专利名称：在电路可编程自动温度补偿硅压阻传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在电路可编程自动温度补偿硅压阻传感器，即采用ICP(在电路可编程)方式进行自动温度补偿的硅压阻传感器，这种传感器特别适合在汽车压力传感器上使用；属于嵌入式系统在硅压阻传感器信号调理方面的应用，包括解决传感器的温度漂移的数字化补偿电路设计和自动温度补偿计算。
背景技术：
硅压阻传感器是一种以硅材料为基础，经过离子扩散工艺制成的压力传感器元件。它是一种性能优越、适合于大规模生产、价格低廉、线性度好、在工业和民用领域应用十分广泛的压力传感器元件，在室温下具有较高的测量精度和线性度。因此，广泛应用于一般工业环境的压力测量领域，如压力变送器等。它的唯一不足是由于硅传感器的制作材料和工艺的限制，传感器的温度漂移比较大，而且每个传感器的温度特性都不一样。它还有一个十分特别的温度特性是随着温度的增加，传感器的灵敏度温度系数下降而零点温度系数上升，其实际效果表现为随着温度的增加，传感器的满量程输出下降，而零点输出上升，但同一批产品中，由于离子注入工艺的偏差，又有不少传感器(元件)的零点输出上升不大，甚至下降，但降幅与满量程的输出的下降又不成比例。这个特性在汽车级的温度范围内反映特别突出。这个翘板式的温度特性给传感器的温度补偿电路设计带来很大困难，对电路的调试和温度补偿和修正也带来极大的困难。在实际的硅压力传感器的生产中，一般都采用模拟电路加温度补偿电路构成，温度补偿电路根据每个传感器的特性的不同需要一个一个地在温度变化的条件下分别进行满量程输出(FSO)和零点输出的温度补偿和压力值的修正，而满量程输出与零点输出又相互牵扯，要在温度全量程变化的条件下反复调整和修正。
这项工作既费时，又费工，对调试工人的要求也很高。在进行小批量的产品如压力变送器的调试时，因为产品的使用温度范围有限，这样做问题不太大。
但当汽车电子化使得硅压力传感器在汽车上得到大批量的使用时，调试困难的问题就突现出来，汽车级的压力传感器使用的温度范围从-40～125度，要求传感器在如此宽的温度范围内满足一定的测量精度，唯一的方法是对每个传感器都做全温度量程范围的满度和零点的温度补偿，这种人工校验方法不仅需要大量高素质的工人，而且需要大量的仪器设备。将该传感器用于汽车这种大批量生产而使用环境十分恶劣的产品上，硅压力传感器的信号调理，温度补偿和压力修正成为该产品批量生产的最大问题。
在传感器的温度补偿方法上，常规的方法基本上都采用与硅传感器的温度特性比较接近的热敏电阻来完成，这种方法用于一般温度环境下效果尚可，但这种热敏电阻在汽车级125度的高温下温度曲线饱和，补偿效果也不佳。汽车压力传感器还有一个十分重要的特点是，要求成本低，可靠性高，因此，控制产品的材料成本、生产成本和人工成本也是大批量汽车压力传感器生产的必要条件。目前，我国的硅压力传感器的敏感元件的生产已经过关，可以大批量供货，但用于汽车级的压力传感器的信号调理电路的设计、温度特性的补偿方法、生产过程的自动化水平都十分低下，因此这个巨大的年产值以十亿计的产品市场全部被国外产品所垄断。
发明内容
本发明的目的是给出一种ICP自动温度补偿硅压阻传感器，采用ICP方式进行自动温度补偿的硅压阻传感器，采用智能化、数字化的嵌入式系统代替传统的模拟电路，具有补偿参数自动计算功能的硅压阻传感器。
本发明的技术方案本发明的ICP自动温度补偿硅压阻传感器包括硅压阻传感器元件和嵌入式控制电路，其硅压阻传感器元件是恒压供电的传感器桥路，桥路的输出通过桥路输出放大电路与CPU的一路A/D脚连接，总桥路电压通过桥压放大电路与CPU的另一路A/D脚连接；CPU的三个I/O脚作为SPI接口，一个作为PWM输出，一个作为在线编程控制接口，由RAM存储器和由非易失存储器E2PROM构成的补偿参数存储器；将公式VO＝VOS+ΔT·αVOS+P(S+ΔT·αS)的计算程序存入CPU的ROM存储器构成补偿参数计算器，式中VO，压阻传感器的桥路输出电压；VOS，在参考温度下，传感器的零点输出；ΔT，传感器实际的温度与参考温度之差；αVOS，零点温度系数；P，传感器承受的压力；S，传感器的灵敏度系数；αS，传感器的灵敏度温度系数；补偿参数存储器内存有硅压阻传感器通过在-40℃～125℃之间的至少三个不同温度环境中计算所得的VOS、αVOS、S、αS等4个与传感器温度补偿有关的参数。
所述ICP自动温度补偿硅压阻传感器，其补偿参数存储器内存有与硅压阻传感器温度补偿有关的VOS、αVOS、S、αS等4个参数。
本发明的优点1、本发明是针对将硅压阻传感器应用于汽车压力传感器时所遇到的温度漂移特性补偿电路设计和调试十分困难，从根本是解决了硅压阻传感器应用于汽车的主要问题-温度漂移的补偿问题，在汽车传感器行业和压力传感器的行业都是一个创新，它为汽车压力传感器的国产化提供了批量生产的技术可行性；2、该传感器的嵌入式控制电路结构简单、成本低廉、可靠性高，适合于批量生产，使硅压阻传感器实现数字化、智能化的信号调理和自补偿；3、对于恒压供电的传感器桥路，本电路设计了一个桥压放大和测量的电路，这个设计是本发明的一个创新点。大量实验证明硅压阻传感器的桥压实际上是最真实地反映了传感器的温度场的变化，当温度增加时，4个桥臂的阻值会随之增加，这个增加会严格按照硅材料的温度系数线性变化，当桥阻变化后，总桥压发压比随着桥阻的变化而成比例地变化，因此，通过测量桥压的变化，可以实际和准确地测量出传感器温度场的变化，在进行自动校验时它接受的是已知的温度对应的信号，用于计算；而在实际应用时，通过测量桥压测量传感器实际所处的温度场的值。
图1是ICP自动温度补偿硅压阻传感器结构示意图；图2是嵌入式控制电路软件流程图；图3是自动校验设备硬件设计框图；图4是自动校验设备系统的软件流程框图。
具体实施例方式
1、计算原理通过深入研究得到的硅压阻传感器的温度补偿和压力输出修正的能够数字化运算的方程要想利用计算机来进行传感器的温度补偿的数据处理，最关键的问题是寻找一个能够完整表达传感器在其相关因数影响下的综合输出方程，通过3年多对压阻传感器的应用开发和研究，并查阅大量的文献资料，压阻传感器的输出为其承受的压力和温度的函数，即VO＝f(P，T)。其输出方程可以表达为VO＝VOS+ΔT·αVOS+P(S+ΔT·αS)(根据汽车级的传感器精度要求不太高的实际情况，本方程省略了部分影响传感器输出的二次项，以便进行快速计算，实际测试表明，该方程足够满足汽车传感器的精度要求)，式中VO，压阻传感器的桥路输出电压；
VOS，在参考温度下，传感器的零点输出，这里，将参考温度设为20℃；ΔT，传感器实际的温度与参考温度之差，其符号可正可负；αVOS，零点温度系数，可正可负；P，传感器承受的压力；S，传感器的灵敏度系数；αS，传感器的灵敏度温度系数；2、嵌入式控制电路硬件部分由具有ICP功能在电路可编程的内带E2PROM和较高精度的多路A/D转换的微处理器为核心，加上必要的模拟电路和接口电路组成。
图1是ICP自动温度补偿硅压阻传感器结构示意图包括硅压阻传感器元件和嵌入式控制电路。硅压阻传感器元件是恒压供电的传感器桥路1，桥路的输出通过桥路输出放大电路与CPU的一路A/D脚连接，总桥路电压通过桥压放大电路与CPU的另一路A/D脚连接；CPU的三个I/O脚作为SPI接口，一个作为PWM输出和模拟电路转换接口，一个作为在线编程控制口，CPU中有硅压阻传感器补偿参数计算器、RAM存储器和由非易失存储器E2PROM构成的补偿参数存储器。
本电路设计了一个桥压放大测量的电路。因为，通过测量桥压的变化，可以实际和准确地测量出传感器温度场的变化，在进行自动校验时它接受的是已知的温度对应的信号，用于计算用；而在实际应用时，通过测量桥压测量传感器实际所处的温度场的值，本电路中，是通过将传感器的桥压信号送入微处理器的A/D转换进行测量，作为温度补偿时温度场的信号进行应用。
在本电路中采用另一路模拟桥路输出放大电路来完成对传感器输出电压随压力和温度变化的值，这个动态变化的输出值经过放大而进入另一路A/D转换，在进行传感器校正时，是给定温度条件下的给定压力的对应输出值，作为数字化补偿计算的依据之一；而在实际应用时这个值是外界压力变化和温度变化的函数，也是进行反推在标准条件下压力值的计算所依赖的基本数据。
本电路还有一个重要的控制输入口-在线编程控制接口，是由自动校验设备发给嵌入式控制电路的，它在进行传感器温度补偿校验时使用。当自动校验设备控制压力发生器在一个标准压力和可编程恒温箱恒定在某一个温度后，系统就发给嵌入式控制电路的微处理器一个特定的记录信号的命令，它就测量当时的温度场信号和与之对应的压力传感器输出信号，并且将这两个信号记录在它的RAM内，这些随压力变化和温度变化的一系列数据有规律地存入RAM后，通过它内带的计算程序求得传感器的4个未知参数，通过在电路可编程ICP的方式存入E2PROM内，完成整个校验修正过程。在实际应用时，该控制口处于封锁状态。
该电路有两种输出模式，一种是SPI接口模式，根据用户的要求，如果传感器与其他的微处理器或者计算机系统接口时可以采用SPI接口的方式联络；而当传感器需要直接输出模拟信号时，则嵌入式控制电路发出PWM信号通过转换电路变化为模拟信号输出。
图2是嵌入式控制电路软件流程原理说明嵌入式控制电路软件设计所完成的功能有A/D转换测量，温度补偿校正计算，接受校验设备发出的系列命令进行测量数据的存储和计算，完成ICP在电路可编程功能，以及在实际运行时对传感器的压力输出值进行温度漂移自补偿计算和修正的功能初始化后检测有无校验设备发来的控制命令，有则记录系列压力和温度测量值；然后，调用计算程序计算VOS，αVOS，S和αS四个参数，将四个参数存入E2PROM；如果有修改命令，则重新进行数据记录和计算，并将修改的参数值存入E2PROM；如果没有控制命令，进入实际运行程序实测传感器的输出值VO和温度场信号ΔT，根据存入E2PROM的VOS，αVOS，S和αS四个参数计算参考温度下的压力值P，然后根据压力值P计算求得PWM的对应占空比信号向转换电路发出PWM信号，或通过SPI接口与上位机通信将压力值P信号发给上位机。
3、图3是自动校验设备硬件设计框图自动校验设备由计算机，可编程的恒温控制箱，可编程压力信号源组成。其组成原理方框图如下计算机通过接口RS485与可编程压力信号源和可编程恒温箱控制器连接，可编程恒温箱控制器控制恒温箱内的温度，可编程压力信号源引进恒温箱给每个待校验硅压阻传感器提供压力信号，计算机PCI多功能接口板上的I/O口引进恒温箱作为硅压阻传感器的校验控制端口。计算机内包括(1)系统界面运行的控制程序用于系统运行的控制、系统运行状态的显示、人机对话窗口；(2)命令控制程序用于与可编程压力信号源和可编程恒温箱控制器进行通信，发出温度、压力控制命令和驱动I/O口发出硅压阻传感器存储命令。本设备所采用的计算机为一般通用的计算机或者工业控制计算机。
从图中可以看出，同时将多个待标定的传感器(包括校验电路)置于恒温箱内，由可编程压力信号源给每个传感器压力信号，由可编程恒温箱控制器控制箱内的温度按照一定的规律升温和降温，这两个控制器皆受计算机的程序控制，传感器的校正电路由计算机PCI接口板上的I/O口控制，计算机根据当前所控制的温度和压力值，向传感器的校验电路发出相应的控制信号，记录相应的测量值，作为进行传感器参数计算和补偿的基础。在整个效验过程中，每个传感器的测量值都可能不一样，在计算机统一指挥下每个传感器分别进行计算，将各自的参数存入自己的E2PROM，完成温度补偿方程的计算和压力修正参数存储的全过程。
4、制作步骤包括(1)将公式VO＝VOS+ΔT·αVOS+P(S+ΔT·αS)的计算程序存入硅压阻传感器的嵌入式控制电路的程序存储器；(2)将硅压阻传感器分别置于-40℃～125℃之间的不同的温度环境中，分别测量至少在三个不同温度条件下的零点和满量程桥路输出VO，以及由传感器桥压所表征的传感器温度场信号，由(1)所述的计算程序计算求得VOS、αVOS、S、αS这4个参数；(3)用在电路可编程方法ICP将计算值写入嵌入式控制电路的E2PROM中，以便其在应用时进行自温度补偿的计算，完成全部的温度补偿参数存储过程。
由于硅压阻传感器制造工艺的原因，即使是同一批生产出的传感器元件，其性能也会有细微的差别，这个差别，在汽车级的温度条件下，其误差已经超过额定精度要求。这个差别，体现在本方程中的4个参数上，即VOS，αVOS，S和αS，压力P和温差ΔT是由系统控制的。所谓模拟电路温度补偿和压力修正，就是针对这4个参数的不同对每个传感器都进行补偿；数字化自动补偿的方法实际是自动校验系统首先自动地创造出几个已知的压力和温度环境，实际上是将传感器分别置于-40℃，20℃，125℃这三个不同的温度环境中，由嵌入电路的A/D分别测量在这三个温度条件下的零点和满量程输出，以及由传感器桥压所表征的传感器温度场信号，将VO＝VOS+ΔT·αVOS+P(S+ΔT·αS)的计算程序存入计算求得这4个参数，然后用ICP程序将计算值写入E2PROM，完成全部的温度补偿参数存储过程。
当某传感器在应用环境下工作时，嵌入式控制电路的两路A/D分别可以测量出传感器输出VO和温度场信号ΔT，根据在校验时存储的4个该传感器的参数，同样利用上述公式反求标准压力P，再根据计算得出在参考温度下的标准信号压力P，以及根据不同的应用需要输出与压力P对应的数值，从而实现温度漂移的自补偿过程。
对于汽车级的传感器精度要求，温度值选择-40℃，20℃，125℃三个温度即可，在每个温度范围内，压力从零点到满度之间再选择一、两个压力点作为精细调整。实测结果显示，在每批50个传感器的校正工作完成后，90％的传感器在全温度范围内使用时能够达到全量程1％的精度，8％的传感器能够满足汽车级在常温下1％的精度，极限温度的精度为3％的要求，只有个别的传感器电路需要重新校正。如果要进一步提高传感器的检测精度，温度范围可以增加-10℃，80℃等，使传感器的补偿精度进一步提高，所计算的各个系数，为某个温度区间的系数而非全量程范围内的系数，这样可以进一步提高传感器的测量精度。
图4是自动效验设备系统的软件流程框图计算机内整个程序分为两大部分(1)系统界面运行的控制器用于系统运行的控制、系统运行状态的显示、人机对话窗口；(2)命令控制器用于与两个控制器进行通信，发出温度、压力控制命令和驱动PCI卡发出传感器存储命令。
计算机的上层软件是嵌入在WINDOWS平台上的一个可执行文件，该程序可用VB，VC++，Dephi等高级软件进行编写，本例采用Dephi6.0编写，安装在用户的计算机上后，需要时双击该程序图标即可运行。
界面程序比较简单，主要是将系统运行的控制、系统运行状态的显示，人机对话窗口等，将参数计算所需要的压力、温度值在屏幕上显示出来，其中温度控制点、范围和压力控制点和范围可以根据需要由用户进行增加和减少。
底层运行程序用VC编写，它是设备的驱动程序，主要是完成与两个控制器的通信联络，PCI卡的驱动等。它从两个控制器读取的数据可以在计算机屏幕上显示，同时也将相应的控制命令发下去，使整个系统按照预定的程序进行工作。
具体流程初始化后首先向压力和温度控制器发出通信联络信号；联络成功，屏幕提示用户是否对系统原始设定程序进行修改，无论修改否，最后确认操作完成，系统进入自动运行状态；恒温箱达到第一控制点并稳定，控制压力信号源发出相应的压力输出信号，在每点发出存储信号，控制箱内所有的传感器的嵌入电路存储各自的采集信号。采集完成，系统发升温信号；恒温箱达到第二控制点并稳定，控制压力信号源发出相应的压力输出信号，在每点发出存储信号，控制箱内所有的传感器的嵌入电路存储各自的采集的第二组信号；同理，系统发升温信号，控制箱内所有的传感器的嵌入电路存储各自的采集的第三组信号；采集完毕设备发出计算命令，被校的所有传感器根据采集的三组数据计算，得出各自的VOS，αVOS，S和αS四个参数；利用ICP技术存入各自的E2PROM，完成温度补偿修正参数计算和存储的全过程；控制系统卸压、降温，屏幕提示传感器温度补偿参数标定结束。
综上所述，本发明的核心是提出传感器温度漂移的数字化补偿的计算方程，电路设计，凡是应用本发明的包括硅压阻传感器元件和嵌入式控制电路和利用ICP技术将VOS，αVOS，S和αS四个补偿参数存入嵌入系统的非易失存储器及其计算公式的硅压阻传感器，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种ICP自动温度补偿硅压阻传感器，包括硅压阻传感器元件和嵌入式控制电路，其特征在于硅压阻传感器元件是恒压供电的传感器桥路，桥路的输出通过桥路输出放大电路与CPU的一路A/D脚连接，总桥路电压通过桥压放大电路与CPU的另一路A/D脚连接；CPU的三个I/O脚作为SPI接口，一个作为PWM输出，一个作为在线编程控制接口，(由)RAM存储器和由非易失存储器E2PROM构成的补偿参数存储器；将公式VO＝VOS+ΔT·αVOS+P(S+ΔT·αS)的计算程序存入CPU的ROM存储器构成补偿参数计算器，式中VO，压阻传感器的桥路输出电压；VOS，在参考温度下，传感器的零点输出；ΔT，传感器实际的温度与参考温度之差；αVOS，零点温度系数；P，传感器承受的压力；S，传感器的灵敏度系数；αS，传感器的灵敏度温度系数；补偿参数存储器内存有硅压阻传感器通过在-40℃～125℃之间的至少三个不同温度环境条件计算所得该传感器元件的的VOS、αVOS、S、αS等4个与温度补偿有关的参数。
2.根据权利要求1所述ICP自动温度补偿硅压阻传感器，其特征在于补偿参数存储器内存有硅压阻传感器通过在-40℃、20℃和125℃三个不同的温度环境条件计算所得该传感器元件的VOS、αVOS、S、αS这4个与温度补偿有关的参数。
全文摘要
本发明提供一种在电路可编程自动温度补偿硅压阻传感器，包括硅压阻传感器元件和嵌入式控制电路，硅压阻传感器元件是恒压供电的传感器桥路，桥路的输出通过桥路输出放大电路与CPU的一路A/D脚连接，总桥路电压通过桥压放大电路与CPU的另一路A/D脚连接；CPU的三个I/O脚作为SPI接口，一个作为PWM输出，一个作为在线编程控制接口，RAM存储器和由非易失存储器E
文档编号G01L19/04GK1699946SQ20051001868
公开日2005年11月23日 申请日期2005年5月12日 优先权日2005年5月12日
发明者杨晓林 申请人:江汉大学