一种宽量程气压传感器的接口电路设计与测试标定*

秦晓霞,高 艳,余辉洋,聂 萌

(东南大学电子科学与工程学院MEMS教育部重点实验室,南京 210096)



一种宽量程气压传感器的接口电路设计与测试标定*

秦晓霞,高 艳,余辉洋,聂 萌*

(东南大学电子科学与工程学院MEMS教育部重点实验室,南京 210096)

高空探测气压传感器,其特点是测量量程宽,满足常压到极低压(10 hPa)测量,因此,专用型压阻式气压传感器输出信号检测与数模转换接口电路的设计,是推广高空探测气压传感器应用的关键技术之一,具有十分重要的现实意义和广阔的使用前景。本文针对宽量程检测特点设计了压阻式气压传感器专用接口电路,解决了传感器微小电阻变化量的检测问题,并对传感器性能进行测试分析与标定,可实现传感器全量程误差不超过2.6 hPa,并实现数字化输出,完成传感器接口电路设计。

高空探测;气压传感器;性能测试;接口电路;数字化输出

随着我国气象现代化建设的飞速发展,保证高空气象探测数据的及时性、准确性和可靠性变得十分迫切。气压传感器是一种小型化检测装置,能感受到被测量的压力信息,并将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求[1]。而压阻式气压传感器与电容式气压传感器相比,具有灵敏度高,分辨率高,动态特性好,易于小型化等特点,在高空大气探测中得到广泛的应用。

对于高空探测气压传感器,其特点是测量量程宽,需要满足常压到极低气压(10 hPa)测量,因此,专用型压阻式气压传感器输出信号检测与数模转换测试电路的设计便成为推广高空探测气压传感器应用的关键技术之一,具有十分重要的现实意义和广阔的使用前景。

本文针对硅压阻式气压传感器进行了专用接口测试电路的设计,解决了传感器从常压到低压10 hPa气压测试量程范围内微小电阻变化量的检测问题,并且对传感器性能进行测试分析与标定,实现全量程内气压误差不超过2.6 hPa,最终实现气压数字化输出,完成传感器接口电路设计。

1 压阻式气压传感器

1.1 气压传感器的结构设计

压阻效应于1865年由Lord Kelvin首先发现,现在这个原理广泛应用于传感器原理中。当传感器薄膜结构上的压敏电阻受到外界压力作用时会产生形变,使电阻率发生变化从而引起电信号的改变,这就是压阻式压力传感器的工作原理。由此可见,压敏电阻的变化与受到的压力大小和压阻系数有关[2]。

本文中的气压传感器是基于硅的压阻效应[3]设计的,制备的气压传感器芯片结构截面图如图1所示。传感器结构由一个单晶硅弹性薄膜和集成在膜上的4个压敏电阻组成,4个电阻形成了惠斯通电桥结构[4],当有气压作用在弹性膜上时电桥会产生一个与所施加压力成线性比例关系的电压输出信号。

图1 气压传感器芯片横截面图

图2 工艺流程图

1.2 气压传感器制作工艺流程

图2给出了制备传感器的主要工艺流程。图3为传感器结构SEM图。

图3 传感器SEM照片

整个流程主要是采用硅表面微加工工艺[5]。与传统的压阻式压力传感器的加工方法相比,该工艺流程采用了外延单晶硅硅膜的工艺进行真空腔密封,这种方法可以克服传统的湿法刻蚀工艺的缺点,加工出的单晶硅膜具有很好的机械性能。

①首先,对硅衬底采用各向异性干法刻蚀,刻蚀出一道道约5 μm深的浅槽。然后采用各向同性干法刻蚀,使浅槽下方形成一个连通的腔。②采用外延工艺,在衬底上进行单晶硅外延,并利用外延的硅材料将浅槽完全封住,从而在下面形成一个接近真空的密封腔。外延工艺如下:温度为1 135 ℃,采用的是H2,PH3等气体,外延时的真空度为80 torr。③在对外延硅层的局部区域进行小剂量硼离子注入。该部工艺主要是为了制作压敏电阻,压敏电阻主要位于膜四边的中央。④对局部区域进行大剂量硼离子注入。该步工艺主要是要实现压敏电阻条之间的欧姆连接,并为压敏电阻的引出做准备。⑤在硅片表面生长一层氧化层及氮化层,用作绝缘介质层。⑥对氧化层和氮化层光刻并图形化,形成接触孔。⑦溅射金属层并光刻图形化,形成引线及压焊块。

2 测试电路设计

此压阻式气压传感器,压敏电阻初始电阻值为163 Ω,满量程输出电阻变化最大为9 Ω,针对此微小阻值变化量,本文中设计了一款专用接口测试电路。该测试电路主要包括STM32系列单片机及ADS1247模/数转换模块和液晶显示模块。电路应用时将惠斯通电桥输出节点与测试电路连接起来,通过硬件和软件的结合实现外界气压信号的检测并转化为数字电信号进行输出[6-7],读数在LCD显示屏上进行显示,测试电路板的说明如图4所示,针对部分重要模块的电路设计在下文说明。

图4 测试系统模块

2.1 电源电路设计

测试系统中需要用到3.3 V和5 V两种电压(选用的STM32单片机规定工作电压为2.0 V～3.6 V,ADS1247数/模转换模块模拟电源部分供电电压为5 V),根据测试电路元件的需求,采用国产LM2940-5和LM1117-3.3两个稳压模块来进行电源供电的设计[7-8]。

LM2940-5和LM1117-3.3两个模块都属于输出电压固定的低压差三端稳压器,前者输出电压是5 V后者输出电压是3.3 V,并且内部都有设计电流限制和过热保护电路,他们的输入端和输出端都需要连接一定的电容来改善瞬态响应和稳定性。电源设计电路如图5所示。

图5 电源电路原理图

2.2 ADS1247模/数转换电路设计

ADS1247是TI公司推出的一种高性能、高精度的24位模拟数字转换器[9-10]。ADS1247单片集成一个单周期低通数字滤波器和一个内部时钟、一个精密(ΔΣ)ADC与一个单周期低通数字滤波器和一个内部时钟。内置10mA低漂移电源参考和两个可编程电流型数字模拟转换器(DAC)。通过程序设置,在输出电压裕度内,DACS可为外部提供多种强度的电流,分别为50 μA、100 μA、250 μA、500 μA、750 μA、1 000 μA、1 500 μA。除此之外,ADS1247还具有一个可编程放大器(PGA),放大倍数可设置为1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍。

本测试系统采用ADS1247模/数转换模块对传感器的输出的电信号进行转换处理。ADS1247的电路原理图如图6所示。

图6 ADS1247电路连接原理图

图6中,SCK、MOSI、MISO、DRDY、CS为ADS与单片机的通信端。CS为选片,单片机通过这个引脚来实现对ADS模块的选择。

测试中,参考电压为1400mV,传感器的输出端分别接入两个电流端口,测试中通过软件中设置ADC的两个电流大小分别0.05 mA,对两个电阻进行供电,并得到这两端的电压之后进行64倍放大,数字转化的数学计算方法是将参考电压转换为24位二进制数,然后通过测得的惠斯通电桥电压差占据参考电压的比例来计算,最终实现了传感器的数字输出。由此可知电压的测量精度可以达到0.000 1 mV。

在软件程序设计中采用连续读取10个输出电压转换数据,进而求平均值的方法来减小误差,增加准确性。程序如下:

temp=Read_Ads1247();//读取adc数字信号

voltage+=fabs((float)temp/(8388607)*(14*0.1)

*1000); //数字转换为电压并求和

voltage/=10; //求平均

其中,电流的设定和放大倍数的设定是通过对ads1247中的寄存器设定实现的,具体程序如下:

ADS1247WREG(SYS0,0x63);//64倍增益

ADS1247WREG(IDAC0,0x01);//0.05mA电流

2.3 STM32单片机

本测试系统中处理器选用了具有Cortex-M3内核的STM32F103C8芯片,它是ST公司推出STM32F103x8系列中的一款芯片[10-12],这里使用的单片机具体型号是STM32F103C8T6,采用LQFP48封装,它使用高性能的32位RISC内核,工作频率是72 MHz,内置高速存储器,增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设,包含有2个12位的ADC,3个通用16为定时器和1个PWM定时器,还包含标准和先进的通信接口。

STM32F103C8T6所需的供电电压是2.0 V～3.6 V,包含-40 ℃～+85 ℃温度范围和-40 ℃至+105 ℃的扩展温度范围,满足了用用要求。

传感器测试电路框图如图7所示。

图7 传感器测试电路示意图

3 气压传感器性能测试分析

气压传感器作为一种高空探测的工具,它的性能好坏直接影响到高空探测的准确性,针对本传感器结构进行测试并从数据中对气压传感器的灵敏度、线性度、测试精度进行了分析及拟合修正[13]。

在传感器的测试过程中,测试的气压范围是5 hPa～1 000 hPa,在气压低于100 hPa时候,气压每降低10 hPa作为一个测试点,高于100 hPa时候,气压每升高100 hPa作为一个测试点,读出在每个测试点处的电压值(电压值为放大64倍之后的值),并且通过线性插值法将电压值转换为气压值。表1中列举了T=25 ℃时部分测试结果。

表1 T=25 ℃时传感器测试结果

线性插值法的软件实现如下:

Static float air[12]={5,10,30,50,70,90,100,

200,400,600,800,1000};//设定气压值

Static float v[12]={-70.09,-67.19,53.48,-39.83,-25.93,-12.12,3.25,63.64,200.7,337.56,474.13,610.23}; //与气压值对应的标定电压值

while(voltage>v[j])

{j++;}

Air_pressure=(int)(voltage*(air_pre[j]-air_pre[j-1])/(v[j]-v[j-1])+(air_pre[j-1]*v[j]-air_pre[j]*v[j-1])/(v[j]-v[j-1])); //分段线性插值求输出气压值

将大量的测试数据采用最小二乘法绘制成曲线以方便直观把握传感器的输入输出特性,如图8所示的是传感器在温度为25 ℃时输出电压与输入气压的关系曲线,曲线显示传感器的输出电压与气压之间具有良好的线性关系。

图8 T=25 ℃时气压大小与输出电压曲线

实验中对压力传感器特性进行多次测量,并对大量采集数据进行数据分析,得出气压传感器的性能参数如表2所示。

表2 T=25 ℃时气压传感器特性

对传感器进行多次重复性测试的基础上,通过线性插值法将电压值转换为气压值,实现了传感器的数字输出,如表1所示为部分实验结果,大量结果显示出实验测试气压值与真实气压值之间的误差不超过2.6hPa,气压输出曲线如图9所示,图中直观显示该气压传感器的性能。

图9 真实气压值与传感器输出气压值曲线

4 结束与讨论

①本文针对一种压阻型气压传感器,设计了专用型压阻式气压传感器输出信号检测电路,实现了微小电阻变化量的检测。②对传感器进行测试,并对数据进行了详细的分析和拟合修正,实现全量程范围内误差不超过2.6 hPa,完成传感器的性能测试与标定。③通过软硬件结合进行数模转换,实现传感器的数字输出,完成传感器的接口电路设计。

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The Design of the Interface Circuit for a Wide Range Barometric Pressure Sensor*

QINXiaoxia,GAOYan,YUHuiyang,NIEMeng*

(Key laboratory of MEMS of Ministry of Education,School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

The barometric pressure sensor for high altitude detection,is usually made to achieve to measuring wide range of air pressure from atmospheric pressure to ultra low pressure(10 hPa). Therefore,a special interface circuit aimed to realize the output signal detection and analog to digital conversion,is very critical for the application of the barometer used in high altitude detection. In this paper,a new special circuit for piezoresistive pressure sensor is designed,which can successfully solve the problem of detecting the small change of resistance,and can be used in the detection of pressure within a wide pressure range. The performance of the pressure sensor is analyzed and calibrated. Besides,the digital output of sensor is realized,and the error is less than 2.6 hPa within the whole measurement range.

high altitude detection;barometric pressure sensor;the performance test;the interface circuit;the digital output

秦晓霞(1990-),女,硕士研究生,研究方向为MEMS传感器结构及接口电路研究,932847589@qq.com;

聂 萌(1980-),女,副教授,研究方向为MEMS/NEMS传感器设计、工艺、封装研究,m_nie@seu.edu.cn。

项目来源:国家863项目(项目号:2012AA040502)

2015-01-11 修改日期:2015-02-16

C:7320R

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.004

TP212.1

A

1004-1699(2015)03-0320-05