如何选择补偿式硅压力传感器

该参考设计为使用补偿型硅压力传感器和高  delta-sigma ADC的经济高效，低功耗液位测量数据采集系统（DAS）提供了设计思路。本文讨论了如何选择补偿式硅压力传感器，建议系统算法以及提供噪声分析。它还描述了校准思路，以提高系统性能同时降低复杂性和成本。

液位测量在工业和商业过程中都有许多应用。从家庭水箱上的水位检测到监测工业上明渠的燃料流，其使用一直在提供安全可靠的系统。也许，液位测量  简单但  重要的应用是在洪水检测系统中，在天气不好的情况下，可以使社区免受洪水的危害。

该参考设计是液位测量和控制系列中的  个。在第1部分中，这里介绍了现代压力传感器之间的差异，并着重介绍了微机电（MEMS）温度补偿的硅压力传感器的  进展。现在，这些传感器的价格合理，并且具有各种封装，可用于包括液位测量在内的各种精密传感应用。

然后，该文档介绍了一种经济型，低功耗，液位测量数据采集系统（DAS），该系统使用补偿的硅压力传感器和高  的delta-sigma ADC。本文将解释如何选择补偿式硅压力传感器。它将建议系统算法，分析噪声并提供校准思想，以提高系统性能，同时降低复杂性和成本。

测量压力-回顾

可以说，现代压力测量是由意大利物理学家Evangelista Torricelli1通过其1643年的水银气压计发明而开始的。托里切利（Torricelli）在一根长1米的玻璃管中充满汞，将其一端完全密封，然后将其开口端垂直置于装有汞的容器中。汞柱降至约760mm，在其水平面上方留有空白。压力单位Torr是为纪念本发明人而命名的，其压力比为1至760标准大气压。在世界大多数地方，血压2均以托（毫米汞柱）为单位进行测量。

现代压力单位包括国际系统（SI）定义的Pa（帕斯卡）作为主要压力单位（Pa = N /m?）。在美国，一种流行的压力测量单位是“ bar”，其单位是磅每平方英寸（PSI）。由于历史和技术原因，在各种压力单位之间转换为标准单位计量是一项非常繁琐的任务。但是，广泛可用的  转换表或  在线单位转换器可使工程师的工作更加轻松。

压力传感器主要分为两类：按测量类型分类：

1. 压力传感器，用于测量相对于理想真空压力的压力。  压力传感器的一个示例是水银（Hg）气压计，如图1所示。

2.压差传感器，用于测量作为传感单元输入引入的两个或多个压力之间的压差。这种传感器的一个应用示例是差压流量计（图2），其中流体速度的变化会引起压力的变化，并产生压力差ΔP= P1 – P2。

表压传感器是另一种差分传感器，构造为测量相对于大气压的相对压力。这种传感器的一个例子是流行的轮胎压力表。当轮胎压力表的读数为零时，它实际上是在给定位置读取大气压力。

现代压力传感器的问世

许多工业，商业和医疗应用都需要在宽动态范围内以±1％至±0.1％或更高的  进行  的压力测量，而且价格合理，并且功耗通常很低。硅压力传感器的开发正是应对这些挑战的答案。

现代传感器时代始于1967年的霍尼韦尔研究中心，Art R. Zias和John Egan申请了受边缘约束的硅膜片的  。

自1990年代中期以来，被称为MEMS的压阻式硅基压力传感器已大批量生产，具有成本效益，因此成为  的压力传感器。MEMS器件在  压力，差压和表压模式下的工作压力范围为100mbar至1500bar。

基于硅的压阻式压力传感器显示出比标准应变计高得多的灵敏度。它们在恒定温度下具有良好的线性，并且在破坏性极限以内具有可接受的磁滞。这些传感器还具有一些缺点，这取决于它们的“硅”性质：满量程信号对温度的强烈非线性依赖性，较大的初始偏移以及较大的随温度的偏移漂移。

许多工业和汽车应用需要在扩展的温度范围（-40°C至+ 125°C）中进行压力测量。为了在此宽温度范围内以±1％或更高的  实现  的压力测量，至少需要实施一阶温度补偿：

VDIFF = VOS +TαVOS+ P（S +TαS）

其中：

VDIFF是相对于压力P和温度T的差分电压；

αS是灵敏度的温度系数；

αVOS是偏移的温度系数。

压阻传感器的模拟信号调理方法以MAX1450为例。该信号调理器可以应用于未补偿的传感器，并适用于-40°C至+ 125°C的扩展温度范围（图3）。

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下一代用于调节传感器信号的IC（MAX1455）集成了可编程传感器激励，一个16步可编程增益放大器（PGA），768字节（6144位）内部EEPROM和四个用于FSO，失调的16位DAC，和跨度补偿。

结论

新型MEMS温度补偿的硅压力传感器的价格和封装尺寸正在下降。这使它们对于各种  传感应用具有吸引力，例如液位测量或流量计。这些应用需要诸如MAX11206之类的低噪声delta-sigma ADC直接与安装在PCB上的硅压力传感器接口。通过简单的补偿方案，此方法可轻松提高这些压力传感器的。硅压力传感器和ADC一起提供了一种高性能，高性价比的测量系统，非常适合便携式传感应用。

高无噪声分辨率，集成缓冲器，出色的共模动态范围，50 / 60Hz抑制和系统校准等特性使MAX11206可直接与新型硅压力传感器如MPXM2010接口，而无需额外的仪表放大器或专用电流源。热误差的减少还使设计人员能够实施简单的线性算法，从而进一步降低了系统复杂性和成本。

参考设计5523“液位测量系统使用补偿的硅压力传感器和精密Delta-Sigma ADC，第2部分”中进一步讨论了该控制和输送系统，该手册解释了如何实现可测量和分配大多数工业液体的设计。使用非接触式测量方法。