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单晶硅压力传感器温度漂移的补偿方法

引言 

      目前,国内外单晶硅压力传感器的温度漂移指标最高 水平为 4-0.0l%FS/~C,多数补偿温度范围为 -20~85℃。 而在有些场合,实际需要工作温度范围为一45~125oC。温度 漂移要降到 ±0.05%FS/~C以下;国际上压力传感器温度 补偿的研究一直在进行,有硬件补偿和软件补偿。本文通过对某单晶硅压力传感器温度漂移产生的机理和补偿技术的研究 ,使单晶硅压力传感 器 的热零点 漂移和热灵敏度漂移在-45~85℃温区内达到±0.014%FS/~C,从而满足实际需要 。

1、温度漂移机理 

      单晶硅压力传感器,是利用单晶硅 的压阻效应制成。 压阻系数是随温度变化而变化,因此压阻效应原理本身可 引起传感器输出的温度漂移;另外 ,半导体敏感元件的制作 工艺也会带来传感器的整体温度漂移,如,桥路电阻的不等同性、桥臂电阻的漏电流、装配应力等¨.2j。 压阻系数π是衡量单晶硅材料压阻效应大小的参数。 在单晶硅各晶向上的压阻系数是不同的 ,如在正交坐标系中来描述压阻效应与电阻值之间的关系 ,可写成image.png式中为纵向应 力 ;为横 向应力 ; 为与和垂直的方向上的应力 ; 为纵向压阻系数 ;为横向压阻系数 ; 为与和垂直方向上的压阻系数。

由于image.pngimage.pngimage.png 比小很多 ,一般可省去 。而 π1,π2,π3 分别为 image.pngimage.pngimage.png,相对应的压阻系数。 表示应力作用方 向与通过压阻元件的电流方向一致, 表示应力作用的方向与通过压阻元件 的电流方向垂直。 当硅晶体的晶轴与立方晶体晶轴有偏离时,电阻的变化率表示为image.png

      P型硅和N型硅在室温下以压阻系数π11,π12,π44为 主,以P型硅为例,压阻系数分量取决于π44,π11,π12,压阻系数π44是随温度的变化而变化的。压阻系数π44随温度的变化剧烈程度还与表面参杂浓度有关 ,其关系曲线如图1所示 。

2 温度漂移特性分析

      压阻式压力传感器信号转换通过惠斯登电桥来实现, 如图2所示 。

image.png

      如果r1=r3=r2=r4,则 △r1=△r3=△r2=△r4,当电桥一 组对角点上施加输入电压Vi时 ,在另一组对角点上有输出电压V0产生 ,其输出为image.png

      此时 ,由于△r与膜片所受的压力成正比 ,压力敏感元件将输出一个与压力P成正比的电信号,从而实现压力的测量。

      压力传感器的最理想特性是输出只随被测压力的变化而线性变化 ,但从温度漂移产生机理可见 ,在未采取措施的情况下 ,环境 温度的变化一定会引起传感器输出的变化 。输出变化表现为零点输出、灵敏度等参数随环境温度而变化 。

3 补偿方法 

3.1补偿原理 

     对压力传感器温度特性的补偿 ,从零点温度漂移和灵敏度温度漂移两方面补偿。 目前补偿方法很 多 ,有热敏电阻补偿法 ,串并联电阻补偿法 ,单片机实时补偿法 ,有源电路分段补偿法等口 。所研究的单晶硅压力传感器采用补偿电路原理如图3所示 。

     针对热零点漂移 ,通过串并联电阻的方法进行补偿 。对于热灵敏度漂移补偿,通过恒流供电、温控开关与有源电路组成的补偿电路共同完成 ,见图3中的w4,w3,和w2等部分。恒流供电后的最佳灵敏度温度系数为0.05%FS/~C,该系数还不能满足实际的需要。传感器在恒流供电的一次补偿后,又采用有源电路分段补偿法进行再次补偿,使之达到 较高补偿水平。首先,对待补偿传感器的灵敏度输出特性进行检测 ,根据检测数据确定分段温度点 ,并将w3开关的分段点设置在该温度点。然后,在负温区使开关接通 , 将灵敏度温度系数曲线的-45℃ 的高翘端往下拉平 ;在正温区则接通R6,将灵敏度温度系数曲线的85℃的高翘端往下拉平 。图 4示出测范围为0~1MPa传感器的灵敏度输出随温度变化典型情况:图4(a)为单一恒流供电补偿时的传感器灵敏度一温度特性曲线 ;图4(b)为恒流供 电与单一 电阻器R5并联时的该传感器灵敏度一温度特性曲线; 图4(c)为恒流供电与分段采用电阻器R5和R6并联时的该传感器灵敏度一温度特性曲线。

image.png

image.png

3.2 补偿计算方法

3.2.1 恒流供电补偿计算 

       在一定掺杂浓度下,使敏感元件电阻温度系数为正,可 应用恒流供 电对敏感元件 的灵敏度温度系数进行补偿 。 

       恒流供电电流I根据实用敏感元件设计灵敏度需要而定,由图5可知 ,其电流image.png式中V8为输入电压R8 ,R9  ,R10 分别为输入和接地电阻。

3.2.2 串并联电阻网络计算

       首先,对产品的压力与温度特性进行检测,在实测数据基础上 ,计算各串联与并联电阻的阻值。 

       (1)测试低温Tc 、高温Th和下限压力Po与上限压力P ,以及在恒流源供电方式下的输出电压和电桥电压 。

       (2)零点补偿电阻计算 :为计算零点补偿电阻,引入变量A,B,C,D,其 中

       image.png

       式中 , Voc,Voh分别为低温和高温时的零位输出电压V,V2c,V2h分别为低温和高温时满量程输出电压,V;Ec,Eh 分别为低温和高温时的电桥电压,V;Po,P2 为分别为上限和下限压力,MPa;Tc,Th分别为最低温和最高温温度,℃。

      为了计算串联补偿电阻R5,并修正由于电桥臂引入电阻R3和R4而引起的误差的简化公式为image.png

       计算出的R3的阻值可正 、可负 ,阻值的正负指示电阻的位置 ,如图3所示 ,串联的补偿可由R3 或 R4来完成,它们之间的关系如下 : 

       当 R8≥0时 ,R4=R5,R3=0(短路);R8<0时 ,R3=R8, R4=0(短路 )。零点温度并联补偿电阻Rp可由式 (10)算出image.png

       同上 ,电阻Rp的位置也有2种情况:当 Rp ≥ 0时 , R2=Rp ,Rl=∞(开路 );当 Rp<0时 ,Rl=Rp ,R2=∞(开 路 )。

(3)灵敏度分段补偿电阻计算

      为提高固定电阻并联补偿的精度,采用温控组合开关 (图3的 w2 部分)联合实现分段补偿提高补偿精度的目的。可以看出:可以把l6~20℃作为补偿的分段点 ,也可将0~l0℃作为补偿的分段点。用温控开关w2来实现传感器的高温 区、低温区的分别补偿。通过恒流源供电下的传感器桥压信号的变化 ,来实现温控开关的动作,以此来控 制并联在电桥两端的电阻的接入,从而降低恒流源负载电 阻的温度系数 ,这样 ,即可实现分段补偿 。下面给出了低温和高温下输出电压( Vc,Vh )、电阻(Rc,Rh )和灵敏度的温度补偿电阻 R5,R6 的计算公式image.png

4 补偿结果与分析 

4.1 传感器补偿前后参数的比较

      表1列出采用串并联电阻网络补偿 、恒流供电补偿 、有源电路分段补偿等综合方法补偿前后参数 的比较结果。

image.png

4.2传感器主要性能检测结果 

      表2为6只传感器温度漂移等主要参数补偿结果。

      为了比较,本文还采用小波去噪方法对所测超声信号进行了去噪处理 (选用dbl小波 ,四层分解 ),处理结果如图2(d)所示 。根据公式 (7),计算图 2(b),2(c)和 2(d)的 信噪比分别为 1.2dB,6.45dB和6.47dB。这个计算结果说明了本文去噪方法和小波去噪均极大地提高超声缺陷信号的信噪比,而且,本文方法去噪效果与小波去噪效果是非常接近的。另外 ,这个结果也说明了本文去噪方法的正确性和有效性。 本文去噪方法与小波去噪方法相比,优点是通过信噪盲分离实现去噪 ,去噪过程直观 ,去 噪效果好。

3 结论 

      本文提出了一种基于盲源分离的超声信号去噪方法。 应用本文方法对仿真的加噪超声信号进行了去噪处理 ,并 且 ,与小波去噪方法进行了 比较 。实验结果表明 :本文的去噪方法能有效地对超声信号进行去噪,极大地提高信噪比,增强缺陷信号,其去噪效果能与小波去噪效果相媲美。本文去噪方法的特点是通过超声信号和噪声信号的盲源分离实现超声信号去噪。

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