会社のニュース 圧力センサーの予熱ドリフトを最小限に抑える方法

圧力センサーの温度ドリフト現象は、システムが動作温度に達するまで読み取り値の変動を引き起こす可能性があります。この状況は通常、ほとんど影響を与えません。しかし、継続的な高精度を必要とする病院の人工呼吸器、肺機能検査装置、新生児モニターなどの医療機器では、この温度ドリフトは許容できません。基本的なピエゾ抵抗型圧力センサーをチェックすることで、予熱ドリフトの影響を理解するのに役立ちます。

このセンサーは、本体（つまり「チップ」）と、表面に4つのピエゾ抵抗型ねじり構造を持つ薄いシリコンダイアフラムで構成されています。ピエゾ抵抗素子は、応力の変化に応じて抵抗値を変化させ、通常はブリッジ構造に配置され、ダイアフラムの変形に対する応答を強化するためにダイアフラム表面に正確に取り付けられています。この設計により、ダイアフラムの両側の圧力差が変化した場合の応答感度を効果的に向上させることができます。

基本的な圧力センサーの予熱ドリフトには、主に2つの原因があります。1つは、感知素子の予熱オフセットです。システムが動作温度に達すると、チューブ、表面温度、および結果として生じるホットスポット（表面寄与）が、チップとダイアフラム表面の抵抗ブリッジの不均衡を引き起こします。抵抗感知素子の温度上昇は消費電力に比例し、したがってセンサー励起電圧の2乗に比例します（ΔTαV2）。

したがって、励起電圧を半分にすると、感知素子の温度上昇は4分の1に減少し、それによって予熱表面状態が4倍に減少します。センサー信号レベルも両方のケースで4分の1に減少するため（供給電圧が減少）、全体的な効果は、表面寄与による予熱誤差を半分にすることです。ただし、センサー電源を減らすと、システムの電子ノイズレベルに悪影響を及ぼします。

もう1つの好ましい解決策は、システムの帯域幅要件に応じてセンサーの供給電圧を調整することです。具体的には、センサーは必要な場合にのみ電源が供給されます。この設計は、センサーの電源投入時間を平均デューティサイクル（つまり、動作サイクル）に調整し、熱的な起動ドリフト現象を効果的に抑制します。この方法の実装メカニズムはわずかに複雑ですが、システムのノイズレベルに影響を与えることなく、優れたパフォーマンスを提供します。

ここで、アプリケーションの電力パルスの間の期間pは、電力がオフになっている時間と電力がオンになっている時間を指します。これは、すべての信号が安定し、センサーが読み取りを行うために必要な時間です。

たとえば、500 msごとに読み取りを行う必要があり、安定化時間が4 ms、信号取得時間が1 msのデバイスを考えてみましょう。非変調システムと比較して、センサーの平均電力は印加電力のわずか1％（（1 ms + 4 ms）/ 500 ms）です。もちろん、この期間はアプリケーションのサンプリング要件によって異なります。表面電荷の影響により、pと時間tの一定性は非常に重要です。ただし、センサー電源の調整の利点を考慮すると、これは二次的な制限です。

温度補償技術

予熱ドリフトのもう1つの根本的な原因は、実際には感知特性とより関連しており、システムの温度補償技術と密接に関連しています。このようなシステムには通常、温度の影響を排除するために圧力センサーを校正するための外部温度センサーが装備されています。デュアルセンサーシステムでは、外部デバイスとダイアフラム表面の間に温度勾配が生成されます。この温度勾配が安定するのに必要な時間は、予熱ドリフト現象として認識されます。

センサー抵抗（温度によって変化するブリッジ抵抗）を温度感知素子として使用することにより、この影響を最小限に抑えることができます。ここで、圧力センサーブリッジは、回路で一般的に使用されるサーミスタ（温度変化を測定するために使用される抵抗）を置き換え、効果的にホイートストンブリッジを形成します。センサーブリッジは比較的高い正の温度係数（TCR）を持っているため、温度が上昇すると、回路の温度監視部分の信号出力電圧（Vt）が徐々に負の変化を示します。基準電圧（Vref）に対するVtの変化は、実際にはセンサー自体の温度の有効な測定です。システム電子機器は、この測定値を圧力センサーの校正温度基準として使用します。外部温度センサーに依存する必要がないため、システムに温度勾配がなく、いわゆる予熱ドリフト現象が排除されます。さらに喜ばしいことに、電力調整と温度補償技術を組み合わせることで、予熱ドリフトの影響をほぼ完全に排除できます。