一種微型壓力傳感器調理電路的優化設計

任勇峰，程心怡，賈興中

（中北大學電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051）

壓阻式壓力傳感器相比于壓電式和電容式的傳感器而言，具有靈敏度高、頻率響應快、集成度好、結構簡單等優點，因此廣泛應用于航天及軍事等領域[1]。但是，壓阻式壓力傳感器輸出信號一般為微弱信號，不便于后續的分析及應用，并且容易受到溫度的影響[2]。基于上述特點，文中分別設計了兩種不同的壓阻式壓力信號調理電路，并分別進行了精度測試，對其熱靈敏度漂移和熱零點漂移等進行了計算和比較。

1 壓阻式壓力傳感器

壓阻效應是指當傳感器受到作用力時，彈性膜片上的應力作用使得壓敏電阻阻值發生變化，壓阻式壓力傳感器是將壓力信號通過敏感元件轉變為對應的電阻值[3]。但是由于電橋變化引起的電壓輸出值通常是毫伏級別的，并且壓阻式壓力傳感器本身存在一定的誤差以及容易受到溫度的影響。因此，為了獲得足夠的分辨率或靈敏度，壓阻式壓力傳感器的調理電路需要對其輸出信號進行放大、濾波以及溫度補償等。

2 壓阻式壓力傳感器調理電路

2.1 采用恒流源供電的信號調理電路

方案一所設計的調理電路利用恒流源供電以消除溫度對壓力信號測試過程中的影響，并選用儀表放大器AD8227對壓力傳感器輸出的微弱信號進行放大，濾波電路選用LTC1569-7。圖1為方案一調理電路設計框圖。

圖1 方案一調理電路設計框圖

2.1.1 供電電路設計

壓力傳感器內部全橋電路如圖2所示。

圖2 全橋電路

當壓力傳感器沒有受到壓力，并且環境溫度保持恒定時，采用恒壓源供電方式，電橋的輸出電壓為：

采用恒流源情況下，輸出電壓為：

假設R1=R2=R3=R4=R，溫度系數均為正，R1、R3阻值隨著壓力增加而變大，R2、R4阻值隨著壓力的增加而減小，改變量為△R，在環境溫度變化的情況下，電阻改變量為△RT，則電橋輸出電壓分別為：

將公式進行簡化，可以得到：

由上述推導可以得出：采用恒流源供電可以有效消除溫度對壓阻式壓力傳感器輸出信號的影響[4]。線性穩壓電源電路選用LM117芯片，其能夠避免直接使用電源設備而產生的噪聲，并為恒流源電路提供穩定的供電電壓[5]。其輸出電壓為：

恒流源電路選用芯片LM134，其產生的電流與溫度有關，為了消除溫度對調理電路的影響，需要外接一個電阻和二極管。二極管選用溫度系數為-2.5 mV/K的1N457，溫度系數決定式為：

當滿足式（9）時，表示二極管1N457與LM134溫度漂移相互抵消[6]。此外，該設計選用的壓力傳感器在0～50℃范圍內自帶溫度補償功能。因此，兩者共同消除了溫度對壓力信號的影響。電源設計如圖3所示。

圖3 電源設計

2.1.2 放大電路設計

壓力傳感器輸出的微弱信號需要進行放大，該設計選用儀表放大器AD8227，其增益G=5+80 K/(R4+R5)。AD8227帶有一個基準引腳，可以用來偏置輸出電壓，為獲得最佳性能，應當用低輸出阻抗源驅動基準引腳[7]。

當儀表放大器應用在具有強射頻信號的設備當中時，可能存在較小的直流失調電壓，因此需要在壓力傳感器輸出端設計射頻濾波電路[8]。可以通過RC網絡對高頻信號進行濾波，如圖4左端所示。

圖4 放大電路

其差分帶寬為：

共模帶寬為：

2.1.3 濾波電路設計

壓力傳感器輸出的微弱信號容易受到噪聲信號的影響，從而使得電路中產生混疊現象。該設計中選用截止頻率可以調節的十階集成開關電容低通濾波器LTC1569-7，其可以通過簡單的外圍電路實現功能。LTC1569-7與放大電路模塊中的二階低通濾波器共同作用，可以有效消除混疊，從而將有效的信號提取出來[9]。另外，LTC1569-7濾波器電路需要后接一個電壓跟隨器，以保證最終的輸出電壓不被損耗[10]。濾波電路如圖5所示。

圖5 濾波電路

2.2 采用MAX1452的信號調理電路

2.2.1 MAX1452主要功能及原理

MAX1452是一種高度集成的模擬傳感器信號調理芯片，其功能包括放大、校準以及溫度補償，主要用于阻性元器件的優化，其功能框圖見圖6。MAX1452通過偏移量溫度系數（TC）和跨度溫度系數（FSOTC）實現溫度補償，從-40～+125℃以1.5℃的間隔，提供了114個獨立的16位EEPROM單元編程，用戶可以根據自身需求選擇若干個溫度校準點來確定溫度曲線[11]。

圖6 MAX1452功能框圖

MAX1452具有兩種工作模式：數字模式和模擬模式。在對傳感器進行校準和補償時為數字模式，通過改變偏移量、可編程增益放大器的放大倍數以及敏感頭的供電電壓或電流來實現修正和補償[12]。具體表現為芯片內部集成的溫度傳感器每1 ms根據當前的溫度給出一個查找表的變址，通過其內部的5個寄存器（ODAC、OTCDAC、FSODAC、FSOTCDAC、CONFIG）把數字量分別轉換為相應補償電壓值，再加載到模擬通道上，完成對傳感器輸出信號的調理[13]。

2.2.2 MAX1452信號補償電路

MAX1452需要5 V供電，供電電路同方案一線性穩壓源電路。壓力敏感元件的+IN端與MAX1452的電橋驅動BDR引腳連接，-IN接地，OUT+與INP連接，OUT-與INM連接。VDDF是EEPROM正電源電壓，VDDF和VDD與VSS之間需要連接一個0.1μF的電容[14]。若電路工作在噪聲環境下，需要在VDDF與VDD之間連接一個1 kΩ的電阻。UNLOCK引腳上使用下拉電阻，方便MAX1452完成數字模式和模擬模式的轉換，電阻參考值為1 kΩ。R19、R20、C19、C20和MAX1452內部的通用運放構成二階低通濾波器對輸出信號進行濾波。輸出端AOUT連接一個0.1μF的電容，能夠有效抑制噪聲[15]。另外，該設計選用的壓力傳感器在0～50℃有溫度補償功能，因此調理電路需外接溫度補償反饋電阻R21、R22，其阻值為75 kΩ，電阻溫度系數為20 ppm及以下。

圖7 MAX1452調理電路

2.2.3 MAX1452補償過程

設定壓力范圍為0～1.2 kPa，輸出電壓范圍為0.2～4.9 V。則壓力傳感器理論輸出電壓線性方程：y=0.003 917x+0.2。

補償溫度范圍選定-40～60℃，由于在零度以下，壓力傳感器溫漂更大，因此在零下設置溫度間隔為10℃，零上溫度間隔為20℃。即選定-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、20℃、40℃、60℃8個溫度點進行補償[16]。首先，要在室溫環境下對傳感器進行預校準，在預校準成功之后將其放入溫箱，并把溫度調節為-40℃。當溫箱達到-40℃后，溫度恒定并保持30分鐘左右再進行補償操作，使得傳感器芯體與MAX1452芯片所感知的溫度一致，從而保證補償的準確性。之后，按照所設定的溫度依次操作。在所設定的8個溫度點依次補償完成后，通過DIO寫入到MAX1452中，完成補償工作。鎖定芯片，并使芯片工作在模擬模式下，對壓力傳感器及其調理電路進行性能測試。

3 試驗與驗證

3.1 溫度試驗測試

將方案一和方案二的調理模塊放進溫箱，依次將溫箱溫度設為-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃。并且在溫箱達到預設溫度之后停留半小時，以保證傳感器芯體和調理電路溫度保持一致，再對壓力傳感器施壓進行測試，并記錄數據。

通過溫度試驗以及計算兩種調理方案的熱零點漂移和熱靈敏度漂移參數可得，方案二在解決壓阻式壓力傳感器溫漂問題中更具優勢。這是由于方案一主要是通過設計恒流源模塊使得調理電路不受溫度的影響。而所選用的壓力敏感元件在0～50℃溫度范圍內自帶溫度補償功能。因此在-40～0℃之間溫漂較大。而MAX1452芯片不僅能夠對壓力信號進行放大、校準，還能對其進行溫度補償。因此，可以有效解決壓阻式壓力傳感器的溫漂問題。

表1 溫度試驗測試數據

表2 溫度試驗測試結果（%F·S/℃）

3.2 其他性能測試

待傳感器恢復到室溫后，對其電氣性能分別進行測試和計算。結果如表3所示。

表3 調理電路性能測試結果

4 結 論

針對壓阻式壓力傳感器輸出信號容易夾雜噪聲信號，并且測量過程中會受到溫度的影響等問題，文中設計了兩種不同的調理電路，并進行了相應的測試。結果表明，兩種調理電路均能減小噪聲和溫度等因素對壓阻式壓力傳感器輸出信號的影響，測量精度均在0.1%之內。但方案二所采用的MAX1452芯片在溫度補償方面更具優勢，并且由于該芯片集放大、校準和溫度補償于一體，使得電路板面積為20 mm×20 mm，因此適用于微小型封裝的壓阻式壓力傳感器結構。