扩散硅压力传感器双桥补偿法

实验二扩散硅压阻式传感器模块 d1

实验二扩散硅压阻式压力传感器实验模块2.1实验目的：实验2.1.1：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。

工作原理：是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。

单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。

压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。

转换原理：在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，，形成4个阻值相等的电阻条。

并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。

平时敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡，给电桥加一个恒定电压源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。

压阻效应:当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。

这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。

硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。

实验2.1.2：了解利用压阻式压力传感器进行差压测量的方法。

2.2实验设备和元件：2.2.1 实验设备：实验台所属各分离单元和导线若干。

2.2.2 其他设备：2号扩散压阻式压力传感器实验模块，14号交直流，全桥，测量，差动放大实验模块，数显单元20V，直流稳压源+5V，+_12V电源。

2.3实验内容：2.3.1扩散压阻式压力传感器一般介绍：单晶硅材料在受到外力作用产生极微小应变时（一般步于400微应变），其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化（G因子突变）。

利用压力传感器高精度测量时对其误差的补偿方案

利用压力传感器高精度测量时对其误差的补偿方案
0 引言
在石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域中，都必须进行相关的压力检测与分析。

压力传感器测量误差大小直接影响到测控系统的性能。

扩散硅压阻式压力传感器是应用最广泛的压力传感器之一，它相当于一个有四只电阻的桥路。

半导体电阻有温度系数，会产生温度误差;传感器的压敏特性又有非线性误差。

因此，压力传感器在实际应用中会有温度和压力误差存在。

利用压力传感器进行高精度测量时，就要对压力传感器的误差进行补偿。

按照实现的条件可以将误差的补偿方法分为用硬件电路补偿和在智能芯片或微机中以软件方法实现补偿。

本压力数据采集系统在硬件上，采用AT89S52 单片机控制X 型精密硅压式压力传感器MPX2100 和高精度积分式A/D 转换器ICL7135 等器件，对压力信息进行采集转换;软件上，在分析基于最佳拟合直线原理的压力传感器非线性补偿模型的基础上，对采集的压力数据进行非线性修正，实现压力数据的高精度输出。

1 硬件设计
1.1 系统结构原理
基于单片机的压力数据采集系统组成框图如1 所示。

系统的压力传感器选用Motorola 公司的高精度X 型硅压力传感器MPX2100，转换精度高、灵敏度高，具有极好的线性度，其输出的模拟信号通过信号调理电路放大调理。

调理后的模拟电量在AT89S52 单片机的控制下，通过ICL7135 进行A/D 转换，可以保证系统具有高数据采集精度和很强的抗干扰能力，转换后的数字量传送给单片机进行运算及软件补偿等处理。

最后将数据显示出来，同时可经串行接口传送。

扩散硅压力传感器灵敏度温度归一化补偿算法

扩散硅压力传感器灵敏度温度归一化补偿算法曹庆伟【摘要】文章主要介绍了公司在对于扩散硅压阻式压力传感器灵敏度温度补偿的工作中,经过长期探索、实验,发现了传感器补偿算法.在原先对压力传感器进行灵敏度温度误差补偿纠正的算法中,又加入了调节传感器满量程大小方法,并形成了成熟的归一化的数学模型.【期刊名称】《仪器仪表用户》【年(卷),期】2017(024)005【总页数】4页(P1-4)【关键词】扩散硅压阻式压力传感器;灵敏度温度补偿;归一化【作者】曹庆伟【作者单位】山东佰测传感科技股份有限公司,山东淄博 255086【正文语种】中文【中图分类】TE半导体微机械加工技术的发展使得硅压力传感器的性能日益提高，但是由于半导体材料的温度特性使得传感器的温度误差一直存在。

对于扩散硅压阻式压力传感器，环境温度的变化会相应地引起传感器桥臂电阻的变化，这种变化会导致传感器零点输出和灵敏度输出也随温度的变化而变化。

对于零点温度影响的补偿已经较为成熟，但是对于灵敏度温度影响的补偿由于要兼顾灵敏度输出的大小而很难达到满意的效果。

主要在有同一灵敏度输出的要求下，这篇技术文章在恒压源供电下对灵敏度温度影响的几种温度误差的补偿方法做出探讨。

传感器补偿后会根据补偿原理的不同分为恒压源供电和恒流源供电的两种使用条件不同的产品。

此处讨论的是恒压源供电的传感器。

扩散硅压力传感器原理图及带灵敏度补偿原理图如图1、2所示。

图1为传感器未做补偿前的原理图，使用恒流源供电的测试系统对传感器进行测试，测出传感器在低温、常温和高温下零压力点和满压力点下的传感器输出V和E，这样可以计算得到传感器在不同温度下的满量程输出和传感器输入阻抗R。

其中：满量程输出：Sg=Vmg - V0g Sd=Vmd - V0hd输入阻抗：R=E/I注：● S：满量程输出；R：传感器输入阻抗；V：传感器输出电压；E：传感器输入电压。

● m ：满压力；0：零压力。

● d：低温；c：高温；g：常温。

扩散硅压力传感器技术简介

扩散硅压力传感器技术简介一、一般介绍：硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时（一般步于400微应变），其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化（G因子突变）。

用此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。

利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯凳电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一切硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。

给传感器匹配一放大电路及相关部件，使之输出一个标准信号，就组成了一台完整的变送器。

二、技术特点：1、灵敏度高扩散硅敏感电阻的灵敏因子比金属应变片高50~80倍，它的满量程信号输出在80-100mv左右。

对接口电路适配性好，应用成本相应较低。

由于它输入激励电压低，输出信号大，且无机械动件损耗，因而分辨率极高。

2、精度高扩散硅压力传感器的感受、敏感转换和检测三位一体，无机械动件连接转换环节，所以重复性和迟滞误差很小。

由于硅材料的刚性好，形变小，因而传感器的线性也非常好。

因此综合表态精度很高。

3、可靠性高扩散硅敏感膜片的弹性形变量在微应变数量级，膜片最大位移量在来微米数量级，且无机械磨损，无疲劳，无老化。

平均无故障时间长，性能稳定，可靠性高。

4、频响高由于敏感膜片硅材料的本身固有频率高，一般在50KC。

制造过程采用了集成工艺，膜片的有效面积可以很小，配以刚性结构前置安装特殊设计，使传感器频率响应很高，使用带宽可达零频至100千赫兹。

5、温度性能好随着集成工艺技术进步，扩散硅敏感膜的四个电阻一致性得到进一步提高，原始的手工补偿已被激光调阻、计算机自动修整技术所替代，传感器的零位和灵敏度温度系数已达10-5/℃数量级，工作温度也大幅度提高。

6、抗电击穿性能好由于采用了特殊材料和装配工艺，扩散硅传感器不但可以做到130℃正常使用，在强磁场、高电压击穿试验中可抗击1500V/AC电压的冲击。

扩散硅数字化压力变送器补偿技术

700 0.12721 0.09 0.13168 0.063 0.12802 0.045 0.12396 0.018 0.12313 0.081
要求它与校准曲线之间的最大偏差尽可能的小，校准曲线与该直线的最大偏差称为零基准线性度。
送器，其压力输入 Pmin = 0，Pmax = 700kPa，目标输出电压为 Vout min = 0.5V，Vout max = 4.5V。采用 3 个温度点补偿 0，20，
准曲线的起点一致，均为零基准点（T0，U0），故有：
U0 = a +k⋅T0 即：a = U0 - k⋅T0
（5）
根据最小二乘原理可得：
N
∑[(Ui − U0 ) − k(Ti − T0 )](Ti − T0 ) = 0
i=0
（6）
补偿算法采用最佳拟合直线的算法。 1、小二乘法拟合直线补偿如果实际校准曲线有 N 个测试点，对应的输入输出数据
五、总结
700 4.502 0.5 4.502 0.05 4.502 0.05 4.502 0.05 4.503 0.075
采用数字电路对扩散硅压
25 0 0.500 0.00 0.500 0.0 0.501 0.025 0.501 0.025 0.502 0.05
力传感器进行补偿的方法和技
700 4.501 0.025 4.502 0.05 4.502 0.05 4.502 0.05 4.501 0.025
700 4.520 0.5 4.524 0.6 4.520 0.5 4.524 0.6 4.472 -0.7
-10 0 0.528 0.7 0.524 0.6 0.484 -0.4 0.520 0.5 0.524 0.6
700 4.540 1.0 4.544 1.1 4.548 1.2 4.544 1.1 4.540 1.0

扩散硅压力传感器热灵敏度漂移补偿方法的研究

P、温度为 t 时的阻值。
K （t），i＝１，２，３，４是第i个力敏电阻在温度为t时 i
的压力灵敏度。
αi，i＝１，２，３，４是第 i 个力敏电阻的温度系数。 β ，i＝１，２，３，４是第i个力敏电阻的压力灵敏度温
i
度系数。
t：温度。
t１：较低的温度（例如常温）。 t２：较高的温度。 S（t）：传感器在温度为t时的压力灵敏度。
∴
∴
（５）
欲使温度 t１～t２间的热灵敏度漂移得到补偿，必须：
SÕ（t１）＝SÕ（t２）（６）即
图５传感器补偿后的输出从图４和图５可看出，补偿前由热灵敏度漂移引起的输出变化在２５℃～７５℃范围内为２．５３ｍＶ，而补偿后由热灵敏度漂移引起的输出变化在同样温度范围内仅为０．０３６ｍＶ，所以此种补偿方法效果很好。５结论对于扩散硅压力传感器的热灵敏度漂移，可用公式（３）、（４）进行软件补偿。当用恒流源供电且灵敏度温度系数为正时，可用并联电阻进行补偿，模拟结果表明，补偿效果显著。
２．２恒流源供电的情况
由（２）可知，
V （P，t）＝V
0
0
（P，t１）
e
（α＋β）（
t－t１
）＝V0（P，t１）
e
γ（t－t１）
∴当 t１＝t２时，
V0（P，t２）＝V0（P，t１） e γ（t２－t１）
∴
∴ （４）
同样，只要测出V0（P，t２），V0（P，t１），就可用（４）式实现软件补偿。
通常设计成：
K１（t）＝K３（t）＝－K２（t）＝－K４（t）＝K（t），
α１
＝
α
＝
２
α３
＝α
４

扩散硅压力传感器的高精度误差补偿算法

扩散硅压力传感器的高精度误差补偿算法朱龙俊【期刊名称】《自动化与仪表》【年(卷),期】2012(27)3【摘要】扩散硅压力传感器的传输特性受温度影响较大,必须采用某种手段将传感器的输入压力与温度进行解耦,从而实现对压力传感器输出的有效补偿,进而得到准确可靠的压力测量值.文中分析了一般扩散硅压力传感器的误差组成,针对误差提出了一个简单而又高精度的补偿模型,建立了有效算式,最后通过实例验证了算法的正确性,其精度可达到0.1％FS以下.%The transmission characteristics of diffusion silicon pressure sensor were influenced by temperature. In order to compensate the pressure sensor output effectively,and then get accurate and reliable measured pressure,some means must be used so that the input pressure and temperature sensors to achieve decoupling. A simple compensation model with high-accuracy was proposed to reduce the error based on the error composition analysis of the general diffusion silicon pressure sensor,and then also an effective formula. Finally the correctness of the algorithm was verified,and the accuracy of the algorithm was less than 0.1% FS.【总页数】4页(P53-56)【作者】朱龙俊【作者单位】上海师范大学天华学院机械工程系,上海201815【正文语种】中文【中图分类】TP212【相关文献】1.高精度扩散硅压力传感器的温度补偿 [J], 张秀珍;杨魁2.扩散硅压力传感器误差补偿方法的研究（一） [J], 尹永观;葛军3.扩散硅压力传感器误差补偿方法的研究（二） [J], 尹永观;葛军4.硅压阻式压力传感器的高精度补偿算法及其实现 [J], 聂绍忠5.高精度谐振式硅微压力传感器的信号采集与误差补偿技术研究 [J], 潘敏杰;王岩;周国辉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于pso-bp模型的扩散硅压力传感器温度补偿

INA MEASUREMENT & TEST
Vol.45 No.11 November, 2019
doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2018120086
基于 PSO-BP 模型的扩散硅压力传感器温度补偿
崔萌洁，卢文科，左锋
收稿日期: 2018-12-20；收到修改稿日期: 2019-01-24 作者简介: 崔萌洁（1995-），女，新疆昌吉州人，硕士研究生，专业方向为传感器技术。通信作者: 卢文科（1962-），男，陕西西安市人，教授，博士生导师，主要从事声表面波、小波变换、传感器理论及技术研究。
96
中国测试
2019 年 11 月
中图分类号: TP212
文献标志码: A
文章编号: 1674–5124(2019)11–0095–06
Temperature compensation of diffused-silicon pressure sensor based on PSO-BP
CUI Mengjie, LU Wenke, ZUO Feng (College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)
0 引言
扩散硅压力传感器是一种以半导体硅膜片为基
础将压力信号转换为电信号的测量装置，被广泛应
用于生产生活的各个领域，它具有安装方便、抗干
扰能力强、稳定性好、分辨力高等特点。
在国内，学者们根据该传感器的工作原理，通
过设计以 8 位微处理器为核心的高稳定数控恒流源[1]、开发新型数字温度补偿系统[2]，设计信号调理电路[3] 等手段提高其工作的性能以及测量的精确

硅压阻式压力传感器的高精度补偿算法及其实现

第39卷第6期2018年6月白动化仪表PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATIONVol.39 No.6Jun.2018硅压阻式压力传感器的高精度补偿算法及其实现轰绍忠(重庆四联测控技术有限公司，重庆401121)摘要：硅压阻式压力传感器广泛应用于汽车、医疗、航空航天、环保等领域。

随着科学技术的发展，各领域对压力测量精度的要求越来越高。

但由于半导体材料的固有特性，硅压阻式压力传感器普遍存在零点随温度漂移、灵敏度随温度变化和非线性等问题。

为了提高硅压阻式压力传感器测量精度、降低输出误差，对该传感器的几种常用补偿算法进行了对比分析和研究，提出了一种基于最小二乘法的曲面拟合高精度补偿算法。

该补偿算法能有效消除硅压阻式压力传感器零点漂移、灵敏度漂移和非线性误差，提高该传感器的输出精度。

试验结果表明，在-40 ~ +80 SC温度范围内，硅压阻式压力传感器经该补偿算法计算后，测量精度得以大幅度提高，输出误差小于0.01%F •S。

关键词：硅压阻式压力传感器；零点漂移；灵敏度漂移；非线性；曲面拟合；补偿算法中图分类号：TH701;TP301.6 文献标志码：A D O I：10.16086/j. cnki. issnl000-0380.2018010059High Accurate Compensation Algorithmof Silicon Piezoresistive Pressure Sensor and Its ImplementationNIE Shaozhong(Chongqing Silian Measure & Control Technology C o.，L td.，Chongqing 401121，China)Abstract ：Silicon piezoresistive pressure sensors are widely used in various fields of national e c o n o m y, such as automotive, medical,aerospace,environmental protection,etc. W i t h the development of science and technology,the requirements for pressure m e a s u rement accuracy are higher and higher in various fields. H o w ever, due to the inherent characteristics of semiconductor materials,silicon piezoresistive pressure sensors c o m m o n l y exist with zero temperature drift,sensitivity changes with temperature and nonlinear problems. In order to improve the m e a s urement accuracy of the sensors and reduce the output error,several c o m m o n compensation algorithms are analyzed and c o m p a r e d, and the m e t h o d of surface fitting high-precision compensation algorithm based on least-squares m e t h o d is proposed. This compensation algorithm effectively eliminates sensor zero drift,sensitivity drift and nonlinear error,and improves sensor output accuracy. T h e experimental results s h o w that the accuracy of the m e a s urement is greatly improved a nd the output error of the sensor is less than 0•01%F • S within the temperature range of -40 〜+80Xl after calculation by this compensation algorithm.K e y w o r d s：Silicon piezoresistive pressure sensor；Zero drift； Sensitivity drift； Nonlinear； Curved surface fitting； Compensation algorithm〇引言随着科学技术的发展，各领域对压力测量精度的要求越来越高。

扩散硅压力传感器灵敏度温度归一化补偿算法

收稿日期：２０１７ — ０３ — １６
图１传感器原理图
Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｔｉｓｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｗｏｒｋｓｏｆｔｈｅｄｉｆｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃｏｎｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ
度补偿原理图如图１、２所示。
半导体微机械加工技术的发展使得硅压力传感器的性能日益提高，但是由于半导体材料的温度特性使得传感器
的温度误差一直存在。对于扩散硅压阻式压力传感器，环
Ｅ
境温度的变化会相应地引起传感器桥臂电阻的变化，这种变化会导致传感器零点输出和灵敏度输出也随温度的变化而变化。对于零点温度影响的补偿已经较为成熟，但是对
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｎｏｕｒｃｏｍｐａｎｙ．Ａｆｔｅｒｌｏｎｇ－ｔｅｒｍｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｗｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｆｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃｏｎｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ

扩散硅压力传感器的高精度误差补偿算法

传感器是一种用于物理量测量的器件或装置，
成的压阻式传感器．有分辨率高、态响应好、具动易于向集成化智能化方向发展等特点。随着硅微机械加工技术的不断进步，阻式压力传感器得到了迅压速的发展，为了目前使用最广泛的一种压力传感成器，在工业过程控制系统中也有大量的使用，如ＡＢＦｘｏｏ等公司的压力变送器均使用扩散硅Ｂ、ｏｂｒ压力传感器。可是，由于制造工艺以及扩散硅本身
ｍｅｎｓｂｓｄＳｈｔｔｅｉｐｔｐｅｓｒｎｅｅａｕｅｓｎｏｓｔｃｉｖｅｏｐｉｇｉｌｏｅｓ — ａｓｍｕｔｅｕｅＯｔａｈｎｕｒｓｕｅａｄｔｍｐｒｔｒｅｓｒｏａｈｅｅｄｃｕｌ．Ａｓｍｐｅｅｍｐｎａｎ
压力与温度进行解耦，而实现对压力传感器输出的有效补偿，而得到准确可靠的压力从进
测量值。文中分析了一般扩散硅压力传感器的误差组成，对误差提出了一个简单而又高针
精度的补偿模型，立了有效算式，后通过实例验证了算法的正确性，精度可达到０１建最其．％
ＦＳ以下。
关键词：扩散硅压力传感器；温度；线性；差补偿；量程非误满

基于PSO-BP模型的扩散硅压力传感器温度补偿

基于PSO-BP模型的扩散硅压力传感器温度补偿崔萌洁; 卢文科; 左锋【期刊名称】《《中国测试》》【年(卷),期】2019(045)011【总页数】7页(P95-100,125)【关键词】半导体技术; 压力传感器; 温度补偿; 粒子群算法; BP神经网络【作者】崔萌洁; 卢文科; 左锋【作者单位】东华大学信息科学与技术学院上海201620【正文语种】中文【中图分类】TP2120 引言扩散硅压力传感器是一种以半导体硅膜片为基础将压力信号转换为电信号的测量装置，被广泛应用于生产生活的各个领域，它具有安装方便、抗干扰能力强、稳定性好、分辨力高等特点。

在国内，学者们根据该传感器的工作原理，通过设计以8位微处理器为核心的高稳定数控恒流源[1]、开发新型数字温度补偿系统[2]，设计信号调理电路[3]等手段提高其工作的性能以及测量的精确度。

国外对于该传感器也进行了大量研究，如通过对惠斯通电桥结构的改善[4]、研发薄型触力传感器等方式对该传感器进行输出精度以及应用层面上的改进。

由于扩散硅压力传感器使用的场景较多，存在环境温度大幅变化的情况[5]。

作为半导体材料硅，其电导率易受温度影响；因此，必须对该传感器进行温度补偿。

一般来说，温度补偿的方法主要分为硬件补偿和软件补偿。

硬件补偿成本较大，而且补偿的效果不够稳定，相比较下，软件补偿的补偿效果更加优异，而且成本较小。

常用的软件补偿方法有插值法、最小二乘法、曲线拟合法、支持向量机等[6]，本文采用粒子群算法（PSO）优化的BP神经网络，BP神经网络算法相比于常见的软件补偿算法，具有较强的非线性映射能力及自学习和自适应能力，而PSO算法主要是对于BP神经网络算法的权值以及阈值进行优化，提高BP神经网络的整体性能。

该算法用于对二维标定后的数据进行温度补偿，从而达到减小温度对扩散硅压力传感器影响的目的。

1 扩散硅压力传感器的工作原理压力传感器是一种把压力转变成电信号的器件，扩散硅压力传感器结构如图1[7]所示，以单晶硅为基体，采用扩散或离子注入等工艺形成电阻即硅膜片，硅膜片由硅环固定在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，硅膜片也会随之发生形变[8]。