Como minimizar o desvio de pré-aquecimento dos sensores de pressão

O fenômeno de deriva de temperatura dos sensores de pressão pode causar flutuações nas leituras até que o sistema atinja a temperatura de trabalho. Essa situação geralmente tem pouco impacto. No entanto, em equipamentos médicos como ventiladores hospitalares, dispositivos de teste de função pulmonar e monitores neonatais que exigem alta precisão contínua, essa deriva de temperatura é inaceitável. Verificar o sensor de pressão piezoresistivo básico ajuda a entender o impacto da deriva de pré-aquecimento.

Este sensor consiste em um corpo principal (ou seja, o "chip") e um diafragma de silício fino com quatro estruturas de torção piezoresistivas em sua superfície. Os elementos piezoresistivos alteram seus valores de resistência com as mudanças de tensão e geralmente são dispostos em uma estrutura de ponte e instalados com precisão na superfície do diafragma para aprimorar a resposta à deformação do diafragma. Este design pode efetivamente melhorar a sensibilidade da resposta quando a diferença de pressão em ambos os lados do diafragma muda.

Existem duas fontes principais de deriva de pré-aquecimento em sensores de pressão básicos. Uma é o deslocamento de pré-aquecimento do elemento sensor. Quando o sistema atinge a temperatura de operação, o tubo, a temperatura da superfície e os pontos quentes resultantes (contribuição da superfície) causam um desequilíbrio na ponte de resistência no chip e na superfície do diafragma. O aumento da temperatura do elemento sensor de resistência é proporcional à potência dissipada e, portanto, proporcional ao quadrado da tensão de excitação do sensor (ΔTαV2).

Portanto, quando a tensão de excitação é reduzida pela metade, o aumento da temperatura do elemento sensor será reduzido em um quarto, reduzindo assim a condição de superfície de pré-aquecimento em quatro vezes. Como o nível do sinal do sensor também será reduzido em um quarto em ambos os casos (com a tensão de alimentação reduzida), o efeito geral é reduzir o erro de pré-aquecimento devido à contribuição da superfície pela metade. No entanto, reduzir a fonte de alimentação do sensor terá um efeito adverso no nível de ruído eletrônico do sistema.

Outra solução preferida é ajustar a tensão de alimentação do sensor de acordo com os requisitos de largura de banda do sistema. Especificamente, o sensor é alimentado apenas quando necessário. Este design ajusta o tempo de ativação do sensor para o ciclo de trabalho médio (ou seja, o ciclo de trabalho), suprimindo efetivamente o fenômeno de deriva de inicialização térmica. Embora o mecanismo de implementação deste método seja ligeiramente mais complexo, ele oferece excelente desempenho sem afetar o nível de ruído do sistema.

Aqui, o período p entre os pulsos de energia da aplicação se refere ao tempo em que a energia está desligada mais o tempo em que a energia está ligada. Este é o tempo necessário para que todos os sinais se estabilizem e para que o sensor faça as leituras.

Por exemplo, considere um dispositivo que precisa fazer leituras a cada 500 ms, com um tempo de estabilização de 4 ms e um tempo de aquisição de sinal de 1 ms. Em comparação com um sistema não modulado, a potência média do sensor é de apenas 1% da potência aplicada ((1 ms + 4 ms) / 500 ms). É claro que este período de tempo depende dos requisitos de amostragem da aplicação. Devido à influência das cargas de superfície, a constância de p e tempo t é muito importante. No entanto, considerando os benefícios da regulagem da fonte de alimentação do sensor, esta é uma limitação secundária.

Tecnologia de compensação de temperatura

Outra causa raiz da deriva de pré-aquecimento está realmente mais relacionada às características de detecção, que está intimamente relacionada à tecnologia de compensação de temperatura do sistema. Esses sistemas geralmente são equipados com sensores de temperatura externos para calibrar o sensor de pressão para eliminar a influência da temperatura. Em um sistema de sensor duplo, um gradiente de temperatura será gerado entre o dispositivo externo e a superfície do diafragma. O tempo necessário para que este gradiente de temperatura se estabilize será percebido como o fenômeno de deriva de pré-aquecimento.

Ao usar a resistência do sensor (a resistência da ponte que varia com a temperatura) como o elemento de detecção de temperatura, essa influência pode ser minimizada. Aqui, a ponte do sensor de pressão substitui o termistor (um resistor usado para medir as mudanças de temperatura) normalmente usado no circuito, formando efetivamente uma ponte de Wheatstone. A ponte do sensor tem um coeficiente de temperatura positivo (TCR) relativamente alto, portanto, um aumento na temperatura fará com que a tensão de saída do sinal (Vt) da parte de monitoramento de temperatura do circuito mostre gradualmente uma mudança negativa. A mudança de Vt em relação à tensão de referência (Vref) é, na verdade, uma medição eficaz da própria temperatura do sensor. A eletrônica do sistema usa essa medição como a referência de temperatura de calibração para o sensor de pressão. Como não há necessidade de depender de um sensor de temperatura externo, não há gradiente de temperatura no sistema, eliminando assim o chamado fenômeno de deriva de pré-aquecimento. Ainda mais agradável, ao combinar técnicas de regulação de energia e compensação de temperatura, a influência da deriva de pré-aquecimento pode ser quase completamente eliminada.