电桥测量基础
电桥是精密测量电阻或其他模拟量的一种有效的方法。本文介绍了如何实现具有较大信号输出的硅应变计与模数转换器(ADC)的接口,特别是Σ-Δ ADC,当使用硅应变计时,它是一种实现压力变送器的低成本方案
硅应变计
硅应变计的优点在于高灵敏度,它通过感应由应力引发的硅材料体电阻变化来检测压力。相比于金属箔或粘贴丝式应变计,其输出通常要大一个数量级。这种硅应变计的输出信号较大,可以与较廉价的电子器件配套使用。但是,这些小而脆器件的安装和连线非常困难,因而增加了成本,限制了它们在粘贴式应变计应用中的使用。
不过,用MEMS工艺制作的硅压力传感器却克服了这些弊病。这种MEMS压力传感器采用了标准的半导体工艺和特殊的蚀刻技术。这种特殊的蚀刻技术可选择性地从晶圆的背面除去一部分硅,从而生成由坚固的硅边框包围的、数以百计的方形薄膜。而在晶圆的正面,每一个小薄膜的每个边上都植入了一个压敏电阻,用金属线把小薄片周边的四个电阻连接起来就形成一个惠斯登电桥。最后,使用钻石锯从晶圆上锯下各个传感器。这时,硅传感器已经初具形态,但还需要配备压力端口和连接引线方可使用。这些小传感器便宜而且相对可靠,但受温度变化影响较大,而且初始偏移和灵敏度的偏差很大。
压力传感器实例
在此给出一个压力传感器的实例,其所涉及的原理适用于任何使用类似电桥的传感器。公式1给出了一个原始的压力传感器的输出模型。其中,VOUT在给定压力P下具有很宽的变化范围,不同传感器在同一温度下,或者同一传感器在不同温度下,其VOUT都有所不同。因此要提供一个一致的、有意义的输出,每个传感器都必须进行校正,以补偿器件之间的差异和温度漂移。长期以来,校准都是通过模拟电路进行的。然而,现代电子学的进展使得数字校准比模拟校准更具成本效益,而且其准确性也更好。此外,利用一些模拟技术“窍门”,可以在不牺牲精度的前提下简化数字校准。
VOUT=VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0)) （1）
式中,VOUT为电桥输出,VB是电桥的激励电压,P是外加压力,T0是参考温度,S0是T0温度下的灵敏度,S1是灵敏度的温度系数(TCS),U0是在无压力情况下电桥在温度T0时的输出偏移量(或失衡),而U1则是偏移量的温度系数(OTC)。公式(1)使用一次多项公式来对传感器进行建模,而有些应用场合可能会用到高次多项公式、分段线性技术或者分段二次逼近模型,并为其中的系数建立一个查寻表。无论使用哪种模型,数字校准时都要对VOUT、VB和T进行数字化,同时要采用某种方公式来确定全部系数并进行必要的计算。公式(2)由公式(1)变化所得,从中可清楚地看到,通过数字计算(通常由微控制器(MCU)执行)而输出精确压力值所需的信息。
P=(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0)) (2)
电压驱动
