半导体压阻式压力传感器信号调理的研究

摘要

传感器技术有着极其广泛韵应用领域，在推动发展经济与社会进步方面起着重要的作用。半导体压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应，采用压阻全桥原理设计制成的，具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型与微型化、便于批量生产与使用方便等特点，是一种发展迅速、应用广泛的新型传感器。但由于半导体才材料的温度特性，半导体压阻式压力传感器会产生温度漂移现象，这在相当程度上限制了半导体压阻式压力传感器的使用。因此，对半导体压阻式压力传感器进行温度特性补偿显得尤为重要。
　　 半导体压阻式压力传感器的信号调理包括零点失调（ZeroOffset，Zero-O）补偿、零点温度漂移(ZeroTemperatureDrift，Zero-TD)补偿、灵敏度失调（SensitivityOffset，Sensitivity-O）补偿、灵敏度温度漂移(SensitivityTemperatureDrift，Sensitivity-TD)补偿以及线性度失调(LinearityOffset)补偿，其信号调理方法可分为传统与现代两种信号调理方法。传统信号调理方法普遍采用完全模拟的方式对传感器输出信号进行校准与补偿，其生产成本较高，常用于对测量精度要求不高的情况，主要包括杂质掺杂补偿法、电子器件补偿法等。而随着低价格、可编程数字器件的出现，采用数字方式调整模拟系统，并可将独立的校正参数保存在不挥发数据存储器内的现代信号调理方法成为了可能。现代信号调理方法现已发展为数字传感信号处理器(DSSP)与模拟传感信号处理器(ASSP)两种技术，其中DSSP技术的缺点主要表现在软件的复杂性、响应时间长以及需要一定的内存开销。
　　 在对精度要求不高(1～3％)的工业控制领域中，半导体压阻式压力传感器的信号调理可以不需要对线性度进行补偿，并可近似认为传感器零点漂移与灵敏度漂移分别与温度的变化成线性关系。
　　 本论文应用一种新的ASSP技术，研制出采用微机电系统(MEMS)结构设计的半导体压阻式压力传感器信号调理芯片——IMS55。IMS55具有结构设计简单、体积小、成本低廉、参数校准容易等优点。围绕经IMS55信号调理的传感器，论文分析了工作原理，设计了系统结构，推导了数学模型，建立了校准平台。
　　 实验表明，温度在-30～125℃时，经IMS55信号调理后的半导体压阻式压力传感器的精度在1～3％，达到了预期的设计要求。

目录

声明

厦门大学学位论文著作权使用声明

摘要

第一章 绪论

1．1 传感器

1．1．1 传感器的重要性

1．1．2 传感器的发展历史

1．1．3 传感器的发展方向

1．1．4 传感器的定义

1．1．5 传感器的组成

1．1．6 传感器的分类

1．1．7 传感器的静态特性参数

1．2 压力传感器

1．2．1 压力传感器的分类

1．2．2 压力传感器的应用

1．3 半导体压阻式压力传感器

1．3．1 半导体压阻式压力传感器的压阻效应

1．3．2 半导体压阻式压力传感器的压阻全桥原理

1．3．3 半导体压阻式压力传感器的基本结构

1．3．4 半导体压阻式压力传感器的温度特性

1．3．5 半导体压阻式压力传感器的传统信号调理方法

1．3．6 半导体压阻式压力传感器的现代信号调理方法

1．4 MEMS半导体压阻式压力传感器

1．4．1 MEMS半导体压阻式压力传感器的特点

1．4．2 MEMS半导体压阻式压力传感器的发展历史

1．5 论文的结构及主要内容

第二章 IMS55信号调理原理与方法

2．1 工作原理

2．2 系统结构

2．3 数学模型

2．4 校准平台

第三章 IMS55信号调理实验与分析

3．1 信号调理前的传感器失调与温漂测量

3．2 信号调理后的传感器失调与温漂测量

3．3 实验测量结果分析

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献:

致谢