の合理的なエラー補正圧力センサーアプリケーションの鍵です。圧力センサーには、主に感度エラー、オフセットエラー、ヒステリシスエラー、線形エラーがあります。この記事では、これらの4つのエラーのメカニズムと、テスト結果への影響を紹介します。同時に、測定精度を向上させるために、圧力キャリブレーション方法とアプリケーションの例を導入します。
現在、市場には多種多様なセンサーがあり、設計エンジニアはシステムに必要な圧力センサーを選択できるようになりました。これらのセンサーには、最も基本的な変圧器と、オンチップ回路を備えたより複雑な高積分センサーの両方が含まれます。これらの違いにより、設計エンジニアは圧力センサーの測定エラーを補償するよう努力する必要があります。これは、センサーが設計とアプリケーションの要件を満たすための重要なステップです。場合によっては、補償は、アプリケーションでのセンサーの全体的なパフォーマンスを改善することもできます。
この記事で説明した概念は、3つのカテゴリがあるさまざまな圧力センサーの設計と適用に適用できます。
1。基本または非補償キャリブレーション。
2。キャリブレーションと温度補償があります。
3.キャリブレーション、補償、および増幅があります。
オフセット、範囲のキャリブレーション、および温度補償はすべて、パッケージングプロセス中にレーザー補正を使用する薄膜抵抗器ネットワークを通じてすべて達成できます。このセンサーは通常、マイクロコントローラーと組み合わせて使用され、マイクロコントローラー自体の埋め込みソフトウェアがセンサーの数学モデルを確立します。マイクロコントローラーが出力電圧を読み取ると、モデルはアナログからデジタルへの変換を介して電圧を圧力測定値に変換できます。
センサーの最も単純な数学モデルは、伝達関数です。モデルはキャリブレーションプロセス全体を通して最適化でき、キャリブレーションポイントの増加とともにその成熟度が向上します。
計測の観点から、測定誤差にはかなり厳格な定義があります。測定された圧力と実際の圧力の違いを特徴付けます。ただし、通常、実際の圧力を直接取得することはできませんが、適切な圧力基準を使用することで推定できます。メトロロジストは通常、測定基準として測定された機器の少なくとも10倍高い精度で機器を使用します。
典型的な感度とオフセット値を使用して出力電圧を圧力にのみ変換できるという事実のために。
この非調整初期エラーは、次のコンポーネントで構成されています。
1。感度エラー：生成されたエラーの大きさは、圧力に比例します。デバイスの感度が典型的な値よりも高い場合、感度エラーは圧力の増加関数になります。感度が典型的な値よりも低い場合、感度エラーは圧力の低下関数になります。このエラーの理由は、拡散プロセスの変化によるものです。
2。オフセットエラー：圧力範囲全体にわたる一定の垂直オフセットにより、変圧器拡散とレーザー調整補正の変化により、オフセットエラーが発生します。
3.遅延エラー：ほとんどの場合、シリコンウェーハの機械的剛性が高いため、遅延エラーは完全に無視できます。一般的に、ヒステリシスエラーは、圧力に大きな変化がある状況で考慮する必要があります。
4。線形エラー：これは、シリコンウェーハの物理的な非線形性によって引き起こされる初期エラーに比較的小さな影響を与える要因です。ただし、アンプを備えたセンサーの場合、アンプの非線形性も含める必要があります。線形誤差曲線は、凹状の曲線または凸曲線にすることができます。
キャリブレーションはこれらのエラーを排除または大幅に削減する可能性がありますが、通常、補償技術では、単に典型的な値を使用するのではなく、システムの実際の転送関数のパラメーターを決定する必要があります。ポテンショメータ、調整可能な抵抗器、およびその他のハードウェアはすべて補償プロセスで使用できますが、ソフトウェアはこのエラー補償作業をより柔軟に実装できます。
1つのポイントキャリブレーション方法は、転送関数のゼロポイントでのドリフトを排除することによりオフセットエラーを補正できます。このタイプのキャリブレーション方法は、自動ゼロと呼ばれます。オフセットキャリブレーションは通常、特に微分センサーではゼロ圧力で実行されます。これは、通常、名目条件下では差圧が0であるためです。純粋なセンサーの場合、オフセットキャリブレーションは、周囲大気圧条件下での較正された圧力値を測定するための圧力読み取りシステム、または望ましい圧力を得るための圧力コントローラーを必要とするため、より困難です。
キャリブレーション圧力が厳密にゼロであるため、微分センサーのゼロ圧力キャリブレーションは非常に正確です。一方、圧力がゼロでない場合のキャリブレーション精度は、圧力コントローラーまたは測定システムの性能に依存します。
キャリブレーション圧力を選択します
キャリブレーション圧力の選択は、最高の精度を達成する圧力範囲を決定するため、非常に重要です。実際、キャリブレーション後、実際のオフセットエラーがキャリブレーションポイントで最小化され、わずかな値のままです。したがって、ターゲット圧力範囲に基づいてキャリブレーションポイントを選択する必要があり、圧力範囲は作業範囲と一致しない場合があります。
出力電圧を圧力値に変換するために、実際の感度がしばしば不明であるため、数学モデルの単一点キャリブレーションには典型的な感度が通常使用されます。
オフセットキャリブレーション（PCAL = 0）を実行した後、エラー曲線は、キャリブレーション前のエラーを表す黒い曲線に対する垂直オフセットを示します。
このキャリブレーション方法には、1ポイントのキャリブレーション方法と比較して、より厳格な要件とより高い実装コストがあります。ただし、ポイントキャリブレーション法と比較して、この方法は、オフセットを調整するだけでなく、センサーの感度を較正するため、システムの精度を大幅に改善できます。したがって、誤差計算では、非定型値の代わりに実際の感度値を使用できます。
ここでは、キャリブレーションは0〜500メガパスカル（フルスケール）の条件下で実行されます。キャリブレーションポイントでのエラーはゼロに近いため、予想される圧力範囲内で最小測定誤差を取得するために、これらのポイントを正しく設定することが特に重要です。
一部のアプリケーションでは、圧力範囲全体で維持されるために高精度を必要とします。これらのアプリケーションでは、マルチポイントキャリブレーション法を使用して、最も理想的な結果を得ることができます。マルチポイントキャリブレーション方法では、オフセットと感度エラーが考慮されるだけでなく、ほとんどの線形エラーも考慮されます。ここで使用される数学モデルは、各キャリブレーション間隔（2つのキャリブレーションポイントの間）の2段階のキャリブレーションとまったく同じです。
3点キャリブレーション
前述のように、線形誤差には一貫した形式があり、誤差曲線は、予測可能なサイズと形状の二次方程式の曲線に適合します。これは、センサーの非線形性は基本的に機械的な理由に基づいているため、アンプを使用しないセンサーに特に当てはまります（シリコンウェーハの薄膜圧力によって引き起こされます）。
線形誤差特性の説明は、典型的な例の平均線形誤差を計算し、多項式関数のパラメーター（A×2+BX+C）を決定することで取得できます。 A、B、およびCを決定した後に得られたモデルは、同じタイプのセンサーに有効です。この方法は、3番目のキャリブレーションポイントを必要とせずに、線形エラーを効果的に補正できます。
投稿時間：2月27日 - 2025年