电子产品世界

　　摘要：介绍了一种温度补偿方法的基本原理,其解决了微型压阻式压力传感器温补问题;详细阐述了一种实用的整体补偿电路,并从理论上导出了分析计算公式,最后给出传感器整体的零位和灵敏度温度系数在补偿前后的对比情况。

　　关键词：压阻式传感器;温度测量;整体温度补偿

　　一、前言

　　随着集成电路和半导体技术的发展,出现了以半导体材料的压阻效应为原理制成的半导体力敏传感器,而其中的硅压阻式压力传感器因具有体积小、性能高、廉价等优点得到了广泛应用。但利用扩散技术形成的电桥阻值易随温度改变,并且压阻元件的压阻系数具有较大的负温度系数,这些易引起电阻值与电阻温度系数的离散,导致压力传感器的热灵敏度漂移和零点漂移[1]。为此,作者采用设计了一种适用于压阻式压力传感器的整体温度补偿电路,它具有补偿精度高、稳定性能好、调节方便等优点,可达到较为满意的应用结果。

　　二、误差来源

　　由于半导体材料对温度十分敏感,压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠斯登电桥型,其有恒流和恒压两种工作方式。假设半导体应变片电阻Rt的温度系数为α,灵敏度K的温度系数为β,加在传感器上的电压为Vin,则电阻值、灵敏度随温度改变的表达式分别为：

　　RT=R0(1+αT) (1);KT=K0(1+βT)

　　(2)

　　则传感器输出为[2]：Vout =(△R/R0)Vin = K0(1+βT)eVin (3)

　　式中,R0—基准温度时传感器的电阻值(初始值); △R—压力引起的电阻变化;

　　K0—基准温度时灵敏度; e—应变系数。

　　由此式知,压力随温度的改变量和β的随温度的变化相同,具有较大负温度系数,温度系数为-0.002/℃~ -0.003/℃。图1给出了不同掺杂浓度下P型硅片的灵敏度系数随温度变化的曲线[3]。图中,从a 到e 各条曲线对应的掺杂浓度递增。由图可知,P型应变电阻, 无论是轻掺杂还是重掺杂,其灵敏度系数均随温度的提高而逐渐减小。由于各应变片阻值不可能匹配,且应变片的电阻温度系数在0.3%/℃左右,会造成零点漂移电压。

　　

 

　　三、温度补偿原理与电路设计

　　1、零位温漂补偿

　　压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠斯登电桥形式,其原理如图2(a)所示。由惠斯登电桥原理可知,零位输出电压为：

　　Vout=

　　

 

　　(4)

　　则常温下应使R2R4-R1R3=0[3],得零位输出为0。当外界温度为T时,电桥零位输出变为：

　　Vout´=

　　

 

　　(5)

　　若R2TR4T-R1TR3T>0,则温漂为正;若R2TR4T-R1TR3T<0,则温漂为负。故调节零位漂移的关键是改变R2TR4T或 R1TR3T的大小。采用的方法是在R1上串联电阻Rm或者在R3上并联电阻Rn,分别如图2(b) 、2(c)所示,则调节Rm、Rn阻值大小,可达到调节零位输出的目的。Rm和Rn的阻值可由下面的公式求得。

　　(1)求串联电阻Rm值

　　由电桥原理,则图2(b)中的输出电压为：Vout´=U

　　

 

　　(6)

　　因R1´= R1+Rm并令Vout´=0,代入(1)式,计算可得：

　　Rm=R4

　　

 

　　。

　　(2)求并联电阻Rn值理在图2(c)中,

　　Vout´= U

　　(7)

　　因R3´=

　　

 

　　,且Vout´=0,根据(6)式可得：

　　Rn=

　　

 

　　。

　　2、灵敏度温度补偿

　　用整体电路温补的方法来对灵敏度温漂进行补偿,设计电路如图3所示。图中,A1和A2构成差动放大器,将传感器的输出电信号转变为差动电压,然后由A4作为差动输入单端输出放大器,将电压差信号变为对地输出的电信号。因传感器的输出电压灵敏度漂移具有负温度系数,则用晶体管基极-发射极间电压Vbe的负温度特性来抵消它。同时,在A4上的负反馈电阻上并联正温度系数的热敏电阻RT,以达到用增益的正温度特性更好的弥补电桥部分灵敏度负温度特性的目的。

　　

 

　　3、整体性能设计

　　由于在零位补偿中,实际传感器的零位输出Vout一般不为0V,不符合R2R4=R1R3的假设,故需在图3的处理电路的A4正相输入端接入一个补零位电阻,才可以将零位和温漂一起补回来。调节VP3改变其阻值大小,使输出电压值经跟随器A4输入到A5的反向端,可以消除零点漂移的影响。因流经VP3的电流不恒定,所以转换的电压也很多情况下不恒定,因此必须接入集成运放器A3,以增强传感器性能的稳定性。

关键词： 一种 压阻 压力 传感器 温度 补偿 设计