高精度硅壓阻式氣壓傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周曉宇， 張萌穎， 杜利東， 趙 湛

(1．中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感器技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100080)

高精度硅壓阻式氣壓傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周曉宇1,2， 張萌穎1,2， 杜利東1， 趙 湛1

(1．中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感器技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100080)

為了消除環(huán)境溫度對硅壓阻式傳感器輸出的影響，大幅提升硅壓阻式傳感器的測量精度，將傳感器芯片與熱源和測溫原件封裝在一起，通過控制加熱的方式使傳感器工作在恒定50 ℃的環(huán)境中，對傳感器進(jìn)行線性標(biāo)定和測試。結(jié)果顯示：在-45～45 ℃環(huán)境下，600～1 100 hPa量程內(nèi)氣壓傳感器的測量誤差小于0.3 hPa。

硅壓阻式氣壓傳感器； 芯片加熱； PID控制； 溫度補(bǔ)償

0 引 言

現(xiàn)代社會，隨著人類活動頻率增高，活動范圍變廣，天氣的監(jiān)測與預(yù)報(bào)也越來越重要。傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測要素包括氣壓、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度等。而氣壓是其中重要的參數(shù)之一，因此,高精度大量程的氣象壓力傳感器的研究對氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展具有重大意義。

硅壓阻式壓力傳感器靈敏度高，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應(yīng)好，易于向集成化、智能化方向發(fā)展。然而,由于壓阻效應(yīng)存在較大的溫度系數(shù)，這類傳感器受溫度的影響較大[1],若要在氣象領(lǐng)域應(yīng)用，則需要在較大溫度范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)高精度的準(zhǔn)確測量。因此，硅壓阻式壓力傳感器都要經(jīng)過一系列的溫度補(bǔ)償操作之后才能投入使用。常用的補(bǔ)償方式有反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法、曲面擬合算法以及最小二乘法等，大多實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜或補(bǔ)償精度不高[2～4]。

針對硅壓阻壓力傳感器芯片工作性能受到環(huán)境溫度的影響較大，本文設(shè)計(jì)了一種新的補(bǔ)償方式，即直接對芯片加熱使其工作在恒定環(huán)境溫度下，徹底消除工作環(huán)境溫度對硅壓阻傳感器芯片測量壓力性能的影響。

1 恒溫工作傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文將加熱電阻，測溫鉑電阻，以及硅壓阻式傳感器芯片通過導(dǎo)熱絕緣的硅膠粘貼在一起，加熱電阻發(fā)熱對硅壓阻式傳感器芯片進(jìn)行加熱，鉑電阻測量芯片工作的實(shí)時(shí)溫度并提供控制參數(shù)，最終使得傳感器芯片工作在穩(wěn)定環(huán)境溫度下。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的氣壓傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器芯片與熱源分別置于印刷電路板(PCB)的兩端，并將該P(yáng)CB中央挖空以放置測溫鉑電阻。這樣的結(jié)構(gòu)使得鉑電阻與傳感器芯片盡量接近，使其對溫度的測量能更接近于真實(shí)的傳感器芯片溫度。傳感器的封裝設(shè)計(jì)中，首先在上圖所示結(jié)構(gòu)部分加蓋密封僅留下測試用通氣入口，然后底部熱源外側(cè)使用隔熱膠密封，之后通過插針接入電路，整體電路最后放置在密封金屬盒中。這樣密封的設(shè)計(jì)能夠極大地減少芯片與周圍空氣的熱對流，從而減少能量耗散。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

1.2 加熱控制

1.2.1 控制電路

設(shè)計(jì)中，加熱電阻器的加熱功率是通過流過其電流通斷的占空比的變化來控制的，而流過電阻的電流通斷由一個(gè)NPN三極管提供開關(guān)作用進(jìn)行控制，該三極管的通斷由單片機(jī)輸出的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)信號控制，即PWM信號控制加熱電阻器上電流的通斷時(shí)間占空比，從而控制其加熱功率。控制電路圖如圖2。

圖2 加熱控制電路圖

其中,Rload為加熱電阻負(fù)載，MCU為單片機(jī)，其PWM信號為開漏輸出，輸出端相當(dāng)于三極管的集電極，要得到高電平狀態(tài)需要上拉電阻，適合于做電流型的驅(qū)動，其吸收電流的能力也相對較強(qiáng)。為了配合加熱電阻的電流，本文選擇了額定電流較大的三極管和電源芯片。

1.2.2 溫度控制算法

本文實(shí)驗(yàn)中單片機(jī)采用C8051F321，提供8位PWM和16位PWM。本文選擇使用16位PWM方式，其占空比如式(1)所示[5]

(1)

由式(1)可知，最大占空比為100 %(PCA0CPn=0)，最小占空比為0.001 5 %(PCA0CPn=0xFFFF)。可以通過將ECOMn位清‘0’產(chǎn)生0 %的占空比。在該設(shè)計(jì)中，根據(jù)鉑電阻器所測溫度對信號進(jìn)行調(diào)制，使用比例—積分—微分(proportion integration differentiation，PID)控制算法對PWM信號進(jìn)行調(diào)制。

本文實(shí)驗(yàn)中，PID控制[6,7]參數(shù)的選定使用的是試湊法，即通過一系列不同環(huán)境溫度下的不斷試驗(yàn)得到相對較合適的參數(shù)。最后選定的參數(shù)使得系統(tǒng)在 -45～45 ℃范圍內(nèi)都能得到較為穩(wěn)定的溫度控制結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

測試系統(tǒng)整體包括：氣壓傳感器，溫度傳感器和加熱電路組成的氣壓測量部分，通信部分，PC端，氣壓控制儀器和環(huán)境溫度控制儀器。其中，氣壓控制儀器使用的是國瑞智新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的壓力自動控制器，環(huán)境溫度控制儀器使用的是蘇州廣郡電子科技有限公司生產(chǎn)的高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，氣壓測量部分放置在試驗(yàn)箱中，留有通氣口與壓力控制器相連及通信用光纖與PC端相連。事先設(shè)置加熱目標(biāo)溫度值為50 ℃，使傳感器芯片所處位置溫度測值穩(wěn)定，PC端顯示并記錄通過光纖傳輸?shù)臍鈮簻y量值與溫度測量值。

2.2 測試流程

1)連接器件，調(diào)節(jié)控溫箱溫度為0 ℃，待環(huán)境溫度穩(wěn)定后，測量傳感器關(guān)鍵氣壓點(diǎn)輸出并記錄，得到其與標(biāo)準(zhǔn)值的線性關(guān)系，標(biāo)定傳感器。

2)調(diào)節(jié)控溫箱溫度為45 ℃，穩(wěn)定后改變氣壓分別為600,700,800,900,1 013,1 100 hPa，觀察并記錄各點(diǎn)傳感器的輸出。

3)每次降溫10 ℃，重復(fù)步驟(2)的過程，直到降溫至-45 ℃

2.3 測試結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測量得到的不同環(huán)境溫度下各氣壓點(diǎn)測量值與標(biāo)準(zhǔn)值誤差結(jié)果如圖3。

圖3 氣壓測量誤差

由圖3可知各氣壓點(diǎn)測量值與環(huán)境溫度幾乎呈線性關(guān)系，于是加入一組溫度值作為氣壓標(biāo)定的第二個(gè)參量，本文實(shí)驗(yàn)使用該系統(tǒng)電路中AD芯片的內(nèi)置溫度傳感器所測數(shù)值。

調(diào)節(jié)控溫箱溫度為45，25，5，-5，-25，-45 ℃，測試并記錄各溫度下系統(tǒng)正常工作的氣壓傳感器原始輸出以及AD芯片的內(nèi)置溫度傳感器輸出如表1。

表1 氣壓傳感器原始電壓輸出

將氣壓傳感器輸出與AD芯片的內(nèi)置溫度傳感器輸出和標(biāo)準(zhǔn)氣壓值做雙元線性回歸，得到式(2)

Pa=7.519 35V-0.076 53T-13.656 9

(2)

式中V為氣壓傳感器輸出，T為AD芯片的內(nèi)置溫度傳感器輸出，Pa為補(bǔ)償后氣壓輸出。線性相關(guān)度為0.999 9。

再次重復(fù)3.2節(jié)中(2)和(3)操作得到圖4結(jié)果。

圖4 氣壓測量誤差

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新的基于硅壓阻式傳感器芯片的恒溫工作的氣壓傳感器系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了線性標(biāo)定及-45～45 ℃環(huán)境下的測量，得到了600～1 100 hPa量程下誤差小于0.3 hPa的結(jié)果。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：對于受環(huán)境溫度影響較大的硅壓阻式傳感器芯片，直接對其加熱并控制工作溫度的方式可行，且能達(dá)到較高的精度。但另一方面來說，這樣的補(bǔ)償方式的有效性與使用的原始芯片質(zhì)量高度相關(guān)。隨著MEMS技術(shù)發(fā)展，集成化、微小化將是各類傳感器芯片的發(fā)展方向[8,9]，可將加熱、測溫和測壓元件設(shè)計(jì)制作在同一塊芯片上，獲得更簡單的標(biāo)定方式以及精確度更高的結(jié)果。

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周曉宇(1990一)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閭鞲衅鲬?yīng)用。

Design of high-precision silicon piezoresistive gas pressure sensor system

ZHOU Xiao-yu1,2， ZHANG Meng-ying1,2， DU Li-dong1， ZHAO Zhan1

(1．State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electrics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China；2．University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China)

Greatly affected by the environment in which the most obvious effect of temperature.In order to eliminate influence of ambient temperature on output of silicon piezoresistive sensor,greatly enhance measurement precision of piezoresistive silicon sensor,sensor chip and heat source and temperature-sensitive components are packaged together,by controlling heating mode,sensor can work in environment of constant 50 ℃ and linear calibration and testing are carried out.At -45～45 ℃ temperature measurement error of air pressure sensor system is less than 0.3 hPa at range of 600～1 100 hPa.

silicon piezoresistive gas pressure sensor; chip heating; PID control; temperature compensation

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0097—03

2016—04—27

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0097—03