余劍鋒，譚曉蘭

(北方工業(yè)大學機電工程學院，北京 100144)

0 引言

壓阻式壓力微傳感器是應用最廣泛的壓力傳感器之一。它是利用硅的壓阻效應和微電子技術制成的，具有靈敏度高、動態(tài)響應好、準確度高、易于微型化和集成化等特點，是獲得廣泛應用且發(fā)展迅速的一種傳感器，而對傳感器進行測試主要是為了檢測傳感器的指標從而判斷該傳感器是否為合格產品。本文基于壓阻式壓力微傳感器設計了一種測試裝置，并通過對原型器件的測試，對比測試結果與器件設計參數檢驗了測試裝置的可靠性。

1 壓阻式壓力微傳感器的結構

1.1 傳感器的基本結構

壓阻式壓力微傳感器的性能與結構和制造工藝有著密切的關系，而傳感器基本結構的確定應同時考慮性能和工藝可行性這兩個因素，考慮到現有的實驗條件，因此我們采用了如圖1 相類似的結構形式［1］。

圖1 硅微壓力傳感器結構示意圖

其中1為電阻條敏感元件，其電阻率隨應力的變化而變化;2為該電阻與襯底間的絕緣隔離層，我們采用二氧化硅薄膜;3為電極;4為支撐層硅襯底，它從背面經各向異性腐蝕制成壓力窗口。為了防止二氧化硅與硅襯底間的剝離，硅杯腐蝕口的頂端可保留很薄的硅層?？梢姡瑲埩艄鑼拥暮穸圈?也會影響壓力傳感器測量的范圍。

2 測試裝置的設計

2.1 測試裝置總體設計

為了初步測試該傳感器的性能，我們設計了如圖2所示的測試裝置。壓力容器為圓筒形，材質為PMMA，可以滿足真空強度要求。壓力傳感器用粘合劑粘在金屬墊片上，墊片下面則與溫控裝置連接。通過對溫控系統(tǒng)的外部輸入，來控制傳感器的工作溫度。壓力容器一側與壓力計和壓力控制裝置相連，另一側裝有閥門。通過向容器內抽入或抽出氣體可造成傳感器處于正負壓力下的兩種工作狀態(tài)。傳感器內部產生電信號，外部則與測試電路連接采集測量輸出信號。傳感器外部有保溫罩與外界隔離，防止外界環(huán)境不穩(wěn)定因素影響測試結果。其中壓力控制部分采用由上海慕泓真空設備有限公司生產的DM 系列直聯旋片式真空泵，抽氣速率為2L/s，轉速為1400r/min。

圖2 裝置結構圖

2.2 傳感器接口電路設計

主要針對的是傳感器輸出信號的檢測電路設計。微壓力傳感器對壓力感應后，將壓力轉換為模擬的電信號輸出，此輸出信號不能直接由單片機處理，需要經A/D 轉換為數字量，單片機再對此數字量進行處理。

(1)設計一種由兩個集成運放串聯的差分比例運算電路對信號進行放大。相對于單個集成運放構成的放大電路，差分比例放大電路在電阻的選取和調整上更加方便，通過改變電阻來實現不同的增益。

(2)選用AD7680 對輸出電壓進行采樣測量。AD7680是一款16 位、快速、低功耗、逐次逼近型ADC，采用2.5V ～5.25V 單電源供電，最高吞吐量可達100 kSPS。AD7680 內置一個低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理100 kHz 以上的輸入頻率。其中REF195 作為電壓源提供穩(wěn)定的基準電壓，可提供不大于30mA的電流保護。

(3)單片機接口電路選用ATmegal6 作為主芯片。ATmegal6是一款高性能、低功耗的AVR 8 位微處理器，具有先進的RISC結構，有著豐富的指令集以及32個通用工作寄存器。本設計的單片機連接電路如圖4所示，輸入信號為經過轉換的模擬電壓，單片機進行計算處理后輸入到液晶顯示出相應的壓力值。

圖3 信號放大電路

圖4 單片機接口電路

2.3 溫控系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)主要由單片機，溫度采集電路以及溫度控制回路組成。當采樣周期到達時，由溫度傳感器DS18B20 檢測壓力腔內實際溫度，將檢測到的信號轉換成數字信號送給單片機ATmegal28，單片機將采集到的溫度信號與設定溫度值進行比較，根據偏差信號進行PID 控制運算，得出相應輸出量，再通過控制繼電器的通斷來控制加熱器進行加熱或停止加熱，從而控制壓力腔內的溫度，使傳感器的實際工作環(huán)境溫度向著給定溫度變化并最終達到給定溫度。其系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結構圖

2.3.1 硬件設計

(1)數據處理部分采用AVR 系列的ATmegal28 單片機，ATmega128 芯片是一款基于RISC結構的8 位低功耗CMOS微處理器。因為該芯片先進的指令集以及其單周期的指令執(zhí)行時間，微控制器ATmega128的數據吞吐率可以高達1MIPS/MHz，可緩減系統(tǒng)在功耗以及處理速度之間的矛盾。片內還集成了4kB的SRAM、128kB的Flash、4k 字節(jié)的EEPROM，兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8 位定時器/計數器和兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器，以及片內高精度RC 振蕩器等多種功能的接口。megaAVR 系列單片機的性能完美，功能強大，使用非常方便。

(2)溫度采集部分采用DS18B20 數字溫度傳感器，使用時無需外部器件，以計數器原理工作，直接讀出數字量，工作可靠，精度高，且可編程設定9 ～12 位的A/D 轉換精度。還可設定非易失的報警上下限值，一旦測量溫度超過此設定值，即可給出報警標志。DS18B20 適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域，溫度測量范圍為－55℃～+125℃。

(3)溫度控制部分用I/O 線將單片機與繼電器相連接，通過程序輸出經功率放大后控制繼電器導通時間的長短來完成對加熱裝置的控制。

2.3.2 軟件設計

單片機接收到采集的數據，經過PID 運算計算控制量，再向外部傳送溫度信息量。其中PID 控制算法是關鍵。

本控制系統(tǒng)使用的是數字PID 控制器，這是一種線性控制器，它將設定值與測量值之間偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。本文選用增量式PID 控制算法，經典的數字PID 增量型算式為［2］:

其中，Δun為控制增量;Kp為比例系數;KI為積分系數;KD為微分系數;en為系統(tǒng)偏差。比例環(huán)節(jié)成比例的反應控制系統(tǒng)的偏差信號e，一旦偏差產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。微分環(huán)節(jié)能反應偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得過大之前，在系統(tǒng)中引入一個修正信號，從而加快系統(tǒng)的調節(jié)速度，減少調節(jié)時間。

圖6 即為整個設計的流程圖，大致分為五個模塊:初始化模塊，鍵盤輸入模塊，LED 數碼管顯示模塊，A/D和D/A轉換模塊以及PID算法模塊。初始化模塊完成I/O的設置、定時器設置;鍵盤輸入模塊完成參數設定;A/D 模塊對模擬量進行采集，轉換成數字量，D/A 轉換模塊則把數字量轉換成模擬量;顯示電路模塊依據狀態(tài)完成溫度或參數的顯示;PID算法模塊完成PID 參數值的自整定以及PID算法的計算。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

3 測試結果

我們利用設計的測試裝置測量了實驗室設計制作的壓阻式傳感器的性能。傳感器的電橋為半橋形式，彈性膜片邊長為2mm，厚度30μm，方塊電阻約250Ω，輸入電壓5V。表1為室溫下傳感器設計時的模擬值以及輸入輸出的測量值?？梢?，實驗測量結果與傳感器設計時的模擬值相差較小，誤差在可接受范圍內。

表1 室溫下傳感器輸入輸出的測量值與模擬值

(1)將傳感器在不同溫度下的輸出電壓進行測量，得到如表2所示的電壓值，可見環(huán)境溫度越高，輸出電壓值越小。

(2)靈敏度是衡量壓力傳感器質量的重要指標之一，一般對應于傳感器輸出特性曲線的斜率。壓力傳感器的靈敏度S 可由下式表示:

式中:UB為外加激勵電壓，PN為傳感器量程上限，UN和U0為一定溫度下的滿量程輸出電壓和零點輸出電壓。根據上式，可求得室溫(20 ℃)、30 ℃和40 ℃下傳感器的靈敏度分別為86.9×10－5mV/V·Pa、80.1×10－5mV/V·Pa和77.8×10－5mV/V·Pa。從表2 中可以看出，環(huán)境溫度越高，靈敏度越低。

表2 不同溫度下傳感器測試的輸入輸出值

4 結論

(1)設計了一種基于硅微壓阻式壓力傳感器的測試裝置，主要闡述了測試裝置中傳感器接口電路以及PID 自整定溫度控制系統(tǒng)的設計。

(2)利用自行設計的測試裝置，初步測試了實驗室設計制作的傳感器。比較分析了傳感器設計參數與測量結果，誤差在可接受范圍內，表明基于壓阻式壓力傳感器設計搭建的測試裝置取得了成功，這為以后的傳感器測試工作提供了參考基礎。

(3)測量研究了實驗室設計的傳感器在不同工作溫度下對輸出壓力及靈敏度的影響。

［1］凌行，莘海維，張志明.壓阻式金剛石壓力微傳感器的制作與測試［J］.微細加工技術，2003，6(2):69－75.

［2］高立兵，康雁林.基于AVR 單片機的PID 溫控系統(tǒng)設計［J］.工業(yè)控制計算機，2010，23(4):91－92.

［3］張洪潤.微傳感器技術大全［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.10:865－870.

［4］王喆垚.微系統(tǒng)設計與制造［M］.北京:清華大學出版社，2008.2:161－178.

［5］劉廣玉.微傳感器設計、制造與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.2:9－10.

［6］Shuang Chen，Ming quan Zhu.Design and Optimization of a Micro Piezoresistive Pressure Sensor［J］.IEEE Micro Engineered and Molecular Systems January 6－9，2008:351－356.

［7］Roark，R.J.Formulas for Stress and Strain［M］.McGraw－h(huán)ill，new York，1965.

［8］李宇佳，王天鵬，張沖.微壓力傳感器接口電路設計［J］.齊齊哈爾大學學報，2011，27(4):17－20.