壓力傳感器的量程和偏移補(bǔ)償方法

傳感器補(bǔ)償歷來(lái)基于模擬架構(gòu)。最近，用于數(shù)字傳感器信號(hào)處理（DSSP）的高性能計(jì)算引擎的出現(xiàn)使這種架構(gòu)可用于壓力傳感器。因此，用于調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換壓力傳感器輸出的下一代集成電路（IC）將采用DSSP架構(gòu)。本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了MAX1460傳感器信號(hào)調(diào)理器中使用的DSSP架構(gòu)。

硅基壓力傳感器MEMS（微機(jī)電傳感器）的主要消費(fèi)者仍然是汽車市場(chǎng)。1999年，傳感器占汽車電子支出12.10億美元的67%（來(lái)源：戰(zhàn)略分析）。隨著傳感器開發(fā)擴(kuò)展現(xiàn)有應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)新的汽車功能，這一趨勢(shì)應(yīng)該會(huì)繼續(xù)下去。在汽車市場(chǎng)推出的新型信號(hào)處理和信號(hào)轉(zhuǎn)換架構(gòu)中，有一款（MAX1460）能夠比現(xiàn)有的基于MEMS的傳感器提供更高水平的傳感器性能。

MEMS壓力傳感器的特性

當(dāng)今為汽車市場(chǎng)生產(chǎn)的大多數(shù)MEMS壓力傳感器都由一個(gè)四電阻惠斯通電橋組成，該電橋采用體蝕刻微加工技術(shù)在單個(gè)單片芯片上制造。集成在傳感器芯片中的壓阻元件位于壓力傳感膜片的外圍，位于適合應(yīng)變測(cè)量的點(diǎn)處（見(jiàn)圖1）。這些傳感器價(jià)格低廉，因?yàn)樗鼈儽患庸こ杉呻娐?，在可能包含幾百到幾千個(gè)傳感元件的晶圓上。

圖1.典型的硅壓力傳感器具有右圖所示的等效電路。

在橋梁配置中，對(duì)角線相對(duì)的支腿的阻力在相同的方向上變化，這是壓力引起的機(jī)械變形的函數(shù)。當(dāng)一組對(duì)角線相對(duì)的腿的阻力在壓力下增加時(shí)，另一組腿的阻力減小，反之亦然。電壓或電流形式的電橋激勵(lì)施加在電橋的兩個(gè)相對(duì)角上。如圖1中的+Exc和-Exc所示，這些端子通常稱為“激勵(lì)輸入”或“橋式驅(qū)動(dòng)輸入”。

電阻（即壓力）的任何變化都被檢測(cè)為電橋其他兩個(gè)角（+圖1中的Vout和-Vout）的電壓差，通常稱為“電橋輸出”或“信號(hào)輸出”。不幸的是，對(duì)于硅壓阻式傳感器來(lái)說(shuō)，這種電壓差非常?。◣资练４送?，未補(bǔ)償傳感器的全跨度輸出（FSO）可能會(huì)表現(xiàn)出對(duì)溫度的強(qiáng)烈非線性依賴性，較大的初始偏移（高達(dá)FSO的100%或更多），以及偏移隨溫度的強(qiáng)烈漂移。FSO定義為對(duì)應(yīng)于最大和最小施加壓力的傳感器輸出差。因此，傳感器在使用前必須經(jīng)過(guò)補(bǔ)償。

集成集成電路進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膫鞲衅饕呀?jīng)存在多年。通常，這種補(bǔ)償基于模擬架構(gòu)（此處稱為模擬傳感器信號(hào)處理或ASSP）。用于數(shù)字傳感器信號(hào)處理（DSSP）的精細(xì)幾何CMOS和高性能計(jì)算引擎的出現(xiàn)最近使這種架構(gòu)可用于壓力傳感器。因此，用于調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換壓力傳感器輸出的下一代IC將采用DSSP架構(gòu)。

模擬傳感器信號(hào)處理 （ASSP）

集成ASSP的第一代IC通常只包括差分到單端放大器。傳感器的所有性能特性都被放大和傳遞，使傳感器制造商承擔(dān)了確定傳感器性能的負(fù)擔(dān)。通常，壓力傳感器信號(hào)和溫度信號(hào)被呈現(xiàn)給電子控制單元（ECU），該單元使用查找表來(lái)獲得合理的壓力估計(jì)。

這些架構(gòu)用于發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊，以處理表示氣壓 （BAP） 和歧管氣壓 （MAP） 的數(shù)據(jù)。這些設(shè)計(jì)在模擬域中執(zhí)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。為了存儲(chǔ)傳感器特定的數(shù)據(jù)，使用了模擬“存儲(chǔ)器”組件，如電位計(jì)、分立電阻器或電容器（其中一些與溫度相關(guān)）和激光調(diào)整電阻器。這種方法的主要問(wèn)題如下：

傳感器的非線性導(dǎo)致補(bǔ)償精度受限

激光修剪機(jī)和其他自動(dòng)化設(shè)備成本高

測(cè)試和修整通常需要多次設(shè)置

高元件數(shù)，防止小型化

同樣基于ASSP架構(gòu)的第二代補(bǔ)償器件由集成非易失性存儲(chǔ)器（如EPROM或EEPROM）和低分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的小特征硅IC實(shí)現(xiàn)。為了調(diào)整FSO和失調(diào)，這些架構(gòu)使用DAC將每個(gè)存儲(chǔ)的數(shù)字系數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓，然后再將其應(yīng)用于模擬放大電路。

有兩個(gè)因素限制了早期設(shè)計(jì)的性能：使用低分辨率（8位和10位）DAC，以及使用連接到信號(hào)轉(zhuǎn)換IC的分立式溫度檢測(cè)器件。通過(guò)引入12位和16位DAC，以及將比例溫度傳感器集成到IC中，第二波架構(gòu)得到了極大的增強(qiáng)。一階溫度補(bǔ)償，其中溫度信號(hào)位于IC本身的本地，完全由信號(hào)轉(zhuǎn)換IC執(zhí)行。在典型的汽車工作溫度范圍（-2°C至40°C）內(nèi)，傳感器性能提高了125%或更多，在工業(yè)應(yīng)用中提高了0.1%。

數(shù)字傳感器信號(hào)處理 （DSSP）

第三代DSSP架構(gòu)風(fēng)格的特點(diǎn)是全數(shù)字補(bǔ)償和糾錯(cuò)方案。超精細(xì)幾何形狀的混合信號(hào)CMOS IC技術(shù)使復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）能夠集成到傳感器補(bǔ)償器IC中。DSP專為執(zhí)行傳感器補(bǔ)償計(jì)算而設(shè)計(jì)，使傳感器輸出能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器固有的所有精度。從理論上講，線性化一階和二階溫度對(duì)全跨輸出（FSO）和偏移的影響可以使整體線性度與溫度的關(guān)系優(yōu)于傳感器本身。

作為背景，請(qǐng)考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)于使這種第三波架構(gòu)成功至關(guān)重要：

傳感器在整個(gè)溫度和壓力范圍內(nèi)的可重復(fù)性

高分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換（最低 16 位）

具有 16 位乘法和加法的計(jì)算引擎

數(shù)字邏輯和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路之間的同步操作

所有模擬信號(hào)處理子系統(tǒng)的比例操作

高分辨率（最小 12 位）數(shù)模轉(zhuǎn)換器

低功耗

此外，請(qǐng)考慮以下有關(guān)數(shù)字信號(hào)處理的一般規(guī)則：

傳感器的穩(wěn)定性、重復(fù)性和遲滯無(wú)法通過(guò)計(jì)算得到改善。

計(jì)算可能會(huì)降低信號(hào)分辨率，但絕不會(huì)增加信號(hào)分辨率。

輸出信號(hào)精度將小于輸入信號(hào)分辨率。

上述規(guī)則和技術(shù)要求將適用于壓力傳感器的溫度補(bǔ)償。在補(bǔ)償之前，其失調(diào)和量程隨溫度的變化可能大于10%（見(jiàn)圖2）。在這些曲線中還可以看到指示二階效應(yīng)的輕微非線性曲率。補(bǔ)償這些溫度誤差需要使用通用的溫度線性化公式：

DOUT = Gain × (1/2 + G1× T + G2 × T2) × (Signal + Of0 + Of1× T + Of2 × T2) + DOFF (1),

其中

這個(gè)方程的計(jì)算需要加法和乘法。雖然從等式中沒(méi)有明確明顯，但還需要第三個(gè)算術(shù)運(yùn)算（否定）。為了保持最高水平的精度，所有算術(shù)運(yùn)算都應(yīng)以輸入信號(hào)的分辨率執(zhí)行，在本例中為 16 位。

圖2.輕微曲率表示該壓阻式換能器的輸出中存在二階效應(yīng)。

現(xiàn)在，新的器件MAX1460可用于執(zhí)行補(bǔ)償壓力傳感器所需的算術(shù)運(yùn)算，公式1為。由于該器件可以對(duì)其板載ADC數(shù)字化的壓力傳感器信號(hào)執(zhí)行這些算術(shù)運(yùn)算（使用其板載處理器），因此稱為智能ADC。參見(jiàn)圖 3。

圖3.該圖結(jié)合了MAX1460信號(hào)調(diào)理器的框圖和應(yīng)用原理圖。

審核編輯：郭婷