【導(dǎo)讀】壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到。機(jī)械力作用發(fā)生變形時(shí)，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，據(jù)這個(gè)效應(yīng)研制出了壓力傳感器。點(diǎn)，電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)不穩(wěn)定和溫度漂移。最簡(jiǎn)單的方法就是保持。工作環(huán)境溫度的恒定，當(dāng)然，這種要求是永遠(yuǎn)達(dá)不到的。所以本文就針對(duì)溫度漂移問(wèn)題展開(kāi)分析。對(duì)于不同的壓力傳感器采用不同的溫度補(bǔ)償方法，使其達(dá)到預(yù)期的效果。

　　

【正文】 相對(duì)靈敏度 ()RSt的表達(dá)式如（ 33）所示 : 其中 0()St ――參考溫度 0t 下 的 輸出靈敏度。 靈敏度漂移 SS (Sensitivity Shift)如（ 34）所示 : 靈敏度漂移溫度系數(shù) TCS (Temperature Coefficient of Sensitivity),單位 為 ppm/℃ ,表示溫度每變化 1℃ ,靈敏度所對(duì)應(yīng)變化的百萬(wàn)分?jǐn)?shù) 。根據(jù) 其定義可表示為 （ 35） ： 靈敏度漂移溫度系數(shù) TCS 的計(jì)算公式為 （ 36） ： 將 靈敏度漂移溫度系數(shù) TCS 得表達(dá) 式（ 35）中分子分母同時(shí)乘以壓力 P就得到 輸出電壓的溫度系數(shù) TCV (Temperature Coefficient of Voltage)，它與靈敏度漂移系數(shù) TCS 相等。它的計(jì)算公式為： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 17 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 補(bǔ)償方式簡(jiǎn)介 由此可見(jiàn) ，零點(diǎn)溫度漂移是影響傳感器精度的重要指標(biāo)之一。目前 為止， 國(guó)外 比 較先進(jìn)的補(bǔ)償模塊，如 MAX145 MCA7707等，雖然能夠把傳感器的零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償?shù)谋容^ 小， 但 卻損失了傳感器的 一些 動(dòng)態(tài)性能， 而 且 進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)需要編程序 ， 大大增加了工作的難度。相比之下， 我國(guó) 現(xiàn)在關(guān)于零點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟ€不能做到模塊化，目前我國(guó)依舊 按照傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的條件分為用硬件電路補(bǔ)償和智能芯片或微機(jī)中 軟 用 件方法 進(jìn)行 補(bǔ)償。 內(nèi)部補(bǔ)償 內(nèi)部補(bǔ)償 主要是針對(duì)零漂的 進(jìn)行 補(bǔ)償 的。在上一章我們已經(jīng) 介紹過(guò)， 但是 由于工藝 生產(chǎn)不匹配的 原因，如摻雜濃度 不均勻 及厚度 不統(tǒng)一 等造成的擴(kuò)散電阻 的 阻值或擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)不一致， 導(dǎo)致 在不加壓力時(shí) 候 電橋輸出不為零并且隨溫度 的 變化 而發(fā)生改變 。 針對(duì)這一問(wèn)題我們 可以通過(guò) 改變 傳感器結(jié)構(gòu) ； 改進(jìn)傳感器 制造的工藝， 提高 擴(kuò)散電阻的對(duì)稱性；控制材料的特性，當(dāng) 摻雜 濃度達(dá)到一定 高度時(shí)， 其電阻率 隨溫度的變化逐步 趨于穩(wěn)定，同時(shí)不同的擴(kuò)散系數(shù)和結(jié)深也會(huì)影響到溫度敏感度，從而獲得較 低的溫度系數(shù)；此 外，考慮到金屬 材料 具有 比 較低的電阻溫度系數(shù)，因此在硅襯底上沉積金屬膜 也 同樣可以 使溫度系數(shù)降低 。但 是 需要注意的是，摻雜濃度 過(guò)高不僅會(huì)導(dǎo)致晶格缺陷的增加， 還會(huì) 導(dǎo)致 傳感器的靈敏度 降低。 外部補(bǔ)償 外部補(bǔ)償?shù)姆绞?種類很多 ， 但 可以 概括為 軟件補(bǔ)償和硬件補(bǔ)償兩種。 1. 硬件補(bǔ)償： 這種方法 是在惠斯通電橋的四個(gè)電阻中，在 對(duì)應(yīng) 的橋臂上串、并聯(lián)上一定阻值大小的電阻， 來(lái) 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 發(fā)生改變的溫度漂移。因?yàn)?這種補(bǔ)償方法是在電橋上完成的， 所以 我們將這類方法稱之為“橋內(nèi)補(bǔ)償法”。 壓限式傳感器在硅芯片上擴(kuò)散出 的四個(gè)橋臂電阻， 通常 是將其連接成惠斯通電橋。為 了 使電橋的靈敏度最大，將一對(duì)阻值增加的電阻對(duì)接。將另一對(duì)阻值減小的電阻也對(duì)接，如圖 31所示。 圖 31 恒流源供電補(bǔ)償原理圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 18 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 2 4 2 3 321 1 4 124()2 2 1 RRK RR? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ?在圖 31所示的 補(bǔ)償法原理圖中， 調(diào)節(jié)電橋的零點(diǎn)輸出 是 通過(guò)串并聯(lián)于橋臂上的電阻來(lái) 實(shí)現(xiàn)的 。并 且 盡可能 使 零點(diǎn)輸出隨 著 溫度變化而產(chǎn)生的漂移控制在 最 小的范圍。其中，串聯(lián)電阻 SR 主要起 到 調(diào)零作用，并聯(lián)電阻 PR 主要起補(bǔ)償作用。 而 且 SR , PR 一般選用溫度系數(shù)非常小 的金屬膜電阻，故可以認(rèn)為溫度系數(shù)為零。其關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的計(jì) 算出串并聯(lián)電阻 SR , PR 的大小。根據(jù) 供電方式不同，補(bǔ)償電路可以分為恒壓源供電方式和恒流源供電方式 兩種情況 ， 下面 我們分別對(duì)兩種供電方式進(jìn)行比較 分析 。并推導(dǎo)補(bǔ)償電阻的計(jì)算公式。 (1)補(bǔ)償電阻計(jì)算公式的推導(dǎo) 關(guān)于 補(bǔ)償電阻 SR , PR 的求解，前人已經(jīng)做了許多工作，大多數(shù)人都采用如下 （ 38） 公式計(jì)算： （ 38） 其中 1? 、 2? 、 3? 、 4? 為四個(gè)橋臂電阻的溫度系數(shù)。要測(cè)量 并計(jì)算這四個(gè)溫度系數(shù)十分麻煩，而且由于計(jì)算的公式中還出現(xiàn)了（ 1K） ,而 K又可能非常接近 1。 從計(jì)算方法的理論可知，兩個(gè)接近數(shù)相減是一種病態(tài)問(wèn)題，如果在側(cè)量和計(jì)算這四個(gè)溫度系數(shù)時(shí)產(chǎn)生微小的誤差，則 (1K)的相對(duì)誤差就可能會(huì)很大，從而使計(jì)算出的補(bǔ)償電阻阻位誤差較大，這就會(huì)使補(bǔ)償效果不佳，甚至將本來(lái)就己較好的傳感器，通過(guò)這一補(bǔ)償，反而變差了。所以在公式中出現(xiàn) (1K)是該算法嚴(yán)重缺陷，應(yīng)該重新尋求別的計(jì)算補(bǔ)償電阻的方 法。 （ 2）恒流源供電 在惠斯通電橋中，補(bǔ)償電阻的接法有 16種之多，現(xiàn)以如圖 31所示的恒流源供電電路為例進(jìn)行分析。 根據(jù)電橋平衡理論可知，圖 31所示電橋在未接補(bǔ)償電阻時(shí)應(yīng)該滿足： （ 3— 9） 其中 I為供電電流源的大小。而由于幾四個(gè)橋臂電 阻 的參數(shù)不匹配。 使 在零點(diǎn)時(shí)式 ((39)的 1 3 2 4 0R R R R??， 隨 溫度的變化而 發(fā)生改變 。 因此 可以在橋臂 上串 或 并聯(lián)適當(dāng) 阻值大小 的電阻來(lái)消除這種不平衡，使 1 3 2 4 0R R R R??，并使其溫度的變化 無(wú)限 趨 向 于 0，這就是零溫度漂移補(bǔ)償?shù)哪康?。?dāng)給電橋串并聯(lián)上如圖 31所示的電阻進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，要達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч闺姌虻牧泓c(diǎn)溫度漂移為零， 就必須 滿足下列式子的要求 ： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 19 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ 3— 10） 其中 iR （ T ）―― 四個(gè)橋臂電阻在溫度 1T 的時(shí)的阻值 iR （ i=1,2,3,4） 。 iR ―― 四個(gè)橋臂電阻在溫度 0T 時(shí)的阻值 ( 1T ＞ 0T )。 iI ― ―恒流源 。 SR , PR ―― 一串、并聯(lián)電阻 。 同時(shí)，補(bǔ)償后的電橋的零點(diǎn)漂移也應(yīng)該為零，則有： （ 3— 11） 為簡(jiǎn)化計(jì)算 ，令 式中 R ――溫度為 0T 時(shí)橋臂電阻的平均值； ()RT ――溫度為 1T 時(shí)橋臂電阻的平均值。 在式（ 310）， ，因而對(duì)其進(jìn)行泰勒展開(kāi)得： 一般認(rèn)為 PR ≥ 50R, SR ≤ ，故將以上的泰勒展開(kāi)式 略去高次項(xiàng)得： （ 3— 12） 得： （ 3— 13） （ 3— 14） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 20 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ 3— 15） 令 為 補(bǔ)償前傳感器在溫度 1T 時(shí)的零點(diǎn)輸出； 為補(bǔ)償前傳感器在溫度 0T 時(shí)的零點(diǎn)輸出 ； ，即為 1T ， 0T 之間的零點(diǎn)漂移。 由于 PR ≥ 50R 、 SR ≤ ，將（ 3— 12 ~ 3— 15）式分別代入（ 3— 10）并且將其中的 iR用 R 近似， 化簡(jiǎn) 可得： （ 3— 16） 以同樣的方法對(duì)（ 3— 9）式進(jìn)行化簡(jiǎn)可得： （ 3— 17） 聯(lián)立（ 3— 15），（ 3— 16）兩式組成方程，解得 SR , PR 的值如下： （ 3— 18） （ 3— 19） 而根據(jù)惠斯通電橋可知，整個(gè)電橋在溫度為 1T ， 0T 時(shí)的等效電阻 1BRR ， 0BRR 可分別近似認(rèn)為 1BRR = ()RT ， 0BRR =R ；因而，在溫度分別為 1T ， 0T 時(shí)電橋在補(bǔ)償前恒流源供電時(shí)的電橋輸入端電壓（簡(jiǎn)稱橋壓） 1BRV 、 0BRV 分別可以用以下式子表示： 1BRV =IRBR1 0BRV =IRBR0 則（ 3— 12），（ 3— 13）兩式可分別化為： （ 3— 20） （ 3— 21） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 21 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 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?，只需測(cè)量出傳感器補(bǔ)償前在溫度1T ， 0T 時(shí)橋壓 1BRV 、 0BRV 和零點(diǎn)輸出電壓 1V , 0V ，即可根據(jù)公式（ 3— 19）和（ 3— 20）計(jì)算出補(bǔ)償電阻 SR ， PR 的大小。 （ 3）恒壓源供電 若給電橋以恒壓源