1、引言

現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，它們分別構(gòu)成信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，幾乎應(yīng)用于所有的技術(shù)領(lǐng)域，世界各國都越來越重視傳感器的研制與開發(fā)。

壓力傳感器是應(yīng)用最為廣泛的傳感器之一，今年來，先進(jìn)國家都加大了對壓力傳感器的研究力度。對壓力傳感器的研究集中在原理、制造工藝、傳感器補(bǔ)償技術(shù)與信號調(diào)理上。現(xiàn)有壓力傳感器在原理和生產(chǎn)工藝上主要有電容式、粘貼式、硅壓阻式、合金電阻應(yīng)變式幾種，各種傳感器的工藝技術(shù)都日趨成熟，尤其是合金電阻應(yīng)變式壓力傳感，性能優(yōu)越，應(yīng)用越來越廣泛。本文針對影響硅壓阻式和合金薄膜應(yīng)變式壓力傳感器測量精度的一個主要誤差——靈敏度溫漂進(jìn)行分析，探討各種補(bǔ)償方法，通過對靈敏度溫漂的有效補(bǔ)償，減少溫度變化引起的測量誤差，提高壓力傳感器測量精度。

2、影響壓力傳感器靈敏度溫漂的主要因素

2.1 靈敏度和靈敏度溫漂

硅壓阻式和合金薄膜壓力傳感器采用的轉(zhuǎn)換電路一般為全橋應(yīng)變電路，測量原理見圖1示：

圖1 全橋應(yīng)變電路

壓力傳感器敏感芯片受到壓力產(chǎn)生電阻阻值改變，R1和R4電阻增大，R2和R3電阻減小，橋路輸出一個與壓力成正比的電信號。理論上，4個電阻阻值相同，均為R，電阻R1和R4的變化值均為ΔR，電阻R2和R3的變化值均為（-ΔR），可推導(dǎo)出，傳感器的零點(diǎn)輸出見公式（1）：

ΔV=U×ΔR/R                                            (1)

靈敏度是指壓力傳感器在滿量程壓力下，單位輸入所產(chǎn)生的輸出；是壓力傳感器的靜態(tài)特性中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。靈敏度溫漂指壓力傳感器的滿量程輸出隨溫度變化的改變率。壓力傳感器的靈敏度溫漂的計(jì)算公式見式（2）：

β=(YF.S(t₂)- YF.S(t₁))×100%/［YF.S(t₁)×( t₂- t₁)］/℃     (2)

其中YF.S表示壓力傳感器的滿量程輸出。

2.2 產(chǎn)生靈敏度溫漂的主要原因

2.2.1 產(chǎn)生硅壓阻式傳感器靈敏度溫漂的主要原因

對于硅壓阻式壓力傳感器，產(chǎn)生靈敏度溫漂的原因是多方面的。壓力靈敏度與壓阻系數(shù)成比例關(guān)系，壓阻系數(shù)是溫度的函數(shù)，因此壓阻系數(shù)隨溫度變化是產(chǎn)生靈敏度溫漂的主要原因。壓阻系數(shù)隨溫度升高而下降，靈敏度溫度系數(shù)總是小于零，而且壓敏電阻的壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)大，一般需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這是硅壓阻式壓力傳感器最大缺點(diǎn)。另外，絕緣層與基底材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，電阻摻雜不合適等也會影響靈敏度溫漂。因此壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)造成的溫漂相對比較復(fù)雜，補(bǔ)償相對困難，但一般有一定的規(guī)律，可按照經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2.2 產(chǎn)生合金薄膜應(yīng)變式傳感器靈敏度溫漂的主要原因

對于合金薄膜應(yīng)變式壓力傳感器，由于應(yīng)變電阻隨彈性元件的變化而變化，而彈性元件彈性模量是溫度的函數(shù)，隨著溫度增加，彈性模量會增大，所以壓力傳感器有一個正的靈敏度溫漂；這是影響靈敏度溫漂的主要原因。由于彈性模量的溫度系數(shù)為一定值，所以，合金薄膜壓力傳感器的靈敏度溫漂基本為一恒定值，補(bǔ)償相對簡單，方便進(jìn)行補(bǔ)償。

3、幾種補(bǔ)償靈敏度溫漂的方法

下面介紹目前通用的幾種靈敏度溫漂的補(bǔ)償方法：

如圖2示：將二極管串接入橋路的供壓電源端來實(shí)現(xiàn)靈敏度溫漂的補(bǔ)償；其原理是：對橋路采用恒壓源供電，二極管在正向使用時相當(dāng)于負(fù)溫度系數(shù)的小電阻，當(dāng)環(huán)境溫度增加，二極管正向電阻值減小，二極管的分壓減小，橋路的供橋電壓增加，使得傳感器的零點(diǎn)輸出與滿量程輸出增加，從而達(dá)到補(bǔ)償硅傳感器的負(fù)靈敏度溫漂。這種方法簡單實(shí)用，適應(yīng)于硅壓阻式傳感器的靈敏度溫漂補(bǔ)償；缺點(diǎn)是二極管補(bǔ)償方式離散性大，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)補(bǔ)償。

3.2 熱敏電阻補(bǔ)償法

采用恒壓源供電，橋式電路的輸出與供橋電壓成正比，與橋臂電阻的變化量（ΔR₁+ΔR₄-ΔR₂-ΔR₃）成正比，與橋臂平均電阻R成反比。通過改變橋壓的大小就可以實(shí)現(xiàn)靈敏度溫漂的補(bǔ)償。在橋路的供壓電源端來串入一個溫度系數(shù)比橋臂電阻大得多的熱敏電阻，通過在不同溫度下，熱敏電阻的分壓不同，引起橋路的供橋電壓改變，從而達(dá)到改變傳感器零點(diǎn)和滿量程的改變。澤天傳感在濺射薄膜壓力傳感器的溫度補(bǔ)償上，長期采用這種補(bǔ)償方式，結(jié)果表明，該補(bǔ)償方式簡單易行，效果良好。

對于硅壓阻式傳感器，由于電阻的溫度系數(shù)與壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)均為負(fù)值，在熱敏電阻的選擇上，要選擇負(fù)溫度系數(shù)比橋臂電阻大得多的熱敏電阻，這樣，在高溫下，熱敏電阻的分壓比常溫下小，橋路的供橋電壓增加，滿量程輸出增加，起到補(bǔ)償作用。合金應(yīng)變式壓力傳感器的補(bǔ)償與硅壓阻式相反，因?yàn)閺椥圆牧吓c合金電阻材料的溫度系數(shù)均為正值，熱敏電阻須選擇正溫度系數(shù)大的電阻，如純銅電阻。

通過串接熱敏電阻方式補(bǔ)償靈敏度溫漂，工藝簡單，補(bǔ)償精度也高；這種方法相比教于二極管補(bǔ)償方法更精確，熱敏電阻的溫度系數(shù)成線性，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)精確的補(bǔ)償，是最常用的補(bǔ)償方法。

3.3 數(shù)字化補(bǔ)償

由于高精度的數(shù)字調(diào)理電路的發(fā)展，壓力傳感器的零點(diǎn)溫漂與靈敏度溫漂都可以通過后期電路進(jìn)行修正。在數(shù)字調(diào)理芯片內(nèi)部，帶有溫度傳感器，能實(shí)時測量傳感器環(huán)境溫度。電路內(nèi)部存儲器，可以預(yù)先存入各種溫度下對應(yīng)的零點(diǎn)與滿量程輸出值。在各種環(huán)境溫度下，通過內(nèi)部溫度傳感器測量實(shí)時溫度，電路調(diào)出預(yù)先存儲的該溫度點(diǎn)下的零點(diǎn)與滿量程輸出值，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?

4、結(jié)論

本文通過分析硅壓阻式和合金薄膜應(yīng)變式壓力傳感器的靈敏度溫漂產(chǎn)生的主要原因，針對靈敏度溫漂的特點(diǎn)，介紹幾種有效的補(bǔ)償方法。分析和澤天傳感長期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過熱敏電阻或高精度調(diào)理電路都可以實(shí)現(xiàn)對壓力傳感器的靈敏度溫漂的有效補(bǔ)償，使壓力傳感器溫度誤差滿足0.2級或更高精度要求。