[发明专利]一种硅压力传感器的温度补偿电路

说明书

本发明公开了一种硅压力传感器的温度补偿电路，由弹性基底、固定支撑结构、半导体应变电阻电桥H和半导体应变电阻电桥M、基于运算放大器的反相比例放大电路和基于运算放大器的同相加法电路构成；本发明可以补偿应变电阻因温度变化产生的灵敏度漂移误差，有助于提高压力传感器的测量精度，与使用二极管补偿法的温度补偿电路相比，本发明温度补偿电路具有更高的误差补偿精度，而且补偿电路的电路结构简单且实现容易，用常用低成本元器件作为核心元件，补偿电路易于对输出结果进行调整，可以消除输出信号中高频谐波。

技术领域

本发明属电气仪器仪表装置领域，具体涉及一种可用于硅压力传感器的温度补偿电路。

背景技术

硅压力传感器的压敏器件是压阻式半导体应变膜片。压阻式半导体应变膜片使用单晶硅切片作为弹性基底，通过半导体制造技术，将四个半导体应变电阻同向放置于基底表面构成惠斯通平衡电桥。当弹性基底在外部压力的作用下发生形变时，弹性基底表面半导体应变电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡。理想状态下，电桥的输出电压与作用在弹性基底的外部压力成线性关系。

与使用金属丝应变电阻的压力传感器相比，硅压力传感器的一个重要优点是半导体应变电阻具有较高的灵敏度，灵敏度K值可达金属应变电阻的约60～70倍，因而可以测量低至数KPa的微压。缺点是半导体元件具有较大的负温度系数，应变电阻灵敏度K随温度漂移的特性导致压力传感器产生较大的误差，需要设计相应的补偿方法对温度引起的灵敏度漂移误差进行补偿。

目前常用的一种硅压力传感器的灵敏度漂移误差补偿方法是在通过电桥的电源处增加二极管，利用二极管的偏置电压T随温度上升而下降的特性进行补偿。如图1所示，在电桥的输入电源处多个二极管，二极管数量N＝(ΔU/θ)/ΔT。其中ΔU是传感器温度范围内的最大误差，θ是二极管偏置电压的温度系数，ΔT是传感器的温度范围。当温度上升时，二极管的偏置电压减小，电桥的输入电压升高，补偿灵敏度漂移误差。缺点在于所述压力传感器的灵敏度漂移误差不仅是温度T的函数，而且与测量时外部压力造成的应变电阻形变ε有关，因此二极管补偿法的电路结构尽管简单，却是一种近似方法，补偿精度受到限制。在某些实际应用场合中，该温度补偿方法会出现较大的测量误差。

例如现有技术中较为典型的具有二极管偏置补偿电路的压力传感器，其可测量对象介质的温度范围为-20℃～125℃。可测量压力范围为0～16Mpa，输出信号为4～20mA。其中硅应变片电桥的电源电压U_in＝5V。硅应变片在基准温度(25℃)下的灵敏度K_OH＝125，温度系数β_H＝-2.8×10^-3。未使用二极管进行温度补偿时，当对象介质压力为0.1MPa，温度为0℃时，传感器硅应变片电桥的输出电压偏移约为+0.4mV，当对象介质压力为16MPa，温度为125℃时，传感器硅应变片电桥输出电压偏移约为-220mV。设计电源侧串联2个温度系数约为0.7mV/K的二极管进行温度补偿。通过二极管进行灵敏度漂移误差补偿后，上述两种测量对象介质的温度漂移可分别降低至+34.6mV与-80mV。可以发现进行温度补偿后虽然电桥输出偏移大幅度降低但是依然存在，同时在测量对象介质压力较低时，误差反而出现了增加。

在测量精度有较高要求、测量对象介质的温度和压力变化范围大且存在电磁干扰的特殊应用场合，例如某型通过交流电机驱动的液压调整装置中，传感器电源存在工频谐波干扰，测量对象介质的温度变化范围为0～100℃，测量对象介质的压力变化范围为0～12Mpa，且要求测量精度小于0.1％FS。因此，具有上述使用二极管温度补偿的传感器不能应用于上述这些特殊场合，因此有必要设计一种新的传感器温度补偿电路，进一步降低压力传感器的灵敏度漂移误差。

发明内容

为了解决现有使用二极管偏置进行温度补偿的压力传感器所存在的技术问题，本发明提出一种硅压力传感器的温度补偿电路。