CN117129114A - 一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器 - Google Patents

一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器，其通过采用了串联电阻模式，使得所需调节的电阻的阻值范围小，易于实现，温度补偿效果更好。其包括由第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4构成的惠斯通电桥，第二压敏电阻R2与第三压敏电阻R3之间设有调零电阻R5、且其两端分别连接地GND；当调零电压大于0时，则将第三压敏电阻R3与调零电阻R5相连的节点与地GND之间的线路切断，使得调零电阻R5与第三压敏电阻R3串联；当调零电压小于0时，则将第二压敏电阻R2与调零电阻R5相连的节点与地GND之间的线路切断，使得调零电阻R5与第二压敏电阻R2串联。

Description

一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器
技术领域
本发明涉及MEMS压力传感器技术领域，具体为一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器。
背景技术
惠斯通电桥是一种检测电路，虽然它的结构简单，但它的准确度和灵敏度都比较高，在科学测量和检测仪器中有广泛的应用。
在MEMS压力传感器中通常会采用惠斯通电桥结构来测量压力值，如图1所示，中国发明专利申请号为202210853844.5公布了一种适用于MEMS压力传感器的带温补电桥平衡结构，其通过并联在第四压敏电阻R4两端的第一调零电阻Ro-，或者并联在第一压敏电阻R1两端的第二调零电阻Ro+的调节实现平衡状态，最终完成零点以及满量程的调节。由于该专利产品先测量零点输出之后才可以根据输出结果添加相应量程的零点补偿电阻如第一调零电阻Ro-或第二调零电阻Ro+然而由于第一压敏电阻Ro-或第二调零电阻Ro+是并联连入电路中，则导致所添加的第一调零电阻Ro-或第二调零电阻Ro+的电阻范围较大，挡位较多，工艺操作复杂。因为根据惠斯通电桥的平衡状态条件为R1/R2=R4/R3，可知，当不处于平衡状态时，需要调节并联在R1以及R4上的并联的电阻大小使其平衡，即，则/>，/>，以第一调零电阻Ro-为例，若R1=R2=R3=5KΩ，当R4=5.001KΩ时，由公式可知R0-=25005KΩ；当R4=5.01KΩ时，由公式可知R0-=2505KΩ。由于R4的变化仅有0.009KΩ，但是需要调节的第一调零电阻R0-变化了22500KΩ。由此可见，其对所需调节的电阻的阻值范围较大，一般仅通过设置一个调零电阻难以满足要求，因而导致电路结构复杂，零点补偿效果差。
同时由于MEMS压力传感器常常会工作在高温或者低温的环境中，导致MEMS压力传感器的输出会随着温度的升高和降低产生温度漂移，而上述发明中是通过使用正温度系数的电阻或者负温度系数的电阻来减小温度漂移，但由于该电阻的温度系数很小，很难对整个电路做到有效的温度补偿。
发明内容
针对现有的温补电桥平衡结构，其需调节的调零电阻的阻值范围较大，导致电路结构复杂，同时温度补充效果较差的问题，本发明提供了一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器，其通过采用了串联电阻模式，使得所需调节的电阻的阻值范围小，易于实现，调节便利，而且采用了有效的温度补偿方法。
其技术方案是这样的：一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器，其包括由第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4构成的惠斯通电桥，所述第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2串联形成第一串联电路，所述第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4串联形成第二串联电路，所述第一串联电路和所述第二串联电路并联且一端连接电源电压VCC、另一端连接地GND，所述第一压敏电阻R1与第二压敏电阻R2之间的节点和第三压敏电阻R3与第四压敏电阻R4之间的节点用来输出电压，
其特征在于：所述第二压敏电阻R2与第三压敏电阻R3之间设有调零电阻R5、且所述调零电阻R5的两端分别连接地GND；
当调零电压大于0时，则将所述第三压敏电阻R3与所述调零电阻R5相连的节点与地GND之间的线路切断，使得所述调零电阻R5与所述第三压敏电阻R3串联，通过激光修调所述调零电阻R5的阻值从而使得所述调零电压为0；当调零电压小于0时，则将所述第二压敏电阻R2与所述调零电阻R5相连的节点与地GND之间的线路切断，使得所述调零电阻R5与所述第二压敏电阻R2串联，通过激光修调所述调零电阻R5的阻值从而使得所述调零电压为0；
所述第一串联电路和第二串联电路的连接节点与所述电源电压VCC之间顺次设有串联连接的满量程补充电阻R6、温度补充电阻，所述温度补偿电阻包括并联连接的电阻R7和热敏电阻R_NTC。
其进一步特征在于：
所述调零电压为,
，其中R1、R2、R3、R4、R6、R7、R_NTC分别为第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4、满量程补充电阻R6、电阻R7和热敏电阻R_NTC的阻值，当调零电压Vout+-Vout-＞0时，即，
若R1=R4，则R2＞R3，此时则将所述调零电阻R5与第三压敏电阻R3相连后与地GND连接的线路切断，使得所述调零电阻R5与第三压敏电阻R3串联，从而使电桥保持平衡，根据R1/R2=R4/(R3+R5)，则可以得出所述调零电阻R5的阻值；
当调零电压Vout+-Vout-＜0时，即，若R1=R4，则R2＜R3，此时则将所述调零电阻R5与第二压敏电阻R2相连后与地GND连接的线路切断，使得所述调零电阻R5与第二压敏电阻R2串联，从而使电桥保持平衡，根据R1/R2=R4/(R3+R5)，则可以得出所述调零电阻R5的阻值。
采用了上述结构后，根据本发明的惠斯通电桥的零点电压是大于0或者小于0，则选择调零电阻R5是串联在第一串联电路上还是第二串联电路上，再通过激光修调调零电阻R5的阻值，从而使得零点电压维持在0，由于调零电阻R5是串联在惠斯通电桥上，则调零电阻R5的阻值变化范围不大，即变化档位小，工艺操作相对简单，更加有利于实现。
附图说明
图1为现有技术的惠斯通电桥结构示意图；
图2是本发明中惠斯通电桥结构示意图；
图3是本发明图2中断开B线结构示意图；
图4是本发明图2中断开A线结构示意图；
图5是本发明中NTC负温度系数热敏电阻R-T特性。
具体实施方式
如图2至图5所示，一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器，包括由第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4构成的惠斯通电桥，其中第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2串联形成第一串联电路，第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4串联形成第二串联电路，第一串联电路和第二串联电路并联且一端连接电源电压VCC、另一端连接地GND，第一压敏电阻R1与第二压敏电阻R2之间的节点和第三压敏电阻R3与第四压敏电阻R4之间的节点用来输出电压，第二压敏电阻R2与第三压敏电阻R3之间设有调零电阻R5、且调零电阻R5的两端分别连接地GND；当调零电压大于0时，则将第三压敏电阻R3与调零电阻R5相连的节点与地GND之间的线路切断，此时调零电阻R5与第三压敏电阻R3串联，通过激光修调调零电阻R5的阻值从而使得调零电压为0；当调零电压小于0时，则将第二压敏电阻R2与调零电阻R5相连的节点与地GND之间的线路切断，此时调零电阻R5与第二压敏电阻R2串联，通过激光修调调零电阻R5的阻值从而使得调零电压为0。
进一步的，第一串联电路和第二串联电路的连接点与电源电压VCC之间顺次设有串联连接的满量程补充电阻R6、温度补充电阻，该温度补偿电阻包括并联连接的电阻R7和热敏电阻R_NTC。根据对满量程的不同要求可以通过调节满量程补偿电阻R6来满足对产品满量程的要求。其原理是通过调节满量程补充电阻R6的阻值来分压，使得输出电压，即Vout+与Vout-之间的电压值能够满足满量程输出值，通过调节满量程补偿电阻R6使得满量程输出在规定的允许范围内，同时由于MEMS压力传感器的压敏系数与温度有关，温度会造成灵敏度漂移。NTC是负温度系数的热敏电阻，具有电阻值-温度特性波动小、对各种温度变化响应快的特点，通过电阻R7与NTC热敏电阻并联可以实现温度补偿。
MEMS压力传感器受温度影响，在没有输出或输出不变化时，其零点数值有漂移，具体的，本发明的零点电压值为Vout+-Vout-的差值，即
，其中R1、R2、R3、R4、R6、R7、R_NTC分别为第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4、满量程补充电阻R6、电阻R7和热敏电阻R_NTC的阻值。
随着温度升高，输出电压（Vout+-Vout-）的电压值会减小，即Vout+、Vout-两端分得的电压会减小，所以我们需要通过在R7上并联一个电阻，使得R7//R-NTC＜R7，即，又因为NTC热敏电阻是以金属氧化物为主要材料的，温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和空穴）数目少，所以其电阻阻值较高；随着温度的升高，载流子的数目增加，所以电阻阻值降低。NTC热敏电阻的温度特性可用下是表达：/>，RT为温度T时零功率电阻值，A与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数，B为材料常数（热敏指数），T为温度（K）。通过NTC负温度系数热敏电阻R-T特性可知，随着温度的升高，NTC负温度系数热敏电阻的阻值在逐步下降，呈现指数图像。因此R7与R_NTC的并联阻值要小于R7本身。能够实现对输出由于温度因素变化导致的补偿功能。
当零点电压值Vout+-Vout-＞0时，也就是
,即R2/(R1+R2)>R3/(R3+R4),又可以变形为1- R1/(R1+R2)>1-R4/(R3+R4)，R1/(R1+R2)<R4/(R3+R4)，因为R1和R4固定下来之后是不会变化的，所以为了能够使得Vout+-Vout-=0，则需要增大R3的阻值，相应的R4/(R3+R4)的值则会变小，从而使得R1/(R1+R2)= R4/(R3+R4)，即Vout+-Vout-=0。因而需要在第三压敏电阻R3下方加电阻，则需要将第三压敏电阻R3与调零电阻R5相连的节点与地GND之间的线路切断，即图2中所示的B线切断，使得第三压敏电阻R3与调零电阻R5串联，通过激光修调调零电阻R5的值从而使零点电压为零，电桥保持平衡。
例如，若R1=R4=R3=5KΩ，R2=5.001KΩ，则为了使得本发明的电桥保持平衡，则需要在第三串联R3下方串联上调零电阻R5，根据R1/R2=R4/(R3+R5)，可知R5=0.001KΩ；
若R1=R4=R3=5KΩ，R2=5.01KΩ，则为了使得电桥保持平衡，则需要在第三压敏电阻R3下方串联上调零电阻R5，根据R1/R2=R4/(R3+R5)，可知R5=0.01KΩ。由此可见，当第二压敏电阻R2变化了0.009KΩ时，调零电阻R5仅变化了0.009KΩ，较现有技术的方案，调零电阻R5的变化范围小，且变化档位少，工艺操作相对简单，更加有利于实现。
反之当零点电压值Vout+-Vout-＜0时，也就是
即R2/(R1+R2)<R3/(R3+R4)，又可以变形为1-R1/(R1+R2)<1-R4/(R3+R4)，R1/(R1+R2)<R4/(R3+R4)，因为R1和R4固定下来之后是不会变化的，所以为了能够使得Vout+-Vout-=0，则需要增大R2的阻值，相应的R1/(R1+R2)的值则会变小，从而使得R1/(R1+R2)=R4/(R3+R4)，即Vout+-Vout-=0。因而需要在第二压敏电阻R2下方加电阻，则需要将第二压敏电阻R2与调零电阻R5相连的节点与地GND之间的线路切断，即图2中所示的A线切断，使得第二压敏电阻R2与调零电阻R5串联，通过激光修调调零电阻R5的值从而使电桥保持平衡。其中调零电阻R5的算法同上。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器，其包括由第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4构成的惠斯通电桥，所述第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2串联形成第一串联电路，所述第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4串联形成第二串联电路，所述第一串联电路和所述第二串联电路并联且一端连接电源电压VCC、另一端连接地GND，所述第一压敏电阻R1与第二压敏电阻R2之间的节点和第三压敏电阻R3与第四压敏电阻R4之间的节点用来输出电压，
其特征在于：所述第二压敏电阻R2与第三压敏电阻R3之间设有调零电阻R5、且所述调零电阻R5的两端分别连接地GND；
当调零电压大于0时，则将所述第三压敏电阻R3与所述调零电阻R5相连的节点与地GND之间的线路切断，使得所述调零电阻R5与所述第三压敏电阻R3串联，通过激光修调所述调零电阻R5的阻值从而使得所述调零电压为0；当调零电压小于0时，则将所述第二压敏电阻R2与所述调零电阻R5相连的节点与地GND之间的线路切断，使得所述调零电阻R5与所述第二压敏电阻R2串联，通过激光修调所述调零电阻R5的阻值从而使得所述调零电压为0；
所述第一串联电路和第二串联电路的连接节点与所述电源电压VCC之间顺次设有串联连接的满量程补充电阻R6、温度补偿电阻，所述温度补偿电阻包括并联连接的电阻R7和热敏电阻R_NTC。
2.根据权利要求1所述的一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器，其特征在于：所述调零电压为 ，
其中R1、R2、R3、R4、R6、R7、R_NTC分别为第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4、满量程补充电阻R6、电阻R7和热敏电阻R_NTC的阻值，当调零电压Vout+-Vout-＞0时，即，
此时则将所述调零电阻R5与第三压敏电阻R3相连后与地GND连接的线路切断，使得所述调零电阻R5与第三压敏电阻R3串联，从而使电桥保持平衡，根据，则得出所述调零电阻R5的阻值。
3.根据权利要求1所述的一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器，其特征在于：当调零电压Vout+-Vout-＜0时，即
，
此时则将所述调零电阻R5与第二压敏电阻R2相连后与地GND连接的线路切断，使得所述调零电阻R5与第二压敏电阻R2串联，从而使电桥保持平衡，根据，则得出所述调零电阻R5的阻值。
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