压力传感器的温度补偿

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图3-1 恒流源供电补偿原理图

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3.2 补偿方式简介

由此可见，零点温度漂移是影响传感器精度的重要指标之一。目前为止，国外比较先进的补偿模块，如MAX1457、MCA7707等，虽然能够把传感器的零点温度漂移补偿的比较小，但却损失了传感器的一些动态性能，而且进行补偿时需要编程序，大大增加了工作的难度。相比之下，我国现在关于零点温度补偿的方法还不能做到模块化，目前我国依旧按照传统的补偿方法，根据实现的条件分为用硬件电路补偿和智能芯片或微机中软用件方法进行补偿。

3.2.1内部补偿

内部补偿主要是针对零漂的进行补偿的。在上一章我们已经介绍过，但是由于工艺生产不匹配的原因，如掺杂浓度不均匀及厚度不统一等造成的扩散电阻的阻值或扩散电阻的温度系数不一致，导致在不加压力时候电桥输出不为零并且随温度的变化而发生改变。针对这一问题我们可以通过改变传感器结构；改进传感器制造的工艺，提高扩散电阻的对称性；控制材料的特性，当掺杂浓度达到一定高度时，其电阻率随温度的变化逐步趋于稳定，同时不同的扩散系数和结深也会影响到温度敏感度，从而获得较低的温度系数；此外，考虑到金属材料具有比较低的电阻温度系数，因此在硅衬底上沉积金属膜也同样可以使温度系数降低。但是需要注意的是，掺杂浓度过高不仅会导致晶格缺陷的增加，还会导致传感器的灵敏度降低。

3.2.2外部补偿

外部补偿的方式种类很多，但可以概括为软件补偿和硬件补偿两种。

1. 硬件补偿：这种方法是在惠斯通电桥的四个电阻中，在对应的桥臂上串、并联上一定阻值大小的电阻，来平衡因四个扩散电阻初始阻值不匹配造成的零点漂移，以及它随温度变化而发生改变的温度漂移。因为这种补偿方法是在电桥上完成的，所以我们将这类方法称之为“桥内补偿法”。

压限式传感器在硅芯片上扩散出的四个桥臂电阻，通常是将其连接成惠斯通电桥。为了使电桥的灵敏度最大，将一对阻值增加的电阻对接。将另一对阻值减小的电阻也对接，如图3-1所示。

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在图3-1所示的补偿法原理图中，调节电桥的零点输出是通过串并联于桥臂上的电阻来实现的。并且尽可能使零点输出随着温度变化而产生的漂移控制在最小的范围。其中，串联电阻RS主要起到调零作用，并联电阻RP主要起补偿作用。而且RS,RP一般选用温度系数非常小的金属膜电阻，故可以认为温度系数为零。其关键在于准确的计算出串并联电阻RS,RP的大小。根据供电方式不同，补偿电路可以分为恒压源供电方式和恒流源供电方式两种情况，下面我们分别对两种供电方式进行比较分析。并推导补偿电阻的计算公式。

(1)补偿电阻计算公式的推导

关于补偿电阻RS, RP的求解，前人已经做了许多工作，大多数人都采用如下（3-8）公式计算：

（3-8） 其中

?2??4?2??42R2R3?3K??()??2?12?1R1R4?1?1、?2、?3、?4为四个桥臂电阻的温度系数。要测量并计算这四个温度系数十分麻烦，而

且由于计算的公式中还出现了（1-K）,而K又可能非常接近1。从计算方法的理论可知，两个接近数相减是一种病态问题，如果在侧量和计算这四个温度系数时产生微小的误差，则(1-K)的相对误差就可能会很大，从而使计算出的补偿电阻阻位误差较大，这就会使补偿效果不佳，甚至将本来就己较好的传感器，通过这一补偿，反而变差了。所以在公式中出现(1-K)是该算法严重缺陷，应该重新寻求别的计算补偿电阻的方法。

（2）恒流源供电

在惠斯通电桥中，补偿电阻的接法有16种之多，现以如图3-1所示的恒流源供电电路为例进行分析。

根据电桥平衡理论可知，图3-1所示电桥在未接补偿电阻时应该满足：

（3—9）

其中I为供电电流源的大小。而由于几四个桥臂电阻的参数不匹配。使在零点时式((3-9)的R1R3?R2R4?0，随温度的变化而发生改变。因此可以在桥臂上串或并联适当阻值大小的电阻来消除这种不平衡，使R1R3?R2R4?0，并使其温度的变化无限趋向于0，这就是零温度漂移补偿的目的。当给电桥串并联上如图3-1所示的电阻进行补偿时，要达到补偿的效果使电桥的零点温度漂移为零，就必须满足下列式子的要求：

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（3—10）

其中Ri（T）――四个桥臂电阻在温度T1的时的阻值Ri（i=1,2,3,4）;

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Ri――四个桥臂电阻在温度T0时的阻值(T1＞T0); Ii――恒流源;

RS,RP ――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—11）

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（3-10）， ，因而对其进行泰勒展开得：

一般认为RP ≥50R, RS≤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—12） 得：

（3—13）

（3—14）

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（3—15）

令 为补偿前传感器在温度T1时的零点输出；

为补偿前传感器在温度T0时的零点输出；

，即为T1，T0之间的零点漂移。

由于RP ≥50R 、RS≤0.02R，将（3—12 ~ 3—15）式分别代入（3—10）并且将其中的Ri

用R近似，化简可得：

（3—16）

以同样的方法对（3—9）式进行化简可得：

（3—17）

联立（3—15），（3—16）两式组成方程，解得RS , RP的值如下：

（3—18）

（3—19）

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RBR1 ，RBR0可分别近似认为RBR1=R(T)，RBR0=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）VBR1、VBR0分别可以用以下式子表示：

VBR1=IRBR1 VBR0=IRBR0

则（3—12），（3—13）两式可分别化为：

（3—20）

（3—21）

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