt wird, gibt es keinen Temperaturgradienten im System, wodurch das sogenannte Vorheizdriftphänomen eliminiert wird. Noch erfreulicher ist, dass durch die Kombination von Leistungsregelung und Temperaturkompensationstechniken der Einfluss des Vorheizdrifts fast vollständig eliminiert werden kann.