被称为MEMS(微电子机械传感器)的硅基压力传感器的最大消费者仍然是汽车市场。1999年，传感器占汽车电子产品106.7亿美元支出的12%(数据来源:Strategic Analytics)。随着传感器的发展扩展了现有的应用，并实现了新的汽车功能，这一趋势应该会继续下去。在汽车市场推出的新型信号处理和信号转换架构中，有一种(MAX1460)可以在现有的基于mems的传感器上实现更高水平的传感器性能。

MEMS压力传感器的特性

今天为汽车市场生产的大多数MEMS压力传感器由一个四电阻惠斯通电桥组成，该电桥采用体蚀刻微加工技术在单个单片模具上制造。集成到传感器模具中的压阻元件位于压力传感膜片的外围，适合于应变测量(见图1)。这些传感器价格低廉，因为它们是作为集成电路处理的，在可能包含几百到几千个传感元件的晶圆上。

在桥梁结构中，对角对置的桥腿的阻力随压力引起的机械变形在同一方向上变化相等。当一组对角线对腿的阻力在压力下增加时，另一组腿的阻力减小，反之亦然。在桥的两个相对的角上施加电压或电流形式的桥励磁。如图1中的+Exc和-Exc所示，这些端子通常被称为“励磁输入”或“电桥驱动输入”。

电阻(即压力)的任何变化都可以通过桥的另外两个角(图1中的+Vout和-Vout)的电压差来检测，这两个角通常被称为“桥输出”或“信号输出”。不幸的是，对于硅压阻式传感器，这种电压差非常小(几十毫伏)。此外，无补偿传感器的全量程输出(FSO)可能表现出对温度的强烈非线性依赖，较大的初始偏移量(高达FSO的100%或更多)，以及偏移量随温度的强烈漂移。FSO定义为传感器输出对应于最大和最小施加压力的差值。因此，传感器在使用前必须进行补偿。

采用集成电路进行补偿的传感器已经存在很多年了。一般来说，这种补偿是基于一种体系结构(这里称为传感器信号处理，或ASSP)。最近，用于数字传感器信号处理(DSSP)的精细几何CMOS和高性能计算引擎的出现，使得这种架构可用于压力传感器。因此，用于调节和转换压力传感器输出的下一代ic将采用DSSP架构。

传感器信号处理(ASSP)

集成ASSP的第一代ic通常只包括差分到单端放大器。所有传感器的性能特性都被放大和传递，使传感器制造商承担建立传感器性能的负担。通常，压力传感器信号和温度信号被提交给电子控制单元(ECU)，该电子控制单元使用查找表来获得合理的压力估计。

这些架构用于发动机管理模块，用于处理表示气压(BAP)和歧管气压(MAP)的数据。这些设计在域内进行校准和补偿。为了存储传感器特定的数据，使用了“存储”组件，如电位器、分立电阻或电容器(其中一些与温度有关)和激光修整电阻。这种做法的主要问题如下:

• 传感器的非线性影响了补偿精度

• 激光切割机和其他自动化设备成本高

• 测试和修剪通常需要多个设置

• 高组件计数防止小型化

第二代补偿器件同样基于ASSP架构，采用小型硅集成电路，集成了非易失性存储器(如EPROM或EEPROM)和低分辨率数字转换器(dac)。为了调整FSO和失调，这些架构使用DAC将每个存储的数字系数转换为电压，然后将其应用于放大电路。

两个因素限制了早期设计的性能:使用低分辨率(8位和10位)dac，并使用连接到信号转换IC的离散温度传感器件。通过引入12位和16位dac，以及将比例温度传感器集成到IC中，第二波架构得到了极大的增强。一阶温度补偿，其中温度信号是IC本身的局部信号。传感器性能在典型的汽车工作温度范围(-40°C至125°C)内提高了2%或更多，在工业应用中提高了0.1%。

数字传感器信号处理(DSSP)

第三代DSSP架构风格的特点是全数字补偿和纠错方案。非常精细的几何形状，混合信号CMOS IC技术已经能够将复杂的数字信号处理器(DSP)集成到传感器补偿器IC中。DSP是专门为执行传感器补偿计算而设计的，使传感器输出能够实现传感器固有的所有精度。从理论上讲，线性化一阶和二阶温度对全量程输出(FSO)和偏置的影响可以使传感器的整体温度线性度比传感器本身更好。

作为背景，考虑以下几个关键因素对于第三次浪潮架构的成功至关重要:

• 传感器在温度和压力下的重复性

• 高分辨率A/D转换(最少16位)

• 计算引擎与16位乘法和加法

• 数字逻辑和信号转换电路之间的同步操作

• 所有信号处理子系统的比率运算

• 高分辨率(最低12位)D/A转换器

• 低功耗

此外，考虑以下关于数字信号处理的一般规则:

• 换能器的稳定性、可重复性和迟滞性不能通过计算来改善。

• 计算可以降低但不会增加信号分辨率。

• 输出信号精度将小于输入信号分辨率。

上述规则和技术要求适用于压力传感器的温度补偿。在补偿之前，其偏移量和跨度随温度的变化可能大于10%(见图2)。在这些曲线中还可以看到轻微的非线性曲率，表明二阶效应。这些温度误差的补偿需要使用一个常见的温度线性化方程:

计算这个方程需要加法和乘法。虽然从公式中没有显式地看出，但第三个算术运算(否定)也是必需的。为了保持最高的精度，所有的算术运算都应该在输入信号的分辨率下执行，在本例中是16位。

一种新的器件MAX1460现在可以通过使用公式1来执行补偿压力传感器所需的算术运算。由于该器件可以(使用其板载处理器)对其板载ADC数字化的压力传感器信号进行这些算术运算，因此称为Smart-ADC。参见图3。

这篇文章的类似版本出现在2001年1月的Sensor杂志上。