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(毕业论文)温压力传感器的温度补偿.doc

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摘要摘要压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器,具有灵敏度高,动态响应快,测量精度高,稳定性好,工作温度范围宽,易于小型与微型化,便于批量生产与使用方便等特点。因此,它是一种发展迅速,应用广泛的新型传感器。压阻式压力传感器的一个主要问题是温度补偿问题,由于温度会对传感器的灵敏度及测量精度产生很大的影响,在相当程度上限制了压阻式压力传感器的使用,对传感器进行温度补偿显的尤为重要。本文介绍了一种温度补偿方法的基本原理,其解决了微型压阻式压力传感器温补问题;详细阐述了一种实用的整体补偿电路,并从理论上导出了分析计算公式,最后给出传感器整体的零位和灵敏度温度系数在补偿前后的对比情况。

关键词:压阻式压力传感器温度测量整体温度补偿ABSTRACTPiezoresistivepressuresensor,bemadeofsemiconductorsiliconbasedonpiezoresistivephenomenon,hasmanycharacteristicsofhighsensitivity,quickresponsehighmeasurementprecision,goodstability,wideworkingtemperaturerangeandbeingminiaturizedandproducedeasily.

Itisanewtypesensordevelopedquicklyandusedwidely.piezoresistivepressuresensoralwaysfacesanimportantproblemoftemperaturecompensationwhichrestrictsitsapplication,becauseoftemperatureinfluenceonsensor’ssensitivityandmeasurementprecision.Therefore,itisasignificantprojecttoresearchtemperaturecompensationforpiezoresistivepressuresensor。

Inthispaper,amethodoftemperaturecompensationofthebasicprinciples,thesolutiontoaminiaturepiezoresistivepressuresensorwarmingproblem;elaborateontheoverallutilityofacompensationcircuit,andanalysisderivedfromthetheoreticalformula,giventhesensorzerooveralltemperaturecoefficientandsensitivityincontrasttothesituationbeforeandaftercompensation。

Keyword:PiezoresistivepressuresensorTemperaturemeasurementTheoveralltemperaturecompensationI第一章引言目录45第二章引言第一章引言1.1课题背景随着集成电路和半导体技术的发展,出现了以半导体材料的压阻效应为原理制成的半导体力敏传感器,而其中的硅压阻式压力传盛器因具有体积小、性能高、廉价等优点得到了广泛应用。但利用扩散技术形成电挢阻值易随温度改变,并且压阻组件的压阻系数具有较大的负温度系数,这些易引起电阻值与电阻温度数的离散,导致压力传感器的热灵敏度漂移和零点漂移?为此。

采用设计了一种适用于压阻式压力一传感器的整体温度补偿电路.它具有补偿精度高、稳定性能好、调节方便等优点,可达到较为满意的应用结果。1.2压力传感器的发展历史硅单晶材料优良的压阻效应与完美的微加工技术相结合,被广泛用于制备压力传感器。现以薄膜压力传感器为例来说明传感器的发展过程。半导体传感器的发展可以分为四个阶段:1)发明阶段(1947~1960):这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。此后,半导体及设备的特性得到了广泛应用。史密斯(C.S.Smith)于1945年发现了硅和锗的压阻效应,即当有机械力作用于半导体材料时,其电阻发生变化。依据此原理制成的第一个压力传感器是把硅和锗应变电阻片粘在金属薄膜上。

将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。2)基础技术发展阶段(1960~1970):为提高传感器的性能,应变片被直接扩散在硅杯的底面簿膜上。用硅杯代替金属膜。这个阶段也是“商业和市场发展的阶段”,即把技术研究变为实际应用。此阶段最小加工线度为0.5cm。3)批量加工阶段(1970~1980):采用选择性的各项异性的化学腐蚀加工的工艺提高膜片的性能。由于腐蚀可以在整个表面进行,因此,数百个传感器膜片可以一批加工完成。这一阶段类似于集成电路的制作。由于表面光刻技术的发展,加工尺寸十分精确,加之离子注入工艺的应用使工艺水平进一步提高。此阶段最小加工尺寸为0.2cm。4)微机械加工阶段(1980~今):微机械加工工艺适应于结构型传感器。

或线度在微米级(10~6μm)范围的其它结构。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜,标志着传感器已进入了微米阶段。此阶段标志传感器的最小尺寸为0.02cm。1.3国内外压力传感器的发展现状目前,压力传感器的研究主要集中在如下几个方向:1)开发耐高温的压力传感器:主要是以新型半导体材料(SiC)为膜片的压阻式力传感器为代表。Ziermann,Rene和VonBerg,Jochen等人首先1997年报导了使用单晶n型βSiC材料制成的压力传感器,这种压力传感器工作温度可达573K,耐辐射。在室温下,此压力传感器的灵敏度约为20.2mV/KPa;Okojie,RobertS和Ned。

AlexanderA等人1997年报导了可工作在500℃条件下的6H-SiC压阻式压力传感器,它的满量程输出范围(FSOat1000PSi)可达40.66mV(23℃)和20.03mV(500℃),线性度可达–0.17%,电阻的温度系数(TCR)为–0.25%/℃(100℃)和–0.05%/℃(500℃),TCGF(Temperaturecoefficientofgaugefactor)为–0.19%/℃(100℃)和–0.11%/℃(500℃)。2)微机械加工的压力传感器卞要是以微机械加工为标志的,线度大约在1^2mm左右的微型压力传感器,这种压力传感器由于体积很小,可以放置于人体的贡要器官(如:血竹、眼睛等)内进行有关数据的采集。

Hachol,Andrzej;Dziuban,JanBochenek,Andrzej1996年报导了他们研制的用于测量眼压的眼压计,其膜片直径为lmm。在内眼压力(IOPIntraocularpressure)为60mmHg时,静态输出为40mV,灵敏度系数亦较高;Marco,S和Samitier,J等人于1997年也报导了使用极薄膜片构成的高性能、用于生物学研究的压阻式力传感器,卞要用于血竹压力测量。3)温度漂移的补偿由于温度是影响压力传感器线性度的卞要原因,温度漂移效应补偿研究成为众所关注的课题,近年来发表此方面的论文也比较多,归纳起来有两大类:其一是利用双惠斯顿电桥结构对温度漂移进行补偿。

如:Lee,YoungTac和Seo,HeeDon等人提出的利用双惠斯顿单臂电桥结构补偿法;Hou,Chenggui提出的双电桥制成的压力传感器,利用双电桥来改善压力传感器的灵敏度.消除零压输出,减小灵敏度温度漂移已得到了实现等。其一是利用线性电压激励,使压阻式力传感器的灵敏度改变得以补偿。Gakkested,Jakob;Ohlckers,Per不IIHalbo,Leif成功地实现了这一设想。对温度变化引起的灵敏度和线性度漂移利用软件或硬件进行补偿同样取得了良好的效益4)利用压阻效应制成的加速度传感器目前,用微机械加工工艺研制二维压阻式加速度计成为主要的研究对象,此传感器主要用于加速度测量。Kwuon。

Kijin和Park,SekWang运用SDB(silicondirectbonding)技术和LPCVD技术制成单品簿膜,利用此膜研制成了二维压阻式加速度传感器,根据各个方向压力的变化来检测二维加速度,并成功地消除了横向加速度。原理是将输出的温度系数((TCOTemperaturecoefficientofoffset)转化为X,Y,Z轴惠斯顿电桥的输出量,在25℃160℃范围内,X,Y,Z轴对应值分别为:00.07[%F.S.]0.0280.016[%F.S.]:0.0070.004[%F.S.]。在室温下,此二维压阻式加速度计在X,Y,Z方向加速度的灵敏度分别为:0.06mV/V0.06mV/V:0。

13mV/VoSim,JunH+an:Hahm,SungHo等人利用一种有选择性的多孔硅技术和微机械加工手段,于1997年研制成功了一个八臂压阻式加速度传感器,其优点是大大改善了由微小剪切压力引起的影响。对于传感器的较低灵敏度能通过半桥组成的四个输出信号得以解决。这种传感器的效能经过实验检验是独具特色的。5)数据的采集由于实际数据采集过程中会遇到各种不同的实验环境,对实验数据采集传输系统也有不同的要求,在有些领域,由于条件所限,采用普通有线电缆引出信号是无法满足要求或者跟本无法实现的。在这种试验环境要求下,一个比较好的解决方案就是采用无线传输技术,将采集的数据通过无线链路发送到数据接收端,

构成无线数据采集系统。近儿年,随着移动通信需求和远程数据采集量的增加,加之有线传输的费用日益增长,人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必须性。而且,在过去的10年中,无线通讯领域取得了很大的进展,这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。同时,数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用,特别是无线收发设备的单片模块化,使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。无线传输技术应用于传感器中可以解决传统的传感器系统因现场连线众多而带来的不便,并消除了各种隐患。90年代后,我国将传感器的研究放在重要位置上。

尤其是高精度(0.05级以上)压力传感器。目前我国从事传感器生产的厂家有1300多家,所生产的产品种类仅有300余种(大约为传感器种类的七分之一),产量1亿多只。由于众多厂家规模小,设备落后,国家投入的资金不足目比较分散,因而与世界上大的传感器厂家相比,科研水平落后5^10年,而生产水平落后10^20年,与世界上传感器更新换代的速度相比,落后儿个周期。从而导致品种不全,产量过低,仅满足国内需求的20%^~30%,虽说我国传感器技术与发达国家相比还比较落后,但并不是说我国的传感器的特性都不如国外的好。综合近期发表的文献,国产半导体压力传感器的特性参数有所提高。以矩形双岛膜结构的6KPa量程微压传感器特性为例。

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