扩散硅压力传感器热灵敏度漂移补偿方法的研究
一种硅压阻式压力传感器温度补偿算法及软件实现-基础电子
一种硅压阻式压力传感器温度补偿算法及软件实现-基础电子摘要：硅压阻式压力传感器的零点温度漂移和灵敏度温度漂移是影响传感器性能的主要因素之一，如何能使该类误差得到有效补偿对于提高其性能很有意义。
通过对硅压阻式压力传感器建立高阶温度补偿模型进行温度误差补偿是一种有效的方法，并在该模型基础上给出了拟合系数计算方法，并用Matlab GUI 软件来实现温度补偿系数计算，进而实现传感器输出的动态温补，达到了很好的输出线性性。
实验结果表明，补偿后传感器输出的非线性误差小于0.5% F.S.0 引言硅压阻式压力传感器利用半导体材料的压阻效应来进行压力测量，以其体积小、灵敏度高、工艺成熟等优点，在各行业中得到了广泛应用。
实际工程应用中由于硅材料受温度的影响，导致零点漂移和灵敏度漂移，因此温度补偿问题是提高传感器性能的一个关键环节。
目前压力传感器主要有两种温度补偿方法：硬件补偿和软件补偿。
硬件补偿方法存在调试困难、精度低、成本高、通用性差等缺点，不利于工程实际应用；利用数字信号处理技术的软件补偿能够克服以上缺点，也逐渐成为研究热点。
目前软件补偿的方法主要有：查表法、二元插值法、BP神经网络法、小波神经网络方法、曲线曲面拟合方法等。
查表法需要占用很大内存空间，而神经网络方法存在网络不稳定、训练时间较长的缺点不利于工程应用。
在研究各类软件补偿方法的基础上对压力传感器采用建立高阶温度补偿模型进行温度误差补偿，并且在Matlab GUI软件平台下实现高阶温度补偿系数的计算，通过实验对该方法进行验证。
1 高阶温度补偿模型的建立1.1 高阶温度补偿建模压力传感器输出非线性误差主要是由零点温度漂移和灵敏度温度漂移产生，零点温度漂移是由于电阻掺杂不同而导致电阻的温度系数不同，灵敏度温度漂移主要由于压阻系数易随温度的升高而减少。
针对温度对传感器输出影响，采用对零点温度漂移和灵敏度漂移建立高阶补偿模型进行统一补偿，补偿后压力值Press（T ）表示为温度传感器电压输出VT 和压力传感器电压输出VP 的函数：将Press（T ）补偿转换成曲面拟合问题，采用高阶多项式拟合方法构造曲面方程：式中系数矩阵中元素CI,J 是式（2）中VP VT 项对应系数。
基于PSO-LSSVM模型的扩散硅压力传感器的温度补偿
基于PSO-LSSVM模型的扩散硅压力传感器的温度补偿杨婷;卢文科;左锋【摘要】For the temperature drift of the silicon pressure sensor,an least squares support vector machine(LSSVM)temper-ature compensation model was put forward,which was based on particle swarm optimization(PSO).Through the two-dimensional experiment on silicon pressure sensor, a PSO-LSSVM model was built and the integrated temperature sensor AD 590 was taken advantage to monitor the environment temperature.Because the penalty factor and kernel parameter of LSSVM can affect the pre-diction precision directly,the optimal penalty factor and kernel parameter can be selected by PSO,which improves the defect of time consuming parameter selection.Experiment results show that after the PSO-LSSVM model,both the zero temperature coeffi-cient and the sensitivity coefficient decrease in an order of magnitude and the mean square error of predicted values and the cali -bration values is up to 10-6.PSO-LSSVM model realizes the temperature compensation and improves the prediction precision.%针对扩散硅压力传感器温度漂移的问题,文中提出了一种基于粒子群算法优化最小二乘支持向量机(PSO-LSSVM)的温度补偿模型.通过对扩散硅压力传感器做二维标定实验,利用AD590集成温度传感器监测实验环境温度,建立PSO-LSSVM模型.最小二乘支持向量机的惩罚因子和核函数的选取会直接影响到模型的预测精度,PSO-LSSVM模型利用粒子群算法优化最小二乘支持向量机模型的惩罚因子和核函数的参数,改善了传统的最小二乘支持向量机模型对参数选取耗时耗力且未必找到全局最优解的缺陷.实验结果表明,经该模型补偿后的零点温度系数和灵敏度温度系数都减小了一个数量级,且预测值与标定值的均方误差的数量级达到10-6,实现了温度补偿并改善了预测精度.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)012【总页数】5页(P25-29)【关键词】扩散硅压力传感器;温度补偿;粒子群算法;最小二乘支持向量机【作者】杨婷;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;东华大学信息科学与技术学院,上海 201620;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】TH765;TP212;TM9350 引言扩散硅压力传感器是一种以半导体硅膜片为核心的压阻式传感器。
关于压力传感器零点热漂移的补偿分析
科技信息2008年第26期SCIENCE &TECHNO LO GY INFORMATION ●0.引言压阻式传感器是目前应用最广泛的传感器之一,它是利用半导体材料硅的压阻效应而制成的传感器,即在硅片的应变敏感部位扩散出阻值相同的条(称为扩散电阻),当压力作用于其上时,硅膜片产生应变,从而使电阻条变形输出一个与压力呈正比的线性化电压信号。
由于半导体物理性质对温度的敏感性,使压力传感器内部的扩散电阻值不但会随压力的变化而变化,也会随温度发生变化。
这种温度变化导致压力传感器产生零点热漂移,使传感器的精度大大降低。
因此,零点热漂移的补偿已经成为压阻式压力传感器的一个重要的研究方向。
1.零点热漂移产生的原因设桥臂扩散电阻R 1~R 4的温度系数分别为α1~α4,这些温度系数因薄层电阻不同而异。
当表面掺杂浓度高时,薄层电阻小,温度系数亦小,反之,温度系数增大。
如果温度变化为"t,那么桥臂扩散电阻的阻值变化为R it =R i (1+αi "t)(i=1～4)(8)由于传感器工艺上的原因,如加工尺寸,掺杂浓度及均匀性,掺杂层厚度等,使电桥的各个桥臂扩散电阻的温度系数难于完全相同,因此,在不加压时电桥输出(即零点输出)会失衡,并且这一状态会随温度变化而变化,不可避免的要产生零点热漂移。
如果适当提高表面掺杂浓度,可以减小温度系数,进而减小零位漂移。
但是,过高的杂质浓度会降低传感器的灵敏度。
一般零点热漂移系数用来表示:K 0=U 0(T )-U 0(T 0)(T -T 0)U N (T 0)-U 0(T 0"#)×100%FS 0C (9)式中,U N (T 0)为在参考温度下满量程时的输出电压;U 0(T )和U 0(T 0)分别为在温度T 和参考温度T 0时的零点输出电压。
零点热漂移系数K 0不是一个定值,它在不同的温度区间有不同的值。
如图1所示为在一定电激励条件下压力传感器典型的输出电压与压力之间的关系。
检测技术实验3 扩散硅压阻式压力传感器、电容传感器、直流激励时霍尔传感器和反射式光纤位移传感器测量实验
上海电力学院检测技术实验实验八 压阻式压力传感器的压力测量实验一、实验目的了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。
二、实验仪器压力传感器、气室、气压表、分压器、差动放大器、电压放大器、直流电压表 三、实验原理扩散硅压力传感器的工作原理如图8-1，在X 形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i ，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂直于电流方向将会产生电场变化i E ⋅∆=ρ，该电场的变化引起电位变化，则在与电流方向垂直的两侧得到输出电压Uo 。
i d E d U O ⋅∆⋅=⋅=ρ （8-1） 式中d 为元件两端距离。
实验接线图如图8-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V 电源、4脚为Uo-；当P1>P2时，输出为正；P1<P2时，输出为负（P1与P2为传感器的两个气压输入端所产生的压强）。
图8-1 扩散硅压力传感器原理图图8-2 扩散硅压力传感器接线图四、实验内容与步骤1． 按图8-2接好“差动放大器”与“电压放大器”，“电压放大器”输出端接数显直流电压表，选择20V 档，打开直流开关电源。
2． 调节“差动放大器”与“电压放大器”的增益调节电位器到适当位置并保持不动，用导线将“差动放大器”的输入端短接，然后调节调零电位器使直流电压表20V 档显示为零。
3． 取下短路导线，并按图8-2连接“压力传感器”与“分压器”。
4．气室的活塞退回到刻度“17”的小孔后，使气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，将“压力传感器”的输出接到差动放大器的输入端，调节Rw1使直流电压表20V档显示为零。
6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
实验九扩散硅压阻式压力传感器差压测量一、实验目的了解利用压阻式压力传感器进行差压测量的方法。
二、基本原理压阻式压力传感器的硅膜片受到两个压力P1和P2作用时，由于它们对膜片产生的应力正好相反，因此作用在膜片上是△P=P1-P2，从而可以进行差压测量。
实验一扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验
实验一扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验实验目的：1. 熟悉扩散硅压阻式压力传感器的工作原理和特性。
2. 了解扩散硅压阻式压力传感器的使用方法和注意事项。
3. 利用扩散硅压阻式压力传感器进行压力测量实验。
实验器材：1. 扩散硅压阻式压力传感器2. 数字万用表3. 压力泵4. 接线板、导线等实验原理：扩散硅压阻式压力传感器是利用扩散硅作为敏感元件的压力传感器。
当扩散硅受到外界压力作用时，会产生微小的形变，从而改变扩散硅的电阻值。
通过电路对电阻值的变化进行放大和处理，最终转换成电压信号作为输出，实现压力的测量。
实验步骤：1. 将扩散硅压阻式压力传感器连接到接线板上，注意仔细阅读连接图并正确连接。
2. 将数字万用表连上扩散硅压阻式压力传感器的输出端口，选择电压测量档位，并将数显切换为直流电压。
3. 将压力泵连接到扩散硅压阻式压力传感器的压力输入端口，打开压力泵。
4. 按照设定步骤开始进行实验，观察和记录压力泵的压力输出值以及扩散硅压阻式压力传感器的电压输出值。
5. 在测量结束后，关闭压力泵，并将扩散硅压阻式压力传感器从电路中拆开。
实验结果分析：通过扩散硅压阻式压力传感器测量实验，我们能够得出被测压力值和输出电压值之间的关系。
由于具有较好的灵敏度和稳定性，扩散硅压阻式压力传感器被广泛应用于压力测量领域，如航空、采矿、化工、医疗等领域。
注意事项：1. 在进行实验前，必须确认设备和电路是否连接正确，避免短路或其他故障发生。
2. 在使用压力泵时，应注意安全防范措施，避免压力泵爆炸等危险事件发生。
3. 在电路连接和处理信号时，应注意干扰和噪声的影响，保证测量精度的准确性。
4. 在实验过程中，如有异常情况发生应及时停止实验，并排除故障，确保实验结果可靠有效。
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）。
硅压阻传感器的智能温度补偿研究
２ ２年 ４ 月 ０１
传 感 技 术 学 报
Ｃ Ｎ Ｅ Ｊ ＲＮＡ ＥＮ ＯＲＳ Ａ ＨＩ ＥＳ ＯＵ Ｌ ＯＦ Ｓ Ｓ ＮＤ Ａ Ｔ Ｃ ＵＡ ＯＲ Ｔ Ｓ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ４ １２ ．
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会受到环境 因素 （ 要是 温 度 ） 主 的影 响 ， 是存 在 一 总 定的非线性 ， 际传 感器 的输入 和输 出关系可表示 为 实
程， 每一个 温度 点 的补 偿 时 间将 近 １ｈ 补偿 多个 温 ， 度点 将耗 大量 的时 间 。对 多个 传 感 器进 行 补 偿 时 ，
Ａ ｉ ｎ 电压表读 取 。 ｇ ｅｔ ｌ
１６ ． ７￣１ ０“
，
故硅压 阻传感 器 的灵敏度 系数 为 ＝
ｒ ７ Ｅ一７ ． ２ ４～１９ ６ 因此 Ｋ ５ Ｋ ４． ｓ ０ ｏ～１０ ｏ 即硅 压 ０Ｋ ，
阻传感器 的灵 敏度 系数 是金 属应 变计 的灵 敏 度 系数
上位 机通 过 串行 接 口对 ＭＡ １５ 行 操 作 并 Ｘ ４ ２进
ＨＵ ｉ ｏ ｉ ， Ｉ Ｃｈ ｎ Ｇ ａ ｇ ｏ ｇ Ｌａ ｌ ｎ Ｌ Ｕ ｅ ， ＡＩ Ｇｕ ｎ ｈ ｎ
（ ． ｃｏｌｆＭｅｈ ｎｃｌ ｎ ｒ ｉｏ ｓ ｕ ｎ Ｅ ｇｎｅｎ ， ｉ ｎＵ ｉ ｒｔ ｏ ｅ ｎ ｌ ｙ Ｘ ’ １０ ８ Ｃ ｉａ １Ｓｈｏ ｏ ｃａ ｉ ｄＰｅ ｓ ｎＩ ｔ ｍｅｔ ｎ ｉ ｒ ｇ Ｘ ’ ｎｖ ｓｙ ｆＴｃ ｏ ｇ ， ｉ ｎ７０ ４ ， ｈｎ ； ａａ ｃｉ ｎ ｒ ｅｉ ａ ｅ ｉ ｈ ｏ ａ
简述压力传感器零点漂移的解决方法
简述压力传感器零点漂移的解决方法作者：于娟来源：《科学与技术》 2019年第3期摘要：压力变送器因其独特的优势，在工业生产中应用普遍。
其作为检测传送装置，无论精确度，还是灵敏度都非常高，而且稳定性好，线性度优良，价格低，应用领域广。
文章从多个方面论述压力传感器工作特性和零点漂移情况，深入探讨压力传感器零点漂移具体解决方法。
关键词：压力传感器；零点漂移；补偿方法前言：现阶段，研发压力变送器时，信号传送多通过压阻式扩散硅压力传感器实现。
由于技术方面的桎梏，外部温度变化会对压阻式压力传感器产生影响，以至于发生零点漂移情况。
传感器生产过程中，这种情况很难规避，因而，需要采用相关技术手段，研究压力传感器零点漂移情况，并进行温度补偿。
1压力传感器工作特性和零点漂移压力传感器不仅能够感受压力信号，还能够依据特定规律，转化压力信号，使其以输出电信号器件或装置形式存在。
它的主要构成元素是压力敏感元件和信号处理单元。
参照测试压力类型，能够把压力传感器细分为表压传感器、差压传感器、绝压传感器三类。
其中，压阻式压力传感器工作原理为在基体材料商吸附金属电阻应变片，机械形变会对应变电阻产生影响，使电阻值发生变化，发生电阻应变效应。
1.1压阻式压力传感器静态特性无论静态灵敏度、线性度，还是零点漂移都属于压力传感器静态性能指标。
静态灵敏度。
通常指经测量后的静态灵敏度传感器，由单位变化量引起的输出变化量。
该性能指标非常关键。
选择这一指标时，不仅要对传感器测量范围进行综合考量，还要对抗干扰能力进行兼顾。
传感器内部环境特殊，敏感元件的选择切忌盲目，需注重灵敏度情况。
其二，线性度。
从理论层面考量，传感器静态特性呈直线，但受内外部各类因素影响，其实测输入、输出关系并非如此。
线性度通常被认为是当校准特性曲线与某一参考直线不吻合情况下的最大值。
零点漂移。
当传感器输入、环境温度处于不变状态时，时间因素会对输出量产生影响，使其发生变化[1]。
零点漂移发生原因是传感器内部温度变化或者各环节性能缺乏稳定性。