【文章內(nèi)容簡介】 感應(yīng)壓力信號。電阻式壓力傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中。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） ，當傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋?qū)⑹テ胶?。若給電橋加一個恒定電流或電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對應(yīng)的電壓信號，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號輸出?，F(xiàn)在大部分壓力傳感器用制造集成電路的方法，形成四個電阻值相等的電阻條，并將它們連接刻制成惠斯登電橋。惠斯登電橋采用恒流供電，這樣電橋的輸出不受溫度的影響，惠斯登電橋檢測出電阻值的變化，經(jīng)過差分歸一化放大器，輸出放大器放大后，再經(jīng)過電壓電流的轉(zhuǎn)換，變換成相應(yīng)的電流信號，該電流信號通過非線性校正環(huán)路的補償，即產(chǎn)生了與輸入電壓成線性對應(yīng)關(guān)系的4～20mA 的標準輸出信號。為減小溫度變化對芯片電阻值的影響，提高測量精度，壓力傳感器都采用溫度補償措施，使其零點漂移、靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等技術(shù)指標保持較高水平。圖 工作原理圖3 擴散硅壓力傳感器的溫度補償原理 對擴散硅壓力傳感器進行溫度補償?shù)囊饬x在對壓阻式壓力傳感器的研究方向中，包括開發(fā)耐高溫，及用于微機械加工的壓力傳感器，還有一個重要的研究方向是溫度漂移的補償，在實際應(yīng)用當中，壓阻式壓力傳感器的確面臨著溫度補償問題。壓阻式壓力傳感器會受到溫度的影響，導致零點漂移和靈敏度漂移，它來源于半導體物理性質(zhì)對溫度的敏感性。零位漂移是因為擴散電阻阻值隨溫度改變而發(fā)生變化。擴散電阻的溫度系數(shù)因薄層電阻不同而異。表面雜質(zhì)濃度高時，薄層電阻小，溫度系數(shù)亦小，反之，薄層電阻增加，溫度系數(shù)增大。由于工藝上的原因，難于使四個橋臂電阻溫度系數(shù)完全相同，因此，不可避免的要產(chǎn)生零位漂移。所以，適當提高表面雜質(zhì)濃度，可以減小溫度系數(shù)，進而減小零位漂移。但是，過高的雜質(zhì)濃度會降低傳感器的靈敏度。壓阻式壓力傳感器的靈敏度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度改變而引起的。當溫度升高時，壓阻系數(shù)減小，反之則增大。所以，當溫度升高時，傳感器靈敏度降低。如果提高擴散電阻的表面雜質(zhì)濃度，壓阻系數(shù)隨溫度變化要小一些，但傳感器的靈敏度同樣會降低。因此，對壓阻式壓力傳感器進行溫度補償在實際應(yīng)用當中顯得相當重要。在生產(chǎn)應(yīng)用中，直接或間接用作計量器具的傳感器所面臨的問題是準確度和可靠性問題。傳感器有時會因精度、長期穩(wěn)定性以及熱漂移問題而受到應(yīng)用限制。而對于擴散硅傳感器來說，熱漂移問題是決定其特性好壞的一大關(guān)鍵指標。因為在工業(yè)現(xiàn)場中，生產(chǎn)環(huán)境溫度變化范圍寬，而半導體力敏電阻壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)也很大，在環(huán)境變化時會產(chǎn)生工作特性漂移與靈敏度不穩(wěn)定的情況，使檢測系統(tǒng)發(fā)生變化而造成測量值隨環(huán)境溫度變化，出現(xiàn)測量誤差，影響了壓力傳感器的特性。擴散硅壓力傳感器溫度漂移可分為以下三種：(1)零點熱漂移：由于組成測量電橋的各個橋臂電阻的溫度系數(shù)不一致，致使不加壓時電橋輸出(零點輸出)失衡，并且這一狀態(tài)隨溫度變化而發(fā)生變化。造成零點輸出失衡及零點熱漂移的主要原因集中在工藝上，如加工尺寸，摻雜濃度及均勻性，摻雜層厚度等。(2)靈敏度熱漂移：由于靈敏度與壓阻系數(shù)成比例關(guān)系，而壓阻系數(shù)為溫度的函數(shù)，因此在加壓情況下，電橋的滿量程輸出也要隨溫度變化而變化。造成靈敏度熱漂移的其他原因還有摻雜濃度過大或過小，電阻條與底座之間熱膨脹系數(shù)不一致等。（3）零位溫度漂移：零位隨溫度的變化而變化。 零點溫度漂移及其補償 零點溫度漂移產(chǎn)生的原因理想的情況下，組成惠斯通電橋的四個擴散電阻的阻值應(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)該為零。但在制作壓阻式傳感器的過程中，由于被連接成惠斯登電橋的四個擴散電阻的阻值不可能制作得完全相等，所以當壓力為零時，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。 零點溫度漂移的補償零點溫度漂移的補償就是在組成惠斯登電橋的四個電阻中，在相應(yīng)的橋臂上串、并聯(lián)上一定阻值大小的電阻，用以平衡因四個擴散電阻初始阻值不匹配造成的零點漂移以及它隨溫度變化而變化的溫度漂移。由于這種補償方法是在電橋上完成的，我們將這類方法稱之為“橋內(nèi)補償法” ?，F(xiàn)以如圖 所示的恒流源供電電路為例進行分析。圖 恒流源溫度補償原理圖根據(jù)電橋平衡理論可知，圖 所示電橋在未接補償電阻時應(yīng)該滿足: () 13240RVId???其中 為供電電流源的大小。Id而由于四個橋臂電阻的參數(shù)不匹配，使得在零點時式()式: 。且隨著13240R??溫度的變化而變化。因而可以在橋臂上串、并聯(lián)上適當?shù)碾娮鑱硐@種不平衡，使 ，并使其隨溫度的變化趨于0，這就是零點溫度漂移補償?shù)哪康?。當給1324R?? ]6[，要達到補償?shù)男Ч闺姌虻牧泓c溫度漂移為零，則要滿足下列式子的要求: （）????13241324()/()()(/)()0PS PSRTRTRRIdId??????其中 ——四個橋臂電阻在溫度 時的阻值（i=1,2,3,4）；()i 1 ——四個橋臂電阻在溫度 時的阻值（ ）；iR0T10T? ——恒流源；Id 、 ——串并聯(lián)電阻；SP同時，補償后的電橋的零點漂移也應(yīng)該為零，則有： （ ）1324(/)()0PSRRId???為簡化計算，令 41/iR??41()/()iRT?式中 ——溫度為 時橋臂電阻的平均值；0T ——溫度為 時橋臂電阻的平均值；()1在式（ ）中， 111/PPR??因而對其進行泰勒展開得： 23111/()PPPRR????一般認為 ， 的傳感器才有補償價值，故將以上的泰勒展開式略去高50PR??次項得： ()211/PPR??同理可得： ()2111()()/PPTRTR??又 ()1234()()()RTTRT??? ()令 132423()()RTRTV????為補償前傳感器在溫度 時的零點輸出；1T13240R???為補償前傳感器在溫度 時的零點輸出。0T,即為 、 之間的零點漂移；010V???1由于 ， ,將（～）式分別對應(yīng)代入（）式中，并將其5PR?.2SR?中的 用 近似， 用 近似，化簡可得：i ()iT （）2210()() 044SSPPRTRVIdId????以同樣的方法對（ ）式進行化簡的： （ ）2022SPRId???聯(lián)立（）、（）兩式組成方程，解得 、 的值如下：PSR （ ）21002()SVRIdT???????? （）10()4P而根據(jù)惠斯登電橋可知，整個電橋在溫度為 、 時的等效電阻 、 可分別近1T01BR0似為： , ；因而，在溫度分別為 、 時，電橋在補償前恒流源供電1()BRT?0BR?時的電橋輸入端電壓（簡稱橋壓） 、 分別可用以下式子表示:1BRV0；1Id?0BRId?則（）、（）兩式可分別化為： ()22100002 1()44BRSVVRIdTId??????????????? ()21010()44BRPI??從公式可以看出，在恒流源供電下，對于待補償?shù)膫鞲衅?，只需測出傳感器補償前在溫度 、 時橋壓 、 和零點輸出電壓 、 ，即可根據(jù)公式（ ）和1T01BRV01V0（）計算出補償電阻 、 的大小。SP串并聯(lián)電阻補償法中，補償電阻的接法很多，雖然以上的推理是根據(jù)圖11所示的電阻連接方式而來，但對于 、 其他連接方式，經(jīng)過上述同樣的簡化和推理方法，可以推SRP理出同樣的公式，只是符號不同而已。所以不論 、 如何連接，我們都可以根據(jù)以上SRP公式計算出 、 大小和符號，然后根據(jù)其符號(以上述推理確定的符號為正號)確定其SP應(yīng)連接的位置:（1） ，則 并于 或 上；0PR?P1R3（2） ，則 并于 或 上；?24（3） ，則 串于 或 上；SS13（4） ，則 串于 或 上。 0R2R4經(jīng)過以上補償可以將零點誤差由幾十毫伏降低到零點幾毫伏。 靈敏度溫度系數(shù)及其補償 靈敏度漂移產(chǎn)生的原因壓阻式傳感器的靈敏度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化引起的。溫度升高時，壓阻系數(shù)變??；溫度降低時，壓阻系數(shù)變大，所以當溫度升高時傳感器的靈敏度要降低，溫度降低時要升高，也就是說傳感器的靈敏度溫度系數(shù)是負的。影響壓阻系數(shù)大小的因素主要是擴散雜質(zhì)的表面濃度和晶向。 靈敏度漂移補償措施擴散硅壓力傳感器滿量程輸出G與壓力滿量程時應(yīng)變電阻的最大變化 成正比，即maxR?與擴散硅P型電阻的壓阻系數(shù)成正比，而壓阻系數(shù)隨溫度的上升而減小。則靈敏度必然隨溫度的上升而下降， 引起靈敏度溫度漂移。靈敏度溫度系數(shù)可用下式表示： ()21()TG???式中： 為 溫度下滿量程輸出；2TG為 溫度下滿量程輸出；1表示溫度變化1℃ 時滿量程輸出的相對變化量。?靈敏度溫度系數(shù)主要是由壓阻系數(shù)隨溫度變化而決定的。因此，通過改變電橋的有效橋壓可以實現(xiàn)靈敏度溫度系數(shù)的補償。恒流源供電時，當溫度升高，欲使 不變，可升高?橋路供電電壓。因為橋壓升高，電橋的輸出電壓增大，若其增大的數(shù)值與靈敏度下降而引起的輸出電壓減小的數(shù)值相等時，即達到了靈敏度溫度補償?shù)哪康摹＿@可以通過在電橋的輸入端接入熱敏電阻補償網(wǎng)絡(luò) 來實現(xiàn)。傳感器滿TSR量程凈輸出為： （）inTSURG??0其中： 為電橋輸入等效電阻； 為熱敏電阻補償網(wǎng)絡(luò)， 由熱敏電阻和金屬膜電阻組0RTS成。當溫度升高 時，傳感器滿量程凈輸出為：T? ())1()1(00TRTGS??????式中： 為擴散電阻的溫度系數(shù)，一般為 ； 為熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)溫度系數(shù)。?C???/3上式對溫度求導，并另 ，由()和()式得出：??T （））（ TSTSR????0熱敏電阻溫度系數(shù)具有分散性，為了選擇合適的網(wǎng)絡(luò)電阻，需要經(jīng)過多次試驗和修正。補償后傳感器的滿量程輸出有所降低是由于串聯(lián) 后被分壓的緣故。經(jīng)上述補償后靈敏TSR度溫度系數(shù)可以降到 以下。C???/1024 零位溫度系數(shù)及其補償零位隨著溫度的不同而變化，溫度變化 后，零位電壓也隨之增加或減少一定的數(shù)T?值。這一變化可用零位溫度系數(shù) 反映出來。即溫度每變化1℃時相對于滿量程輸出G 的零r位電壓變化量。 ()21()()POPUTr??()POUTG?? ()式中： , 分別為 、 溫度下的零位輸出。2()POUT1()P21傳感器的零位溫度系數(shù)主要由力敏電阻全橋四個橋臂電阻的不對稱和各種封裝應(yīng)力引起。但無論何種影響，最后都通過橋臂力敏電阻的阻值變化反映出來?？捎脽崦綦娮璐⒙?lián)金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò)進行補償。 就半導體材料而言， 當溫度改變時，其擴散電阻的變化規(guī)律可表示為： ()(1)TR????()式中； 為擴散電阻阻值； 為擴散電阻的溫度系數(shù)。R當四個橋臂電阻不平衡時， 10()4inPOUTR??溫度升高 ，T?120()()inPOT??式中 為擴散電阻等效溫度系數(shù)。于是1? ()1210()()4inPOPOUUTRT?????將補償電阻接入適當?shù)臉虮郏顾a(chǎn)生一個補償電壓 去抵消 ，從而達到補償?shù)?POPOU?目的。令 104TZinPOUR????則有： ()0POTZinTZR??由()、() 兩式得出零位溫度系數(shù)補償電阻 。2TR ()04TZinTZGrU??()式中； r為傳感器零位溫度系數(shù)； G為初始溫度下滿量程輸出； 為補償電阻溫度TZ?系數(shù)。補償電阻的選擇：硼擴散電阻的溫度系數(shù)是正值，且與薄層電阻有關(guān)，一般為(1～2) ， 熱敏電阻的溫度系數(shù)是負值，而且溫度系數(shù)較大，一般為(20～70) 310/C????？梢娝且环N很好的溫度補償元件。但它隨溫度變化是非線性的，為了達到良好的補償效果，可以把熱敏電阻與金屬膜電阻組合成電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣，該網(wǎng)絡(luò)隨溫度可作接近線性的變化。當r0時， 網(wǎng)絡(luò)加在 或 橋臂上；當r0時， 網(wǎng)絡(luò)加在 或 橋臂上。由于TZR13RTZR24R的接人，G稍