扩散硅压力变送器的精密温度补偿方法

1.引言

由于扩散硅压力传感器采用了硅弹性材料、半导体工艺和微机械加工技术,它体积小(芯片2×2mm)成本低、精度高、稳定性好,且能以OEM方式提供给整机厂进行二次开发,所以得到了迅速普及。扩散硅压力传感器通过扩散电阻的压阻效应感应压力变化,从根本上受温度影响比较大,限制了它在宽温区的高精度。

2.扩散硅压力传感器的温度补偿方法

扩散硅压力传感器的温度补偿一般分内补偿和外补偿。内补偿通过传感器的设计、制造工艺,封装材料、形式来减小零点和满量程的温度系数,特别是通过控制扩散阻条的掺杂浓度,使传感器的满量程温度系数控制在0.75%FS/全温区,在一般应用中做到满量程免补偿。由于内补偿有局限性,所以必须进行外补偿。外补偿的形式多样,有通过固定电阻网络的两点式补偿(零点和满量程的温度系0.75%FS/70℃

0~70℃);通过热敏电阻网络的三点式补偿(零点和满量程的温度系数为0.5%FS55℃C,-30~+80℃;通过单片机的智能多点补偿(智能压力变送器)等。近年来,集信号处理、温度补偿于一体的压阻式传感器信号调理芯片(SSC)以其高集成、多功能,大大提高了扩散硅压力传感器的性能价格比。这类芯片的温度补偿方法与单片机的智能多点补偿类似通过温度传感器检测环境温度,温度值经A/D转换作为地址指针,储存在存贮器中此地址的零点和满量程的温度修正系数经DA转换成模拟量,修正传感器输出信号中零点和满量程的温度漂移。这类芯片的存贮器的类型有ROM、 EPROM(SCA2095)、 E-PROM(MAX1457)型;有片外,也有集成在片内(SCA2095)的。温度传感器有的集成在片内,有的外接,还有的利用扩散硅压力传感器桥路电阻的温度敏感性来感应温度。

3.MAX1457的组成及补偿原理

MAX1457是这种芯片中比较典型的1个,它包括1个传感器激励电流源;1个3位可编程增益放大器;5个16位DA转换器;1个12位带可编程数字增益和数字偏置调整的A/D转换器和1个通用运算放大器。

MAX1457利用扩散硅压力传感器桥路电阻的温度敏感性来感应温度,不仅可以补偿传感器零点和满量程的温度系数的一阶误差(相当于两点补偿),还可以通过查表法补偿零点和满量程的温度系数的高阶误差。 E- PROM中零点和满量程的温度系数存贮数量各为120个(240字节),如果温度分辨率足够的话,对于从-40~+125℃,可以每隔1.4℃插一点。一般扩散硅压力传感器零点和满量程的温度系数为0.01%

FS/℃,故理论上传感器温度误差可以补偿到0.014%FS/℃(-40~+125℃)MAX1457零点温度补偿如图1所示,它是将存贮在 E- PROM中的零点温度漂移值经D/A转换为模拟量 OTCDAC后,经A1放大,再通过求和电路与经过PGA放大的传感器信号相加减,达到补偿零点温度误差的效果。

VAX1457满量程温度补偿采用与两点补偿和三点补偿同样的原理,改变传感器的供电电流。对于恒流激励模式,扩散硅传感器的输出如下式:

满量程温度系数为灵敏度温度系数与桥路电阻温度系数之和,由于制造工艺原因,满量程温度系数很难控制为零,通常控制为正数,再通过改变传感器供电电流Ⅰ,的温度系数,进一步补偿。如图2所示

                                                图2满量程补偿示图

MAX1457将存贮在E2PROM中的满量程温度漂移值转换为模拟量 FSOTCOU T,改变镜像电流源Ⅰ,进而改变扩散硅传感器供电电流Ⅰ,将满量程温度误差修正到要求值。

4.全温区高精度(0.1级)压力变送器的研制

MAX1457的功耗很低,电源电流***为2.6mA可以用于二线制.4~20mA信号输出的全温区高精度压力变送器中。应用MAX1457研制的压力变送器组成如图3所示。

由于是全温区(-30~+80℃)压力变送器,所以要考虑MAX1457供电电源的温度系数MAX1457的输出是将传感器输出信号放大的电压信号(0.5~4.5VDC),压力变送器将此电压信号经过V/Ⅰ变换,转为电流信号输出0~16mA,此电流与电源电流4mA叠加成两线制4~20mA输出。电源电流由各个元器件的耗电电流决定,各个元器件的耗电电流在不同温度下的变化将影响传感器的零点输出电流,虽然这个变化量可通过MAX1457补偿,但是却增加了对传感器零点温度系数的要求。测量评估板在不同温度下的电流(包括传感器耗电电流0.5mA),30℃时为3.36mA,25℃时为2.87mA,80℃时为2.67mA.其变化量相当于4.5%FS.通过在电路中采用零温度系薮恒流源提供电路电源电流来消除这个影通过MAX1457补偿传感器零点、量程温度系数,般要求传感器零点温度系数不大于1.5倍灵敏度温度系数(TCS),传感器量程温度系数应为正。传感器量程温度系数为负时,应在传感器供电电流部分加二极管校正;传感器零点失调过大超出MAX1457补偿范围时,可在传感器桥路中串电阻进行修正。

用MAX1457进行温度补偿,首先要进行一阶线性补偿,然后再进行高阶矢量插值补偿。对于-30+80℃温度补偿,一阶线性补偿通常选-35℃+85℃.高阶矢量插值通常从低温-35℃开始,且要注意地址数字增益要合适,以防插值到高温时,超出存贮器存贮范围,前功尽弃。

用MAX1457研制高精度压力变送器,在线路板布线时要防止引入干扰。

用MAX1457研制高精度压力变送器在全温区的补偿结果表1所示。由表1可知，补偿后，在-30~±80℃温度范围内,压力变送器零点和满量程的温度误差在01%FS之内。在低温区,因为传感器零点和满量程温度误差在低温区非线性较大,所以插值较密

5.结论

使用MAX1457精密补偿的全温区高精度压力变送器已定型生产。这种变送器由于在模拟域对传感器补偿,克服了通过单片机智能补偿带来的量化噪声和低频响,响应时间可达1ms