基于惠斯通电桥传感器的温度补偿方法

基于惠斯通电桥传感器的温度补偿方法 The Sensor Temperature Compensate Method Based on the Wheatstone Bridge 程 军 (武汉职业技术学院电信学院 湖北武汉 430074) ［摘要］ 微电子技术的发展使硅传感器能做得更复杂，获得更高的性能价格比，而影响高性能应用的 主要因素是温度稳定性。分析了温度对传感器零位输出电压，输出幅度，灵敏度和桥臂电阻阻值性能的影 响，同时从这几个层面给出实际的温度补偿方法。 ［关键词］ 传感器;温度;补偿 ［中图分类号］ TP212． 2 ［文献标识码］ A 单晶硅使微电子技术的发展达到高峰，不仅硅传 感器。能做得更复杂，还可获得更高的性能价格比。 可是影响高性能应用的主要因素是温度稳定性，这是 单晶硅材料自身的热敏性能决定的，无法抗拒。因此， 为使硅传感器在应用中有高品质，必须研究其温度输 出特性，进而从加入辅助电路实现温度的补偿。 1 传感器温度特性 环境温度的变化会相应地引起传感器以下 4 种 参数的变化:零位输出电压，输出幅度，灵敏度和桥 臂电阻阻值。如图 1、图 2 所示。 图 1 零位和满量程的温度特性 零位输出电压即在不加任何输入下电桥的输 出电压。参考温度下零点电位的初始极性将促使 零点温度变化的斜率在相应方向增大。例如，正的 零点偏移在温度增大时偏移也增大，但这之间的联 系并不紧密。 灵敏度是指在恒压源供电时的归一化输出幅 度，表示为多少 mV(输出幅度)每 V(电桥电压)每 单位输入值。它与供电方式(电压源或电流源)或 量程范围无关。该灵敏度表现为负温度系数，即随 着温度增长而减少。 图 2 桥路电阻的灵敏度的温度特性 櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁櫁 ［3］D． Yue，Q． L． Han，and C． Peng． State feedback control- ler design of networked control systems［C］． IEEE Transac- tions on Circuits and Systems II:Express Briefs，2004，51， 640-644 ［4］C． Peng，D． Yue，and J． Sun． The study of Smith predic- tion controller in NCS based on time － delay identification ［C］． Kunming，China，2004 ［5］Zhang W，Branicky M S，Phlips S M． Stability of networked control system［J］． IEEE Control Systems Magazine，2001， 21(1) :84-99 ［6］胡晓娅，朱德森，汪秉文． 网络控制系统的时延补偿策略 研究［J］． 系统与电子技术，2005，27(1) :1932-1934 —01— 《仪器仪表与分析监测》2010 年第 4 期 输出幅度定义为电桥输出电压的变化与引起 该变化的相应输入引起的变化量之比。输出幅度 随温度的变化与供电方式有关。对于一只给定的 传感器，输出幅度 S是归一化的应力灵敏度 G 与电 桥电压 Vb 的积。 S = G·Vb 在恒压源供电方式下，输出幅度的温度系数是 负的(图 2) ，并且直接与应力灵敏度成正比。对于 IC Sensors 5k工艺典型值为 － 0． 21% /℃。 在恒流源(I)供电方式下，电桥电压与电桥电 阻 Rb 成正比，而输出幅度可表示为: S = G·Rb·I 因为电桥电阻随着温度而变化，输出幅度的温 度误差是压力灵敏度与电桥电阻温度系数的叠加 (图 2)。对于 IC Sensors 5k 工艺的产品，补偿前的 电桥 电 阻 的 温 度 系 数 (TCR)的 典 型 值 为 + 0． 26% /℃，再加上灵敏度 － 0． 21% /℃的负温度 系数(TCG) ，典型的恒流供电下输出幅度的温度系 数约为 + 0． 05% /℃。 至于一只经过补偿的传感器，将在下面的零点 和输出幅度一节中详细讨论，当加上电阻 R5(图 4) 时，有效的 TCR 值就会降到与 TCG 大小相等。在 IC Sensors 产品的温度补偿中电桥电阻的温度灵敏 度是一项关键的设计因素。 2 零位补偿 零点输出电压(偏移)补偿包括初始状态 (25℃)偏移补偿和温度误差补偿。偏移补偿由图 3 中电阻 R3 和 R4 完成。如果偏移是正的，则加入电 阻 R4 将使偏移归零，而电阻 R3 必须短接。当偏移 图 3 偏移温度系数的补偿 为负时，则情况相反，在恒流源供电方式下，这些电 阻并不改变零点的温度系数。 当偏移的温度系数(TC)为正时，则可通过加电 阻 R2 来减小另一臂的温度系数。对于某给定的传 感器，电阻 R1 和 R2 只用其一，但它们都影响初始偏 移，且电阻 R3 和 R4 必须补偿这个变化。 在低温和高温下零压输出误差的典型值均为 ±0． 1%，其代表了温度非线性度。在实际应用中，用于补 偿的电阻的精度也将引入至少是同样数量级的误差。 必须注意的是电桥的偏移电位并非完全与电 源电流成正比。由于自热效应，供电电流的变化也 会引起零压输出的变化，对于一个已补偿的传感器 来说这个值小于 ± mV。 3 满量程温度补偿 最简单的满量程温度补偿的办法是采用特殊 的晶片处理工艺以及采用恒流源供电。在这种方 式下输出幅度的变化是灵敏度与电桥电阻温度系 数的叠加结果。因为这些系数极性不同，若使它们 幅度相等，则可使输出幅度在内部自补偿。这个自 补偿的处理限制了低端温度补偿的范围，这是由于 电桥电阻在低温的非线性造成的。 电桥电阻的温度系数(TCG)的绝对值要大。这样 在恒压源供电方式下输出幅度具有负的温度系数而在 恒流源供电方式下输出幅度将有正的温度系数。可通 过在电桥两端并联电阻 R5 以减小恒流源的输出电阻 (图 4)，(或将电阻 R5 与电桥串联来增大恒压源的输 出阻抗)，这样即可实现温度补偿。 图 4 满量程温度系数的补偿 在 25℃时电阻 R5 的平均最佳值是电桥电阻 的 6 ． 6 倍，即 3 ． 3k。在某个给定的低电平下，该 —11— 基于惠斯通电桥传感器的温度补偿方法 程 军 电阻将减小输出幅度。在恒流源供电方式下未 补偿传感器输出的平均损耗只有 13%。在同样 条件下，恒压源供电方式就要损失未补偿时传感 器输出的 87%以获得温度补偿。这就是这种传 感器在低成本应用中建议采用恒流源供电方式 的原因。 恒流源供电方式下输出幅度的温度非线性不 如恒压源供电方式下的好。补偿算法能使在 温度 Tc和 Th(对于标准 TO—8 产品，Tc = 0℃，Th = 50℃)时输出幅度相等。典型的恒流源供电方式下 40℃时的输出幅度误差的典型值为量程 + 3%。 各个传感器之间的输出幅度误差的分布比零 压输出幅度误差的分布要好的多。如果采用数字 式校准，即从典型曲线上求导取出数据，并用电桥 电压来监控温度，则会使性能大幅度提高。 4 补偿电阻 4． 1 特性要求 图 5 给出电阻的精度和温度系数对传感器性能 的影响，这里假定 25℃时，电桥电阻为 5 000Ω，温度 系数为 + 0． 26% /℃并且在 1． 5 mA 电流供电时，灵 敏度为 15 mV /V满量程温度系数为 － 0． 21% /℃。 预期的阻值范围如下: R1，R2:1 000 KΩ 至 10 MΩ，典型值:300 KΩ 至 15 MΩ R3，R4:0Ω至 300 MΩ，典型值:0Ω至 100Ω R5:10 KΩ 至 300 KΩ，典型值:15 KΩ 至 100 KΩ 由图中曲线可估计出来: 电阻 R1(0． 5 MΩ)的精度的 0． 1%的影响:产生 0． 16 mV的偏移变化并且偏移温度系数将增加 0． 06 mV/50℃，这个电阻的温度系数若为 100 ppm/℃，则将 使偏移温度系数又增加 0． 12 mV/50℃。 电阻 R3(90Ω)的影响。电阻精度为 1%将引起偏 移变化 0． 33 mV;温度系数为 100 ppm/℃时，将引起偏 移变化 0． 17 mV/50℃。 偏移的温度系数不受电阻 R2 精度的影响。 并联的电阻 R1 或 R2 以及串联的电阻 R3 或 R4 都影响输出幅度值。假设所有的应变电阻片具有 相同的压力灵敏度，由于加入零位补偿电阻会引起 桥臂电阻变化 1%，转而将引起输出幅值变化 0． 25%。 电阻 R5(20 KΩ)不影响零位补偿，当该电阻值 比计算值偏离 1%时，将引入的输出幅度误差相当 于 0． 19%的输出幅度变化，并引起满量程温度系数 再增加 0． 02% /50℃。而电阻 R5 的温度系数若为 100 ppm /℃，则又会引入另加的 0． 15% /50℃的输 出幅度误差。 为了减小外部补偿电阻阻值的存储空间，最好 在知道所允许的误差范围的计算所需的电阻值。 假设由 R1 和 R2 的误差所引起的 5 mV 偏移是允许 的，如果以 0． 5 MΩ(R1)作为起始计算值，则在 0． 19 mV /1%的偏移敏感度下，经过 26 次 1%(0． 19 mV)的折增后将达到 5 mV 的限制，则算出 1． 01 的 26 次方为 1． 295，即等效为 648 KΩ． 在这个电阻值 上，由 R1 引 起 的 偏 移 灵 敏 度 的 变 化 约 为 —21— 《仪器仪表与分析监测》2010 年第 4 期 0． 16 mV /1%，相当于增加 31 次(5 mV /0． 16)1%。 算出 1． 01 的 31 次方为 1． 361 即等效于 882 KΩ(1． 361 × 648kΩ) ，这个值就与 449 KΩ电阻一起存储起 来，以实现 ± 5 mV零位变化补偿。 对于其它电阻可采用同样的方法算出其在整 修量程和各种具体要求(包括温度误差)下的阻值。 在上例中，最差情况估计是基于给定的量程取其平 均误差值估算，但这样又对于由于工艺误差而引起 的传感器性能变化未留余地。 4． 2 补偿电阻值的计算 假设输入为压力，则可在压力—温度测试结果 的基础上算出补偿电阻值。测试包括两个温度点 (Tc 和 Th)和两个压力点(P1 和 P2) ，在恒流源(I) 供电方式下测输出电压(V)和电桥电压(E) : 其中:Voc，Voh—在低温和高温时的零压输出 电压; T = To T = Th P = P1 Voc，Ec Voh，Eh P = P2 V1c V1h V1cV1h———在低温和高温时满量程输出电压; Ec，Eh———在低温和高温时的电桥电压; P1，P2———输出压力，分别为零压和满压; Tc，Th———低温和高温温度。 4． 2． 1 零点补偿电阻 为计算零点补偿电阻，引入变量: A = VOC + EC I B = A － 4VOC(VOC + EC) I(EC + 2VOC) C = VOh + Eh I D = C － 4VOh(VOh + Eh) I(Eh + 2VOh) 用于计算偏移补偿电阻 Rs 并修正由于电桥臂 引入电阻 R1 和 R2 而引起的误差的简化公式如下: Rs = 1 2(A +C － (A +C) 2 －4·AB(D －C)－CD(B －A)D －槡 B ) (3) 计算出的 Rs 的阻值可正可负，阻值的正负指示 电阻的位置，即如我们在上文中所讨论的，偏移的 补偿可由 R3 或 R4 来完成，它们之间的关系如下: 当 Rs≥0 时:R4 = Rs，R3 = 0(短路) Rs ＜ 0 时:R3 = R3，R4 = 0(短路) 偏移温度斜率补偿电阻 Rp 可由下式算出: Rp(AB － BRs)/(B － A + Rs) (4) 同上，电阻 Rp 的位置也有两种情形; 当 Rp≥0 时:R2 = Rp，R1 = ∞(断路) Rp ＜ 0 时:R1 = Rp，R2 = ∞(断路) 4． 2． 2 满量程补偿电阻 满量程的温度补偿只需要一个电阻，下面给出 了低温和高温下输出幅度(Sc，Sh)和电桥(Rc，Rh) 的计算公式 Sc = V1c － Voc;Rc = Ec / I Sh = V1h － Voh;Rh = Eh / I 现在可用下式计算满量程补偿电阻 R5: R5 = Rh·Sc － Rc·Sh Sh － Sc (5) 必须指出的是，这里给出的计算方法没有考虑 零位补偿电阻对电桥电阻的影响，不过这一影响通 常并不关键。 5 结论 针对半导体传感器受温度影响的特性，以上述 方法实施温度补偿，通常可使传感器精度稳定在 1% ～0． 5%。这种以补偿电阻实现温度特性的修正 的方式简单、成本低、易推广。 参考文献 ［1］孙以材，魏占永，孙新宇，高振斌，刘惠丽;压阻型压力传 感器的零点温漂及其补偿技术［J］;半导体杂志;1999 年 04 期 ［2］徐泽善;半导体压阻式力传感器的零位温度补偿对灵敏 度的影响［J］;传感器技术;1983 年 Z1 期 ［3］重庆 潘建;集成温度传感器 IH3602 及其应用［N］;电子 报;2001 年 ［4］温殿忠;温度补偿晶体管的结构设计［J］;半导体技术; 1988 年 05 期 —31— 基于惠斯通电桥传感器的温度补偿方法 程 军