毕业设计（论文）智能化扩散硅压力传感变送器的研制.doc

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1、本科毕业论文题 目：智能化扩散硅压力传感 变送器的研制院 （部）：信息与电气工程学院专 业： 电气工程与自动化班 级： 电本062姓 名： 学 号：指导教师： 完成日期： 2010年6月12日目 录摘 要IIIABSTRACTIV1 前 言11.1 压力传感器的国内外发展现状11.2 压阻式压力传感器简介21.2.1 压阻式压力传感器的结构21.2.2 压阻式压力传感器的发展21.2.3 扩散硅压力传感器的应用31.2.4 扩散硅压力传感器的特点41.3 扩散硅压力传感器的发展趋势51.4 本课题所完成的任务62 扩散硅压力传感变送器的原理72.1 压阻式压力传感器的机械原理72.2 压阻式压

2、力传感器的工作原理83 扩散硅压力传感器的温度补偿原理93.1 对扩散硅压力传感器进行温度补偿的意义93.2 零点温度漂移及其补偿103.2.1 零点温度漂移产生的原因103.2.2 零点温度漂移的补偿103.3 灵敏度温度系数及其补偿143.3.1 灵敏度漂移产生的原因143.3.2 灵敏度漂移补偿措施143.4 零位温度系数及其补偿144 扩散硅压力变送器整体方案设计与计算174.1电源电路174.1.1 传感器供电电路174.1.2 信号处理供电电路204.2 信号处理电路214.2.1 电路工作原理224.2.2 滤波电路设计244.2.3 调零和调满电路设计254.3 电压电流转换2

3、64.4 两线制输出27 4.5 整机测量与误差分析275 MPU最小系统及数据采集通信系统设计335.1 系统硬件设计335.2 系统软件设计376 总 结39谢 辞41参考文献42附 录43摘 要本文介绍了智能化扩散硅压力传感变送器的研制。智能压力传感变送器的核心部件-压力传感器是利用单晶硅的压阻效应（集压力敏感转换于一体），在单晶硅膜片上扩散一个惠斯登应变电桥。惠斯登电桥检测出电阻值的变化，经过差分归一化放大器，输出放大器放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿，即产生了与输入电压成线性对应关系的420mA的标准输出信号。结合低功耗高性能单片

4、机实现被测参量误差补偿及对传感系统的远程校准及与上位机的数据通信，并使整个测量传感系统具有体积小，重量轻，测量精度高，安装方便，长期稳定度好等优点。关键词：智能化；扩散硅；压力传感器；二线制变送器；补偿 Intelligent Diffused Silicon Pressure Sensor TransmitterAbstract This paper introduces the intelligent diffused silicon pressure sensor transmitter.The core components of intelligent pressure sensor

5、 transmitter - the pressure sensor uses the piezoresistive effect of single crystal silicon (in one set of pressure-sensitive and conversion ), the silicon diaphragm strain on the proliferation of a Wheatstone bridge. Wheatstone bridge detects changes in resistance. After differential normalized amp

6、lifier, output amplifier, and then after the conversion of voltage and current,it converts into a corresponding current signal. The current signal changes into the standard 420mA output signal which has a linear corresponding relationship with the input voltage, through a nonlinear correction loop c

7、ompensation. The output of the bridge there will be a corresponding change in the measured pressure signal output. Combination of low-power and high-performance single chip,it can realize the error compensation of measured parameters and the calibration of remote sensing system and data communicatio

8、n with the host computer .And it makes the whole measuring sensor system have a compact light weight，high accuracy，easy installation，and good long-term stability. Key words：Intelligent；Diffused silicon ；Pressure sensor；Two-wire- transmitter Compensation1 前 言1.1 压力传感器的国内外发展现状在工业生产过程中，温度、流量、压力、位移是最常见的

9、工业参数，其中压力参数的检测显得尤为重要，应用最为面广量大。据日本电气计测器工业协会对过程传感器(温度、流量、压力、位移、密度等)的生产和销售进行的统计，压力类传感器占整个过程传感器的三分之一，而且其比例还在继续加大，以此为基础的压力类测量及变送仪表也在过程控制系统中占有很高的比例。它们在石油、化工、火电厂、冶金等工业部门得到了广泛的应用。在1983年，美国HoneyWell公司推出了全世界第一台智能化现场仪表ST3000-100系列，同时日本的TOSHIBA公司推出H-series智能压力传感器，研制出压阻式多功能传感器，用微处理器及软件补偿，提高了测量精度，减小了温漂，并且有故障自我诊断和

10、数字通讯遥控调整功能。1992年，美国HoneyWell公司又推出了ST3000-900系列智能压力传感器，它是在ST3000-l00系列的基础上增加了较完善的自诊断功能，双向通讯功能。在此期间美国Rosemount公司推出了HART协议(Highway Addressable Remote Transducer，寻址远程传感器数据线)，德国Bosch公司推出CAN BUS协议。同期MOTOROLA公司、FOXBIRD公司、EGGIC SENSORS公司也推出了功能类似的工业级产品，其中部分产品由当时的中国电子器材总公司引进国内，曾应用在一些重要的部门。这时，军事领域开始装备智能传感器。199

11、5年以后，智能压力传感器特别是智能差压传感器得到了较快的发展，以美国Honeywell公司为代表的西方国家不但开发了全数字技术和远程组态系统，而且推出了多种型号的现场控制系统。90年代后，我国将传感器的研究放在重要位置上并取得了显著成果，1996年，河北工业大学研制了WPS-1型智能压力传感器，它可长期稳定地工作在环境温度变化较为频繁的场所；1997年，西安交通大学电子信息工程学院综合自动化研究所为三峡工程研制了体积小于国内电流、电压输出型固态压力传感器，并且有防水、防尘和抗震能力的智能压力传感器；1999年，哈尔滨工业大学微电子教研室研制了在压力传感器芯片上集成温度敏感元件制成的压力-温度多

12、功能传感器，并赋予智能化，可实现大温度范围内的全量程压力信号的温度补偿；2003年湖南长沙索普测控技术有限公司研制的纳米压力传感器获成功，产品整体性能超过美国超微传感器，实现了传感器在高温、高压等恶劣环境下的长期稳定性和可靠性，提高了传感器精度等级、温度特性等各方面性能指标。2004年“耐高温压力传感器”经过4年攻关在西安交大研制成功，该硅隔离耐高温微型压力传感器能在-30250环境下进行压力测量，可完成1000MPa以下任意量程范围的压力测量，能承受2000瞬时高温冲击，性能指标达到国际先进水平。虽然在某些方面己赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看，我国的传感器技术的研究和生产还比较落后

13、，与国外有较大差距；目前的传感器，无论在数量、质量和功能上，还远远不适应社会多方面发展的需要。主要是：品种不全,产量过低,工作温度范围较小,长期稳定性与可靠性较差,集成度不高。随着国内市场需求量越来越大,大量压力传感器需要进口，特别是高精度产品。1.2 压阻式压力传感器简介1.2.1 压阻式压力传感器的结构压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是

14、与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为2060。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条,两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 1.2.2 压阻式压力传感器的发展硅的压阻效应是1954年由C.SSmith首先发现，1956年贝尔实验室研制出硅力敏电阻，此后压阻传感器开始问世。压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻效应。利用半导体材料的压阻效应制成

15、的传感器称为压阻式传感器。目前使用最多的是单晶硅半导体。压阻压力传感器是目前应用最广泛的压力传感器之一，压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器。单晶硅不仅是最广泛使用的半导体材料，也是力学性能十分优良的弹性材料。硅材料的单晶结构使压阻式压力传感器的迟滞极小，重复性极好；硅的压阻系数较大，使用温度范围较宽。这类传感器随着硅集成电路平面工艺的完善而得到高度的发展，现在已经广泛用作高灵敏度，高精度的微型真空计，绝对压力计，流速计，流量计，声传感器，气动过程控制器等。早期的压阻式压力传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器，它的传感器元件是用半导体材料体电阻制成的粘贴式应变片；

16、20世纪70年代以后，压阻式压力传感器发展成为在硅片的应变敏感部位扩散出阻值相同的条，在压力作用于其上时，硅膜片产生应变，从而使电阻条变形输出一个与压力呈正比的线性化电压信号，称为扩散硅式压力传感器。由于四差动臂惠斯登电桥具有最高的灵敏度,最好的温度补偿性能和最高的输出线性度，因此，在压力测量中，电阻条通常连接成等臂、等电阻应变率的四差动臂惠斯登电桥。由于压力的原因，硅晶体的电阻发生变化，变化的大小与受到的压力大小有关，同时与材料本身的压阻系数有关。影响压阻系数最主要因素是环境温度和扩散杂质的表面浓度。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小。表面杂质浓度低时，压阻系数随温度升高而下降较快，提高表面

17、杂质浓度，压阻系数随温度升高而下降变慢。1.2.3 扩散硅压力传感器的应用由于扩散硅压阻传感器自身特点，其应用领域开辟了广阔的道路。新型智能式传感器的发展及应用将导致面向过程检测和控制技术产生新的突破。在我国压阻传感技术的研制和生产已得到迅猛发展, 传感技术早己渗透到工业生产，军事国防，宇宙探测，海洋开发，环境保护，资源调查，医学诊断，生物工程，文物保护，安全防范，家用电器等极其广泛的领域。因此，从茫茫太空到浩瀚的海洋，从各种复杂工程系统到日常生活的衣食住行，几乎每一个领域都离不开各种各样的传感器。可以毫不夸张地说，新世纪的社会，将是充满传感器的社会。在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静

18、态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求有很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的0.22。在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成薄到10微米

19、的扩散硅膜,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量,真空测量,监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。1.2.4 扩散硅压力传感器的特点扩散硅传感器与其它类型的传感器相比有许多优点：1、灵敏度高 扩散硅敏感电阻的灵敏因子比金属应变片高5080倍，它的满量程信号输出在80100m

20、V左右。对接口电路适配性好，应用成本相应较低。由于它输入激励电压低，输出信号大，且无机械动件损耗，因而分辨率极高。2、精度高 扩散硅压力传感器的感受、敏感转换和检测三位一体，无机械动件连接转换环节，所以不重复性和迟滞误差很小。由于硅材料的刚性好，形变小，因而传感器的线性也非常好,因此综合表态精度很高。3、可靠性高 扩散硅敏感膜片的弹性形变量在微应变数量级，膜片最大位移量在几微米数量级，且无机械磨损，无疲劳，无老化。平均无故障时间长，性能稳定，可靠性高。4、频响高 由于敏感膜片硅材料的本身固有频率高，一般在50KHZ。制造过程采用了集成工艺，膜片的有效面积可以很小，配以刚性结构前置安装特殊设计，

21、使传感器频率响应很高，使用带宽可达零频至100KHZ。5、抗电击穿性能好 由于采用了特殊材料和装配工艺，扩散硅传感器不但可以做到130正常使用，而且在强磁场、高电压击穿试验中可抗击1500V/AC电压的冲击。6、耐腐蚀性好 由于扩散硅材料本身优良的化学防腐性能好，即使传感器受压面不隔离，也能在普通使用中适应各种介质。硅材料又与硅油有良好的兼容性，使它在采用防腐材料隔离时结构工艺更易于实现。加之它的低电压、低电流、低功耗、低成本和本质安全防爆等特点，因此可替代诸多同类型同功能的产品，具有最优良的性能价格比。扩散硅传感器也存在如下一些不足之处：(1)由于扩散硅传感器是用半导体材料制作的，受温度影响

22、较大，因而在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿。(2)制造工艺比较复杂，对研制条件要求高而严格，尤其是烧结、封装工艺，而其成本较高。1.3 扩散硅压力传感器的发展趋势1 小型化重量轻、体积小、分辨率高，便于安装在很小的地方，也便于微型仪器仪表的配套使用。2 集成数字化利用现在的生产工艺和成熟的集成化技术，将感压桥路、温度补偿电路和信号放大电路通过集成化平面工艺制作在同一芯片上,使得信号源产生一个能传递数字的信号。在测量技术、计算机技术和微电子技术的基础上发展起来的数字式传感器，在结构上有小型化、标准化和智能化的特点，而在性能方面则具有响应快、精度高、分辨率高、抗干扰能力强和工作可靠以及

23、便于程序控制及数据处理等特点。3 智能化由于集成化的出现,在集成电路部分制作一些微处理机，使其具有“记忆”、“思维”、“处理”等能力。智能化产品的发展将成为未来传感器市场的主流。4 多功能系列化利用扩散硅技术在芯片上通过掺杂不同杂质,同时制成感温元件和感压元件是可能的。为满足我国经济建设发展的需要和提出的各种检测控制的需要，需加大系列化和新产品开发方面的研究。5 标准化如IEC、ISO国际标准，日本的JIS标准，法国的DIN标准、原苏联S3CT及TO标准。1.4 本课题所完成的任务1、对半导体扩散硅压力传感器进行系统学习和遴选适用的压力敏感元件。2、设计专用测量转换电路模块，并采用二线制工作模

24、式技术，以提高传感测量系统的远传能力及抗干扰能力。3、并在此基础上结合仪器智能化思路，并设计专用MPU最小系统以满足传感系统的数据处理功能。如：对传感测量系统的稳定性、分辨率、精度进行统一量化及非线性数据补偿。4、通过采用专用数据采集模块与计算机联机通信，对传感检测系统远程校准与数据交换。2 扩散硅压力传感变送器的原理测量压力的方法有许多种，最常用的是把压力转换成材料的长度或高度变化来测量，即弹性元件。压力传感器的弹性元件都是膜。如图2.1所示。图2.1 压力传感器组成结构示意图压阻式压力传感器工作过程可以由图2.2表示，第一部分由质量m、弹簧k、阻尼b组成的机械力学系统作为弹性敏感元件，它将

25、压力转换成中间变量(形变)，然后由第二部分膜片相应位置采用半导体工艺制成的电阻条，根据压阻效应，最终转换成相应的变化量输出。电阻条阻值改变量与相应膜片压力成正比。图2.2 压阻式压力传感器组成框图2.1 压阻式压力传感器的机械原理压阻式传感器是将输入的机械量应变转换为电阻值变化的变化元件。电阻变换器的输入量为应变,即材料的长度相对变化量,它是一个无量纲的相对值。通常为一个微应变。电阻变换器的输出量为电阻值的相对变化量。电阻变换器有金属电阻变换器和半导体电阻变换器两种类型。根据半导体材料的压阻效应: ,且,其中: 是应力(F/S)； 是压阻系数, = (4080) ；是杨氏弹性模量, ,所以电阻

26、的相对变化为: 。要测量其他物理量,如压力、力、加速度等,就需要先将应变片贴在相应的弹性元件上, 过程压力通过隔离膜片，密封硅油传输到扩散硅膜片上，同时参考端的压力作用于膜片的另一侧。这样在膜片的两边加上的差压产生一个应力场，它使膜片的一部分压缩，另一部分拉伸，两个应变电阻片位于压缩区，另两个应变电阻片位于拉伸区。在电气性能上，他们连接成一个全动态惠斯登电桥，以增大输出信号。2.2 压阻式压力传感器的工作原理 当传感器处在压力介质中时，介质压力作用于波纹膜片上其中的硅油受压，硅油将膜片上的压力传递给半导体芯片。受压后其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。不锈钢波纹膜片壳体感受压力并保护芯片，

27、因而电阻式压力传感器能在有腐蚀性的介质中感应压力信号。电阻式压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯片没有外加压力作用，电桥处于平衡状态（称为零位），当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。现在大部分压力传感器用制造集成电路的方法，形成四个电阻值相等的电阻条，并将它们连接刻制成惠斯登电桥。惠斯登电桥采用恒流供电，这样电桥的输出不受温度的影响，惠斯登电桥检测出电阻值的变化，经过差分归一化放大器，输出放大器放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号

28、通过非线性校正环路的补偿，即产生了与输入电压成线性对应关系的420mA的标准输出信号。为减小温度变化对芯片电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器都采用温度补偿措施，使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。图2.3 工作原理图3 扩散硅压力传感器的温度补偿原理3.1 对扩散硅压力传感器进行温度补偿的意义在对压阻式压力传感器的研究方向中，包括开发耐高温，及用于微机械加工的压力传感器，还有一个重要的研究方向是温度漂移的补偿，在实际应用当中，压阻式压力传感器的确面临着温度补偿问题。压阻式压力传感器会受到温度的影响，导致零点漂移和灵敏度漂移，它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。零位

29、漂移是因为扩散电阻阻值随温度改变而发生变化。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数亦小，反之，薄层电阻增加，温度系数增大。由于工艺上的原因，难于使四个桥臂电阻温度系数完全相同，因此，不可避免的要产生零位漂移。所以，适当提高表面杂质浓度，可以减小温度系数，进而减小零位漂移。但是，过高的杂质浓度会降低传感器的灵敏度。压阻式压力传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度改变而引起的。当温度升高时，压阻系数减小，反之则增大。所以，当温度升高时，传感器灵敏度降低。如果提高扩散电阻的表面杂质浓度，压阻系数随温度变化要小一些，但传感器的灵敏度同样会降低。因此，对压阻式压力传

30、感器进行温度补偿在实际应用当中显得相当重要。在生产应用中，直接或间接用作计量器具的传感器所面临的问题是准确度和可靠性问题。传感器有时会因精度、长期稳定性以及热漂移问题而受到应用限制。而对于扩散硅传感器来说，热漂移问题是决定其特性好坏的一大关键指标。因为在工业现场中，生产环境温度变化范围宽，而半导体力敏电阻压阻系数的温度系数也很大，在环境变化时会产生工作特性漂移与灵敏度不稳定的情况，使检测系统发生变化而造成测量值随环境温度变化，出现测量误差，影响了压力传感器的特性。扩散硅压力传感器温度漂移可分为以下三种：(1)零点热漂移：由于组成测量电桥的各个桥臂电阻的温度系数不一致，致使不加压时电桥输出(零点

31、输出)失衡，并且这一状态随温度变化而发生变化。造成零点输出失衡及零点热漂移的主要原因集中在工艺上，如加工尺寸，掺杂浓度及均匀性，掺杂层厚度等。(2)灵敏度热漂移：由于灵敏度与压阻系数成比例关系，而压阻系数为温度的函数，因此在加压情况下，电桥的满量程输出也要随温度变化而变化。造成灵敏度热漂移的其他原因还有掺杂浓度过大或过小，电阻条与底座之间热膨胀系数不一致等。（3）零位温度漂移：零位随温度的变化而变化。3.2 零点温度漂移及其补偿3.2.1 零点温度漂移产生的原因理想的情况下，组成惠斯通电桥的四个扩散电阻的阻值应该是相等的，因而在电桥处于平衡状态时，电桥的输出电压应该为零。但在制作压阻式传感器的

32、过程中，由于被连接成惠斯登电桥的四个扩散电阻的阻值不可能制作得完全相等，所以当压力为零时，电桥的输出不为零，这种零点输出漂移将随温度的变化而发生漂移，即产生零点温度漂移。3.2.2 零点温度漂移的补偿零点温度漂移的补偿就是在组成惠斯登电桥的四个电阻中，在相应的桥臂上串、并联上一定阻值大小的电阻，用以平衡因四个扩散电阻初始阻值不匹配造成的零点漂移以及它随温度变化而变化的温度漂移。由于这种补偿方法是在电桥上完成的，我们将这类方法称之为“桥内补偿法”。现以如图3.1所示的恒流源供电电路为例进行分析。图3.1 恒流源温度补偿原理图根据电桥平衡理论可知，图3.1所示电桥在未接补偿电阻时应该满足: (3.

33、2.1a) 其中为供电电流源的大小。而由于四个桥臂电阻的参数不匹配，使得在零点时式(3.2.1a)式:。且随着温度的变化而变化。因而可以在桥臂上串、并联上适当的电阻来消除这种不平衡，使 ，并使其随温度的变化趋于0，这就是零点温度漂移补偿的目的。当给电桥串并联上如图3.1所示的电阻进行补偿时，要达到补偿的效果使电桥的零点温度漂移为零，则要满足下列式子的要求: （3.2.1b）其中 四个桥臂电阻在温度时的阻值（i=1,2,3,4）； 四个桥臂电阻在温度时的阻值（）； 恒流源； 、串并联电阻；同时，补偿后的电桥的零点漂移也应该为零，则有： （3.2.1c）为简化计算，令 式中 温度为时桥臂电阻的平均

34、值； 温度为时桥臂电阻的平均值；在式（3.2.1c）中，因而对其进行泰勒展开得：一般认为， 的传感器才有补偿价值，故将以上的泰勒展开式略去高次项得： (3.2.1d)同理可得： (3.2.1e)又 (3.2.1f) (3.2.1g)令为补偿前传感器在温度时的零点输出；为补偿前传感器在温度时的零点输出。,即为、之间的零点漂移；由于，,将（3.2.1d3.2.1g）式分别对应代入（3.2.1b）式中，并将其中的用近似，用近似，化简可得： （3.2.1h）以同样的方法对（3.2.1c）式进行化简的： （3.2.1i）联立（3.2.1h）、（3.2.1i）两式组成方程，解得、的值如下： （3.2.1j

35、） （3.2.1k）而根据惠斯登电桥可知，整个电桥在温度为、时的等效电阻、可分别近似为：, ；因而，在温度分别为、时，电桥在补偿前恒流源供电时的电桥输入端电压（简称桥压） 、分别可用以下式子表示:；则（3.2.1j）、（3.2.1k）两式可分别化为： (3.2.1l) (3.2.1m)从公式可以看出，在恒流源供电下，对于待补偿的传感器，只需测出传感器补偿前在温度、时桥压、和零点输出电压、，即可根据公式（3.2.1l）和（3.2.1m）计算出补偿电阻、的大小。串并联电阻补偿法中，补偿电阻的接法很多，虽然以上的推理是根据图11所示的电阻连接方式而来，但对于、其他连接方式，经过上述同样的简化和推理方

36、法，可以推理出同样的公式，只是符号不同而已。所以不论、如何连接，我们都可以根据以上公式计算出、大小和符号，然后根据其符号(以上述推理确定的符号为正号)确定其应连接的位置:（1） ，则并于或上；（2） ，则并于或上；（3） ，则串于或上；（4） ，则串于或上。 经过以上补偿可以将零点误差由几十毫伏降低到零点几毫伏。 3.3 灵敏度温度系数及其补偿3.3.1 灵敏度漂移产生的原因压阻式传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的。温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大，所以当温度升高时传感器的灵敏度要降低，温度降低时要升高，也就是说传感器的灵敏度温度系数是负的。影响压阻系数大小的因

37、素主要是扩散杂质的表面浓度和晶向。3.3.2 灵敏度漂移补偿措施扩散硅压力传感器满量程输出G与压力满量程时应变电阻的最大变化成正比，即与扩散硅P型电阻的压阻系数成正比，而压阻系数随温度的上升而减小。则灵敏度必然随温度的上升而下降， 引起灵敏度温度漂移。灵敏度温度系数可用下式表示： (3.3.2a)式中：为温度下满量程输出；为温度下满量程输出；表示温度变化1 时满量程输出的相对变化量。灵敏度温度系数主要是由压阻系数随温度变化而决定的。因此，通过改变电桥的有效桥压可以实现灵敏度温度系数的补偿。恒流源供电时，当温度升高，欲使不变，可升高桥路供电电压。因为桥压升高，电桥的输出电压增大，若其增大的数值与

38、灵敏度下降而引起的输出电压减小的数值相等时，即达到了灵敏度温度补偿的目的。这可以通过在电桥的输入端接入热敏电阻补偿网络来实现。传感器满量程净输出为： （3.3.2b）其中：为电桥输入等效电阻；为热敏电阻补偿网络， 由热敏电阻和金属膜电阻组成。当温度升高时，传感器满量程净输出为： (3.3.2c)式中：为扩散电阻的温度系数，一般为；为热敏电阻网络温度系数。上式对温度求导，并另，由(3.3.2a)和(3.3.2b)式得出： （3.3.2d）热敏电阻温度系数具有分散性，为了选择合适的网络电阻，需要经过多次试验和修正。补偿后传感器的满量程输出有所降低是由于串联后被分压的缘故。经上述补偿后灵敏度温度系数

39、可以降到 以下。3.4 零位温度系数及其补偿零位随着温度的不同而变化，温度变化后，零位电压也随之增加或减少一定的数值。这一变化可用零位温度系数反映出来。即温度每变化1时相对于满量程输出G的零位电压变化量。 (3.4a) (3.4a)式中：,分别为、温度下的零位输出。传感器的零位温度系数主要由力敏电阻全桥四个桥臂电阻的不对称和各种封装应力引起。但无论何种影响，最后都通过桥臂力敏电阻的阻值变化反映出来。可用热敏电阻串并联金属膜电阻网络进行补偿。 就半导体材料而言， 当温度改变时，其扩散电阻的变化规律可表示为： (3.4b)(3.4b)式中；为扩散电阻阻值；为扩散电阻的温度系数。当四个桥臂电阻不平衡

40、时，温度升高，式中为扩散电阻等效温度系数。于是 (3.4c)将补偿电阻接入适当的桥臂使它产生一个补偿电压去抵消，从而达到补偿的目的。令则有： (3.4d)由(3.4a)、(3.4d)两式得出零位温度系数补偿电阻。 (3.4e)(3.4e)式中；r为传感器零位温度系数；G为初始温度下满量程输出；为补偿电阻温度系数。补偿电阻的选择：硼扩散电阻的温度系数是正值，且与薄层电阻有关，一般为(12) ， 热敏电阻的温度系数是负值，而且温度系数较大，一般为-(2070) 。可见它是一种很好的温度补偿元件。但它随温度变化是非线性的，为了达到良好的补偿效果，可以把热敏电阻与金属膜电阻组合成电阻网络，这样，该网络

41、随温度可作接近线性的变化。当r0时， 网络加在或桥臂上；当r0时，网络加在或桥臂上。由于的接人，G稍有变化。而的变化可采用零点补偿的方法在相应的桥臂上串入一个金属膜电阻即可解决。经上述补偿后，零位温度系数可以降到以下。总结：扩散硅压力传感器经过以上提出的方法补偿后，零点误差，零位温度系数 ，灵敏度温度系数，与没有补偿时相比小一个数量级。采用这种方法补偿可以收到满意的效果。4 扩散硅压力变送器整体方案设计与计算4.1 电源电路4.1.1 传感器供电电路压阻式传感器可以用恒压源供电,也可用恒流源供电,但恒压源供电与恒流源供电相比存在环境温度影响不能消除的问题.压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠

42、斯登电桥形式如图4.1所示,其中: 为被测量的压力所转换成的电压信号,假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R,当有应力时,两个电阻阻值增加,增量为,另两个电阻阻值减小,减小量为,由于温度影响,使每个电阻值都有的变化量。图4.1 压力传感器电桥电路 恒压源供电时（1） 恒流源供电时（2）图4.2 惠斯登电桥恒压源与恒流源供电的比较当压力传感器测量电路使用恒压源E供电时如图4.2（1）所示,其输出信号为:恒压时 （4.1.1a）是由于温度增加而产生的电阻变化。四个压敏电阻的阻值都相等，电桥输出一方面与成正比，另一方面又与供电电压成正比，即电桥的输出电压除了与被测量成正比之外，同时与电桥的输入电压的

43、大小与精度有关。当温度变化时，输出电压V还和温度有关，即与成非线性关系，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。当压力传感器测量电路使用恒流源I供电时,如图4.2（2），其输出信号为:恒流时 （4.1.1b）可以看出输出电压V与温度无关,这就消除了温度对传感器输出信号的影响。所以采用恒流源。恒流源的特性直接影响系统精度，故应选取精度高、稳定性好的恒流器件。这里选用LM334，电路如图4.3所示,输出1.0mA的恒流电流。图4.3 恒流源电路 （4.1.1a）其中， (4.1.1b)LM334的温度系数为227V/（包括偏置电流的）。二极管的温度系数约为2.5mV/。 (4.1.1c) (温度系数=0) (4.1.1d) (4.1.4e)有了和的比值，计算和的数值则和设置电流的给定值有关。在T= 25时设定电流计算公式如下所示，假定整个二极管（VD）的正向压降是0.6V，两端的电压（64mV+ 偏置电流的5.9）。