Кремниевые резонансные датчики давления выделяются в области высокоточных-точных измерений благодаря уникальному принципу преобразования давления-частоты и характеристикам материалов на основе кремния-. Однако по сравнению с другими типами датчиков (например, пьезорезистивными, емкостными, пьезоэлектрическими, вибрирующими проводами и др.) их преимущества обусловлены различиями в технических принципах и конструктивных решениях. Конкретные сравнения заключаются в следующем:
1.Преимущества точности на принципиальном уровне
٭ Преобразование частоты давления-с собственной устойчивостью к помехам: прямой вывод цифровых сигналов (частотных величин) посредством изменения частоты кремниевой резонансной структуры, что позволяет избежать ошибок аналогового-в-цифрового преобразования, шума усиления сигнала и потерь при передаче по длинным-проводам традиционных пьезорезистивных (сигналы напряжения) или емкостных (изменения емкости) датчиков. Частотный сигнал обладает чрезвычайно высокой устойчивостью к электромагнитным помехам (например, устойчивость к радиочастотным помехам 100 В/м), а точность может достигать 0,01% полной шкалы (в то время как пьезорезистивные датчики обычно имеют точность от 0,1% полной шкалы до 0,5% полной шкалы).
٭ Превосходная линейность и повторяемость: линейность частотной характеристики напряжения- кремниевой резонансной структуры превышает 0,9999, а нелинейная погрешность составляет менее 0,01 % полной шкалы, что намного превосходит показатели емкостных датчиков (с нелинейной погрешностью примерно 0,1 % полной шкалы) и пьезорезистивных датчиков (которые требуют пост-калибровки для коррекции нелинейности).
2.Материальная и структурная стабильность
٭ Температурные характеристики материалов на основе кремния-: Коэффициент теплового расширения кремния чрезвычайно низок (2,6×10⁻⁶/градус), а модуль упругости мало меняется с температурой (изменение в диапазоне от -50 градусов до +125 градусов составляет менее 5%). Благодаря конструкции симметричных двойных резонаторов (температурная дифференциальная компенсация) температурная чувствительность может быть снижена до 1×10⁻⁶/градус, что обеспечивает высокоточную компенсацию без необходимости использования дополнительных датчиков температуры (температурный дрейф пьезорезистивных датчиков обычно превышает 100×10⁻⁶/градус).
٭ Твердое- состояние без движущихся частей: интегрированная конструкция резонансной балки/диафрагмы, изготовленная по технологии MEMS, не имеет проблем, связанных с механическим контактом или старением уплотнений. Годовой дрейф составляет менее 0,01% полной шкалы (годовой дрейф датчиков с вибрирующей проволокой составляет около 0,05% полной шкалы, а у емкостных датчиков еще выше), что делает его пригодным для долгосрочного-стабильного мониторинга (например, авиационная система атмосферных данных должна надежно работать в течение десятилетий).
3.Цифровой выход и интеллектуальные характеристики
٭ Прямой вывод цифрового сигнала: Частотный сигнал может быть собран непосредственно микропроцессором без необходимости использования сложных схем формирования сигнала, что упрощает конструкцию системы и снижает риск внесения шума (напротив, пьезорезистивные датчики требуют адаптации к схемам АЦП и уязвимы к помехам источника питания).
٭ Возможность само-самокалибровки на-чипе: встроенный-МК или ASIC может обеспечивать питание-при само-проверке и периодической само-калибровке (например, сравнение с опорной частотой кварца), автоматически корректируя долговременный-дрейф без необходимости ручной калибровки (традиционные датчики требуют регулярной автономной калибровки).
4.Динамический отклик и разрешение
٭ Высокое значение добротности и высокое разрешение: вакуумная упаковка (атмосферное давление < 10⁻³Па) придает резонатору добротность Q > 10 000, а разрешение по давлению может достигать 0,001 гПа (0,1 Па), что подходит для измерения небольших изменений давления (например, определение вертикальной высоты атмосферы), значительно превосходя пьезорезистивные датчики (с разрешением около 1 гПа) и емкостные датчики (с разрешением около 0,1 гПа).
٭ Широкий динамический диапазон. Благодаря конструктивной конструкции он может охватывать диапазон от микро-давления (0–1 кПа) до среднего-высокого давления (0–10 МПа) и сохранять высокую точность во всем диапазоне (для традиционных датчиков, чем шире диапазон, тем более очевидно снижение точности).
Основные преимущества кремниевых резонансных датчиков давления заключаются в «высокой точности, высокой стабильности и цифровых характеристиках». Технически суть состоит в том, чтобы преобразовать ошибку измерения давления из «ошибок в многозвенной аналоговой сигнальной цепи» в «ошибки в одночастотном измерении» посредством «кремниевой-резонансной структуры + преобразования частоты давления-» и добиться подавления ошибок за счет оптимизации полного звена материалов, конструкций и алгоритмов.