半导体气压传感器原理与应用

电子产品与器件

电子报/2004年/02月/15日/第013版/

半导体气压传感器原理与应用

成都胥绍禹

气压传感器的结构如图1。在薄膜的内表面按一定方位贴有四片电阻值相同的电阻应变片。当薄膜受到大气压力时发生形变,位于薄膜中心的应变片Rb1、Rb3因被拉伸而电阻增大,位于薄膜边缘的Rb2、Rb4因被压缩而电阻减小。如果把这四片应变片组成电桥电路(图2),就可以把随压力变化的电阻值以电压信号的方式检测出来。

电子气压计的电路如图3所示,传感器采用FPM -15PAR 型半导体压力传感器,其驱动方式分恒电压驱动和恒电流驱动两种。这种传感器内部的电阻应变片是正温度系数的,而它对压力的灵敏度是负温度系数的。为了抵消这种相反的温度特性,采用了能够改善温度特性的恒电流驱动方式。即当驱动电流I 恒定时,电桥的输出电压:Vout =IRbGP,式中Rb 为电桥一臂的电阻值,G 为压力灵敏度,P 为压力。

气压计的电源使用两节五号电池,利用分流稳压元件ICL8069获取1.2V 的恒定电压,再经R2、R3分压得到稳定的0.2V 电压,作为恒流驱动电路的基准电压。经实测,基准电压为1.23V

。

气压传感器的恒流驱动电路由IC2b 、T1、R4构成,驱动电流I =0.2/R4,按图示参数为0.3mA 。利用运放的虚拟短路特性,IC2a 使传感

器的 脚电位保持在0V,这样,传感器的输出以0V 为基准,使后级放大可以采用一般的同相放大器。在传感器的 和!脚间接入R5和W1,用于调整传感器和放大器的偏置电压。同相放大器IC2c 将传感器的输出放大50倍[R7/(R6+W2)+1],W2作增益调整(20~60倍),其输出电压Vp 用于气压的测定。如果用于高度的测定,由于每1hPa 的压力变化相当于9m 的高度,因此需将输出Vp 作9倍的放大;又因为高度的增加相当于压力的减小,放采用反相放大器,放大倍数为-R9/R8,其输出电压Vh 用于高度的测定。

当气压为1001hPa 时相当于Vp =1001mV,高度为100m 时相当于Vh=100m V,可用数字直流电压表作测定值显示。开关SW2用于测定气压或高度的选择。

测定高度的调整:将开关SW2置∀Vh #一侧,在出发点调零,即调整W2使Vout=0m V,然后在距出发点10m 的高度,再调整W2使Vout=10mV

。

测定大气压的调整:将开关SW2置∀Vp #一侧,简单的方法是利用气压与高度的关系,调整

W2进行校准。另一个方法是利用无线电广播

气象预报的大气压,但此气压是海拔0m 的气压,如播报为1015hPa,可在最接近海平面的的地方调整W1使输出电压为1015mV 。附表给

出了不同高度时的标准气压值。从此表的数据可看出,每1m约相当于0.12hPa。因此若在海拔500m的地方,实际的气压应推算为1015-0.12∃500=955hPa。

注:气压的国际单位是帕斯卡(Pa),气象上采用它的100倍做单位,即百帕(hPa)。1个大气压=1013.25hPa

。