硅压阻式压力传感器在气压测量仪表中的应用设计

硅压阻式压力传感器在气压测量仪表中的应用设计丁妙增王聆勤（典浙江省气象技术装备中心,浙江杭州310017）摘要：本文全面介绍了硅压阻式压力传感器的基本原理以及内部结构、工作方式，据此原理本文设计了一款采用硅压阻式压力传感器和单片机设计的气压变送器，详细介绍了此变送器的电路构成和应用前景。关键词：气压；传感器；硅压力引言目前气象部门测量大气压力的仪器主要有：水银气压表、机械式空盒气压计、振筒式气压仪和应用于自动站的数字式气压表（vaisala220B）等几种。近年来随着自动站在气象部门的大量使用，大气压力的测量也开始由水银气压表、空盒气压表等传统测量仪器开始向数字式气压表过渡，数字式气压表应用最多的是振筒式气压仪，和硅压力气压仪（如（vaisala220B）。相对于振筒式压力仪来说，硅压力传感器有以下几个优点：体积小、抗干扰能力强、结构简单、成本低廉等特点。从工作原理上来分，硅压力传感器可以大体可分为电容式和压阻式两种，vaisala的220B就是采用电容式的工作方式，但是电容式的硅压力传感器市场上还比较少见，而且售价比较高；而扩散硅压阻式压力传感器却已经广泛的应用于工业测量、环境监测等方面，而且市场上有很多品牌，型号可供选择。主要型号有：motololampx2100；honeywellsensym系列；icsensors1210/1220/1240系列等。1．基本原理硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时（一般步于400微应变），其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化（G因子突变）。用此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯登电桥（Wheatstonebridge），利用硅材料的弹性力学特性，在同一切硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。再给传感器匹配一个放大电路及相关外围部件，使之输出一个标准信号，就组成了一台完整的变送器。等效原理图如图1:：图1硅压阻式压力传感器结构及等效原理图硅压阻式传感器一般对温度比较敏感，但随着集成工艺技术的进步，扩散硅敏感膜的四个电阻一致性也得到进一步提高，而且在新一代的传感器中，原始的手工补偿已被激光调阻、计算机自动休整等技术所替代，传感器的温度系数已经非常小了，工作温度范围也大幅度提高了；因为扩散硅压力传感器的感受、敏感转换和检测三位一体，却无机械动件连接转换环节，所以不重复性和迟滞误差很小；由于硅材料的刚性好，形变小，因而传感器的线性也非常好。因此综合表态精度很高；扩散硅敏感膜片的弹性形变量在微应变数量级，膜片最大位移量在来微米数量级，且无机械磨损，无疲劳，无老化，平均无故障时间长，性能稳定，可靠性高；由于扩散硅材料本身优良的化学防腐性能好，即使传感器受压面不隔离，就能在普通使用中适应各种介质，硅材料又与硅油有良好的兼容性，使它在采用防腐材料隔离时结构工艺更易于实现。加之它的低电压、低电流、低功耗、低成本和安全防爆的特点，可替代诸多同类型的同功能产品，具有最优良的性能价格比。2．典型电路硅压阻压力传感器的结构是惠斯登电桥，所以一般它的典型电路可分恒流驱动和恒压驱动两种。恒压驱动典型电路如图2：图2恒压驱动典型电路图中Vaef是基准电压，其输出电压为1.235伏，5，6脚接的是个电流补偿电阻，通过它的阻值变化来调整输入电桥的电流的大小，A2和A3s是固定放大倍率的差分放大器。恒流驱动典型电路如图3：图3恒流驱动典型电路图中VR是稳压管,其电压为E0，运放的俩个输入端之间的电压为e0，根据基尔霍夫定律，R2两端的电压UR2=E0-e0,e0相对于E0非常小（典型值E0=1.235V；而e0是几个mV，相差千倍）。假设流过电桥的电流为I0，由于运放的输入电流非常的小，因此流过R2的电流几乎等于I0，我们可以得出如下的近似计算公式：I0=(E0-e0)/R2（在工程应用中恒流源的数值一般就是基准电压E0于电阻R2的比值）。以上电路根据型号不同，对应的应用于不同型号的传感器，以ic-sensors公司的产品为例（分别是1210，1220）：1210是恒流驱动的，所以它适用于图3，此时传感器的r作为增益调整电阻。1220是恒压驱动的，它适用于图2，补偿电阻r的作用是控制桥的电流。在设计电路之前一定要先看清楚使用手册，以免出错。3设计与应用我们以icsensors的1220恒压驱动的硅压阻压力传感器为例，设计气压变送器，包括模拟和数字两个部分，以下重点讲述模拟部分。模拟部分原理图如图4，主要的元器件有：LM285(电压基准)、OPA2335(零漂移运放)，AD623(低噪声仪表专用运放)，以及传感器ICS1220组成图4气压变送器模拟部分原理图我们对ICS1220的性能指标做一个简单的介绍：±0.1%非线性，±0.5温度误差，1%互换性，满刻度输出50mV，量程0--1100hpa(0--15psi),典型驱动电流2mA，温度补偿范围0--50℃，工作温度范围：-40--125℃。同时还提供一个激光刻蚀的电阻用于调节传感器电桥的激励电流来校正传感器的灵敏度放大倍数。从以上的技术指标可以看出1220压力传感器具有比较优秀的性能和较低的功耗。如图LM285是电压基准芯片，它提供一个非常稳定的基准电压，这对于传感器的精度影响至关重要，要选取精度高、温度漂移小的芯片（LM285的精度是1%,温度漂移150ppm/℃），LM285提供基准电压为1.235V，OP2335的最大特点是几乎无零点漂移（ZERODRIFT:0.05μV/°C（max））、低偏置电压（5uV(max)）,两块芯片一起组成了高精度的恒压源，电桥的工作电流:I0=VREF/RW;(VREF为1.235V,RW为调节电阻，位于1220的5，6脚)AD623是仪表专用运放，差分输入，差分输出，具有很高的共模抑制比，可以很好的抑制来自电源等其他方面的噪声的干扰，它的增益计算公式是：G=1+(100k/RG);这里我们RG取10K，可计算出放大器的增益为11，按照1220手册，电桥最大输出为50mV，AD623的输出范围为：0--550mV。数字部分是以单片机msp430F425为核心的数字处理系统，由于msp430F425内部已经集成了16位A/d；串口，118段液晶驱动，所以几乎不需要外围器件，大大节约了成本。数字部分的主要流程是：a/d转换，线性补偿，温度补偿，液晶显示，串口发送。4结语以上电路通过实际测试，在经过线性补偿，温度补偿后，整个系统的精度有了显著的提高，取样测试发现精度小于0.5hPa，远远好于空盒气压表（精度为2hPa），接近VAISALA220B（精度为0.3hPa），并具有很高的长期稳定性，达到了高精度、低成本的目的，可以在农业，林业，水文等单位的大气压力测量中使用。