几种实用的压力传感器灵敏度温度漂移补偿方法

1、引言

现代信息产业的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器是信息采集系统的首要部件，几乎应用于所有的技术领域，世界各国都越来越重视传感器的研制与开发。

压力传感器是应用最为广泛的传感器之一，今年来，先进国家都加大了对压力传感器的研究力度。对压力传感器的研究集中在原理、制造工艺、传感器补偿技术与信号调理上。现有压力传感器在原理和生产工艺上主要有电容式、粘贴式、硅压阻式、合金电阻应变式几种，各种传感器的工艺技术都日趋成熟，尤其是合金电阻应变式压力传感，性能优越，应用越来越广泛。本文针对影响硅压阻式和合金薄膜应变式压力传感器测量精度的一个主要误差——灵敏度温漂进行分析，探讨各种补偿方法，通过对灵敏度温漂的有效补偿，减少温度变化引起的测量误差，提高压力传感器测量精度。

2、影响压力传感器灵敏度温漂的主要因素

2.1 灵敏度和灵敏度温漂

硅压阻式和合金薄膜压力传感器采用的转换电路一般为全桥应变电路，测量原理见图1示：

图1 全桥应变电路

压力传感器敏感芯片受到压力产生电阻阻值改变，R1和R4电阻增大，R2和R3电阻减小，桥路输出一个与压力成正比的电信号。理论上，4个电阻阻值相同，均为R，电阻R1和R4的变化值均为ΔR，电阻R2和R3的变化值均为（-ΔR），可推导出，传感器的零点输出见公式（1）：

ΔV=U×ΔR/R                                            (1)

灵敏度是指压力传感器在满量程压力下，单位输入所产生的输出；是压力传感器的静态特性中的一项重要指标。灵敏度温漂指压力传感器的满量程输出随温度变化的改变率。压力传感器的灵敏度温漂的计算公式见式（2）：

β=(YF.S(t₂)- YF.S(t₁))×100%/［YF.S(t₁)×( t₂- t₁)］/℃     (2)

其中YF.S表示压力传感器的满量程输出。

2.2 产生灵敏度温漂的主要原因

2.2.1 产生硅压阻式传感器灵敏度温漂的主要原因

对于硅压阻式压力传感器，产生灵敏度温漂的原因是多方面的。压力灵敏度与压阻系数成比例关系，压阻系数是温度的函数，因此压阻系数随温度变化是产生灵敏度温漂的主要原因。压阻系数随温度升高而下降，灵敏度温度系数总是小于零，而且压敏电阻的压阻系数的温度系数大，一般需要进行温度补偿，这是硅压阻式压力传感器最大缺点。另外，绝缘层与基底材料的热膨胀系数不匹配，电阻掺杂不合适等也会影响灵敏度温漂。因此压阻系数的温度系数造成的温漂相对比较复杂，补偿相对困难，但一般有一定的规律，可按照经验和规律进行补偿。

2.2.2 产生合金薄膜应变式传感器灵敏度温漂的主要原因

对于合金薄膜应变式压力传感器，由于应变电阻随弹性元件的变化而变化，而弹性元件弹性模量是温度的函数，随着温度增加，弹性模量会增大，所以压力传感器有一个正的灵敏度温漂；这是影响灵敏度温漂的主要原因。由于弹性模量的温度系数为一定值，所以，合金薄膜压力传感器的灵敏度温漂基本为一恒定值，补偿相对简单，方便进行补偿。

3、几种补偿灵敏度温漂的方法

下面介绍目前通用的几种灵敏度温漂的补偿方法：

如图2示：将二极管串接入桥路的供压电源端来实现灵敏度温漂的补偿；其原理是：对桥路采用恒压源供电，二极管在正向使用时相当于负温度系数的小电阻，当环境温度增加，二极管正向电阻值减小，二极管的分压减小，桥路的供桥电压增加，使得传感器的零点输出与满量程输出增加，从而达到补偿硅传感器的负灵敏度温漂。这种方法简单实用，适应于硅压阻式传感器的灵敏度温漂补偿；缺点是二极管补偿方式离散性大，不能实现连续补偿。

3.2 热敏电阻补偿法

采用恒压源供电，桥式电路的输出与供桥电压成正比，与桥臂电阻的变化量（ΔR₁+ΔR₄-ΔR₂-ΔR₃）成正比，与桥臂平均电阻R成反比。通过改变桥压的大小就可以实现灵敏度温漂的补偿。在桥路的供压电源端来串入一个温度系数比桥臂电阻大得多的热敏电阻，通过在不同温度下，热敏电阻的分压不同，引起桥路的供桥电压改变，从而达到改变传感器零点和满量程的改变。泽天传感在溅射薄膜压力传感器的温度补偿上，长期采用这种补偿方式，结果表明，该补偿方式简单易行，效果良好。

对于硅压阻式传感器，由于电阻的温度系数与压阻系数的温度系数均为负值，在热敏电阻的选择上，要选择负温度系数比桥臂电阻大得多的热敏电阻，这样，在高温下，热敏电阻的分压比常温下小，桥路的供桥电压增加，满量程输出增加，起到补偿作用。合金应变式压力传感器的补偿与硅压阻式相反，因为弹性材料与合金电阻材料的温度系数均为正值，热敏电阻须选择正温度系数大的电阻，如纯铜电阻。

通过串接热敏电阻方式补偿灵敏度温漂，工艺简单，补偿精度也高；这种方法相比教于二极管补偿方法更精确，热敏电阻的温度系数成线性，可以实现连续精确的补偿，是最常用的补偿方法。

3.3 数字化补偿

由于高精度的数字调理电路的发展，压力传感器的零点温漂与灵敏度温漂都可以通过后期电路进行修正。在数字调理芯片内部，带有温度传感器，能实时测量传感器环境温度。电路内部存储器，可以预先存入各种温度下对应的零点与满量程输出值。在各种环境温度下，通过内部温度传感器测量实时温度，电路调出预先存储的该温度点下的零点与满量程输出值，从而达到补偿的目的。

4、结论

本文通过分析硅压阻式和合金薄膜应变式压力传感器的灵敏度温漂产生的主要原因，针对灵敏度温漂的特点，介绍几种有效的补偿方法。分析和泽天传感长期的实验结果表明：通过热敏电阻或高精度调理电路都可以实现对压力传感器的灵敏度温漂的有效补偿，使压力传感器温度误差满足0.2级或更高精度要求。