论文部分内容阅读
摘 要：为提高硅压阻式传感器在宽温区上的精度，利用传感器高精度集成芯片实现智能数字化补偿，将传感器及其外围器件抽象为数学多项式，通过多项式拟合来消除误差。全文介绍了该系统的硬件组成、通信协议和软件设计。实验结果表明，该系统数据传输稳定，生产效率高，可满足硅压阻式传感器小批量智能补偿。
关键词：压阻式传感器 高精度集成芯片 智能補偿
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0065-03
当今的现代化产业中，压力传感器扮演了很重要的角色。由于MEMS压力传感器具有高性能、低成本和小尺寸等优点，被广泛地应用于汽车电子、工业控制、消费电子、航天航空和医疗等领域。
MEMS压力传感器是微系统世界里第一个出现的MEMS器件，该项技术已相当成熟，且市场空间很大。预计到2018年的市场规模可达到30亿美金。MEMS压力传感器在消费电子领域，尤其是智能手机和平板电脑，将跟随加速度计和陀螺仪的步伐，出现一轮新的爆发增长。以半导体单晶硅为主体材料形成弹性层，也作为力-电的转换元件，在其上也可以利用集成信号处理电路。弹性元件是用微机械加工的办法将单晶硅刻蚀成一个周边固支的圆形、矩形或双岛结构等的弹性膜片，在膜片上制作与流体压强成正比变化的应变电阻器作为将压力信号转换成电信号的转换元件，再经电路放大、调理，输出所需要的信号或在仪表上进行显示。但是由于半导体的温度特性，促使压力传感器随环境温度的变化，其输出信号发生漂移从而带来较大误差，针对传感器输出的温度漂移，采用数字处理芯片进行有针对性的处理，如果能得到良好的信号优化，则可以成为一种高精度、高灵敏度、高稳定的传感器。因此，高稳定性、高精度的数字补偿系统决定了它在传感器信号处理上的技术发展空间。
1 压阻式压力传感器原理
传感器敏感芯片上的4个电阻条组成了闭合惠斯通电桥。由4个应变电阻组成的电平行四边形中，对一组对角点上施加输入电压VB时，在另一组对角点上有输出电压VO产生，其数值由下式给出：
式中，为电源电压；为电桥输出电压。
单晶硅压力传感器一般是在硅膜片上制作4个应变电阻，其等效电路如图1所示，图中R1、R2、R3、R4为4个单晶硅扩散电阻条，组成惠斯顿电桥，在单晶硅膜片上，应力区可分为正应力区和负应力区，在设计时，将桥臂电阻（R1、R3）设计在正应力区，而另一对桥臂电阻（R2、R4）设计在负应力区。当压力作用在膜片上时，应变电阻的变化与压力成正比。
2 热灵敏度漂移产生原因
产生热灵敏度漂移的原因是多方面的，压力灵敏度与压阻系数成比例关系，压阻系数是温度的函数，因此，压阻系数随温度变化是产生热灵敏度漂移的一个原因。实际生产中当力敏电阻条的掺杂浓度不合适时，也会造成较大的热灵敏度漂移。
传统补偿方式采用恒流源供电代替恒压源供电，并且在电桥的输入正负端并入一电阻，也可以做到热灵敏度的补偿。（见图2）
3 数字智能补偿系统
3.1 高稳定性、高精度数字补偿原理
传感器的数字式补偿原理就是先将传感器的模拟输出信号转换为数字信号，然后将数字信号交给微处理器，微处理器运用补偿算法对数字量进行修正，即可减小测量信号的误差。该文所述的ASIC补偿芯片在0.18 μm集成电路工艺基础上进行设计，通过传感器->信号诊断电路->极限反转开关->运放->ADC模数转换模块->DSP数据处理模块->数字串口输出/DAC数模转换输出，最终实现温度及非线性补偿（见图3）。
3.2 ASIC补偿芯片参数
（1）工作电压范围：1.8～5.5V；（2）工作温度范围：-40 ℃～125 ℃；（3）支持休眠工作模式，大幅减轻MCU负担；（4）支持传感器诊断及模拟输出钳位功能；（5）支持片内差分信号极性反转；（6）片上集成1X～128X可编程，低噪声放大器；（7）片内集成24位ADC和12位DAC；（8）数字输出支持I2C/SPI串行通信接口；（9）校准精度：0.05%FSO（可同时支持二阶温度系数、三阶非线性校准）；（10）高精度内部温度传感器（绝对精度<0.5 ℃，分辨率<0.01 ℃）；（11）支持多种外部温度传感器（二极管，二端、三端热敏电阻等）；（12）支持单线编程（复用模拟输出引脚）。
3.3 ASIC数字补偿软件管理框图
ASIC数字补偿软件管理框图如图4所示。
4 高精度补偿调试与验证
进行标定时最多取3个温度点即可，一般为低温，常温和高温。若传感器只工作在高温或低温区，取两个温度点即可。恒温箱的温度最多1h即可稳定，假如在全温区上进行补偿也只要3h左右即可完成多路传感器的补偿，补偿时只需要一台电脑，一个人操作即可，若要进行更多路的补偿可以再增加一台电脑，相对于传统的模拟电子元件补偿方法提高生产效率。该应用该系统一次实现对50片硅压阻式传感器在-40 ℃～85 ℃温区上进行补偿，最大综合误差为0.25%；在- 40 ℃～125 ℃温区上补偿，最大综合误差为0.35%。
表1、表2所示为所选取的50片其中一片补偿前后的测试结果，传感器量程为120 kPa，芯片工作参考电压为3.6 V，选取的补偿温度点为-25 ℃、25 ℃、85 ℃，补偿压力点为：30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa。
5 结语
该补偿系统已经应用到某型号硅压阻式压力传感器的生产中，可实现对多个传感器进行一次性补偿校准。经过软硬件现场调试，其数据通讯稳定可靠，由于协议中加入多重校验和超时纠错处理，通信稳定。通讯帧和通讯协议简化了点对多通信程序的开发，不仅局限于该系统，稍加改变即可广泛应用于集散式检测系统、点对多数据采集系统中。系统运用MUX对各路信号采集进行切换，在保证运行效率的前提下每块单片机可以负责多路传感器的补偿。
参考文献
[1] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].2版.北京航空航天大学出版社，2000.
[2] 陆玲，周航慈.嵌入式系统软件设计中的数据结构[M].北京航空航天大学出版社，2008.
[3] 谢少伟，刘志来.基于MPX系列压力传感器的智能水位实时检测系统[J].绍兴文理学院学报，2007，27（10）：58-62.
[4] 孙凤玲，于海超，王金文，等.硅压阻式压力传感器温度补偿与算法研究，微纳电子技术[C]//全国敏感元件与传感器学术会议.2007：48-50.
[5] 唐露新，阳仲伯，陈辉，等.基于非线性误差修正的智能水质检测仪的研制[J].计算机测量与控制，2011，19（1）：224-226.
[6] 何宸，李明富，李莉，等.基于ZMD31050的一体化应变式传感器设计方法[J].兵工自动化，2014（5）：88-90.
关键词：压阻式传感器 高精度集成芯片 智能補偿
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0065-03
当今的现代化产业中，压力传感器扮演了很重要的角色。由于MEMS压力传感器具有高性能、低成本和小尺寸等优点，被广泛地应用于汽车电子、工业控制、消费电子、航天航空和医疗等领域。
MEMS压力传感器是微系统世界里第一个出现的MEMS器件，该项技术已相当成熟，且市场空间很大。预计到2018年的市场规模可达到30亿美金。MEMS压力传感器在消费电子领域，尤其是智能手机和平板电脑，将跟随加速度计和陀螺仪的步伐，出现一轮新的爆发增长。以半导体单晶硅为主体材料形成弹性层，也作为力-电的转换元件，在其上也可以利用集成信号处理电路。弹性元件是用微机械加工的办法将单晶硅刻蚀成一个周边固支的圆形、矩形或双岛结构等的弹性膜片，在膜片上制作与流体压强成正比变化的应变电阻器作为将压力信号转换成电信号的转换元件，再经电路放大、调理，输出所需要的信号或在仪表上进行显示。但是由于半导体的温度特性，促使压力传感器随环境温度的变化，其输出信号发生漂移从而带来较大误差，针对传感器输出的温度漂移，采用数字处理芯片进行有针对性的处理，如果能得到良好的信号优化，则可以成为一种高精度、高灵敏度、高稳定的传感器。因此，高稳定性、高精度的数字补偿系统决定了它在传感器信号处理上的技术发展空间。
1 压阻式压力传感器原理
传感器敏感芯片上的4个电阻条组成了闭合惠斯通电桥。由4个应变电阻组成的电平行四边形中，对一组对角点上施加输入电压VB时，在另一组对角点上有输出电压VO产生，其数值由下式给出：
式中，为电源电压；为电桥输出电压。
单晶硅压力传感器一般是在硅膜片上制作4个应变电阻，其等效电路如图1所示，图中R1、R2、R3、R4为4个单晶硅扩散电阻条，组成惠斯顿电桥，在单晶硅膜片上，应力区可分为正应力区和负应力区，在设计时，将桥臂电阻（R1、R3）设计在正应力区，而另一对桥臂电阻（R2、R4）设计在负应力区。当压力作用在膜片上时，应变电阻的变化与压力成正比。
2 热灵敏度漂移产生原因
产生热灵敏度漂移的原因是多方面的，压力灵敏度与压阻系数成比例关系，压阻系数是温度的函数，因此，压阻系数随温度变化是产生热灵敏度漂移的一个原因。实际生产中当力敏电阻条的掺杂浓度不合适时，也会造成较大的热灵敏度漂移。
传统补偿方式采用恒流源供电代替恒压源供电，并且在电桥的输入正负端并入一电阻，也可以做到热灵敏度的补偿。（见图2）
3 数字智能补偿系统
3.1 高稳定性、高精度数字补偿原理
传感器的数字式补偿原理就是先将传感器的模拟输出信号转换为数字信号，然后将数字信号交给微处理器，微处理器运用补偿算法对数字量进行修正，即可减小测量信号的误差。该文所述的ASIC补偿芯片在0.18 μm集成电路工艺基础上进行设计，通过传感器->信号诊断电路->极限反转开关->运放->ADC模数转换模块->DSP数据处理模块->数字串口输出/DAC数模转换输出，最终实现温度及非线性补偿（见图3）。
3.2 ASIC补偿芯片参数
（1）工作电压范围：1.8～5.5V；（2）工作温度范围：-40 ℃～125 ℃；（3）支持休眠工作模式，大幅减轻MCU负担；（4）支持传感器诊断及模拟输出钳位功能；（5）支持片内差分信号极性反转；（6）片上集成1X～128X可编程，低噪声放大器；（7）片内集成24位ADC和12位DAC；（8）数字输出支持I2C/SPI串行通信接口；（9）校准精度：0.05%FSO（可同时支持二阶温度系数、三阶非线性校准）；（10）高精度内部温度传感器（绝对精度<0.5 ℃，分辨率<0.01 ℃）；（11）支持多种外部温度传感器（二极管，二端、三端热敏电阻等）；（12）支持单线编程（复用模拟输出引脚）。
3.3 ASIC数字补偿软件管理框图
ASIC数字补偿软件管理框图如图4所示。
4 高精度补偿调试与验证
进行标定时最多取3个温度点即可，一般为低温，常温和高温。若传感器只工作在高温或低温区，取两个温度点即可。恒温箱的温度最多1h即可稳定，假如在全温区上进行补偿也只要3h左右即可完成多路传感器的补偿，补偿时只需要一台电脑，一个人操作即可，若要进行更多路的补偿可以再增加一台电脑，相对于传统的模拟电子元件补偿方法提高生产效率。该应用该系统一次实现对50片硅压阻式传感器在-40 ℃～85 ℃温区上进行补偿，最大综合误差为0.25%；在- 40 ℃～125 ℃温区上补偿，最大综合误差为0.35%。
表1、表2所示为所选取的50片其中一片补偿前后的测试结果，传感器量程为120 kPa，芯片工作参考电压为3.6 V，选取的补偿温度点为-25 ℃、25 ℃、85 ℃，补偿压力点为：30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa。
5 结语
该补偿系统已经应用到某型号硅压阻式压力传感器的生产中，可实现对多个传感器进行一次性补偿校准。经过软硬件现场调试，其数据通讯稳定可靠，由于协议中加入多重校验和超时纠错处理，通信稳定。通讯帧和通讯协议简化了点对多通信程序的开发，不仅局限于该系统，稍加改变即可广泛应用于集散式检测系统、点对多数据采集系统中。系统运用MUX对各路信号采集进行切换，在保证运行效率的前提下每块单片机可以负责多路传感器的补偿。
参考文献
[1] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].2版.北京航空航天大学出版社，2000.
[2] 陆玲，周航慈.嵌入式系统软件设计中的数据结构[M].北京航空航天大学出版社，2008.
[3] 谢少伟，刘志来.基于MPX系列压力传感器的智能水位实时检测系统[J].绍兴文理学院学报，2007，27（10）：58-62.
[4] 孙凤玲，于海超，王金文，等.硅压阻式压力传感器温度补偿与算法研究，微纳电子技术[C]//全国敏感元件与传感器学术会议.2007：48-50.
[5] 唐露新，阳仲伯，陈辉，等.基于非线性误差修正的智能水质检测仪的研制[J].计算机测量与控制，2011，19（1）：224-226.
[6] 何宸，李明富，李莉，等.基于ZMD31050的一体化应变式传感器设计方法[J].兵工自动化，2014（5）：88-90.