（毕业论文）温压力传感器的温度补偿

1、摘 要摘 要压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器，具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。因此，它是一种发展迅速，应用广泛的新型传感器。压阻式压力传感器的一个主要问题是温度补偿问题，由于温度会对传感器的灵敏度及测量精度产生很大的影响，在相当程度上限制了压阻式压力传感器的使用，对传感器进行温度补偿显的尤为重要。本文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

2、况。关键词：压阻式压力传感器 温度测量 整体温度补偿abstractpiezoresistive pressure sensor, be made of semiconductor silicon based on piezoresistive phenomenon ,has many characteristics of high sensitivity, quick response high measurement precision ,good stability ,wide working temperature range and being miniaturized and pr

3、oduced easily. it is a new type sensor developed quickly and used widely .piezoresistive pressure sensor always faces an important problem of temperature compensation which restricts its application ,because of temperature influence on sensors sensitivity and measurement precision. therefore ,it is

4、a significant project to research temperature compensation for piezoresistive pressure sensor. in this paper, a method of temperature compensation of the basic principles, the solution to a miniature piezoresistive pressure sensor warming problem; elaborate on the overall utility of a compensation c

5、ircuit, and analysis derived from the theoretical formula, given the sensor zero overall temperature coefficient and sensitivity in contrast to the situation before and after compensation.keyword: piezoresistive pressure sensor temperature measurement the overall temperature compensationi第一章 引言目录45第

6、二章 引言第一章 引言1.1 课题背景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盛器因具有体积小、性能高、廉价等优点得到了广泛应用。但利用扩散技术形成电挢阻值易随温度改变，并且压阻组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数的离散，导致压力传感器的热灵敏度漂移和零点漂移? 为此，采用设计了一种适用于压阻式压力一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。1.2压力传感器的发展历史硅单晶材料优良的压阻效应与完美的微加工技术相结合，被广泛用于制备压力传感器

7、。现以薄膜压力传感器为例来说明传感器的发展过程。半导体传感器的发展可以分为四个阶段：1）发明阶段(19471960)：这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。此后，半导体及设备的特性得到了广泛应用。史密斯(c.s.smith)于1945年发现了硅和锗的压阻效应，即当有机械力作用于半导体材料时，其电阻发生变化。依据此原理制成的第一个压力传感器是把硅和锗应变电阻片粘在金属薄膜上，将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。2）基础技术发展阶段(19601970)：为提高传感器的性能，应变片被直接扩散在硅杯的底面簿膜上。用硅杯代替金属膜。这个阶段也是“商业和市场发展的阶段”

8、，即把技术研究变为实际应用。此阶段最小加工线度为0.5cm。3）批量加工阶段(19701980)：采用选择性的各项异性的化学腐蚀加工的工艺提高膜片的性能。由于腐蚀可以在整个表面进行，因此，数百个传感器膜片可以一批加工完成。这一阶段类似于集成电路的制作。由于表面光刻技术的发展，加工尺寸十分精确，加之离子注入工艺的应用使工艺水平进一步提高。此阶段最小加工尺寸为0.2cm。4）微机械加工阶段(1980今)：微机械加工工艺适应于结构型传感器，或线度在微米级(106)范围的其它结构。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜,标志着传感器已进入了微米阶段。此阶段标志传感器的最小尺寸为0.02cm。1.

9、3 国内外压力传感器的发展现状 目前，压力传感器的研究主要集中在如下几个方向：1）开发耐高温的压力传感器：主要是以新型半导体材料（sic）为膜片的压阻式力传感器为代表。ziermann，rene和vonberg,jochen等人首先1997年报导了使用单晶型-sic材料制成的压力传感器，这种压力传感器工作温度可达573，耐辐射。在室温下，此压力传感器的灵敏度约为20.2mv/kpa；okojie,roberts和ned,alexandera等人1997年报导了可工作在500条件下的6hsic压阻式压力传感器,它的满量程输出范围(fso at 1000psi)可达40.66mv(23)和20.0

10、3mv(500)，线性度可达0.17%,电阻的温度系数(tcr)为0.25%/(100)和0.05%/(500),tcgf(temperature coefficient of gauge factor)为0.19%/(100)和0.11%/(500)。 2)微机械加工的压力传感器卞要是以微机械加工为标志的，线度大约在1-2mm左右的微型压力传感器，这种压力传感器由于体积很小，可以放置于人体的贡要器官(如:血竹、眼睛等)内进行有关数据的采集。hachol, andrzej ;dziuban,janbochenek, andrzej 1996年报导了他们研制的用于测量眼压的眼压计，其膜片直径为l

11、mm。在内眼压力(iop-intraocular pressure)为 60mm h g时，静态输出为40mv，灵敏度系数亦较高;marco, s和samitier, j等人于1997年也报导了使用极薄膜片构成的高性能、用于生物学研究的压阻式力传感器，卞要用于血竹压力测量。 3)温度漂移的补偿由于温度是影响压力传感器线性度的卞要原因，温度漂移效应补偿研究成为众所关注的课题，近年来发表此方面的论文也比较多，归纳起来有两大类:其一是利用双惠斯顿电桥结构对温度漂移进行补偿，如:lee,young-tac和seo,hee-don等人提出的利用双惠斯顿单臂电桥结构补偿法;hou ,chenggui提出的

12、双电桥制成的压力传感器，利用双电桥来改善压力传感器的灵敏度.消除零压输出，减小灵敏度温度漂移已得到了实现等。其一是利用线性电压激励，使压阻式力传感器的灵敏度改变得以补偿。gakkested,jakob;ohlckers,per不ii halbo,leif成功地实现了这一设想。对温度变化引起的灵敏度和线性度漂移利用软件或硬件进行补偿同样取得了良好的效益4)利用压阻效应制成的加速度传感器目前，用微机械加工工艺研制二维压阻式加速度计成为主要的研究对象，此传感器主要用于加速度测量。kwuon， kijin 和 park,sek wang运用sdb(silicon directbonding)技术和lp

13、cvd技术制成单品簿膜，利用此膜研制成了二维压阻式加速度传感器，根据各个方向压力的变化来检测二维加速度，并成功地消除了横向加速度。原理是将输出的温度系数(tco-temperaturecoefficient of off set)转化为x,y,z轴惠斯顿电桥的输出量，在25-160范围内，x,y,z轴对应值分别为:0-0.07%f.s.0.028-0.016%f.s.:0.007-0.004%f.s.。在室温下，此二维压阻式加速度计在x,y,z方向加速度的灵敏度分别为:0.06mv/v0.06mv/v:0.13mv/vo sim,jun-h+an:hahm,sung-ho等人利用一种有选择性的

14、多孔硅技术和微机械加工手段，于1997年研制成功了一个八臂压阻式加速度传感器，其优点是大大改善了由微小剪切压力引起的影响。对于传感器的较低灵敏度能通过半桥组成的四个输出信号得以解决。这种传感器的效能经过实验检验是独具特色的。 5)数据的采集由于实际数据采集过程中会遇到各种不同的实验环境，对实验数据采集传输系统也有不同的要求，在有些领域，由于条件所限，采用普通有线电缆引出信号是无法满足要求或者跟本无法实现的。在这种试验环境要求下，一个比较好的解决方案就是采用无线传输技术，将采集的数据通过无线链路发送到数据接收端，构成无线数据采集系统。近儿年，随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的

15、费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必须性。而且，在过去的10年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。同时，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，特别是无线收发设备的单片模块化，使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。无线传输技术应用于传感器中可以解决传统的传感器系统因现场连线众多而带来的不便，并消除了各种隐患。 90年代后，我国将传感器的研究放在重要位置上，尤其是高精度(0.05级以上)压力传感器。目前我国从事传

16、感器生产的厂家有1300多家，所生产的产品种类仅有300余种(大约为传感器种类的七分之一)，产量1亿多只。由于众多厂家规模小，设备落后，国家投入的资金不足目比较分散，因而与世界上大的传感器厂家相比，科研水平落后5-10年，而生产水平落后10-20年，与世界上传感器更新换代的速度相比，落后儿个周期。从而导致品种不全，产量过低，仅满足国内需求的20%30%，虽说我国传感器技术与发达国家相比还比较落后，但并不是说我国的传感器的特性都不如国外的好。综合近期发表的文献，国产半导体压力传感器的特性参数有所提高。以矩形双岛膜结构的6kpa量程微压传感器特性为例，非线性为sx 10-fs，分辨率优于20pa，

17、过压保护范围大于20倍量程。对量程为100kpa的压力传感器，非线性、滞后、重复性均优于sx 10-fs。硅一蓝宝石、高温硅压力传感器的工作温度分别达到一50-3000c和0-4000c o压敏器件的可靠性mttf己达到较好水平。元器件的品种增多，测压范围己拓展，己有微压、表压、高压、绝对压力、差压等力敏元件及其配套仪表问世。1.4 压阻式传感器简介在我的论文中所研究的是压阻式压力传感器。压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器。单晶硅不仅是最广泛使用的半导体材料，也是力学性能十分优良的弹性材料。硅材料的单晶结构使硅压阻式压力传感器的迟滞极小，重复性极好;硅的压阻系数较大，使用

18、温度范围较宽。这类传感器随着硅集成电路平面工艺的完善而得到高度的发展，现在已经广泛用作高灵敏度，高精度的微型真空计，绝对压力计，流速计，流量计，声传感器，气动程控器等。它在生物，医疗，航天，海洋工程，原子能等各种尖端科技和工业领域等都有着广泛的用途。这类传感器具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。因此，它是一种发展迅速，应用广泛的新型传感器。早期的压阻传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器，它的传感组件是用半导体材料体电阻制成的粘贴式应变片;20世纪70年代以后，研制出周边固支的力敏电阻与硅膜片一体化的扩散型压阻

19、传感器，它的传感组件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。它易于批量生产，能够方便的实现微型化，集成化和智慧化，因而它成为受到人们普遍重视并重点开发的具有代表性的新型传感器。.1.5 压阻式压力传感器的特点压阻式压力传感器的最突出的优点是灵敏度高、尺寸小、横向效应小、滞后和蠕变小，适于动态测量;其缺点是受温度影响大，重复性较差。下面细化一下。优点:*频率响应范围宽，固有频率很高。*体积小，可微型化。由于采用了集成电路的工艺方法，因而硅膜片敏感组件可做得很小。*精度高、灵敏度高。*由于压阻式压力传感器无活动部件，所以它工作可靠、耐震、耐冲击、耐腐蚀、抗干扰能力强以及可以在恶劣环

20、境下工作的优点。缺点:*由于压阻式压力传感器是用半导体材料制作的，受温度影响较大，因此，在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿。*制作工艺复杂。对研制条件要求高而严格，尤其是扩散杂质、烧结、封装工艺等比其它传感器要复杂的多，因而成本较高。传感器技术发展的主要趋势:小型化，集成化，智慧化。在集成电路部分制成一些微处理器，使得其具有记忆，思维，判断，处理的能力。1.6 温度补偿的意义在对压阻式压力传感器的研究方向中，包括开发耐高温，及用于微机械加工的压力传感器，还有一个重要的研究方向是温度漂移的补偿，在实际应用当中，压阻式压力传感器的确面临着温度补偿问题。压阻式压力传感器会受到温度的影响，导

21、致零点漂移和灵敏度漂移，它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。零位漂移是因为扩散电阻阻值随温度改变而发生变化。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数亦小，反之，薄层电阻增加，温度系数增大。由于工艺上的原因，难于使4个桥臂包阻温度系数完全相同，因此，不可避免的要产生零位漂移。所以，适当提高表面杂质浓度，可以减小温度系数，进而减小零位漂移。但是，过高的杂质浓度会降低传感器的灵敏度。压阻式压力传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度改变而引起的。当温度升高时，压阻系数减小，反之则增大。所以，当温度升高时，传感器灵敏度降低。如果提高扩散电阻的表面杂质浓度，压阻系数随

22、温度变化要小一些，但传感器的灵敏度同样会降低。因此，对压阻式压力传感器进行温度补偿在实际应用当中显得相当重要。1.7 本论文的主要工作用微机电技术制造的半导体压力传感器有很多优点，但其不足之处是有较大的温度系数，特别对高温压力传感器，这个问题更为严重，通常需要采取温度补偿的措施。本次毕业设计的主要工作是设计出能使压力传感器达到下列指针的温度补偿电路：温度范围：-40 +60oc，温度漂移：t0）； i一恒流源； ,一串、并联电阻;同时，补偿后的电桥的零点漂移也应该为零，则有: (3.3) 为简化计算，令 ， ，式中 r温度为t0时桥臂电阻的平均值； r(t)温度为t1时桥臂电阻的平均值；在式（

23、3-3）中， 因而对其进行泰勒展开得： 一般认为50r，0.02r的传感器才有补偿价值，故将以上的泰勒展开式略去高次项得： (3.4)同理可得： (3.5) 又 (3.6) (3.7) 令 为补偿前传感器在温度时的零点输出； 为补偿前传感器在温度时的零点输出 即为,之间的零点漂移； 由于50r，0.02r，将（3.43.7）式分别对应代入(3.2)式中，用其中的用r近似,化简可得： (3.8)以同样的方法对(3.1)式进行化简可得: (3.9)联立(3.7),(3.8)两式组成方程，解得，的值如下： 而根据惠斯通电桥可知，整个电桥在温度为t1,t0时的等效电阻,可分别近似认为：= r(t),

24、=r：因而，在温度分别为t1,t0时，电桥在补偿前恒流源供电时的电桥输入端电压(简称桥压) 、分别可用以下式子表示:则(3.4)，（3.5)两式可分别化为:从公式可以看出，在恒流源供电下，对于待补偿的传感器，只需测量出传感器补偿前在温度t1,t0时桥压、和零点输出电压v1，v0，即可根据公式(3-11)和(3-12)计算出补偿电阻，的大小。（3）恒压源供电 若给电桥以恒压源供电，以如图3.2所示的补偿原理图进行分析。要使补偿后电桥的零点温度漂移为零，根据电桥理论同样应有： （3.14）其中vd为供电的恒压源的大小，其余符号的意义与(3.2)中相同。同理，补偿后的传感器的零点漂移也应该为零，即:

25、 根据与以上恒流源供电相似的公式推导方法，可以推导得恒压源供电时，的计算公式： 对以上两种不同供电方式作用的补偿方法进行比较可知:恒流源供电方式推导出来的补偿电阻计算公式中的待测量、和v1，v0比较容易获得，而在恒压源供电时，其补偿电阻计算公式(3.15),(3.16) 中的待测量r和r(t)在实验中就比较难以获得，且不利于批量化生产，因而在本文中我们采用第一种方式，即以恒流源供电来获得补偿电阻、的大小。用恒流源代替恒压源供电还有利于减小灵敏度温度漂移（在后面的电源分析中会给以证明）。（4）补偿电阻的确定 串并联电阻补偿法中，补偿电阻的接法达16种之多，虽然以上的推理是根据图3.2所示的电阻连

26、接方式而来，但对于、其他连接方式，经过上述同样的简化和推理方法，可以推理出同样的公式，只是符号不同而已。所以不论、如何连接，我们都可以根据以上公式计算出、大小和符号，然后根据其符号(以上述推理确定的符号为正号)确定其应连接的位置: 则； ； 0 则串于； 0 则串于。图3.2恒压源供电补偿原理图（5）补偿电阻阻值唯一性的证明 从(3.1)，(3.2)两式可以看出，用(3.11)，（3.12)两式算出的补偿电阻、应该满足下列方程组: 同理，用(3.16)，（3.17)两式算出的、也应该满足上述方程组（3.18），方程组（3.18）可进一步化为: (3.19) 其系数行列式为： 对于需要补偿的传感

27、器，方程组（3.19）的右端不可能同时为零，所以，方程组是非齐次线性方程组，由于d0，根据线性代数的理论可知，该方程组的解是唯一的。由此可以得出结论:采用恒流源和恒压源两种方式供电的两种法之中任意一种计算补偿电阻、，其结果是相同的，且接上、以后，无论采用恒压源供电还是恒流源供电，均能实现零点漂移补偿和零点温度漂移补偿。3.2压力传感器的灵敏度补偿技术 由半导体的压阻效应可知: (3.20)对于半导体而言，（1 + 2）/很小，而p/p很大，因而可以认为: r/r=p/p=,灵敏度系数 由式3.20可得：,通过计算可知：只要满足。则，即=0其中 电阻温度系数; 压阻系数温度系数; 温度为t时的压

28、阻系数;温度为t时的扩散电阻值;由温度变化引起的电阻变化量: 由前面的叙述可知:扩散电阻温度系数与压阻系数温度系数是符号相反的，所以在恒流源供电的条件下，可以通过电阻的温度系数来补偿灵敏度温度系数。当电桥的扩散电阻的表面浓度控制在一定的浓度时(或)在这两个浓度条件下，采用恒流源供电，则由温度引起的变化量r(t)与灵敏度系数变化量k(t)能够相互补偿，在生产中，只要将表面浓度控制合适，有80%的传感器不经任何补偿，灵敏度温度系数能控制在以， 基于在前文中我们采用恒流源供电的方法补偿零点温度漂移，所以在本文中我们对灵敏度温度漂移的补偿即采用以上叙述的工艺方法来实现，更进一步的补偿留待传感器在应用时

29、或制作成变送器时，用调理电路或软件来实现。在传感器的应用中，还可以利用恒流源电流温度特性对灵敏度温漂进行进一步的补偿。 如图3.3所示，电桥的输出可表给电桥以恒流源供电时示为: ,其中，则 （3.21） 式中为恒流源电流，为压阻系数，e为弹性模量，为应变量，通过实验可以得到传感器的灵敏度温度系数，当控制供电电流具有与传感器符号相反、数值相等的温度系数时，就可使vo不随温度而变化。图3.4就是使用热敏电阻网络来改变供电电流以实现补偿的。例如恒流源lm234即具有正温度系数，在应用中可用来补偿传感器的灵敏度温图3.4利用热敏电阻网络改变供电电流若应用中传感器以恒压源供电，则可以用在电源回路中串联二

30、极管的方法进行补偿，如图3.5所示。当温度升高时，传感器灵敏度要降低，此时可适当提高电桥的电源电压，使电桥输出不变，就可以达到补偿的目的。反之温度降低时，传感器灵敏度升高，如使电桥的电源电压降低些，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(温度每提高1，正向压降要减小1.92.4mv)。在电源回路串上适当数量的二极管即可达到灵敏度温度补偿的目的。二极管的数量n由下式决定: (3.21)式中 极管pn结正向压降的温度系数，一般取值为一2mv/; 温度变化范围(); 电桥桥压需要变化的数值用该方法进行补偿时，必须考虑到二极管正向压降的闭值，硅管为0.7v，锗管为0.

31、3 v，因此恒压源供电电压就稍加提高。 图3.5二极管补偿法与零点温漂补偿方法类似，在传感器的应用中，除了上述方法可以补偿灵敏度温漂外，亦可以使用压阻式传感器专用信号调理芯片(ssc)从软件上来实现进一步的补偿，其补偿原理如图3.6所示。max1457将存贮在ezprom中的灵敏度温度漂移值转换为模拟量fsotcout，改变镜像电流源i，进而改变扩散硅传感器供电电流，将满量程温度误差修正到要求值。图3.6 max 1457灵敏度温漂补偿第四章 一种压阻式压力传感器温度补偿设计第四章 一种压阻式压力传感器温度补偿设计4.1 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

32、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a，灵敏度的温度系数为?，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+t） kt=k0（1+t） 则传感器输出为：vout=（r/r0）vin=k0（1+t）vin 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； 应变系数。由此式知，压力随温度的改变量和?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4.1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。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