【文章內(nèi)容簡介】 感應(yīng)壓力信號(hào)。電阻式壓力傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中。平時(shí)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?qū)⑹テ胶?。若給電橋加一個(gè)恒定電流或電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)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(gè)電阻值相等的電阻條，并將它們連接刻制成惠斯登電橋?；菟沟请姌虿捎煤懔鞴╇姡@樣電橋的輸出不受溫度的影響，惠斯登電橋檢測(cè)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(hào)，該電流信號(hào)通過非線性校正環(huán)路的補(bǔ)償，即產(chǎn)生了與輸入電壓成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。為減小溫度變化對(duì)芯片電阻值的影響，提高測(cè)量精度，壓力傳感器都采用溫度補(bǔ)償措施，使其零點(diǎn)漂移、靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)保持較高水平。圖 工作原理圖3 擴(kuò)散硅壓力傳感器的溫度補(bǔ)償原理 對(duì)擴(kuò)散硅壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)囊饬x在對(duì)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(jī)械加工的壓力傳感器，還有一個(gè)重要的研究方向是溫度漂移的補(bǔ)償，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，壓阻式壓力傳感器的確面臨著溫度補(bǔ)償問題。壓阻式壓力傳感器會(huì)受到溫度的影響，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移，它來源于半導(dǎo)體物理性質(zhì)對(duì)溫度的敏感性。零位漂移是因?yàn)閿U(kuò)散電阻阻值隨溫度改變而發(fā)生變化。擴(kuò)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(shí)，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(gè)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(dāng)提高表面雜質(zhì)濃度，可以減小溫度系數(shù)，進(jìn)而減小零位漂移。但是，過高的雜質(zhì)濃度會(huì)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(dāng)溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)減小，反之則增大。所以，當(dāng)溫度升高時(shí)，傳感器靈敏度降低。如果提高擴(kuò)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(huì)降低。因此，對(duì)壓阻式壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中顯得相當(dāng)重要。在生產(chǎn)應(yīng)用中，直接或間接用作計(jì)量器具的傳感器所面臨的問題是準(zhǔn)確度和可靠性問題。傳感器有時(shí)會(huì)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(duì)于擴(kuò)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(biāo)。因?yàn)樵诠I(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，生產(chǎn)環(huán)境溫度變化范圍寬，而半導(dǎo)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(shí)會(huì)產(chǎn)生工作特性漂移與靈敏度不穩(wěn)定的情況，使檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生變化而造成測(cè)量值隨環(huán)境溫度變化，出現(xiàn)測(cè)量誤差，影響了壓力傳感器的特性。擴(kuò)散硅壓力傳感器溫度漂移可分為以下三種：(1)零點(diǎn)熱漂移：由于組成測(cè)量電橋的各個(gè)橋臂電阻的溫度系數(shù)不一致，致使不加壓時(shí)電橋輸出(零點(diǎn)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(diǎn)輸出失衡及零點(diǎn)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(diǎn)溫度漂移及其補(bǔ)償 零點(diǎn)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(gè)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(shí)，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(gè)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(shí)，電橋的輸出不為零，這種零點(diǎn)輸出漂移將隨溫度的變化而發(fā)生漂移，即產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移。 零點(diǎn)溫度漂移的補(bǔ)償零點(diǎn)溫度漂移的補(bǔ)償就是在組成惠斯登電橋的四個(gè)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(gè)擴(kuò)散電阻初始阻值不匹配造成的零點(diǎn)漂移以及它隨溫度變化而變化的溫度漂移。由于這種補(bǔ)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(bǔ)償法” ?，F(xiàn)以如圖 所示的恒流源供電電路為例進(jìn)行分析。圖 恒流源溫度補(bǔ)償原理圖根據(jù)電橋平衡理論可知，圖 所示電橋在未接補(bǔ)償電阻時(shí)應(yīng)該滿足: () 13240RVId???其中 為供電電流源的大小。Id而由于四個(gè)橋臂電阻的參數(shù)不匹配，使得在零點(diǎn)時(shí)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(dāng)?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(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償?shù)哪康?。當(dāng)給1324R?? ]6[，要達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч闺姌虻牧泓c(diǎn)溫度漂移為零，則要滿足下列式子的要求: （）????13241324()/()()(/)()0PS PSRTRTRRIdId??????其中 ——四個(gè)橋臂電阻在溫度 時(shí)的阻值（i=1,2,3,4）；()i 1 ——四個(gè)橋臂電阻在溫度 時(shí)的阻值（ ）；iR0T10T? ——恒流源；Id 、 ——串并聯(lián)電阻；SP同時(shí)，補(bǔ)償后的電橋的零點(diǎn)漂移也應(yīng)該為零，則有： （ ）1324(/)()0PSRRId???為簡化計(jì)算，令 41/iR??41()/()iRT?式中 ——溫度為 時(shí)橋臂電阻的平均值；0T ——溫度為 時(shí)橋臂電阻的平均值；()1在式（ ）中， 111/PPR??因而對(duì)其進(jìn)行泰勒展開得： 23111/()PPPRR????一般認(rèn)為 ， 的傳感器才有補(bǔ)償價(jià)值，故將以上的泰勒展開式略去高50PR??次項(xiàng)得： ()211/PPR??同理可得： ()2111()()/PPTRTR??又 ()1234()()()RTTRT??? ()令 132423()()RTRTV????為補(bǔ)償前傳感器在溫度 時(shí)的零點(diǎn)輸出；1T13240R???為補(bǔ)償前傳感器在溫度 時(shí)的零點(diǎn)輸出。0T,即為 、 之間的零點(diǎn)漂移；010V???1由于 ， ,將（～）式分別對(duì)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(duì)（ ）式進(jìn)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(gè)電橋在溫度為 、 時(shí)的等效電阻 、 可分別近1T01BR0似為： , ；因而，在溫度分別為 、 時(shí)，電橋在補(bǔ)償前恒流源供電1()BRT?0BR?時(shí)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(duì)于待補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鳎恍铚y(cè)出傳感器補(bǔ)償前在溫度 、 時(shí)橋壓 、 和零點(diǎn)輸出電壓 、 ，即可根據(jù)公式（ ）和1T01BRV01V0（）計(jì)算出補(bǔ)償電阻 、 的大小。SP串并聯(lián)電阻補(bǔ)償法中，補(bǔ)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(duì)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(hào)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(jì)算出 、 大小和符號(hào)，然后根據(jù)其符號(hào)(以上述推理確定的符號(hào)為正號(hào))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(bǔ)償可以將零點(diǎn)誤差由幾十毫伏降低到零點(diǎn)幾毫伏。 靈敏度溫度系數(shù)及其補(bǔ)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(shí)，壓阻系數(shù)變小；溫度降低時(shí)，壓阻系數(shù)變大，所以當(dāng)溫度升高時(shí)傳感器的靈敏度要降低，溫度降低時(shí)要升高，也就是說傳感器的靈敏度溫度系數(shù)是負(fù)的。影響壓阻系數(shù)大小的因素主要是擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度和晶向。 靈敏度漂移補(bǔ)償措施擴(kuò)散硅壓力傳感器滿量程輸出G與壓力滿量程時(shí)應(yīng)變電阻的最大變化 成正比，即maxR?與擴(kuò)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(shí)滿量程輸出的相對(duì)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(shí)現(xiàn)靈敏度溫度系數(shù)的補(bǔ)償。恒流源供電時(shí)，當(dāng)溫度升高，欲使 不變，可升高?橋路供電電壓。因?yàn)闃驂荷?，電橋的輸出電壓增大，若其增大的?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(shí)，即達(dá)到了靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。這可以通過在電橋的輸入端接入熱敏電阻補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 來實(shí)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)， 由熱敏電阻和金屬膜電阻組0RTS成。當(dāng)溫度升高 時(shí)，傳感器滿量程凈輸出為：T? ())1()1(00TRTGS??????式中： 為擴(kuò)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(duì)溫度求導(dǎo)，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(yàn)和修正。補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(shí)相對(duì)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(gè)橋臂電阻的不對(duì)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(jìn)行補(bǔ)償。 就半導(dǎo)體材料而言， 當(dāng)溫度改變時(shí)，其擴(kuò)散電阻的變化規(guī)律可表示為： ()(1)TR????()式中； 為擴(kuò)散電阻阻值； 為擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)。R當(dāng)四個(gè)橋臂電阻不平衡時(shí)， 10()4inPOUTR??溫度升高 ，T?120()()inPOT??式中 為擴(kuò)散電阻等效溫度系數(shù)。于是1? ()1210()()4inPOPOUUTRT?????將補(bǔ)償電阻接入適當(dāng)?shù)臉虮郏顾a(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓 去抵消 ，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)?POPOU?目的。令 104TZinPOUR????則有： ()0POTZinTZR??由()、() 兩式得出零位溫度系數(shù)補(bǔ)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(bǔ)償電阻溫度TZ?系數(shù)。補(bǔ)償電阻的選擇：硼擴(kuò)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(fù)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(bǔ)償元件。但它隨溫度變化是非線性的，為了達(dá)到良好的補(bǔ)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(dāng)r0時(shí)， 網(wǎng)絡(luò)加在 或 橋臂上；當(dāng)r0時(shí)， 網(wǎng)絡(luò)加在 或 橋臂上。由于TZR13RTZR24R的接人，G稍