压阻式高温压力传感器温度补偿与信号调理设计与测试
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（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ ＆ ＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ），ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＤｙｎａｍｉｃＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
压阻式高温压力传感器温度补偿与 信号调理设计与测试
薛 胜 方１，２， 梁 庭１，２， 雷 程１，２， 李 志 强１，２， 单 存 良１，２
（１． 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 ０３００５１； ２． 动态测试技术山西省重点实验室，太原 ０３００５１）
摘要：设计制作了一种集成信号调理电路的高温压阻式压力传感器，包含倒装式的压敏敏片、无源电阻温度补偿电路和信号 调 理 电 路 组 成 ；压 敏 芯 片 的 制 作 采 用 ＳＯＩ材 料 和 ＭＥＭＳ标 准 工 艺 ， 温 度 补 偿 和 信 号 调 理 电 路 采 用 高 温 电 子 元 件 ； 试 验 表 明 ， 无 源电阻温度补偿具有显著的效果；此外，采用了高温信号调理电路来提高传感器的输出灵敏度，通过温度补偿来降低输出灵敏 度 ；与 传 统 的 经 验 算 法 相 比 ，所 提 出 的 无 源 电 阻 温 度 补 偿 技 术 具 有 更 小 的 温 度 漂 移 ， 在 ２２０ ℃ 条 件 下 传 感 器 输 出 灵 敏 度 为 ４．９３ ｍＶ／１００ｋＰａ，传 感 器 灵 敏 度 为 总 体 测 量 精 度 为 ±２％ＦＳ；此 外 ，由 于 柔 性 传 感 器 的 输 出 电 压 可 调 ，因 此 不 需 要 使 用 一 般 的 电 压 转 换器随动压力变送器，这大大降低了测试系统的成本，有望在恶劣环境下的压力测量中得到高度应用。
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ；ｐａｓｓｉｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ
０ 引 言
在高温测试环境中，硅 基 ＭＥＭＳ 压 阻 式 压 力 传 感 器 的 敏感芯片的压敏电阻具有正温度系数，压敏电阻的阻值会 随着测试温度的升高而增大；而芯片自身具有负温度系数 的压阻系数，随着测试温度的升高而减小，产生的结果就 是压力传感器敏感芯片的电桥输出零位和灵敏度电压都会 随着测试温度的变化而产生漂移 。 ［１］
Fra Baidu bibliotek ２５６ ·
计算 机 测 量 与 控 制 ．２０２１．２９（２） 犆狅犿狆狌狋犲狉 犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋 牔 犆狅狀狋狉狅犾
智能仪器与传感技术
文章编号：１６７１ ４５９８（２０２１）０２ ０２５６ ０６ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０２１．０２．０４９ 中图分类号：ＴＰ９８ 文献标识码：Ａ
关键词：高温压阻式压力传感器；无源电阻温度补偿；信号调理
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ＸｕｅＳｈｅｎｇｆａｎｇ１，２，ＬｉａｎｇＴｉｎｇ１，２，ＬｅｉＣｈｅｎｇ１，２，ＬｉＺｈｉｑｉａｎｇ１，２，ＳｈａｎＣｕｎｌｉａｎｇ１，２
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａ ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄ ｍａｎｕｆａｃ ｔｕｒｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｆｌｉｐ－ｃｈｉｐｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｆｉｌｍ，ｐａｓｓｉｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｃｈｉｐｓｕｓｅｓＳＯＩｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄ ＭＥＭＳｓｔａｎｄａｒｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍ ｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｕｓｅｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗ ｔｈａｔｐａｓｓｉｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｈａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ａｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｉｓｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒ，ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｍｐｉｒｉｃａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｐａｓｓｉｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓａｓｍａｌｌｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｉｆｔ，Ｔｈｅｏｕｔ ｐｕｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓ４．９３ｍＶ／１００ＫＰａｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆ２２０ ℃ ，ａｎｄｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓ ±２％ＦＳ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｏｆｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｓｅｎｓｏｒｉｓａｄｊｕｓｔａｂｌｅ，ｔｈｅｒｅｉｓｎｏｎｅｅｄｔｏｕｓｅａｇｅｎｅｒａｌｖｏｌｔａｇｅｃｏｎ ｖｅｒｔｅｒｔｏｆｏｌｌｏｗｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｓｔｏｆｔｈｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｂｅｈｉｇｈｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｈａｒｓｈｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．
压阻式高温压力传感器温度补偿与 信号调理设计与测试
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（１． 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 ０３００５１； ２． 动态测试技术山西省重点实验室，太原 ０３００５１）
摘要：设计制作了一种集成信号调理电路的高温压阻式压力传感器，包含倒装式的压敏敏片、无源电阻温度补偿电路和信号 调 理 电 路 组 成 ；压 敏 芯 片 的 制 作 采 用 ＳＯＩ材 料 和 ＭＥＭＳ标 准 工 艺 ， 温 度 补 偿 和 信 号 调 理 电 路 采 用 高 温 电 子 元 件 ； 试 验 表 明 ， 无 源电阻温度补偿具有显著的效果；此外，采用了高温信号调理电路来提高传感器的输出灵敏度，通过温度补偿来降低输出灵敏 度 ；与 传 统 的 经 验 算 法 相 比 ，所 提 出 的 无 源 电 阻 温 度 补 偿 技 术 具 有 更 小 的 温 度 漂 移 ， 在 ２２０ ℃ 条 件 下 传 感 器 输 出 灵 敏 度 为 ４．９３ ｍＶ／１００ｋＰａ，传 感 器 灵 敏 度 为 总 体 测 量 精 度 为 ±２％ＦＳ；此 外 ，由 于 柔 性 传 感 器 的 输 出 电 压 可 调 ，因 此 不 需 要 使 用 一 般 的 电 压 转 换器随动压力变送器，这大大降低了测试系统的成本，有望在恶劣环境下的压力测量中得到高度应用。
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０ 引 言
在高温测试环境中，硅 基 ＭＥＭＳ 压 阻 式 压 力 传 感 器 的 敏感芯片的压敏电阻具有正温度系数，压敏电阻的阻值会 随着测试温度的升高而增大；而芯片自身具有负温度系数 的压阻系数，随着测试温度的升高而减小，产生的结果就 是压力传感器敏感芯片的电桥输出零位和灵敏度电压都会 随着测试温度的变化而产生漂移 。 ［１］
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计算 机 测 量 与 控 制 ．２０２１．２９（２） 犆狅犿狆狌狋犲狉 犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋 牔 犆狅狀狋狉狅犾
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关键词：高温压阻式压力传感器；无源电阻温度补偿；信号调理
犇犲狊犻犵狀犪狀犱犜犲狊狋狅犳犜犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犆狅犿狆犲狀狊犪狋犻狅狀犪狀犱犛犻犵狀犪犾犆狅狀犱犻狋犻狅狀犻狀犵狅犳 犘犻犲狕狅狉犲狊犻狊狋犻狏犲犎犻犵犺犜犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犘狉犲狊狊狌狉犲犛犲狀狊狅狉
ＸｕｅＳｈｅｎｇｆａｎｇ１，２，ＬｉａｎｇＴｉｎｇ１，２，ＬｅｉＣｈｅｎｇ１，２，ＬｉＺｈｉｑｉａｎｇ１，２，ＳｈａｎＣｕｎｌｉａｎｇ１，２
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａ ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄ ｍａｎｕｆａｃ ｔｕｒｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｆｌｉｐ－ｃｈｉｐｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｆｉｌｍ，ｐａｓｓｉｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｃｈｉｐｓｕｓｅｓＳＯＩｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄ ＭＥＭＳｓｔａｎｄａｒｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍ ｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｕｓｅｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗ ｔｈａｔｐａｓｓｉｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｈａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ａｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｉｓｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒ，ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｍｐｉｒｉｃａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｐａｓｓｉｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓａｓｍａｌｌｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｉｆｔ，Ｔｈｅｏｕｔ ｐｕｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓ４．９３ｍＶ／１００ＫＰａｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆ２２０ ℃ ，ａｎｄｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓ ±２％ＦＳ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｏｆｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｓｅｎｓｏｒｉｓａｄｊｕｓｔａｂｌｅ，ｔｈｅｒｅｉｓｎｏｎｅｅｄｔｏｕｓｅａｇｅｎｅｒａｌｖｏｌｔａｇｅｃｏｎ ｖｅｒｔｅｒｔｏｆｏｌｌｏｗｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｓｔｏｆｔｈｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｂｅｈｉｇｈｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｈａｒｓｈｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．