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(diǎn)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(diǎn)式補(bǔ)償(零點(diǎn)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(diǎn)式補(bǔ)償(零點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)的一階誤差(相當(dāng)于兩點(diǎn)補(bǔ)償)，還可以通過查表法補(bǔ)償零點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)的高階誤差。EPROM中零點(diǎn)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(diǎn)。一般擴(kuò)散硅壓力傳感器零點(diǎn)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(diǎn)溫度補(bǔ)償如圖1所示，它是將存貯在E2PROM中的零點(diǎn)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(diǎn)溫度誤差的效果。

       MAX1457滿量程溫度補(bǔ)償采用與兩點(diǎn)補(bǔ)償和三點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)、量程溫度系數(shù)，一般要求傳感器零點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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.