CN203824695U - 抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，包括温度传感器、直流电源以及依次连接的基准电压源、带有温漂补偿的惠斯通电桥电路、信号调理电路、控制电路；所述带有温漂补偿的惠斯通电桥电路包括硅纳米线巨压阻传感阵列电阻、高精密电阻、温敏电阻；所述信号调理电路包括依次连接的前置放大端、第一低通滤波器、中间级放大器、第二低通滤波器；所述控制电路包括LDO线性电源、依次相连的模数转换器、数字隔离器、单片机、LCD液晶屏，所述LDO线性电源为单片机供电；所述温度传感器与控制电路中的单片机相连。本实用新型可以显著减小了热漂移和噪声对检测结果的影响，达到高精度稳定测量的效果。

Description

抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置

技术领域

本实用新型涉及一种抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置。

背景技术

硅纳米线巨压阻压力传感器比常规的压阻压力传感器的压阻系数高出一个数量级以上，因此在相同的掺杂浓度下，巨压阻传感器的灵敏度也高出一个数量级以上。由于具有超高的灵敏度和响应速度，基于巨压阻原理的传感器在航空航天、生化反恐、医疗以及超微量检测等方面有着重要的应用前景。但是，巨压阻传感器的灵敏度受周围环境温度的影响也更加严重。

众所周知，热灵敏度温度漂移是决定半导体压阻传感器的一个关键指标。鉴于硅纳米线巨压阻传感器的温度漂移比传统压阻传感器更加显著，这必然会对该类传感器的灵敏度和稳定性带来很大影响，降低了测量的精度，严重制约着这类超高灵敏度传感器的应用。因此需要对巨压阻传感器灵敏度的热漂移进行补偿。另一方面，微弱信号的检测与处理是微纳传感器系统组成的要素。由于传感器输出信号相对微小，任何放大电路在此情况下都存在背景噪声，导致信噪比较低。检测有用信号的困难主要在于信号里夹杂着噪声，所以将有用信号从背景噪声下检测出来的关键是设法抑制噪声。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，将基准电压源、温度补偿电桥电路、信号放大滤波电路有机结合，以补偿压敏巨压阻电阻因温度变化产生的阻值和灵敏度变化，可得到较为精准的信号，显著减小了热漂移和噪声对检测结果的影响，可以达到高精度稳定测量的效果。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本实用新型提供抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，包括温度传感器、直流电源以及依次连接的基准电压源、带有温漂补偿的惠斯通电桥电路、信号调理电路、控制电路；

所述直流电源为信号调理电路、控制电路供电；

所述带有温漂补偿的惠斯通电桥电路包括硅纳米线巨压阻传感阵列电阻、高精密电阻、温敏电阻，所述硅纳米线巨压阻传感阵列电阻、高精密电阻构成惠斯通电桥电路，所述温敏电阻用以对惠斯通电桥电路进行温度补偿；

所述信号调理电路包括依次连接的前置放大端、第一低通滤波器、中间级放大器、第二低通滤波器；

所述控制电路包括LDO线性电源、依次相连的模数转换器、数字隔离器、单片机、LCD液晶屏，所述LDO线性电源为单片机供电；

所述温度传感器与控制电路中的单片机相连。

作为实用新型的进一步优化方案，所述基准电压源包括基准电压源芯片REF195、运算放大器OPA177。 

作为实用新型的进一步优化方案，所述硅纳米线巨压阻传感阵列电阻是经热电老化过的，是基于硅微机械加工技术和化学表面修饰工艺在SOI晶圆的顶层单晶硅上制备而成的。

作为实用新型的进一步优化方案，所述前置放大端和中间级放大器均由ADA4528-1芯片构成。

作为实用新型的进一步优化方案，所述模数转换器采用24位AD7190芯片。

作为实用新型的进一步优化方案，所述数字隔离器采用型号为ADuM5401的集成DC/DC隔离电源的磁耦式数字隔离器，内置稳压电源隔离器、信号隔离器模块。

作为实用新型的进一步优化方案，所述单片机采用STM32F103ZET6微处理器芯片。

作为实用新型的进一步优化方案，所述直流电源提供+12V电压。

作为实用新型的进一步优化方案，所述温度传感器采用型号为DS18B20的数字式温度传感器。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本实用新型采用精密的基准电压源和特殊传输供电方式，满足了电桥电路的高精度稳定供电要求；

（2）本实用新型采用硅纳米巨压阻压力传感器上的阵列电阻和高精密电阻相结合构成惠斯通电桥电路，通过零点的串并联补偿法和热敏电阻补偿法抑制零位热漂移和灵敏度热漂移，消除了温度对检测结果的影响；

（3）本实用新型采用放大与滤波去噪模块信号调理和控制模块，有利于放大信号并且抑制噪声、提取有用信号，比传统的传感器的压力测量系统具有更高的精确性和稳定性；

（4）本实用新型还可以拓展到更广泛的测量领域，并且该装置的高精度性和稳定性使其具有更高的商业价值。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是基准电压源的电路图。

图3是带有温漂补偿的惠斯通电桥电路图。

图4是信号调理电路图。

图5是控制电路的电路图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，本实用新型中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本实用新型的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

本技术领域技术人员可以理解的是，本实用新型中提到的相关模块是用于执行本申请中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型设计一种抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，如图1所示，包括温度传感器、直流电源以及依次连接的基准电压源、带有温漂补偿的惠斯通电桥电路、信号调理电路、控制电路；所述直流电源为信号调理电路、控制电路供电；所述带有温漂补偿的惠斯通电桥电路包括硅纳米线巨压阻传感阵列电阻、高精密电阻、温敏电阻，所述硅纳米线巨压阻传感阵列电阻、高精密电阻构成惠斯通电桥电路；所述信号调理电路包括依次连接的前置放大端、第一低通滤波器、中间级放大器、第二低通滤波器；所述控制电路包括LDO线性电源、依次相连的模数转换器、数字隔离器、单片机、LCD液晶屏，所述LDO线性电源为单片机供电；所述温度传感器与控制电路中的单片机相连。

由于激励电源的稳定性是影响测量精度的重要因素，而普通电源输出的电压不够稳定，并且压阻式传感器输出电压与电源电压成正比，因此，在本实用新型的一实施例中，所述基准电压源由芯片REF195和运算放大器OPA177构成，如图2所示。其中，芯片REF195的输出电压为5V，具有低压差、微功耗等特点，能够给惠斯通电桥电路提供高精度的供电。又由于常用的双绞线都有一定的阻值，特别是在导线较长或导线上有较大电流时，将在导线上的产生明显的压降，影响对惠斯通电桥电路的供电。本实施例中，为了减小这种误差，根据运算放大器的虚短原理，将放大器反向输入端电压等于正向输入端电压。如此，由于放大器的输入电阻很大，输出端电流约为零，因此传输线电阻R_S1、R_S4的压降为零，可以消除传输线电阻带来的误差。

压阻式传感器受到温度影响后，会产生零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。而传感器灵敏度的温漂是由于压阻系数随温度变化而引起的，当温度升高时，压阻系数变小，传感器的灵敏度要降低，反之灵敏度升高。当零位失调调零后，一旦温度发生变化，输出则再出现零位失调。本实用新型一实施例中，零位温漂用串、并联电阻的方法进行补偿，如图3所示。其中，R1~ R4有正温度系数，选择Rs和Rp的温度系数近似为零，当温度升高时，R4+Rs增加较慢；R2和Rp并联后，随着温度增加，电阻增量也很小。因此，根据压阻式传感器的温度特性，选择配置适当的Rs和Rp的电阻阻值，就可以使温度变化时，基本不发生零点偏移。另一方面，热敏电阻R_T具有负的温度系数，Ro是为了改善热敏电阻的线性而并联的温度系数很小的电阻。当恒压源供电时，随着温度的升高，热敏电阻R_T的阻值减小，使加在电桥上的电压增大，提高了电桥的输出电压。这就补偿了由于温度升高，电桥的灵敏度下降造成的输出电压降低。需要注意的是，这种方法仅适用于恒压源供电。同时要求热敏电阻R_T与桥路电阻必须处于相同的温度之下，否则就无法补偿。

本实用新型中信号调理电路包含依次连接的前置放大端、第一低通滤波器、中间级放大器、第二低通滤波器，用以对硅纳米线巨压阻传感器输出的电信号进行放大、滤波、去噪等调理。在本实用新型一实施例中，如图4所示，前置放大端是由ADA4528-1及R6、R7、R8、R9组成，能有效的抑制共模干扰引入的误差，提高信噪比和系统的精度，具有较高的增益及较宽的增益调节范围；并且，前置放大端是典型的差分放大电路，有四个精密电阻匹配得到想要的放大倍数；同时出于对共模抑制的考虑，建议使用0.01%精度的精密电阻。本实施例中，R11和C5、R12和C6组成第一低通滤波器，用以去除高频噪声、降低总噪声电压、检测有用信号。R13、R14与ADA4528-1构成中间级同相比例运算放大器。此外，由OPA177、电阻R15和R16、电容C8和C9构成第二低通滤波器，它是一个有源滤波器，其中OPA177构成电压跟随器，它具有阻抗匹配和隔离功能。

如图1、图5所示，在本实施例中，信号控制电路中AD转换器的输入端连接信号调理电路，AD转换器的输出端经数字隔离器与单片机连接，单片机连接LCD液晶屏，LDO线性电源的输入端连接直流电源，LDO线性电源的输出端连接单片机，LDO线性电源的输出端还经稳压电源隔离器与AD转换器的输出端连接，温度传感器与单片机连接。其中，温度传感器采用型号为DS18B20的数字式温度传感器；AD转换器采用超低噪声24位AD7190芯片；数字隔离器采用内置稳压电源隔离器、信号隔离器模块的型号为ADuM5401的集成DC/DC隔离电源的磁耦式数字隔离器，这既节省成本，也节约了PCB板的空间；单片机采用低功耗的STM32F103ZET6微处理器芯片。AD7190将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号，并传送给STM32F103ZET6，STM32F103ZET6将接收到的数字信号传送给LCD液晶屏进行显示。STM32F103ZET6对DS18B20采集的温度数据进行处理，利用温度补偿算法将温度对测量数据的影响进行补偿，抑制灵敏度温度漂移。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，其特征在于：包括温度传感器、直流电源以及依次连接的基准电压源、带有温漂补偿的惠斯通电桥电路、信号调理电路、控制电路；

所述直流电源为信号调理电路、控制电路供电；

所述带有温漂补偿的惠斯通电桥电路包括硅纳米线巨压阻传感阵列电阻、高精密电阻、温敏电阻，所述硅纳米线巨压阻传感阵列电阻、高精密电阻构成惠斯通电桥电路，所述温敏电阻用以对惠斯通电桥电路进行温度补偿；

所述信号调理电路包括依次连接的前置放大端、第一低通滤波器、中间级放大器、第二低通滤波器；

所述控制电路包括LDO线性电源、依次相连的模数转换器、数字隔离器、单片机、LCD液晶屏，所述LDO线性电源为单片机供电；

所述温度传感器与控制电路中的单片机相连。

2.根据权利要求1所述的抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，其特征在于，所述基准电压源包括基准电压源芯片REF195、运算放大器OPA177。

3.根据权利要求1所述的抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，其特征在于，所述硅纳米线巨压阻传感阵列电阻是经热电老化过的，是基于硅微机械加工技术和化学表面修饰工艺在SOI晶圆的顶层单晶硅上制备而成的。

4.根据权利要求1所述的抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，其特征在于，所述前置放大端和中间级放大器均由ADA4528-1芯片构成。

5.根据权利要求1所述的抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，其特征在于，所述模数转换器采用24位AD7190芯片。

6.根据权利要求1所述的抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，其特征在于，所述数字隔离器采用型号为ADuM5401的集成DC/DC隔离电源的磁耦式数字隔离器，内置稳压电源隔离器、信号隔离器模块。

7.根据权利要求1所述的抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，其特征在于，所述单片机采用STM32F103ZET6微处理器芯片。

8.根据权利要求1所述的抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，其特征在于，所述直流电源提供+12V电压。

9.根据权利要求1所述的抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置，其特征在于，所述温度传感器采用型号为DS18B20的数字式温度传感器。