擴(kuò)散硅壓力變送器溫度補(bǔ)償

1引言
       由于擴(kuò)散硅壓力變送器采用了硅彈性材料、半導(dǎo)體工藝和微機(jī)械加工技術(shù),它體積小(芯片2X2mm)、成本低、精度高、穩(wěn)定性好,且能以O(shè)EM方式提供給整機(jī)廠進(jìn)行二次開發(fā),所以得到了迅速普及。擴(kuò)散硅壓力傳感器通過擴(kuò)散電阻的壓阻效應(yīng)感應(yīng)壓力變化，從根本.上受溫度影響比較大,限制了它在寬溫區(qū)的精度高。
2擴(kuò)散硅壓力傳感器的溫度補(bǔ)償方法
       擴(kuò)散硅壓力傳感器的溫度補(bǔ)償一般分內(nèi)補(bǔ)償和外補(bǔ)償。內(nèi)補(bǔ)償通過傳感器的設(shè)計、制造工藝,封裝材料、形式來減小零點和滿量程的溫度系數(shù),特別是通過控制擴(kuò)散阻條的摻雜濃度,使傳感器的滿量程溫度系數(shù)控制在0.75%FS/全溫區(qū),在一般應(yīng)用中做到滿量程免補(bǔ)償。由于內(nèi)補(bǔ)償有局限性,所以必須進(jìn)行外補(bǔ)償。外補(bǔ)償?shù)男问蕉鄻?有通過固定電阻網(wǎng)絡(luò)的兩點式補(bǔ)償(零點和滿量程的溫度系數(shù)為0.75%FS/70℃,0~70℃;通過熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)的三點式補(bǔ)償(零點和滿量程的溫度系數(shù)為0.5%FS/55℃,-30~+80℃;通過單片機(jī)的智能多點補(bǔ)償(智能壓力變送器)等。近年來,集信號處理、溫度補(bǔ)償于--體的壓阻式傳感器專用信號調(diào)理芯片(SSC)以其集成、多功能,大大提高了擴(kuò)散硅壓力傳感器的性能價格比。這類芯片的溫度補(bǔ)償方法與單片機(jī)的智能多點補(bǔ)償類似,通過溫度傳感器檢測環(huán)境溫度,溫度值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換作為地址指針,儲存在存貯器中此地址的零點和滿量程的溫度修正系數(shù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量,修正傳感器輸出信號中零點和滿量程的溫度漂移。這類芯片的存貯器的類型有ROM、EPROM(SCA2095)、E2PROM(MAX1457)型;有片外,也有集成在片內(nèi)(SCA2095)的。溫度傳感器有的集成在片內(nèi),有的外接，還有的利用擴(kuò)散硅壓力傳感器橋路電阻的溫度敏感性來感應(yīng)溫度。
3MAX1457的組成及補(bǔ)償原理
       MAX1457是這種專用芯片中比較典型的1個,它包括1個傳感器激勵電流源;1個3位可編程增益放大器;5個16位D/A轉(zhuǎn)換器;1個12位帶可編程數(shù)字增益和數(shù)字偏置調(diào)整的A/D轉(zhuǎn)換器和1個通用運(yùn)算放大器。
       MAX1457利用擴(kuò)散硅壓力傳感器橋路電阻的溫度敏感性來感應(yīng)溫度,不僅可以補(bǔ)償傳感器零點和滿量程的溫度系數(shù)的一階誤差(相當(dāng)于兩點補(bǔ)償)，還可以通過查表法補(bǔ)償零點和滿量程的溫度系數(shù)的高階誤差。EPROM中零點和滿量程的溫度系數(shù)存貯數(shù)量各為120個(240字節(jié)),如果溫度分辨率足夠的話,對于從-40~+125℃,可以每隔1.4℃插一點。一般擴(kuò)散硅壓力傳感器零點和滿量程的溫度系數(shù)為0.01%FS/℃,故理論.上傳感器溫度誤差可以補(bǔ)償?shù)?.014%FS/℃(-40~+125℃).
       MAX1457零點溫度補(bǔ)償如圖1所示，它是將存貯在E2PROM中的零點溫度漂移值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量OTCDAC后,經(jīng)A1放大,再通過求和電路與經(jīng)過PGA放大的傳感器信號相加減,達(dá)到補(bǔ)償零點溫度誤差的效果。

       MAX1457滿量程溫度補(bǔ)償采用與兩點補(bǔ)償和三點補(bǔ)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(kuò)散硅傳感器的輸出如下式:

       滿量程溫度系數(shù)為靈敏度溫度系數(shù)與橋路電阻溫度系數(shù)之和,由于制造工藝原因,滿量程溫度系數(shù)很難控制為零,通常控制為正數(shù),再通過改變傳感器供電電流Ib的溫度系數(shù),進(jìn)一步補(bǔ)償。如圖2所示，MAX1457將存貯在E2PROM中的滿量程溫度漂移值轉(zhuǎn)換為模擬量FSOTCOUT,改變鏡像電流源I,進(jìn)而改變擴(kuò)散硅傳感器供電電流I6,將滿量程溫度誤差修正到要求值。

4全溫區(qū)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，可以用于二線制,4~20mA信號輸出的全溫區(qū)精度高壓力變送器中。應(yīng)用MAX1457研制的壓力變送器組成如圖3所示。由于是全溫區(qū)(-30~+80℃)壓力變送器,所以要考慮MAXI457供電電源的溫度系數(shù)。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V/I變換,轉(zhuǎn)為電流信號輸出0~16mA,此電流與電源電流4mA疊加成兩線制4~20mA輸出。電源電流由各個元器件的耗電電流決定,各個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輸出電流,雖然這個變化量可通過MAXI457補(bǔ)償,但是卻增加了對傳感器零點溫度系數(shù)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℃時為3.36mA,25℃時為2.87mA,80℃時為2.67mA.其變化量相當(dāng)于4.5%FS,通過在電路中采用零溫度系數(shù)恒流源提供電路電源電流來消除這個影響。

       通過MAX1457補(bǔ)償傳感器零點、量程溫度系數(shù)，一般要求傳感器零點溫度系數(shù)不大于1.5倍靈敏度溫度系數(shù)(TCS),傳感器量程溫度系數(shù)應(yīng)為正。傳感器量程溫度系數(shù)為負(fù)時,應(yīng)在傳感器供電電流部分加二極管校正;傳感器零點失調(diào)過大超出MAX1457補(bǔ)償范圍時,可在傳感器橋路中串電阻進(jìn)行修正。
       用MAX1457進(jìn)行溫度補(bǔ)償,首先要進(jìn)行--階線性補(bǔ)償,然后再進(jìn)行高階矢量插值補(bǔ)償。對于-30~+80℃溫度補(bǔ)償,一階線性補(bǔ)償通常選-35℃、+85℃.高階矢量插值通常從低溫-35℃開始,且要注意地址數(shù)字增益要合適,以防插值到高溫時,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,在線路板布線時要防止引入干擾。
       用MAX1457研制的精度高壓力變送器在全溫區(qū)的補(bǔ)償結(jié)果如表1所示。由表1可知,補(bǔ)償后,在-30~+80℃溫度范圍內(nèi),壓力變送器零點和滿量程的溫度誤差在0.1%FS之內(nèi)。在低溫區(qū),因為傳感器零點和滿量程溫度誤差在低溫區(qū)非線性較大,所以插值較密。

5結(jié)論.
       使用MAX1457補(bǔ)償?shù)娜珳貐^(qū)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?qū)鞲衅餮a(bǔ)償,克服了通過單片機(jī)智能補(bǔ)償帶來的量化噪聲和低頻響,響應(yīng)時間可達(dá)1ms.