【正文】 00]和 [010]晶向時，電阻的壓阻系數(shù)最小。 壓力傳感器的原理及結(jié)構(gòu) 硅橋式壓阻壓力傳感器的 結(jié)構(gòu)如圖 21所示： 圖 21硅橋式壓阻壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu) 圖中 低壓腔 是與外界大氣 相通 的 ，高壓腔 則 與被測系統(tǒng)相連 接 ， 其中最主 要的 結(jié)構(gòu) 就 是中間的硅橋。圖 22為硅薄膜的平面圖。 從 彈性力學(xué) 德角度進(jìn)行 分析，當(dāng) 硅薄膜上 有 均勻分布 壓力 作用 時，硅片的 內(nèi)部 將 產(chǎn)生 大小乃至方向都不 相 同 的應(yīng)力。 則以此可以反映出變化量的大小，以便送至下一信號處理或阻抗變換 。本文僅對幾個常用到得重要的特性指標(biāo)進(jìn)行說明。 即 (24): （ 2— 4） 其中 S――靈敏度； P――施加的壓力 通常 情況 ，在傳感器的線性 要求范圍內(nèi)， 傳感器的靈敏度越高越好。但要注意的是，傳感器的靈敏度 高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。 傳感器的靈敏度是有方向性的。 2. 線性度 傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際工作曲線與參考工作曲線 (擬合曲線 )的偏離 (符合 )程度，如圖 24所示。 圖 24傳感器的線性度表示 傳感器的分辨率是指在規(guī)定測量范圍內(nèi)當(dāng)輸入從非零的任意值緩慢增加時，只有在超過某一 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 32 頁 第 13 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 輸入增量后，輸出才發(fā)生可觀測的變化。壓力傳感器的分辨率則表示可檢測出的壓力的最小增量相對于滿里程輸人值的百分比。它是由隨機誤差和 系統(tǒng)誤差所決定的，關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。溫度漂移 可分為 零點溫度漂移與靈敏度溫度漂移 兩種。 圖 25 零點溫度漂移與靈敏度溫度漂移 6. 穩(wěn)定性 傳感器 使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。因此，要使 傳感器 具有良好的穩(wěn)定性， 傳感器 必須要有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。 傳感器 的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定 傳感器 的性能是否發(fā)生變化。 穩(wěn)定性 有兩種，一種是短期穩(wěn)定性，另一種是 長期穩(wěn)定性。 除了傳感器本身的結(jié)構(gòu)特點以外，使用傳感器的環(huán)境和儲存的環(huán)境也會對這種性能指標(biāo)產(chǎn)生影響 。 7． 額定壓力范圍 額定壓力范圍是滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍。在實際應(yīng)用時傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。特別是半導(dǎo)體壓力傳感器，為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍。一般最大壓力是額定壓力最高值的 2－ 3倍。 壓力傳感器所存在的溫度漂移一般有兩種 : : 對壓力傳感器來說，橋路中 的各個 元件 的 參數(shù)本身就 是 不對稱 的 ；彈性元件和電阻應(yīng)變計的敏感柵材料 線脹系數(shù) ， 溫度系數(shù) 不同，組橋引線長度不一致等因素，最后 都會致使 組成電橋后相鄰臂總體溫度系數(shù) 存在 一定差異， 當(dāng)溫度 發(fā)生 變化時，相鄰臂 程度 電阻變化量不同，從而使電橋產(chǎn)生 不平衡 的 輸出， 這也就是 產(chǎn)生了零點漂移；對系統(tǒng)而言，隨著時間的增加，就 相當(dāng)于對系統(tǒng)進(jìn)行 了老化處理，這樣，系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)特征 也 就要發(fā)生 一定的變化，從而產(chǎn)生漂移。由此可見 ， 產(chǎn)生零點漂移的最主要因素是 溫度的影響，溫度的變化 也是最難控制的。由于熱敏電阻制造工藝的不一致性，溫度零點漂移系數(shù) 0K 不是一個定值，它在不同的溫度區(qū)間有不同的 值。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。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。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。但由于橋臂電阻制作的不一致性， 0U （ 50℃）值不一定大于 0U （ 0℃）值。另外由于壓阻系數(shù)會隨溫度 變化，因此由于壓力產(chǎn)生的電 阻改變量也會變化，我們設(shè)為 rR? 。由于全橋惠 斯通電橋結(jié)構(gòu)，上式 分子的 rR? 被抵消，一般情況下， tR? 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 R ，則由半導(dǎo)體電阻率溫度變化而產(chǎn)生的靈敏度溫度漂移可以進(jìn)食忽略不計， （ 27） 可近似為 （ 28） ： （ 2— 8） 因此，靈敏度溫度漂移主要是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生 的。 零位漂移溫度 系數(shù) :由于工藝產(chǎn)生的不匹配， 例 如摻雜 的 厚度不 太 一致 ， 摻雜 的濃度不均勻等 一系列 原因，電橋 的每個 橋臂上的擴散電阻的溫度系 不容易完全得到控制 ， 故 在不加壓力 的 時候 電橋 的 輸出 (即零位輸出 )是 不為零 的 ，并且 輸出值會隨溫度變化發(fā)生改變，產(chǎn)生 零位熱漂移，這 種情況 是不 可 能避免的。 ()NUt――溫度 t 時的零點輸出電壓。 溫度誤差靈敏度：指的是傳感器的輸 出變化量與引起該輸出變化量之比，即 （ 32） ： 相對靈敏度 ()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。根據(jù) 其定義可表示為 （ 35） ： 靈敏度漂移溫度系數(shù) TCS 的計算公式為 （ 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。目前 為止， 國外 比 較先進(jìn)的補償模塊，如 MAX145 MCA7707等，雖然能夠把傳感器的零點溫度漂移補償?shù)谋容^ 小， 但 卻損失了傳感器的 一些 動態(tài)性能， 而 且 進(jìn)行補償時需要編程序 ， 大大增加了工作的難度。 內(nèi)部補償 內(nèi)部補償 主要是針對零漂的 進(jìn)行 補償 的。 針對這一問題我們 可以通過 改變 傳感器結(jié)構(gòu) ； 改進(jìn)傳感器 制造的工藝， 提高 擴散電阻的對稱性；控制材料的特性，當(dāng) 摻雜 濃度達(dá)到一定 高度時， 其電阻率 隨溫度的變化逐步 趨于穩(wěn)定，同時不同的擴散系數(shù)和結(jié)深也會影響到溫度敏感度，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 。 外部補償 外部補償?shù)姆绞?種類很多 ， 但 可以 概括為 軟件補償和硬件補償兩種。因為 這種補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)補償法”。為 了 使電橋的靈敏度最大，將一對阻值增加的電阻對接。 圖 31 恒流源供電補償原理圖 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 32 頁 第 18 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 2 4 2 3 321 1 4 124()2 2 1 RRK RR? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ?在圖 31所示的 補償法原理圖中， 調(diào)節(jié)電橋的零點輸出 是 通過串并聯(lián)于橋臂上的電阻來 實現(xiàn)的 。其中，串聯(lián)電阻 SR 主要起 到 調(diào)零作用，并聯(lián)電阻 PR 主要起補償作用。其關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的計 算出串并聯(lián)電阻 SR , PR 的大小。并推導(dǎo)補償電阻的計算公式。要測量 并計算這四個溫度系數(shù)十分麻煩，而且由于計算的公式中還出現(xiàn)了（ 1K） ,而 K又可能非常接近 1。所以在公式中出現(xiàn) (1K)是該算法嚴(yán)重缺陷，應(yīng)該重新尋求別的計算補償電阻的方 法。 根據(jù)電橋平衡理論可知，圖 31所示電橋在未接補償電阻時應(yīng)該滿足： （ 3— 9） 其中 I為供電電流源的大小。 使 在零點時式 ((39)的 1 3 2 4 0R R R R??， 隨 溫度的變化而 發(fā)生改變 。當(dāng)給電橋串并聯(lián)上如圖 31所示的電阻進(jìn)行補償時，要達(dá)到補償?shù)男Ч闺姌虻牧泓c溫度漂移為零， 就必須 滿足下列式子的要求 ： 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 32 頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ 3— 10） 其中 iR （ T ）―― 四個橋臂電阻在溫度 1T 的時的阻值 iR （ i=1,2,3,4） 。 iI ― ―恒流源 。 同時，補償后的電橋的零點漂移也應(yīng)該為零，則有： （ 3— 11） 為簡化計算 ，令 式中 R ――溫度為 0T 時橋臂電阻的平均值； ()RT ――溫度為 1T 時橋臂電阻的平均值。 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 可得： （ 3— 16） 以同樣的方法對（ 3— 9）式進(jìn)行化簡可得： （ 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，整個電橋在溫度為 1T ， 0T 時的等效電阻 1BRR ， 0BRR 可分別近似認(rèn)為 1BRR = ()RT ， 0BRR =R ；因而，在溫度分別為 1T ， 0T 時電橋在補償前恒流源供電時的電橋輸入端電壓（簡稱橋壓） 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（論文）報告紙 共 32 頁 第 21 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 從公式可以看出，在恒流源供電下，對于待補償?shù)膫鞲衅?，只需測量出傳感器補償前在溫度1T ， 0T 時橋壓 1BRV 、 0BRV 和零點輸出電壓 1V , 0V ，即可根據(jù)公式（ 3— 19）和（ 3— 20）計算出補償電阻 SR ， PR 的大