電橋測(cè)量基礎(chǔ)
電橋是精密測(cè)量電阻或其他模擬量的一種有效的方法。本文介紹了如何實(shí)現(xiàn)具有較大信號(hào)輸出的硅應(yīng)變計(jì)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的接口,特別是Σ-Δ ADC,當(dāng)使用硅應(yīng)變計(jì)時(shí),它是一種實(shí)現(xiàn)壓力變送器的低成本方案
硅應(yīng)變計(jì)
硅應(yīng)變計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于高靈敏度,它通過感應(yīng)由應(yīng)力引發(fā)的硅材料體電阻變化來檢測(cè)壓力。相比于金屬箔或粘貼絲式應(yīng)變計(jì),其輸出通常要大一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種硅應(yīng)變計(jì)的輸出信號(hào)較大,可以與較廉價(jià)的電子器件配套使用。但是,這些小而脆器件的安裝和連線非常困難,因而增加了成本,限制了它們?cè)谡迟N式應(yīng)變計(jì)應(yīng)用中的使用。
不過,用MEMS工藝制作的硅壓力傳感器卻克服了這些弊病。這種MEMS壓力傳感器采用了標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝和特殊的蝕刻技術(shù)。這種特殊的蝕刻技術(shù)可選擇性地從晶圓的背面除去一部分硅,從而生成由堅(jiān)固的硅邊框包圍的、數(shù)以百計(jì)的方形薄膜。而在晶圓的正面,每一個(gè)小薄膜的每個(gè)邊上都植入了一個(gè)壓敏電阻,用金屬線把小薄片周邊的四個(gè)電阻連接起來就形成一個(gè)惠斯登電橋。最后,使用鉆石鋸從晶圓上鋸下各個(gè)傳感器。這時(shí),硅傳感器已經(jīng)初具形態(tài),但還需要配備壓力端口和連接引線方可使用。這些小傳感器便宜而且相對(duì)可靠,但受溫度變化影響較大,而且初始偏移和靈敏度的偏差很大。
壓力傳感器實(shí)例
在此給出一個(gè)壓力傳感器的實(shí)例,其所涉及的原理適用于任何使用類似電橋的傳感器。公式1給出了一個(gè)原始的壓力傳感器的輸出模型。其中,VOUT在給定壓力P下具有很寬的變化范圍,不同傳感器在同一溫度下,或者同一傳感器在不同溫度下,其VOUT都有所不同。因此要提供一個(gè)一致的、有意義的輸出,每個(gè)傳感器都必須進(jìn)行校正,以補(bǔ)償器件之間的差異和溫度漂移。長(zhǎng)期以來,校準(zhǔn)都是通過模擬電路進(jìn)行的。然而,現(xiàn)代電子學(xué)的進(jìn)展使得數(shù)字校準(zhǔn)比模擬校準(zhǔn)更具成本效益,而且其準(zhǔn)確性也更好。此外,利用一些模擬技術(shù)“竅門”,可以在不犧牲精度的前提下簡(jiǎn)化數(shù)字校準(zhǔn)。
VOUT=VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0)) （1）
式中,VOUT為電橋輸出,VB是電橋的激勵(lì)電壓,P是外加壓力,T0是參考溫度,S0是T0溫度下的靈敏度,S1是靈敏度的溫度系數(shù)(TCS),U0是在無壓力情況下電橋在溫度T0時(shí)的輸出偏移量(或失衡),而U1則是偏移量的溫度系數(shù)(OTC)。公式(1)使用一次多項(xiàng)公式來對(duì)傳感器進(jìn)行建模,而有些應(yīng)用場(chǎng)合可能會(huì)用到高次多項(xiàng)公式、分段線性技術(shù)或者分段二次逼近模型,并為其中的系數(shù)建立一個(gè)查尋表。無論使用哪種模型,數(shù)字校準(zhǔn)時(shí)都要對(duì)VOUT、VB和T進(jìn)行數(shù)字化,同時(shí)要采用某種方公式來確定全部系數(shù)并進(jìn)行必要的計(jì)算。公式(2)由公式(1)變化所得,從中可清楚地看到,通過數(shù)字計(jì)算(通常由微控制器(MCU)執(zhí)行)而輸出精確壓力值所需的信息。
P=(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0)) (2)
電壓驅(qū)動(dòng)
