传感器模块 – 无补偿但具有成本效益

系统中组件（包括压力传感器）的选择受价格效率的显着影响。 如果组件完全适合应用程序而不增加不相关的成本或价值，那么就有可能获得最佳结果。 对各种传感器模块配置的研究导致发现了一种无补偿配置——没有信号调节和任何偏移量和跨度热偏移校正的压力传感器——可以提供最佳性价比选择。

通常，未补偿传感器的优点如下：

灵敏度/电平、线性度、迟滞的良好信号

更快的信号转换

节省信号调理成本

低电压能力，能耗低

高灵敏度/分辨率

逐步分析您的应用程序和要求的方法将有助于做出适当的决定。

第 1 步：传感器周围检查

在大多数情况下，电路中提供数字或 A/D 输入。 如果该功能已经存在，则在补偿传感器中再次支付费用，特别是如果现有输入已经提供了更高的分辨率并且不需要转换时间。 在很多情况下，即使在低压下，未补偿的输出信号也足够高。 例如，在 1 psi 下，裸片可在 40 Vdc 下提供 5 mV 的大量输出（见图 1）。

图 1. Merit Sensor J 系列（1..300 psi 量程）传递函数。

能够在最低 1.0 Vdc 的极低电源电压下工作是未补偿配置的另一个特点。 这增加了快速上电时间、低自热效应和低功耗等额外优势，例如，在电池驱动的应用中都必须考虑这些。

第 2 步：定义限制

定义信号精度要求很重要。 由于未补偿信号来自未经补偿的裸芯片，因此在计算最终误差时应考虑许多参数，包括 TCS（灵敏度温度系数）、TCO（偏移温度系数）、灵敏度和线性度。

灵敏度 (mV/V) 值决定调节器的前端（微处理器或微控制器）是否正常工作。 它定义了测量的分辨率，以及可用的位（A/D 转换器）。 由于卓越的信噪比，可以毫无困难地使用高达 16 位的 A/D 转换器。 但是，由于裸芯片具有灵敏度分布，因此需要进行信号校准。 一批次与另一批次的典型灵敏度值相差 +/-10%，同一批次和晶圆内的偏差在 5% 以内。

信号误差直接受线性度影响。 根据 MEMS 信号特性，如果最终精度要求严格，可以很容易地对其进行补偿。 通常，基于最佳拟合直线的压力范围中点的非线性误差通常小于 0.2%（见图 2）。 通过引入第三个压力点，可以补偿非线性误差以达到优于 0.2% 的水平。

图 2. 通过添加第三个压力点，可以补偿非线性误差以达到优于 0.2% 的水平。

可重复性和迟滞通常小于 0.05%，这两个参数来自 MEMS 裸片，无法补偿。 这两个参数的影响通常是微不足道的，因为它与整体精度规范有关。

在固定温度下，补偿 MEMS 元件时应考虑以下误差：

+/- 偏移量：零点压力校准 1 点

+/- 信号（扩展）：2 点压力校准

+/- 线性度：3 点压力校准

+/- 迟滞/重复性：典型误差小于 0.05%

完成误差计算所需的另一个关键参数是工作温度。 应计算热误差以确定是否需要温度补偿。 下面给出的示例演示了温度误差为 0 至 +50 °C 的简单情况。

示例：温度范围：0 至 +50 °C 相对于环境温度 (25 °C)，最大增量为：50-25 = 25 °C

最大限度。 失调漂移 (TCO)：+/- 0.25% FS/ °C * 25 °C = +/- 6.25% FS

最大限度。 量程漂移 (TCS)：-2200 ppm = -0.22% FS/ °C * 25 °C = -5.5% FS

总温度漂移误差：+6.25% FS/°C，-13.25% FS/°C（最坏情况）

请注意： TCS 始终为负，并且可以使用定义的算法作为至少一半值的固定值进行补偿。

如果需要温度补偿，那么有几个基本选项可以帮助实现一个人的精度要求。

第 3 步：校准/补偿过程

根据请求的误差计算和校准，下一步是定义是否可以执行请求的过程以及将在何处执行。 温度补偿和压力校准对制造过程有不同的影响。 在任何一种情况下，这两个步骤都可以在制造过程中外包或在内部执行。

由于制造现场可能已经进行了压力测试，因此该步骤可用于压力校准。 相比之下，温度补偿需要特定的设备和专业知识。 未补偿的传感器需要准确稳定的温度管理，以确保持续安全的补偿过程。 这通常需要处理时间和对传感器加压的简单方法，例如，如果必须补偿量程热偏移。

总结

如果定义了所需的精度和确切的工作温度限制，开发人员将能够在补偿传感器和未补偿传感器之间做出正确的决定。 MEMS 传感器具有重要的 TCS 和 TCO，这可能导致实施温度补偿的决定，这在某些情况下会产生高昂的成本。

然而，如果总误差在预期精度范围内，则简单的一个压力点校准与一个温度补偿相结合可确保高分辨率、快速响应时间、低功耗并最终降低成本。

应用

未补偿传感器 Merit 的压力范围广泛，从 10 mbar 到 35 bar，可用于测量空气和非腐蚀性液体和气体。 温度范围很宽，这使得这些部件非常适合许多应用。 自动贴片机处理封装，同样可以使用无铅回流焊工艺进行焊接。

由于医疗领域的温度范围较窄（0 至 50 °C），未补偿传感器在血压监测器、充气设备、医院气体、真空监测和液体压力、空气/流量（呼吸器）测量等应用中表现良好.

对于消费和工业行业，许多具有中等到扩展温度范围的应用（例如水压监测、建筑物/洁净室压力监测和过滤器阻塞检测）都使用未补偿传感器，因为压力和温度校准已纳入最终产品中。

审核编辑：郭婷