压力传感器的温度补偿

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/机电一体化技术
班级机电1051
学号1001043522
学生姓名兵
指导教师：新春
2013年5月20日
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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。

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。

关键词：压力传感器、温度、补偿
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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 also known 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 is removed, 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 to the effect of pressure sensor.
But with the continuous change 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 problem of temperature drift analysis.
The temperature compensation method is different with different pressure sensors, to achieve the desired effect.
Keywords:pressure sensor, temperature, compensation
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目录
第1章绪论 (1)
1.1本课题研究的目的和意义 (1)
1.2 压力传感器的发展概况 (2)
1.2.1 压力传感器的发展历程 (2)
1.2.2 压力传感器国外研究现状 (3)
1.2.3 压力传感器的发展趋势 (4)
1.3 传感器的常用术语 (4)
1.4 传感器的技术特点及环境影响 (7)
第2章压力传感器的原理 (9)
2.1 压力传感器的基本原理 (9)
2.1.1 半导体的压阻效应 (9)
2.1.2 压力传感器的原理及结构 (10)
2.1.3 压力传感器的特性指标 (11)
2.2压力传感器温度漂移产生的机理 (14)
第3章压力传感器的温度补偿 (16)
3.1温度补偿的技术指标 (16)
3.2补偿方式简介 (17)
3.2.1部补偿 (17)
3.2.2外部补偿 (17)
第4章总结 (26)
辞 (27)
参考文献 (28)
附录 (29)
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第1章绪论
1.1本课题研究的目的和意义
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。

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。

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。

当前这类传感器的温度补偿的分析一般可分为部补偿和外部补偿两种。

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。

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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 压力传感器的发展概况
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外压力传感器的研究现状和发展趋势。

1.2.1 压力传感器的发展历程
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。

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
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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。

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围。

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 压力传感器国外研究现状
从世界围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向。

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. 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。

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,Jan Bochenek 报导了一种可以用于测量眼球的眼压计，其膜片直径为1mm。

在眼压为60mmHg时，静态输出为40mV，灵敏度系数比较高。

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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。

6. 多维力传感器：六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点，目前国际上只有美国、日本等少数国家才能够生产。

我国理工大学在跟踪国外发展的基础上，突破性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉，阵列密度为2438tactels/cm2,力灵敏1g，结构的柔性很好，能准确的抓握和识别鸡蛋和钢球，现在已经运用于机器人分选物品。

1.2.3 压力传感器的发展趋势
当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛，基本上渗透到了各个行业,但总结起来主要有以下几个趋势:
1. 集成化：传感器已经越来越多的被用来与其它用作测量的传感器集成，从而形成测量和控制系统。

集成系统在过程控制和工厂自动化中可以提高操作速度和工作效率。

2. 微型化：现在市场对微型压力传感器的需求量日益增大，这种微型传感器能够工作在非常恶劣的极端环境下，但却只需要非常少的保养和维护，对周围环境的影响也非常的小，可以放在人体的不同的重要器官中采集资料，却不会影响到人的正常生活。

3. 智能化：由于传感器集成化的出现，将一些微处理器添加在集成电路中，使得传感器具有通讯、逻辑判断、自动诊断、自动补偿等功能。

4. 广泛化：目前压力传感器正从机械行业向其它领域扩展，例如: 医疗仪器、汽车元件和能源环境控制系统。

5. 标准化：传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。

如ISO国际质量体系：ASTM
标准、美国的ANSI、日本的JIS标准、俄罗斯的OCT。

1.3 传感器的常用术语
1、传感器
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能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常有敏感元件和转换元件组成。

1）敏感元件是指传感器中能直接（或响应）被测量的部分。

2）转换元件指传感器中能较敏感元件感受（或响应）的被测量转换成是与传输和（或）测量的电信号部分。

3）当输出为规定的标准信号时，则称为变送器。

2、测量围
在允许误差限被测量值的围。

3、量程
测量围上限值和下限值的代数差。

4、精确度
被测量的测量结果与真值间的一致程度。

5、重复性
在所有下述条件下，对同一被测的量进行多次连续测量所得结果之间的符合程度：
相同测量方法
相同观测者
相同测量仪器
相同地点
相同使用条件
在短时期的重复
6、分辨力
传感器在规定测量围可能检测出的被测量的最小变化量。

7、阈值
能使传感器输出端产生可测变化量的被测量的最小变化量。

8、零位
使输出的绝对值为最小的状态，例如平衡状态。

9、激励
为使传感器正常工作而施加的外部能量（电压或电流）。

10、最大激励
在市条件下，能够施加到传感器上的激励电压或电流的最大值。

11、输入阻抗
在输出端短路时，传感器输入端测得的阻抗。

12、输出
有传感器产生的与外加被测量成函数关系的电量。

13、输出阻抗
在输入端短路时，传感器输出端测得的阻抗。

14、零点输出
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在室条件下，所加被测量为零时传感器的输出。

15、滞后
在规定的围，当被测量值增加和减少时，输出中出现的最大差值。

16、迟后
输出信号变化相对于输入信号变化的时间延迟。

17、漂移
在一定的时间间隔，传感器输出中有与被测量无关的不需要的变化量。

18、零点漂移
在规定的时间间隔及室条件下零点输出时的变化。

19、灵敏度
传感器输出量的增量与相应的输入量增量之比。

20、灵敏度漂移
由于灵敏度的变化而引起的校准曲线斜率的变化。

21、热灵敏度漂移
由于灵敏度的变化而引起的灵敏度漂移。

22、热零点漂移
由于周围温度变化而引起的零点漂移。

23、线性度
校准曲线与某一规定直线一致的程度。

24、非线性度
校准曲线与某一规定直线偏离的程度。

25、长期稳定性
传感器在规定的时间仍能保持不超过允许误差的能力。

26、固有频率
在无阻力时，传感器的自由（不加外力）振荡频率。

27、响应
输出时被测量变化的特性。

28、补偿温度围
使传感器保持量程和规定极限的零平衡所补偿的温度围。

29、蠕变
当被测量机器多有环境条件保持恒定时，在规定时间输出量的变化。

30、绝缘电阻
如无其他规定，指在室温条件下施加规定的直流电压时，从传感器规定绝缘部分之间测得的电阻值。

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中国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。

传感器技术历经了多年的发展，其技术的发展大体可分三代：
第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。

第二代是上70年代发展起来的固体型传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成。

如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器。

第三代传感器是以后刚刚发展起来的智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有一定的人工智能。

传感器的技术特点
传感器技术及其产业的特点可以归纳为：基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、产业两大分散。

基础依附，是指传感器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。

敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，传感器技术难以为继。

应用依附是指传感器技术基本上属于应用技术，其市场开发多依赖于检测装置和自动控制系统的应用，才能真正体现出它的高附加效益并形成现实市场。

也即发展传感器技术要以市场为导向，实行需求牵引。

技术密集是指传感器在研制和制造过程术的多样性、边缘性、综合性和技艺性。

它是多种高技术的集合产物。

由于技术密集也自然要求人才密集。

投资密集是指研究开发和生产某一种传感器产品要求一定的投资强度，尤其是在工程化研究以及建立规模经济生产线时，更要求较大的投资。

产品结构和产业结构的两大分散是指传感器产品门类品种繁多（共10大类、42小类近6000个品种），其应用渗透到各个产业部门，它的发展既有各产业发展的推动力，又强烈地依赖于各产业的支撑作用。

只有按照市场需求，不断调整产业结构和产品结构，才能实现传感器产业的全面、协调、持续发展。

传感器的环境影响
环境对传感器造成的影响主要体现在以下方面：
（1）传感器在高温环境下工作时会造成传感器涂覆的材料高温熔化、焊接的点容易开化、弹性体应力也会发生结构上的变化等问题。

一般这种工作在高温环境传感器我们常采用耐高温传感器；除此之外，还必须加有气冷、水冷或隔热等装置。

（2）粉尘颗粒、潮湿很容易造成传感器短路。

在这种环境条件下应该选择密闭性很高的传感器。

一般常用的密封有密封胶（如703胶）充填或涂覆；橡胶垫机械紧固密封；焊接（激光焊、氩弧焊）和抽真空充氮密封。

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从上面几种密封方法的效果来看，焊接密封的效果最好，充填密封胶为最差。

对于室干净、干燥环境下工作的传感器，可选择涂胶密封的传感器，但对于那些在潮湿、粉尘较多的环境下工作的传感器，应选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器。

（3）在腐蚀性较高的环境下，比如碱性、酸性或潮湿对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响，应选择外表面进行过喷塑或不锈钢外罩，抗腐蚀性能好且密闭性好的传感器。

（4）电磁场会对传感器造成影响，会使传感器输出信号紊乱。

这种情况下，应该严格检查传感器的屏蔽性，看是不是具有良好的抗电磁性。

（5）易燃、易爆物品会对传感器造成彻底性的损害，还会对周边其它的设备和人员造成威胁。

所以，在这种环境下工作的传感器就必须对防爆性能提出了严格的要求，必须选用防爆传感器。

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第2章压力传感器的原理
2.1 压力传感器的基本原理
压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。

其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度围之，压电性质一直存在，但温度超过这个围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。

由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。

而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。

磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机部燃烧压力的测量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。

除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。

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。

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。

在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电瓷，包括钛酸钡压电瓷、PZT、铌酸盐系压电瓷、铌镁酸铅压电瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

2.1.1 半导体的压阻效应
固体受到作用力后电阻率(或电阻)要发生变化，这种现象称为压阻效应。

半导体材料的压阻效应通常有两种应用方式：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片；另一种是在半导体材料的基片上，用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻或离子注入型压敏电阻。

在（100）晶面。