高精度硅壓阻式氣壓傳感器系統設計

周曉宇， 張萌穎， 杜利東， 趙 湛

(1．中國科學院 電子學研究所 傳感器技術聯合國家重點實驗室，北京 100190；2．中國科學院大學，北京 100080)

高精度硅壓阻式氣壓傳感器系統設計

周曉宇1,2， 張萌穎1,2， 杜利東1， 趙 湛1

(1．中國科學院 電子學研究所 傳感器技術聯合國家重點實驗室，北京 100190；2．中國科學院大學，北京 100080)

為了消除環境溫度對硅壓阻式傳感器輸出的影響，大幅提升硅壓阻式傳感器的測量精度，將傳感器芯片與熱源和測溫原件封裝在一起，通過控制加熱的方式使傳感器工作在恒定50 ℃的環境中，對傳感器進行線性標定和測試。結果顯示：在-45～45 ℃環境下，600～1 100 hPa量程內氣壓傳感器的測量誤差小于0.3 hPa。

硅壓阻式氣壓傳感器； 芯片加熱； PID控制； 溫度補償

0 引 言

現代社會，隨著人類活動頻率增高，活動范圍變廣，天氣的監測與預報也越來越重要。傳統的氣象監測要素包括氣壓、氣溫、風速、風向、濕度等。而氣壓是其中重要的參數之一，因此,高精度大量程的氣象壓力傳感器的研究對氣象業務的發展具有重大意義。

硅壓阻式壓力傳感器靈敏度高，穩定性好，動態響應好，易于向集成化、智能化方向發展。然而,由于壓阻效應存在較大的溫度系數，這類傳感器受溫度的影響較大[1],若要在氣象領域應用，則需要在較大溫度范圍內都能實現高精度的準確測量。因此，硅壓阻式壓力傳感器都要經過一系列的溫度補償操作之后才能投入使用。常用的補償方式有反向傳播(BP)神經網絡補償算法、曲面擬合算法以及最小二乘法等，大多實現較為復雜或補償精度不高[2～4]。

針對硅壓阻壓力傳感器芯片工作性能受到環境溫度的影響較大，本文設計了一種新的補償方式，即直接對芯片加熱使其工作在恒定環境溫度下，徹底消除工作環境溫度對硅壓阻傳感器芯片測量壓力性能的影響。

1 恒溫工作傳感器系統設計

本文將加熱電阻，測溫鉑電阻，以及硅壓阻式傳感器芯片通過導熱絕緣的硅膠粘貼在一起，加熱電阻發熱對硅壓阻式傳感器芯片進行加熱，鉑電阻測量芯片工作的實時溫度并提供控制參數，最終使得傳感器芯片工作在穩定環境溫度下。

1.1 結構設計

設計的氣壓傳感器系統結構如圖1所示。傳感器芯片與熱源分別置于印刷電路板(PCB)的兩端，并將該PCB中央挖空以放置測溫鉑電阻。這樣的結構使得鉑電阻與傳感器芯片盡量接近，使其對溫度的測量能更接近于真實的傳感器芯片溫度。傳感器的封裝設計中，首先在上圖所示結構部分加蓋密封僅留下測試用通氣入口，然后底部熱源外側使用隔熱膠密封，之后通過插針接入電路，整體電路最后放置在密封金屬盒中。這樣密封的設計能夠極大地減少芯片與周圍空氣的熱對流，從而減少能量耗散。

圖1 系統設計圖

1.2 加熱控制

1.2.1 控制電路

設計中，加熱電阻器的加熱功率是通過流過其電流通斷的占空比的變化來控制的，而流過電阻的電流通斷由一個NPN三極管提供開關作用進行控制，該三極管的通斷由單片機輸出的脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)信號控制，即PWM信號控制加熱電阻器上電流的通斷時間占空比，從而控制其加熱功率。控制電路圖如圖2。

圖2 加熱控制電路圖

其中,Rload為加熱電阻負載，MCU為單片機，其PWM信號為開漏輸出，輸出端相當于三極管的集電極，要得到高電平狀態需要上拉電阻，適合于做電流型的驅動，其吸收電流的能力也相對較強。為了配合加熱電阻的電流，本文選擇了額定電流較大的三極管和電源芯片。

1.2.2 溫度控制算法

本文實驗中單片機采用C8051F321，提供8位PWM和16位PWM。本文選擇使用16位PWM方式，其占空比如式(1)所示[5]

(1)

由式(1)可知，最大占空比為100 %(PCA0CPn=0)，最小占空比為0.001 5 %(PCA0CPn=0xFFFF)。可以通過將ECOMn位清‘0’產生0 %的占空比。在該設計中，根據鉑電阻器所測溫度對信號進行調制，使用比例—積分—微分(proportion integration differentiation，PID)控制算法對PWM信號進行調制。

本文實驗中，PID控制[6,7]參數的選定使用的是試湊法，即通過一系列不同環境溫度下的不斷試驗得到相對較合適的參數。最后選定的參數使得系統在 -45～45 ℃范圍內都能得到較為穩定的溫度控制結果。

2 實驗過程和結果

2.1 實驗設備

測試系統整體包括：氣壓傳感器，溫度傳感器和加熱電路組成的氣壓測量部分，通信部分，PC端，氣壓控制儀器和環境溫度控制儀器。其中，氣壓控制儀器使用的是國瑞智新技術有限公司生產的壓力自動控制器，環境溫度控制儀器使用的是蘇州廣郡電子科技有限公司生產的高低溫交變濕熱試驗箱，氣壓測量部分放置在試驗箱中，留有通氣口與壓力控制器相連及通信用光纖與PC端相連。事先設置加熱目標溫度值為50 ℃，使傳感器芯片所處位置溫度測值穩定，PC端顯示并記錄通過光纖傳輸的氣壓測量值與溫度測量值。

2.2 測試流程

1)連接器件，調節控溫箱溫度為0 ℃，待環境溫度穩定后，測量傳感器關鍵氣壓點輸出并記錄，得到其與標準值的線性關系，標定傳感器。

2)調節控溫箱溫度為45 ℃，穩定后改變氣壓分別為600,700,800,900,1 013,1 100 hPa，觀察并記錄各點傳感器的輸出。

3)每次降溫10 ℃，重復步驟(2)的過程，直到降溫至-45 ℃

2.3 測試結果與分析

實驗測量得到的不同環境溫度下各氣壓點測量值與標準值誤差結果如圖3。

圖3 氣壓測量誤差

由圖3可知各氣壓點測量值與環境溫度幾乎呈線性關系，于是加入一組溫度值作為氣壓標定的第二個參量，本文實驗使用該系統電路中AD芯片的內置溫度傳感器所測數值。

調節控溫箱溫度為45，25，5，-5，-25，-45 ℃，測試并記錄各溫度下系統正常工作的氣壓傳感器原始輸出以及AD芯片的內置溫度傳感器輸出如表1。

表1 氣壓傳感器原始電壓輸出

將氣壓傳感器輸出與AD芯片的內置溫度傳感器輸出和標準氣壓值做雙元線性回歸，得到式(2)

Pa=7.519 35V-0.076 53T-13.656 9

(2)

式中V為氣壓傳感器輸出，T為AD芯片的內置溫度傳感器輸出，Pa為補償后氣壓輸出。線性相關度為0.999 9。

再次重復3.2節中(2)和(3)操作得到圖4結果。

圖4 氣壓測量誤差

3 結 論

本文設計了一種新的基于硅壓阻式傳感器芯片的恒溫工作的氣壓傳感器系統，并對其進行了線性標定及-45～45 ℃環境下的測量，得到了600～1 100 hPa量程下誤差小于0.3 hPa的結果。

由實驗結果可知：對于受環境溫度影響較大的硅壓阻式傳感器芯片，直接對其加熱并控制工作溫度的方式可行，且能達到較高的精度。但另一方面來說，這樣的補償方式的有效性與使用的原始芯片質量高度相關。隨著MEMS技術發展，集成化、微小化將是各類傳感器芯片的發展方向[8,9]，可將加熱、測溫和測壓元件設計制作在同一塊芯片上，獲得更簡單的標定方式以及精確度更高的結果。

[1] 樊尚春．傳感技術及應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2010：161-162．

[2] 楊 雪，劉詩斌．壓力傳感器溫度補償各種算法的比較分析[J]．電子設計工程，2013，21(10)：90-92．

[3] 張荷芳，薛靜云．壓力傳感器溫度補償的BP神經網絡算法[J]．西安工業大學學報，2013，33(2)：163-167．

[4] 李 亮，杜利東，趙 湛.數字氣壓傳感器的一種高效標定和補償方法 [J].傳感器與微系統，2014，33(11)：43-47.

[5] C8051F32x-DK user guide[R].Austin,Texas:Silicon Laboratories,2009.

[6] 陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，2002.

[7] Stuart Bennett. The past of PID controller[J].Annual Reviews in Control,2001,25:43-53.

[8] Wen H Ko.Trends and frontiers of MEMS[J].Sensors and Actuators A,2007,136:62-67.

[9] 李旭輝.MEMS 發展應用現狀[J].傳感器與微系統,2006，25(5)：7-9.

周曉宇(1990一)，女，碩士研究生，主要研究方向為傳感器應用。

Design of high-precision silicon piezoresistive gas pressure sensor system

ZHOU Xiao-yu1,2， ZHANG Meng-ying1,2， DU Li-dong1， ZHAO Zhan1

(1．State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electrics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China；2．University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China)

Greatly affected by the environment in which the most obvious effect of temperature.In order to eliminate influence of ambient temperature on output of silicon piezoresistive sensor,greatly enhance measurement precision of piezoresistive silicon sensor,sensor chip and heat source and temperature-sensitive components are packaged together,by controlling heating mode,sensor can work in environment of constant 50 ℃ and linear calibration and testing are carried out.At -45～45 ℃ temperature measurement error of air pressure sensor system is less than 0.3 hPa at range of 600～1 100 hPa.

silicon piezoresistive gas pressure sensor; chip heating; PID control; temperature compensation

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0097—03

2016—04—27

TP 212

A

1000—9787(2017)04—0097—03