摘 要:針對SiC高溫MEMS壓力傳感器易受溫度影響，產(chǎn)生零點(diǎn)漂移、測量誤差增大等問題，設(shè)計了一種溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)科恩-庫恩公式建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用參數(shù)自整定PID控制算法，克服了純 PID 控制有較大超調(diào)量的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一個溫度控制系統(tǒng)。利用Matlab仿真軟件的Similink模塊建立系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真和測試驗(yàn)證系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。解決了大溫度范圍下壓力傳感器難以補(bǔ)償?shù)膯栴}，使得壓力傳感器在高溫環(huán)境下的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，提高了壓力傳感器的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞:MEMS; 壓力傳感器; 溫度控制; 零點(diǎn)漂移

中圖分類號:TN911.7; TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)14-0157-02

Design of Temperature Control System for Pressure Sensors

GUO Jiang

(College of Information Engineering， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China)

Abstract: A temperature control system for the SiC MEMS pressure sensor is designed as the pressure sensor is susceptible to high temperature， and easy to result in zero drift， and measurement error increase. A mathematical model for the system is established according to Cohen-Coon formula. And finally a temperature control system is achieved with the parameter self-tuning PID control algorithm to overcome the shortcoming of a large overshoot adjustment of pure PID control. The Similink module simulation model was set up by the Matlab Simulation software system. The simulation and testing verifies that the system can meet the design demands. The pressure sensor is hard to be compensated within a large temperature range is solved， with which the application of the pressure sensor in high temperature environments is achieved and the stability of the pressure sensor is improved.

Keywords: MEMS; pressure sensor; temperature control; zero drift

0 引 言

在微電子器件領(lǐng)域，針對SiC器件的研究較多，已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，而在MEMS領(lǐng)域針對SiC器件的研究仍有許多問題亟待解決。在國內(nèi)，SiC MEMS的研究非常少，因而進(jìn)行SiC高溫MEMS壓力傳感器的研究具有開創(chuàng)意義。碳化硅(SiC)具有優(yōu)良的耐高溫，抗腐蝕，抗輻射性能，因而使用SiC來制作壓力傳感器，能夠克服Si器件高溫下電學(xué)、機(jī)械、化學(xué)性能下降的缺陷，穩(wěn)定工作于高溫環(huán)境，具有光明的應(yīng)用前景。

然而當(dāng)外界溫度較大時，壓力傳感器受溫度影響精度不高，會產(chǎn)生零點(diǎn)漂移等問題，從而增大測量誤差。于是嘗試加工一個腔體，把壓力傳感器和溫度傳感器放置在里面形成一個小的封閉腔體，在外界溫度較高或較低的情況下，用加熱裝置先升溫到幾十度并維持這一溫度，給壓力傳感器做零點(diǎn)補(bǔ)償，提高壓力傳感器的測量精度。這樣就克服了在大溫度范圍難以補(bǔ)償?shù)膯栴}。本文對這個溫度控制系統(tǒng)提出了解決方案，采用了PID參數(shù)自整定控制，模糊控制屬于智能控制方法，它與 PID 控制結(jié)合，具有適應(yīng)溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、時變等特點(diǎn)[1-3]。

1 硬件系統(tǒng)

用放置在腔體內(nèi)的溫度傳感器測量恒溫箱內(nèi)的溫度，產(chǎn)生的信號經(jīng)過放大后輸出反饋信號，再用單片機(jī)進(jìn)行采樣，由液晶顯示恒溫箱內(nèi)的溫度，并通過溫度控制算法控制加熱裝置。所使用的單片機(jī)為STC125408AD，自帶A/D轉(zhuǎn)換、EPROM功能，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(外部晶振20 MHz以下時，可省外部復(fù)位電路)，ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片[4]。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的控制模型

電加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象，可用一階慣性環(huán)節(jié)描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型[5-8] 。

G(S)=K/(t′S+1) (1)

式中:K為對象的靜增益;t′為對象的時間常數(shù)。

目前工程上常用的方法是對過程對象施加階躍輸入信號，測取過程對象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)。具體用科恩-庫恩(cohen-coon)公式確定近似傳遞函數(shù)。

cohn-coon 公式如下:

K=ΔC/ΔM

t′=1.5(t0.632-t0.28)

式中:ΔM為系統(tǒng)階躍輸入;ΔC為系統(tǒng)的輸出響應(yīng);t0.28為對象上升曲線為0.28ΔC時的時間(單位:min);t0.632為對象上升曲線為0.632ΔC時的時間(單位:min);從而求得K=0.96，t′=747 s。所以恒溫箱模型為:

G(S)=0.96/(747S+1) (2)

3 系統(tǒng)的控制模型仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

純 PID 控制有較大超調(diào)量;而純模糊控制由于自身結(jié)構(gòu)的原因又不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差較大。所以，考慮把它們兩者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。本論文采用參數(shù)模糊自整 PID 控制[9-10]。

使用該模糊控制器在 Simulink 中構(gòu)建整個控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖

溫度控制系統(tǒng)對應(yīng)仿真結(jié)果如圖3所示。

從上面的仿真結(jié)果表明:調(diào)節(jié)時間ts約為460 s，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0，超調(diào)量σ%=0。雖然仿真環(huán)境不可能與實(shí)際情況完全相同，但它的結(jié)果還是具有指導(dǎo)意義的。

圖3 給定值為80 ℃時溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線

在實(shí)際測試中前10 min每30 s采樣一次，后10 min每200 s采樣一次，測得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

時間 /s 溫度 /℃ 時間 /s 溫度 /℃

0 17.1 360 78.0

30 19.3 390 78.9

60 26.2 420 80.0

90 33.3 450 80.0

120 42.6 480 80.2

150 54.3 510 80.1

180 64.7 540 80.2

210 72.3 570 80.1

240 83.1 600 80.0

270 82.3 800 80.0

300 80.0 1 000 79.9

330 79.1 1 200 80.0

用Matlab軟件處理表1中的測試數(shù)據(jù)，繪制成變化趨勢圖，如圖4所示。

圖4 80 ℃時溫度控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為80 ℃時系統(tǒng)測得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)際測量中仍然有較小的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差，但是基本接近仿真結(jié)果，不能排除一些干擾因素。仿真畢竟是在理想的環(huán)境下進(jìn)行的。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種用于壓力傳感器的溫度控制系統(tǒng)，針對壓力傳感器在高溫下易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移等問題，加工了恒溫封閉腔體，把壓力傳感器置入其中，通過控制系統(tǒng)控制腔體內(nèi)的溫度，解決了高溫壓力傳感器大溫度范圍難以補(bǔ)償?shù)膯栴}，從而可以提高測量精度，通過仿真和實(shí)驗(yàn)相印證，本方案是可行的。

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