MEMS压力传感器的温度补偿

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1、万方数据第37卷第1期2009年1月河南师范大学学报(自然科学版)JournalofHenanNormalUniversity(NaturalScience)V“．37No．1Jan．2009文章编号：l000—2367(2009)01--0070--04MEMS压力传感器的温度补偿关荣锋8，王晓雪6(河南理工大学a．材料科学与工程学院，b．理化系，河南焦作454003)摘要：研究了恒流激励条件下批量温度补偿的方法．零点的温度补偿是通过在桥臂上并联阻值较大且恒定的电阻来实现的，而灵敏度的温度补偿则是在整个桥臂上并联阻值较小且恒定

2、的电阻来实现的，补偿后零点温漂为0．004％～O．015％FSO／℃，灵敏度温漂为0．0035％～O．024％FSO／℃，这表明这种补偿方法具有良好的效果．关键词：MEMS；压力传感器；温度补偿中图分类号：TP212．1文献标识码：AMEMS扩散硅压力传感器因具有滞后和蠕变小、灵敏度高、量程适应性广、性能稳定、价格便宜等优点而得到广泛的应用．但是，由于其基体材料是硅材料，而硅的载流子迁移率、压阻系数和PN结特性等都是温度的函数u]．所以从理论上讲，扩散硅压力传感器的技术参数具有温度相关性，随着温度会发生漂移．压力传感器的温漂有零

3、点温漂、灵敏度温漂，然而，从实际应用来看，这是所不希望的．所以，需要对压力传感器的温度特性进行补偿．MEMS压力传感器温度漂移补偿方法有恒压激励和恒流激励两类补偿方法，国内外文献做了比较多的研究[2_4]．但各种补偿有其各自的特点，在批量补偿方面存在一些不足．本文研究了恒流激励条下压力传感器的批量温度补偿的方法，获得了很好的补偿效果．1测量原理与温度漂移MEMS压力传感器是利用硅单晶材料的压阻效应原理制成‘引．它是将4个多晶硅电阻通过扩散工艺制备在单晶硅薄膜上，电阻制作在硅薄膜的边沿位置，这是因为在薄膜的边沿处，当薄膜受到作用力

4、时，应变引起的电阻变化最大。图1中4个压阻R，、R。、R。、R。组成惠斯通电桥构成压力检测电路．假设电桥中输入电压为V。或输入电流为j。，且膜片上的4个压阻相等，当薄膜受力变形时，两个电阻变大，两个电阻变小，且△R，一～△R。=△R。=一△R。=△R，其输出电压儿，可表示为：B图1压力传感器的工作原理示意图DV。，=V似+警V。=Vo，，螂+△RJ自，(1)这里‰是在零应力和零应变时传感器的输出．由(1)可知压阻压力传感器有两种工作方式，第一种工作方式是恒电压激励方式，即图2中％恒定，第2种工作方式为恒流激励方式，即图2中的j恒

5、定．由于4个桥臂电阻往往不完全相等，且与温度有关，这就必需对传感器温度特性进行补偿．2零点温漂补偿压力传感器的零点温漂的补偿有很多种方法，这里采用单个桥臂并联恒定电阻方法．如果零点温度系数收稿日期：2008--09一03基金项目：国家“863”计划MEMS重大专项(2004AA404221)；河南省科技攻关计划项目(0624220036)作者简介：关荣锋(1963--)，男，湖北潜江人，河南理工大学教授．博士，主要研究微机电系统(MEMS)及传感器技术等．]：≤ii一一胃二～一i。盘ll～万方数据第1期关荣锋等：MEMS压力传感

6、器的温度补偿为正数，即零点随温度的升高而变大，则须在Rz或者Ra上并联一个电阻R，；当零点温漂小于零时，则需要在R。上并联电阻．两者的原理是一样的。下面仅推导零点温漂大于零时的补偿情况．图2压力传感器电激励图示图3恒流源激励零点漂移的补偿电路图3中R，起零点的温度漂移补偿作用．R，为金属膜电阻，其温度系数约为几十ppm(硅电阻温度系数为几千ppm)，可以认为其电阻值是不随温度变化的．此外，R。远远大于桥臂电阻，该电阻并联到某一桥臂，对这个桥臂的总电阻的影响是很小的．所以加入并联电阻R。后，在温度为t。、t：时，要实现零点温度漂移

7、补偿，则在并联了电阻R，后，传感器在不同温度下的输出应该相等：V70(￡2)一V'o(￡1)=0．(2)以此为条件，根据电桥特点可以导出R，的计算公式：尺，2丽赢·fR；(t1)R3(￡1)R；(如)R。(t2)■广————一一∑Ri(￡。)f=1∑R。(￡。)假设同一温度且零压力下4个电阻的阻值基本相等，通过一系列的简化，可得到：尺，一蒜麓黜=黑箭菩蒜等，式中V。(￡。)，V。(屯)为并联电阻R。之前传感器在温度为t。，t：时的输出，通常不相等．按式(4)的结论，只需测出未经补偿的传感器的两个温度下的桥臂电压U(￡。)，V。(

8、￡。)和零点输出，就可以计算出需要并联的电阻的大小．对于这种补偿方法，选用了6只封装好的压力传感器进行了实验验证，施加的恒流值为0．575mA．在一40～125℃的补偿温度范围内，选择几个关键温度点进行测量和计算，得到的图4中的补偿结果，补偿后传感器的零点温漂为