專利名稱：在電路可編程自動溫度補償硅壓阻傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在電路可編程自動溫度補償硅壓阻傳感器，即采用ICP(在電路可編程)方式進行自動溫度補償的硅壓阻傳感器，這種傳感器特別適合在汽車壓力傳感器上使用；屬于嵌入式系統在硅壓阻傳感器信號調理方面的應用，包括解決傳感器的溫度漂移的數字化補償電路設計和自動溫度補償計算。
背景技術：
硅壓阻傳感器是一種以硅材料為基礎，經過離子擴散工藝制成的壓力傳感器元件。它是一種性能優越、適合于大規模生產、價格低廉、線性度好、在工業和民用領域應用十分廣泛的壓力傳感器元件，在室溫下具有較高的測量精度和線性度。因此，廣泛應用于一般工業環境的壓力測量領域，如壓力變送器等。它的唯一不足是由于硅傳感器的制作材料和工藝的限制，傳感器的溫度漂移比較大，而且每個傳感器的溫度特性都不一樣。它還有一個十分特別的溫度特性是隨著溫度的增加，傳感器的靈敏度溫度系數下降而零點溫度系數上升，其實際效果表現為隨著溫度的增加，傳感器的滿量程輸出下降，而零點輸出上升，但同一批產品中，由于離子注入工藝的偏差，又有不少傳感器(元件)的零點輸出上升不大，甚至下降，但降幅與滿量程的輸出的下降又不成比例。這個特性在汽車級的溫度范圍內反映特別突出。這個翹板式的溫度特性給傳感器的溫度補償電路設計帶來很大困難，對電路的調試和溫度補償和修正也帶來極大的困難。在實際的硅壓力傳感器的生產中，一般都采用模擬電路加溫度補償電路構成，溫度補償電路根據每個傳感器的特性的不同需要一個一個地在溫度變化的條件下分別進行滿量程輸出(FSO)和零點輸出的溫度補償和壓力值的修正，而滿量程輸出與零點輸出又相互牽扯，要在溫度全量程變化的條件下反復調整和修正。
這項工作既費時，又費工，對調試工人的要求也很高。在進行小批量的產品如壓力變送器的調試時，因為產品的使用溫度范圍有限，這樣做問題不太大。
但當汽車電子化使得硅壓力傳感器在汽車上得到大批量的使用時，調試困難的問題就突現出來，汽車級的壓力傳感器使用的溫度范圍從-40～125度，要求傳感器在如此寬的溫度范圍內滿足一定的測量精度，唯一的方法是對每個傳感器都做全溫度量程范圍的滿度和零點的溫度補償，這種人工校驗方法不僅需要大量高素質的工人，而且需要大量的儀器設備。將該傳感器用于汽車這種大批量生產而使用環境十分惡劣的產品上，硅壓力傳感器的信號調理，溫度補償和壓力修正成為該產品批量生產的最大問題。
在傳感器的溫度補償方法上，常規的方法基本上都采用與硅傳感器的溫度特性比較接近的熱敏電阻來完成，這種方法用于一般溫度環境下效果尚可，但這種熱敏電阻在汽車級125度的高溫下溫度曲線飽和，補償效果也不佳。汽車壓力傳感器還有一個十分重要的特點是，要求成本低，可靠性高，因此，控制產品的材料成本、生產成本和人工成本也是大批量汽車壓力傳感器生產的必要條件。目前，我國的硅壓力傳感器的敏感元件的生產已經過關，可以大批量供貨，但用于汽車級的壓力傳感器的信號調理電路的設計、溫度特性的補償方法、生產過程的自動化水平都十分低下，因此這個巨大的年產值以十億計的產品市場全部被國外產品所壟斷。

發明內容
本發明的目的是給出一種ICP自動溫度補償硅壓阻傳感器，采用ICP方式進行自動溫度補償的硅壓阻傳感器，采用智能化、數字化的嵌入式系統代替傳統的模擬電路，具有補償參數自動計算功能的硅壓阻傳感器。
本發明的技術方案本發明的ICP自動溫度補償硅壓阻傳感器包括硅壓阻傳感器元件和嵌入式控制電路，其硅壓阻傳感器元件是恒壓供電的傳感器橋路，橋路的輸出通過橋路輸出放大電路與CPU的一路A/D腳連接，總橋路電壓通過橋壓放大電路與CPU的另一路A/D腳連接；CPU的三個I/O腳作為SPI接口，一個作為PWM輸出，一個作為在線編程控制接口，由RAM存儲器和由非易失存儲器E2PROM構成的補償參數存儲器；將公式VO＝VOS+ΔT·αVOS+P(S+ΔT·αS)的計算程序存入CPU的ROM存儲器構成補償參數計算器，式中VO，壓阻傳感器的橋路輸出電壓；VOS，在參考溫度下，傳感器的零點輸出；ΔT，傳感器實際的溫度與參考溫度之差；αVOS，零點溫度系數；P，傳感器承受的壓力；S，傳感器的靈敏度系數；αS，傳感器的靈敏度溫度系數；補償參數存儲器內存有硅壓阻傳感器通過在-40℃～125℃之間的至少三個不同溫度環境中計算所得的VOS、αVOS、S、αS等4個與傳感器溫度補償有關的參數。
所述ICP自動溫度補償硅壓阻傳感器，其補償參數存儲器內存有與硅壓阻傳感器溫度補償有關的VOS、αVOS、S、αS等4個參數。
本發明的優點1、本發明是針對將硅壓阻傳感器應用于汽車壓力傳感器時所遇到的溫度漂移特性補償電路設計和調試十分困難，從根本是解決了硅壓阻傳感器應用于汽車的主要問題-溫度漂移的補償問題，在汽車傳感器行業和壓力傳感器的行業都是一個創新，它為汽車壓力傳感器的國產化提供了批量生產的技術可行性；2、該傳感器的嵌入式控制電路結構簡單、成本低廉、可靠性高，適合于批量生產，使硅壓阻傳感器實現數字化、智能化的信號調理和自補償；3、對于恒壓供電的傳感器橋路，本電路設計了一個橋壓放大和測量的電路，這個設計是本發明的一個創新點。大量實驗證明硅壓阻傳感器的橋壓實際上是最真實地反映了傳感器的溫度場的變化，當溫度增加時，4個橋臂的阻值會隨之增加，這個增加會嚴格按照硅材料的溫度系數線性變化，當橋阻變化后，總橋壓發壓比隨著橋阻的變化而成比例地變化，因此，通過測量橋壓的變化，可以實際和準確地測量出傳感器溫度場的變化，在進行自動校驗時它接受的是已知的溫度對應的信號，用于計算；而在實際應用時，通過測量橋壓測量傳感器實際所處的溫度場的值。


圖1是ICP自動溫度補償硅壓阻傳感器結構示意圖；圖2是嵌入式控制電路軟件流程圖；圖3是自動校驗設備硬件設計框圖；圖4是自動校驗設備系統的軟件流程框圖。
具體實施例方式
1、計算原理通過深入研究得到的硅壓阻傳感器的溫度補償和壓力輸出修正的能夠數字化運算的方程要想利用計算機來進行傳感器的溫度補償的數據處理，最關鍵的問題是尋找一個能夠完整表達傳感器在其相關因數影響下的綜合輸出方程，通過3年多對壓阻傳感器的應用開發和研究，并查閱大量的文獻資料，壓阻傳感器的輸出為其承受的壓力和溫度的函數，即VO＝f(P，T)。其輸出方程可以表達為VO＝VOS+ΔT·αVOS+P(S+ΔT·αS)(根據汽車級的傳感器精度要求不太高的實際情況，本方程省略了部分影響傳感器輸出的二次項，以便進行快速計算，實際測試表明，該方程足夠滿足汽車傳感器的精度要求)，式中VO，壓阻傳感器的橋路輸出電壓；
VOS，在參考溫度下，傳感器的零點輸出，這里，將參考溫度設為20℃；ΔT，傳感器實際的溫度與參考溫度之差，其符號可正可負；αVOS，零點溫度系數，可正可負；P，傳感器承受的壓力；S，傳感器的靈敏度系數；αS，傳感器的靈敏度溫度系數；2、嵌入式控制電路硬件部分由具有ICP功能在電路可編程的內帶E2PROM和較高精度的多路A/D轉換的微處理器為核心，加上必要的模擬電路和接口電路組成。
圖1是ICP自動溫度補償硅壓阻傳感器結構示意圖包括硅壓阻傳感器元件和嵌入式控制電路。硅壓阻傳感器元件是恒壓供電的傳感器橋路1，橋路的輸出通過橋路輸出放大電路與CPU的一路A/D腳連接，總橋路電壓通過橋壓放大電路與CPU的另一路A/D腳連接；CPU的三個I/O腳作為SPI接口，一個作為PWM輸出和模擬電路轉換接口，一個作為在線編程控制口，CPU中有硅壓阻傳感器補償參數計算器、RAM存儲器和由非易失存儲器E2PROM構成的補償參數存儲器。
本電路設計了一個橋壓放大測量的電路。因為，通過測量橋壓的變化，可以實際和準確地測量出傳感器溫度場的變化，在進行自動校驗時它接受的是已知的溫度對應的信號，用于計算用；而在實際應用時，通過測量橋壓測量傳感器實際所處的溫度場的值，本電路中，是通過將傳感器的橋壓信號送入微處理器的A/D轉換進行測量，作為溫度補償時溫度場的信號進行應用。
在本電路中采用另一路模擬橋路輸出放大電路來完成對傳感器輸出電壓隨壓力和溫度變化的值，這個動態變化的輸出值經過放大而進入另一路A/D轉換，在進行傳感器校正時，是給定溫度條件下的給定壓力的對應輸出值，作為數字化補償計算的依據之一；而在實際應用時這個值是外界壓力變化和溫度變化的函數，也是進行反推在標準條件下壓力值的計算所依賴的基本數據。
本電路還有一個重要的控制輸入口-在線編程控制接口，是由自動校驗設備發給嵌入式控制電路的，它在進行傳感器溫度補償校驗時使用。當自動校驗設備控制壓力發生器在一個標準壓力和可編程恒溫箱恒定在某一個溫度后，系統就發給嵌入式控制電路的微處理器一個特定的記錄信號的命令，它就測量當時的溫度場信號和與之對應的壓力傳感器輸出信號，并且將這兩個信號記錄在它的RAM內，這些隨壓力變化和溫度變化的一系列數據有規律地存入RAM后，通過它內帶的計算程序求得傳感器的4個未知參數，通過在電路可編程ICP的方式存入E2PROM內，完成整個校驗修正過程。在實際應用時，該控制口處于封鎖狀態。
該電路有兩種輸出模式，一種是SPI接口模式，根據用戶的要求，如果傳感器與其他的微處理器或者計算機系統接口時可以采用SPI接口的方式聯絡；而當傳感器需要直接輸出模擬信號時，則嵌入式控制電路發出PWM信號通過轉換電路變化為模擬信號輸出。
圖2是嵌入式控制電路軟件流程原理說明嵌入式控制電路軟件設計所完成的功能有A/D轉換測量，溫度補償校正計算，接受校驗設備發出的系列命令進行測量數據的存儲和計算，完成ICP在電路可編程功能，以及在實際運行時對傳感器的壓力輸出值進行溫度漂移自補償計算和修正的功能初始化后檢測有無校驗設備發來的控制命令，有則記錄系列壓力和溫度測量值；然后，調用計算程序計算VOS，αVOS，S和αS四個參數，將四個參數存入E2PROM；如果有修改命令，則重新進行數據記錄和計算，并將修改的參數值存入E2PROM；如果沒有控制命令，進入實際運行程序實測傳感器的輸出值VO和溫度場信號ΔT，根據存入E2PROM的VOS，αVOS，S和αS四個參數計算參考溫度下的壓力值P，然后根據壓力值P計算求得PWM的對應占空比信號向轉換電路發出PWM信號，或通過SPI接口與上位機通信將壓力值P信號發給上位機。
3、圖3是自動校驗設備硬件設計框圖自動校驗設備由計算機，可編程的恒溫控制箱，可編程壓力信號源組成。其組成原理方框圖如下計算機通過接口RS485與可編程壓力信號源和可編程恒溫箱控制器連接，可編程恒溫箱控制器控制恒溫箱內的溫度，可編程壓力信號源引進恒溫箱給每個待校驗硅壓阻傳感器提供壓力信號，計算機PCI多功能接口板上的I/O口引進恒溫箱作為硅壓阻傳感器的校驗控制端口。計算機內包括(1)系統界面運行的控制程序用于系統運行的控制、系統運行狀態的顯示、人機對話窗口；(2)命令控制程序用于與可編程壓力信號源和可編程恒溫箱控制器進行通信，發出溫度、壓力控制命令和驅動I/O口發出硅壓阻傳感器存儲命令。本設備所采用的計算機為一般通用的計算機或者工業控制計算機。
從圖中可以看出，同時將多個待標定的傳感器(包括校驗電路)置于恒溫箱內，由可編程壓力信號源給每個傳感器壓力信號，由可編程恒溫箱控制器控制箱內的溫度按照一定的規律升溫和降溫，這兩個控制器皆受計算機的程序控制，傳感器的校正電路由計算機PCI接口板上的I/O口控制，計算機根據當前所控制的溫度和壓力值，向傳感器的校驗電路發出相應的控制信號，記錄相應的測量值，作為進行傳感器參數計算和補償的基礎。在整個效驗過程中，每個傳感器的測量值都可能不一樣，在計算機統一指揮下每個傳感器分別進行計算，將各自的參數存入自己的E2PROM，完成溫度補償方程的計算和壓力修正參數存儲的全過程。
4、制作步驟包括(1)將公式VO＝VOS+ΔT·αVOS+P(S+ΔT·αS)的計算程序存入硅壓阻傳感器的嵌入式控制電路的程序存儲器；(2)將硅壓阻傳感器分別置于-40℃～125℃之間的不同的溫度環境中，分別測量至少在三個不同溫度條件下的零點和滿量程橋路輸出VO，以及由傳感器橋壓所表征的傳感器溫度場信號，由(1)所述的計算程序計算求得VOS、αVOS、S、αS這4個參數；(3)用在電路可編程方法ICP將計算值寫入嵌入式控制電路的E2PROM中，以便其在應用時進行自溫度補償的計算，完成全部的溫度補償參數存儲過程。
由于硅壓阻傳感器制造工藝的原因，即使是同一批生產出的傳感器元件，其性能也會有細微的差別，這個差別，在汽車級的溫度條件下，其誤差已經超過額定精度要求。這個差別，體現在本方程中的4個參數上，即VOS，αVOS，S和αS，壓力P和溫差ΔT是由系統控制的。所謂模擬電路溫度補償和壓力修正，就是針對這4個參數的不同對每個傳感器都進行補償；數字化自動補償的方法實際是自動校驗系統首先自動地創造出幾個已知的壓力和溫度環境，實際上是將傳感器分別置于-40℃，20℃，125℃這三個不同的溫度環境中，由嵌入電路的A/D分別測量在這三個溫度條件下的零點和滿量程輸出，以及由傳感器橋壓所表征的傳感器溫度場信號，將VO＝VOS+ΔT·αVOS+P(S+ΔT·αS)的計算程序存入計算求得這4個參數，然后用ICP程序將計算值寫入E2PROM，完成全部的溫度補償參數存儲過程。
當某傳感器在應用環境下工作時，嵌入式控制電路的兩路A/D分別可以測量出傳感器輸出VO和溫度場信號ΔT，根據在校驗時存儲的4個該傳感器的參數，同樣利用上述公式反求標準壓力P，再根據計算得出在參考溫度下的標準信號壓力P，以及根據不同的應用需要輸出與壓力P對應的數值，從而實現溫度漂移的自補償過程。
對于汽車級的傳感器精度要求，溫度值選擇-40℃，20℃，125℃三個溫度即可，在每個溫度范圍內，壓力從零點到滿度之間再選擇一、兩個壓力點作為精細調整。實測結果顯示，在每批50個傳感器的校正工作完成后，90％的傳感器在全溫度范圍內使用時能夠達到全量程1％的精度，8％的傳感器能夠滿足汽車級在常溫下1％的精度，極限溫度的精度為3％的要求，只有個別的傳感器電路需要重新校正。如果要進一步提高傳感器的檢測精度，溫度范圍可以增加-10℃，80℃等，使傳感器的補償精度進一步提高，所計算的各個系數，為某個溫度區間的系數而非全量程范圍內的系數，這樣可以進一步提高傳感器的測量精度。
圖4是自動效驗設備系統的軟件流程框圖計算機內整個程序分為兩大部分(1)系統界面運行的控制器用于系統運行的控制、系統運行狀態的顯示、人機對話窗口；(2)命令控制器用于與兩個控制器進行通信，發出溫度、壓力控制命令和驅動PCI卡發出傳感器存儲命令。
計算機的上層軟件是嵌入在WINDOWS平臺上的一個可執行文件，該程序可用VB，VC++，Dephi等高級軟件進行編寫，本例采用Dephi6.0編寫，安裝在用戶的計算機上后，需要時雙擊該程序圖標即可運行。
界面程序比較簡單，主要是將系統運行的控制、系統運行狀態的顯示，人機對話窗口等，將參數計算所需要的壓力、溫度值在屏幕上顯示出來，其中溫度控制點、范圍和壓力控制點和范圍可以根據需要由用戶進行增加和減少。
底層運行程序用VC編寫，它是設備的驅動程序，主要是完成與兩個控制器的通信聯絡，PCI卡的驅動等。它從兩個控制器讀取的數據可以在計算機屏幕上顯示，同時也將相應的控制命令發下去，使整個系統按照預定的程序進行工作。
具體流程初始化后首先向壓力和溫度控制器發出通信聯絡信號；聯絡成功，屏幕提示用戶是否對系統原始設定程序進行修改，無論修改否，最后確認操作完成，系統進入自動運行狀態；恒溫箱達到第一控制點并穩定，控制壓力信號源發出相應的壓力輸出信號，在每點發出存儲信號，控制箱內所有的傳感器的嵌入電路存儲各自的采集信號。采集完成，系統發升溫信號；恒溫箱達到第二控制點并穩定，控制壓力信號源發出相應的壓力輸出信號，在每點發出存儲信號，控制箱內所有的傳感器的嵌入電路存儲各自的采集的第二組信號；同理，系統發升溫信號，控制箱內所有的傳感器的嵌入電路存儲各自的采集的第三組信號；采集完畢設備發出計算命令，被校的所有傳感器根據采集的三組數據計算，得出各自的VOS，αVOS，S和αS四個參數；利用ICP技術存入各自的E2PROM，完成溫度補償修正參數計算和存儲的全過程；控制系統卸壓、降溫，屏幕提示傳感器溫度補償參數標定結束。
綜上所述，本發明的核心是提出傳感器溫度漂移的數字化補償的計算方程，電路設計，凡是應用本發明的包括硅壓阻傳感器元件和嵌入式控制電路和利用ICP技術將VOS，αVOS，S和αS四個補償參數存入嵌入系統的非易失存儲器及其計算公式的硅壓阻傳感器，均屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種ICP自動溫度補償硅壓阻傳感器，包括硅壓阻傳感器元件和嵌入式控制電路，其特征在于硅壓阻傳感器元件是恒壓供電的傳感器橋路，橋路的輸出通過橋路輸出放大電路與CPU的一路A/D腳連接，總橋路電壓通過橋壓放大電路與CPU的另一路A/D腳連接；CPU的三個I/O腳作為SPI接口，一個作為PWM輸出，一個作為在線編程控制接口，(由)RAM存儲器和由非易失存儲器E2PROM構成的補償參數存儲器；將公式VO＝VOS+ΔT·αVOS+P(S+ΔT·αS)的計算程序存入CPU的ROM存儲器構成補償參數計算器，式中VO，壓阻傳感器的橋路輸出電壓；VOS，在參考溫度下，傳感器的零點輸出；ΔT，傳感器實際的溫度與參考溫度之差；αVOS，零點溫度系數；P，傳感器承受的壓力；S，傳感器的靈敏度系數；αS，傳感器的靈敏度溫度系數；補償參數存儲器內存有硅壓阻傳感器通過在-40℃～125℃之間的至少三個不同溫度環境條件計算所得該傳感器元件的的VOS、αVOS、S、αS等4個與溫度補償有關的參數。
2.根據權利要求1所述ICP自動溫度補償硅壓阻傳感器，其特征在于補償參數存儲器內存有硅壓阻傳感器通過在-40℃、20℃和125℃三個不同的溫度環境條件計算所得該傳感器元件的VOS、αVOS、S、αS這4個與溫度補償有關的參數。
全文摘要
本發明提供一種在電路可編程自動溫度補償硅壓阻傳感器，包括硅壓阻傳感器元件和嵌入式控制電路，硅壓阻傳感器元件是恒壓供電的傳感器橋路，橋路的輸出通過橋路輸出放大電路與CPU的一路A/D腳連接，總橋路電壓通過橋壓放大電路與CPU的另一路A/D腳連接；CPU的三個I/O腳作為SPI接口，一個作為PWM輸出，一個作為在線編程控制接口，RAM存儲器和由非易失存儲器E
文檔編號G01L19/04GK1699946SQ20051001868
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月12日 優先權日2005年5月12日
發明者楊曉林 申請人:江漢大學