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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于虚拟仪器的压力传感器自动补偿校正系统 姓名：卢亮军 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：李青侠 20070208 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 扩散硅压力传感器的基本原理是利用硅晶体的压阻效应。这种传感器通常具有 灵敏度高，线性好的特点。但由于 IC 制造工艺和器件的温度特性等因素,这种传感 器会有零点误差、灵敏度误差和温度漂移的缺点，且每个传感器的误差值不一样。 因此需要对每个压力传感器的误差进行校正，对温度漂移进行补偿。 本文针对压力传感器的误差和温度漂移问题，
2、提出了一种用于减小压力传感器 的误差和降低温度漂移的方法，该方法将传感器组件，即压力传感器和专用信号调 理芯片的组合作为补偿校正的对象，通过设置专用信号调理芯片中相关寄存器的参 数值来提高传感器性能，推导了传感器组件的输出电压与压力、温度的关系，并在 此基础上提出了一种基于虚拟仪器技术的压力传感器自动补偿校正系统。该系统能 自动测出传感器的压力温度输出电压值的关系，并自动地对压力传感器的零点 误差和灵敏度误差进行校正，对温度漂移进行补偿。本系统由压力传感器组件、多 路复用开关、高低温实验箱、可程控直流电源、可程控压力控制器、PCI6221（数据 采集控制卡） 、PCI-GPIB 卡、PC 工作
3、站组成。本文结合虚拟仪器技术和 LabVIEW 语言的编程环境，分析了该系统各部分的功能与实现方法。实际测试显示，经补偿 校正后，传感器组件在温度漂移、灵敏度误差和零点误差这三个方面的性能都有很 大的提高。经过该系统对压力传感器进行补偿校正后，传感器的温漂由 0.151%下降 到 0.0238%，零点误差由 3.98%下降到 1%，灵敏度相对误差由 6.23%下降到 0.52%。 该系统可高效地对压力传感器进行补偿校正，且补偿校正效果好，适合对压力传感 器进行批量补偿校正。 关键词：关键词：虚拟仪器; LabVIEW; 传感器组件; 压力传感器; 补偿校正 华 中 科 技 大 学 硕 士 学
4、位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The fundamental of diffused silicon pressure sensor is piezoresistive effect. This type of pressure sensor has good performance in sensitivity and linearity. But because the IC manufacturing technology and temperature characteristic property of Semiconductor
5、 materials, this pressure sensor has problems such as zero point error, sensitivity error and thermal drift, and the error values of different sensors are different. Sensors are required to calibrate their errors and compensate their thermal drifts. To solve these problems, this paper derived a form
6、ula relating sensor modules output, pressure and temperature, presented a method for improving the performance of pressure sensor and a compensation and calibration system based on virtual instrument technology. The system can automatically compensate and calibrate the pressure sensors zero point er
7、ror, sensitivity error and thermal drift. With the virtual technology and LabVIEW language program development environment, this paper illuminates the functions about each part of this system and explain how to achieve the functions. The system consists of the sensor module, multiplexer, programmabl
8、e temperature experimental box, programmable supply source, programmable pressure controller, PCI6221 data acquire card, PCI-GPIB card and PC workstation. Experiment results show that this system can greatly improve the accuracy of the sensor. After the compensation and calibration, the thermal drif
9、t of sensor falls from 0.151% to 0.0238%, the zero point error falls form 3.98% to 1% and the sensitivity error falls from 6.23% to 0.52%. It is high efficient in compensating and calibrating the pressure sensor, and is suitable for calibration large number of pressure sensors. Key words: Virtual In
10、strument; LabVIEW; Sensor Module; Pressure Sensor; Compensation and Calibration 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文
11、的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 概概 述述 随着新技术革命的到来，世界进入了信息时代，在利用信息的过程中，首先要 解决的就是获取准确
12、可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途 径与手段。传感器是一种以测量为目的，能感受规定的被测量并按照一定的规律转 换成可用输出信号的器件或装置。它是实现自动检测和自动控制的首要环节，通常 由敏感元件和转换元件组成1。 1.1 压力传感器的发展 1.1.1 历史与现状 随着半导体工艺的不断发展，作为传感器大家庭的一个主要成员的压力传感器 已经做到了小型化、集成化、系列化、智能化和标准化，其性能不断得到提高，应 用广泛深入到计量部门、汽车工业、航空、航天、航海、家电、医疗等各个领域13。 硅单晶材料优良的压阻效应与完美的微加工技术相结合34，被广泛用于制备压力 传感器。现以半导体薄
13、膜压力传感器为例来说明传感器的发展过程56。 半导体压力传感器的发展可以分为四个阶段7： (1)发明阶段(19471960)：这个阶段主要是以 1947 年双极性晶体管的发明为标 志。此后，半导体及设备的特性得到了广泛的应用。史密斯(C.S.Smith)于 1945 年发 现了硅和锗的压阻效应8，即当有机械力作用于半导体材料时，其电阻发生变化。依 据此原理制成的第一个压力传感器是把硅和锗应变电阻片粘在金属薄膜上，将力信 号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为 1cm。 (2)基础技术发展阶段(19601970)： 为提高传感器的性能， 应变片被直接扩散在 硅杯的底面薄膜上，用硅杯代替金属
14、膜。这个阶段也是“商业和市场发展的阶段” ， 即把技术研究变为实际应用。此阶段最小加工尺寸为 0.5cm。 (3)批量加工阶段(19701980)： 采用选择性的各项异性的化学腐蚀加工的工艺提 高膜片的性能。因为腐蚀可以在整个表面进行，所以数百个传感器膜片可以一批加 工完成。这一阶段类似于集成电路的制作。由于表面光刻技术的发展，加工尺寸十 分精确，加之离子注入工艺的应用使工艺水平进一步提高。此阶段最小加工尺寸为 0.2cm。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 (4)微机械加工阶段(1980今)： 微机械加工工艺适应于结构型传感器
15、， 或线度在 微米级(10-6m)范围的其它结构。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜， 标志着传感器已进入了微米阶段。此阶段标志传感器的最小尺寸为 0.02cm。 由于采用微机械加工工艺生产的 MEMS 扩散硅压力传感器是一种很具有代表性 的压力传感器，所以本论文研究的正是这种类型的压力传感器。 1.1.2 压力传感器的发展方向 1、向高精度发展：随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断 提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器 以确保生产自动化的可靠性。目前能生产精度在万分之一以上的传感器的厂家为数 很少，其产量也远远不能满足要求9。 2
16、、向高可靠性、宽温度范围发展：传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干 扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围 历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-2070，在军用系统中要求工作 温度在-4085范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在-40125，在冶 炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料(如陶瓷)的传感器将很 有前途。 3、向微型化发展：各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能越 小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术， 目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和 弹簧等制成的，这种压力传感器不仅体积较大、稳定性差，而且寿命也短，而利用 激光等各种微细加工技术制成的硅加速度压力传感器体积非常小、互换性和可靠性 都较好。 4、向微功耗及无源化发展：传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不 开电源，在野外现
