幾種實用的壓力傳感器靈敏度溫度漂移補償方法

1、引言

現代信息產業的三大支柱是傳感器技術、通信技術和計算機技術，它們分別構成信息系統的“感官”、“神經”和“大腦”。傳感器是信息采集系統的首要部件，幾乎應用于所有的技術領域，世界各國都越來越重視傳感器的研制與開發。

壓力傳感器是應用最為廣泛的傳感器之一，今年來，先進國家都加大了對壓力傳感器的研究力度。對壓力傳感器的研究集中在原理、制造工藝、傳感器補償技術與信號調理上。現有壓力傳感器在原理和生產工藝上主要有電容式、粘貼式、硅壓阻式、合金電阻應變式幾種，各種傳感器的工藝技術都日趨成熟，尤其是合金電阻應變式壓力傳感，性能優越，應用越來越廣泛。本文針對影響硅壓阻式和合金薄膜應變式壓力傳感器測量精度的一個主要誤差——靈敏度溫漂進行分析，探討各種補償方法，通過對靈敏度溫漂的有效補償，減少溫度變化引起的測量誤差，提高壓力傳感器測量精度。

2、影響壓力傳感器靈敏度溫漂的主要因素

2.1 靈敏度和靈敏度溫漂

硅壓阻式和合金薄膜壓力傳感器采用的轉換電路一般為全橋應變電路，測量原理見圖1示：

圖1 全橋應變電路

壓力傳感器敏感芯片受到壓力產生電阻阻值改變，R1和R4電阻增大，R2和R3電阻減小，橋路輸出一個與壓力成正比的電信號。理論上，4個電阻阻值相同，均為R，電阻R1和R4的變化值均為ΔR，電阻R2和R3的變化值均為（-ΔR），可推導出，傳感器的零點輸出見公式（1）：

ΔV=U×ΔR/R                                            (1)

靈敏度是指壓力傳感器在滿量程壓力下，單位輸入所產生的輸出；是壓力傳感器的靜態特性中的一項重要指標。靈敏度溫漂指壓力傳感器的滿量程輸出隨溫度變化的改變率。壓力傳感器的靈敏度溫漂的計算公式見式（2）：

β=(YF.S(t₂)- YF.S(t₁))×100%/［YF.S(t₁)×( t₂- t₁)］/℃     (2)

其中YF.S表示壓力傳感器的滿量程輸出。

2.2 產生靈敏度溫漂的主要原因

2.2.1 產生硅壓阻式傳感器靈敏度溫漂的主要原因

對于硅壓阻式壓力傳感器，產生靈敏度溫漂的原因是多方面的。壓力靈敏度與壓阻系數成比例關系，壓阻系數是溫度的函數，因此壓阻系數隨溫度變化是產生靈敏度溫漂的主要原因。壓阻系數隨溫度升高而下降，靈敏度溫度系數總是小于零，而且壓敏電阻的壓阻系數的溫度系數大，一般需要進行溫度補償，這是硅壓阻式壓力傳感器最大缺點。另外，絕緣層與基底材料的熱膨脹系數不匹配，電阻摻雜不合適等也會影響靈敏度溫漂。因此壓阻系數的溫度系數造成的溫漂相對比較復雜，補償相對困難，但一般有一定的規律，可按照經驗和規律進行補償。

2.2.2 產生合金薄膜應變式傳感器靈敏度溫漂的主要原因

對于合金薄膜應變式壓力傳感器，由于應變電阻隨彈性元件的變化而變化，而彈性元件彈性模量是溫度的函數，隨著溫度增加，彈性模量會增大，所以壓力傳感器有一個正的靈敏度溫漂；這是影響靈敏度溫漂的主要原因。由于彈性模量的溫度系數為一定值，所以，合金薄膜壓力傳感器的靈敏度溫漂基本為一恒定值，補償相對簡單，方便進行補償。

3、幾種補償靈敏度溫漂的方法

下面介紹目前通用的幾種靈敏度溫漂的補償方法：

如圖2示：將二極管串接入橋路的供壓電源端來實現靈敏度溫漂的補償；其原理是：對橋路采用恒壓源供電，二極管在正向使用時相當于負溫度系數的小電阻，當環境溫度增加，二極管正向電阻值減小，二極管的分壓減小，橋路的供橋電壓增加，使得傳感器的零點輸出與滿量程輸出增加，從而達到補償硅傳感器的負靈敏度溫漂。這種方法簡單實用，適應于硅壓阻式傳感器的靈敏度溫漂補償；缺點是二極管補償方式離散性大，不能實現連續補償。

3.2 熱敏電阻補償法

采用恒壓源供電，橋式電路的輸出與供橋電壓成正比，與橋臂電阻的變化量（ΔR₁+ΔR₄-ΔR₂-ΔR₃）成正比，與橋臂平均電阻R成反比。通過改變橋壓的大小就可以實現靈敏度溫漂的補償。在橋路的供壓電源端來串入一個溫度系數比橋臂電阻大得多的熱敏電阻，通過在不同溫度下，熱敏電阻的分壓不同，引起橋路的供橋電壓改變，從而達到改變傳感器零點和滿量程的改變。澤天傳感在濺射薄膜壓力傳感器的溫度補償上，長期采用這種補償方式，結果表明，該補償方式簡單易行，效果良好。

對于硅壓阻式傳感器，由于電阻的溫度系數與壓阻系數的溫度系數均為負值，在熱敏電阻的選擇上，要選擇負溫度系數比橋臂電阻大得多的熱敏電阻，這樣，在高溫下，熱敏電阻的分壓比常溫下小，橋路的供橋電壓增加，滿量程輸出增加，起到補償作用。合金應變式壓力傳感器的補償與硅壓阻式相反，因為彈性材料與合金電阻材料的溫度系數均為正值，熱敏電阻須選擇正溫度系數大的電阻，如純銅電阻。

通過串接熱敏電阻方式補償靈敏度溫漂，工藝簡單，補償精度也高；這種方法相比教于二極管補償方法更精確，熱敏電阻的溫度系數成線性，可以實現連續精確的補償，是最常用的補償方法。

3.3 數字化補償

由于高精度的數字調理電路的發展，壓力傳感器的零點溫漂與靈敏度溫漂都可以通過后期電路進行修正。在數字調理芯片內部，帶有溫度傳感器，能實時測量傳感器環境溫度。電路內部存儲器，可以預先存入各種溫度下對應的零點與滿量程輸出值。在各種環境溫度下，通過內部溫度傳感器測量實時溫度，電路調出預先存儲的該溫度點下的零點與滿量程輸出值，從而達到補償的目的。

4、結論

本文通過分析硅壓阻式和合金薄膜應變式壓力傳感器的靈敏度溫漂產生的主要原因，針對靈敏度溫漂的特點，介紹幾種有效的補償方法。分析和澤天傳感長期的實驗結果表明：通過熱敏電阻或高精度調理電路都可以實現對壓力傳感器的靈敏度溫漂的有效補償，使壓力傳感器溫度誤差滿足0.2級或更高精度要求。