高精度硅压阻式气压传感器系统设计

周晓宇， 张萌颖， 杜利东， 赵 湛

(1．中国科学院 电子学研究所 传感器技术联合国家重点实验室，北京 100190；2．中国科学院大学，北京 100080)

高精度硅压阻式气压传感器系统设计

周晓宇1,2， 张萌颖1,2， 杜利东1， 赵 湛1

(1．中国科学院 电子学研究所 传感器技术联合国家重点实验室，北京 100190；2．中国科学院大学，北京 100080)

为了消除环境温度对硅压阻式传感器输出的影响，大幅提升硅压阻式传感器的测量精度，将传感器芯片与热源和测温原件封装在一起，通过控制加热的方式使传感器工作在恒定50 ℃的环境中，对传感器进行线性标定和测试。结果显示：在-45～45 ℃环境下，600～1 100 hPa量程内气压传感器的测量误差小于0.3 hPa。

硅压阻式气压传感器； 芯片加热； PID控制； 温度补偿

0 引 言

现代社会，随着人类活动频率增高，活动范围变广，天气的监测与预报也越来越重要。传统的气象监测要素包括气压、气温、风速、风向、湿度等。而气压是其中重要的参数之一，因此,高精度大量程的气象压力传感器的研究对气象业务的发展具有重大意义。

硅压阻式压力传感器灵敏度高，稳定性好，动态响应好，易于向集成化、智能化方向发展。然而,由于压阻效应存在较大的温度系数，这类传感器受温度的影响较大[1],若要在气象领域应用，则需要在较大温度范围内都能实现高精度的准确测量。因此，硅压阻式压力传感器都要经过一系列的温度补偿操作之后才能投入使用。常用的补偿方式有反向传播(BP)神经网络补偿算法、曲面拟合算法以及最小二乘法等，大多实现较为复杂或补偿精度不高[2～4]。

针对硅压阻压力传感器芯片工作性能受到环境温度的影响较大，本文设计了一种新的补偿方式，即直接对芯片加热使其工作在恒定环境温度下，彻底消除工作环境温度对硅压阻传感器芯片测量压力性能的影响。

1 恒温工作传感器系统设计

本文将加热电阻，测温铂电阻，以及硅压阻式传感器芯片通过导热绝缘的硅胶粘贴在一起，加热电阻发热对硅压阻式传感器芯片进行加热，铂电阻测量芯片工作的实时温度并提供控制参数，最终使得传感器芯片工作在稳定环境温度下。

1.1 结构设计

设计的气压传感器系统结构如图1所示。传感器芯片与热源分别置于印刷电路板(PCB)的两端，并将该PCB中央挖空以放置测温铂电阻。这样的结构使得铂电阻与传感器芯片尽量接近，使其对温度的测量能更接近于真实的传感器芯片温度。传感器的封装设计中，首先在上图所示结构部分加盖密封仅留下测试用通气入口，然后底部热源外侧使用隔热胶密封，之后通过插针接入电路，整体电路最后放置在密封金属盒中。这样密封的设计能够极大地减少芯片与周围空气的热对流，从而减少能量耗散。

图1 系统设计图

1.2 加热控制

1.2.1 控制电路

设计中，加热电阻器的加热功率是通过流过其电流通断的占空比的变化来控制的，而流过电阻的电流通断由一个NPN三极管提供开关作用进行控制，该三极管的通断由单片机输出的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号控制，即PWM信号控制加热电阻器上电流的通断时间占空比，从而控制其加热功率。控制电路图如图2。

图2 加热控制电路图

其中,Rload为加热电阻负载，MCU为单片机，其PWM信号为开漏输出，输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻，适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力也相对较强。为了配合加热电阻的电流，本文选择了额定电流较大的三极管和电源芯片。

1.2.2 温度控制算法

本文实验中单片机采用C8051F321，提供8位PWM和16位PWM。本文选择使用16位PWM方式，其占空比如式(1)所示[5]

(1)

由式(1)可知，最大占空比为100 %(PCA0CPn=0)，最小占空比为0.001 5 %(PCA0CPn=0xFFFF)。可以通过将ECOMn位清‘0’产生0 %的占空比。在该设计中，根据铂电阻器所测温度对信号进行调制，使用比例—积分—微分(proportion integration differentiation，PID)控制算法对PWM信号进行调制。

本文实验中，PID控制[6,7]参数的选定使用的是试凑法，即通过一系列不同环境温度下的不断试验得到相对较合适的参数。最后选定的参数使得系统在 -45～45 ℃范围内都能得到较为稳定的温度控制结果。

2 实验过程和结果

2.1 实验设备

测试系统整体包括：气压传感器，温度传感器和加热电路组成的气压测量部分，通信部分，PC端，气压控制仪器和环境温度控制仪器。其中，气压控制仪器使用的是国瑞智新技术有限公司生产的压力自动控制器，环境温度控制仪器使用的是苏州广郡电子科技有限公司生产的高低温交变湿热试验箱，气压测量部分放置在试验箱中，留有通气口与压力控制器相连及通信用光纤与PC端相连。事先设置加热目标温度值为50 ℃，使传感器芯片所处位置温度测值稳定，PC端显示并记录通过光纤传输的气压测量值与温度测量值。

2.2 测试流程

1)连接器件，调节控温箱温度为0 ℃，待环境温度稳定后，测量传感器关键气压点输出并记录，得到其与标准值的线性关系，标定传感器。

2)调节控温箱温度为45 ℃，稳定后改变气压分别为600,700,800,900,1 013,1 100 hPa，观察并记录各点传感器的输出。

3)每次降温10 ℃，重复步骤(2)的过程，直到降温至-45 ℃

2.3 测试结果与分析

实验测量得到的不同环境温度下各气压点测量值与标准值误差结果如图3。

图3 气压测量误差

由图3可知各气压点测量值与环境温度几乎呈线性关系，于是加入一组温度值作为气压标定的第二个参量，本文实验使用该系统电路中AD芯片的内置温度传感器所测数值。

调节控温箱温度为45，25，5，-5，-25，-45 ℃，测试并记录各温度下系统正常工作的气压传感器原始输出以及AD芯片的内置温度传感器输出如表1。

表1 气压传感器原始电压输出

将气压传感器输出与AD芯片的内置温度传感器输出和标准气压值做双元线性回归，得到式(2)

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

(2)

式中V为气压传感器输出，T为AD芯片的内置温度传感器输出，Pa为补偿后气压输出。线性相关度为0.999 9。

再次重复3.2节中(2)和(3)操作得到图4结果。

图4 气压测量误差

3 结 论

本文设计了一种新的基于硅压阻式传感器芯片的恒温工作的气压传感器系统，并对其进行了线性标定及-45～45 ℃环境下的测量，得到了600～1 100 hPa量程下误差小于0.3 hPa的结果。

由实验结果可知：对于受环境温度影响较大的硅压阻式传感器芯片，直接对其加热并控制工作温度的方式可行，且能达到较高的精度。但另一方面来说，这样的补偿方式的有效性与使用的原始芯片质量高度相关。随着MEMS技术发展，集成化、微小化将是各类传感器芯片的发展方向[8,9]，可将加热、测温和测压元件设计制作在同一块芯片上，获得更简单的标定方式以及精确度更高的结果。

[1] 樊尚春．传感技术及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2010：161-162．

[2] 杨 雪，刘诗斌．压力传感器温度补偿各种算法的比较分析[J]．电子设计工程，2013，21(10)：90-92．

[3] 张荷芳，薛静云．压力传感器温度补偿的BP神经网络算法[J]．西安工业大学学报，2013，33(2)：163-167．

[4] 李 亮，杜利东，赵 湛.数字气压传感器的一种高效标定和补偿方法 [J].传感器与微系统，2014，33(11)：43-47.

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

[6] 陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，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] 李旭辉.MEMS 发展应用现状[J].传感器与微系统,2006，25(5)：7-9.

周晓宇(1990一)，女，硕士研究生，主要研究方向为传感器应用。

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