Le choix des composants d'un système, y compris les capteurs de pression, est considérablement influencé par l'efficacité des prix. Si les composants s'intègrent parfaitement dans l'application sans ajout de coût ou de valeur non pertinents, il est alors possible d'obtenir les meilleurs résultats. La recherche sur diverses configurations de modules de capteurs a conduit à la découverte d'une configuration non compensée - capteur de pression sans conditionnement de signal et aucune correction des décalages thermiques d'offset et de portée - qui peut offrir le meilleur choix en termes de rapport coût-performance.

Généralement, les avantages pour un capteur non compensé sont les suivants :

• Bon signal pour sensibilité/niveau, linéarité, hystérésis
• Conversion de signal plus rapide
• Réduction des coûts de conditionnement du signal
• Capacité basse tension avec moins de consommation d'énergie
• Haute sensibilité/résolution

Une approche étape par étape pour analyser votre demande et vos exigences vous aidera à prendre la décision appropriée.

Étape 1 : vérification de l'environnement du capteur

Dans la majorité des cas, une entrée numérique ou A/N est disponible dans le circuit. Si cette fonction est déjà présente, il n'est pas nécessaire de la payer à nouveau dans un capteur compensé, en particulier si l'entrée existante fournit déjà une résolution plus élevée et un temps de conversion. Un signal de sortie non compensé est suffisamment élevé même à basse pression dans un grand nombre de cas. Par exemple, à 1 psi, une matrice nue fournit une généreuse sortie de 40 mV à 5 Vcc (voir Figure 1).

La possibilité de travailler avec une tension d'alimentation extrêmement basse, à partir de 1.0 Vdc, est une autre caractéristique de la configuration non compensée. Cela ajoute les avantages supplémentaires d'un temps de mise sous tension rapide, de faibles effets d'auto-échauffement et d'une faible consommation d'énergie, qui doivent tous être pris en compte dans les applications alimentées par batterie, par exemple.

Étape 2 : Définir la limite

Il est important de définir l'exigence de précision du signal. Étant donné que le signal non compensé provient de la matrice nue sans compensation, un certain nombre de paramètres doivent être pris en compte pour le calcul de l'erreur finale, notamment le TCS (coefficient de température de sensibilité), le TCO (coefficient de température de décalage), la sensibilité et la linéarité.

La valeur de sensibilité (mV/V) détermine si la partie frontale du conditionneur — un microprocesseur ou un microcontrôleur — fonctionne correctement. Il définit la résolution de la mesure, ainsi que les bits disponibles (convertisseur A/N). Un convertisseur A/N jusqu'à 16 bits peut être utilisé sans aucune difficulté en raison du rapport signal sur bruit exceptionnel. Cependant, l'étalonnage du signal est nécessaire car la puce nue a une sensibilité étendue. La valeur de sensibilité typique diffère de +/- 10 % d'un lot à l'autre et de moins de 5 % au sein d'un même lot et d'une même plaquette.

L'erreur de signal est directement affectée par la linéarité. Selon les caractéristiques du signal MEMS, il peut être facilement compensé si la précision finale est faible. Généralement, l'erreur de non-linéarité est généralement inférieure à 0.2 % au point médian de la plage de pression basée sur la ligne droite de meilleur ajustement (voir la figure 2). L'erreur de non-linéarité peut être compensée pour atteindre mieux que 0.2 % en introduisant un troisième point de pression.

La répétabilité et l'hystérésis, qui sont généralement inférieures à 0.05 %, sont deux paramètres provenant de la puce MEMS nue qui ne peuvent pas être compensés. L'impact de ces deux paramètres est généralement insignifiant car il se rapporte à la spécification de précision globale.

À température fixe, les erreurs suivantes doivent être prises en compte lors de la compensation d'un élément MEMS :

• +/- Offset : étalonnage de la pression à zéro avec 1 point
• Signal +/- (spread) : étalonnage de la pression avec 2 points
• +/- Linéarité : étalonnage de la pression avec 3 points
• +/- Hystérésis/répétabilité : erreur typique inférieure à 0.05 %

Un autre paramètre clé requis pour compléter le calcul de l'erreur serait la température de fonctionnement. L'erreur thermique doit être calculée afin de déterminer si une compensation de température est nécessaire. L'exemple ci-dessous illustre un cas simple où l'erreur de température est de 0 à +50 °C.

• Exemple : Plage de température : 0 à +50 °C par rapport à la température ambiante (25 °C), le delta maximum est : 50-25 = 25 °C
• Max. Dérive de décalage (TCO) : +/- 0.25 % FS/ °C * 25 °C = +/- 6.25 % FS
• Max. Dérive d'étendue (TCS) : -2200 ppm = -0.22 % FS/ °C * 25 °C = -5.5 % FS
• Erreur de dérive de température totale : +6.25 % FS/ °C, -13.25 % FS/ °C (pire cas)

À noter: Le TCS est toujours négatif et peut être compensé comme une valeur fixe pour au moins la moitié de la valeur et avec un algorithme défini.

Si une compensation de température est nécessaire, plusieurs options de base sont disponibles pour vous aider à atteindre vos exigences de précision.

Étape 3 : Processus d'étalonnage/compensation

En fonction du calcul d'erreur et de l'étalonnage demandés, l'étape suivante consiste à définir si le processus demandé peut être effectué et où il sera effectué. La compensation de température et l'étalonnage de la pression ont des impacts différents sur le processus de fabrication. Dans les deux cas, les deux étapes peuvent être externalisées ou réalisées en interne pendant le processus de fabrication.

Comme un test de pression peut déjà être présent sur le site de fabrication, cette étape pourrait être utilisée pour l'étalonnage de la pression. En revanche, la compensation de température nécessite un équipement et un savoir-faire spécifiques. Le capteur non compensé nécessite une gestion précise et stable de la température pour assurer un processus de compensation constant et sûr. Cela nécessite généralement du temps de traitement et un moyen simple de pressuriser le capteur, par exemple, si le décalage thermique de la portée doit être compensé.

Conclusion

Les développeurs seront en mesure de prendre la bonne décision entre un capteur compensé et non compensé si la précision requise et les limites de température de fonctionnement exactes sont définies. Les capteurs MEMS ont un TCS et un TCO importants et cela peut entraîner une décision de mettre en œuvre une compensation de température, ce qui dans certains cas peut entraîner des coûts élevés.

Alors que, si l'erreur totale est dans la précision attendue, un simple étalonnage à un point de pression en combinaison avec une compensation de température garantit une résolution élevée, un temps de réponse rapide, une faible puissance et éventuellement un faible coût.

Application

Capteurs non compensés de Merit couvrent une plage de pression étendue de 10 mbar à 35 bar et peuvent être utilisés pour mesurer l'air et les liquides et gaz non corrosifs. La plage de température est large, ce qui rend les pièces idéales pour de nombreuses applications. Une machine de placement automatique gère l'emballage et celui-ci peut être soudé à l'aide d'un processus de refusion sans plomb.

En raison de la plage de température étroite dans le domaine médical (0 à 50 °C), les capteurs non compensés fonctionnent bien dans des applications telles que les tensiomètres, les dispositifs de gonflage, les gaz hospitaliers, la surveillance du vide et la pression des liquides, la mesure de l'air/débit (respirateurs) .

Pour les industries grand public et industrielles, de nombreuses applications avec des plages de température modérées à étendues telles que la surveillance de la pression de l'eau, la surveillance de la pression des bâtiments/salles blanches et la détection des blocs de filtre, utilisent des capteurs non compensés car l'étalonnage de la pression et de la température est déjà intégré au produit final.

 

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