【文章內(nèi)容簡介】 ─半導(dǎo)體應(yīng)變x? ??片的電阻率相對變化，由晶體發(fā)生形變時其自由電子的活動能力和數(shù)量的變化所引起，其值與半導(dǎo)體的縱向軸所受的應(yīng)力之比為一常數(shù) 或 ，( 為???xE??彈性模量) ， 是由于晶體的幾何尺寸發(fā)生變化引起， ，(12)x??? (12)xR???因?yàn)?比 大近百倍，故 ，這也是半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度高的E?xE?????原因 。[5]根據(jù)半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)具有各向異性的特性，擴(kuò)散在硅膜片上的電阻在應(yīng)力作用的變化可用式(12)表示： (12)liR?????式(12)中， ， ─沿電阻縱向和橫向的應(yīng)力； ， ─縱向和橫向壓阻系數(shù)。l?i l?i由上述對擴(kuò)散硅壓力傳感器基本結(jié)構(gòu)和基本原理的分析可以看出，作為核心部件的彈性敏感元件，是經(jīng)過微機(jī)械加工、熱處理、粘貼擴(kuò)散、激光修正等加工工藝制成精密敏感電阻形成惠斯登電橋，該結(jié)構(gòu)機(jī)械部分的磨損、間隙、松動、部件的內(nèi)摩擦、積塵及輔助電路老化和漂移等原因造成的遲滯現(xiàn)象的出現(xiàn)。167。 影響擴(kuò)散硅壓力傳感器遲滯特性的因素遲滯可由傳感器內(nèi)部元件存在能量的吸收造成，其誤差反映的是傳感器精度的主要指標(biāo)之一。作為傳感器的重要特性參數(shù)之一，遲滯性誤差的改善直接影響傳感器的整體誤差，因此，必須了解影響測量精度的因素。以下簡單介紹影響遲滯特性的其他因素 [6]。原材料任何一種半導(dǎo)體材料，因?yàn)槠鋬?nèi)部的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，受到外力加壓后在微小晶粒之間會產(chǎn)生微應(yīng)變，當(dāng)在外力消失后，微應(yīng)變隨之消失，但是不一定恢復(fù)到原始狀態(tài)，不同的材料則有完全不一樣的遲滯特性。安裝條件在《衡器》雜志上有詳細(xì)的分析說明，如表面狀況、安裝扭力等是最大的影響因素。另一方面是指壓力傳感器在使用現(xiàn)場的安裝條件，如表面狀況、接觸面積、安裝扭力、螺栓強(qiáng)度、承載面硬度等均會影響。這些影響因素有時會被誤認(rèn)為傳感器的遲滯特性惡化。其他的影響因素上面所講述的影響因素直接與傳感器接觸，還有一些其他因素看起來與傳感器本身關(guān)系不大，但卻影響傳感器的精度。比如秤臺強(qiáng)度、基礎(chǔ)堅(jiān)固性、防塵防水等因素?；覊m和水這兩種因素在保養(yǎng)條件比較好的條件下不會產(chǎn)生影響，但是在室外使用時需要特別注意。產(chǎn)生原因主要是由于腐蝕傳感器表面，使接觸點(diǎn)產(chǎn)生變化，特別是含有配件的產(chǎn)品，生銹后會使配件與傳感器“銹死”在一起，而影響精度。而灰塵對傳感器精度的影響，有經(jīng)驗(yàn)的使用者會采用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，如增加密封罩，表面涂適量的黃油等保護(hù)。上述影響傳感器遲滯特性的因素都會影響測量精度，在工藝制造和實(shí)際使用過程中應(yīng)盡量避免，以保證長期使用的穩(wěn)定性能。167。 擴(kuò)散硅壓力傳感器國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r目前，國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體壓力傳感器是擴(kuò)散硅壓阻式傳感器，尤其在它推廣應(yīng)用微機(jī)械加工技術(shù)與平面工藝相結(jié)合的近二十年，擴(kuò)散硅壓力傳感器技術(shù)發(fā)展在壓力測量中最為成熟。由于擴(kuò)散硅壓力傳感器體積小、重量輕、靈敏度高和生產(chǎn)工藝與集成電路工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)，使其在航天航空、國防、能源、汽車、環(huán)保、醫(yī)療和日常生活等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國外擴(kuò)散硅壓力傳感器企業(yè)利用其自身先進(jìn)的微電子技術(shù)的優(yōu)勢，將他們成熟的傳感器產(chǎn)品和技術(shù)帶入國內(nèi)市場，例如 NOVA Sensor 公司，它們將室溫下單位電壓激勵 1000 分鐘之內(nèi)傳感器漂移量在 ~V/V 左右的工藝稱作超高穩(wěn)定性工藝；瑞士 SENSIRION 傳感器公司，采用了世界領(lǐng)先的 CMOSensoR 專利數(shù)字傳感技術(shù)，都有效地提高了傳感器的精度。此外，新型的智能壓力傳感器，可以把敏感元件、信號調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換、微處理器、網(wǎng)絡(luò)接口做在一塊集成電路上，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)傳送給主計(jì)算機(jī)，如美國 Paros 公司、英國 Druck 公司都推出了準(zhǔn)確度不低于 %FS 年穩(wěn)定性為 %FS 的具有雙向通訊和模擬數(shù)字輸出功能的高精度數(shù)字化儀表，盡量避免遲滯的產(chǎn)生。目前針對高分子濕度傳感器遲滯特性的研究已經(jīng)得到重視，在長壽命高分子濕度傳感器、濕敏電容等方面的研究均居國內(nèi)領(lǐng)先水平，其遲滯特性技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。但是，擴(kuò)散硅壓力傳感器的遲滯及蠕變非線性對測量精度的影響現(xiàn)象一直沒有得到徹底解決，加上新型材料有待發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的工藝制造水平和信號調(diào)理技術(shù)尚不能達(dá)到高精度測量的要求，因此通過軟件補(bǔ)償代替硬件補(bǔ)償是解決傳感器遲滯問題的一條重要途徑，這將是未來擴(kuò)散硅壓力傳感器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展亟待解決的難題。167。 課題來源和主要研究內(nèi)容本課題受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目號：60572055)、廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(桂科自： 0640170)和“廣西高校百名中青年學(xué)科帶頭人資助計(jì)劃” [桂教人[2022]77號]資助。擴(kuò)散硅壓力傳感器作為一種性能優(yōu)良的測量壓力的傳感器，以其工藝上較為成熟被廣泛地運(yùn)用于各個領(lǐng)域。但擴(kuò)散硅壓力傳感器本身固有的多值對應(yīng)的遲滯非線性特性，限制了測量的精度。目前常用的一般非線性補(bǔ)償方法主要有硬件補(bǔ)償法和軟件補(bǔ)償法，從純工藝角度上來說，使用硬件補(bǔ)償法來徹底消除遲滯非線性是很困難的。因此，通過軟件補(bǔ)償代替硬件工藝改進(jìn)和信號條理的方法已得到越來越多的專家學(xué)者的關(guān)注。本文主要研究內(nèi)容是擴(kuò)散硅壓力傳感器的遲滯特性，通過引入遲滯算子的概念，建立基于遲滯算子的 TS 模糊正模型和逆模型，再將該逆模型后置與擴(kuò)散硅壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對遲滯特性的非線性補(bǔ)償，并設(shè)計(jì)了基于 ARM 的 Windows CE嵌入式擴(kuò)散硅壓力傳感器補(bǔ)償系統(tǒng)。在本文 Windows CE 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選用成都英創(chuàng)信息技術(shù)有限公司提供的 EM9000 嵌入式模塊作為嵌入式智能擴(kuò)散硅壓力傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺。首先將擴(kuò)散硅壓力傳感器接在數(shù)據(jù)采集模塊 ETA102 上進(jìn)行采樣，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過復(fù)合濾波法進(jìn)行預(yù)處理，再根據(jù)上位機(jī)仿真后得到的模型參數(shù)編寫遲滯的補(bǔ)償程序，然后在 Windows CE 開發(fā)應(yīng)用程序環(huán)境 EVC++下編譯生成可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，最后通過 LCD 顯示屏實(shí)時顯示傳感器實(shí)時采集數(shù)據(jù)的效果及補(bǔ)償后的傳感器輸入輸出關(guān)系曲線。167。 論文結(jié)構(gòu)安排本論文主體部分由六章構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)安排如下：第一章：本章主要介紹了擴(kuò)散硅壓力傳感器基本結(jié)構(gòu)和基本原理，同時對國內(nèi)外擴(kuò)散硅壓力傳感器的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹，并著重闡述了本文研究的主要內(nèi)容和意義。第二章：本章主要介紹了遲滯的定義與描述方法，對目前國內(nèi)外學(xué)者提出的遲滯建模方法進(jìn)行了分類和總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上介紹了擴(kuò)散硅壓力傳感器遲滯特性的補(bǔ)償方案。第三章：本章首先對 TS 模糊模型的原理以及其模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ANFIS 進(jìn)行了介紹，引入遲滯算子和遲滯逆算子的概念，將多值映射轉(zhuǎn)化為單值映射，建立起基于 TS 模糊模型的動態(tài)遲滯模型和逆模型。并與 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了比較，具有較高的精度，在此基礎(chǔ)上采用遲滯逆模型后置于被補(bǔ)償對象的方法實(shí)現(xiàn)對遲滯特性的補(bǔ)償。第四章：本章簡要介紹了嵌入式系統(tǒng)和嵌入式微處理器；闡述了 Windows CE操作系統(tǒng)的特點(diǎn)及體系結(jié)構(gòu)；討論了基于 Windows CE 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程。第五章：本章說明了擴(kuò)散硅壓力傳感器補(bǔ)償?shù)目傮w設(shè)計(jì)思路，編寫了基于Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)下主要模塊程序，即：壓力信號采集模塊、濾波處理模塊、遲滯算法補(bǔ)償模塊和 LCD 實(shí)時顯示模塊。重點(diǎn)闡述了基于 ARM 的嵌入式智能擴(kuò)散硅壓力傳感器補(bǔ)償系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試過程，試驗(yàn)結(jié)果表明補(bǔ)償后的傳感器遲滯精度提高了約四倍，證明了提出的 TS 模型是非常有效的。第六章：總結(jié)本文獲得的成果，并展望下一步的需要完善的工作。第二章 遲滯的定義及數(shù)學(xué)模型介紹遲滯非線性特性廣泛存在于傳感器、壓電陶瓷、鐵磁體、半導(dǎo)體材料及智能材料等領(lǐng)域，是一種特殊的多值對應(yīng)、非常規(guī)、非平滑強(qiáng)非線性對象。在基于“智能材料”的傳感器和執(zhí)行器中，由于“智能材料”本身固有的遲滯特性改變了應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，影響傳感器的測量精度，導(dǎo)致許多不利后果，如控制系統(tǒng)失穩(wěn)、測量產(chǎn)生嚴(yán)重誤差等，因此，近年來對遲滯非線性特性的研究已受到廣泛關(guān)注。167。 遲滯的定義自 19 世紀(jì)末，科學(xué)家們就開始對遲滯非線性現(xiàn)象進(jìn)行研究，遲滯非線性的輸入輸出關(guān)系曲線表現(xiàn)為遲滯環(huán)，如圖 所示，圖中的輸入與輸出在不同的遲滯系統(tǒng)中具有不同的定義，在鐵磁材料中代表磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，而在擴(kuò)散硅壓力傳感器的遲滯特性中則分別代表重量和輸出電流。它的形成是一個復(fù)雜的過程，目前對其微觀解釋還沒有清晰結(jié)論。從微觀的觀點(diǎn)看，Chen 和 Montgomery[7]給出物理解釋為：遲滯環(huán)的產(chǎn)生是由于外部周期電場使磁疇轉(zhuǎn)換的結(jié)果。因?yàn)槊總€磁疇是由許多并行的偶極子組成，按電場方向排列的偶極子有效數(shù)目隨著磁疇的轉(zhuǎn)換而變化。該磁疇的轉(zhuǎn)換并不立刻進(jìn)行，而存在延遲，從而產(chǎn)生了遲滯環(huán)。圖 典型的遲滯系統(tǒng)輸入輸出曲線關(guān)于對遲滯定義的表述，根據(jù)領(lǐng)域的不同，定義也有所不同。在傳感器中，遲滯特性表明傳感器在正向（輸入量增大）行程和反向（輸入量減少）行程期間，輸出輸入特性曲線不重合的程度。在文獻(xiàn) [8]中，從數(shù)學(xué)角度來看，Mayergoyz 為遲滯系統(tǒng)做了一個數(shù)學(xué)的定義，即：假設(shè)利用一個算子 來表述輸入 和輸出 之間w()xt()yt的關(guān)系，如圖 所示。如果輸入和輸出的關(guān)系表現(xiàn)為一個多環(huán)的非線性關(guān)系，而且每個環(huán)傳輸曲線發(fā)生在輸入極值間，則我們把算子 稱為遲滯算子。這個數(shù)學(xué)定義所參考的正是我們所熟悉的控制理論學(xué)科的語言。()ytw()xt圖 遲滯系統(tǒng)Mayergoyz 將所有的遲滯非線性劃分為局部記憶性(local memory)遲滯和非局部記憶性(nonlocal memory)遲滯兩種。對于局部記憶性遲滯，系統(tǒng)當(dāng)前時刻輸出只和前一時刻輸出，當(dāng)前時刻輸入以及輸入的導(dǎo)數(shù)有關(guān)，這種遲滯特性又稱為動態(tài)遲滯特性。而對于非局部記憶的遲滯非線性，系統(tǒng)當(dāng)前時刻的輸出不僅和當(dāng)前時刻輸入有關(guān)，而且還和歷史輸入峰值以及輸入初始值有關(guān)，但是又與輸入信號的變化速率無關(guān)，這種遲滯特性又稱為靜態(tài)遲滯特性。167。 遲滯數(shù)學(xué)模型由于遲滯特性固有的多值對應(yīng)、非常規(guī)、非平滑強(qiáng)非線性特性，使得對其建模存在很多困難。為了對遲滯非線性進(jìn)行有效的控制，必須對遲滯進(jìn)行精確建模。雖然大部分建模工作失敗了，但是人們還是在建模方面取得了一些成果。大體上可以分為兩種不同的建模方式。(1) 第一種模型形式是基于物理學(xué)( physicsbased models)的相關(guān)原理，物理學(xué)模型是建立在物理學(xué)第一定律，并考慮了某些經(jīng)驗(yàn)因素描述遲滯現(xiàn)象 [9]。這類模型有一定的局限性，因?yàn)槿藗儗δ承┻t滯特性的實(shí)際產(chǎn)生原因尚未完全理解，因此大量的工作用于辨識和調(diào)整模型參數(shù)，以便更準(zhǔn)確地描述它。但是對于不同材料，必須單獨(dú)建模。這就意味著，要單獨(dú)地進(jìn)行分析和控制器設(shè)計(jì)，不具備廣泛的適應(yīng)性。(2) 第二種模型形式是基于現(xiàn)象學(xué)(phenomenological models)本身而建立的，基本形式為數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)象學(xué)模型不必深入研究物理本質(zhì)，主要使得模型動態(tài)表現(xiàn)與真實(shí)系統(tǒng)相似?；谶@種模型形式的建模方法主要可以分為三大類：第一類是基于微分方程類的模型，該類模型雖然可以描述遲滯非線性的動態(tài)性能，但是在描述遲滯特性中的次環(huán)時，誤差較大，而且模型的參數(shù)辨識過程過于復(fù)雜，例如：Duhem模型和 JilesAtherton 模型 (JA 模型)等。第二類是基于算子類的模型，該類模型包括著名的 Preisach 模型以及它的一些改進(jìn)形式，但是這類模型不便于在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用。第三類是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型，由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對黑箱對象的建模具有良好的逼近能力，近幾年出現(xiàn)了大量利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對遲滯環(huán)建模的方法。這些建模方法具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)有的這些方法在反映遲滯非線性的動態(tài)性能和模型預(yù)測能力方面仍有待提高。盡管如此，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模方法仍是很有前途的建模思路。167。 基于微分方程的模型167。 Duhem 模型Duhem 最先采用微分方程來對遲滯特性進(jìn)行建模，其描述鐵磁材料中的遲滯特性方法借鑒與遲滯輸出僅與輸入方向變化有關(guān)的思想。Duhem 模型 [10]認(rèn)為僅當(dāng)遲滯輸入改變方向時，其輸出特性才發(fā)生改變?；谶@個思想，適當(dāng)?shù)倪x擇函數(shù) 、1f，其遲滯模型表達(dá)為：2f (21)12(),)(,)(wtfvtfwvt??????其中， ， 。??()max0,vtvt??? ??min0?Coleman 和 Hodgdon[11]深入的研究 Duhem 模型，提出用以下的微分方程來表達(dá)： (22)??()()dvdvfwgttt????其中： 是常數(shù)， 是遲滯輸入， 是遲滯輸出。?v， 的定義為：fg1) 是分段光滑、單調(diào)遞增奇函數(shù)，并且是有限的。()?2) 是分段連續(xù)的偶函數(shù)，并且 。lim()li()vvgf?????3) 對于所有 ， 成立。0v?()fgefd?????????當(dāng)輸入 連續(xù)并且分段單調(diào)，對于初值 ， ，Duhem 模型的輸出可以00()w表達(dá)為： (23)??00()sgnsgnsgn0() ()vv vwfvfeefed???????????????AA A?167。 JilesAtherton(JA)模型許多科學(xué)家在 Duhem 模型的基礎(chǔ)上提出了許多類似模型，其中又以 Jiles 和Atherton 提出的 JA 模型 [12][13]為著名。JA 模型是描述鐵磁材料輸入磁場強(qiáng)度 H(和外加電流有關(guān))與產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 之間關(guān)系的模型。其通過