壓力傳感器的溫漂現(xiàn)象會導致讀數(shù)波動,直到系統(tǒng)達到工作溫度。這種情況通常影響不大。然而,在醫(yī)院呼吸機、肺功能檢測設備、新生兒監(jiān)護儀等需要持續(xù)高精度的醫(yī)療設備中,這種溫漂是不可接受的。檢查基礎壓阻式壓力傳感器有助于了解預熱漂移的影響。
該傳感器由主體(即“芯片”)和表面帶有四個壓阻扭轉結構的薄硅膜片構成。壓阻元件會隨應力變化改變電阻值,通常采用橋式結構布局,并精準安裝在膜片表面以增強對膜片形變的響應。這種設計能有效提升膜片兩側壓差變化時的響應靈敏度。
預熱漂移
基本壓力傳感器中存在兩種主要的預熱漂移來源。其一是傳感元件的預熱偏移。當系統(tǒng)達到工作溫度時——

管子、表面溫度以及由此產(chǎn)生的熱熱點(表面貢獻)在芯片和隔膜表面引起電阻橋的不平衡。電阻傳感元件的溫升與耗散功率成正比,因此與傳感器激勵電壓的平方成正比(ΔTαV2)。
因此,將激勵電壓降低一半時,傳感元件的溫升會減少四分之一,從而使得預熱表面狀況也相應降低四倍。由于傳感器的信號電平也會隨之降低四分之一,

在兩種情況中(采用降低的供電電壓),其總體效果是將表面貢獻的預熱誤差降低一半。但是,降低傳感器電源會對系統(tǒng)電子噪聲水平產(chǎn)生不利影響。
另一種優(yōu)選方案是根據(jù)系統(tǒng)帶寬需求調節(jié)傳感器供電電壓。具體來說,僅在需要時為傳感器供電。這種設計將傳感器的供電時間調整為平均占空比(即工作周期),從而有效抑制熱啟動漂移現(xiàn)象。雖然該方法的實現(xiàn)機制稍顯復雜,但能帶來卓越性能表現(xiàn),且不會影響系統(tǒng)噪聲水平。
此處,應用程序的功率脈沖之間的周期p是指關閉電源的時間加上打開電源的時間。這是所有信號穩(wěn)定和傳感器進行讀數(shù)所需的時間。
例如,考慮一個每500 ms需要讀數(shù)的設備,其穩(wěn)定時間為4 ms,信號采集時間為1 ms。與非調制系統(tǒng)相比,傳感器的平均功率僅為施加功率的1%([1 ms + 4 ms]/500 ms)。

當然,該時間段取決于應用程序的采樣要求。由于表面電荷的影響,p和時間t的恒定性非常重要。但是,考慮到調節(jié)傳感器電源的好處,這是一個次要的限制。
溫度補償技術
另一個導致預熱漂移的根源其實更多是感知特性,這與系統(tǒng)的溫度補償技術密切相關。這類系統(tǒng)通常配備外部溫度傳感器,用于校準壓力傳感器以消除溫度影響。雙傳感器系統(tǒng)在外部設備與膜片表面溫度之間會產(chǎn)生溫差梯度。這種溫差梯度穩(wěn)定所需的時間,就會被感知為預熱漂移現(xiàn)象。
通過使用傳感器電阻(隨溫度變化的電橋電阻)作為溫度傳感元件,可以最大限度地減少這種影響。在這里,壓力傳感器電橋替代了電路中通常使用的熱敏電阻(一種用于測量溫度變化的電阻器),從而有效地形成了一個惠斯通電橋。傳感器橋具有較高的正溫度系數(shù)(TCR),因此溫度升高會導致電路溫度監(jiān)測部分的信號輸出電壓(Vt)逐漸呈現(xiàn)負電性變化。Vt相對于參考電壓 (Vref)的變化,實際上是對傳感器溫度本身的有效測量。系統(tǒng)電子設備將此測量值作為壓力傳感器的校準溫度基準。由于無需依賴外部溫度傳感器,系統(tǒng)中不存在溫度梯度,因此消除了所謂的預熱漂移現(xiàn)象。更令人欣喜的是,通過結合電源調節(jié)與溫度補償技術,幾乎可以完全消除預熱漂移的影響。
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如何最小化壓力傳感器的預熱漂移@ALLSENSORS
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