如何選擇補償式硅壓力傳感器

該參考設計為使用補償型硅壓力傳感器和高精度delta-sigma ADC的經濟高效，低功耗液位測量數據采集系統（DAS）提供了設計思路。本文討論了如何選擇補償式硅壓力傳感器，建議系統算法以及提供噪聲分析。它還描述了校準思路，以提高系統性能同時降低復雜性和成本。

液位測量在工業和商業過程中都有許多應用。從家庭水箱上的水位檢測到監測工業上明渠的燃料流，其使用一直在提供安全可靠的系統。也許，液位測量最簡單但最重要的應用是在洪水檢測系統中，在天氣不好的情況下，可以使社區免受洪水的危害。

該參考設計是液位測量和控制系列中的第一個。在第1部分中，這里介紹了現代壓力傳感器之間的差異，并著重介紹了微機電（MEMS）溫度補償的硅壓力傳感器的最新進展?，F在，這些傳感器的價格合理，并且具有各種封裝，可用于包括液位測量在內的各種精密傳感應用。

然后，該文檔介紹了一種經濟型，低功耗，液位測量數據采集系統（DAS），該系統使用補償的硅壓力傳感器和高精度的delta-sigma ADC。本文將解釋如何選擇補償式硅壓力傳感器。它將建議系統算法，分析噪聲并提供校準思想，以提高系統性能，同時降低復雜性和成本。

測量壓力-回顧

可以說，現代壓力測量是由意大利物理學家Evangelista Torricelli1通過其1643年的水銀氣壓計發明而開始的。托里切利（Torricelli）在一根長1米的玻璃管中充滿汞，將其一端完全密封，然后將其開口端垂直置于裝有汞的容器中。汞柱降至約760mm，在其水平面上方留有空白。壓力單位Torr是為紀念本發明人而命名的，其壓力比為1至760標準大氣壓。在世界大多數地方，血壓2均以托（毫米汞柱）為單位進行測量。

現代壓力單位包括國際系統（SI）定義的Pa（帕斯卡）作為主要壓力單位（Pa = N /m2）。在美國，一種流行的壓力測量單位是“ bar”，其單位是磅每平方英寸（PSI）。由于歷史和技術原因，在各種壓力單位之間轉換為標準單位計量是一項非常繁瑣的任務。但是，廣泛可用的免費轉換表或免費在線單位轉換器可使工程師的工作更加輕松。

壓力傳感器主要分為兩類：按測量類型分類：

1.絕對壓力傳感器，用于測量相對于理想真空壓力的壓力。絕對壓力傳感器的一個示例是水銀（Hg）氣壓計，如圖1所示。

2.壓差傳感器，用于測量作為傳感單元輸入引入的兩個或多個壓力之間的壓差。這種傳感器的一個應用示例是差壓流量計（圖2），其中流體速度的變化會引起壓力的變化，并產生壓力差ΔP= P1 – P2。

表壓傳感器是另一種差分傳感器，構造為測量相對于大氣壓的相對壓力。這種傳感器的一個例子是流行的輪胎壓力表。當輪胎壓力表的讀數為零時，它實際上是在給定位置讀取大氣壓力。

現代壓力傳感器的問世

許多工業，商業和醫療應用都需要在寬動態范圍內以±1％至±0.1％或更高的精度進行精確的壓力測量，而且價格合理，并且功耗通常很低。硅壓力傳感器的開發正是應對這些挑戰的答案。

現代傳感器時代始于1967年的霍尼韋爾研究中心，Art R. Zias和John Egan申請了受邊緣約束的硅膜片的專利。

自1990年代中期以來，被稱為MEMS的壓阻式硅基壓力傳感器已大批量生產，具有成本效益，因此成為最受歡迎的壓力傳感器。MEMS器件在絕對壓力，差壓和表壓模式下的工作壓力范圍為100mbar至1500bar。
基于硅的壓阻式壓力傳感器顯示出比標準應變計高得多的靈敏度。它們在恒定溫度下具有良好的線性，并且在破壞性極限以內具有可接受的磁滯。這些傳感器還具有一些缺點，這取決于它們的“硅”性質：滿量程信號對溫度的強烈非線性依賴性，較大的初始偏移以及較大的隨溫度的偏移漂移。

許多工業和汽車應用需要在擴展的溫度范圍（-40°C至+ 125°C）中進行壓力測量。為了在此寬溫度范圍內以±1％或更高的精度實現精確的壓力測量，至少需要實施一階溫度補償：

VDIFF = VOS +TαVOS+ P（S +TαS）

其中：

• VDIFF是相對于壓力P和溫度T的差分電壓；
• αS是靈敏度的溫度系數；
• αVOS是偏移的溫度系數。

壓阻傳感器的模擬信號調理方法以MAX1450為例。該信號調理器可以應用于未補償的傳感器，并適用于-40°C至+ 125°C的擴展溫度范圍（圖3）。

下一代用于調節傳感器信號的IC（MAX1455）集成了可編程傳感器激勵，一個16步可編程增益放大器（PGA），768字節（6144位）內部EEPROM和四個用于FSO，失調的16位DAC，和跨度補償。

結論
新型MEMS溫度補償的硅壓力傳感器的價格和封裝尺寸正在下降。這使它們對于各種精度傳感應用具有吸引力，例如液位測量或流量計。這些應用需要諸如MAX11206之類的低噪聲delta-sigma ADC直接與安裝在PCB上的硅壓力傳感器接口。通過簡單的補償方案，此方法可輕松提高這些壓力傳感器的絕對精度。硅壓力傳感器和ADC一起提供了一種高性能，高性價比的測量系統，非常適合便攜式傳感應用。

高無噪聲分辨率，集成緩沖器，出色的共模動態范圍，50 / 60Hz抑制和系統校準等特性使MAX11206可直接與新型硅壓力傳感器如MPXM2010接口，而無需額外的儀表放大器或專用電流源。熱誤差的減少還使設計人員能夠實施簡單的線性算法，從而進一步降低了系統復雜性和成本。

參考設計5523“液位測量系統使用補償的硅壓力傳感器和精密Delta-Sigma ADC，第2部分”中進一步討論了該控制和輸送系統，該手冊解釋了如何實現可測量和分配大多數工業液體的設計。使用非接觸式測量方法。

編輯：hfy