CN101236113A - 全桥型压阻式压力传感器的数字式信号调理芯片 - Google Patents

Abstract

全桥型压阻式压力传感器的数字式信号调理芯片，主要包括带隙基准电压模块，增益可调运算放大器模块，数字控制单元模块，其特征在于所述带隙基准电压模块中产生一正温度系数电压，对全桥型压阻式压力传感器提供激励电压，数字控制单元模块设有存储器、内部时钟电路，增益可调开关电容运算放大器的增益由数字控制单元模块根据写入存储器正温度系数、零点温度系数、零点输出值的参数确定。本发明的优点是该调理芯片实现传感器的灵敏度效应补偿、零点漂移补偿以及零点输出的调整，调理精度高，成本低廉。

Description

全桥型压阻式压力传感器的数字式信号调理芯片

技术领域

本发明涉及一种压阻式压力传感器，特别涉及一种全桥型压阻式压力传感器的数字式信号调理芯片。

技术背景

由于微机械电子系统MEMS技术加工的压阻型压力传感器，因其体积小、价格便宜，而广泛应用于工业控制、汽车电子等领域。然而硅材料加工的压力传感器，存在着明显的温度效应。这使得MEMS压力传感器在实际应用时，必须进行温度补偿。

压阻型压力传感器补偿方法很多，传统的补偿办法是用串并联电阻的方法实现，参见图1，图中是恒流源激励的传感器，此时传感器灵敏度随温度升高而变大。并联电阻Rs起着补偿灵敏度的作用，当温度升高时，传感器桥臂电阻变大，而此时由于Rs的分流作用，流过传感器的电流减小，从而减小了灵敏度，使得灵敏度的温度效应降低。Rp补偿零点温度漂移，当零点输出随温度升高而变大时，通过Rp可以使零点输出随温度的变化减小，起到了零点温度漂移补偿的作用。R0调整零点输出，通过R0可以使零点调整到所需要的值。

电阻Rs、Rp、R0一般制成厚膜电阻，然后采用激光调阻的办法实现传感器的信号调理。这种方法原理简单，但调试设备昂贵，调试过程也比较复杂。并且通过串并联电阻的方法调理其调理的范围比较小，调理的精度也比较差。

近几年，随着传感器市场的不断开阔，国外很多公司研制生产了专用于全桥结构压阻型压力传感器的信号调理芯片。例如，美国德州仪器公司的PGA309、德国泽恩帝公司的ZMD31010、比利时Melexis公司的MLX90320、美国Semtech公司的XE8801A等等。这些芯片的共同特点是，内部有集成温度传感器、ADC、DAC以及算术逻辑部件ALU。通过MUX将传感器输出和温度传感器的输出分别传递给ADC，将模拟量转化为数字量。再将两者传递给算术逻辑部件，通过一定的算法，计算出该温度下传感器的输出。这些芯片，一般采用多项式计算方法来补偿灵敏度温度效应、零点温度效应以及零点输出的调整。其调理精度和多项式的阶次直接相关，阶次越高，精度越高，但是所要测试的参数也就越多，测试及调试也就越复杂。

然而，上面所说的芯片，设计比较复杂，成本高。有的是用于工业上高精度压力变送器的信号调理，如XE8801A；有的要与其他芯片结合适用，如PGA309，要另外用一个EPROM存储参数。这些因素都增加了芯片的成本。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种全桥压阻型压力传感器的数字式信号调理芯片。

本发明主要包括：带隙基准电压模块，增益可调运算放大器模块，数字控制单元模块，其特征在于所述带隙基准电压模块中产生一正温度系数电压，对全桥型压阻式压力传感器提供激励电压，增益可调运算放大器模块由前级偏置可调运算放大器、中间级固定增益放大器、后级增益可调开关电容运算放大器组成，全桥型压阻式压力传感器的输出端接到数字式信号调理芯片的前级偏置可调运算放大器输入端口，中间级固定增益放大器的增益为固定值，数字控制单元模块设有存储器、内部时钟电路，增益可调开关电容运算放大器的增益由数字控制单元模块根据写入存储器正温度系数、零点温度系数、零点输出值的参数确定，数字控制单元模块初始化包含以下步骤：

A测试传感器的灵敏度温度系数、零点温度系数、零点输出值；

B按2k₁K₁T+k₁B₁+K₁b₁＝0以及V_o＝k₀T+b₀计算公式计算得到灵敏度温度补偿系数K₁、零点温度补偿系数K₀、以及零点输出补偿系数B₀，其中k₁为归一化灵敏度温度系数；b₁为0K时归一化灵敏度；k₀为零点输出温度系数；b₀为0K时零点输出；T为绝对温度，单位为K；

C将计算得到的正温度系数K₁、零点温度系数K₀、零点输出值B₀写入存储器内。

本发明的优点是采用带隙基准电压模块，增益可调运算放大器模块，数字控制单元模块的电路结构，该调理芯片实现传感器的灵敏度效应补偿、零点漂移补偿以及零点输出的调整，调理精度高，成本低，克服传统调理方法的低精度和为了提高精度而使测试调理设备昂贵、数字式调理芯片成本提高、测试及调试复杂的缺陷。

附图说明

图1传统串并联电阻法调理电路；

图2本发明的芯片原理框图；

图3本发明的零点补偿电路原理图；

图4为恒压激励时传感器的输出特性曲线图；

图5经本发明调理后传感器输出特性曲线图。

U1后级增益可调开关电容运算放大器、U2带隙基准bandgap电压模块、U3前级偏置可调运算放大器、U4数字控制单元模块Digital Control1开关电容运算放大器Amp、2带隙基准Bandgap Reference、3前级偏置可调运算放大器S\H、4数字控制单元模块Digital Control、5振荡器Osc、R1桥臂电阻、R2桥臂电阻、R3桥臂电阻、R4桥臂电阻、Rs电阻、Rp电阻、R0电阻。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

本发明的工作原理：

零点温度漂移补偿原理参见图3，在零压力下，测试传感器的高低温数据，得出传感器零点输出的温度函数表达式：

$V_o=k_{0}T+{\stackrel{\·}{b}}_0$

V_c1的表达式为：V_c1＝K₀T+B₀。与其对应的有两个寄存器：RSV₁、RSV₂。RSV₁存放参数K₀，其值即为通过测试而计算得到的k₀，RSV₂存放参数B₀，其值即为通过测试而计算得到的b₀。

K₀的范围为：0.01：0.1

B₀的范围为：-15：+15

灵敏度温度补偿参见图4，不同温度下，传感器特性曲线的斜率不同。直观上理解，要改变的就是传感器输出特性曲线的斜率，使其在不同温度下的斜率一致。

归一化灵敏度的表达式如下： $S_g=\frac{\mathrm{Vo}}{V_{\mathrm{br}}P}$

其中，S_g为归一化灵敏度，Vo为满量程输出，V_br为桥压，P为压力量程。不同温度时，曲线的斜率不同，也就是灵敏度存在温度系数。归一化灵敏度同样也存在温度系数。

灵敏度的表达式如下所示：

$S=\frac{\mathrm{Vo}}{P}$

需要的是灵敏度S在不同温度下保持一致，而不是归一化灵敏度S_g。S和S_g的关系式如下：

S＝S_gV_br

采用一次近似，S_g可表示为为k₁T+b₁，假设V_br＝K₁T+B₁，则

S′＝[(k₁T+b₁)(K₁T+B₁)]＝0

即2k₁K₁T+k₁B₁+K₁b₁＝0

最终的目标是把不同温度下的灵敏度补偿到常温25℃时的灵敏度，即把图4中其它温度下的传感器特性曲线补偿到25℃时的特性曲线，尽量使它们重合，即减小传感器的温度系数。则上式变为：

2×298k₁K₁+k₁B₁+K₁b₁＝0

我们设定25℃时桥压为3V，则

298K₁+B₁＝3

根据上面两个方程，可以解出K₁和B₁。这两个参数就是要写进ROM的值。

本发明采用CMOS工艺，设计一种应用于汽车传感器领域的信号调理芯片，该芯片主要包含三个部分，带隙基准bandgap电压模块U2，，增益可调运算放大器模块U1及U3，数字控制单元模块digital control U4，从中提取出来的正温度系数电压激励增益可调运算放大器U1、数字控制单元digital controlU4，数字控制单元模块digital control U4设有存储器PROM(OTP Memory)、内部时钟电路(Oscillator)参见图2。

当温度变化时，带隙基准bandgap电压模块U2提供的正温度系数电压激励源，对全桥式压力传感器提供电压激励。根据传感器的特性，当其采用恒压激励模式时，其归一化灵敏度负温度系数是负的，此时采用一正温度系数电压源为传感器提供激励，就可以补偿传感器灵敏度的温度效应。

将全桥型压阻式压力传感器的输出端接到数字式信号调理芯片的输入端口，首先进入前级偏置可调运算放大器3。因为传感器经灵敏度补偿后，还存在零点温度偏移的问题。在测得传感器的零点温度特性后，那么只要在前级偏置可调运算放大器的一端叠加一温度特性与传感器零点温度特性一样的电压，就可以消除传感器零点温度漂移。这一电压也是从带隙基准中提取出来的，并且和为传感器提供激励的电压相似，其温度系数也是可调的。

经过这两步，其输出信号的温度效应基本上消除。然后将信号传输给后两级运放，得到所需要的信号输出。

在运行过程中，每一步都是要受数字控制单元模块digital control U4的控制来完成。数字控制单元模块digital control U4的初始化首先对传感器进行测试，数字控制单元模块digital control U4初始化包含以下步骤：

A测试传感器的灵敏度温度系数、零点温度系数、零点输出值；

B按2k₁K₁T+k₁B₁+K₁b₁＝0以及V_o＝K₀T+b₀计算公式计算得到灵敏度温度补偿系数K₁、零点温度补偿系数K₀、以及零点输出补偿系数B₀，其中k₁为归一化灵敏度温度系数；b₁为0K时归一化灵敏度；k₀为零点输出温度系数；b₀为0K时零点输出；T为绝对温度，单位为K。

C将计算得到的正温度系数K₁、零点温度系数K₀、零点输出值B₀写入存储器PROM(OTP Memory)内。

根据该发明所给出的算法计算出所需要的参数，然后将这些参数写入数字控制单元digital control U4的存储器PROM(OTP Memory)中。这些参数，确定了运算放大器的增益、正温度系数电压激励源的温度系数以及零点温度系数。

正温度系数电压源可用下式表示：V_IB＝K(V_BG+K₁T)

其中，V_BG＝1.24706V；

K的范围为0.927：1.831，默认值为1；

K₁的范围为3.234×10^-3：5.913×10^-3，默认值为4.78×10^-3。增益可调运算放大器U1，是通过向内部寄存器写值，来调整增益的倍数。寄存器数据和增益倍数对照详细如下：

RSV0	Gain1
		00000000	4
00000001	5.525
		00000011	7.2
00000111	8.8
		00001111	10.4
00011111	12
		00111111	13.6
01111111	14.5
		11111111	16.8

RSV0为调整增益倍数的寄存器，这是一个8位数据寄存器。当其值为00000000，代表开关电容放大器的增益倍数为4；当其值为00000111，代表开关电容放大器的增益倍数为8.8，依此类推。

在此之前，还有一级增益恒定的运算放大器，其增益倍数为10。

这样，上述数据要乘10，即得到如下的增益数据：

总体增益倍数与寄存器数据对照

RSV0	Gain1
		00000000	40

00000001	55.25
		00000011	72
00000111	88
		00001111	104
00011111	120
		00111111	136
01111111	145
		11111111	168

另外，正温度系数电源激励V_IB＝K(V_BG+K₁T)中K也其调整增益的作用。由于RSV₀分辨率低，只是粗调的作用，K起微调作用。

Claims (2)

1. 一种全桥型压阻式压力传感器的数字式信号调理芯片，主要包括：带隙基准电压模块，增益可调运算放大器模块，数字控制单元模块，其特征在于所述带隙基准电压模块中产生一正温度系数电压，对全桥型压阻式压力传感器提供激励电压，增益可调运算放大器模块由前级增益可调开关电容运算放大器、中间级固定增益放大器、后级偏置可调运算放大器组成，全桥型压阻式压力传感器的输出端接到数字式信号调理芯片的前级偏置可调运算放大器输入端口，中间级固定增益放大器的增益为固定值，数字控制单元模块设有存储器、内部时钟电路，增益可调开关电容运算放大器的增益由数字控制单元模块根据写入存储器正温度系数、零点温度系数、零点输出值的参数经运算后确定并写入数字控制单元模块的存储器内。

2. 根据权利要求1所述的全桥型压阻式压力传感器的数字式信号调理芯片，其特征在于所述数字控制单元模块初始化包含以下步骤：

A测试传感器的灵敏度温度系数、零点温度系数、零点输出值；

B按2k₁K₁T+k₁B₁+K₁b₁＝0以及V_o＝k₀T+b₀计算公式计算得到灵敏度温度补偿系数K₁、零点温度补偿系数K₀、以及零点输出补偿系数B₀，其中k₁为归一化灵敏度温度系数；b₁为0K时归一化灵敏度；k₀为零点输出温度系数；b₀为0K时零点输出；T为绝对温度，单位为K；

C将计算得到的正温度系数K₁、零点温度系数K₀、零点输出值B₀，写入存储器内。

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