notizie sull'azienda Come minimizzare la deriva di preriscaldamento dei sensori di pressione

Il fenomeno della deriva termica dei sensori di pressione può causare fluttuazioni nelle letture fino a quando il sistema non raggiunge la temperatura di esercizio. Questa situazione di solito ha un impatto minimo. Tuttavia, in apparecchiature mediche come i ventilatori polmonari ospedalieri, i dispositivi per il test della funzionalità polmonare e i monitor neonatali che richiedono un'elevata precisione continua, questa deriva termica è inaccettabile. Controllare il sensore di pressione piezoresistivo di base aiuta a comprendere l'impatto della deriva di preriscaldamento.

Questo sensore è costituito da un corpo principale (cioè il "chip") e da un sottile diaframma in silicio con quattro strutture di torsione piezoresistive sulla sua superficie. Gli elementi piezoresistivi modificano i loro valori di resistenza con le variazioni di sollecitazione e sono solitamente disposti in una struttura a ponte e installati con precisione sulla superficie del diaframma per migliorare la risposta alla deformazione del diaframma. Questo design può migliorare efficacemente la sensibilità di risposta quando la differenza di pressione su entrambi i lati del diaframma cambia.

Esistono due fonti principali di deriva di preriscaldamento nei sensori di pressione di base. Una è l'offset di preriscaldamento dell'elemento sensibile. Quando il sistema raggiunge la temperatura di esercizio, il tubo, la temperatura superficiale e i conseguenti punti caldi (contributo della superficie) causano uno squilibrio nel ponte di resistenza sul chip e sulla superficie del diaframma. L'aumento di temperatura dell'elemento sensibile alla resistenza è proporzionale alla potenza dissipata e quindi proporzionale al quadrato della tensione di eccitazione del sensore (ΔTαV2).

Pertanto, quando la tensione di eccitazione viene dimezzata, l'aumento di temperatura dell'elemento sensibile sarà ridotto di un quarto, riducendo così la condizione di preriscaldamento della superficie di quattro volte. Poiché il livello del segnale del sensore sarà anch'esso ridotto di un quarto in entrambi i casi (con la tensione di alimentazione ridotta), l'effetto complessivo è quello di ridurre l'errore di preriscaldamento dovuto al contributo della superficie della metà. Tuttavia, la riduzione dell'alimentazione del sensore avrà un effetto negativo sul livello di rumore elettronico del sistema.

Un'altra soluzione preferita è quella di regolare la tensione di alimentazione del sensore in base ai requisiti di larghezza di banda del sistema. In particolare, il sensore viene alimentato solo quando necessario. Questo design regola il tempo di accensione del sensore al ciclo di lavoro medio (cioè, il ciclo di lavoro), sopprimendo efficacemente il fenomeno della deriva termica all'avvio. Sebbene il meccanismo di implementazione di questo metodo sia leggermente più complesso, offre prestazioni eccellenti senza influire sul livello di rumore del sistema.

Qui, il periodo p tra gli impulsi di alimentazione dell'applicazione si riferisce al tempo in cui l'alimentazione è spenta più il tempo in cui l'alimentazione è accesa. Questo è il tempo necessario affinché tutti i segnali si stabilizzino e il sensore effettui le letture.

Ad esempio, considera un dispositivo che deve effettuare letture ogni 500 ms, con un tempo di stabilizzazione di 4 ms e un tempo di acquisizione del segnale di 1 ms. Rispetto a un sistema non modulato, la potenza media del sensore è solo l'1% della potenza applicata ((1 ms + 4 ms) / 500 ms). Naturalmente, questo periodo di tempo dipende dai requisiti di campionamento dell'applicazione. A causa dell'influenza delle cariche superficiali, la costanza di p e del tempo t è molto importante. Tuttavia, considerando i vantaggi della regolazione dell'alimentazione del sensore, questa è una limitazione secondaria.

Tecnologia di compensazione della temperatura

Un'altra causa principale della deriva di preriscaldamento è in realtà più correlata alle caratteristiche di rilevamento, che è strettamente correlata alla tecnologia di compensazione della temperatura del sistema. Tali sistemi sono solitamente dotati di sensori di temperatura esterni per calibrare il sensore di pressione per eliminare l'influenza della temperatura. In un sistema a doppio sensore, verrà generato un gradiente di temperatura tra il dispositivo esterno e la superficie del diaframma. Il tempo necessario per la stabilizzazione di questo gradiente di temperatura sarà percepito come il fenomeno della deriva di preriscaldamento.

Utilizzando la resistenza del sensore (la resistenza del ponte che varia con la temperatura) come elemento di rilevamento della temperatura, questa influenza può essere minimizzata. Qui, il ponte del sensore di pressione sostituisce il termistore (una resistenza utilizzata per misurare le variazioni di temperatura) tipicamente utilizzato nel circuito, formando efficacemente un ponte di Wheatstone. Il ponte del sensore ha un coefficiente di temperatura positivo (TCR) relativamente elevato, quindi un aumento della temperatura causerà gradualmente la visualizzazione di una variazione negativa della tensione di uscita del segnale (Vt) della parte di monitoraggio della temperatura del circuito. La variazione di Vt rispetto alla tensione di riferimento (Vref) è in realtà una misurazione efficace della temperatura del sensore stesso. L'elettronica del sistema utilizza questa misurazione come riferimento di temperatura di calibrazione per il sensore di pressione. Poiché non è necessario fare affidamento su un sensore di temperatura esterno, non c'è gradiente di temperatura nel sistema, eliminando così il cosiddetto fenomeno della deriva di preriscaldamento. Ancora più piacevolmente, combinando la regolazione dell'alimentazione e le tecniche di compensazione della temperatura, l'influenza della deriva di preriscaldamento può essere quasi completamente eliminata.