【文章內(nèi)容簡介】 139。 239。 P Q I O 2 1 339。 圖 單晶硅任意方向的壓阻系數(shù)計算圖 1， 2， 3為單晶硅立方晶體的主軸方向；在任 意方向形成壓敏電阻條 R,P為壓敏電阻條 R 的主方向，又稱縱方向 。Q為壓敏電阻條 R的副方向，又稱橫向。方向 1 是由電阻條的實際長度方向決定的，記為 139。方向； Q 方向是由電阻條的實際受力方向決定的，記為 239。方向。 定義 ?a ， ?n 分別為縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)，且有 ?a =?11 — 2（ ??? 441211 ?? ）（ lnnmml 212121212121 ?? ） ?n =?12 +（ ??? 441211 ?? ）（ nnmmll 2 2212 2212 221 ?? ） 式中 ?11 —— 單晶體的縱向壓阻系數(shù)； ?12 —— 單晶硅橫向壓阻系數(shù)； ?44 —— 單晶硅的剪切壓阻系數(shù)； l1 ， nm 11, —— P 方向在標(biāo)準(zhǔn)的立方晶格坐標(biāo)系中的方向余弦； nml 222 , —— Q 方向在標(biāo)準(zhǔn)立方晶格坐標(biāo)系中的方向余弦。 利用式（ ）就可以計算任意方向的電阻條的壓阻效應(yīng)。 內(nèi)蒙古大學(xué)本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 9 壓阻式壓力傳感器的內(nèi)部構(gòu)造及工作原理 硅壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如下： 圖 壓阻式 壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 壓阻式壓力傳感器 利用具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體材料作為敏感元件，用 ISO 技術(shù)將半導(dǎo)體材料的敏感芯片封裝在不銹鋼波紋膜片的殼體中，在不銹鋼波紋膜片和芯片之間充有硅油。芯片引線穿過殼體引出并采用密封措施，防止硅油向外泄露或外面的壓力介質(zhì)滲入其中，這樣芯片、硅油、殼體和引線組成壓力傳感器。當(dāng)傳感器處在壓力介質(zhì)中時，介質(zhì)壓力作用于波紋膜片上使使其中的硅油受壓，硅油將膜片的壓力傳遞給半導(dǎo)體芯片。芯片受壓后使其電阻值發(fā)生變化，電阻信號通過引線引出。不銹鋼波紋膜片殼體受到壓力并保護(hù)芯片，因而壓阻式壓力傳感 器能在有腐蝕性介質(zhì)中感應(yīng)壓力信號 。 壓阻式壓力傳感器一般通過引線接入惠斯 頓 電橋中 ，如圖 223 所示 。平時敏感芯片沒有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位） 。 當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡。若給電橋加一個恒定電流或者電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對應(yīng)的電信號，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換為壓力信號輸出。 圖 壓力傳感器內(nèi)部惠斯頓電橋電路 內(nèi)蒙古大學(xué)本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 10 壓阻式壓力傳感器的熱零點漂移問題的研究 傳感器零點產(chǎn)生漂移的原因很多。對壓力傳感器來說，橋路中元件參數(shù)本身就不對稱；彈性元件和電 阻應(yīng)變計的敏感柵材料溫度系數(shù)，線脹系數(shù)不同，組橋引線長度不一致等綜合因素，最后導(dǎo)致傳感器組成電橋后相鄰臂總體溫度系數(shù)有一定差異，當(dāng)溫度變化時，相鄰臂電阻變化量不同，從而使電橋產(chǎn)生輸出不平衡，即產(chǎn)生了零點漂移 。下面對壓力傳感器的零點漂移進(jìn)行具體分析。 壓阻式壓力傳感器零點漂移的表示 零點溫度漂移是衡量壓力傳感器質(zhì)量的一個重要性能指標(biāo)，一般零點溫度漂移系數(shù)用 K0來表示： CFSTUTUTT TUTUK N ???? ?? /%1 00)]()()[( )()( 0000 0000 （ ） 上式中， )( 0TUN 為參考溫度下滿量程時的輸出電壓； )(0TU 和 )( 00TU 分別為溫度 T 和參考溫度 T0時的零點輸出電壓。由于熱敏電阻制造工藝的不一致性， 因此 溫度零點漂移系數(shù) K0不是一個定值，它在不同的溫度區(qū)間有不同的值。通常也可以規(guī)定為某個溫度范圍內(nèi)零點輸出占滿量程輸出的比例（177。百分?jǐn)?shù)）或最大溫度零點系數(shù)（即零點輸出溫度變化的最大斜率），一般該系數(shù)取值不能超過傳感器精度值。 如圖 231 所示為一定電激勵條件下壓力傳感 器典型的輸出電壓與壓力之間的關(guān)系。溫度為 0℃時的曲線斜率大， 25℃曲線的斜率其次，溫度為 50℃時曲線的斜率最小。當(dāng)壓力 P=0 時的輸出電壓 U0便是零點輸出電壓。三條曲線的零點輸出電壓的差別就是零點溫度漂移造成的。由圖可見， U0有一個變化范圍。但由于橋臂電阻制作的不一致性，U0（ 50℃）值不一定大于 U0（ 0℃）值。 圖 壓力傳感器的典型輸出與輸入之間的關(guān)系 內(nèi)蒙古大學(xué)本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 11 零點熱漂移產(chǎn)生原因的半導(dǎo)體理論分析 半導(dǎo)體材料本身具有對溫度敏感的特性 ,在不加壓的情況下 ,當(dāng)溫度發(fā)生變化時 ,電阻阻值會產(chǎn)生變化 。 而對于壓阻型壓力傳感器來說 ,產(chǎn)生零點輸出的原因還有不僅有材料特性方面的原因 ,還有加工工藝方面的原因 。 制造半導(dǎo)體壓力傳感器的基本原理是利用硅晶體的壓阻效應(yīng) 。 生產(chǎn)中一般采用集成電路的平面工藝 ,用雜質(zhì)擴(kuò)散或離子注入的方法形成電阻器 。但是，實際 生產(chǎn)操作中 ,力敏電阻條的設(shè)計尺寸和實際光刻尺寸不可能絕對一致 ,而摻雜濃度也無法做到完全相同 ,這都會導(dǎo)致電阻條的阻值及電阻溫度系數(shù)產(chǎn)生 %一 %的差異 ,導(dǎo)致了零點輸出的差異 ,單純在某一參考溫度下的零點輸出是很容易消除的 ,但是一旦溫度產(chǎn)生變化 ,又會出現(xiàn)新的零點輸 出 ,從而使不加壓時不同溫度下電橋輸出不能完全一致 ,導(dǎo)致了零點溫度漂移的產(chǎn)生 (擴(kuò)散雜質(zhì)濃度的均勻性 、 制版時電阻尺寸精度一致性以及光刻的對準(zhǔn)精度 、電阻設(shè)計尺寸一致性決定了擴(kuò)散電阻值的一致性 。而擴(kuò)散電阻溫度系數(shù)主要取決于摻雜濃度的均勻性 )。 另外 ,封裝引入的應(yīng)力的壓阻效應(yīng)也要對零點輸出產(chǎn)生影響 。 只有當(dāng)電阻的摻雜濃度和阻值一致時 ,才能使電橋的零點輸出電壓小 ,零點熱漂移也小 。 這對提高傳感器的性能十分有利 。 但是擴(kuò)散時摻雜分布不易做到均勻 ,因此要求力敏電阻條越接近越好 ,越短越好 。 零點熱漂移產(chǎn)生原因的電路分析 理想的情況下，組成惠斯通電橋的四個擴(kuò)散電阻的阻值應(yīng)該是相等的，因而在電橋處于平衡狀態(tài)時，電橋的輸出電壓應(yīng)該零。但在制作壓阻式傳感器的過程中，由于被連接成惠斯通電橋的四個擴(kuò)散電阻的阻值不可能制作得完全相等，所以當(dāng)壓力為零時，電橋的輸出不為零，這種零點輸出漂移將隨溫度的變化而發(fā)生漂移，即產(chǎn)生零點溫度漂移。零點溫度漂移的產(chǎn)生是由于擴(kuò)散電阻的阻值隨溫度變化引起的，在一定的溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度的增加而增加，即擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù) R? 為正值。 內(nèi)蒙古大學(xué)本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 12 R1 R4 V VB R2 R3 圖 力敏電阻電橋 壓阻型壓力傳感器中四個力敏電阻構(gòu)成惠斯頓電橋。當(dāng)電橋用 VB 激勵時，電 橋的輸出為 UUSVs i gB KSKU ????? 00 )( （ ） KSVU B 00 ? ， 稱為壓力 P =0 時的零點輸出， KSVU Bsig ?? ，稱為有效輸出信號，與壓力 P 成正比。 式中 RRRRS 42310 ?? 為電橋的不平衡量。 RRRRRRS ii /)(2 42310 ??? 為壓力引起的電橋不平衡量 ， kPRR ii ?? / 與壓力 P 成正比 。 ))(( 44332211 RRRRRRRRK ?????????? ? 在考慮熱零點漂移時， P = 0, ?S=0，因此， KSVUB 00 ? () 當(dāng) VB 恒定時，熱零點漂移 K d TdKTdTdKdKTKT US SUKSVSVU BB 00 002020 ?????????? () 其中 R= Roi (1 + i? T)(i=1~4) ))(( 4321 RRRRK ??? 內(nèi)蒙古大學(xué)本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 13 )(21111114321434343212121 ???????? ??????????????RRRRRRRRTKK RR RRRR RRSST42314231423100 111???????? ???? TSS ?? 001項對TU?? 0的影響比 dTdKK1 更為重要 ，當(dāng) R1 、 R2 、 R3 、 R4 相差不大時，可將 dTdKK1 的影響略去，則 ???????????? KRRRRKTKT VVSVU BBB ])()[( 4242313100 ???? ???? （ ） 式中 ])()[( 42423131 ???? RRRR ???? ????? 。 ? 值是 熱零點漂移的決定因素。可見減小壓力傳感器的熱零點漂移的措施是各力敏電阻的電阻值及其溫度系數(shù)的相等性 。 內(nèi)蒙古大學(xué)本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 14 第三章 壓力傳感器熱零點漂移的補償技術(shù) 關(guān)于壓力傳感器的零點漂移補償問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究，并發(fā)表了一系列補 償技術(shù)和算法。從整體上來分，可以分為硬件補償和軟件補償兩大方向。下面分別就這兩個方向的代表性方法做簡單介紹。 硬件零點補償方法 對壓力傳感器而言， 硬件補償 方法有在橋臂上串、并聯(lián)恰當(dāng)恒定電阻法，橋臂熱敏電阻補償法，橋外串、并聯(lián)熱敏電阻補償法，雙電橋補償技術(shù)、三極管補償技術(shù)等。 以單晶硅壓力傳感器的零點溫度漂移通過串并聯(lián)電阻的方法進(jìn)行補償為例。單晶硅壓力傳感器，是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成。壓阻系數(shù)是隨溫度變化而變化，因此壓阻效應(yīng)原理本身可引起傳感器輸出的溫度漂移；另外，半導(dǎo)體敏感元件的制作工藝也會帶來傳 感器的整體溫度漂移，如橋路電阻的不等同性、橋臂電阻的漏電流、裝配應(yīng)力等，即使是在沒有輸入的情況下，即零點溫度漂移。 如圖 所示，在電橋完全對稱時 (即 R1R3=R2R4)輸出應(yīng)為零，在實際工藝條件下電阻總有些誤差，如在電源電壓為 3V 的條件下當(dāng) R1=R2=R3=R， R4=99%R，由VOC=V))(( 4321 3142 RRRR RRRR ?? ?算出， VOC= 的零位輸出。為了保證測量的準(zhǔn)確性，必須要對電橋進(jìn)行零位補償。根據(jù)經(jīng)驗，在有較高精度要求的場合下，用串并聯(lián)電阻的補償方法，一般取α s=α p=0。 圖 惠斯通電橋電路 圖 串并聯(lián)相鄰補償電路 圖 串并聯(lián)相間補償電路 內(nèi)蒙古大學(xué)本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 15 無論是恒壓源還是恒流源供電，零位平衡的條件都是對臂電阻的乘積相等。零位溫漂最小的條件都是在對臂電阻的乘積相等的前提下對臂電阻的電阻溫度系數(shù)之和 相 等。采用一串一并補償?shù)姆▌t ， 可以有 16種形式以上。按照電橋在一定溫度變化范圍內(nèi)保持平衡的兩個條件，可歸結(jié)為兩種基本形式來考慮。 第一種：串并聯(lián)相鄰的形式，如圖 所示。使電橋平衡的條件是： )()||( 4231 RsRRRpRR ??? 44 42331 ???? RsR RRRRpp ????? 聯(lián)立兩式，令3142RRRRN? 有 : 34321 43221321)(2 4)()2( RN NNR p ???? ??????? ???? ??????? 43 432213212 4)()2( RN NNRs ???????? ? ??????? 第二種：串并相間的形式，如圖 所示，使電橋平衡的條件是： 4231 )||)(( RRRpRRsR ??? 42331 11 ???? ????? RpR RpRR R s 聯(lián)立兩式，得：