许多压力传感器应用都需要具有集成信号调理功能的紧凑型 MEMS 器件； 然而，挑战在于找到一种能够支持应用的体积和成本要求（包括压力范围方面的灵活性）的方法。 从工业应用到医疗应用，从售后市场到 OEM 汽车大批量项目，该解决方案被认为是一个可以根据压力范围、温度范围和介质兼容性进行调整的平台。

Merit Sensor TVC 传感平台是一种新方法，适用于需要较低压力范围并集成径向密封件的应用。 与限制压力范围和输出配置变化的单芯片解决方案不同，这些应用非常适合可定制的传感器平台，该平台将 MEMS 器件和信号调理集成在一个紧凑、经济高效的封装中。

传感器平台满足确切的应用需求

可定制的 传感器平台 集成了从全球领先、最大的 MEMS 传感元件产品组合中选择的高灵敏度 MEMS 器件，其中包括从 7 kPa 到 3.5 MPa 绝对值的最低范围的器件，以及单独的信号调节功能。 这几乎支持任何具有现成组件的应用，从而节省了生产特定尺寸和范围的设备的投资。 带有相关电子元件的信号调理 ASIC 固定在与苛刻介质兼容的陶瓷基板上。 MEMS 传感器固定在预成型的套圈式陶瓷压力端口上，从而防止任何额外的潜在泄漏路径。

MEMS 背面、陶瓷端口和连接材料是唯一暴露在介质中的元件。 填充的陶瓷基板完全保护组件，因此不需要添加专用的介质兼容涂层。 组件和信号调理符合 EMI/ESD 保护规范，因此一体式传感器平台最大限度地减少了对外部组件的需求。

双组件解决方案在单独的机械连接子组中包括信号调节和 MEMS。 这使 Merit Sensor 能够选择最终用户应用所需的精确 MEMS 压力传感器和信号调节输出（模拟或 SENT）。 将两个元件保持分离具有功能优势，并且还通过利用更高数量的 MEMS 单位成本提供更具成本效益的解决方案，即使信号调理需求因应用而异。

MEMS 传感元件被认为是该平台的关键组件。 TVC 系列与 HM 和 J 系列一起可涵盖 7 kPa 至 3.5 MPa 的压力应用。 两个系列均专为背面压力测量而设计，HM 系列（恶劣环境 MEMS）还涵盖从 100 kPa 到 3.5 MPa 的绝对配置。 J 系列是最灵敏的元件 (5333 µV/V/ psi = 760 µV/V/kPa)，用作应变计配置（背面），包括卓越的压力 (< 0.025% FS) 和热滞后 (< 0.1% FS)，以便通过宽温度范围和低压为信号调理提供稳定的信号。

Merit Sensor 专有技术应用于 MEMS 几何形状和配置，主要是玻璃厚度，以确保正确的机械去耦以获得最佳的热性能和稳定性。 该平台提供的三种芯片贴装工艺可满足不同的应用需求，从而将最佳 MEMS 热性能与爆破压力以及所需的介质兼容性相结合。 MEMS 传感元件由 Merit Sensor 自己的晶圆厂开发，可对不同的解决方案提供直接和动态的控制。

图2。 压力传感元件可以从世界上最大的 MEMS 压力传感器设备组合中选择。

为环境和成本选择合适的附加过程

传感平台的几何结构紧凑，空腔和压力端口具有针对空气、流体和气体的定义尺寸。 然而，准确性和可靠性的一个重要因素是模具连接的选择。 用于形成压力密封和保护传感器管芯及相关电路的传统粘合剂被认为是适用于非腐蚀性气体和空气的一种经济有效的方法，但它们最终会在恶劣的蒸汽或液体中软化。 一旦密封破裂，传感器电路就会损坏，从而导致常见的可靠性故障，如果导致产品召回或需要定期维护和更换传感子系统，代价可能会很高。

另一方面，使用金锡焊接合金的共晶芯片键合即使在苛刻的流体、极宽的温度范围和高压下也能提供气密密封。 虽然这种金锡焊料比粘合剂贵很多，但与长期可靠性和维护成本方面的重大改进相比，成本差异微乎其微。

使用随 TVC 平台引入的玻璃料的芯片贴装工艺在可靠性、与粘合剂相比改进的耐介质性和中/低压范围内的稳定性方面被认为是高爆破压力的经济高效解决方案得益于接近硅的 TCE 密封材料。 MEMS 到端口组装过程中的高温 (> 300 °C) 固化过程可确保在宽温度范围应用中的稳定性。

Merit Sensor 在铝上提供广泛的 MEMS 连接工艺₂O₃ 陶瓷压力端口，以支持传感器介质和环境要求，以及每个应用的成本和可靠性要求（见表 1）。 MEMS 背面压力测量以及平台的专用芯片贴装工艺可确保每个压力范围内的安全爆破压力（表 1）。

可定制的压力传感平台解决全方位的设计决策

此 Merit Sensor TVC 传感模块 通过单一解决方案满足各种面向应用的需求。 这涵盖了低压、低于 100 kPa 的废气测量，仅在汽车领域高达 3.5 MPa 的空调气体测量。 两者都需要可靠的介质兼容性，这涉及对 MEMS 芯片贴装的深入了解，以及根据应用温度和各种其他环境要求匹配准确的组件。

密封接头以及如何选择机械结合和电气耦合传感器主要取决于应用类型、压力范围和温度。 标准电气连接可以通过引线框和引脚或无孔焊盘来实现（例如，见图 3）。 粗线键合可用作无机械应力的连接，适用于 -40 °C 至 +150 °C 的极大温度范围和低压。 密封还需要注意材料（介质兼容）和公差（泄漏），以及确定没有或有真空的压力范围，这将需要固定传感器以避免负压/正压引起的任何移动穿越。

 

图3。 TVC Merit Sensor 紧凑型模块的 3D 视图，3D 步骤文件可用于快速设计到末端传感器外壳中。

压力端口配置允许径向密封并限制与介质接触的材料（简化设计），扩展并满足 Merit Sensor 封装传感模块解决方案。 无机械应力设计支持使用非常灵敏的 MEMS 元件，理想地支持当前可用的最具挑战性应用所需的低压，这些应用包括燃料蒸汽、废气和燃料压力。 14 x 10 x 4 mm 紧凑型几何传感模块包括所有基本组件。

使用现代 ASIC 支持模拟或 SENT 输出允许从三个外部焊盘进行设置和校准，这确实支持数据编程（可追溯性）和定制（输出值、参数），即使传感模块之前已安装在住房。 TVC 系列经过温度和压力校准，在 -2.5 °C 至 +40 °C 之间的精度优于 125 %FS。 精度会因压力范围和 MEMS 连接技术而异。

Merit Sensor 正在完善适用于高温、恶劣环境应用的产品组合，其解决方案能够解决机械应力并扩展到包含新 MEMS（J 系列）和附加技术的低压，以提供具有成本效益的解决方案。

产品特性

• 搭建你自己的
• 紧凑的设计
• 对外部元件的要求有限
• 压力范围广 (7 kPa…3.5 MPa)
• 减少机械影响（外壳集成）
• 一体化、即用型传感模块（经过测试、校准）
• 适用于媒体兼容应用程序的经济高效的解决方案

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测量工具的价值取决于它的准确性。 测量设备，如传感器，在汽车、医疗保健和工业环境中随处可见。 对于许多此类应用，传感器必须准确以确保质量控制和患者安全。

另一方面，对于 压阻式压力传感器，这是一个受欢迎的选择，因为它们具有快速响应、坚固耐用和大范围测量的特点，温度的变化会影响压力输出，并最终影响精度。 但只要晶圆中的染料具有均匀性，与温度相关的错误就可以得到纠正或奖励。

压力传感器补偿有两种流行的方法：被动和主动。 被动补偿通过在制造过程中微调电阻器来完成。 它适用于传感器会经历微小温度变化的环境。 对于更具挑战性的温度变化，主动补偿利用板载电路或微控制器。

这是温度传感器定期测量压力传感器周围环境的温度的地方。 然后它将其移至板载电路以纠正与温度相关的任何错误，也称为偏移。 这还允许接近零的温度误差和更大的工作范围，使其成为高质量压力传感器的引人入胜的品质。

自己校准或购买校准的

传感器校准 有两种可能的选择：1) 生产线中的传感器由压力传感器客户校准或 2) 压力传感器制造商完全补偿； 预校准传感器由客户集成。

压力传感器客户可能想要校准自己的传感器有几个很好的理由。 一个原因是他们可能已经在他们的最终产品中安装了微控制器，例如，在可安装在板上的部件上。 在这种情况下，可以通过微控制器完成主动校准。

客户也可能有一个传感器封装/外壳过程，这会给传感器带来很大的压力。 发生这种情况时，已经校准的压力传感器将通过应力诱导封装过程记录额外的压力。 增加的压力然后将引入新的零点。

客户自己进行校准的缺点之一是在线校准可能难以执行，而且也可能具有很高的破坏性。 另一个问题是，购买一个已经校准的传感器比购买需要专门设备和专业知识的在线校准成本要低。

所有缺点中最重要的是，如果客户自己进行校准，则校准将需要时间。 无法进行质量校准，因为每个传感器都需要单独校准。 此外，校准所需的温度范围意味着设备需要很长时间才能达到所需的温度极限。

与未补偿的传感器相比，从制造商处购买完全补偿的压力传感器（例如 Merit Sensor）会更加昂贵。 然而，重要的是要权衡这一点与内部校准部件的成本。 时间就是金钱。

从制造商处购买完全补偿的零件是减少与校准问题相关的一些时间和成本的一种方式，因为校准后的零件可以根据需要简单地插入线路。

这对于希望更快地通过生产移动产品的公司来说是理想的，特别是那些没有设备、技能和工艺流程来进行在线校准的公司。 对于拥有自己的校准专业人员、工具和专业知识的压力传感器制造商来说，进行校准通常是有意义的。

定制传感解决方案

LP 系列是 Merit Sensor 为超低压应用提供的各种压力传感器之一。 这种类型的传感器适用于非腐蚀性气体，因此非常适合持续气道正压通气 (CPAP) 机等应用。 LP 系列提供预校准选项，这意味着压力传感器可立即用于医疗用途。 它还适用于工业用途、空气过滤系统和医疗保健中的肺活量测量。

Merit Sensor 为需要中低压的应用提供 PMD 系列。 PMD 系列适用于空气和其他非腐蚀性液体。 它还能够测量差压、绝对压力和真空压力。 该系列是最理想的打印机墨水液位监测压力传感器，可在0.34至3.5 bar压力范围内工作。 对于此应用，校准快速而直接，因为它使用外部微处理器。 这意味着无补偿 PMD 系列确实是一个受欢迎的选择。

另一方面，TVC系列适用于高温油等苛刻的介质操作。 该传感器具有高耐介质性，是汽车行业的绝佳选择。 该设备的径向密封意味着它可以在模块级别集成，而引入的应力最小。

全补偿传感器在汽车应用中受到广泛青睐，因为它们使汽车制造商无需将耗时的、在宽温度范围内的校准集成到他们的生产过程中。

在过去的 25 年里，Merit Sensor 在压阻式压力传感器方面积累了丰富的经验。 对于在其应用中需要压力传感器的客户来说，这是一个很好的选择。 它为广泛的应用选择提供标准和定制解决方案。 Merit Sensor 还可以提供未补偿、被动补偿的组件，以在狭窄的温度范围内使用，或完全补偿以在宽的温度范围内使用。

如果客户不确定哪种解决方案最适合使用，Merit Sensor 可以提供帮助。 Merit Sensor 的所有产品都提供准时、专人和训练有素的支持，以便找到灵活和创新的解决方案，将客户的产品推向市场。

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本文介绍了不同压力传感器的桥接配置，何时可以使用和不可以使用，以及各自的优缺点。

引言

惠斯通电桥是Merit Sensor的核心 压力传感器 由硅蚀刻隔膜上的一组四个电阻器组成。 当压力施加到隔膜时，电阻器会受到应力，从而改变它们的阻值。

在理想设置中，所有电阻器都将完美匹配并且完全不受温度影响。

然而，实际上，每个电阻器的电阻值之间存在差异。 此外，温度也会改变电阻值。 由温度引起的电阻值和整个电桥输出的变化称为电阻温度系数或 TCR。

许多应用都需要独立于温度工作的压力传感器。 此类应用需要补偿压力传感器的 TCR。

TCR 补偿可以通过两种通用方法完成——被动和主动。 在无源补偿中，必须测量每个电桥电阻器的值以确定补偿电阻器所需的值。

在主动补偿中，模拟电路、微控制器或信号调节器记录各种压力和温度条件下的电桥输出，并相应地调整传感器输出。

桥接配置

一种。 关闭 – 连接所有电阻器的电桥（见图 1）。

在闭合电桥中，无法测量单个电阻器，因为电桥的其他三个电阻器始终会对它们产生影响。

b. 半开 – 半开桥分为两个分支并连接在一端（见图 2）。

与闭桥不同，半开桥允许测量每个电阻器，如果需要确定传感器的性能，这是一个优势。 此外，半开桥可以根据需要添加有源或无源补偿。

半开桥需要额外的电气连接。

C。 全开 – 全开桥分为两个支路，两端都是开路的（见图3）。

与半开桥一样，全开桥也可以对每个电阻进行测量。 它可以使用主动或被动补偿。 此外，桥的每一半都可以独立供电和测量，这是一个优势，因为一些信号调节器通常用于 压力传感器应用 需要两个独立的分支。

然而，全开桥配置需要额外的电连接，这超出了半开配置所需的连接。

实现示例

一种。 关闭 – 由于不可能测量闭合桥中的单个电阻器，因此它可以与有源补偿一起使用，或者用于温度变化引起的传感器输出波动可以接受的应用中。

图 4 显示了具有主动补偿的闭合桥。

压力开关是适用于封闭桥的一个示例，其中温度独立性并不重要。 在这里，知道已达到压力阈值比测量绝对压力更重要。

b. 半开 – 如图 4 所示，可以对半开桥应用主动补偿。 同样，无源补偿也可以应用于半开桥，如图 5 所示。

图 5 显示了具有无源补偿的半开桥的实现，表明添加的组件和额外的电气连接 (V_在+) 需要关闭桥梁。 顾名思义，额外的电阻器完成跨度、零和输出阻抗补偿。 在要求的条件下进行开桥测量后，必须添加这些组件。

C。 全开 – 全开放式桥梁具有广泛的实施范围。 除了用作全开桥外，全开桥还可以用作封闭（图 4）或半开桥（图 5）。 图 6 显示了如何将全开桥用于两个功能——压力和温度。

在这个实现中，桥的一半被用作 压力传感器 另一个用作温度传感器。 由于只有半个桥的电压摆幅，因此只有一半的压力输出信号会出现。 然而，这提供了测量实际管芯温度的额外好处。 与环境温度测量相比，这种温度测量可以为温度补偿提供更准确的输入。

为应用程序选择合适的配置

在决定桥梁配置时，有必要考虑整个传感系统。 首先，用户必须决定温度独立性是否重要。 如果它很重要，那么他们必须决定是使用被动补偿还是主动补偿。 如果选择有源补偿并使用信号调节器或其他电子设备，则应满足该设备的要求。 必须小心，因为具有类似功能的设备可能有非常不同的要求。

如前所述，每种配置都有自己的优点和缺点。 尽管全开放桥增加的电气连接增加了组装的复杂性，但它提供了更大的灵活性，并且还提供了更轻松地解决桥问题的能力。

最终，必须根据对系统的全面分析来选择网桥配置。

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系统中组件（包括压力传感器）的选择受价格效率的显着影响。 如果组件完全适合应用程序而不增加不相关的成本或价值，那么就有可能获得最佳结果。 对各种传感器模块配置的研究导致发现了一种无补偿配置——没有信号调节和任何偏移量和跨度热偏移校正的压力传感器——可以提供最佳性价比选择。

通常，未补偿传感器的优点如下：

• 灵敏度/电平、线性度、迟滞的良好信号
• 更快的信号转换
• 节省信号调理成本
• 低电压能力，能耗低
• 高灵敏度/分辨率

逐步分析您的应用程序和要求的方法将有助于做出适当的决定。

第 1 步：传感器周围检查

在大多数情况下，电路中提供数字或 A/D 输入。 如果该功能已经存在，则在补偿传感器中再次支付费用，特别是如果现有输入已经提供了更高的分辨率并且不需要转换时间。 在很多情况下，即使在低压下，未补偿的输出信号也足够高。 例如，在 1 psi 下，裸片可在 40 Vdc 下提供 5 mV 的大量输出（见图 1）。

能够在最低 1.0 Vdc 的极低电源电压下工作是未补偿配置的另一个特点。 这增加了快速上电时间、低自热效应和低功耗等额外优势，例如，在电池驱动的应用中都必须考虑这些。

第 2 步：定义限制

定义信号精度要求很重要。 由于未补偿信号来自未经补偿的裸芯片，因此在计算最终误差时应考虑许多参数，包括 TCS（灵敏度温度系数）、TCO（偏移温度系数）、灵敏度和线性度。

灵敏度 (mV/V) 值决定调节器的前端（微处理器或微控制器）是否正常工作。 它定义了测量的分辨率，以及可用的位（A/D 转换器）。 由于卓越的信噪比，可以毫无困难地使用高达 16 位的 A/D 转换器。 但是，由于裸芯片具有灵敏度分布，因此需要进行信号校准。 一批次与另一批次的典型灵敏度值相差 +/-10%，同一批次和晶圆内的偏差在 5% 以内。

信号误差直接受线性度影响。 根据 MEMS 信号特性，如果最终精度要求严格，可以很容易地对其进行补偿。 通常，基于最佳拟合直线的压力范围中点的非线性误差通常小于 0.2%（见图 2）。 通过引入第三个压力点，可以补偿非线性误差以达到优于 0.2% 的水平。

可重复性和迟滞通常小于 0.05%，这两个参数来自 MEMS 裸片，无法补偿。 这两个参数的影响通常是微不足道的，因为它与整体精度规范有关。

在固定温度下，补偿 MEMS 元件时应考虑以下误差：

• +/- 偏移量：零点压力校准 1 点
• +/- 信号（扩展）：2 点压力校准
• +/- 线性度：3 点压力校准
• +/- 迟滞/重复性：典型误差小于 0.05%

完成误差计算所需的另一个关键参数是工作温度。 应计算热误差以确定是否需要温度补偿。 下面给出的示例演示了温度误差为 0 至 +50 °C 的简单情况。

• 示例：温度范围：0 至 +50 °C 相对于环境温度 (25 °C)，最大增量为：50-25 = 25 °C
• 最大限度。 失调漂移 (TCO)：+/- 0.25% FS/ °C * 25 °C = +/- 6.25% FS
• 最大限度。 量程漂移 (TCS)：-2200 ppm = -0.22% FS/ °C * 25 °C = -5.5% FS
• 总温度漂移误差：+6.25% FS/°C，-13.25% FS/°C（最坏情况）

注意： TCS 始终为负，并且可以使用定义的算法作为至少一半值的固定值进行补偿。

如果需要温度补偿，那么有几个基本选项可以帮助实现一个人的精度要求。

第 3 步：校准/补偿过程

根据请求的误差计算和校准，下一步是定义是否可以执行请求的过程以及将在何处执行。 温度补偿和压力校准对制造过程有不同的影响。 在任何一种情况下，这两个步骤都可以在制造过程中外包或在内部执行。

由于制造现场可能已经进行了压力测试，因此该步骤可用于压力校准。 相比之下，温度补偿需要特定的设备和专业知识。 未补偿的传感器需要准确稳定的温度管理，以确保持续安全的补偿过程。 这通常需要处理时间和对传感器加压的简单方法，例如，如果必须补偿量程热偏移。

结语

如果定义了所需的精度和确切的工作温度限制，开发人员将能够在补偿传感器和未补偿传感器之间做出正确的决定。 MEMS 传感器具有重要的 TCS 和 TCO，这可能导致实施温度补偿的决定，这在某些情况下会产生高昂的成本。

然而，如果总误差在预期精度范围内，则简单的一个压力点校准与一个温度补偿相结合可确保高分辨率、快速响应时间、低功耗并最终降低成本。

应用领域

未补偿传感器 Merit 的压力范围广泛，从 10 mbar 到 35 bar，可用于测量空气和非腐蚀性液体和气体。 温度范围很宽，这使得这些部件非常适合许多应用。 自动贴片机处理封装，同样可以使用无铅回流焊工艺进行焊接。

由于医疗领域的温度范围较窄（0 至 50 °C），未补偿传感器在血压监测器、充气设备、医院气体、真空监测和液体压力、空气/流量（呼吸器）测量等应用中表现良好.

对于消费和工业行业，许多具有中等到扩展温度范围的应用（例如水压监测、建筑物/洁净室压力监测和过滤器阻塞检测）都使用未补偿传感器，因为压力和温度校准已纳入最终产品中。

 

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