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基于模型识别技术的高温微型压力传感器电路设计方案

2018年02月10日 16:41 次阅读

压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主,以弹性元件的形变指示压力,但这种结构尺寸大、质量轻,不能提供电学输出。随着半导体技术的发展,半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展,半导体传感器向着微型化发展,而且其功耗小、可靠性高。

高温压力传感器是为了解决在高温环境下对各种气体、液体的压力进行测量。主要用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、井下压力和各种发动机腔体内的压力、高温油品液位与检测、油井测压等领域。目前,研究比较多的高温压力传感器主要有SOS,SOI,SiO2,Poly2Si等半导体传感器,还有溅射合金薄膜高温压力传感器、高温光纤压力传感器和高温电容式压力传感器等。半导体电容式压力传感器相比压阻式压力传感器其灵敏度高、温度稳定性好、功耗小,且只对压力敏感,对应力不敏感,因此,电容式压力传感器在许多领域得到广泛应用。

1器件的基本组成及制作工艺

硅电容式压力传感器的敏感元件是半导体薄膜,它可以由单晶硅、多晶硅等利用半导体工艺制作而成。典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时,薄膜会发生一定的变形,因此,上下电极之间的距离发生一定的变化,从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系,因此,要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。由于高温压力传感器工作在高温环境下,补偿电路会受到环境温度的影响,从而产生较大的误差。基于模型识别的高温压力传感器,正是为了避免补偿电路在高温环境下工作产生较大误差而设计的,其设计方案是把传感器件与放大电路分离,通过模型识别来得到所测环境的压力。高温工作区温度可达350℃。传感器件由铂电阻和电容式压力传感器构成。其MEMS工艺如下:

高温压力传感器由硅膜片、衬底、下电极和绝缘层构成。其中下电极位于厚支撑的衬底上。电极上蒸镀一层绝缘层。硅膜片则是利用各向异性腐蚀技术,在一片硅片上从正反面腐蚀形成的。上下电极的间隙由硅片的腐蚀深度决定。硅膜片和衬底利用键合技术键合在一起,形成具有一定稳定性的硅膜片电容压力传感器[2]。由于铂电阻耐高温,且对温度敏感,选用铂电阻,既可以当普通电阻使用,又可以作为温度传感器用以探测被测环境的温度。金属铂电阻和硅膜片的参数为:0℃时铂电阻值为1000Ω;电阻率为1.0526316&TImes;10-5Ω。cm;密度为21440kg/m3;比热为132.51J/(kg.K)、熔断温度为1769℃,故铂电阻可加工为宽度为0.02mm;厚度为0.2μm;总长度为3800μm,制作成锯齿状,可在幅值为10V的阶跃信号下正常工作。电容式压力传感器的上下电极的间隙为3μm、圆形平板电容上下电极的半径为73μm、其电容值为50pF.

2基于识别技术的模型及其仿真

对于一个系统,其方程式为

UO(s)=G(s)Ui(s),

其中UO(s)和Ui(s)分别为输出和输入信号,当输出、输入信号及系统的阶数已知,可以通过计算机按一定的准则来识别G(s)的模型参数,为模型识别。本文主要阐述应用模型识别的方法来确定处于高温环境下的电容式压力传感器的电容值。

2.1电路模型

基本电路是由一个金属铂电阻和一个电阻式高温压力传感器构成(如图2)。

金属铂电阻对温度变化敏感,若选用零度时电阻值为1000Ω、温度系数为3851&TImes;10-6/℃的铂电阻,其温度变化范围从-50~350℃时,相应的电阻从803.07~2296.73Ω。由电阻的变化可测得环境的温度。压力传感器在不同压力下有不同的电容值,因此,在同一温度下,输入同一交流电压信号时,其输出信号不同。

2.2系统在时域范围的算法

图2电路所示的一阶系统的传递函数为

式中UO为输出信号;Ui为输入信号;R为电阻;C为电容;t为时间。

利用MATLAB绘制单位阶跃响应曲线如图3.

从图3中可看出,该系统稳定、无振动。响应曲线的斜率为:

对式(2)进行变换得

从式(3)得,以lg[1-UO(t)]为纵坐标,t为横坐标,可得出通过原点直线,从直线的斜率可求得常数RC的值,已知R则可得出C,从而得出压力。

2.3模型识别

基于上述思想,若已知输入、输出信号,可通过曲线拟合及线性回归法得出RC.对式(3)进行拟合,在拟合过程中,加入一定的白噪声。若R=1000Ω,电容C=50pF,则拟合曲线如图4所示。

拟合参数最大时为5.037&TImes;10-8,最大相对误差为0.78%.当温度变化时,金属铂电阻值发生变化,在不同的温度下拟合的电容值和温度的关系如表1所示(加入1%的白噪声)。

1可见,拟合的电容误差小于1%.由此可见,在不同的时刻测得UO(t),通过曲线拟合得出参数RC.再给电路加小信号直流电源,测出R值,即求得C,通过C值则可知被测环境的压力。图5为350℃时,不同的压力所对应的电容的理论值和实验值,从实验数据(表2)可得,在测压的过程中,利用模型识别的方法,误差较小,其测压误差小于2%.

3结束语

基于模型识别技术的高温微型压力传感器电路简单、工艺成本较低、体积小、可批量生产、准确度高。该传感器避免了电阻式高温压力传感器的自补偿电路在高温环境下工作时热灵敏度漂移引起的误差,也避免了其它电容式高温压力传感器非线性补偿电路在高温环境下工作。该传感器适合在各种高温环境下测量气体或液体的压力。

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发表于 2018-03-27 15:36 264次阅读
德州仪器RF CMOS雷达技术助推ADAS

艾迈斯半导体(ams)专注传感器2017收入同比...

随着物联网、辅助驾驶及工业4.0等概念的深化,全球的传感器市场空间再一次被扩宽,2017年全球传感器...

发表于 2018-03-27 15:24 260次阅读
艾迈斯半导体(ams)专注传感器2017收入同比...

传感器的三个分类,什么是人工智能传感器?

“IoT应用非常细分,因为这里面有很多很多类型的传感器会被使用到。包括惯性、压力、温湿度、气体传感器...

发表于 2018-03-27 15:19 395次阅读
传感器的三个分类,什么是人工智能传感器?

绿米推出Aqara人体传感器(光感):2年无需换...

作为小米生态链企业,小米插座的出品方,绿米科技大家都不会陌生。 绿米之前曾推出号称史上最强智能家居组...

发表于 2018-03-27 14:35 201次阅读
绿米推出Aqara人体传感器(光感):2年无需换...

探讨Zigbee中的轮询机制及其在火灾报警传感器...

了解 Zigbee 标准中的轮询特性有助于优化物联网 (IoT) 产品的功耗。本篇博文将进一步探讨 ...

发表于 2018-03-27 14:12 296次阅读
探讨Zigbee中的轮询机制及其在火灾报警传感器...

了解车内温度是怎么通过传感器控制的

无论是酷暑还是寒冬,利用汽车加热冷却系统,乘客始终可以享受到舒适的车内环境。在不同类别的车辆中,这些...

发表于 2018-03-27 13:09 87次阅读
了解车内温度是怎么通过传感器控制的

关于基恩士的颜色传感器的用法

发表于 2018-03-27 12:03 225次阅读
关于基恩士的颜色传感器的用法

从传感器到人工智能——盘点一些常见的传感器

温湿度传感器只是传感器其中的一种而已,只是把空气中的温湿度通过一定检测装置,测量到温湿度后,按一定的...

发表于 2018-03-27 10:59 473次阅读
从传感器到人工智能——盘点一些常见的传感器

乐心手环ZIVA plus入手体验及评价

大言不惭点说,我也算是手环老司机用户了,从小米手环1代,bong2HR,埃微i6HR,到目前正在佩带...

发表于 2018-03-26 16:42 608次阅读
乐心手环ZIVA plus入手体验及评价

光电编码器基础--脉冲量输入

增量式光电编码器输出 A、B 两相相位差为 90°的脉冲信号(即所谓的两相正交输出信号),根据 A...

发表于 2018-03-26 15:24 244次阅读
光电编码器基础--脉冲量输入

从光电技术角度看自动驾驶

激光雷达和与之竞争的传感器技术(相机、雷达和超声波)加强了对传感器融合的需要,也对认真谨慎地选择光电...

发表于 2018-03-26 15:13 386次阅读
从光电技术角度看自动驾驶

虚拟仪器在位移测试系统中的应用

发表于 2018-03-26 14:27 201次阅读
虚拟仪器在位移测试系统中的应用

无人驾驶技术主要有几种技术组成

目前无人驾驶技术的实现主要是基于激光传感技术或者是超声雷达技术等,经过十余年的研究探索,许多机构和公...

发表于 2018-03-26 13:53 354次阅读
无人驾驶技术主要有几种技术组成

坚实的技术底蕴成就物联网创新事业

从1985~1999年,堪称PC与互联网蓬勃兴起的时期,对我们而言,也是经济起飞的美好年代。在当时,...

发表于 2018-03-26 12:25 79次阅读
坚实的技术底蕴成就物联网创新事业

回收安捷伦U8487A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:31 70次阅读
回收安捷伦U8487A功率传感器

回收安捷伦U8488A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:30 89次阅读
回收安捷伦U8488A功率传感器

回收安捷伦U8481A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:26 70次阅读
回收安捷伦U8481A功率传感器

回收安捷伦U8485A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:22 70次阅读
回收安捷伦U8485A功率传感器

回收安捷伦U2020平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:17 72次阅读
回收安捷伦U2020平均功率传感器

扫地机器人的工作原理及传感器的作用

随着人们生活水平的提高,健康、舒适的家居环境越来越被更多的人所关注。买房、装修成为人们茶余饭后谈论...

发表于 2018-03-26 10:16 149次阅读
扫地机器人的工作原理及传感器的作用

回收安捷伦U2022XA平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:10 70次阅读
回收安捷伦U2022XA平均功率传感器

回收安捷伦U2000A 功率传感器

发表于 2018-03-26 10:08 61次阅读
回收安捷伦U2000A 功率传感器

如何测试这些高分辨率传感器和系统的性能?

当然,完整的系统测试中要比这套IR LED数组更复杂;除了相当数量的设备外,还需要更多的人员投入以及...

发表于 2018-03-26 08:36 193次阅读
如何测试这些高分辨率传感器和系统的性能?

牙齿上的传感器:生物感应材料监测每日摄入的糖、盐...

传感器由三个夹层组成,里外两层各为两个方形金属环,中间层由生物感应材料构成,生物感应材料可以有效地吸...

发表于 2018-03-25 16:43 899次阅读
牙齿上的传感器:生物感应材料监测每日摄入的糖、盐...

瞄准碎片化IoT市场,看清Bosch在传感器领域...

据Bosch Sensortec MEMS产品领域的总负责人Ralf Schellin先生指出,Bo...

发表于 2018-03-25 11:55 1591次阅读
瞄准碎片化IoT市场,看清Bosch在传感器领域...

Synaptics Clear ID光学屏幕指纹...

全球领先的人机界面解决方案开发商Synaptics(NASDAQ:SYNA)今日宣布其FS9500 ...

发表于 2018-03-24 11:56 1594次阅读
Synaptics Clear ID光学屏幕指纹...

Uber撞人致死,无人驾驶还缺远红外热成像传感器

一辆 Uber 的自动驾驶汽车在亚利桑那州坦佩市的公共道路上与一名行人相撞,该行人在送往医院后不治身...

发表于 2018-03-24 11:13 461次阅读
Uber撞人致死,无人驾驶还缺远红外热成像传感器

加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器

本发明提供了一种加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构及方法,以解决传统复合传感器芯片结构尺寸...

发表于 2018-03-23 10:20 426次阅读
加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器

遥感卫星特殊的夜视传感器扫描夜晚的地球表面获取微...

我们把2012~2014、2015~2017年分成两组,绘制出变化检测图,其中黑白(灰色)的是没有变...

发表于 2018-03-23 09:26 379次阅读
遥感卫星特殊的夜视传感器扫描夜晚的地球表面获取微...

可穿戴、AR/VR、IoT领域如何解决用户痛点

据IDC预计,全球物联网(IoT)支出在2018达到7725亿美元,超过原先预计在2020达到的1兆...

发表于 2018-03-23 09:21 716次阅读
可穿戴、AR/VR、IoT领域如何解决用户痛点

工业过程中的高端测试/测量系统设计

作为真实世界信号与现代数字信号处理功能电路之间的关键使能接口精准模数转换器,广泛应用于工业过程中的高...

发表于 2018-03-23 09:04 1155次阅读
工业过程中的高端测试/测量系统设计