CN101706345A - 一种用于微型压力传感器灵敏度热漂移的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微型压力传感器灵敏度热漂移的补偿方法，在微型压力传感器芯片正面上构成惠斯顿检测电桥，选定惠斯顿检测电桥的激励电压V_S及电桥电压V_B，作灵敏度热漂移补偿前的温度特性标定；由标定的数据分别计算出所需要的灵敏度热漂移系数补偿量S′/S，电桥电阻R_B和电桥电阻温度系数R′_B/R_B的数值；在微型压力传感器芯片外部串联一个三端可调式集成的恒流源来补偿灵敏度温度系数，计算出三端可调式集成的恒流两个补偿电阻。本发明利用集成恒流源温度特性补偿微型压力传感器灵敏度热漂移系数，不重复性误差、迟滞误差和非线形误差都极小，综合静态精度很高，满足高精度用户压力测试的要求，成本低且极大地方便了大批量制作。

Description

一种用于微型压力传感器灵敏度热漂移的补偿方法

技术领域

本发明属于电子信息领域，特指一种用于微型压力传感器灵敏度热漂移的高精度补偿方法。

背景技术

微机电***(MEMS)技术起源于微型硅传感器的发展，最初是为了批量生产固态半导体压力传感器，而当MEMS技术迅速崛起之后，如硅各向异性腐蚀、静电键合、表面微机械加工等先进技术的出现，大大促进了微型传感器芯片制作技术的进步，并使各种类型的传感器微型化和低成本化。微型传感器已经成为MEMS器件的重要组成部分之一，目前具有实用价值并得到较广范应用的是微机械力敏传感器，主要有压力传感器、加速度计、陀螺等，而其中应用最广的是用于压力检测和监控人压阻式压力传感器。

早先的压阻式压力传感器芯片制作工艺主要基于体硅微机械加工，采用扩散或离子注入的方法，掺杂获得4个硅应变电阻，在单晶硅片正面上构成惠斯顿电桥的应力敏感检测模式，电阻和衬底之间一般形成pn结隔离。为了满足测试量程的需要，背面一般采用氢氧化钾腐蚀减薄硅片，使得敏感膜厚度降到所需要的尺寸。测控技术的发展，要求压力传感器量程越来越小，分辨率越来越高，使得超微压压力传感器在科学实验、工业自动化控制、空气动力学、计量学等领域越来越重要，都需要量程在数百帕的高精度的超微压压力传感器，此类超低量程的微型传感器近年来常采用梁膜结构，利用厚度有差异的梁和膜，将应力集中到梁上，获得比周边固支膜灵敏度高的力学结构。为尽可能地提高灵敏度，常采用淡硼掺杂电阻，因此压阻温度系数值通常在10^-3/℃·FS以上，且为负值。

另外一方面，在表面微机械加工的压力传感器中，一般用低压化学气相沉积(LPCVD)多晶硅薄膜，硼离子注入或扩散掺杂，高温退火后形成压阻。对于多晶硅压阻而言，同单晶硅压阻不同，其内部由大量的单晶晶粒和晶粒晶界组成。纵向压阻系数(指电流方向与应力方向一致情况)只有单晶硅压阻系数的1/4，而横向压阻系数(指电流方向与应力方向垂直)远小于其自身的纵向压阻系数。为提高压力传感器的在受外力时的电压输出，一般也采用低掺杂浓度，形成的压阻的方块电阻为200～300Ω/方。表面微机械加工可以使得膜片尺寸大大缩小，也带来了灵敏度温度系数增大，灵敏度温度系数一般在10^-3/℃·FS左右。

目前，压阻式压力传感器明显的缺点是对周围环境温度的敏感性很高，其温度漂移系数之大是限制该类器件精度的提高和应用范围的主要因素之一，温度漂移是决定半导体压力传感器的关键指标，此类传感器的灵敏度是其静态特性中的一个重要指标，而热灵敏度温度漂移的存在影响了其特性，降低了测量的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于微型压力传感器灵敏度热漂移的高精度补偿方法，减小温度漂移系数，提高测量精度。

本发明采用的技术方案是：在微型压力传感器芯片正面上构成惠斯顿检测电桥，根据微型压力传感器使用工作状况，对经热电老化过的微型压力传感器芯片，选定惠斯顿检测电桥的激励电压V_S及电桥电压V_B，作灵敏度热漂移补偿前的温度特性标定；由标定的数据分别计算出所需要的灵敏度热漂移系数补偿量S′/S，电桥电阻R_B和电桥电阻温度系数R′_B/R_B的数值；在微型压力传感器芯片外部串联一个三端可调式集成的恒流源来补偿灵敏度温度系数，计算出三端可调式集成的恒流的两个补偿电阻R₁、R₂分别是：

$R_1=\frac{0.0677R_B{R}_2}{V_B(R_B+R_2)-V_S{R}_B};$

$R_2=\frac{R_B[\frac{I_{\mathrm{set}}^{\′}}{I_{\mathrm{set}}}(\frac{V_S}{V_B}-1)-\frac{S^{\′}}{S}]}{\frac{R_B^{\′}}{R_B}+\frac{I_{\mathrm{set}}^{\′}}{I_{\mathrm{set}}}+\frac{S^{\′}}{S}}$

本发明的有益效果是：

1、利用集成恒流源温度特性补偿微型压力传感器灵敏度热漂移系数，成本低，效果好，且在低量程普通温区(-10～70℃)下补偿后工作性能稳定可靠。

2、不需要现有技术中的敏感芯片上四只应变电阻的阻值，一致性很高，极大地方便了大批量制作。

3、无需要使用现有技术中的非线性元件，如热敏电阻、二极管、三极管等非线性元件。

4、由于电桥电压与激励电压无关联，可根据超微压力传感器芯片版图设计选定电桥工作电压，补偿量可以在较大范围内方便地单独调节。通过温度周期的调节标定，补偿后灵敏度热漂移系数绝对值易达到10×10^-6/℃～50×10^-6/℃，同时不重复性误差、迟滞误差和非线形误差都极小，综合静态精度很高，满足高精度用户压力测试的要求。

5、可以将补偿的恒流源与敏感器件集成在一起，更加利于表面微机械压力传感器的应用。在分立元件的情况下，温度补偿是有外部附加的感温元件和电路构成，但由于外部的感温元件难以和敏感器件的实际温度很好跟随，即难实现温度的跟踪，难以获得好的效果。因此对于表面微机械加工制作的压力传感器，采用与集成电路工艺相兼容的平面工艺，可以将集成恒流源和电阻，敏感器件集成在一起，就可以获得良好的补偿效果，同时可以使传感器膜片尺寸进一步缩小，成本更加低廉。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1为微型压力传感器芯片惠斯登电路图；

图2为本发明的补偿电路图。

图3为零位温度系数和灵敏度温度系数补偿后的编号为1#的传感器在室温下的零位时漂图。

具体实施方式

如图1，在梁膜结构微型压力传感器的芯片正面上构成惠斯顿检测电桥，由压力传感器测试原理可知：

V_O＝SPV_B+V_OS        (1)

式中：V_O是输出电压；S是灵敏度；P是外力或应力；V_B是电桥电压；V_OS是零点输出电压；式(1)两边对温度求导数为：

V′_O＝P(SV′_B+S′V_B)        (2)

式中：V’_O是输出电压对温度的导数，对压力传感器灵敏度热漂移系数补偿后，输出电压V_O不再随温度变化而变化，则有式(2)右边为零，即：

SV′_B＝-S′V_B或V′_B/V_B＝-S′/S    (3)

式中：S′/S是灵敏度热漂移系数。

如图2所示，在微型压力传感器的芯片外部，惠斯顿检测电桥串联一个三端可调式集成的恒流源，R₁和R₂是两个补偿电阻，利用集成式恒流源的温度特性来补偿微型压力传感器芯片灵敏度热漂移，从而满足高灵敏度和高精度测量工况的需要，由三端可调式集成恒流源可知：

$V_B=I_B{R}_B=(I_{\mathrm{set}}+I_2)R_B=(I_{\mathrm{set}}+\frac{V_S-V_B}{R_2})R_B---\left(4\right)$

式中：V_S是激励电压，I_set是恒流源电流，I_B是电桥电流，I₂是补偿电阻R₂端电流，将式(4)简化可得：

$V_B=(I_{\mathrm{set}}{R}_2+V_S)\frac{R_B}{R_B+R_2}---\left(5\right)$

令α＝R_B/(R_B+R₂)，式(5)两边对温度求导并简化可得：

$\frac{V_B^{\′}}{V_B}=\frac{R_B^{\′}}{R_B}(1-\mathrm{\α})+\frac{I_{\mathrm{set}}^{\′}}{I_{\mathrm{set}}}(1-\mathrm{\α}\frac{V_S}{V_B})---\left(6\right)$

I′_set/I_set＝3360×10^-6/℃，从式(6)可解出：

$R_2=\frac{R_B[\frac{I_{\mathrm{set}}^{\′}}{I_{\mathrm{set}}}(\frac{V_S}{V_B}-1)+\frac{V_B^{\′}}{V_B}]}{\frac{R_B^{\′}}{R_B}+\frac{I_{\mathrm{set}}^{\′}}{I_{\mathrm{set}}}-\frac{V_B^{\′}}{V_B}}---\left(7\right)$

再将式(3)代入式(6)，则有

$R_2=\frac{R_B[\frac{I_{\mathrm{set}}^{\′}}{I_{\mathrm{set}}}(\frac{V_S}{V_B}-1)-\frac{S^{\′}}{S}]}{\frac{R_B^{\′}}{R_B}+\frac{I_{\mathrm{set}}^{\′}}{I_{\mathrm{set}}}+\frac{S^{\′}}{S}}---\left(8\right)$

代入式(4)中，则有：

$R_1=\frac{0.0677R_B{R}_2}{V_B(R_B+R_2)-V_S{R}_B}---\left(9\right)$

综上所述，本发明根据微型压力传感器使用工作状况，对经热电老化过的微型压力传感器芯片，选定图1、2中的激励电压V_S及电桥电压V_B后，作灵敏度热漂移补偿前的温度特性标定，由标定的数据分别计算出所需要的灵敏度热漂移系数补偿量S′/S，电桥电阻R_B和电桥电阻温度系数R′_B/R_B的数值，根据式(8)和(9)计算出两个补偿电阻R₁和R₂的电阻数值，从而利用集成恒流源温度特性补偿了负的灵敏度热漂移系数。

下表1列出的是任意2台微型压力传感器灵敏度热漂移系数的实验结果，经过温度周期的调节标定，补偿后灵敏度热漂移系数绝对值易达到10×10^-6～50×10^-6/℃·FS，在此基础上再进行零位热漂移系数补偿。实验表明，若微型压力传感器芯片基本性能是稳定的，补偿后零位热漂移系数绝对值也可控制在10×10^-6～50×10^-6/℃·FS之内，然后再测量微型压力传感器整体灵敏度热漂移系数，未见明显变化，即表1中的第三次数据。同时对封装后的微型压力传感器作静态标定和时漂记录，表明方法简便可行，同时不重复性误差、迟滞误差和非线形误差都极小，综合静态精度很高，能够保持长期的稳定性，满足高精度用户压力测试的要求。

表1

(TCS是超微压力传感器灵敏度热漂移系数)

注：3^*是零位温度系数补偿后，再次对TCS的测量数据。

表1中，编号1#的微型压力传感器在零位温度系数和灵敏度温度系数补偿后，在室温下(25℃)进行了零位时间漂移的测试，样品零位时间漂移输出如图3所示，从图3可看出，补偿后的传感器时漂小，长期稳定性高。

Claims (1)

1.一种用于微型压力传感器灵敏度热漂移的补偿方法，在微型压力传感器芯片正面上构成惠斯顿检测电桥，其特征在于按以下步骤：

1)根据微型压力传感器使用工作状况，对经热电老化过的微型压力传感器芯片，选定惠斯顿检测电桥的激励电压V_S及电桥电压V_B，作灵敏度热漂移补偿前的温度特性标定；

2)由标定的数据分别计算出所需要的灵敏度热漂移系数补偿量S′/S，电桥电阻R_B和电桥电阻温度系数R′_B/R_B的数值；

3)在微型压力传感器芯片外部串联一个三端可调式集成的恒流源来补偿灵敏度温度系数，计算出三端可调式集成的恒流的两个补偿电阻R₁、R₂分别是：

$R_1=\frac{0.0677R_B{R}_2}{V_B(R_B+R_2)-V_S{R}_B}$

$R_2=\frac{R_B[\frac{I_{\mathrm{set}}^{\′}}{I_{\mathrm{set}}}(\frac{V_S}{V_B}-1)-\frac{S^{\′}}{S}]}{\frac{R_B^{\′}}{R_B}+\frac{I_{\mathrm{set}}^{\′}}{I_{\mathrm{set}}}+\frac{S^{\′}}{S}}$

式中：S是灵敏度；I_set是恒流源电流；I′_set/I_set＝3360×10^-6。

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