压力传感器的量程和偏移补偿方法

传感器补偿历来基于模拟架构。最近，用于数字传感器信号处理（DSSP）的高性能计算引擎的出现使这种架构可用于压力传感器。因此，用于调节和转换压力传感器输出的下一代集成电路（IC）将采用DSSP架构。本应用笔记详细介绍了MAX1460传感器信号调理器中使用的DSSP架构。

硅基压力传感器MEMS（微机电传感器）的主要消费者仍然是汽车市场。1999年，传感器占汽车电子支出12.10亿美元的67%（来源：战略分析）。随着传感器开发扩展现有应用并实现新的汽车功能，这一趋势应该会继续下去。在汽车市场推出的新型信号处理和信号转换架构中，有一款（MAX1460）能够比现有的基于MEMS的传感器提供更高水平的传感器性能。

MEMS压力传感器的特性

当今为汽车市场生产的大多数MEMS压力传感器都由一个四电阻惠斯通电桥组成，该电桥采用体蚀刻微加工技术在单个单片芯片上制造。集成在传感器芯片中的压阻元件位于压力传感膜片的外围，位于适合应变测量的点处（见图1）。这些传感器价格低廉，因为它们被加工成集成电路，在可能包含几百到几千个传感元件的晶圆上。

图1.典型的硅压力传感器具有右图所示的等效电路。

在桥梁配置中，对角线相对的支腿的阻力在相同的方向上变化，这是压力引起的机械变形的函数。当一组对角线相对的腿的阻力在压力下增加时，另一组腿的阻力减小，反之亦然。电压或电流形式的电桥激励施加在电桥的两个相对角上。如图1中的+Exc和-Exc所示，这些端子通常称为“激励输入”或“桥式驱动输入”。

电阻（即压力）的任何变化都被检测为电桥其他两个角（+图1中的Vout和-Vout）的电压差，通常称为“电桥输出”或“信号输出”。不幸的是，对于硅压阻式传感器来说，这种电压差非常小（几十毫伏）。此外，未补偿传感器的全跨度输出（FSO）可能会表现出对温度的强烈非线性依赖性，较大的初始偏移（高达FSO的100%或更多），以及偏移随温度的强烈漂移。FSO定义为对应于最大和最小施加压力的传感器输出差。因此，传感器在使用前必须经过补偿。

集成集成电路进行补偿的传感器已经存在多年。通常，这种补偿基于模拟架构（此处称为模拟传感器信号处理或ASSP）。用于数字传感器信号处理（DSSP）的精细几何CMOS和高性能计算引擎的出现最近使这种架构可用于压力传感器。因此，用于调节和转换压力传感器输出的下一代IC将采用DSSP架构。

模拟传感器信号处理 （ASSP）

集成ASSP的第一代IC通常只包括差分到单端放大器。传感器的所有性能特性都被放大和传递，使传感器制造商承担了确定传感器性能的负担。通常，压力传感器信号和温度信号被呈现给电子控制单元（ECU），该单元使用查找表来获得合理的压力估计。

这些架构用于发动机管理模块，以处理表示气压 （BAP） 和歧管气压 （MAP） 的数据。这些设计在模拟域中执行校准和补偿。为了存储传感器特定的数据，使用了模拟“存储器”组件，如电位计、分立电阻器或电容器（其中一些与温度相关）和激光调整电阻器。这种方法的主要问题如下：

传感器的非线性导致补偿精度受限

激光修剪机和其他自动化设备成本高

测试和修整通常需要多次设置

高元件数，防止小型化

同样基于ASSP架构的第二代补偿器件由集成非易失性存储器（如EPROM或EEPROM）和低分辨率数模转换器（DAC）的小特征硅IC实现。为了调整FSO和失调，这些架构使用DAC将每个存储的数字系数转换为模拟电压，然后再将其应用于模拟放大电路。

有两个因素限制了早期设计的性能：使用低分辨率（8位和10位）DAC，以及使用连接到信号转换IC的分立式温度检测器件。通过引入12位和16位DAC，以及将比例温度传感器集成到IC中，第二波架构得到了极大的增强。一阶温度补偿，其中温度信号位于IC本身的本地，完全由信号转换IC执行。在典型的汽车工作温度范围（-2°C至40°C）内，传感器性能提高了125%或更多，在工业应用中提高了0.1%。

数字传感器信号处理 （DSSP）

第三代DSSP架构风格的特点是全数字补偿和纠错方案。超精细几何形状的混合信号CMOS IC技术使复杂的数字信号处理器（DSP）能够集成到传感器补偿器IC中。DSP专为执行传感器补偿计算而设计，使传感器输出能够实现传感器固有的所有精度。从理论上讲，线性化一阶和二阶温度对全跨输出（FSO）和偏移的影响可以使整体线性度与温度的关系优于传感器本身。

作为背景，请考虑几个关键因素对于使这种第三波架构成功至关重要：

传感器在整个温度和压力范围内的可重复性

高分辨率 A/D 转换（最低 16 位）

具有 16 位乘法和加法的计算引擎

数字逻辑和信号转换电路之间的同步操作

所有模拟信号处理子系统的比例操作

高分辨率（最小 12 位）数模转换器

低功耗

此外，请考虑以下有关数字信号处理的一般规则：

传感器的稳定性、重复性和迟滞无法通过计算得到改善。

计算可能会降低信号分辨率，但绝不会增加信号分辨率。

输出信号精度将小于输入信号分辨率。

上述规则和技术要求将适用于压力传感器的温度补偿。在补偿之前，其失调和量程随温度的变化可能大于10%（见图2）。在这些曲线中还可以看到指示二阶效应的轻微非线性曲率。补偿这些温度误差需要使用通用的温度线性化公式：

DOUT = Gain × (1/2 + G1× T + G2 × T²) × (Signal + Of0 + Of1× T + Of2 × T²) + DOFF (1),

其中

 

DOUT	补偿输出信号
Gain	补偿输出范围
G1	补偿一阶增益温度系数（TC）误差
T	温度（以°C表示）
G2	补偿二阶增益TC误差
Signal	未补偿换能器信号的数字化表示
Of0	补偿传感器元件的偏移
Of1	补偿一阶偏移TC误差
Of2	补偿二阶偏移TC误差
DOFF	零压力输出电平

 

这个方程的计算需要加法和乘法。虽然从等式中没有明确明显，但还需要第三个算术运算（否定）。为了保持最高水平的精度，所有算术运算都应以输入信号的分辨率执行，在本例中为 16 位。

图2.轻微曲率表示该压阻式换能器的输出中存在二阶效应。

现在，新的器件MAX1460可用于执行补偿压力传感器所需的算术运算，公式1为。由于该器件可以对其板载ADC数字化的压力传感器信号执行这些算术运算（使用其板载处理器），因此称为智能ADC。参见图 3。

图3.该图结合了MAX1460信号调理器的框图和应用原理图。

审核编辑：郭婷