補償系統(tǒng)在壓力傳感器中的應用

方建雷++孫鳳玲++宋成君++張鵬++耿振亞

摘 要：為提高硅壓阻式傳感器在寬溫區(qū)上的精度，利用傳感器高精度集成芯片實現(xiàn)智能數(shù)字化補償，將傳感器及其外圍器件抽象為數(shù)學多項式，通過多項式擬合來消除誤差。全文介紹了該系統(tǒng)的硬件組成、通信協(xié)議和軟件設計。實驗結果表明，該系統(tǒng)數(shù)據傳輸穩(wěn)定，生產效率高，可滿足硅壓阻式傳感器小批量智能補償。

關鍵詞：壓阻式傳感器 高精度集成芯片 智能補償

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0065-03

當今的現(xiàn)代化產業(yè)中，壓力傳感器扮演了很重要的角色。由于MEMS壓力傳感器具有高性能、低成本和小尺寸等優(yōu)點，被廣泛地應用于汽車電子、工業(yè)控制、消費電子、航天航空和醫(yī)療等領域。

MEMS壓力傳感器是微系統(tǒng)世界里第一個出現(xiàn)的MEMS器件，該項技術已相當成熟，且市場空間很大。預計到2018年的市場規(guī)模可達到30億美金。MEMS壓力傳感器在消費電子領域，尤其是智能手機和平板電腦，將跟隨加速度計和陀螺儀的步伐，出現(xiàn)一輪新的爆發(fā)增長。以半導體單晶硅為主體材料形成彈性層，也作為力-電的轉換元件，在其上也可以利用集成信號處理電路。彈性元件是用微機械加工的辦法將單晶硅刻蝕成一個周邊固支的圓形、矩形或雙島結構等的彈性膜片，在膜片上制作與流體壓強成正比變化的應變電阻器作為將壓力信號轉換成電信號的轉換元件，再經電路放大、調理，輸出所需要的信號或在儀表上進行顯示。但是由于半導體的溫度特性，促使壓力傳感器隨環(huán)境溫度的變化，其輸出信號發(fā)生漂移從而帶來較大誤差，針對傳感器輸出的溫度漂移，采用數(shù)字處理芯片進行有針對性的處理，如果能得到良好的信號優(yōu)化，則可以成為一種高精度、高靈敏度、高穩(wěn)定的傳感器。因此，高穩(wěn)定性、高精度的數(shù)字補償系統(tǒng)決定了它在傳感器信號處理上的技術發(fā)展空間。

1 壓阻式壓力傳感器原理

傳感器敏感芯片上的4個電阻條組成了閉合惠斯通電橋。由4個應變電阻組成的電平行四邊形中，對一組對角點上施加輸入電壓VB時，在另一組對角點上有輸出電壓VO產生，其數(shù)值由下式給出：

式中，為電源電壓；為電橋輸出電壓。

單晶硅壓力傳感器一般是在硅膜片上制作4個應變電阻，其等效電路如圖1所示，圖中R1、R2、R3、R4為4個單晶硅擴散電阻條，組成惠斯頓電橋，在單晶硅膜片上，應力區(qū)可分為正應力區(qū)和負應力區(qū)，在設計時，將橋臂電阻（R1、R3）設計在正應力區(qū)，而另一對橋臂電阻（R2、R4）設計在負應力區(qū)。當壓力作用在膜片上時，應變電阻的變化與壓力成正比。

2 熱靈敏度漂移產生原因

產生熱靈敏度漂移的原因是多方面的，壓力靈敏度與壓阻系數(shù)成比例關系，壓阻系數(shù)是溫度的函數(shù)，因此，壓阻系數(shù)隨溫度變化是產生熱靈敏度漂移的一個原因。實際生產中當力敏電阻條的摻雜濃度不合適時，也會造成較大的熱靈敏度漂移。

傳統(tǒng)補償方式采用恒流源供電代替恒壓源供電，并且在電橋的輸入正負端并入一電阻，也可以做到熱靈敏度的補償。（見圖2）

3 數(shù)字智能補償系統(tǒng)

3.1 高穩(wěn)定性、高精度數(shù)字補償原理

傳感器的數(shù)字式補償原理就是先將傳感器的模擬輸出信號轉換為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號交給微處理器，微處理器運用補償算法對數(shù)字量進行修正，即可減小測量信號的誤差。該文所述的ASIC補償芯片在0.18 μm集成電路工藝基礎上進行設計，通過傳感器->信號診斷電路->極限反轉開關->運放->ADC模數(shù)轉換模塊->DSP數(shù)據處理模塊->數(shù)字串口輸出/DAC數(shù)模轉換輸出，最終實現(xiàn)溫度及非線性補償（見圖3）。

3.2 ASIC補償芯片參數(shù)

（1）工作電壓范圍：1.8～5.5V；（2）工作溫度范圍：-40 ℃～125 ℃；（3）支持休眠工作模式，大幅減輕MCU負擔；（4）支持傳感器診斷及模擬輸出鉗位功能；（5）支持片內差分信號極性反轉；（6）片上集成1X～128X可編程，低噪聲放大器；（7）片內集成24位ADC和12位DAC；（8）數(shù)字輸出支持I2C/SPI串行通信接口；（9）校準精度：0.05%FSO（可同時支持二階溫度系數(shù)、三階非線性校準）；（10）高精度內部溫度傳感器（絕對精度<0.5 ℃，分辨率<0.01 ℃）；（11）支持多種外部溫度傳感器（二極管，二端、三端熱敏電阻等）；（12）支持單線編程（復用模擬輸出引腳）。

3.3 ASIC數(shù)字補償軟件管理框圖

ASIC數(shù)字補償軟件管理框圖如圖4所示。

4 高精度補償調試與驗證

進行標定時最多取3個溫度點即可，一般為低溫，常溫和高溫。若傳感器只工作在高溫或低溫區(qū)，取兩個溫度點即可。恒溫箱的溫度最多1h即可穩(wěn)定，假如在全溫區(qū)上進行補償也只要3h左右即可完成多路傳感器的補償，補償時只需要一臺電腦，一個人操作即可，若要進行更多路的補償可以再增加一臺電腦，相對于傳統(tǒng)的模擬電子元件補償方法提高生產效率。該應用該系統(tǒng)一次實現(xiàn)對50片硅壓阻式傳感器在-40 ℃～85 ℃溫區(qū)上進行補償，最大綜合誤差為0.25%；在- 40 ℃～125 ℃溫區(qū)上補償，最大綜合誤差為0.35%。

表1、表2所示為所選取的50片其中一片補償前后的測試結果，傳感器量程為120 kPa，芯片工作參考電壓為3.6 V，選取的補償溫度點為-25 ℃、25 ℃、85 ℃，補償壓力點為：30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa。

5 結語

該補償系統(tǒng)已經應用到某型號硅壓阻式壓力傳感器的生產中，可實現(xiàn)對多個傳感器進行一次性補償校準。經過軟硬件現(xiàn)場調試，其數(shù)據通訊穩(wěn)定可靠，由于協(xié)議中加入多重校驗和超時糾錯處理，通信穩(wěn)定。通訊幀和通訊協(xié)議簡化了點對多通信程序的開發(fā)，不僅局限于該系統(tǒng)，稍加改變即可廣泛應用于集散式檢測系統(tǒng)、點對多數(shù)據采集系統(tǒng)中。系統(tǒng)運用MUX對各路信號采集進行切換，在保證運行效率的前提下每塊單片機可以負責多路傳感器的補償。

參考文獻

[1] 王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設計大全[M].2版.北京航空航天大學出版社，2000.

[2] 陸玲，周航慈.嵌入式系統(tǒng)軟件設計中的數(shù)據結構[M].北京航空航天大學出版社，2008.

[3] 謝少偉，劉志來.基于MPX系列壓力傳感器的智能水位實時檢測系統(tǒng)[J].紹興文理學院學報，2007，27（10）：58-62.

[4] 孫鳳玲，于海超，王金文，等.硅壓阻式壓力傳感器溫度補償與算法研究，微納電子技術[C]//全國敏感元件與傳感器學術會議.2007：48-50.

[5] 唐露新，陽仲伯，陳輝，等.基于非線性誤差修正的智能水質檢測儀的研制[J].計算機測量與控制，2011，19（1）：224-226.

[6] 何宸，李明富，李莉，等.基于ZMD31050的一體化應變式傳感器設計方法[J].兵工自動化，2014（5）：88-90.