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單晶硅壓力傳感器溫度漂移的補(bǔ)償方法引言 目前，國(guó)內(nèi)外單晶硅壓力傳感器的溫度漂移指標(biāo)最高 水平為 4-0.0l％FS／~C，多數(shù)補(bǔ)償溫度范圍為 -20～85℃。 而在有些場(chǎng)合，實(shí)際需要工作溫度范圍為一45～125oC。溫度 漂移要降到 ±0．05％FS／~C以下；國(guó)際上壓力傳感器溫度 補(bǔ)償?shù)难芯恳恢痹谶M(jìn)行，有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。本文通過(guò)對(duì)某單晶硅壓力傳感器溫度漂移產(chǎn)生的機(jī)理和補(bǔ)償技術(shù)的研究 ，使單晶硅壓力傳感 器 的熱零點(diǎn) 漂移和熱靈敏度漂移在-45～85℃溫區(qū)內(nèi)達(dá)到±0.014％FS／~C，從而滿足實(shí)際需要 。 1、溫度漂移機(jī)理 單晶硅壓力傳感器，是利用單晶硅 的壓阻效應(yīng)制成。 壓阻系數(shù)是隨溫度變化而變化，因此壓阻效應(yīng)原理本身可 引起傳感器輸出的溫度漂移；另外 ，半導(dǎo)體敏感元件的制作 工藝也會(huì)帶來(lái)傳感器的整體溫度漂移，如，橋路電阻的不等同性、橋臂電阻的漏電流、裝配應(yīng)力等¨．2j。 壓阻系數(shù)π是衡量單晶硅材料壓阻效應(yīng)大小的參數(shù)。 在單晶硅各晶向上的壓阻系數(shù)是不同的 ，如在正交坐標(biāo)系中來(lái)描述壓阻效應(yīng)與電阻值之間的關(guān)系 ，可寫成 由于 P型硅和N型硅在室溫下以壓阻系數(shù)π11，π12，π44為 主，以P型硅為例，壓阻系數(shù)分量取決于π44，π11，π12，壓阻系數(shù)π44是隨溫度的變化而變化的。壓阻系數(shù)π44隨溫度的變化劇烈程度還與表面參雜濃度有關(guān) ，其關(guān)系曲線如圖1所示 。 2 溫度漂移特性分析 壓阻式壓力傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換通過(guò)惠斯登電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)， 如圖2所示 。
如果r1=r3=r2=r4，則 △r1=△r3=△r2=△r4，當(dāng)電橋一 組對(duì)角點(diǎn)上施加輸入電壓Vi時(shí) ，在另一組對(duì)角點(diǎn)上有輸出電壓V0產(chǎn)生 ，其輸出為 此時(shí) ，由于△r與膜片所受的壓力成正比 ，壓力敏感元件將輸出一個(gè)與壓力P成正比的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。 壓力傳感器的最理想特性是輸出只隨被測(cè)壓力的變化而線性變化 ，但從溫度漂移產(chǎn)生機(jī)理可見 ，在未采取措施的情況下 ，環(huán)境 溫度的變化一定會(huì)引起傳感器輸出的變化 。輸出變化表現(xiàn)為零點(diǎn)輸出、靈敏度等參數(shù)隨環(huán)境溫度而變化 。 3 補(bǔ)償方法 3.1補(bǔ)償原理 對(duì)壓力傳感器溫度特性的補(bǔ)償 ，從零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移兩方面補(bǔ)償。 目前補(bǔ)償方法很 多 ，有熱敏電阻補(bǔ)償法 ，串并聯(lián)電阻補(bǔ)償法 ，單片機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償法 ，有源電路分段補(bǔ)償法等口 。所研究的單晶硅壓力傳感器采用補(bǔ)償電路原理如圖3所示 。 針對(duì)熱零點(diǎn)漂移 ，通過(guò)串并聯(lián)電阻的方法進(jìn)行補(bǔ)償 。對(duì)于熱靈敏度漂移補(bǔ)償，通過(guò)恒流供電、溫控開關(guān)與有源電路組成的補(bǔ)償電路共同完成 ，見圖3中的w4，w3，和w2等部分。恒流供電后的最佳靈敏度溫度系數(shù)為0.05％FS／~C，該系數(shù)還不能滿足實(shí)際的需要。傳感器在恒流供電的一次補(bǔ)償后，又采用有源電路分段補(bǔ)償法進(jìn)行再次補(bǔ)償，使之達(dá)到 較高補(bǔ)償水平。首先，對(duì)待補(bǔ)償傳感器的靈敏度輸出特性進(jìn)行檢測(cè) ，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)確定分段溫度點(diǎn) ，并將w3開關(guān)的分段點(diǎn)設(shè)置在該溫度點(diǎn)。然后，在負(fù)溫區(qū)使開關(guān)接通 ， 將靈敏度溫度系數(shù)曲線的-45℃ 的高翹端往下拉平 ；在正溫區(qū)則接通R6，將靈敏度溫度系數(shù)曲線的85℃的高翹端往下拉平 。圖 4示出測(cè)范圍為0～1MPa傳感器的靈敏度輸出隨溫度變化典型情況：圖4(a)為單一恒流供電補(bǔ)償時(shí)的傳感器靈敏度一溫度特性曲線 ；圖4(b)為恒流供 電與單一 電阻器R5并聯(lián)時(shí)的該傳感器靈敏度一溫度特性曲線； 圖4(c)為恒流供電與分段采用電阻器R5和R6并聯(lián)時(shí)的該傳感器靈敏度一溫度特性曲線。
3.2 補(bǔ)償計(jì)算方法 3.2.1 恒流供電補(bǔ)償計(jì)算 在一定摻雜濃度下，使敏感元件電阻溫度系數(shù)為正，可 應(yīng)用恒流供 電對(duì)敏感元件 的靈敏度溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償 。 恒流供電電流I根據(jù)實(shí)用敏感元件設(shè)計(jì)靈敏度需要而定，由圖5可知 ，其電流 3.2.2 串并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)計(jì)算 首先，對(duì)產(chǎn)品的壓力與溫度特性進(jìn)行檢測(cè)，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上 ，計(jì)算各串聯(lián)與并聯(lián)電阻的阻值。 (1)測(cè)試低溫Tc 、高溫Th和下限壓力Po與上限壓力P ，以及在恒流源供電方式下的輸出電壓和電橋電壓 。 (2)零點(diǎn)補(bǔ)償電阻計(jì)算 ：為計(jì)算零點(diǎn)補(bǔ)償電阻，引入變量A，B，C，D，其 中 式中 ， Voc,Voh分別為低溫和高溫時(shí)的零位輸出電壓V，V2c，V2h分別為低溫和高溫時(shí)滿量程輸出電壓，V；Ec，Eh 分別為低溫和高溫時(shí)的電橋電壓，V；Po，P2 為分別為上限和下限壓力，MPa；Tc，Th分別為最低溫和最高溫溫度，℃。 為了計(jì)算串聯(lián)補(bǔ)償電阻R5，并修正由于電橋臂引入電阻R3和R4而引起的誤差的簡(jiǎn)化公式為 計(jì)算出的R3的阻值可正 、可負(fù) ，阻值的正負(fù)指示電阻的位置 ，如圖3所示 ，串聯(lián)的補(bǔ)償可由R3 或 R4來(lái)完成，它們之間的關(guān)系如下 ： 當(dāng) R8≥0時(shí) ，R4=R5，R3=0(短路)；R8<0時(shí) ，R3=R8， R4=0(短路 )。零點(diǎn)溫度并聯(lián)補(bǔ)償電阻Rp可由式 (10)算出 同上 ，電阻Rp的位置也有2種情況：當(dāng) Rp ≥ 0時(shí) ， R2=Rp ，Rl=∞(開路 )；當(dāng) Rp<0時(shí) ，Rl=Rp ，R2=∞(開 路 )。 (3)靈敏度分段補(bǔ)償電阻計(jì)算 為提高固定電阻并聯(lián)補(bǔ)償?shù)木�，采用溫控組合開關(guān) (圖3的 w2 部分)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)分段補(bǔ)償提高補(bǔ)償精度的目的�？梢钥闯觯嚎梢园裭6～20℃作為補(bǔ)償?shù)姆侄吸c(diǎn) ，也可將0～l0℃作為補(bǔ)償?shù)姆侄吸c(diǎn)。用溫控開關(guān)w2來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的高溫 區(qū)、低溫區(qū)的分別補(bǔ)償。通過(guò)恒流源供電下的傳感器橋壓信號(hào)的變化 ，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫控開關(guān)的動(dòng)作，以此來(lái)控 制并聯(lián)在電橋兩端的電阻的接入，從而降低恒流源負(fù)載電 阻的溫度系數(shù) ，這樣 ，即可實(shí)現(xiàn)分段補(bǔ)償 。下面給出了低溫和高溫下輸出電壓( Vc，Vh )、電阻(Rc，Rh )和靈敏度的溫度補(bǔ)償電阻 R5，R6 的計(jì)算公式 4 補(bǔ)償結(jié)果與分析 4.1 傳感器補(bǔ)償前后參數(shù)的比較 表1列出采用串并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償 、恒流供電補(bǔ)償 、有源電路分段補(bǔ)償?shù)染C合方法補(bǔ)償前后參數(shù) 的比較結(jié)果。
4.2傳感器主要性能檢測(cè)結(jié)果 表2為6只傳感器溫度漂移等主要參數(shù)補(bǔ)償結(jié)果。 為了比較，本文還采用小波去噪方法對(duì)所測(cè)超聲信號(hào)進(jìn)行了去噪處理 (選用dbl小波 ，四層分解 )，處理結(jié)果如圖2(d)所示 。根據(jù)公式 (7)，計(jì)算圖 2(b)，2(c)和 2(d)的 信噪比分別為 1.2dB，6.45dB和6.47dB。這個(gè)計(jì)算結(jié)果說(shuō)明了本文去噪方法和小波去噪均極大地提高超聲缺陷信號(hào)的信噪比，而且，本文方法去噪效果與小波去噪效果是非常接近的。另外 ，這個(gè)結(jié)果也說(shuō)明了本文去噪方法的正確性和有效性。 本文去噪方法與小波去噪方法相比，優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)信噪盲分離實(shí)現(xiàn)去噪 ，去噪過(guò)程直觀 ，去 噪效果好。 3 結(jié)論 本文提出了一種基于盲源分離的超聲信號(hào)去噪方法。 應(yīng)用本文方法對(duì)仿真的加噪超聲信號(hào)進(jìn)行了去噪處理 ，并 且 ，與小波去噪方法進(jìn)行了 比較 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ：本文的去噪方法能有效地對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行去噪，極大地提高信噪比，增強(qiáng)缺陷信號(hào)，其去噪效果能與小波去噪效果相媲美。本文去噪方法的特點(diǎn)是通過(guò)超聲信號(hào)和噪聲信號(hào)的盲源分離實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)去噪。 參考文獻(xiàn) ： [1] GustafssonM G。StepinskiT．Studiesofsplitspectrum processing，optimaldetection，and maximum likelihoodamplitudeestimationusingasimplecluttermodel[J]．Ultrasonics，1997，35(1)： 3l一52． [2] DraiR，KhelilM，BenchaalaA．Timefrequencyandwavelettransform appliedtoselectedproblemsinultrasonicsnde[J]．NDT andEIntemational，2002，35(8)：567． [3] Kim J，UdpaL，UdpaS．Multi-stageadaptivenoise cancellation forultrasonicNDE[J]．NDTandEInternational，2001，34(5)： 3l9． [4] lzquierdoM AG，HemandezM G，Gmullem 0，eta1．Time—frequencywienerfilteringforstructuralnoise reduction[J]．Uhmsonics，2oo2，4o(1—8)：259． [5] TakensF．Dynamicalsystemandturbulence，lecturenotes inmathematics[M]．Springer，1981． [6] SanerT，YorkeJA，GrotepassM．Embedolagy[J]．J．Statistical Physics，1991，65：579—561． [7] HyvarinenA．Fixed-pointalgorithmandmaximumlikelihoodestimationforindependentcomponentanalysis[J]．NeuralPl"OC~ - ingLetters，1999，10(1)：1． [8] sAV，AVS．Therecurrentnormalizedrange method forrelevation offracturalstructureanditsapplicationtoaIlal sofEEG[J]． RadioelectronInform ，1998，(3)：162—165． [9] ZhuY，WeiishtJP．Ultrasonicnondestructiveevaluationofhighly scatteringmaterialsusingadaptivefilteringanddetection[J]． IEEE Transactionson Ultrasonics，F(xiàn)erroe lectrics，an d Frequency Control，1994，41(1)：26． [10]Demi~ R，SaniieJ．Mode1．basedestima tionofultrasonicechoes parti：Analysisan d algorithms．IEEE Transactionson Ultrasonics[J]．Ferroelectrics，andFrequencyControl。2001，48：787． 推薦傳感器：PTM3051S單晶硅壓力變送器 |
式中為縱向應(yīng) 力 ；為橫 向應(yīng)力 ； 為與和垂直的方向上的應(yīng)力 ； 為縱向壓阻系數(shù) ；為橫向壓阻系數(shù) ； 為與和垂直方向上的壓阻系數(shù)。
同 
，
比小很多 ，一般可省去 。而 π1，π2，π3 分別為 
式中V8為輸入電壓R8 ，R9 ，R10 分別為輸入和接地電阻。
