硅压力传感器具成本优势，现广泛使用于胎压计，压力表，血压计，大气压计，高度计，天气预报，水深测量，空压控制等。本文旨在介绍以HY11P系列为控制芯片，对该传感器的使用作一说明。

　　2. 原理说明

• 　　传感器持性

　　硅压力传感器由一桥式电阻所组成，分表压及绝压型式。表压以一个大气压为零点，而绝压则以真空为零点。

　　(图一)

　　当压力施加于传感器时，其输出电压讯号为正值。

　　Count = ( V+ - V- ) / (VIN+ - VIN-) = ΔR / R

　　 = Span x (1 + TCS x ΔT) x P / FS + Offset + Span x TCO x ΔT

　　 P ≒ Gain x (1 - TCS x ΔT) x ( Count – Offset ) – TCO x FS x ΔT

　　其中，

　　ΔT = T – Tc ; 现温度跟校正时温度的差异

　　Span之单位为Count

　　TCS为Span之温度系数 (单位：%/℃)

　　TCO为Offset之温度系数 (单位：%/℃)

　　Gain = FS / Span (单位：mBar/Count)

　　以传感器US9173而言，传感器Offset的温飘在±0.08%/℃的范围内，一般在-0.02%/℃在右。在表压测量时，则可在加压前把Offset减掉便可。但在绝压测量时，必须要充份考虑。

　　另外，由于一般硅压力传感器的电阻温飘较大，所以若设定参考电压为输入电压的话，会造成Span的温飘会在-0.17~0.27%/℃左右。所以建议接一粒参考电阻，取参考电阻的电压差为参考电压。如图二：

　　则得出：

　　Count = ( V+ - V- ) / (VR+ - VR-) = ΔR / Rref

　　因Rref的温飘比传感器的R小并且对温度反应比较规律。若用50ppm电阻的话，一般Span的温飘可以减至±0.05%/℃以内，典型值为±0.02%/℃之间，远比用VDDA作参考电压为佳。

　　但请注意TCO及TCS对温度并非是常数，若在应用上对温飘要求更高的话，可以对不同批号的传感器进行温度实验，得出平均TCS及TCO的温度曲线。测量时再用HY11P的内置温度传感器测出温度变化，查出TCS及TCO值，作温度补偿。

• 　　控制芯片

　　HY11P系列优势：

• 　　低电压工作 → ADC 最低工作电压2.4V
• 　　低功耗 → 使用内部2MHz 开启ADC，最大功耗小于1mA
• 　　ADC Gain放大 → ×1/4 ~ ×16
• 　　内置预放大电路(PGA) → ×1 ~ ×8
• 　　高分辨率低温漂ADC → 18 bits 输出分辨率, Gain drift: 5PPM/℃
• 　　IC Offset消除功能
• 　　内置温度传感器，可用作温度测量及传感器的温度补偿
• 　　低功耗 → 使用内部2MHz 开启ADC，最大功耗小于1mA
• 　　低电压检测 → 多段式电源电压检测
• 　　串列SPI通讯
• 　　PWM/PDM输出
  
  3. 原理图及ADC量测网络配置
  • 　　原理图

  　　

  

  　　(图三)

  • 　　温度量测网络设定
    • 　　VDDA = 2.4V
    • 　　VR+：VDDA
    • 　　VR-：VSS
    • 　　PGA = OFF
    • 　　SI GAIN = 1X
    • 　　VR GAIN = 1/2 X
    • 　　Vin/VR Buffer=OFF
  • 　　气压量测网络设定
    • 　　VDDA = 2.4V
    • 　　PGA = OFF
    • 　　SI GAIN = 16X
    • 　　VR GAIN = 1X
    • 　　Vin/VR Buffer=OFF

  　　4. 实验结果

  • 　　本实验采用US-9173-H15-A传感器测量。

  　　使用上述电路及设定，于25℃做一点校正1000mBar，温补前之结果如下：

  　　

  
  • 　　400mBar~1000mBar为实测数字，其余(有*号) 为计算结果。
  • 　　TCS及TCO并非常数，跟温度有关，而且每个传感器都不一样。但0℃~45℃间，在0.035%/℃及-0.02%/℃内。TCS明显比一般定电压测量方法好。
  • 　　平均来说, 高温时SPAN的温瓢影响较大，低温时Offset的温瓢影响较大。在0℃时，平均的TCO及TCS为-0.015%/℃及0%/℃;在45℃时，平均的TCO及TCS为0%/℃及0.02%/℃。
  • 　　若用以上平均的TCO及TCS值去补偿，结果如下：

  　　

  
  • 　　如要达到0~1000mBar的范围内+/-5mBar的精度，则必需进行两点校正，例如1000mBar及600mBar @25℃。经计算结果如下：

  　　

  

  　　5. 结论:

  • 　　采用图二之测量方法可大大降低传感器Span的温飘。
  • 　　可用实验方法测出传感器在不同温度下的TCO及TCS之平均值，从而得出TCO及TCS之温度曲线。经过温度补偿，可达到60ppm/℃左右的效果。
  • 　　用两点校正可达致+/-5mBar的精度。

  　　6. 参考文献:

  • 　　UniSense Datasheet: SP-017 US9173-规格书-1.3.pdf
  • 　　Intersema Application Notes_Calibration.pdf
  • 　　Hycon Application Notes: APD-SD18012 电压与温度量测应用 Version_01