机电工程-new董健-final.doc

1. 具体实现时，先用我WCT1PC可程式高低温试验机对各压敏电阻的环境温度进行变化.?2. 上述12种情况中，只可能有一种情况使桥路平衡方程组有解。?根据桥路的对称性，应该是成对解，请作者复核！3. 在信号测试中，作者应将不加补偿时与加补偿时的信号测试对比！压阻式冲击硅微机械加速度传感器的温度补偿董健(浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室, 杭州, 310014)摘要：文中给出了一种压阻式冲击硅微机械加速度传感器的零位温度漂移和灵敏度温度漂移的补偿方法与实现。冲击硅微机械加速度传感器的四个压敏电阻构成惠斯通全桥连接。该方法采用串并联电阻来补偿加速度传感器的零位温度漂移，采用在电源后串联二极管来补偿加速度传感器的灵敏度温度漂移。具体实现时，先采用高低温试验机对各压敏电阻的环境温度进行变化，通过设计的接口检测电路测量出四个压敏电阻阻值随温度变化值。然后用设计的应用软件计算出补偿电阻值、补偿电阻在桥路中的位置以及串联二极管的数量。最后根据计算结果给出了冲击硅微机械加速度传感器实际的信号检测电路。关键词：零位温度漂移，灵敏度温度漂移，补偿，串并联电阻中图分类号：TP21220 前言表明冲击加速度传感器是测量侵彻型撞击、工程冲击实验、爆炸实验的核心器件，在航空、电子、汽车以及军事等领域有着重要的应用。采用MEMS工艺制作的冲击硅微机械加速度传感器具有体积小、成本低、批量生产等优点，更具有开发应用的价值。压阻式冲击硅微机械加速度传感器相对于电容式冲击硅微机械加速度传感器具有制作工艺简单，动态响应特性和输出信号线性度好，外围测量电路简单的优点。但是，压阻式冲击硅微机械加速度传感器在承受冲击时坏境温度变化较大，压敏电阻随温度而产生变化，测量信号容易产生温度漂移。因此，压阻式冲击硅微机械加速度传感器的温度补偿在传感器信号测试过程中非常重要，直接影响到传感器的测试精度。本文针对一种全桥连接的压阻式冲击硅微机械加速度传感器，提出了它的零位温度漂移和灵敏度温度漂移的补偿方法和具体实现。根据补偿原理，我们采用在桥路中串并联电阻的方法来补偿加速度传感器零位温度漂移，采用在电源后串联二极管的方法来补偿加速度传感器灵敏度温度漂移。具体实现时，先断开加速度传感器各压敏电阻间的连接线，将加速度传感器放置于WCT1PC可程式高低温试验机中，改变加速度传感器的的环境温度，通过设计的接口检测电路单独测量出四个压敏电阻阻值随温度变化值，然后用设计的应用软件计算出补偿电阻值、补偿电阻在桥路中的位置以及串联二极管的数量，再根据计算构建补偿电路。实际测试结果表明，该补偿方法能有效地补偿加速度传感器的温度效应。1 冲击微机械加速度传感器的结构1压阻式冲击硅微机械加速度传感器的设计版图如图1所示。在硅片平面内设计了两个分布方向相反结构相同的悬臂梁，每个悬臂梁顶端通过硼扩散形成两个压敏电阻。加速度传感器的敏感方向在硅片平面内，当加速度传感器感受加速度时,悬臂梁弯曲，两个悬臂梁上的四个压敏电阻分别增大和减小。四个电阻通过铝引线与输入输出端相连，在检测电路上构成惠斯通全桥连接，通过测量恒定输入电压下电桥输出电压的变化来测量冲击加速度的值。加速度传感器悬臂梁部分的立体结构如图2所示，在悬臂梁的顶面通过硼扩散形成具有压阻效应的敏感电阻区域，在悬臂梁的两侧外面用深反应离子刻蚀工艺刻出过载保护曲面。图1 压阻式冲击硅微机械加速度传感器设计版图图2 加速度传感器悬臂梁部分立体示意图1 加速度传感器的温度漂移和温度补偿原理1.1 加速度传感器的温度漂移压阻式传感器受到温度影响后，会产生零位温度漂移和灵敏度温度漂移。组成电桥的四个扩散电阻的阻值由于制作工艺上的原因不可能制作得完全相等，所以当压力为零时，电桥的输出不为零，这称为传感器的零位输出。扩散电阻的温度系数不可能制作得完全一致，它与扩散时表面杂质浓度有关，表面杂质浓度高时，电阻温度系数小，表面杂质浓度低时，电阻温度系数大。因此，当温度变化时，四个扩散电阻的阻值变化不均匀，零位输出会发生变化，这称为传感器的零位温度漂移。扩散电阻的压阻系数随温度变化而改变，当温度升高时，压阻系数变小，传感器灵敏度要降低；当温度降低时，压阻系数变大，传感器灵敏度要升高，这称为传感器的灵敏度温度漂移。1.2 加速度传感器的零位温度漂移补偿原理对传感器的零位温度漂移采用串并联电阻补偿的方法。如图3所示，图中串联在上，并联在上。图3 零位温度漂移补偿电路选择温度系数很小的薄膜电阻来作为串并联补偿电阻，即认为和的阻值与温度无关。设，与，为四个桥臂电阻在低温与高温下的实际值，根据低温和高温下B，D两点的电位应该相等的条件，可得出两个桥路平衡公式2如下 （1） （2）上述公式只针对串联在上，并联在上的情况。实际上串并联形式共有表1所示12种情况，相应的桥路平衡公式为调整公式（1）（2）中和的位置。表1 串并联形式置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于置于上述12种情况中，只可能有二种情况使桥路平衡方程组有解。只要找出其中一种情况就找到了我们所需要的零位温度漂移补偿电路的串并联形式和串并联电阻值。1.3 加速度传感器的灵敏度温度漂移补偿原理当温度升高时，传感器的灵敏度要降低，此时可适当提高电桥的电源电压，使电桥的输出不改变，就可以达到补偿的目的；反之温度降低时，传感器的灵敏度升高，此时可适当降低电桥的电源电压，仍使输出保持不变，即能达到补偿目的。半导体二极管恰好具有这样的负温度特性（温度每升高1时，正向压降要减小2.0 mV左右）。如图4所示在采用恒压源供电的检测电路中，可以在电源回路中串联适当数量的二极管来达到灵敏度温度补偿的目的3。图4 灵敏度温度漂移补偿电路二极管的数量由下式决定 （3）式中，为温度变化的范围，电桥桥压变化的数值，二极管PN结正向压降的温度系数。对于全桥联接，温度变化时，为保持传感器灵敏度不变，电桥桥压需要变化的数值为 （4）式中，为温度变化的范围，电桥桥压，扩散电阻灵敏度温度系数。将式（4）代入式（3），则有 （5）式中，为电桥输入电压，扩散电阻灵敏度温度系数，二极管PN结正向压降的温度系数。2 加速度传感器的温度补偿实现2.1 零位温度漂移补偿的实现如图5所示，具体操作时，先断开加速度传感器各压敏电阻间的连接线，将加速度传感器放置于WCT1PC可程式高低温试验机中，改变加速度传感器的的环境温度，通过设计的接口检测电路单独测量出四个压敏电阻阻值随温度变化值，然后用设计的应用软件再将测量得到的数值输入至计算机中，通过计算机中设计好的应用软件计算出串并联补偿电阻的阻值和连接方法。图6与图7给出了接口检测系统框图与应用软件框图。WCT1PC可程式高低温试验机接口检测系统应用软件图5 零位温度漂移现场测试图图6 接口检测系统框图图7 应用软件框图针对本冲击加速度传感器的使用温度变化范围，选择低温测量温度为30，高温测量温度为100，测量得到低温时四个桥路的电阻为，高温时四个桥路的电阻为，。经应用软件计算得到，串联补偿电阻，串联在上，并联补偿电阻，并联在上。2.2 灵敏度温度漂移补偿的实现在本冲击硅微机械加速度传感器的制作过程中，选择硼扩散制作压阻条，掺杂浓度为，因此，灵敏度温度系数为0.0018。二极管PN结正向压降的温度系数取为2.0/，电桥输入电压为，代入式（5）计算出，圆整后取。因此，必须在电源回路中串联5个二极管。3 加速度传感器的实际检测电路与信号测试结果3.1 实际检测电路下图8给出了带有温度漂移补偿的冲击硅微机械加速度传感器的实际信号检测电路4。图8 带有温度漂移补偿的加速度传感器的信号检测电路图中，电源回路中串联了5个二极管用作灵敏度温度漂移的补偿；串联电阻串联在上，并联电阻并联在上，用作零位温度漂移的补偿；精密仪表放大器INA122用作电压放大，差分输入接法。3.2 信号测试结果图9 温度补偿后灵敏度与温度关系图9显示了在常温变化范围内，经温度补偿后测试到的加速度传感器灵敏度与温度的关系。由图中可知，在0时，加速度传感器灵敏度为1.275,在30时, 加速度传感器灵敏度为1.261。温度升高时，灵敏度略微降低，灵敏度误差为1.1%。这说明补偿电路能有效补偿加速度传感器的温度漂移。4 结论针对压阻式冲击硅微机械加速度传感器的温度漂移，可以采用串并联电阻的方法来补偿加速度传感器的零位温度漂移，采用在电源回路中串联二极管来补偿加速度传感器的灵敏度温度漂移。具体操作为，先用高低温试验机对传感器的环境温度进行变化，通过设计好的接口检测电路和应用软件，计算补偿电阻阻值、补偿电阻在桥路中的位置以及串联二极管的数量，然后构建补偿电路。测试结果表明，这一方法能有效地补偿加速度传感器的温度漂移，并且该方法简单易行，适合在实际中应用。参 考 文 献1 董健，李昕欣，王跃林，张鲲，宋朝晖. 曲面过载保护的新型高g值冲击硅微机械加速度传感器的设计J. 机械强度，2003，25（2）：148-150.2 樊尚春. 传感器技术与应用M. 北京：北京航空航天大学出版社， 2004.3 袁希光. 传感器技术手册M. 北京：国防工业出版社， 1986.4 董健. 高g值冲击硅微机械加速度传感器的研究 D. 杭州 : 浙江大学信息科学与工程学院 , 2003: 81.