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1、毕 业 论 文 课 题 名 称压力传感器的温度补偿分析 分 院/专 业 机械工程学院/机电一体化技术 班 级机电 1051 学 号1001043522 学 生 姓 名刘兵 指导教师：杨新春 2013 年 5 月 20 日 毕业设计（论文）报告纸 I 装 订 线 摘 要 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利 用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受 到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状 态，也就是受到压力的时候，某些晶
2、体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家 就是根据这个效应研制出了压力传感器。 但是随着工作环境温度的不断变化，会导致体管参数发生变化，将会引起不稳定的静态工 作点，电路的动态参数不稳定和温度漂移（包括零点漂移和灵敏度漂移） 。最简单的方法就是保 持工作环境温度的恒定，当然，这种要求是永远达不到的。所以本文就针对温度漂移问题展开 分析。对于不同的压力传感器采用不同的温度补偿方法，使其达到预期的效果。 关键词：关键词：压力传感器、温度、补偿 毕业设计（论文）报告纸 II 装 订 线 Abstract The pressure sensor is the most commonly us
3、ed one kind of sensor in industrial practice, and we usually use the pressure sensor is mainly made of the use of piezoelectric effect, the sensor also known as piezoelectric sensor. As we know, the crystal is anisotropic, non crystal is isotropic. Some crystal medium along a certain direction, when
4、 subjected to mechanical stress deformation occurs, produces the polarization effect; when the mechanical force is removed, will return to the uncharged state, when it is under pressure, can produce electricity effect of some crystals, which is called polarization effect. The scientist is developed
5、according to the effect of pressure sensor. But with the continuous change of the environmental temperature, will cause the body tube parameter changes, will cause the static working point is not stable, dynamic parameters of the circuit unstable and temperature drift (including zero drift and sensi
6、tivity drift). The simplest method is to maintain a constant temperature working environment, of course, this requirement is never reach. So this article aims at the problem of temperature drift analysis. The temperature compensation method is different with different pressure sensors, to achieve th
7、e desired effect. Keywords: pressure sensor, temperature, compensation 毕业设计（论文）报告纸 III 装 订 线 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 本课题研究的目的和意义.1 1.2 压力传感器的发展概况2 1.2.1 压力传感器的发展历程.2 1.2.2 压力传感器国内外研究现状.3 1.2.3 压力传感器的发展趋势.4 1.3 传感器的常用术语4 1.4 传感器的技术特点及环境影响7 第 2 章 压力传感器的原理.9 2.1 压力传感器的基本原理9 2.1.1 半导体的压阻效应.9 2.1.2 压力传感器的原理及结
8、构.10 2.1.3 压力传感器的特性指标.11 2.2 压力传感器温度漂移产生的机理.14 第 3 章 压力传感器的温度补偿.16 3.1 温度补偿的技术指标16 3.2 补偿方式简介17 3.2.1 内部补偿17 3.2.2 外部补偿17 第 4 章 总结.26 谢 辞.27 参考文献.28 附录.29 毕业设计（论文）报告纸 共 32 页 第 1 页 装 订 线 第 1 章 绪论 1.1 本课题研究的目的和意义 传感器被广泛应用在各种工、农业生产实践中，所有生产过程和科学研究要获取信息都要 通过其转换为易传输与处理的电信号。但是大多数传感器的敏感元件采用金属或半导体材料。 它的静特性与环
9、境温度密切相关。在实际工作中，由于传感器工作的环境温度变化比较大，而 且温度变化引起的热粉出比较大，这些原因将会带来较大的测量误差；同时，温度变化也影响 零点和灵敏度值的大小。从而影响到传感器的静特性，因此必须采取一定的措施来减少或消除 温度变化带来的影响，即必须进行温度补偿。 在传感器的应用中，为使传感器的技术指标及性能不受温度变化影响而采取一系列具体技 术措施，称为温度补偿技术。通常传感器都是在标准的温度(205)下进行标定，但工传感器 的工作环境温度也可能从零下几十度上升到零上几十度。传感器由很多环节组成，特别是由金 属材料和半导体材料制作而成的敏感元件，它的静特性与温度有非常密切的关系
10、。信号调理电 路的电阻、电容等元件特性几乎不随温度变化发生改变，必须采取措施来消除或减弱温度变化 对传感器特性造成的影响。 硅桥式压阻压力传感器因为它的优点突出，在压力传感器中被应用最多，但是在实际的使 用中，因为制造工艺、使用环境等条件的影响，造成了传感器的出现测量误差，这种误差是我 们希望尽可能减小的，因此误差的补偿是传感器领域中很重要的一个内容。根据传感器不同的 种类和传感机制，其误差来源也不尽相同，进行误差补偿的关键点也有所不同。硅桥式压阻压 力传感器由于半导体材料本身固有的温度依赖性，其输出呈现一定的温度特性，在温度变化比 较大的环境下，它的应用就会受到限制。为了提高测量精度，扩大这
11、类传感器的应用环境，研 究它的温度补偿问题就非常有必要了。 当前这类传感器的温度补偿的分析一般可分为内部补偿和外部补偿两种。内部补偿是通过 设计传感器的结构、完善制造工艺、控制敏感材料特性等方式来减小温度对他的影响。而外部 补偿的方式多种多样，外部补偿又可分为硬件补偿和软件补偿两种。目前使用的各种温度补偿， 各自在复杂程度、经济性、补偿效果等方面也各有优缺点。最近几年对于补偿电路的要求越来 越高，补偿的选取最重要的一点就是要结合整个传感器系统及补偿对象的特性来选择最高效、 最合适的方式。 毕业设计（论文）报告纸 共 32 页 第 2 页 装 订 线 内部补偿的实现方式比较少。并且只能适用于部分
12、传感器的部分温度漂移问题，其所能达 到的补偿效果也是有限的，所以一般采用的很少。 软件补偿可在单片机里设计算法编程实现，它的补偿的精度比较高，可以达到要求，但电 路过于复杂，而且功耗较高。虽然通用性很强，但体积相对较大，成本也较高。 1.2 压力传感器的发展概况 传感器技术是自动化系统和现代测量的重要技术之一，从宇宙开发到海底探秘，从生产的 过程控制到现代文明生活，几乎每一项技术都离不开传感器。因此，许多国家对传感器技术的 发展非常重视，比如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导 体和传感器) 之一。在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、稳定可靠、灵敏度高、
13、便于集成化、成本低的优点，可广泛用于高度、加速度、压力、流速、液位、液体的流量、压 强的测量与控制。此外，还广泛应用于化工、地质、气象、水利、医疗卫生等方面。由于该技 术是平面工艺与立体加工相结合，又便于集成化,所以可用来制成水速计、压力表、风速计、血 压计、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中性能最稳定、性价比最高、 技术最成熟的一类传感器。因此对于从事自动控制专业与现代测量的技术人员必须了解和熟识 国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。 1.2.1 压力传感器的发展历程 现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以分为四个阶段： 1.发明阶段(194
14、5-1960 年): 这一阶段是 1947 年发明的双极晶体管标记。此后，这种半导 体材料的特性得到了越来越广泛的使用。史密斯（CSSmith）在 1945 年发现了硅和锗的压阻效 应，也就是说，当半导体材料上有外力作用时，它的电阻将会发生比较明显变化。根据这种原 理制做的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，也就是将力信号转化为电信号来测量。 这一阶段最小尺寸大约为 1cm。 2. 技术发展阶段(1960-1970 年)：随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的(001) 或(110) 晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后加工成凹状的背面，形成一层很薄的 硅弹性膜片，称为硅杯。这
15、种形式的硅杯传感器具有体积小，重量轻，灵敏度高，稳定性好， 成本低，便于集成优势，实现了金属硅共晶体，为商业化发展提供了可能。 3. 商业化集成加工阶段(1970-1980 年)：在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的 腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为可以自动控制硅 毕业设计（论文）报告纸 共 32 页 第 3 页 装 订 线 膜厚度的硅各向异性加工技术，主要有微机控制自动中止法、阳极氧化法自动中止法、浓硼自 动中止法和 V 形槽法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实 现集成化的工厂加工模式，以进一步降低成本。 4. 微机械加工阶段(1980 年-至今)：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺技术 成为可能。通过微机械加工工艺可以加工出结构
