CN106595913A - 一种带温度控制的硅压阻压力传感器 - Google Patents

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金忠
谢贵久
谢锋
何迎辉
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Abstract

本发明公开了一种带温度控制的硅压阻压力传感器，包括压力敏感芯片和温度控制单元，所述压力敏感芯片的基底上设置有加热元件以及用于测量压力敏感芯片温度的测温元件，所述温度控制单元与所述加热元件和测温元件相连；所述温度控制单元根据所述测温元件的测量温度与预设标准温度值的差值，控制所述加热元件的加热电流以维持压力敏感芯片在恒定温度上。本发明的带温度控制的硅压阻压力传感器具有结构简单、调节温度、主动避免温漂等优点。

Description

一种带温度控制的硅压阻压力传感器
技术领域
本发明主要涉及传感器技术领域，特指一种带温度控制的硅压阻压力传感器。
背景技术
硅压阻压力传感器的原理是利用半导体材料的压阻效应，是目前应用最为广泛的一种压力传感器，其具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型微型化、便于批量生产以及使用方便等优点。
但是，源于半导体物理性质对温度的敏感性，硅压阻压力传感器会受到温度的影响，导致零点和灵敏度会随温度的变化而产生漂移，未经温度补偿的硅压阻压力传感器在绝大多数领域是无法应用的，因此，在实际应用中，温度补偿是硅压阻压力传感器一个很重要的组成部分。随着温度补偿技术的发展，已出现多种多样的温度补偿方式，主要分为两种，分别是模拟电路补偿和数字电路补偿。模拟电路补偿包括串并联电阻、串二极管或者串并联热敏电阻等温度敏感器件，在不同的温度下，改变加在压力传感器电桥上的电压或者电流来达到补偿效果。数字补偿技术是在单片机的控制下，分别采集压力传感器和温度传感器的输出，在不同的温度下对压力传感器的零点和满量程输出都进行不同程度的补偿。但由此不可避免的导致以下问题：1）电路复杂；2）可靠性低；3）温度敏感元件或者温度传感器和压力传感器所处环境温度不一致，导致补偿误差大；4）需要测试每只传感器的温度特性才能做出精确补偿，生产过程复杂等等，并且无法从根本上解决温漂问题，此外，补偿精度取决于温度传感器的精度及算法，很多情况下温度传感器所处环境温度和压力芯片本身的温度有差别也会影响补偿精度。
另外因为半导体材料或者加工工艺不同，不同厂家或者不同批次的硅压阻压力传感器温漂性能会有很大差别，在芯片设计时有时为了更好的温漂性能会到降低芯片其它性能，比如精度、稳定性等性能。温漂性能对材料以及加工工艺要求非常高，很多理想的理论参数加工工艺无法满足或者加工之后实际参数和设计参数出入较大都会导致温漂性能达不到设计要求。在进行温度补偿时，对不同的芯片性能需要不同的补偿方法，补偿方法包括模拟电路补偿和数字电路补偿，具体的补偿方式更是五花八门，选择合适的补偿方式对产品温漂性能起着决定性的因素，因此针对不同的芯体，温漂补偿需要丰富的经验，这项工作也耗费了工程师们很大一部分的经历。而且传统的硅压阻压力传感器温漂的最终补偿精度取决于对传感器的温度特性测试是否准确，由于不同的传感器温度特性不一致，常规的做法是对每一只传感器进行温度性能测试然后进行补偿，这也是一项很繁琐的工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种温度可调节以避免温漂的硅压阻压力传感器。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种带温度控制的硅压阻压力传感器，包括压力敏感芯片和温度控制单元，所述压力敏感芯片的基底上设置有加热元件以及用于测量压力敏感芯片温度的测温元件，所述温度控制单元与所述加热元件和测温元件相连；所述温度控制单元根据所述测温元件的测量温度与预设标准温度值的差值，控制所述加热元件的加热电流以维持压力敏感芯片在恒定温度上。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述加热元件安装于所述压力敏感芯片的基底中心位置。
所述加热元件为加热电阻。
所述测温元件呈环状安装于所述加热元件的周侧的基底上，且加热元件位于环状测温元件的中心位置。
所述测温元件为测温电阻。
所述温度控制单元包括恒流源、同向比例放大器、比例积分调节器和电流驱动电路，所述恒流源加在测温元件的两端，所述比例积分调节器的输入端与所述恒流源和同向比例放大器相连，用于对测温元件两端电压与同向比例放大器的输出电压作差后进行比例积分运算并输出电压；所述电流驱动电路与所述比例积分调节器的输出端相连，用于将比例积分调节器的输出电压转化电加热电流加至加热元件上。
所述电流驱动电路包括多个三极管，多个三极管之间相互并联。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的带温度控制的硅压阻压力传感器，在压力敏感芯片的基底上安装测温元件和加热元件，并根据测温元件的温度信号与预设标准温度值的差值，调整加热元件的加热程度，保证硅压阻压力敏感芯片的温度恒定，避免温度波动对压力测量的影响。
附图说明
图1为本发明的测温元件和加热元件的分布示意图。
图2为本发明的温度控制单元的温度控制原理图。
图3为本发明的温度控制单元的电路原理图。
图4为本发明的信号调理流程图。
图5为本发明传感器的电路原理图。
图中标号表示：1、压力敏感芯片；11、基底；2、测温元件；3、加热元件；4、压敏电阻；5、温度控制单元；51、恒流源；52、同向比例放大器；53、比例积分调节器；54、电流驱动电路。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1至图5所示，本实施例的带温度控制的硅压阻压力传感器，包括压力敏感芯片1和温度控制单元5，压力敏感芯片1的基底11上设置有加热元件3以及用于测量压力敏感芯片1温度的测温元件2，温度控制单元5与加热元件3和测温元件2相连；温度控制单元5根据测温元件2的测量温度与预设标准温度值的差值，控制加热元件3的加热电流以维持压力敏感芯片1在恒定温度上。本发明的带温度控制的硅压阻压力传感器，在压力敏感芯片1的基底11上安装测温元件2和加热元件3，并根据测温元件2的温度信号与预设标准温度值的差值，调整加热元件3的加热程度，保证压力敏感芯片1的温度恒定，避免温度波动对压力测量的影响。
如图1所示，本实施例中，加热元件3安装于压力敏感芯片1的基底11中心位置，保证芯片的均匀加热；测温元件2呈环状安装于加热元件3的周侧，即测温元件2距离加热元件3的距离相等，能够保证测量的精准性；另外芯片的四个压敏电阻4位于环状测温元件2内侧且均匀分布在加热元件3的周侧。其中加热元件3为加热电阻，测温元件2为测温电阻，测温电阻的材料可选择镍、铂或者其它对温度敏感的金属材料，其电阻值与温度呈线性关系。
如图2和图3所示，本实施例中，温度控制单元5包括恒流源51、同向比例放大器52、比例积分调节器53和电流驱动电路54，恒流源51加在测温元件2的两端，比例积分调节器53的输入端与恒流源51和同向比例放大器52相连，用于对测温元件2两端电压与同向比例放大器52的输出电压作差后进行比例积分运算并输出电压；电流驱动电路54与比例积分调节器53的输出端相连，用于将比例积分调节器53的输出电压转化电加热电流加至加热电阻上。具体采用PID控制方式，数字PID和模拟PID都可以实现，其原理框图如图2所示，设定温度与反馈回来的实时温度值做差，此误差信号经过比例、积分、微分等处理加到加热电阻的两端即可实时精准地控制芯片温度。
如图3所示，R1、R2、C1、U1B构成恒流源51，恒流源51的电流大小取决于Vref和R2，其中i=Vref/R2，将恒流源51加到测温电阻的两端，测温电阻两端的电压为u（T）=i*R（T）。Vref1为给定电压，电压值和温度为单调线性关系，需要控制芯片的温度越高，Vref1越大，U1D、R3、R4和R5构成同向比例放大器52，用来调节温控给定电压的大小，U1D输出电压U1out与Vref1为倍数关系。R6、R7、C2和U1A构成比例积分调节器53，对U1Bout和u（T）的差值进行比例积分运算。R9、R10、R11、Q1、Q2、Q3构成电流驱动电路54，将U1A的输出电压转化为与之成线性比例关系的电流加到加热电阻上来控制芯片的温度，三路重复驱动电路是因为三极管电路驱动能力有限，增强加热电阻上电流的驱动能力。
如图4所示，压力敏感芯片1的电路结构包括保护电路、降稳压电路、数字调理电路和滤波等电路。如图5所示，整个信号处理电路由电源稳压、数字调理电路两大部分构成，电源电压经过防反接整流、防浪涌和旁路滤波后由LM117进行降压稳压，输出5.1V的稳定电压，给专用的数字调理电路芯片MAX1452供电。电桥在数字调理芯片提供的恒流1mA激励下输出的差模电压经滤波后由数字芯片进行放大和非线性补偿，输出0～5V的信号，最终的综合精度（包括温漂、非线性、迟滞、重复性）可以控制在0.1%FS以内。
相对于现有技术，本发明的硅压阻压力传感器在很宽的温度范围内大大提高了硅压阻压力传感器的温漂性能，而且传感器生产过程工作量大大减小；而且设计过程中完全不需要考虑温漂性能对产品的影响，可以将设计和工艺的重心放在如何提高产精度、稳定性和抗干扰等指标上。同时，产品的温漂性能良好，温度控制在很宽的温度范围内可以将芯片温度控制在±0.2℃的精度内，即使产品本身温漂性能为0.1%FS/℃，±0.2℃导致的温漂仅为0.02%FS；而且不需要任何补偿方法以及不需要测试传感器的温度特性，很大程度上解放了相关技术人员的工作。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种带温度控制的硅压阻压力传感器，其特征在于，包括压力敏感芯片（1）和温度控制单元（5），所述压力敏感芯片（1）的基底（11）上设置有加热元件（3）以及用于测量压力敏感芯片（1）温度的测温元件（2），所述温度控制单元（5）与所述加热元件（3）和测温元件（2）相连；所述温度控制单元（5）根据所述测温元件（2）的测量温度与预设标准温度值的差值，控制所述加热元件（3）的加热电流以维持压力敏感芯片（1）在恒定温度上。
2.根据权利要求1所述的带温度控制的硅压阻压力传感器，其特征在于，所述加热元件（3）安装于所述压力敏感芯片（1）的基底（11）中心位置。
3.根据权利要求2所述的带温度控制的硅压阻压力传感器，其特征在于，所述加热元件（3）为加热电阻。
4.根据权利要求2或3所述的带温度控制的硅压阻压力传感器，其特征在于，所述测温元件（2）呈环状安装于所述加热元件（3）的周侧的基底（11）上，且加热元件（3）位于环状测温元件（2）的中心位置。
5.根据权利要求4所述的带温度控制的硅压阻压力传感器，其特征在于，所述测温元件（2）为测温电阻。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的带温度控制的硅压阻压力传感器，其特征在于，所述温度控制单元（5）包括恒流源（51）、同向比例放大器（52）、比例积分调节器（53）和电流驱动电路（54），所述恒流源（51）加在测温元件（2）的两端，所述比例积分调节器（53）的输入端与所述恒流源（51）和同向比例放大器（52）相连，用于对测温元件（2）两端电压与同向比例放大器（52）的输出电压作差后进行比例积分运算并输出电压；所述电流驱动电路（54）与所述比例积分调节器（53）的输出端相连，用于将比例积分调节器（53）的输出电压转化电加热电流加至加热元件（3）上。
7.根据权利要求6所述的带温度控制的硅压阻压力传感器，其特征在于，所述电流驱动电路（54）包括多个三极管，多个三极管之间相互并联。
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