CN104458121A - 一种硅压力传感器温漂补偿电路及电路构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硅压力传感器温漂补偿电路，由其特征在于，包括Ra、Rb、Rc、Rd、Re、Rn、Rt，其中Ra、Rb、Rc、Rd、Re均为由一个或多个电阻构成的补偿电阻网络，Rn为单个负温度系数热敏电阻，Rt为单个正温度系数热敏电阻，电压源输入端Vcc通过Ra与硅压力传感器的激励电源输入正端Uin相连接，Ra与硅压力传感器整个电桥串联；Rc同Rt并联然后同Rb串联构成Rq，Rq的一端与激励电源输入正端Uin相连接，Rq的另一端与输出信号正端Uo+相连，Rq同硅压力传感器桥臂R1实现并联；Re同Rn并联然后同Rd串联构成Rp，Rp的一端与激励电源输入正端Uin相连接，Rp的另一端与输出信号负端U_O-相连，Rp同硅压力传感器桥臂R4实现并联。

Description

一种硅压力传感器温漂补偿电路及电路构建方法

技术领域

本发明属于流体压力测量领域，涉及到一种硅压力传感器温漂补偿方法。

背景技术

硅压力传感器具有结构简单、灵敏度高、动态性能好等特点，广泛用于压力测试场合。然而由于其半导体工艺自身问题，硅压力传感器总存在温漂现象，其温漂主要由零点温漂和灵敏度温漂构成。

目前常见的硅压力传感器温漂补偿方法有使用补偿芯片进行补偿、使用温度采集模块加微处理器通过算法插值的方法等。使用上述补偿方法由于电子元件自身的原因，通常最多能够在-40℃～+120℃温度范围内实现传感器的温漂补偿。然而在更大使用温度范围如-55℃～+150℃的使用场合，使用上述方法难以实现硅压力传感器的温漂补偿。在大温度范围内存在很多压力测试需求，目前迫切需要一种能够满足大使用温度范围的硅压力传感器温漂补偿方法。

常见的硅压力传感器温漂补偿通过温度标定系统来实现，标定系统如图1所示，构建用于硅压力传感器标定试验的平台。其中硅压力传感器放在恒温箱内；打压仪通过导气管同硅压力传感器相连，并通过压力校验仪读取压力值；补偿网络通过4根导线同硅压力传感器相连，恒压源提供电压激励，万用表读取硅压力传感器输出电压信号。

图2为硅压力传感器等效惠斯通电桥，Uin和GND同输入激励电压源的正端和负端相连，Uo+和Uo-作为硅压力传感器输出信号的正端和负端，R1、R2、R3、R4为硅压力传感器各桥臂等效电阻。

发明内容

本发明的目的是：为了满足在-55℃～150℃温度范围内的压力测试需求，提高压力测试精度，本发明提出一种硅压力传感器温漂补偿方法。其能够实现-55℃～150℃温度范围内的温漂补偿功能，提高硅压力传感器测量精度。

本发明的技术方案是：本发明所采用的技术方案是一种硅压力传感器温漂补偿方法。所述方法把硅压力传感器视为由R1、R2、R3、R4构成的惠斯通电桥，Uin端和GND端同输入激励电压源的正端和负端相连，Uo+和Uo-作为硅压力传感器输出信号的正端和负端，通过在电桥上构建可工作于-55℃～150℃的补偿电阻网络以实现硅压力传感器的温漂补偿。

本发明提供了一种硅压力传感器温漂补偿电路，由其特征在于，包括Ra、Rb、Rc、Rd、Re、Rn、Rt，其中Ra、Rb、Rc、Rd、Re均为由一个或多个电阻构成的补偿电阻网络，Rn为单个负温度系数热敏电阻，Rt为单个正温度系数热敏电阻。

电压源输入端Vcc通过Ra与硅压力传感器的激励电源输入正端Uin相连接，Ra与硅压力传感器整个电桥串联；Rc同Rt并联然后同Rb串联构成Rq，Rq的一端与激励电源输入正端Uin相连接，Rq的另一端与输出信号正端Uo+相连，Rq同硅压力传感器桥臂R1实现并联；Re同Rn并联然后同Rd串联构成Rp，Rp的一端与激励电源输入正端Uin相连接，Rp的另一端与输出信号负端UO-相连，Rp同硅压力传感器桥臂R4实现并联。

进一步的，构成Ra、Rb、Rc、Rd、Re的电阻均为能在-55℃～150℃温度范围内工作，精密度在1‰以内，温漂值在20ppm以内的电阻，Rn为能在-55℃～150℃温度范围内工作的负温度系数热敏电阻，Rt为能在-55℃～150℃温度范围内工作的正温度系数热敏电阻。

构建上述的温漂补偿电路的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建用于硅压力传感器温漂补偿的标定系统；

(2)把硅压力传感器放入恒温箱内，加热到25℃并保持两小时，在额定激励电压源下，读取零压力和满量程压力时刻的输出压力信号值；

(3)调整权利要求1中的Ra值，完成常温下的灵敏度补偿；

(4)调整权利要求1中Rp、Rq值，完成常温零点补偿；

(5)恒温箱温度调至-55℃，降温到该温度并保持两小时，读取该时刻零压力和满量程压力输出信号值；

(6)再次调整Rp值，实现-55℃零点补偿；

(7)恒温箱温度调至150℃，升温到该温度并保持两小时，读取该时刻零压力和满量程压力输出信号值；

(8)再次调整Rq值、Rp值使用25℃时刻值，实现150℃零点补偿；

(9)根据获取的25℃、-55℃以及150℃补偿电阻信息Rp₂₅、Rp_-55、Rq₂₅以及Rq₁₅₀，计算Rb、Rc、Rd、Re的值，可由如下公式推导：

${\mathrm{Rp}}_{25}=\mathrm{Rd}+\frac{\mathrm{Re}*\mathrm{Rn}}{\mathrm{Re}+\mathrm{Rn}}$

${\mathrm{Rp}}_{-55}=\mathrm{Rd}+\frac{\mathrm{Re}*\mathrm{\β}*\mathrm{Rn}}{\mathrm{Re}+\mathrm{\β}*\mathrm{Rn}}$

${\mathrm{Rq}}_{25}=\mathrm{Rb}+\frac{\mathrm{Rc}*\mathrm{Rt}}{\mathrm{Rc}+\mathrm{Rt}}$

${\mathrm{Rq}}_{150}=\mathrm{Rb}+\frac{\mathrm{Rc}*\mathrm{\α}*\mathrm{Rt}}{\mathrm{Rc}+\mathrm{\α}*\mathrm{Rt}}$

其中Rp₂₅为25℃时获取的桥臂R4边的补偿电阻网络阻值，Rp_-55为-55℃获取的桥臂R4边的补偿电阻网络阻值，β为负温度系数热敏电阻Rn的温度系数；Rq₂₅为25℃时获取的桥臂R1边的补偿电阻网络阻值，Rq₁₅₀为150℃时获取的桥臂R1边的补偿电阻网络阻值，α为正温度系数热敏电阻Rn的温度系数

(10)获取Ra、Rb、Rc、Rd、Re、Rn、Rt并构建温漂补偿电路。

本发明的优点是：本发明一种硅压力传感器温漂补偿电路及电路构建方法，通过试验获取硅压力传感器温漂特性并构建其温漂补偿电路，特别是在硅压力传感器桥臂R1上并联补偿电阻网络Rq以改变硅压力传感器在25℃～150℃内的温漂特性，在桥臂R4上并联补偿电阻网络Rp以改变硅压力传感器在-55℃～25℃内的温漂特性,且在正温度系数热敏电阻Rt上并联Rc值，在负温度系数热敏电阻Rn上并联Re，用以改变补偿网络温漂特性，使其温漂特性与硅压力传感器温漂特性互补，用以提高硅压力传感器温漂补偿精度。经过试验验证，使用本补偿方法进行硅压力传感器的温漂补偿后，在-55℃～150℃温度范围内，硅压力传感器温漂小于0.02％FS/℃。本方法具有结构简单、工作温度范围广、成本低等优点，可满足大使用温度范围的压力测试需求。

附图说明：

图1为硅压力传感器标定试验硬件系统框图；

图2为硅压力传感器等效惠斯通电桥；

图3为补偿电阻网络图；

图4为本发明一种硅压力传感器温漂补偿方法实现的流程图；

图5为补偿前后1MPa硅压力传感器误差特性比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图3为硅压力传感器温漂补偿电阻网络。

进一步的，补偿电阻网络主要包括同电桥串联的补偿电阻网络Ra，同桥臂R1并联的补偿电阻网络Rq以及同桥臂R4并联的补偿电阻网络Rp。所述的补偿电阻网络Rq由补偿电阻网络Rb、Rc和Rt组成，其中Rc同Rt并联，再同Rb串联。所述的补偿电阻网络Rp由补偿电阻网络Rd、Re和Rn组成，其中Re同Rn并联，再同Rd串联。

进一步的，所述补偿电阻网络Ra主要完成25℃灵敏度补偿；Rb、Rc、Rd、Re、Rn、Rt主要完成各温度下零点补偿。其中Rb起到把硅压力传感器零点正向偏移的作用，Rd起到把硅压力传感器零点负向偏移的作用，Rc和Rt以及Re和Rn共同作用主要实现温漂补偿。

图4为实现硅压力传感器温漂补偿的流程图。以一支量程为1MPa硅压力传感器为例，具体实施步骤如下：

(1)按照图1构建用于标定的试验平台；

(2)恒温箱加热到25℃并保持两小时；

(3)在25℃，额定激励电压源下，读取硅压力传感器零点和满量程输出特性；

(4)通过调整Ra值进行灵敏度补偿，完成常温下的灵敏度补偿，选取Ra值为16Ω。

(5)调整Rq、Rp值，实现常温零点补偿。其中Rq的调整需要遵循原则是：在额定激励电压源下且仅有Ra和Rq作用时，硅压力传感器在其工作温度范围内零点输出始终大于0。选取Rq值为620KΩ，Rp值为990KΩ。

(6)把恒温箱加热到-55℃并保持两小时。

(7)调整Rp值，实现硅压力传感器在-55℃的零点补偿。选取Rp值为1360KΩ。

(8)将恒温箱加热到150℃并保持两小时。调整Rq值，Rp值使用25℃时刻值，实现150℃零点补偿。选取Rq值为980KΩ。

(9)根据获取的25℃、-55℃以及150℃补偿电阻信息Rp₂₅、Rp_-55、Rq₂₅以及Rq₁₅₀，计算Rb、Rc、Rd、Re的值，可由如下公式推导：

${\mathrm{Rp}}_{25}=\mathrm{Rd}+\frac{\mathrm{Re}*\mathrm{Rn}}{\mathrm{Re}+\mathrm{Rn}}$

${\mathrm{Rp}}_{-55}=\mathrm{Rd}+\frac{\mathrm{Re}*\mathrm{\β}*\mathrm{Rn}}{\mathrm{Re}+\mathrm{\β}*\mathrm{Rn}}$

${\mathrm{Rq}}_{25}=\mathrm{Rb}+\frac{\mathrm{Rc}*\mathrm{Rt}}{\mathrm{Rc}+\mathrm{Rt}}$

${\mathrm{Rq}}_{150}=\mathrm{Rb}+\frac{\mathrm{Rc}*\mathrm{\α}*\mathrm{Rt}}{\mathrm{Rc}+\mathrm{\α}*\mathrm{Rt}}$

其中Rp₂₅为25℃时获取的桥臂R4边的补偿电阻网络阻值，Rp_-55为-55℃获取的桥臂R4边的补偿电阻网络阻值，β为负温度系数热敏电阻Rn的温度系数；Rq₂₅为25℃时获取的桥臂R1边的补偿电阻网络阻值，Rq₁₅₀为150℃时获取的桥臂R1边的补偿电阻网络阻值，α为正温度系数热敏电阻Rn的温度系数。通过计算获取各补偿电阻网络值，Rb为610KΩ，Rc为465KΩ，Rd为970KΩ，Re为690KΩ，Rn为22KΩ，Rt为22KΩ。

(10)构建补偿电路，并在-55℃、-40℃、20℃、0℃、25℃、70℃、150℃进行性能验证试验。

图5为1MPa硅压力传感器在额定激励电压源下补偿前后的误差特性曲线图。从图中可知，传感器在进行温漂补偿前存在较大的温漂，在-55℃时其误差最大，达到了-3.4mV。经过温漂补偿后，传感器在其工作温度-55℃～150℃范围内，性能得到了较大提高，在-55℃存在最大误差为1.14mV。

综上所述，本发明提供的硅压力传感器温漂补偿方法能够实现硅压力传感器在-55℃～150℃温度范围内的温漂补偿，提高其在-55℃～150℃内的测量精度。

Claims (3)

1.一种硅压力传感器温漂补偿电路，由其特征在于，包括Ra、Rb、Rc、Rd、Re、Rn、Rt，其中Ra、Rb、Rc、Rd、Re均为由一个或多个电阻构成的补偿电阻网络，Rn为单个负温度系数热敏电阻，Rt为单个正温度系数热敏电阻，

电压源输入端Vcc通过Ra与硅压力传感器的激励电源输入正端Uin相连接，Ra与硅压力传感器整个电桥串联；Rc同Rt并联然后同Rb串联构成Rq，Rq的一端与激励电源输入正端Uin相连接，Rq的另一端与输出信号正端Uo+相连，Rq同硅压力传感器桥臂R1实现并联；Re同Rn并联然后同Rd串联构成Rp，Rp的一端与激励电源输入正端Uin相连接，Rp的另一端与输出信号负端U_O-相连，Rp同硅压力传感器桥臂R4实现并联。

2.根据权利要求1所述的硅压力传感器温漂补偿电路，由其特征在于，构成Ra、Rb、Rc、Rd、Re的电阻均为能在-55℃～150℃温度范围内工作，精密度在1‰以内，温漂值在20ppm以内的电阻，Rn为能在-55℃～150℃温度范围内工作的负温度系数热敏电阻，Rt为能在-55℃～150℃温度范围内工作的正温度系数热敏电阻。

3.构建权利要求1所述的温漂补偿电路的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建用于硅压力传感器温漂补偿的标定系统；

(2)把硅压力传感器放入恒温箱内，加热到25℃并保持两小时，在额定激励电压源下，读取零压力和满量程压力时刻的输出压力信号值；

(3)调整权利要求1中的Ra值，完成常温下的灵敏度补偿；

(4)调整权利要求1中Rp、Rq值，完成常温零点补偿；

(5)恒温箱温度调至-55℃，降温到该温度并保持两小时，读取该时刻零压力和满量程压力输出信号值；

(6)再次调整Rp值，实现-55℃零点补偿；

(7)恒温箱温度调至150℃，升温到该温度并保持两小时，读取该时刻零压力和满量程压力输出信号值；

(8)再次调整Rq值、Rp值使用25℃时刻值，实现150℃零点补偿；

(9)根据获取的25℃、-55℃以及150℃补偿电阻信息Rp₂₅、Rp_-55、Rq₂₅以及Rq₁₅₀，选取Rn和Rt并计算Rb、Rc、Rd、Re的值，可由如下公式推导：

${\mathrm{Rp}}_{25}=\mathrm{Rd}+\frac{\mathrm{Re}*\mathrm{Rn}}{\mathrm{Re}+\mathrm{Rn}}$

${\mathrm{Rp}}_{-55}=\mathrm{Rd}+\frac{\mathrm{Re}*\mathrm{\β}*\mathrm{Rn}}{\mathrm{Re}+\mathrm{\β}*\mathrm{Rn}}$

${\mathrm{Rq}}_{25}=\mathrm{Rb}+\frac{\mathrm{Rc}*\mathrm{Rt}}{\mathrm{Rc}+\mathrm{Rt}}$

${\mathrm{Rq}}_{150}=\mathrm{Rb}+\frac{\mathrm{Rc}*\mathrm{\α}*\mathrm{Rt}}{\mathrm{Re}+\mathrm{\α}*\mathrm{Rt}}$

其中Rp₂₅为25℃时获取的桥臂R4边的补偿电阻网络阻值，Rp_-55为-55℃获取的桥臂R4边的补偿电阻网络阻值，β为负温度系数热敏电阻Rn的温度系数；Rq₂₅为25℃时获取的桥臂R1边的补偿电阻网络阻值，Rq₁₅₀为150℃时获取的桥臂R1边的补偿电阻网络阻值，α为正温度系数热敏电阻Rn的温度系数；

(10)获取Ra、Rb、Rc、Rd、Re、Rn、Rt并构建权利要求1所述的温漂补偿电路。