CN110823446B - 硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法，利用本发明可以解决零点输出电压既要增加又要降低的问题。本发明通过下述技术方案予以实现：利用压阻变化原理，在硅膜片的特定方向上扩散四个等值的半导体电阻连成惠斯登电桥；将惠斯通电桥敏感电阻R1、R2双臂电桥线路连接电源VCC，敏感电阻R3、R4双臂电桥线路接地，并在敏感电阻R1、R3双臂电桥线路和敏感电阻R2、R4双臂电桥线路输出信号正端Vout+与电源接地端之间并联Vout+零点调试电阻和负预调电阻，同时在敏感电阻R2、R4双臂电桥线路输出信号负端Vout‑与电源接地GND端之间并联正预调电阻和Vout‑零点调试电阻，从而组成调试电路。

Description

硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法

技术领域

本发明涉及一种硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法，尤其是使用热敏电阻进行温度补偿的硅压阻式压力传感器的零点输出电压调试。

背景技术

硅桥式压阻压力传感器以其线性好、灵敏度高、体积小、便于集成等诸多优点，是目前使用最广泛的一种压力传感器。由于半导体材料的压阻特性使得半导体材料的灵敏度要比金属材料的灵敏度高出数十倍，这使得半导体材料成为传感器感压敏感元件的理想之选。此外，硅材料还具有良好的弹性强度和机械特性，因此具有较强的抗过压能力和反应灵敏等优点，所以，硅材料作为传感器的敏感元件能够显著提高传感器的灵敏度，并且能够有效减小其他作用力的应用。由于这些优良的特点，硅压阻式压力传感器是目前应用最广泛的传感器，被广泛应用于航空航天、石油化工、动力机械、气象监测、地质、地震测量等各个领域。

由于半导体材料的温度特性，硅压阻式压力传感器的输出信号受内部敏感电阻阻值的影响，可是作为半导体材料的力敏电阻，其阻值不仅与外部压力成线性关系变化，而且要受到温度的影响，因此传感器的输出信号也与温度的变化有关，硅压阻式压力传感器的输出信号会随着温度的改变而受到影响，产生温度漂移。受温度变化影响引起的传感器输出信号的温度漂移现象一直制约着硅压阻式压力传感器的发展。由于扩散硅的压阻系数是温度的函数，传感器存在温度漂移，实际使用时需要对传感器进行温度补偿。

硅压阻传感器的输出因外界环境的变化而产生不必要的变化，称之为温度漂移，这是由半导体材料对温度的敏感特性性决定的。温度漂移主要分为零点漂移和灵敏度漂移。产生零点漂移的原因是多方面的，归根结底是由于构成惠斯通电桥的四个敏感电阻阻值不同，造成的传感器输出不为零。敏感电阻是用半导体扩散工艺制作的，鉴于当今的扩散工艺技术想要制作出完全相同的四个扩散电阻基本是不可能的。首先，可能造成四个敏感电阻的表面杂质浓度不尽相同，而变质杂质浓度会直接影响到敏感电阻的阻值，从而造成电桥的输出不为零。而且，表面杂质浓度的不同可能造成敏感电阻的阻值收温度的影响不同，当浓度过高时，敏感电阻的阻值受温度的影响会比较大，而浓度过低时，虽然能够有效的减小温度变化对敏感电阻阻值的影响，也会使敏感电阻受应力的影响降低，从而影响传感器的灵敏度。其次，构成惠斯通电桥的敏感电阻在工作时不可避免的会产生热量，这些热量会根据扩散浓度的不同而呈现不均匀分布，进而在敏感膜片上产生不均匀分布的热应力，如果这些热应力出现在敏感电阻条所分布的区域，必然引起敏感电阻阻值的变化，使原本阻值相等的敏感电阻变的不同。因此，仅仅通过制作工艺上的改善，很难使构成惠斯通电桥每个桥臂电阻的温度系数完全相同，并不能够达到很好的温度补偿的效果。灵敏度漂移的产生也有很多因素。首先，灵敏度指标是根据传感器的输出电压计算的，而传感器的输出电压是敏感电阻阻值的间接反映，敏感电阻属于半导体材料，半导体材料会根据外界温度变化而产生电阻的变化。当温度较高时，半导体内部载流子会剧烈运动，晶格散射现象变得明显，价带的电子很容易捕获能量而跃迁到倒带，造成半导体内部载流子数量增多，半导体内部载流子数量的增加必然引起该材料的阻值减小，阻值减小力敏电阻收应力的影响也会随之减小，从而导致传感器的灵敏度降低。反之，当外界的温度降低时，半导体材料内部载流子减少，力敏电阻的阻值增加，传感器的灵敏度增大。所以，传感器的灵敏度温度系数是负值。其次，力敏电阻条是由扩散工艺制作的，受扩散工艺的影响敏感电阻条的内部各处的扩散浓度不可能完全相同，所以传感器的敏感电阻条在工作时产生的热量也会呈现不均匀分布，热量的不均匀分布必然引起传感器输出信号的变化，造成传感器灵敏度的改变。此外硅压阻式压力传感器的感压膜片以及衬底等都属于不同的材料。不同材料在温度变化时变现的热膨胀系数也不尽相同，难免在各材料的接触部分产生附加的应力，这些热应力也会对传感器的灵敏度造成影响。同时，感压膜片上敏感电阻的尺寸、位置，也在一定程度上影响着传感器的灵敏度和稳定性。

由于气象测试、地质勘探、航空航天等领域对传感器在大幅温度变化范围内的测量精度以及测试稳定性提出了越来越高的要求，测量设备使用传统的方法往往不能达到所需的准确性和稳定性，在这样的背景下，诸多学者以提高现有传感器的测量精度和稳定性为目的，提出了许多温度补偿方法。其中，热敏电阻补偿方法为在传感器电路的零点调试位置连接电阻箱，在不同的环境温度下，通过调整电阻箱阻值，使得传感器输出电压满足要求。根据高低温调试阻，采用热敏电阻与固定电阻串并联的方式形成电阻网络，达到温度补偿的目的。

为解决传感器在大幅温度变化下的测量精度问题，目前采用的方法可分为内部补偿和外部补偿。内部补偿主要是通过改进半导体制造工艺、设计合理的传感器感压膜片的结构，用这种方式来减小传感器输出信号所受温度的影响。外部补偿有硬件和软件两种方式压阻式压力传感器的硬件补偿方法主要是针对其感压膜片上的压敏电阻、或者由压敏电阻构成的惠斯通电桥进行的温度补偿设计。方法有通过在桥臂上串并联热敏电阻和负温度系数的二极管的方法调整传感器的零点及灵敏度漂移。这种方法是基于传感器的温度漂移是随着温度单调变化的理想情况，忽略了其他因素对传感器温度漂移的影响，因此并不能够达到很好的温度补偿效果。软件补偿的方法主要是针对传感器的输出信号进行调整，调整之前需要对传感器的输出数据进行静态标定，然后对所标定数据通过一定的计算公式进行拟合计算，建立传感器输出信号和标准压力和温度的关系式，由输出信号和关系式反推出此温度下的标准压力。虽然.目前批量生产的压阻式压力传感器已采取了温度补偿措施，但均在常规使用温度范围(10℃～60℃)内进行补偿,而在(-40℃～60℃)全温区内要求达到优良的温度特性,必使补偿方法复杂化,成本也必将增加.且即使传感器作了全温区补偿,但由于电路的本身参数匹配及温度特性的影响,使传感器带电路输出的综合温度性能们较差。

航空用发动机用硅压阻传感器工作温度范围高，外部补偿目前普遍采用热敏电阻补偿方法。现有热敏电阻补偿技术，由于零点调试电阻与输出电压关系呈单调性，零点输出电压调试时只能降低或增加零点输出电压，无法实现既要增加输出电压又要降低输出电压的情况，造成零点输出调试困难，调试合格率低。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种调试合格率高，预调操作简单，能够增强带负载能力的硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法，以解决零点输出电压既要增加又要降低的有效的零点调试方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法，具有如下特征：利用半导体扩散硅的压阻变化原理，在硅膜片的特定方向上扩散四个等值的半导体电阻，并连成惠斯通电桥，以作为力-电变换的敏感元件；将惠斯通电桥敏感电阻R1、R2双臂电桥线路连接电源VCC，敏感电阻R3、R4双臂电桥线路接地GND，并在敏感电阻R1、R3双臂电桥线路和敏感电阻R2、R4双臂电桥线路输出信号正端Vout+与电源接地GND端之间并联Vout+零点调试电阻1和负预调电阻3，同时在敏感电阻R2、R4双臂电桥线路输出信号负端Vout-与电源接地GND端之间并联正预调电阻2和Vout-零点调试电阻4，从而组成对传感器零点输出电压进行二次温度补偿零点预调的调试电路；如传感器零点输出电压，低温需增加，高温需降低，则选取Vout+零点调试电阻1、正预调电阻2进行调试；如情况相反，则选取负预调电阻3、Vout-零点调试电阻4进行调试。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

调试合格率高。本发明利用半导体扩散硅的压阻变化原理，采用预调电阻和零点调试电阻组成对传感器零点输出电压进行二次温度补偿零点预调的调试电路，可实现零点调试合格率100％，解决了既要增加输出电压又要降低输出电压的情况。

预调操作简单。本发明通过常温下采用预调电阻对传感器零点输出电压进行预调，对全温范围内零点输出电压统一增大或减小后，再进行零点输出电压高低温调试，预调操作简单。

调试效率高、成本低。本发明利用预调电阻值公式计算，可快速计算出预调电阻阻值，调试效率高。调试电路仅需使用少量电阻，调试成本低廉；增强带负载能力。本发明采用电阻并联在惠斯通电桥桥臂上，降低硅压阻式压力传感器的输出阻抗，增强带负载能力。

本发明可适用于多种类型的硅压阻式压力传感器的零点输出电压调试；

附图说明

图1是本发明硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点正预调电阻调试电路原理图。

图2是图1负预调电阻零点输出电压调试电路原理图。

图中：1Vout+零点调试电阻，2正预调电阻，3负预调电阻，4Vout-零点调试电阻。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，利用半导体扩散硅的压阻变化原理，在硅膜片的特定方向上扩散四个等值的半导体电阻，并连成惠斯通电桥，以作为力-电变换的敏感元件；将惠斯通电桥敏感电阻R1、R2双臂电桥线路连接电源VCC，敏感电阻R3、R4双臂电桥线路接地GND，并在敏感电阻R1、R3双臂电桥线路和敏感电阻R2、R4双臂电桥线路输出信号正端Vout+与电源接地GND端之间并联Vout+零点调试电阻1和负预调电阻3，同时在敏感电阻R2、R4双臂电桥线路输出信号负端Vout-与电源接地GND端之间并联正预调电阻2和Vout-零点调试电阻4，从而组成对传感器零点输出电压进行二次温度补偿零点预调的调试电路；如传感器零点输出电压，低温需增加，高温需降低，则选取正预调电阻1、Vout+零点调试电阻2进行调试；如情况相反，则选取负预调电阻3、Vout-零点调试电阻4进行调试。

在以下描述的优选实施中，硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试电路，包括：一个与惠斯通电桥输出信号正端Vout+与电源输入负端并联的Vout+零点调试电阻1和负预调电阻3；一个与惠斯通电桥输出信号负端Vout-与电源输入负端并联的零点调试电阻2和Vout-零点调试电阻4；Vout+零点调试电阻1和负预调电阻3是与惠斯通电桥输出信号正端与电源输入负端并联的电阻；正预调电阻2和Vout-零点调试电阻4是惠斯通电桥输出信号负端Vout-与电源负端之间并联的电阻。传感器零点输出电压进行预调的调试电路，在常温状态下采用预调电阻对传感器零点输出电压进行预调，再进零点电压调试。

预调后零点输出电压低温需降低，高温需增加，选取Vout+零点调试电阻1，正预调电阻2；传感器零点输出电压低温需增加，高温需降低，选取负预调电阻3，Vout-零点调试电阻4。

硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试电路，包括由敏感电阻R1、R3桥臂和敏感电阻R2、R4四个电阻组成的电桥电路，四个电阻R1，R2，R3，R4电桥的四边形桥臂，流过R1，R2桥臂的电流为I1，流过R3，R4桥臂的电流为I2，电桥供电电压为VCC，在R1和R2这两个桥臂上，R1，R2将VCC电压分压，R2电阻两端得到的电压即为V1；在R3和R4这个桥臂上，R3，R4将VCC电压分压，R3电阻两端得到的电压即为V2。4个热敏电阻都相等，即R1＝R2＝R3＝R4，电桥处于平衡状态，ΔV＝0。

预调电阻阻值R预根据以下公式计算，其中，R0为初始预调电阻阻值，ΔV为预调零点输出电压的变化量，ΔR为预调电阻的变化量。

本发明的预调电阻选用原则是：如传感器零点输出电压，低温需增加，高温需降低，按图1要求进行零点输出电压调试，选取Vout+零点调试电阻1，正预调电阻2；如情况相反，则按图2要求进行零点输出电压调试，选取负预调电阻3，Vout-零点调试电阻4；

本发明的零点输出电压的调试方法，先常温预调，预调后装配预调电阻，再进行零点输出电压调试。当硅膜片受到外界压力作用时，电桥失去平衡，若对电桥加激励电源(恒压)，便可得到与被测压力成比例的输出电压，从而达到测量压力的目的。

尽管上述已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法，具有如下特征：利用半导体扩散硅的压阻变化原理，在硅膜片的特定方向上扩散四个等值的半导体电阻，并连成惠斯通电桥，以作为力-电变换的敏感元件；将惠斯通电桥敏感电阻R1、R2双臂电桥线路连接电源VCC，敏感电阻R3、R4双臂电桥线路接地GND，先常温预调正预调电阻2和负预调电阻3，并在敏感电阻R1、R3双臂电桥线路输出信号正端Vout+与电源接地GND端之间并联Vout+零点调试电阻1和负预调电阻3，同时在敏感电阻R2、R4双臂电桥线路输出信号负端Vout-与电源接地GND端之间并联正预调电阻2和Vout-零点调试电阻4，从而组成对传感器零点输出电压进行二次温度补偿零点预调的二次温度补偿零点调试电路；传感器零点输出电压，低温需增加，高温则降低，选取Vout+零点调试电阻1、正预调电阻2进行调试；情况相反，则选取负预调电阻3、Vout-零点调试电阻4进行调试；

当硅膜片受到外界压力作用时，对惠斯通电桥增加激励电源；

所述正预调电阻2或负预调电阻3的预调电阻阻值R_预根据以下公式计算，

其中，R₀为初始所述正预调电阻2或负预调电阻3的预调电阻的阻值，ΔV为预调零点输出电压的变化量，ΔR为所述正预调电阻2或负预调电阻3的预调电阻的变化量；

硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试电路，包括敏感电阻R1、R3和敏感电阻R2、R4四个电阻组成的惠斯通电桥，四个敏感电阻R1、R2、R3、R4组成惠斯通电桥的四边形桥臂，流过R1、R2桥臂的电流为I1,流过R3、R4桥臂的电流为12,惠斯通电桥供电电压为VCC,在R1、R2这两个桥臂上，R1、R2将VCC电压分压，R2电阻两段得到的电压即为V1；

在R3和R4这个桥臂上，R3，R4将VCC电压分压，R3电阻两端得到的电压即为V2，V1和V2的电压差

并且如4个敏感电阻都相等，即R1＝R2＝R3＝R4，电桥处于平衡状态，ΔV＝0。

2.如权利要求1所述一种硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法，其特征是，二次温度补偿零点调试电路，包括：一个在敏感电阻R1、R3双臂电桥线路输出信号正端Vout+和电源接地GND端之间并联的Vout+零点调试电阻1和负预调电阻3；一个在敏感电阻R2、R4双臂电桥线路输出信号负端Vout-和电源接地GND端之间并联的正预调电阻2和Vout-零点调试电阻4。

3.如权利要求1所述硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法，其特征是，Vout+零点调试电阻1和负预调电阻3是与敏感电阻R1、R3双臂电桥线路输出信号正端Vout+与电源接地GND端并联的电阻；正预调电阻2和Vout-零点调试电阻4是敏感电阻R2、R4双臂电桥线路输出信号负端Vout-与电源接地GND端之间并联的电阻。

4.如权利要求1所述硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法，其特征是，在所述传感器零点输出电压，低温需增加，高温则降低，选取Vout+零点调试电阻1、正预调电阻2进行调试；情况相反，则选取负预调电阻3、Vout-零点调试电阻4进行调试后，需要将预调电阻装配在二次温度补偿零点调试电路后，再进行零点输出电压的高低温调试，传感器零点输出电压低温需增加，高温需降低，则选取Vout+零点调试电阻1、正预调电阻2进行调试。

5.如权利要求1所述硅压阻式压力传感器二次温度补偿零点调试方法，其特征是，二次温度补偿零点调试电路在常温状态下采用正预调电阻2或负预调电阻3对传感器零点输出电压进行预调，再进行零点输出电压的高低温调试，传感器零点输出电压低温需降低，高温需增加，则选取负预调电阻3、Vout-零点调试电阻4进行调试。

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