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MEMS压力传感器的温度补偿_图文

第 3 7卷

第 1期 

河 南师 范 大 学 学报 ( 自然 科 学g ) t 
J u n l f He a   r lUnv riy ( t r lS in e  o r a    n n No ma  i est Na u a  ce c ) o

V  .   N o   Z 37 .1

20 0 9年 1月  

J n 20  a .0 9

文章 编 号 :0 0 2 6 ( 0 9 0 一O 7 —O   1 0 — 3 7 20 )1 O O 4

ME MS压 力 传 感器 的温 度 补偿 
关 荣锋  王 晓 雪  ,
( 南 理 工 大 学 a 材 料 科 学 与 工 程学 院 ,. 化 系 , 南 焦 作 4 4 0 ) 河 . b理 河 50 3 

摘  要 : 研究 了恒流激励条件下批量温度补偿 的方法. 零点 的温度 补偿是通过 在桥 臂上并联 阻值 较大且恒 定  
的电 阻 来 实 现 的 , 灵 敏 度 的 温 度 补 偿 则 是 在 整个 桥臂 上并 联 阻值 较 小 且 恒 定 的 电 阻 来 实 现 的 , 偿 后 零 点 温 漂 为  而 补
0 0 4 ~ O 0 5 F O/ , 敏 度 温 漂 为 o 0 3 5 ~ O 0 4 F O/ , 表 明 这 种 补偿 方 法具 有 良好 的效 果 . . 0  . 1  S ℃ 灵 . 0    . 2  S ℃ 这  

关 键 词 : MS 压力传感器 ; ME ; 温度补偿 

中图分类 号 : P 1. T 221  

文献标 识码 :   A

ME MS扩 散硅 压力 传 感器 因具有 滞后 和 蠕变 小 、 灵敏 度 高 、 程适 应 性广 、 能稳 定 、 量 性 价格 便 宜等 优点  而得到广 泛 的应 用 . 是 , 但 由于其 基体 材料是 硅材 料 , 硅 的载流子 迁移 率 、 阻系数 和 P 结 特性 等都 是 温  而 压 N 度 的 函数 n . 以从理 论上 讲 , ]所 扩散 硅压 力传感 器 的技术参 数具 有温 度相关 性 , 随着温 度会 发生漂 移. 力传  压 感 器 的温 漂有 零点 温漂 、 敏度 温漂 , 灵 然而 , 从实 际应用 来看 , 这是 所不 希望 的. 以 , 所 需要 对压 力传感 器 的温  度 特性进 行补 偿. MS压力传 感器 温度 漂移 补偿 方 法有 恒 压 激励 和恒 流激励 两 类 补偿 方 法 , ME 国内外 文献  做 了比较 多 的研究  ] 但各 种补偿 有其 各 自的特 点 , . 在批 量 补偿 方 面存 在 一 些不 足 . 文研 究 了恒流 激励  本 条 下压 力传感 器 的批量 温度补 偿 的方法 , 获得 了很好 的补偿 效果 .  

测量 原 理 与 温 度 漂 移 
ME MS压 力传 感器 是利用 硅单 晶材料 的压 阻效应 原理 制成  . 它是将 4个多 晶硅 电阻通 过扩 散工 艺 制  备在单 晶硅 薄 膜 上 , 阻 制 作 在 硅 薄 膜 的 边 沿 位  电 置 , 是 因为在 薄 膜 的边 沿 处 , 这 当薄 膜受 到作 用 力 
时 , 变引起 的 电阻变化 最 大. 1中 4 压 阻 R 、 应 图 个    R 、 。R   R 、  组成 惠斯 通 电桥 构成 压 力 检 测 电路. 假  设 电桥 中输 入 电压 为 V  或输 入 电流 为 j 且 膜 片   , 上 的 4 压阻相 等 , 个 当薄膜 受力变 形 时 , 两个 电阻变 
大 , 电阻变小 , △  一一△ 。 △ 一一△  一  两个 且 R R 一 R。 R
图1 压力传感器的工作原理示 意图 
■ ● ■ 一   B  D 

△ 其输 出 电压  R,

可表 示为 :  
V  一  +  V  —  +△   , R   () 1 

这里 V  是在零 应力 和零应 变 时传感器 的输 出. ( ) 知压 阻 压力 传 感器 有 两种 工 作 方式 , 一 种工 作  。 由 1可 第 方式 是恒 电压激 励方 式 , 即图 2中  恒 定 , 2 工作 方式 为恒流 激励 方式 , 第 种 即图 2中的 J 定. 恒 由于 4 桥  个 臂 电阻往 往不完全 相 等 , 与温度 有关 , 且 这就 必需对 传感器 温度 特性进 行补 偿.  

2 零 点温 漂 补偿 
压力传 感器 的零点 温漂 的补偿 有很 多种 方法 , 里采 用单 个桥臂 并联 恒定 电阻方 法. 果零点 温度 系数  这 如
收 稿 E期 : 0 8 9 3 t 2 0 —0 —0  

基 金 项 目: 家 “ 6 ” 划 ME 国 83计 MS重 大 专项 (O 4 4 4 2 ) 河 南 省 科 技 攻关 计划 项 目(6 4 2 0 6  2 O AA O 2 1 ; 0 2 20 3 ) 作者 简 介 : 荣 锋 ( 93 , , 北 潜 江 人 , 南 理 工 大 学 教 授 , 士 , 要 研究 微 机 电 系 统 ( MS 及 传 感 器 技 术 等  关 1 6 一) 男 湖 河 博 主 ME )

第1 期 

关 荣锋 等 : MS压 力传 感 器 的 温度 补偿  ME

7  1

为 正数 , 即零 点随 温度 的升 高而变 大 , 则须 在 R  或者 R 上 并 联 一个 电阻 R, 当零 点温 漂 小 于零 时 , 需要  。 ; 则
在R  上 并联 电阻. 两者 的原 理是 一样 的 , 面仅 推导 零点 温漂 大于 零时 的补偿 情况 . 下  

0  O  O 鹏 0 m 0 m O            m 图 3中 R  起零 点 的温度 漂移补 偿作 用.  为金 属膜 电阻 , 温度 系数 约 为几 十 p m( 电 阻温 度 系数  R 其 p 硅
为几千 p m) 可 以认 为其 电阻值 是不 随温 度变 化 的. p , 此外 ,  远 远大 于 桥臂 电阻 , 电阻并 联 到某 一 桥 臂 , R 该   对 这个桥 臂 的总 电阻 的影 响是很 小 的. 以加入 并联 电阻 R 所  后 , 温 度为 t、 在  t ,  时 要实 现零 点温 度 漂移 补  偿, 则在 并联 了电阻 R  后 , 传感 器在 不 同温度下 的输 出应 该相 等 :  


图2 压力传感 器电激励图示 

图3 恒 流源激励零点 漂移 的补偿 电路 

’  
() 2 

(2 £ )一  o £ ) 一 0  (1 .

以此为条 件 , 据 电桥特 点可 以导 出 R 根  的计 算 公式 :  
R  一   ?

f£3 ;R2  1( R2£  RR  ∑   ;R1 (() ∑   f3 (() R( )) )£     )


() 3 

假设 同一 温度且 零压 力下 4个 电阻 的阻值 基本 相等 , 过一 系列 的简化 , 通 可得 到 :  
R  一  ? R;  ) R (1 ) ( ( 一 ; £)
4   o t )一 Vo t ) ( (2 (1) (   ( )  一 (   ) V (  ) £)  4 Vo £ )一 Vo £ )    ( (2 (1 )
(   4)

式 中  (  , ( ) £)V。£ 为并联 电阻 R    之前 传感  器在 温度 为 t ,   t 的输 出 , 常不 相 等 .  时 通 按  式 () 4 的结 论 , 只需 测 出未 经补 偿 的传感 器 的  两个 温 度下 的桥 臂 电 压 V (。 ,   f)和 零  。 £) V (   点输 出 , 可 以计 算 出需 要 并联 的 电 阻 的大  就
小.  

星  

蔷  
对 于这种 补 偿 方 法 , 用 了 6只 封 装 好  选

巷  

的压 力传 感 器 进 行 了 实验 验 证 , 加 的恒 流  施

值 为 0 5 5mA 在 一4 ~1 5℃ 的补偿 温度  . 7  . O 2 范围内, 选择 几 个 关 键 温度 点 进 行 测 量 和计 
算, 得到 的 图 4中 的补偿 结果 , 偿 后传 感器  补 的零 点 温 漂 为 T O: 0 0 4 ~ 0 0 54 C . 0  . 1    / 0 F o/ 从 补偿 前后 TC 的数值来 看 , s ℃. O 这种 零点 温补 的方法 是很 有成 效 的.  
图4 零点温度补偿前后结果 

3 灵 敏 度温 漂 补偿 
压 力传 感器 灵敏度 的温度补 偿采 用 的是在 桥臂 电阻 的 两端 并联 一 阻 值恒 定 电 阻 的方 法. 用 恒 流 源激  采

励 的压 力传 感器 , 其灵 敏度 的温度 补 偿 电路 如 图 5 示 , 中 R 是灵 敏度 补偿 电阻. 所 其     压 力传 感器 满量 程输 出可表 示 为 :  
V  一 S   , V6P   ( ) 5 

7  2

河 南 师 范 大 学 学报 ( 自然 科 学 版 )  

式中:  

表 不栗 一温度 F 的满量 程输 出 ; S为栗 温度 F 力 传感 器 的 灵敏 度 ; 压  

为 某 温度 下 桥臂 两端 的 

电压 ; P为施加 在传 感器上 的满 量程 压力. 补偿 的 目的在于 : 同样 的压力 下 , 在  

不 随 温度 而变 化 , 即  鲫 

对温度 的导 数 V 鲫 为 0 对 ( )   . 5 式进行 求导 , 并通过 推导 可 以得 到 灵敏度 温度 系数 的表达 式 :  
S  
一   := : 

~ 
.  

( ) ~  6 

由图 5可 以求 出 :  
,  

() 7 

取参考 温度 t,   则桥 臂总 电阻 的温度 系数 为 :  

T  黜 . C R  
由式 ( ) ( ) ( ) 到 : 6 、7和 8 得  

b  

( 8 )  
() 9  ~ 

( f)   



 

TCR R   R  ~   + 6( ) ,    ”  一 

所 以 
Rs— 一   ?  
0  

— 星 晕  垛越赠赵搭   \ ( 0) 1  
O  O  O   0  

O  

在进 行灵 敏度 的温度 补偿 时 , 只需 要测 试 出需 要补偿 的 温区两 端 的温度 t 和 t    以及参 考 温度 t下 的满 量程    的输 出和桥 压 , 由欧姆定 律得 到桥 阻 的变 化 , 求 出 T R ; 并 C   而桥 阻 R  )直接 用万 用表测 出.  (  

∞  

嘶  

∞  

对于这 种补偿 方法 , 仍然 使用 了零点 补偿 时 的那 6只 压力 传 感 器进 行 了实 验 验证 , 加 的恒流 值 为 0 施 .   5 5mA. 一4 ~1 5℃的补偿 温度范 围 内 , 7  在 0 2 选择几 个关 键温 度点进 行测 量 和计 算 , 到 的图 6中 的灵敏 度  得
补偿结 果 , 补偿后 传感器 的灵 敏度 温漂 为 TC =0 0 35 S . 0   %~0 0 4 S ℃. . 2 %F O/ 从实验 结果 来看 , 这种 补偿 方 
法可 以起 到很好 的效 果.  

图5恒流源激励灵敏度补偿 

图 6灵敏度温度补偿前后 结果 

上面 给 出的压力传 感器 的温 度补偿 中 , 点 的温 度补偿 和 灵敏 度的温 度补偿 是分 开进 行 的. 零 而在实 际应 

用中, 两者 却是 同时进 行 的 , 那么 两者 的补偿 效果是 不是 相 互产 生 负面 影 响 呢?其 实 这种 影 响是 很 小 的 , 因  为零 点补偿 的并联 电阻是非 常大 的 , 桥臂 电阻 基本不 会 改变 . 外 , 敏度 补 偿 的 电阻 是并 联 在 整个 桥臂 之  此 灵
外 的 , 于桥臂 的对称 没有 任何影 响. 是 , 对 但 由于灵 敏度 的补 偿 电阻很 小 , 联在 桥 臂 上会 分 掉一 部 分 电流 , 并  

从而会 导致 压力传 感器 灵敏 度 的降低. 就是 说 , 也 这种 灵敏 度补 偿方法 是建 立在 牺牲灵 敏度 大小 的前提 下追 
求 的各温度 下 的灵 敏 度 的一 致.  

5 结  论   
论 文采 用 比较 简单 易行 的 串并 联恒定 电阻的补偿 方法研 究 了 ME MS压 力传 感器 的温 度补偿 问题. 点  零 的温度 补偿 是通过 在桥 臂上并 联 阻值较 大且恒 定 的电阻 来实 现 的 , 而灵 敏度 的 温度 补偿 则 是在 整 个桥 臂 上 

第 1期 

关 荣锋 等 : MS压 力 传 感 器 的 温度 补 偿  ME

7  3

并 联阻值 较小 且恒定 的电阻来 实 现 的 , 并通 过实 验数据 验证 了补 偿 方法 的可行 性 和有效 性.  

参  考  文  献 
[] S n  LuS A p r r n epe i inmo e frapzrs t et nd cr rsuesno[ ] P o f t C PT,h n h i2 0 . 1  o gX, i .  ef ma c rdc o  d lo  i ei i   a s ue  es r e srC . rco  hIE   o t   o sv r p 5 S a g a,0 3  
a  n in ig Dig,W e xa gW a g F b ia ina dt mp r t r o fiin o e s to  e h oo yo o c s  ihtm p r  n in   n . a rc to   n  e ea u ec efce tc mp n a intc n lg  flw o thg  e ea [ ] Qu n W a g,Ja nn   n 2 

tr rsuesn o[] S no s n  taosA,0 5 l O 4 8 7 . uepes r e srJ . e sr  dAcutr  2 0 ,2 :6 —4 3 a   E3 何 3  [3 文 4  平 , 国 峰 , 以材 , . 力 传 感 器 温 度 漂 移 补 偿 的 R F网 络 模 型 [] 仪 器 仪 表 学 报 ,0 8 2 ( )2 2 5 . 潘 孙 等 压 B J. 20 ,93 : 5 —2 6   丰, 牛 芳 , 文栋 , .ME 张 等 MS压 力 传 感 器 的 温度 漂 移 分 析 及 补 偿 电路 设 计 [] 弹 箭 与 制 导 学 报 ,0 6 2 ( ) 8 2 6. J. 2 0 ,6 2 :6 —8 5  

[ 3 Ka d  Peoei a c fet f icn J. e s r a dAcu tr  19 ,8 1 :8 — 9 _ 5  naY. izrs tn eefc    l o [ ]S nos n  tao s s o si   A,9 12 () 3 l  

M EM S Pr s u e S n o   m p r t r   m pe a i n   e s r   e s r Te e a u e Co ns to  
GUAN  ng f n  。W ANG  a — e Ro — e g Xio xu  
( .S h o   fM a e i l  c e c   n   g ne rn b De a t e t o   y i s a d Ch mit y. a c o Io   t ra s S in e a d En i e i g, . p rm n   fPh sc   n   e s r  

H e a   l tc ncUnv riy,io u   5 0 ,Chn   n n Poy e h i  ie st Ja z o 4 4 03 ia)

.  

Ab t a t A  t o   f b t h t mp r t r   o e s t n i  e e r h d s r c : me h d o   a c   e e a u e c mp n a i  sr s a c e .Th   e o p i tt mp r t r  o e s t n i r a — o ez r   o n   e e a u e c mp n a i  s e l o    
ie   y p r l l g a b g a d c n it n   e it n  n a b i g   r ,a d t es n iie t mp r t r   o e s t n i e l e   y p r  z d b   a a l i     i  n   o s se tr ss a ti    r ea m en d n   h   e st  e e a u e c mp n a i  sr a i d b   a — v o z
allng a s a l nd onsse  r ss a  i who e rdg   r . The z r  p nt e pe a ur   it   r   he 0 l i   m l e  a  c it nt e it nt n l b i e a m   e o oi  t m r t e drfs a e t   .004 ~ 0 15   .0  

F O/℃ ,a dtes n iiiytmp r tr  rfsaet e0 0 35 ~O 0 4 F O/C atrtec mp n ain S n  h  e stvt  e ea u ed i  r h  . 0    t . 2   S  ̄  fe h  o e s t .Th s e ut  e   o e er s lsd m—
o s r t  h tt e c mp n a i n meh d h sa v r   o d e f c. n ta e t a   h   o e s to   t o   a     e y g o   fe t  

K e   r s MEM S;p es r e s r e e au ec mp n ain y wo d : r su es n o ;tmp r tr o e s t   o

【 接第 6 页 ) 上 1  

e Xe S a t r ng i   s r Fi l   -   c te i  n La e   e d
H  Qi— o , U N Jn f n   U  u b   S    -e g i
( . p rm e to  a h ma is & Ph sc ,Lu y n  n tt t  fSce ea dTe h oo y,Lu y ng4 1 2 Chn   1 De a t n   fM t e tc y is o a g I siu eo  inc  n   c n lg o a   7 0 3, ia;
2 Co l g   f Ph sc   n   e t o i  n o m a i n,Lu y n   r lUn v r iy,Lu y n   7 0 2, i a   . l e o   y i sa d El c r n c I f r to e o a g No ma  i e st o a g 4 1 2 Ch n )

Ab t a t I   h s p p r h   e o d B r   p r x ma i n ( B s r c : n t i a e ,t e s c n   o n a p o i t   o S A)i  x e d d t  h   l c r n a d t eh a y i e t t m  c t  se tn e  o t e ee to   n   h   e v  n r  o s a — a
t rn   n t e s e il c te ig g o t y t a  h  n i e t lc r n b a i p r l l o t e p lrz t n d r c in o  a e   ed, n   e i g i  h   p ca  a t rn   e me r  h t ei cd n   e t o   e m s a a l    h   o a i i   ie t   f s rf l a d s t e   et ao o l i
t   e e r h pe f r sex c  m e ia  ac a i n of if r nta  r s s c ins ( he r s a c   r o m   a tnu rc lc lulto    d fe e ilc os   e to DCS) o   a e - s it d lc r - e s ate i   f l s r a sse  ee ton X   c t rng

wi   n - wo ,a d t r e p o o   x h n ea   mals a t rn   n ls( 。 5 ) t o e ,t 一 n  h e - h t n e c a g   t h s l c te i g a g e 5 一2 。 .Co p r d t e e r s l   t   t e  n r  t m    m a e  h s  e u t wih o h ri e t o s a s a t r g,t e r s ls s o t a  h   e o d B r   p r x ma i n s c e d i  x li i g e e t o   n   e v  n r  t m  c t e i g c te i n h   e u t  h w h tt e s c n   o n a p o i t   u c e  n e p a n n   lc r n a d h a y i e t o s a t rn   o a i a e  i l . n ls rfed 

K e   r s:a e il y wo d ls rfed;s c n   o n a p o i t n ifrn ilco ss cin eo d B r  p r xmai ;dfee t  r s  eto   o a


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