压力传感器的温度补偿
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在传感器的应用中，为使传感器的技术指标及性能不受温度变化影响而采取一系列具体技术措施，称为温度补偿技术。通常传感器都是在标准的温度(20±5)℃下进行标定，但工传感器的工作环境温度也可能从零下几十度上升到零上几十度。传感器由很多环节组成，特别是由金属材料和半导体材料制作而成的敏感元件，它的静特性与温度有非常密切的关系。信号调理电路的电阻、电容等元件特性几乎不随温度变化发生改变，必须采取措施来消除或减弱温度变化对传感器特性造成的影响。
当前这类传感器的温度补偿的分析一般可分为内部补偿和外部补偿两种。内部补偿是通过设计传感器的结构、完善制造工艺、控制敏感材料特性等方式来减小温度对他的影响。而外部补偿的方式多种多样，外部补偿又可分为硬件补偿和软件补偿两种。目前使用的各种温度补偿，各自在复杂程度、经济性、补偿效果等方面也各有优缺点。最近几年对于补偿电路的要求越来越高，补偿的选取最重要的一点就是要结合整个传感器系统及补偿对象的特性来选择最高效、最合适的方式。
硅桥式压阻压力传感器因为它的优点突出，在压力传感器中被应用最多，但是在实际的使用中，因为制造工艺、使用环境等条件的影响，造成了传感器的出现测量误差，这种误差是我们希望尽可能减小的，因此误差的补偿是传感器领域中很重要的一个内容。根据传感器不同的种类和传感机制，其误差来源也不尽相同，进行误差补偿的关键点也有所不同。硅桥式压阻压力传感器由于半导体材料本身固有的温度依赖性，其输出呈现一定的温度特性，在温度变化比较大的环境下，它的应用就会受到限制。为了提高测量精度，扩大这类传感器的应用环境，研究它的温度补偿问题就非常有必要了。
2.电容式真空压力传感器：电容式压力传感器是由厚度为0.8～2.8mm的氧化铝和一块基片构成，他们之间是用一个焊接圆环焊在一起。这个圆环起到隔离的作用，不需要进行温度补偿，旧可以保持测量的可靠性和较高的精度。测量的方法是采用电容原理，基片上一电容CP在位移最大的膜片中央处，但是另外一个参考电容CR在膜片的边缘，因为边缘不容易产生位移，电容值不发生改变，CP的变化与施加的压力的变化时有关的，膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时，膜片贴在基片上不会被破坏，没有负载时就会马上返回到原来位置没有任何滞后，过载量可以达到100%，即使是破坏了也不会有任何污染介质泄漏。所以有广泛的应用前景。
1.2.1
现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以分为四个阶段：
1.发明阶段(1945-1960年):这一阶段是1947年发明的双极晶体管标记。此后，这种半导体材料的特性得到了越来越广泛的使用。史密斯（CSSmith）在1945年发现了硅和锗的压阻效应，也就是说，当半导体材料上有外力作用时，它的电阻将会发生比较明显变化。根据这种原理制做的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，也就是将力信号转化为电信号来测量。这一阶段最小尺寸大约为1cm。
毕业论文
课题名称
压力传感器的温度补偿分析
分院/专业
机械工程学院/wenku.baidu.com电一体化技术
班级
机电1051
学号
1001043522
学生姓名
刘兵
指导教师：
杨新春
2013年5月20日
摘要
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
3.具有自测功能的压力传感器：为了降低调试与运行成本,Dirk De Bruyker等人报导了一种具有自测功能的压阻、电容双元件传感器，它的自测功能是根据热驱动原理进行的，该传感器尺寸为1.2mm×3mm×0.5mm，适用于生物医学领域。
4.硅微机械加工传感器：在微机械加工技术逐渐完善的今天，硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小，线度可以达到1～2mm，可以放置在人体的重要器官中进行数据的采集。Hachol,Andrzej ;dziuban,JanBochenek报导了一种可以用于测量眼球的眼压计，其膜片直径为1mm。在内眼压为60mmHg时，静态输出为40mV，灵敏度系数比较高。
1.光纤压力传感器：这是一类研究成果较多的传感器，但投入实际领域的并不是太多。光纤压力传感器的重要传感元件是法布利-比洛特(FP)型光学干涉仪。干涉仪的两面镜子分别是位于一真个薄膜内表面和位于另一真个光纤尖端。所施加的压力引起了薄膜的偏移，而此偏移又直接转换成了FP干涉仪空腔长度的变化。在有压力的情况下，光线在通过挡板的过程中强度将会发生改变，通过检测这很小的改变量，我们就可以测出压力的大小。这种敏感元件已被应用于临床医学。由此可见，这种压力传感器在显微外科方面将会有很好的发展空间与前景。同时，在健康保健方面，光纤传感器也在快速发展。
2.技术发展阶段(1960-1970年)：随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的(001)或(110)晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后加工成凹状的背面，形成一层很薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小，重量轻，灵敏度高，稳定性好，成本低，便于集成优势，实现了金属硅共晶体，为商业化发展提供了可能。
3.商业化集成加工阶段(1970-1980年)：在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术，主要有微机控制自动中止法、阳极氧化法自动中止法、浓硼自动中止法和V形槽法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现集成化的工厂加工模式，以进一步降低成本。
5.耐高温压力传感器新型半导体材料碳化硅(SiC)的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。Rober.S.Okojie报导了一种运行试验达500 ℃的α(6H) SiC压力传感器，实验结果表明，在输入电压为5V，被测压力为6.9MPa的条件下，23500℃时的满量程输出为44.66～20.03mV，满量程线度为20.17%，迟滞为0.17%在500℃条件下运行10h，性能基本不变；在100℃和500 ℃两点的应变温度系数(TCGF),分别为20.19%/℃和-0.11%/℃。这种传感器的主要优点是PN结泄漏电流很小，没有热匹配问题以及升温不产生塑性变型，可以批量加工。Ziermann,Rene报导了使用单晶体n型β- SiC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为20.2muV/ VKPa。
内部补偿的实现方式比较少。并且只能适用于部分传感器的部分温度漂移问题，其所能达到的补偿效果也是有限的，所以一般采用的很少。
软件补偿可在单片机里设计算法编程实现，它的补偿的精度比较高，可以达到要求，但电路过于复杂，而且功耗较高。虽然通用性很强，但体积相对较大，成本也较高。
1.2
传感器技术是自动化系统和现代测量的重要技术之一，从宇宙开发到海底探秘，从生产的过程控制到现代文明生活，几乎每一项技术都离不开传感器。因此，许多国家对传感器技术的发展非常重视，比如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器)之一。在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、稳定可靠、灵敏度高、便于集成化、成本低的优点，可广泛用于高度、加速度、压力、流速、液位、液体的流量、压强的测量与控制。此外，还广泛应用于化工、地质、气象、水利、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合，又便于集成化,所以可用来制成水速计、压力表、风速计、血压计、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中性能最稳定、性价比最高、技术最成熟的一类传感器。因此对于从事自动控制专业与现代测量的技术人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。
4.微机械加工阶段(1980年-至今)：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺技术成为可能。通过微机械加工工艺可以加工出结构型的压力传感器，它的线度可控制在微米级范围内。利用这种技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，压力传感器进入了微米阶段。
1.2.2
从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向。
关键词：压力传感器、温度、补偿
Abstract
The pressure sensor is the most commonly used one kind of sensor in industrial practice, and we usually use the pressure sensor is mainly made of the use of piezoelectric effect, the sensor alsoknown as piezoelectric sensor.As we know, the crystal is anisotropic, non crystal is isotropic. Some crystal medium along a certain direction, when subjected to mechanical stress deformation occurs, produces the polarization effect; when the mechanical force isremoved, will return to the uncharged state, when it is under pressure, can produce electricity effect of some crystals, which is called polarization effect. The scientist is developed according tothe effect of pressure sensor.But with the continuouschange of the environmental temperature, will cause the body tube parameter changes, will cause the static working point is not stable, dynamic parameters of the circuit unstable and temperature drift (including zero drift and sensitivity drift). The simplest method is to maintain a constant temperature working environment, of course, this requirement is never reach. So this article aims at the problemof temperature drift analysis.The temperature compensation method is different with different pressure sensors, to achieve the desired effect.
我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。
但是随着工作环境温度的不断变化，会导致体管参数发生变化，将会引起不稳定的静态工作点，电路的动态参数不稳定和温度漂移（包括零点漂移和灵敏度漂移）。最简单的方法就是保持工作环境温度的恒定，当然，这种要求是永远达不到的。所以本文就针对温度漂移问题展开分析。对于不同的压力传感器采用不同的温度补偿方法，使其达到预期的效果。
Keywords:pressure sensor,temperature, compensation
窗体底端
第
1.1
传感器被广泛应用在各种工、农业生产实践中，所有生产过程和科学研究要获取信息都要通过其转换为易传输与处理的电信号。但是大多数传感器的敏感元件采用金属或半导体材料。它的静特性与环境温度密切相关。在实际工作中，由于传感器工作的环境温度变化比较大，而且温度变化引起的热粉出比较大，这些原因将会带来较大的测量误差；同时，温度变化也影响零点和灵敏度值的大小。从而影响到传感器的静特性，因此必须采取一定的措施来减少或消除温度变化带来的影响，即必须进行温度补偿。
当前这类传感器的温度补偿的分析一般可分为内部补偿和外部补偿两种。内部补偿是通过设计传感器的结构、完善制造工艺、控制敏感材料特性等方式来减小温度对他的影响。而外部补偿的方式多种多样，外部补偿又可分为硬件补偿和软件补偿两种。目前使用的各种温度补偿，各自在复杂程度、经济性、补偿效果等方面也各有优缺点。最近几年对于补偿电路的要求越来越高，补偿的选取最重要的一点就是要结合整个传感器系统及补偿对象的特性来选择最高效、最合适的方式。
硅桥式压阻压力传感器因为它的优点突出，在压力传感器中被应用最多，但是在实际的使用中，因为制造工艺、使用环境等条件的影响，造成了传感器的出现测量误差，这种误差是我们希望尽可能减小的，因此误差的补偿是传感器领域中很重要的一个内容。根据传感器不同的种类和传感机制，其误差来源也不尽相同，进行误差补偿的关键点也有所不同。硅桥式压阻压力传感器由于半导体材料本身固有的温度依赖性，其输出呈现一定的温度特性，在温度变化比较大的环境下，它的应用就会受到限制。为了提高测量精度，扩大这类传感器的应用环境，研究它的温度补偿问题就非常有必要了。
2.电容式真空压力传感器：电容式压力传感器是由厚度为0.8～2.8mm的氧化铝和一块基片构成，他们之间是用一个焊接圆环焊在一起。这个圆环起到隔离的作用，不需要进行温度补偿，旧可以保持测量的可靠性和较高的精度。测量的方法是采用电容原理，基片上一电容CP在位移最大的膜片中央处，但是另外一个参考电容CR在膜片的边缘，因为边缘不容易产生位移，电容值不发生改变，CP的变化与施加的压力的变化时有关的，膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时，膜片贴在基片上不会被破坏，没有负载时就会马上返回到原来位置没有任何滞后，过载量可以达到100%，即使是破坏了也不会有任何污染介质泄漏。所以有广泛的应用前景。
1.2.1
现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以分为四个阶段：
1.发明阶段(1945-1960年):这一阶段是1947年发明的双极晶体管标记。此后，这种半导体材料的特性得到了越来越广泛的使用。史密斯（CSSmith）在1945年发现了硅和锗的压阻效应，也就是说，当半导体材料上有外力作用时，它的电阻将会发生比较明显变化。根据这种原理制做的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，也就是将力信号转化为电信号来测量。这一阶段最小尺寸大约为1cm。
毕业论文
课题名称
压力传感器的温度补偿分析
分院/专业
机械工程学院/wenku.baidu.com电一体化技术
班级
机电1051
学号
1001043522
学生姓名
刘兵
指导教师：
杨新春
2013年5月20日
摘要
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
3.具有自测功能的压力传感器：为了降低调试与运行成本,Dirk De Bruyker等人报导了一种具有自测功能的压阻、电容双元件传感器，它的自测功能是根据热驱动原理进行的，该传感器尺寸为1.2mm×3mm×0.5mm，适用于生物医学领域。
4.硅微机械加工传感器：在微机械加工技术逐渐完善的今天，硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小，线度可以达到1～2mm，可以放置在人体的重要器官中进行数据的采集。Hachol,Andrzej ;dziuban,JanBochenek报导了一种可以用于测量眼球的眼压计，其膜片直径为1mm。在内眼压为60mmHg时，静态输出为40mV，灵敏度系数比较高。
1.光纤压力传感器：这是一类研究成果较多的传感器，但投入实际领域的并不是太多。光纤压力传感器的重要传感元件是法布利-比洛特(FP)型光学干涉仪。干涉仪的两面镜子分别是位于一真个薄膜内表面和位于另一真个光纤尖端。所施加的压力引起了薄膜的偏移，而此偏移又直接转换成了FP干涉仪空腔长度的变化。在有压力的情况下，光线在通过挡板的过程中强度将会发生改变，通过检测这很小的改变量，我们就可以测出压力的大小。这种敏感元件已被应用于临床医学。由此可见，这种压力传感器在显微外科方面将会有很好的发展空间与前景。同时，在健康保健方面，光纤传感器也在快速发展。
2.技术发展阶段(1960-1970年)：随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的(001)或(110)晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后加工成凹状的背面，形成一层很薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小，重量轻，灵敏度高，稳定性好，成本低，便于集成优势，实现了金属硅共晶体，为商业化发展提供了可能。
3.商业化集成加工阶段(1970-1980年)：在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术，主要有微机控制自动中止法、阳极氧化法自动中止法、浓硼自动中止法和V形槽法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现集成化的工厂加工模式，以进一步降低成本。
5.耐高温压力传感器新型半导体材料碳化硅(SiC)的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。Rober.S.Okojie报导了一种运行试验达500 ℃的α(6H) SiC压力传感器，实验结果表明，在输入电压为5V，被测压力为6.9MPa的条件下，23500℃时的满量程输出为44.66～20.03mV，满量程线度为20.17%，迟滞为0.17%在500℃条件下运行10h，性能基本不变；在100℃和500 ℃两点的应变温度系数(TCGF),分别为20.19%/℃和-0.11%/℃。这种传感器的主要优点是PN结泄漏电流很小，没有热匹配问题以及升温不产生塑性变型，可以批量加工。Ziermann,Rene报导了使用单晶体n型β- SiC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为20.2muV/ VKPa。
内部补偿的实现方式比较少。并且只能适用于部分传感器的部分温度漂移问题，其所能达到的补偿效果也是有限的，所以一般采用的很少。
软件补偿可在单片机里设计算法编程实现，它的补偿的精度比较高，可以达到要求，但电路过于复杂，而且功耗较高。虽然通用性很强，但体积相对较大，成本也较高。
1.2
传感器技术是自动化系统和现代测量的重要技术之一，从宇宙开发到海底探秘，从生产的过程控制到现代文明生活，几乎每一项技术都离不开传感器。因此，许多国家对传感器技术的发展非常重视，比如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器)之一。在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、稳定可靠、灵敏度高、便于集成化、成本低的优点，可广泛用于高度、加速度、压力、流速、液位、液体的流量、压强的测量与控制。此外，还广泛应用于化工、地质、气象、水利、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合，又便于集成化,所以可用来制成水速计、压力表、风速计、血压计、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中性能最稳定、性价比最高、技术最成熟的一类传感器。因此对于从事自动控制专业与现代测量的技术人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。
4.微机械加工阶段(1980年-至今)：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺技术成为可能。通过微机械加工工艺可以加工出结构型的压力传感器，它的线度可控制在微米级范围内。利用这种技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，压力传感器进入了微米阶段。
1.2.2
从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向。
关键词：压力传感器、温度、补偿
Abstract
The pressure sensor is the most commonly used one kind of sensor in industrial practice, and we usually use the pressure sensor is mainly made of the use of piezoelectric effect, the sensor alsoknown as piezoelectric sensor.As we know, the crystal is anisotropic, non crystal is isotropic. Some crystal medium along a certain direction, when subjected to mechanical stress deformation occurs, produces the polarization effect; when the mechanical force isremoved, will return to the uncharged state, when it is under pressure, can produce electricity effect of some crystals, which is called polarization effect. The scientist is developed according tothe effect of pressure sensor.But with the continuouschange of the environmental temperature, will cause the body tube parameter changes, will cause the static working point is not stable, dynamic parameters of the circuit unstable and temperature drift (including zero drift and sensitivity drift). The simplest method is to maintain a constant temperature working environment, of course, this requirement is never reach. So this article aims at the problemof temperature drift analysis.The temperature compensation method is different with different pressure sensors, to achieve the desired effect.
我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。
但是随着工作环境温度的不断变化，会导致体管参数发生变化，将会引起不稳定的静态工作点，电路的动态参数不稳定和温度漂移（包括零点漂移和灵敏度漂移）。最简单的方法就是保持工作环境温度的恒定，当然，这种要求是永远达不到的。所以本文就针对温度漂移问题展开分析。对于不同的压力传感器采用不同的温度补偿方法，使其达到预期的效果。
Keywords:pressure sensor,temperature, compensation
窗体底端
第
1.1
传感器被广泛应用在各种工、农业生产实践中，所有生产过程和科学研究要获取信息都要通过其转换为易传输与处理的电信号。但是大多数传感器的敏感元件采用金属或半导体材料。它的静特性与环境温度密切相关。在实际工作中，由于传感器工作的环境温度变化比较大，而且温度变化引起的热粉出比较大，这些原因将会带来较大的测量误差；同时，温度变化也影响零点和灵敏度值的大小。从而影响到传感器的静特性，因此必须采取一定的措施来减少或消除温度变化带来的影响，即必须进行温度补偿。