科技成果——高精度硅谐振压力传感器
硅压阻式压力传感器的高精度补偿算法及其实现
硅压阻式压力传感器的高精度补偿算法及其实现聂绍忠【摘要】Silicon piezoresistive pressure sensors are widely used in various fields of national economy, such as automotive,medical,aerospace,environmental protection,etc. With the development of science and technology,the requirements for pressure measurement accuracy are higher and higher in various fields. However, due to the inherent characteristics of semiconductor materials,silicon piezoresistive pressure sensors commonly exist with zero temperature drift,sensitivity changes with temperature and nonlinear problems. In order to improve the measurement accuracy of the sensors and reduce the outputerror,several common compensation algorithms are analyzed and compared, and the method of surface fitting high-precision compensation algorithm based on least-squares method is proposed. This compensation algorithm effectively eliminates sensor zero drift,sensitivity drift and nonlinear error,and improves sensor output accuracy. The experimental results show that the accuracy of the measurement is greatly improved and the output error of the sensor is less than 0. 01％F·S within the temperature range of -40～+80 ℃ after calculation by this compensation algorithm.%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℃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.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】5页(P49-53)【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【作者】聂绍忠【作者单位】重庆四联测控技术有限公司,重庆 401121【正文语种】中文【中图分类】TH701;TP301.60 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。
谐振式传感器
第五章 谐振式传感器
一 概述 二 谐振式传感器的理论基础 三 振动筒压力传感器 四 振动膜式传感器 五 振动弦式传感器 六 振动梁式传感器 七 硅微结构谐振式传感器
二、谐振式传感器的理论基础
1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征与优势
1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征与优势
综上所述，相对其它类型的传感器，谐振式传感器的本质特 征与独特优势是： ① 输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而解 算出来。这一特征决定了谐振式传感器便于与计算机 连接，便于远距离传输； ② 传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特征 决定了传感器系统的输出自动跟踪输入；
将式（5-2）代入式（5-器使用的振动系统总是有振荡的，故式(5-3)的解应写 为
1, 2 n i d (5-4)
n k m c 2 km
在谐振式传感器中，谐振子的品质因素Q值是一个极其重要的指 标，针对能量的定义式为：
每周平均储存的能量 Q 每周由阻尼损耗的能量
(5-16)
1 0 ，利用图5-6所示的谐振子 对于弱阻尼系统， 的幅频特性可给出： 1 Q Am (5-17) 2 n 1 Q (5-18) 2 1 p 2 p1
二、谐振式传感器的理论基础
1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征与优势
实际应用的谐振敏感元件多为弹性敏感元件。在讨论其振动 特性时，可以用一个等效的单自由度有阻尼的系统来描述（如下 图5-2）。图中k，m，c分别为等效刚度、等效质量和等效阻 尼。其自由振动的运动方程为：
EJA智能压力变送器
6，EJA430A压力变送器用于测量气体、液体和蒸汽的压力，然后将其转变成4-20mADC的电流信号输出。EJA430A也 EJA智能液位传感器可以通过BRAIN手操器或CENTUM CS/μXL或HART 275手操器相互通讯，通过它们进行设定和监控等。
单向过压特性优异 ，接液膜片与膜盒本体采用独创的波纹加工技术，使外部压力增大到某一数值时，接液膜片能与本 EJA智能压力变送器体完全接触，硅油传递给传感器的压力不再随外力的增加而增加，从而达到对传感器的保护作用。（图4）、（图5）所示为ＥＪＡ过压特性。安装灵活，可无需支架，直接安装，常规使用，无需三阀组，组态灵活简便，可通过计算机或手操器对变送器组态，也可通过变送器上的量程设置按钮和调零按钮，进行现场调整。
16，BT200手持智能终端是一种便携的终端，它与采用BRAIN通信协议的仪表一起使用，对其进行设定，更改，显示和打印参数（如牌号，输出方式，范围等），它与可监控输入/输出值和自诊断结果，设定恒定电流的输出和调零。当系统开动或维持操作时，只要把BT200接在4--20m通信信号线上或把它接在ESC（信号调节通信卡）上提供的接口上，就可使用BT200。
19，HART275手持智能终端
DP harp EJA 系列变送器可以通过HART通讯器对测量范围、阻尼常数等进行远程设置与监控，并且能对变送器进行自 BT200诊断。
（１）经D/A转换成4-20mA输出信号，通讯时叠加Brain或Hart数字信号；
硅压力传感器原理
硅压力传感器原理
硅压力传感器利用硅材料的特性将外部施加的压力转换为电信号。
其工作原理主要有四个步骤：
1. 微机电系统（MEMS）加工：在硅衬底上使用光刻和腐蚀等工艺制作出微型结构，其中包括一个薄膜片和一系列微小孔洞。
2. 变形：当外部施加压力到达传感器薄膜片上时，薄膜发生弯曲变形。
变形的幅度与施加的压力成正比。
3. 电极检测：两个电极被放置在薄膜片的两侧。
当薄膜发生变形时，电极之间的距离改变，导致电阻值的变化。
4. 电信号转换：测量电路读取电极之间的电阻值变化，并将其转换为与施加的压力成比例的电信号。
这个信号可以经过放大或数字化处理，并用于控制或显示设备上。
硅压力传感器具有高灵敏度、宽压力范围、快速响应、较高的精度和可靠性等优点。
它们广泛应用于工业自动化、汽车工程、医疗设备、航空航天等领域中，用于测量液体或气体的压力。
硅谐振式压力传感器工作原理
硅谐振式压力传感器工作原理硅谐振式压力传感器是一种常用的压力测量装置，利用硅片的微小变形来测量压力的变化。
本文将详细介绍硅谐振式压力传感器的工作原理。
硅谐振式压力传感器的工作原理基于硅片的压阻效应和谐振频率的变化关系。
硅片是一种具有压阻效应的材料，即当外力施加在硅片上时，硅片的电阻值会发生变化。
利用这个特性，硅谐振式压力传感器可以将外界压力转化为硅片的变形，从而通过测量硅片的电阻变化来得到压力的信息。
硅谐振式压力传感器通常由两个硅片组成，一个硅片作为感应器，另一个硅片作为参考器。
这两个硅片通过微弯曲悬臂梁相连接，形成一个谐振结构。
当外界压力作用在感应器上时，感应器的硅片会发生微小的变形，导致谐振结构的谐振频率发生变化。
为了测量谐振频率的变化，硅谐振式压力传感器通常采用电桥的测量方法。
电桥由四个电阻组成，其中两个电阻与感应器的硅片相连，另外两个电阻与参考器的硅片相连。
当谐振频率发生变化时，感应器和参考器的电阻值也会发生变化，从而引起电桥的不平衡。
通过测量电桥的不平衡信号，可以得到压力传感器的输出信号。
硅谐振式压力传感器的优点是具有高精度、高灵敏度和宽测量范围。
由于硅片的微小变形能够被高精度的电桥测量出来，所以硅谐振式压力传感器的测量精度可以达到很高。
同时，硅谐振式压力传感器的灵敏度也很高，可以测量微小的压力变化。
此外，硅谐振式压力传感器的测量范围也很广，可以覆盖从几帕到几兆帕的压力范围。
然而，硅谐振式压力传感器也存在一些局限性。
首先，由于硅片的变形受到温度的影响，所以硅谐振式压力传感器的测量结果会受到温度的影响。
其次，硅谐振式压力传感器对于过载和震动等外界干扰较为敏感，需要进行一定的防护措施。
此外，硅谐振式压力传感器的制造成本较高，所以在一些应用场景中可能不太适用。
硅谐振式压力传感器利用硅片的微小变形来测量压力的变化。
通过感应器和参考器的谐振结构以及电桥的测量方法，可以实现对压力的精确测量。
尽管硅谐振式压力传感器存在一些局限性，但其高精度、高灵敏度和宽测量范围使其在许多领域得到广泛应用。
高精度压力传感器研究
高精度压力传感器研究摘要高精度压力传感器作为现代工业与科技前沿的核心组件，凭借其卓越的精度、稳定性与快速响应特性，日益成为瞩目的焦点。
本文首先揭开了这类传感器的技术面纱，详尽介绍了包括光纤法珀效应压力传感、次波长共振原理传感，以及利用微机电系统(MEMS)实现的多功能集成传感技术等先进原理，并深入挖掘了信号处理技术在优化传感器性能方面的重要贡献。
文章深入分析了高精度压力传感器在工业自动化及汽车电子领域的广泛应用情况，列举了其在制造业、能源、环境保护、食品加工业等多领域的具体应用案例，特别是在发动机精确控制、车辆制动系统优化、空调系统效能提升以及排放控制精确管理等方面所展现的不可或缺作用。
此外，本文还对高精度压力传感器的市场动态与未来趋势进行了剖析，强调伴随物联网、智能制造等新兴技术的蓬勃兴起，此类传感器的市场需求将呈上升趋势，其在促进环境保护、节能减排等领域的应用潜力将被进一步挖掘，预示着其在未来科技与产业发展中的广阔前景。
高精度压力传感器的研究与应用不仅推动了相关技术的进步和产业的升级，也为社会经济的发展和人民生活的改善做出了重要贡献。
未来，随着技术的不断创新和市场的不断拓展，高精度压力传感器将在更多领域发挥更大的作用，为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。
关键词：高精度压力传感器；技术原理；信号处理；工业自动化；汽车电子；市场前景；发展趋势目录摘要 (1)第一章引言 (3)第二章高精度压力传感器技术原理 (4)2.1 传感技术 (4)2.2 信号处理技术 (4)第三章高精度压力传感器的应用 (6)3.1 工业自动化领域应用 (6)3.2 汽车电子领域应用 (7)第四章高精度压力传感器市场与发展趋势 (9)第五章结论 (10)第一章引言随着科技进步的日新月异，高精度压力传感器在工业控制、环境监测、医疗健康等多个领域中的重要性日益凸显，成为推动技术革新和社会经济发展的关键因素，同时也深刻影响着民众生活质量的提升。
基于SOI的硅微谐振式压力传感器芯片制作
１ 谐 振 式压 力 传 感 器 的设 计
硅 谐 振 压 力传 感 器 主 要 由上层 玻 璃 、 敏 感 结 硅
（） ｇ
图 ２ 谐 振 式 压 力 传 感 器 的 工 艺流 程 图
构 和下 层玻 璃 三部 分构 成 。其 中上层 玻璃 上 布置有 激励 与 检测 电极 ； 层玻 璃上 制作 有 导压孔 ； 敏感 下 硅
ＭＡ Ｚｈｂ ，Ｉ ＮＧ Ｃ ｅ ｇ ｕ， ＥＮ ｅ Ｙ Ａ Ｗｅ ｈ ｎ ｉｏ Ｊ Ａ ｈ ｎ ｙ Ｒ Ｓ ｎ， Ｕ Ｎ ｉ ｅ ｇ ｚ
ｆ ｃｏａ ｄ Ｎ ｎ ｌ ｔ ｍ ｃ ａ ｉ ｌ ｙｔ ｓＬ ｂ ｒｔｒ ． ｏｔ ｅｔ ｎ Ｐ ｌｔ ｈ ｉ ｌＵ ｉ ｒ ｔ ， ｉ ｎ７ ０ ７ ， ｈ ｎ ） Ｍｉ ｎ ａ ｏＥ ｅ ｒ ｅｈ ｎｃ ｓ ｍ ａ ｏａｏｙ Ｎ ｒ ｗ ｓ ｒ ｏ ｅ ｎｃ ｎｖ ｓ ｙ Ｘ ’ １ ０ ２ Ｃ ｉａ ｒ ｃｏ ａＳ ｅ ｈ ｅ ｙｃ ａ ｅｉ Ⅱ
ｏ — ｓｌ ｏ（ Ｏ ） ａｅ． ｈ ｅｏ ａ ｒｓｓｅｄ ｄ ｂ ｏｒｂ ａ ｔｆ ｒｐ ｉｔ Ｏ ｈ ｉ ｈａｍ ｉ ｅｃ ｐｕａ ｄ ｎｉ ｕａ ｒ Ｓ Ｉ ｗ ｆ Ｔ ｅｒｓｎｔ ｕｐ ｎ ｅ ｙｆ ｅｍｓａ ｏ ｏ ｓ ｆｔｅ ｄ ｐ ｒｇ ｎ ａ ｓｌ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ ｕ ｕ ｎ ａ ｓ ｔ
艺、 阳极键合 、 错位划片以及真空 封装 等。其 中 ，Ｏ 硅 Ｓｌ
片的规格为 ： ｉｃ ， ４ ｎｈ 电阻率为 ００ ｃ ００ Ｃ Ｉ ．１ ｎ・ｌ ．２Ｑ・Ｔ ｎ～ ｌ，
器件硅 的厚度为 ２ ｍ， ０ｔ 中间氧化层 为 ０ ３ －， ｘ ． ｍ 基底硅 的厚度为 ５０ ０ ｍ， 工艺流程如图 ２ 所示 。
力强 ， 定性 高等 诸 多 优点 ， 重要 的是 ， 直 接输 稳 更 其
GETerps (RPS DPS8000)
6.5, 最大32 16.5, 最大32
* 低功耗，<120ns ** 低噪声，<75ns ***25°C, 6V电压下 ^ 方波压力信号，25kHz,4-10kHz带宽 ^^ 二极管正向电压，0.5-0.7V@25°C,
-2mV/°C
响应时间 <300msec,压力从10%变化至90%FS时
长期稳定性 标准级：±0.02%FS/年 提高级：±0.01%FS/年
注：除非另有说明，上述技术指标均在参考条件下获 得：25°C±5°C
物理特性
存储温度范围 同补偿温度范围
工作温度范围 同补偿温度范围
压力介质 同316L不锈钢和哈氏合金Hastelloy C276兼容的介质
防尘/水等级 参见电气连接部分
振动 DO-160E曲线W，正弦波，5Hz-2kHz, 20gn <0.2mbar/gn输出变化
冲击 DO-160E 9(图7.2) 20gn 11ms 校验变化可忽略
湿度 MIL-STD-810D方法 507.2步骤III(湿度环境，65°C, 95%RH)
压力接口 多种压力接口可选： •••G1/4内螺纹 •••G1/4外螺纹（平螺纹） •••G1/4外螺纹（60度锥） •••G1/8外螺纹（60度锥） ••1/4NPT内螺纹 ••1/4NPT外螺纹 ••1/8NPT外螺纹 ••M20×1.5 •••M14×1.5, 60度内锥 •••M12×1内锥 •••7/16 UNF外螺纹 •••G1/2外螺纹 •••G1/4快速接口 •••1/2NPT外螺纹 ••G1/4外螺纹（加长平螺纹） ••7/16-20 UNF内螺纹 ••锥状鼻（G1/4内螺纹） ••7/16-20 UNF外螺纹 ••如需其他规格螺纹接口，请联系GE
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科技成果——高精度硅谐振压力传感器
技术领域新一代信息技术
技术开发单位中国科学院电子学研究所
技术概述高精度压力传感器采用先进的换能机制，利用单晶硅的良好机械特性，将压力的作用应力转化机械部件的固有频率，并输出。
传感器具有低迟滞误差、重复性好，长期稳定性好等优点。
（1）采用基于双谐振器的原位温度自补偿技术，有效解决传感器温度漂移问题，实现了全温区0.01%FS精度等级；
（2）采用全温区稳幅闭环控制技术，有效降低传感器非线性误差，结合温度自补偿技术，有效拓展了传感器温区和提升了宽温区精度；
（3）传感器采用圆片级的真空封装技术，保证了传感器的综合性能，有效抑制传感器的时间漂移问题。
项目已研制出应用于军用航空大气数据系统传感器PRS2511、2512和RPS5611、工业校准领域传感器RPS2513、以及民用大气压力传感器MERPT-M1等系列产品。
产品综合精度优于0.02%FS，年漂移低于100ppm，可靠性指标优于30万小时。
由李树深、刘明等院士专家组成的鉴定委员会认为：传感器整体性能处于国际先进水平，温度跟随性指标居国际领先。
技术特点
基于双谐振器设计的高精度硅谐振压力传感器综合精度高、分辨率高、稳定性好、可靠性强、温度跟随性好、温度范围和测量范围大、
体积小、功耗低、能批量化制造、成本低。
技术指标
先进程度国际先进
技术状态小批量生产、工程应用阶段
适用范围
（1）航空大气数据系统
军用飞机的航空大气数据系统采用综合精度优于0.02%FS的高精度压力传感器，用于测量飞机飞行的高度、速度、攻角等参数。
本项目所研制的硅谐振压力传感器产品精度水平满足航空大气数据系统要求。
2015年，项目组与太原航空仪表有限公司开展合作，研制两款压力传感器产品，开展国产化替代工作，解决了进口产品使用温区限制、温度跟随性差、启动时间长的问题。
目前RPS2511、2512产品已完成正样阶段，进入设计定型阶段；RPS5611产品目前正处于初样
阶段。
（2）工业控制领域
高精度压力传感器在工业控制领域中常用于介质压力的测量或压力基准，其典型产品是数字压力计、压力控制器和压力校准仪。
本项目研制的RPS2513系列传感器产品在太原市太航压力测试科技有限公司开展试用。
其应用报告指出三种量程的传感器的综合精度优于±0.02%FS（部分优于±0.01%FS），满足公司大气数据测试仪的试验要求，有望在航空地面压力校准仪中替代国外进口器件。
（3）气象领域
气压作为气象六要素中的主要指标，对灾害预警具有十分重要的作用。
高精度大气压力传感器作为气压测量的核心部件，广泛应用于国家和地方的气象站、气候站、农业站等。
本项目传感器MERPT-M1系列产品分别在新疆维吾尔自治区气象技术装备保障中心、中国气象局大气探测试验基地和江苏省无线电科学研究所有限公司开展示范应用。
用户报告指出，传感器的分辨率优于10Pa，准确度为±10Pa，综合精度略优于国外器件（0.02%FS），年漂移量小于100ppm（7Pa）。
2018年，交付江苏省无线电科学研究所有限公司MERPT-M1型压力传感器50余套。
获奖情况
（1）获得2017年中国电子学会技术发明二等奖；
（2）入选第十二届（2017年度）中国半导体创新产品与技术。
专利状态申请中国发明专利16项，14项获得授权。
合作方式
（1）技术转让。
在一定的期限与地域范围内，将高精度硅谐振压力传感器产品的制造权与营销权（不包括所有权）有偿转让给引进人。
转让部分包括传感器的制造方法和技术的系统知识。
（2）许可使用。
采用普通许可的方式，被许可人在规定的时间和地域范围内使用在高精度硅谐振压力传感器许可使用合同中所约定的知识产权内容，同时保留在该地域范围内许可人自己使用该项知识产权以及再与第三方就该项知识产权签订许可证合同的权利。
或采用排他许可的方式，被许可方在规定的地域内独家实施高精度硅谐振压力传感器产品的知识产权，而不再许可第三方在该地域内实施其知识产权。
（3）合作开发。
与航空大气数据系统、工业控制领域和气象监测领域的主要供应商展开合作，共同开展高精度硅谐振压力传感器的工程化。
预期效益
目前，硅压力传感器主要分布在汽车领域、消费类电子领域、工业控制领域、医疗领域和航空航天领域。
2018年5月份，Yole Development发布MEMS压力传感器2016-2023年市场预估报告。
该报告指出目前MEMS压力传感器的全球市场规模为15亿美元，并以年增长率3.8%增长。
预计到2023年，全球市场规模将达到20亿美元。
同时报告数据表明，高精度压力传感器2016年全球的市场规模
为5亿美元，主要应用于航空电子设备和其他高端应用。
目前处于利基市场且增长速度最快，主要原因是当今硅传感器逐步替代传统传感器在航空电子设备和高端应用的市场。
我国传感器行业发展落后，国内高精度压力传感器需求严重依赖进口，其进口占比为100%。
高精度压力传感（精度等级优于0.02%FS）主要应用于精密测量和控制领域，其典型应用是航天航空、军用行业、气象观测及环境探测、压力校准设备等领域。
根据国内相关应用领域供应商提供的数据表明，2017年国内高精度压力传感器市场规模约为¥1.81亿元，具体市场需求如下表所示。
由于传统压力传感器产品体积大，以呈现出逐步被新兴的微型化MEMS压力传感器替代的局面。
伴随着飞行器的小型化和轻型化，在军用飞机领域，新机型军机均采用微型化MEMS压力传感器产品。
国内通用航空中也逐步采用微型压力传感器替代传统的传感器产品。
据相关报告预估，国内航空航天领域压力传感器的年增长率为5%。
在气象领域上，随着国家大力鼓励和支持民用气象站，如农业气象站等。
近三年来，以每年20%的增长速率增长。
2017年，自动气象站的国内市场规模约为¥5亿元。
工业控制领域、压力控制领域以及发动机控制系统领域在国家主张国产化的宏观政策下，逐步使用国产化高精度压力传感器来替代国外进口产品。
2017年，该类产品的高精度压力传感器全国的示范规模为¥2.49亿元。