一種寬量程氣壓傳感器的接口電路設計與測試標定*

秦曉霞,高 艷,余輝洋,聶 萌

(東南大學電子科學與工程學院MEMS教育部重點實驗室,南京 210096)

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一種寬量程氣壓傳感器的接口電路設計與測試標定*

秦曉霞,高 艷,余輝洋,聶 萌*

(東南大學電子科學與工程學院MEMS教育部重點實驗室,南京 210096)

高空探測氣壓傳感器,其特點是測量量程寬,滿足常壓到極低壓(10 hPa)測量,因此,專用型壓阻式氣壓傳感器輸出信號檢測與數模轉換接口電路的設計,是推廣高空探測氣壓傳感器應用的關鍵技術之一,具有十分重要的現實意義和廣闊的使用前景。本文針對寬量程檢測特點設計了壓阻式氣壓傳感器專用接口電路,解決了傳感器微小電阻變化量的檢測問題,并對傳感器性能進行測試分析與標定,可實現傳感器全量程誤差不超過2.6 hPa,并實現數字化輸出,完成傳感器接口電路設計。

高空探測;氣壓傳感器;性能測試;接口電路;數字化輸出

隨著我國氣象現代化建設的飛速發展,保證高空氣象探測數據的及時性、準確性和可靠性變得十分迫切。氣壓傳感器是一種小型化檢測裝置,能感受到被測量的壓力信息,并將檢測感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求[1]。而壓阻式氣壓傳感器與電容式氣壓傳感器相比,具有靈敏度高,分辨率高,動態特性好,易于小型化等特點,在高空大氣探測中得到廣泛的應用。

對于高空探測氣壓傳感器,其特點是測量量程寬,需要滿足常壓到極低氣壓(10 hPa)測量,因此,專用型壓阻式氣壓傳感器輸出信號檢測與數模轉換測試電路的設計便成為推廣高空探測氣壓傳感器應用的關鍵技術之一,具有十分重要的現實意義和廣闊的使用前景。

本文針對硅壓阻式氣壓傳感器進行了專用接口測試電路的設計,解決了傳感器從常壓到低壓10 hPa氣壓測試量程范圍內微小電阻變化量的檢測問題,并且對傳感器性能進行測試分析與標定,實現全量程內氣壓誤差不超過2.6 hPa,最終實現氣壓數字化輸出,完成傳感器接口電路設計。

1 壓阻式氣壓傳感器

1.1 氣壓傳感器的結構設計

壓阻效應于1865年由Lord Kelvin首先發現,現在這個原理廣泛應用于傳感器原理中。當傳感器薄膜結構上的壓敏電阻受到外界壓力作用時會產生形變,使電阻率發生變化從而引起電信號的改變,這就是壓阻式壓力傳感器的工作原理。由此可見,壓敏電阻的變化與受到的壓力大小和壓阻系數有關[2]。

本文中的氣壓傳感器是基于硅的壓阻效應[3]設計的,制備的氣壓傳感器芯片結構截面圖如圖1所示。傳感器結構由一個單晶硅彈性薄膜和集成在膜上的4個壓敏電阻組成,4個電阻形成了惠斯通電橋結構[4],當有氣壓作用在彈性膜上時電橋會產生一個與所施加壓力成線性比例關系的電壓輸出信號。

圖1 氣壓傳感器芯片橫截面圖

圖2 工藝流程圖

1.2 氣壓傳感器制作工藝流程

圖2給出了制備傳感器的主要工藝流程。圖3為傳感器結構SEM圖。

圖3 傳感器SEM照片

整個流程主要是采用硅表面微加工工藝[5]。與傳統的壓阻式壓力傳感器的加工方法相比,該工藝流程采用了外延單晶硅硅膜的工藝進行真空腔密封,這種方法可以克服傳統的濕法刻蝕工藝的缺點,加工出的單晶硅膜具有很好的機械性能。

①首先,對硅襯底采用各向異性干法刻蝕,刻蝕出一道道約5 μm深的淺槽。然后采用各向同性干法刻蝕,使淺槽下方形成一個連通的腔。②采用外延工藝,在襯底上進行單晶硅外延,并利用外延的硅材料將淺槽完全封住,從而在下面形成一個接近真空的密封腔。外延工藝如下:溫度為1 135 ℃,采用的是H2,PH3等氣體,外延時的真空度為80 torr。③在對外延硅層的局部區域進行小劑量硼離子注入。該部工藝主要是為了制作壓敏電阻,壓敏電阻主要位于膜四邊的中央。④對局部區域進行大劑量硼離子注入。該步工藝主要是要實現壓敏電阻條之間的歐姆連接,并為壓敏電阻的引出做準備。⑤在硅片表面生長一層氧化層及氮化層,用作絕緣介質層。⑥對氧化層和氮化層光刻并圖形化,形成接觸孔。⑦濺射金屬層并光刻圖形化,形成引線及壓焊塊。

2 測試電路設計

此壓阻式氣壓傳感器,壓敏電阻初始電阻值為163 Ω,滿量程輸出電阻變化最大為9 Ω,針對此微小阻值變化量,本文中設計了一款專用接口測試電路。該測試電路主要包括STM32系列單片機及ADS1247模/數轉換模塊和液晶顯示模塊。電路應用時將惠斯通電橋輸出節點與測試電路連接起來,通過硬件和軟件的結合實現外界氣壓信號的檢測并轉化為數字電信號進行輸出[6-7],讀數在LCD顯示屏上進行顯示,測試電路板的說明如圖4所示,針對部分重要模塊的電路設計在下文說明。

圖4 測試系統模塊

2.1 電源電路設計

測試系統中需要用到3.3 V和5 V兩種電壓(選用的STM32單片機規定工作電壓為2.0 V～3.6 V,ADS1247數/模轉換模塊模擬電源部分供電電壓為5 V),根據測試電路元件的需求,采用國產LM2940-5和LM1117-3.3兩個穩壓模塊來進行電源供電的設計[7-8]。

LM2940-5和LM1117-3.3兩個模塊都屬于輸出電壓固定的低壓差三端穩壓器,前者輸出電壓是5 V后者輸出電壓是3.3 V,并且內部都有設計電流限制和過熱保護電路,他們的輸入端和輸出端都需要連接一定的電容來改善瞬態響應和穩定性。電源設計電路如圖5所示。

圖5 電源電路原理圖

2.2 ADS1247模/數轉換電路設計

ADS1247是TI公司推出的一種高性能、高精度的24位模擬數字轉換器[9-10]。ADS1247單片集成一個單周期低通數字濾波器和一個內部時鐘、一個精密(ΔΣ)ADC與一個單周期低通數字濾波器和一個內部時鐘。內置10mA低漂移電源參考和兩個可編程電流型數字模擬轉換器(DAC)。通過程序設置,在輸出電壓裕度內,DACS可為外部提供多種強度的電流,分別為50 μA、100 μA、250 μA、500 μA、750 μA、1 000 μA、1 500 μA。除此之外,ADS1247還具有一個可編程放大器(PGA),放大倍數可設置為1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍。

本測試系統采用ADS1247模/數轉換模塊對傳感器的輸出的電信號進行轉換處理。ADS1247的電路原理圖如圖6所示。

圖6 ADS1247電路連接原理圖

圖6中,SCK、MOSI、MISO、DRDY、CS為ADS與單片機的通信端。CS為選片,單片機通過這個引腳來實現對ADS模塊的選擇。

測試中,參考電壓為1400mV,傳感器的輸出端分別接入兩個電流端口,測試中通過軟件中設置ADC的兩個電流大小分別0.05 mA,對兩個電阻進行供電,并得到這兩端的電壓之后進行64倍放大,數字轉化的數學計算方法是將參考電壓轉換為24位二進制數,然后通過測得的惠斯通電橋電壓差占據參考電壓的比例來計算,最終實現了傳感器的數字輸出。由此可知電壓的測量精度可以達到0.000 1 mV。

在軟件程序設計中采用連續讀取10個輸出電壓轉換數據,進而求平均值的方法來減小誤差,增加準確性。程序如下:

temp=Read_Ads1247();//讀取adc數字信號

voltage+=fabs((float)temp/(8388607)*(14*0.1)

*1000); //數字轉換為電壓并求和

voltage/=10; //求平均

其中,電流的設定和放大倍數的設定是通過對ads1247中的寄存器設定實現的,具體程序如下:

ADS1247WREG(SYS0,0x63);//64倍增益

ADS1247WREG(IDAC0,0x01);//0.05mA電流

2.3 STM32單片機

本測試系統中處理器選用了具有Cortex-M3內核的STM32F103C8芯片,它是ST公司推出STM32F103x8系列中的一款芯片[10-12],這里使用的單片機具體型號是STM32F103C8T6,采用LQFP48封裝,它使用高性能的32位RISC內核,工作頻率是72 MHz,內置高速存儲器,增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設,包含有2個12位的ADC,3個通用16為定時器和1個PWM定時器,還包含標準和先進的通信接口。

STM32F103C8T6所需的供電電壓是2.0 V～3.6 V,包含-40 ℃～+85 ℃溫度范圍和-40 ℃至+105 ℃的擴展溫度范圍,滿足了用用要求。

傳感器測試電路框圖如圖7所示。

圖7 傳感器測試電路示意圖

3 氣壓傳感器性能測試分析

氣壓傳感器作為一種高空探測的工具,它的性能好壞直接影響到高空探測的準確性,針對本傳感器結構進行測試并從數據中對氣壓傳感器的靈敏度、線性度、測試精度進行了分析及擬合修正[13]。

在傳感器的測試過程中,測試的氣壓范圍是5 hPa～1 000 hPa,在氣壓低于100 hPa時候,氣壓每降低10 hPa作為一個測試點,高于100 hPa時候,氣壓每升高100 hPa作為一個測試點,讀出在每個測試點處的電壓值(電壓值為放大64倍之后的值),并且通過線性插值法將電壓值轉換為氣壓值。表1中列舉了T=25 ℃時部分測試結果。

表1 T=25 ℃時傳感器測試結果

線性插值法的軟件實現如下:

Static float air[12]={5,10,30,50,70,90,100,

200,400,600,800,1000};//設定氣壓值

Static float v[12]={-70.09,-67.19,53.48,-39.83,-25.93,-12.12,3.25,63.64,200.7,337.56,474.13,610.23}; //與氣壓值對應的標定電壓值

while(voltage>v[j])

{j++;}

Air_pressure=(int)(voltage*(air_pre[j]-air_pre[j-1])/(v[j]-v[j-1])+(air_pre[j-1]*v[j]-air_pre[j]*v[j-1])/(v[j]-v[j-1])); //分段線性插值求輸出氣壓值

將大量的測試數據采用最小二乘法繪制成曲線以方便直觀把握傳感器的輸入輸出特性,如圖8所示的是傳感器在溫度為25 ℃時輸出電壓與輸入氣壓的關系曲線,曲線顯示傳感器的輸出電壓與氣壓之間具有良好的線性關系。

圖8 T=25 ℃時氣壓大小與輸出電壓曲線

實驗中對壓力傳感器特性進行多次測量,并對大量采集數據進行數據分析,得出氣壓傳感器的性能參數如表2所示。

表2 T=25 ℃時氣壓傳感器特性

對傳感器進行多次重復性測試的基礎上,通過線性插值法將電壓值轉換為氣壓值,實現了傳感器的數字輸出,如表1所示為部分實驗結果,大量結果顯示出實驗測試氣壓值與真實氣壓值之間的誤差不超過2.6hPa,氣壓輸出曲線如圖9所示,圖中直觀顯示該氣壓傳感器的性能。

圖9 真實氣壓值與傳感器輸出氣壓值曲線

4 結束與討論

①本文針對一種壓阻型氣壓傳感器,設計了專用型壓阻式氣壓傳感器輸出信號檢測電路,實現了微小電阻變化量的檢測。②對傳感器進行測試,并對數據進行了詳細的分析和擬合修正,實現全量程范圍內誤差不超過2.6 hPa,完成傳感器的性能測試與標定。③通過軟硬件結合進行數模轉換,實現傳感器的數字輸出,完成傳感器的接口電路設計。

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The Design of the Interface Circuit for a Wide Range Barometric Pressure Sensor*

QINXiaoxia,GAOYan,YUHuiyang,NIEMeng*

(Key laboratory of MEMS of Ministry of Education,School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

The barometric pressure sensor for high altitude detection,is usually made to achieve to measuring wide range of air pressure from atmospheric pressure to ultra low pressure(10 hPa). Therefore,a special interface circuit aimed to realize the output signal detection and analog to digital conversion,is very critical for the application of the barometer used in high altitude detection. In this paper,a new special circuit for piezoresistive pressure sensor is designed,which can successfully solve the problem of detecting the small change of resistance,and can be used in the detection of pressure within a wide pressure range. The performance of the pressure sensor is analyzed and calibrated. Besides,the digital output of sensor is realized,and the error is less than 2.6 hPa within the whole measurement range.

high altitude detection;barometric pressure sensor;the performance test;the interface circuit;the digital output

秦曉霞(1990-),女,碩士研究生,研究方向為MEMS傳感器結構及接口電路研究,932847589@qq.com;

聶 萌(1980-),女,副教授,研究方向為MEMS/NEMS傳感器設計、工藝、封裝研究,m_nie@seu.edu.cn。

項目來源:國家863項目(項目號:2012AA040502)

2015-01-11 修改日期:2015-02-16

C:7320R

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.004

TP212.1

A

1004-1699(2015)03-0320-05