1.引言

由于擴(kuò)散硅壓力傳感器采用了硅彈性材料、半導(dǎo)體工藝和微機(jī)械加工技術(shù),它體積小(芯片2×2mm)成本低、精度高、穩(wěn)定性好,且能以O(shè)EM方式提供給整機(jī)廠進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),所以得到了迅速普及。擴(kuò)散硅壓力傳感器通過(guò)擴(kuò)散電阻的壓阻效應(yīng)感應(yīng)壓力變化,從根本上受溫度影響比較大,限制了它在寬溫區(qū)的高精度。

2.擴(kuò)散硅壓力傳感器的溫度補(bǔ)償方法

擴(kuò)散硅壓力傳感器的溫度補(bǔ)償一般分內(nèi)補(bǔ)償和外補(bǔ)償。內(nèi)補(bǔ)償通過(guò)傳感器的設(shè)計(jì)、制造工藝,封裝材料、形式來(lái)減小零點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù),特別是通過(guò)控制擴(kuò)散阻條的摻雜濃度,使傳感器的滿量程溫度系數(shù)控制在0.75%FS/全溫區(qū),在一般應(yīng)用中做到滿量程免補(bǔ)償。由于內(nèi)補(bǔ)償有局限性,所以必須進(jìn)行外補(bǔ)償。外補(bǔ)償?shù)男问蕉鄻?有通過(guò)固定電阻網(wǎng)絡(luò)的兩點(diǎn)式補(bǔ)償(零點(diǎn)和滿量程的溫度系0.75%FS/70℃

0~70℃);通過(guò)熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)的三點(diǎn)式補(bǔ)償(零點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)為0.5%FS55℃C,-30~+80℃;通過(guò)單片機(jī)的智能多點(diǎn)補(bǔ)償(智能壓力變送器)等。近年來(lái),集信號(hào)處理、溫度補(bǔ)償于一體的壓阻式傳感器信號(hào)調(diào)理芯片(SSC)以其高集成、多功能,大大提高了擴(kuò)散硅壓力傳感器的性能價(jià)格比。這類芯片的溫度補(bǔ)償方法與單片機(jī)的智能多點(diǎn)補(bǔ)償類似通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度,溫度值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換作為地址指針,儲(chǔ)存在存貯器中此地址的零點(diǎn)和滿量程的溫度修正系數(shù)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換成模擬量,修正傳感器輸出信號(hào)中零點(diǎn)和滿量程的溫度漂移。這類芯片的存貯器的類型有ROM、 EPROM(SCA2095)、 E-PROM(MAX1457)型;有片外,也有集成在片內(nèi)(SCA2095)的。溫度傳感器有的集成在片內(nèi),有的外接,還有的利用擴(kuò)散硅壓力傳感器橋路電阻的溫度敏感性來(lái)感應(yīng)溫度。

3.MAX1457的組成及補(bǔ)償原理

MAX1457是這種芯片中比較典型的1個(gè),它包括1個(gè)傳感器激勵(lì)電流源;1個(gè)3位可編程增益放大器;5個(gè)16位DA轉(zhuǎn)換器;1個(gè)12位帶可編程數(shù)字增益和數(shù)字偏置調(diào)整的A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)通用運(yùn)算放大器。

MAX1457利用擴(kuò)散硅壓力傳感器橋路電阻的溫度敏感性來(lái)感應(yīng)溫度,不僅可以補(bǔ)償傳感器零點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)的一階誤差(相當(dāng)于兩點(diǎn)補(bǔ)償),還可以通過(guò)查表法補(bǔ)償零點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)的高階誤差。 E- PROM中零點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)存貯數(shù)量各為120個(gè)(240字節(jié)),如果溫度分辨率足夠的話,對(duì)于從-40~+125℃,可以每隔1.4℃插一點(diǎn)。一般擴(kuò)散硅壓力傳感器零點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)為0.01%

FS/℃,故理論上傳感器溫度誤差可以補(bǔ)償?shù)?.014%FS/℃(-40~+125℃)MAX1457零點(diǎn)溫度補(bǔ)償如圖1所示,它是將存貯在 E- PROM中的零點(diǎn)溫度漂移值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量 OTCDAC后,經(jīng)A1放大,再通過(guò)求和電路與經(jīng)過(guò)PGA放大的傳感器信號(hào)相加減,達(dá)到補(bǔ)償零點(diǎn)溫度誤差的效果。

VAX1457滿量程溫度補(bǔ)償采用與兩點(diǎn)補(bǔ)償和三點(diǎn)補(bǔ)償同樣的原理,改變傳感器的供電電流。對(duì)于恒流激勵(lì)模式,擴(kuò)散硅傳感器的輸出如下式:

滿量程溫度系數(shù)為靈敏度溫度系數(shù)與橋路電阻溫度系數(shù)之和,由于制造工藝原因,滿量程溫度系數(shù)很難控制為零,通常控制為正數(shù),再通過(guò)改變傳感器供電電流Ⅰ,的溫度系數(shù),進(jìn)一步補(bǔ)償。如圖2所示

                                                圖2滿量程補(bǔ)償示圖

MAX1457將存貯在E2PROM中的滿量程溫度漂移值轉(zhuǎn)換為模擬量 FSOTCOU T,改變鏡像電流源Ⅰ,進(jìn)而改變擴(kuò)散硅傳感器供電電流Ⅰ,將滿量程溫度誤差修正到要求值。

4.全溫區(qū)高精度(0.1級(jí))壓力變送器的研制

MAX1457的功耗很低,電源電流***為2.6mA可以用于二線制.4~20mA信號(hào)輸出的全溫區(qū)高精度壓力變送器中。應(yīng)用MAX1457研制的壓力變送器組成如圖3所示。

由于是全溫區(qū)(-30~+80℃)壓力變送器,所以要考慮MAX1457供電電源的溫度系數(shù)MAX1457的輸出是將傳感器輸出信號(hào)放大的電壓信號(hào)(0.5~4.5VDC),壓力變送器將此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)V/Ⅰ變換,轉(zhuǎn)為電流信號(hào)輸出0~16mA,此電流與電源電流4mA疊加成兩線制4~20mA輸出。電源電流由各個(gè)元器件的耗電電流決定,各個(gè)元器件的耗電電流在不同溫度下的變化將影響傳感器的零點(diǎn)輸出電流,雖然這個(gè)變化量可通過(guò)MAX1457補(bǔ)償,但是卻增加了對(duì)傳感器零點(diǎn)溫度系數(shù)的要求。測(cè)量評(píng)估板在不同溫度下的電流(包括傳感器耗電電流0.5mA),30℃時(shí)為3.36mA,25℃時(shí)為2.87mA,80℃時(shí)為2.67mA.其變化量相當(dāng)于4.5%FS.通過(guò)在電路中采用零溫度系藪恒流源提供電路電源電流來(lái)消除這個(gè)影通過(guò)MAX1457補(bǔ)償傳感器零點(diǎn)、量程溫度系數(shù),般要求傳感器零點(diǎn)溫度系數(shù)不大于1.5倍靈敏度溫度系數(shù)(TCS),傳感器量程溫度系數(shù)應(yīng)為正。傳感器量程溫度系數(shù)為負(fù)時(shí),應(yīng)在傳感器供電電流部分加二極管校正;傳感器零點(diǎn)失調(diào)過(guò)大超出MAX1457補(bǔ)償范圍時(shí),可在傳感器橋路中串電阻進(jìn)行修正。

用MAX1457進(jìn)行溫度補(bǔ)償,首先要進(jìn)行一階線性補(bǔ)償,然后再進(jìn)行高階矢量插值補(bǔ)償。對(duì)于-30+80℃溫度補(bǔ)償,一階線性補(bǔ)償通常選-35℃+85℃.高階矢量插值通常從低溫-35℃開(kāi)始,且要注意地址數(shù)字增益要合適,以防插值到高溫時(shí),超出存貯器存貯范圍,前功盡棄。

用MAX1457研制高精度壓力變送器,在線路板布線時(shí)要防止引入干擾。

用MAX1457研制高精度壓力變送器在全溫區(qū)的補(bǔ)償結(jié)果表1所示。由表1可知，補(bǔ)償后，在-30~±80℃溫度范圍內(nèi),壓力變送器零點(diǎn)和滿量程的溫度誤差在01%FS之內(nèi)。在低溫區(qū),因?yàn)閭鞲衅髁泓c(diǎn)和滿量程溫度誤差在低溫區(qū)非線性較大,所以插值較密

5.結(jié)論

使用MAX1457精密補(bǔ)償?shù)娜珳貐^(qū)高精度壓力變送器已定型生產(chǎn)。這種變送器由于在模擬域?qū)鞲衅餮a(bǔ)償,克服了通過(guò)單片機(jī)智能補(bǔ)償帶來(lái)的量化噪聲和低頻響,響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms