压力传感器温度补偿的研究

1、毕业设计（论文）题 目： 压力传感器温度补偿的研究 姓 名： 学 号： 指导教师(职称)： 专 业： 班 级： 所 在 学 院： 2013年 6 月 武汉工程大学 毕业设计（论文）目 录摘 要 . IIAbstract . III第一章 绪论. 11.1 压力传感器概述 .11.2 压力传感器的现状及发展趋势. . .11.3 硅桥式压阻压力传感器的简介及特点. . .31.4 温度补偿的意义. . .31.5 论文安排. . .4第二章硅桥式压阻压力传感器的原理及分析.52.1 硅桥式压阻压力传感器工作原理. 52.2 硅桥式压阻压力传感器温度漂移产生的机理. .72.3 压力传感器的性能指

2、标. .8第三章硅桥式压阻压力传感器温度补偿研究. .113.1 温度补偿的技术指标. .113.2 常见的补偿方式简介. 113.3 传感器的输出温度特性研究. .133.4 补偿思路. 13第四章温度补偿电路的设计. 154.1温度补偿电路结构分析. 154.2带隙基准电压源的电路设计. 154.3 PTAT电压和激励电压源的产生. 294.4电压缓冲器的设计.304.5总体电路设计. .31总结 .33致 谢 .34参考文献 .35摘要随着现代工业向着微型化、集成化、精密化发展,实现精确测量就显得非常重要，对传感器的精度要求越来越高成为必然。硅桥式压阻压力传感器以其线性度好、灵敏度高、体

3、积小、便于集成等诸多优点,成为现今被应用最多旳压力传感器。硅桥式压阻压力传感器是利用半导体的压阻效应来实现从作用力至电信号的转换，较之于传统的电阻应变式传感器具有灵敏度高，线性度好，滞后性小，体积小，响应快，便于与调理电路集成、测量精度高、稳定性好、频率响应范围宽、易于小型化等显著优点，因此得到了迅速的发展，并被应用到各个领域。但是硅桥式压阻压力传感器因为其使用的半导体材料硅的固有特性，其存在着一致性、温度漂移和非线性等问题。其中受温度的影响最大，不同温度下传感器的灵敏度和测量精度的差别很大，这就大大的影响了硅桥式压阻压力传感器应用。故对硅桥式压阻压力传感器的温度补偿研究工作就显得十分重要。基

4、于硅桥式压阻压力传感器的结构和原理，本文分析温度漂移产生的原因，分析了零位温度漂移和灵敏度温度漂移。根据在常电压供电,恒定压力下传感器的输出灵敏度温度特性方程,设计了一个输出与温度呈线性正比的激励电压源来驱动传感器的温度补偿方案。给出了激励电压源的温度特性方程,并分析了实现温度补偿需要满足的条件。根据电压源的温度特性方程设计了补偿电路的各模块，其中包括：电压缓冲器、PTAT电路和带隙基准电压源。Kujik结构是带隙基准电压源的核心电路，本论文在此对它作了改进。通过叠加共源共栅结构来提高了电源电压抑制比，并且运用了深度负反馈的两级折叠式共源共栅运算放大器来“钳位”。PTAT电压从带隙基准电压源中

5、获得，并与基准电压相加得到了所需温度特性的激励电压。在激励电压之间增加了一个电压缓冲器来解决传感器的输入电阻较小的问题。电压缓冲器是一个两级运算放大器，其输出跟随激励电压直接驱动传感器。关键字：硅桥式压阻压力传感器；温度补偿；PTAT电路；带隙基准电压源Abstract With the modern industrial developing towards miniaturization,integration and precision,accurate measurement is important.Therefore,there are higher requirements.Th

6、e silicon bridge piezoresistive pressure sensor with its good linearity, high sensitivity, small size, easy integration and many other advantages, has became the most widely used pressure sensor.The silicon bridge piezoresistive pressure sensor can fulfill the function from acting force to electtici

7、ty signal by using the semiconductor piezoresistive effect. Compared with traditional resistance strain-gage transducer, The silicon bridge piezoresistive pressure sensor has the advantages of good linearity, high sensitivity，small lag ,small size,higher performance and response speed, and it can be

8、 integrated to conditioning circuit with high measurement precision, good stability, wide working frequency range and being miniaturized and produced easily, all of which make it rapidly developed and widely used to each field. But due to materials and processes of this sensor,the consistency ,the t

9、emperature drift inevitably and nonlinearity occur. Owing to the characteristic, in the unstable temperature environment, its application is limited. So its very important to research the temperature compensation.From the structure and principles of the silicon bridge piezoresistive pressure sensor,

10、 based on the mechanism of temperature drift,zero temperature drift and sensitivity temperature drift are analyzed. According as the temperature characteristic equation of the sensor output sensitivity under 5V supply voltage with a constant input pressure, the scheme of using a excitation voltage s

11、ource with increasing output voltage linearly by increasing temperature to drive the sensor is designed. he temperature characteristic equation of the voltage source is presented, and the conditions to achieve temperature compensation are analyzed.On the basis of the temperature characteristic equat

12、ion of the voltage source, the modules of compensation circuit are designed, including: , the voltage buffer ,PTAT voltage and the bandgap reference voltage source. The core circuit of the bandgap reference voltage source is Kujik structure, and it has been improved by adding cascade devices to impr

13、ove power supply rejection ratio in this research. Using a two folded cascade operational voltage amplifier in deep negative feedback state to ”clamp voltage The PTAT voltage is obtained from the bandgap reference voltage source circuit, which is summed with the reference voltage can get the excitat

14、ion voltage of the desired temperature characteristics. As the input resistance of the sensor is small, a voltage buffer following the excitation voltage is added. The voltage buffer is a two-stage operational voltage amplifier,and the output following the excitation voltage directly drives the sens

15、or.Keywords：silicon bridge piezoresistive pressure sensor;temperature compensation;PTAT circuit;bandgap reference voltage source- 36 - 第一章 绪论 1.1 压力传感器概述传感器是指一种能感受和检出被测对象的某一特定的信息,并使之按照一定规律变换成与之相对应的输出信号的装置或元器件1，传感器的一般组成如图1-1所示：信号调节转换电路传感元件敏感元件 被测量 辅助电源 图1-1 传感器的组成传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。传感技术同计算机技术与通信技术

16、一起被称为信息技术的三大支柱，更是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业。压力传感器是以压力为被测量进而转换为电信号的装置,压力传感器是工程中常用的测量器件，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成，这样的传感器也称为压电传感器2 。硅桥式压阻压力传感器是利用半导体的压阻效应来实现的。硅桥式压力传感器将从作用力转换成便于测量的电信号,较之于传统的电阻应变式传感器具有动态响应快、测量精度高、线性度好,稳定性好、工作温度范围宽灵敏度高,滞后性小,体积小,可靠性好,便于与调理电路集成等优点,因此近年来大受欢迎。1.2 压力传感器的现状及发展趋势1.2.1压力传感器发展现状在工业生产中,压

17、力传感器是各种传感器中性能较高、技术较成熟、应用较为广泛的一种传感器。在各种工业自动检测和控制技术中得到了广泛应用,涉及水电水利、铁路、计量、冶金、交通运输、智能建筑、机械制造、生物医学、航空航天、军工、石化、油井、船舶、管道、电力、轻工等众多行业。得益于微机械加工技术、材料技术和集成电路制造技术的日益发展,压力传感器技术在世界各国进行了很多研究工作,得到的研究成果也被积极应用到商业领域中去。在研究中保留传统的传感原理,同时也加入了一些新效应,在材料方面优先采用晶体材料如石英、娃、陶瓷等。制作工艺上则引入了半导体制作技术和微机械加工技术,从装置与元器件的传统结构设计进入了用微机械加工工艺实现的

18、微结构设计。因此压力传感器技术也获得了很大的进步和发展3。下面重点对几种重要的压力传感器的工作原理及性能特点进行介绍。（1）压电压力传感器：压电压力传感器利用压电效应来完成压力到电信号的转换的,即离子型晶体的电介质在机械力作用下产生极化,从而使极化板的两面出现正负电荷4。压电压力传感器不能用于静态测量,应用较多的是测量冲击和振动的加速度。压电压力传感器具有精度高、体积小、灵敏度高、线性度好、测量范围大、信噪比大、易于批量生产,方便校准等特点,但一般体积相对大,零位漂移也明显。(2) 电阻应变片压力传感器：此类传感器的基本原理是将被测量的变化转变成应变电阻的变化。它是将电阻应变片粘贴在弹性元件特

19、定表面上,利用了半导体或金属应变片的电阻随应力改变的应变效应而进行工作的5。电阻应变片压力传感器的优点是体积小、结构简单、易于制作、成本较低,缺点是输出迟滞大、灵敏度低、抗外界的电磁干扰能力较差、输出零点漂移明显等。随着时间推移,用于粘贴的胶会老化,这对传感器的性能产生一定程度的影响,因此稳定性也不好,没有得到广泛的应用。(3) 陶瓷压力传感器:陶瓷是一种具有抗腐烛性、高弹性、抗磨损、抗冲击和振动的材料,其中应用较多的是氧化锅。按工作原理又可分为压阻式和电容式两种。压阻式的陶瓷压力传感器采用陶瓷作为敏感膜片,可与腐烛性液体直接接触,压力会直接作用于陶瓷膜片的前表面上,从而使膜片产生微小形变,在

20、陶瓷膜片背面印刷厚膜的电阻,连接成一个惠斯通电桥。由于压敏电阻具有压阻效应,会使电桥产生一个与压力、激励电压成正比的线性度高的输出电压信号。这类传感器精度较高,具有时间稳定性和温度稳定性,并可与绝大多数介质直接接触。电容式的陶瓷压力传感器是将构成电容的两个极板分别印刷在弹性膜片和陶瓷敏感膜的内表面,弹性膜片感受压力产生的形变通过陶瓷传送给电容极板,从而引起电容值的变化并被电路检测出来6。陶瓷压力传感器具有测量精度高、稳定性高、输出的信号强,长期稳定性较好等优点。低成本、高性能、智能化、集成化的陶瓷传感器将会是压力传感器发展的方向。(4)电容式压力传感器:此类感器是应用较为广泛的一类无源传感器，

21、已经被广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，以及压力、液位、压差等工业过程参数的测量之中。传感原理是利用弹性膜片感受压力的改变引起电容极板的相对位置发生变化,进而引起电容值的改变,再通过检测电路测得电容值,完成压力的检测。电容式压力传感器又分为差动电容式压力传感器和单电容式压力传感器78。电容式压力传感器比较容易集成于硅晶片上，它还具有结构简单、体积小、灵敏度高、低温漂、低功耗等优点,可进行非接触测量,并且对环境的适应能力强等优点目前已广泛用于医药、航空、石化等各大领域。(5)硅桥式压阻压力传感器：由于半导体材料的压阻效应,相对于同类金属材料的传感器,半导体材料的传感器灵敏度要高

22、十倍以上。压阻效应也包括晶体的排列方向和掺杂浓度等因素。硅材料具有非常好的机械特性和强度,具有迟滞小、耐压能力强等优点,采用硅作为薄膜材料可大幅度提升传感器的动态响应性能。硅桥式压阻压力传感器的压力应变薄膜是硅,它的制造工艺是微机械加工工艺及集成电路制造工艺9。这种传感器不仅可以检测普通的液体、气体的压力,还具有耐腐烛性,可以检测腐烛性介质的压力。同时具有线性好、灵敏度高、精度较高、稳定性好、滞后小、体积小、动态响应好、耐腐烛、工作可靠、方便与信号调理电路集成等诸多优点,娃桥式压阻压力传感器已经成为现今应用最多、涉猎范围最广的压力传感器。 此外,还有电感式压力传感器、谐振式压力传感器、光纤压力

23、传感器及其他一些新型压力传感器。它们以其各自的性能特性,在各自的应用领域内得到了快速的发展。1.2.2压力传感器的发展趋势 当今压力传感器的研究在世界领域都非常广泛,可以说渗透到了各个行业之中,可以简要总结为以下几个趋势10：(1)集成化:利用微电子制造工艺将压力传感器与信号调理等相关电路集成为一个整体的趋势日益明显。这不仅便于批量生产,节省成本,而且方便使用。(2)小型化:小型化会通过减小体积来降低重量和成本,同时可以提高分辨率,便于在小的地方使用。对周围环境的影响也较小,方便与其他微型元器件配套使用。(3)系统化:产品如果单一化,在市场上容易缺乏竞争力。将压力传感器与相关的其他模块通过集成

24、作成一个系统可以完善其功能,扩大应用领域,提高市场竞争力。(4)智能化:将单片机、微处理器等与传感器集成起来,使它具有自动检测、通信、记忆、诊断、补偿、逻辑判断等功能的实现智能化传感器,已成为当今市场产品的主流。(5)标准化:传感器的制造与设计具有一定旳行业标准。如EC,ISO国际标准,美国的ANSC, ANSIC, ASTME和MIL-T标准,法国DIN标准,曰本JIS标准。1.3 硅桥式压阻压力传感器的简介及特点1.3.1硅桥式压阻压力传感器的简介硅压阻传感器具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化、便于批量生产和使用方便等优点受到人们的重视，广泛应用于多

25、个领域11 。然而硅压阻传感器所使用的半导体材料硅的固有特性，其存在着一致性、温度漂移和非线性等问题。其中受温度的影响最大，不同温度下传感器的灵敏度和测量精度的差别很大，所以必须对其进行温度补偿。硅桥式压阻压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器。单晶硅不仅是最广泛使用的半导体材料，也是力学性能十分优良的弹性材料。硅材料的单晶结构使硅桥式压阻压力传感器的迟滞极小，重复性极好；硅的压阻系数较大，使用温度范围较宽。这类传感器随着硅集成电路平面工艺的完善而得到高度的发展。1.3.2硅桥式压阻压力传感器的特点这种传感器不仅可以检测普通的液体、气体的压力,还具有耐腐烛性,可以检测腐烛性介质的压

26、力。同时具有线性好、灵敏度高、精度较高、稳定性好、滞后小、体积小、动态响应好、耐腐烛、工作可靠、方便与信号调理电路集成等诸多优点。因此，它是一种发展迅速，应用广泛的新型传感器。1.4 温度补偿的意义硅桥式压阻压力传感器以其诸多显著的优点在压力传感器中被应用最多,但是在实际使用中,由使用环境温度条件的影响,造成了传感器的测量误差,从而对测量精度造成很大的影响。因此温度补偿是传感器领域中很重要的一个研究内容。由半导体材料硅制成的硅桥式压阻压力传感器对温度有依耐性,其输出呈现一定的温度特性,在温度变化较大的环境下,其应用受到了限制。为了扩大这类传感器的应用温度范围,提高测量精度,就非常有必要研究它的

27、温度补偿问题。目前关于这类传感器的温度补偿的方法可分为内部补偿和外部补偿两大类。内部补偿是通过改变传感器的结构、改进制造工艺、控制敏感材料特性等方式来实现减小其受温度的影响的。而外部补偿的方式多种多样,可以分为硬件补偿和软件补偿两种。目前已有的各种温度补偿,各自在补偿效果、复杂程度、经济性等方面也各有优劣。随着工业的发展，补偿电路的要求越来越高,根据补偿对象的特性及整个传感器系统选择最合适、最高效的方式来达到要求。1.5 论文安排现对论文做一个详细的安排，具体内容安排如下:第1章主要讨论课题研究的背景、目的、意义以及发展状况,阐述了本文研究要解决的问以及要达到的效果,最后总结了本论文的主要工作

28、和结构安排。第2章主要介绍了硅桥式压阻压力传感器的工作的理论依据和性能特点。主要内容包括硅桥式压阻压力传感器的结构、原理及分析温度漂移的原因。第3章主要介绍温度补偿理论，选取温度补偿的方法。介绍了有关温度补偿的一些技术参数、从工艺、软件、硬件三个方面介绍了现有常用的补偿理论,参考国内外的研究归纳了输出灵敏度的温度特性方程,据此提出了本文的温度补偿思路。第4章给出温度补偿电路的构成框架图,具体设计了各模块电路,包括电压缓冲器、带隙基准电压源、PTAT电路等。对每个模块进行了具体的分析,通过设计其电路结构来提高关键的性能指标。第二章 硅桥式压阻压力传感器的原理及分析2.1硅桥式压阻压力传感器工作原

29、理 压阻式压力传感器与其他同类传感器相比，优点很多。常用的此类传感器还有光纤压力传感器、电阻应变片压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、半导体应变片压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等等。硅桥式压阻压力传感器凭借其优良的性能特点在力学量类传感器中占据重要地位,是目前应用最广泛的压力传感器之一。2.1.1 半导体的压阻效应半导体材料压阻效应是若沿它的某一晶面加以应力(压力或拉力)时,引起晶体固有电阻率变化的物理现象，压阻效应是由C. S史密斯于1954年对硅和锗的电阻率与赢利变化特性测试中发现的。其现象产生的主要原因是外界的作用力使半导体材料的晶格内部将产生了畸变产生的畸

30、变将导致晶体内部能级构造的变化,这就破坏了晶格的对称结构,救过导致载流子相对能量的改变,从而导致载流子迁移率的改变。对于一般的导体而言其电阻值为: (2-1)当有压阻效应的作用时,半导体材料的电阻率会发生变化12: (2-2)其中为电阻率变化量； 为压阻系数； 为应力；在当前使用的半导体传感器中,电阻的尺寸一般可以认为很小,且半导体薄膜的厚度很小,当压力较为平均地分布在半导体薄膜上时,电阻值随应力变化的关系式中可以把剪切应力忽略,近似成二维的情况12： (2-3)其中分别为纵向、横向应力； 分别为纵向、横向压阻系数;由于压阻系数是与薄膜晶向有关的系数,我们可以将其转换为晶轴方向上的压阻系数来进

31、行分析。从参考文献可知,如在晶向,其方向余弦为,则有13： （2-4）则有： （2-5） （2-6）其中为晶轴方向的压阻系数。则由(2-3)式,在知道电阻变化的情况下就可以求出相应的应力,并与所测量的压力对应起来。通常情况下,测量电阻的变化量是比较困难的,通常将其转化为电压、电流等更方便测量的信号。2.1.2硅桥式压阻压力传感器的原理及结构硅桥式压阻压力传感器的基本结构如图2-1所示9:图2-1硅桥式压阻压力传感器的基本结构 其中低压腔与大气相通,高压腔与被测系统相连,核心部分是中间部分的硅桥,通过MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)工艺制造,中央部分

32、是沿特定晶向制成的N型的弹性硅薄膜,通过掺杂在薄膜上形成四个等值半导体电阻并连结成惠斯通电桥9。 通过电桥结构,就可以将压力引起的电阻变化转量化为电压的变化量,形成直观、易测量的输出。当压力均匀分布在硅薄膜上时,硅片内部产生的应力是不均匀的,不同的位置的应力其大小乃至方向都可能不同。利用这一特性,选择适当的位置分布电阻,使其接入电桥的四臂中相邻两电阻在受力时阻值分别一增一减,且增减的绝对值相等,形成全桥差动桥路,示意图如下:图2-2全桥惠斯通电桥结构设R1、R3为负应力区,R2、R4为正应力区,且无压力时四个电阻值R相等,当施加一定的压力时,R1、R3电阻减小,而R2、R4电阻增加,则输出为1

33、4: (2-7) 其中为激励电压则以此可以反映出压力变化量的大小,以便送至下一次信号处理或阻抗变换电路。2.2硅桥式压阻压力传感器温度漂移产生的机理上一节已经说硅桥式压阻压力传感器的输出取决于惠斯通电桥的各个臂上的电阻值的变化量,但由于半导体材料本身所固有的温度敏感特性,硅膜片上的电阻值不仅受压力的影响,而且工作环境温度也对其产生很大影响,而工作环境温度必然是一个难以控制的因素,因此传感器的输出必然会产生误差10。硅桥式压阻压力传感器所存在的温度漂移一般有两种:1. 零位温度漂移:因为工艺产生的不匹配,惠斯通电桥的四个臂上的电阻的值并不能真正做到完全相等,因此会产生零位输出。当温度变化时,四个

34、电阻的阻值随之变化,因此零位输出也会产生变化。通常的解决方法是在电桥中串联补偿电阻以消除零位输出、并联补偿电阻以补偿零位输出温漂的方法来解决。2. 灵敏度温度漂移:当温度升高时,半导体内部晶格散射变得更加显著,价带的电子也容易获得能量跃迁到导带,从而使载流子迁移率产生变化,因此四个桥臂电阻的阻值也会改变,我们设变化量为,。另外由于压阻系数会随温度变化,因此由于压力产生的电阻改变量也会变化10。我们设为,这里传感器的输出表达式变为式（2-8)17: (2-8)其中为压阻系数变化而导致的阻值变化,为载流子迁移率变化而产生的电阻值R的变化。由于全桥惠斯通电桥结构,式(2-8)分子上的被抵消,一般情况

35、下,远远小于R,则由半导体电阻率随温度变化而产生的灵敏度温度漂移可以近似忽略不计,式(2-8)可近似为: (2-9)因此,灵敏度温度漂移主要是由于压阻系数随温度变化而产生的。若在N型硅半导体表面定向薄膜上扩散掺杂晶向的P型电阻,压阻系数近似为15： （2-10）上式代入(2-3)式得电阻变化量为: （2-11）其中为电阻横向的应力,与硅薄膜压强呈正比; 为电阻纵向的应力,与硅薄膜压强呈正比。 (2-12)其中Sn为灵敏度; P为施加的压力。由(2-7)(2-11)和 (2-12)式得输出电压和输出电压灵敏度可以表不为: (2-13) (2-14)那么输出电压灵敏度温度系数可以表示为18: (2

36、-15)因为是负值,所以输出电压灵敏度温度系数也是负值I8。即施加的应力一定下,随着温度的上升,输出电压减小。灵敏度温度漂移对于传感器输出的影响很大,会使得传感器输出呈负温度系数变化,是本文重点讨论的问题。2.3 压力传感器的特能指标压力传感器的特性指标是评价压力传感器性能的根据,数目很多。在这里仅对几个常用到的重要的特性指标进行说明。2.3.1线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间的线性程度。就是其输出量与输入量之间的实际工作曲线与参考工作曲线(拟合曲线)之间的偏差。0xy参考工作曲线实际工作曲线YFS图2-3传感器的线性度2.3.2灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出变化对输入变化的比

37、值，用来表示： （2-8）其中是灵敏度。 通常情况下,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。2.3.3分辨率 传感器的分辨率是指在规定测量范围内当输入从非零的任意值缓慢增加时,只有在超过某一输入增量后,输出才发生可观测的变化,这个输人增量称为传感器的分辨力,该值相对于满量程输人值的百分比即为分辨率。压力传感器的分辨率则表示可检测出的压力的最小增量相对于满量程输人值的百分比15。2.3.4稳定性稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。而且稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性

38、描述其稳定性,指的是在室温条件下,经过相当长的时间间隔,传感器保持其原有性能的能力,可以用式(2-9)表示： (2-9) 影响这一特性指标的因素除了传感器本身的结构外,也与使用及储存环境有关1其中为传感器在某一确定时间下的静态标定灵敏度; 为传感器在和“某一确定时间”相隔一年下的静态标定灵敏度。2.3.5.温度漂移温度漂移是指在周围温度的变化下,传感器的输出量发生了与输入量无关的、不需要变化。温度漂移包括零点温度漂移与灵敏度温度漂移。2.3.6精度精度也被称为为静态误差,是指随机误差和系统误差同时出现时所表现出的合成误差的最大值与测量上限的输出值的百分比。它是由随机误差和系统误差所决定的,关系

39、到整个测量系统测量精度的一个重要环节15。说明精确度的指标有三个:精密度!正确度和精确度在工程应用中,为了简单表示测量结果的可靠性程度,引入一个精确度等级概念,用A来表示压力传感器与测量仪表精确度等级A以一系列标准一百分数值进行分档这个数值是压力传感器和测量仪表在规定的条件下,其允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数它可以用式（2-10）16表示： (2-10)式中A为压力传感器的精度;为测量范围内允许的最大绝对误差;为满量程输出2.3.7测量范围 测量范围表示能够测量的上限值减去测量下限值。通常可以有三种情况:从负压到零压,从负压到正压,从零压到正压15。2.3.8温度范围压力传感器的

40、温度范围分为工作温度范围和储存温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。储存温度范围是指压力传感器能长期储存的温度范围10。除了上述特性指标外,还有迟滞、重复性、可靠性、响应时间等特性指标。第3章 硅桥式压阻压力传感器温度补偿研究3.1 温度补偿的技术指标上章已经指出了硅桥式压阻压力传感器两种温度漂移：零位漂移和灵敏度漂移，其中零位漂移可忽略，这里不做讨论，下面讨论灵敏度漂移。温度误差灵敏度:指的是传感器输出变化量与引起该输出量变化的温度变化量之比10，即： (3-1)相对灵敏度Sn(t)： （3-2）其中Sn(t0)为参考温度,t0下传感器的输出灵敏度。灵敏度漂移 SS (

41、Sensitivity Shift): (3-3)灵敏度漂移温度系数 TCS( Temperature Coefficient of Sensitivity ),单位一般 ppm/,表示温度每变化1,灵敏度所对应变化的百万分数,按其定义可表示为: （3-4）灵敏度漂移温度系数TCS的计算公式为: (3-5)式(3-5)中分子分母同时乘以压力P可得输出电压的温度系数TCV (Temperature Coefficient of Voltage),它与灵敏度漂移温度系数TCS相等。它的计算公式为: (3-6)在此主要研究的是灵敏度温度漂移,上面各温度系数作为衡量温度漂移的量化指标。3.2 常见的补

42、偿方式简介3.2.1内部补偿这种补偿方法主要针对的是零位温度漂移的补偿。在上面已介绍过,由于工艺的原因,如尺寸的对称,掺杂浓度及厚度的控制等造成的扩散电阻阻值或扩散电阻的温度系数不一致,使得在不加压力时电桥输出不为零并且随温度变化。可以通过设计传感器结构;改良制造的工艺,增加扩散电阻的对称性控制材料的特性,当杂质浓度达到一定时其电阻率随温度的变化趋于稳定,同时不同的扩散系数和结深也会影响到温度敏感度,从而获得较底的温度系数;另外,考虑到金属具有较低的电阻温度系数,因此在娃衬底上沉积金属膜同样可以降低温度系数10。但需要注意的是,过高的掺杂浓度不仅会导致晶格缺陷的增加,还会降低传感器的灵敏度。3

43、.2.2外部补偿外部补偿可分为软件补偿和硬件补偿两种。1. 硬件补偿此种方法主要是结合传感器的电路本身,加上一些温度补偿电路以改变其温度特性或补偿其输出。常用的补偿电路有以下几种:可变增益放大器补偿:设计一个增益随温度升高而增加的放大器对传感器输出进行放大,只要其增益的温度系数合适就可以与传感器固有的负温度特性实现补偿10串并联电阻减小零漂:导致传感器产生零位漂移的原因是桥臂电阻不等,通过在桥臂上串联或并联电阻,可以调整电桥的零位输出和零位漂移2021。与温度呈线性正比的电压/电流源补偿19:由之前的讨论可知,灵敏度S随温度呈负温度系数,若激励电源具有合适的正温度系数,可实现一阶温度补偿。双惠

44、斯通电桥抵消补偿10:为避开电阻匹配的麻烦,且能达到温度补偿的目的,可利用传感器归一化技术使双惠斯通电桥的温度漂移相等,然后通过将两个电桥的输出信号相减可以实现温漂信号相互抵消里面的惠斯通电桥位于娃薄膜上,当施加压力时桥上的电阻能够产生形变从而检测压力,为压力敏感桥。外面的惠斯通电桥位于薄膜外的较厚的桂片上,不能对微小压力产生形变,因此这个桥为补偿桥。两个惠斯通电桥上的电阻非常靠近,具有相同的电学特性。此补偿方法对温漂的补偿效果较好,但需要两个双惠斯通电桥增加了工艺的复杂性,成本较高且只能减小零位输出和零位漂移,因此较少采用。2. 软件补偿10在传感器测量系统包含单片机的情况下,通过一定的算法

45、,利用软件对传感器的输出信号进行一定的处理,以达到温度补偿的目的。典型的软件补偿系统结构框图如图3-1所示:压力传感器温度传感器补偿算法PTUUtP图3-1软件补偿系统结构框图软件补偿系统结构由压力传感器、温度传感器和补偿算法三部分组成,其中压力传感和温度传感器位于相同温度环境,通过温度传感器测出压力传感器的工作温度,同压力传感器的输出一同送入补偿算法级,通过合适的算法进行数据融合,补偿算法一般由单片机实现。常用的算法有多位回归分析法和BP神经网络法。只要选取了合适的算法,软件补偿法补偿效果很好,精度很高,但这种补偿系统体积一般比较大,不能与传感器单片集成,系统中温度传感器所测温度与压力传感器

46、的工作温度可能存在一些偏差,由此产生的误差补偿算法可能无法补偿。3.3 传感器的输出温度特性研究据文献19的研究知:在常电压给传感器供电,一恒定轻度压力作用下,以t0=25C为参考温度,-20到10C的温度范围内传感器的输出电压值按(3-7)式可转变为相对灵敏度。 (3-7)用(3-7)式得到的相对灵敏度数据,可得相对灵敏度的温度特性曲线 。因为相对灵敏度近似呈线性,则用最小二乘法对数据进行线性回归10,得回归方程为: (3-8)其中a0为正,a1为负。若在需要更为精确计算的情况下,可以利用N阶的多项式进行近似,其表达式如下: (3-9)可根据下式计算相对灵敏度的温度系数为: (3-10)这也

47、是输出电压的温度系数。3.4 补偿思路10同时传感器的输出电压可以表示为式（3-11），即： （3-11）其中S为单位激励电压灵敏度。在上式中,由于是常数,因此单位激励电压灵敏度S的温度特性与相对灵敏度的温度特性一致,温度系数也相同。如果激励电压随着温度的升高线性增大,且其温度系数设计适合,那么正好能与传感器灵敏度的负温度特性实现一阶线性补偿。基于以上考虑设激励电压表示为: (3-12)其中均为正。则给传感器施加一定轻度压力P时,输出电压为： (3-13)由以上几式计算的出式（3-14）： （3-14） 式中均为常数,与温度有关的二阶项系数相对常数项很小可以忽略,若要使(3-14)式与温度无关

48、，只需满足: （3-15）第4章 温度补偿电路设计4. 1温度补偿电路结构分析这里温度补偿思路是设计一个具有如(3-12)式的激励电压源作为传感器的驱动电压。下面对(3-12)式进行等效变换,并代入参考温度,通过将摄氏温标转化为热力学温标来分析如下: (4-1)10 其中它们均为常数。这样我们就设计一个设计一个与温度无关的基准电压(这里采用的是带隙基准电压源)和一个PTAT(proportional to absolute temperature,与绝对温度呈正比)电压相叠加可以得到所需的激励电压源22。过合理设置b0和b1的比值使式(3-15)成立,就能实现传感器的温度补偿,因为传感器的输入

49、电阻一般在KQ级,得到的激励电压源不能直接驱动传感器,还需要增加一个电压缓冲器。整个温度补偿电路结构框图如图4-1。PTAT电路带隙基准电压源传感器VPTATVREF电压缓冲器VOUT图4-1 补偿电路结构框图4. 2带隙基准电压源的电路设计理想基准电压源的输出电压是几乎与电源电压变动、工艺影响无关,是具有零温度系数的直流电压源。是通过将一个正温度系数的电压和一个负温度系数的电压加权相叠加而得,从而得到零温度系数的电压,选择合适的权数满足(4-2)式,则可得到基准电压如(4-3)所示。 （4-2） (4-3)根据电路采用的器件类型不同，基准电压可分为：(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属-氧化层-半导体-