擴散硅壓力變送器溫度補償

1引言
       由于擴散硅壓力變送器采用了硅彈性材料、半導體工藝和微機械加工技術(shù),它體積小(芯片2X2mm)、成本低、精度高、穩定性好,且能以OEM方式提供給整機廠(chǎng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),所以得到了迅速普及。擴散硅壓力傳感器通過(guò)擴散電阻的壓阻效應感應壓力變化，從根本.上受溫度影響比較大,限制了它在寬溫區的精度高。
2擴散硅壓力傳感器的溫度補償方法
       擴散硅壓力傳感器的溫度補償一般分內補償和外補償。內補償通過(guò)傳感器的設計、制造工藝,封裝材料、形式來(lái)減小零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的溫度系數,特別是通過(guò)控制擴散阻條的摻雜濃度,使傳感器的滿(mǎn)量程溫度系數控制在0.75%FS/全溫區,在一般應用中做到滿(mǎn)量程免補償。由于內補償有局限性,所以必須進(jìn)行外補償。外補償的形式多樣,有通過(guò)固定電阻網(wǎng)絡(luò )的兩點(diǎn)式補償(零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的溫度系數為0.75%FS/70℃,0~70℃;通過(guò)熱敏電阻網(wǎng)絡(luò )的三點(diǎn)式補償(零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的溫度系數為0.5%FS/55℃,-30~+80℃;通過(guò)單片機的智能多點(diǎn)補償(智能壓力變送器)等。近年來(lái),集信號處理、溫度補償于--體的壓阻式傳感器專(zhuān)用信號調理芯片(SSC)以其集成、多功能,大大提高了擴散硅壓力傳感器的性能價(jià)格比。這類(lèi)芯片的溫度補償方法與單片機的智能多點(diǎn)補償類(lèi)似,通過(guò)溫度傳感器檢測環(huán)境溫度,溫度值經(jīng)A/D轉換作為地址指針,儲存在存貯器中此地址的零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的溫度修正系數經(jīng)D/A轉換成模擬量,修正傳感器輸出信號中零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的溫度漂移。這類(lèi)芯片的存貯器的類(lèi)型有ROM、EPROM(SCA2095)、E2PROM(MAX1457)型;有片外,也有集成在片內(SCA2095)的。溫度傳感器有的集成在片內,有的外接，還有的利用擴散硅壓力傳感器橋路電阻的溫度敏感性來(lái)感應溫度。
3MAX1457的組成及補償原理
       MAX1457是這種專(zhuān)用芯片中比較典型的1個(gè),它包括1個(gè)傳感器激勵電流源;1個(gè)3位可編程增益放大器;5個(gè)16位D/A轉換器;1個(gè)12位帶可編程數字增益和數字偏置調整的A/D轉換器和1個(gè)通用運算放大器。
       MAX1457利用擴散硅壓力傳感器橋路電阻的溫度敏感性來(lái)感應溫度,不僅可以補償傳感器零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的溫度系數的一階誤差(相當于兩點(diǎn)補償)，還可以通過(guò)查表法補償零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的溫度系數的高階誤差。EPROM中零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的溫度系數存貯數量各為120個(gè)(240字節),如果溫度分辨率足夠的話(huà),對于從-40~+125℃,可以每隔1.4℃插一點(diǎn)。一般擴散硅壓力傳感器零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的溫度系數為0.01%FS/℃,故理論.上傳感器溫度誤差可以補償到0.014%FS/℃(-40~+125℃).
       MAX1457零點(diǎn)溫度補償如圖1所示，它是將存貯在E2PROM中的零點(diǎn)溫度漂移值經(jīng)D/A轉換為模擬量OTCDAC后,經(jīng)A1放大,再通過(guò)求和電路與經(jīng)過(guò)PGA放大的傳感器信號相加減,達到補償零點(diǎn)溫度誤差的效果。

       MAX1457滿(mǎn)量程溫度補償采用與兩點(diǎn)補償和三點(diǎn)補償同樣的，原理,改變傳感器的供電電流。對于恒流激勵模式，擴散硅傳感器的輸出如下式:

       滿(mǎn)量程溫度系數為靈敏度溫度系數與橋路電阻溫度系數之和,由于制造工藝原因,滿(mǎn)量程溫度系數很難控制為零,通?？刂茷檎龜?再通過(guò)改變傳感器供電電流Ib的溫度系數,進(jìn)一步補償。如圖2所示，MAX1457將存貯在E2PROM中的滿(mǎn)量程溫度漂移值轉換為模擬量FSOTCOUT,改變鏡像電流源I,進(jìn)而改變擴散硅傳感器供電電流I6,將滿(mǎn)量程溫度誤差修正到要求值。

4全溫區精度高(0.1級)壓力變送器的研制
       MAX1457的功耗很低,電源電流最大為2.6mA，可以用于二線(xiàn)制,4~20mA信號輸出的全溫區精度高壓力變送器中。應用MAX1457研制的壓力變送器組成如圖3所示。由于是全溫區(-30~+80℃)壓力變送器,所以要考慮MAXI457供電電源的溫度系數。MAXI457的輸出是將傳感器輸出信號放大的電壓信號(0.5~4.5VDC),壓力變送器將此電壓信號經(jīng)過(guò)V/I變換,轉為電流信號輸出0~16mA,此電流與電源電流4mA疊加成兩線(xiàn)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)MAXI457補償,但是卻增加了對傳感器零點(diǎn)溫度系數的要求。測量評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.其變化量相當于4.5%FS,通過(guò)在電路中采用零溫度系數恒流源提供電路電源電流來(lái)消除這個(gè)影響。

       通過(guò)MAX1457補償傳感器零點(diǎn)、量程溫度系數，一般要求傳感器零點(diǎn)溫度系數不大于1.5倍靈敏度溫度系數(TCS),傳感器量程溫度系數應為正。傳感器量程溫度系數為負時(shí),應在傳感器供電電流部分加二極管校正;傳感器零點(diǎn)失調過(guò)大超出MAX1457補償范圍時(shí),可在傳感器橋路中串電阻進(jìn)行修正。
       用MAX1457進(jìn)行溫度補償,首先要進(jìn)行--階線(xiàn)性補償,然后再進(jìn)行高階矢量插值補償。對于-30~+80℃溫度補償,一階線(xiàn)性補償通常選-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MAXI457研制精度高壓力變送器,在線(xiàn)路板布線(xiàn)時(shí)要防止引入干擾。
       用MAX1457研制的精度高壓力變送器在全溫區的補償結果如表1所示。由表1可知,補償后,在-30~+80℃溫度范圍內,壓力變送器零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的溫度誤差在0.1%FS之內。在低溫區,因為傳感器零點(diǎn)和滿(mǎn)量程溫度誤差在低溫區非線(xiàn)性較大,所以插值較密。

5結論.
       使用MAX1457補償的全溫區精度高壓力變送器已定型生產(chǎn)。這種變送器由于在模擬域對傳感器補償,克服了通過(guò)單片機智能補償帶來(lái)的量化噪聲和低頻響,響應時(shí)間可達1ms.