冒曉莉，吳其宇，謝曉璐，張加宏,2*

(1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京 210044;2.南京信息工程大學江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

隨著時代的發(fā)展，探索范圍的擴大，人們對傳感器抗干擾性能要求不斷提高，高性能微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)傳感器的研制具有重要意義。溫度漂移和時間漂移是傳感器測量的兩個主要干擾因素，指傳感器隨溫度和時間偏移、器件特性變化導致的測量誤差[1-2]。

傳感器溫漂補償主要有軟件補償和硬件補償。軟件補償是通過各種算法對傳感器輸出特性曲線進行修正，具有靈活性好、可靠性高的優(yōu)點。常用的算法有最小二乘法、神經網(wǎng)絡學習法、非線性函數(shù)、反函數(shù)補償法等[3-6]。軟件補償方法效果明顯，但是對測量系統(tǒng)的處理器有一定要求，難以實時補償測量數(shù)據(jù)，且需要大量實測數(shù)據(jù)進行學習與訓練。硬件補償是通過改變傳感器電路的方法實現(xiàn)誤差修正。補償方式有增加串并聯(lián)補償電阻、調節(jié)供電電源、維持恒溫環(huán)境等[7-10]。增加串并聯(lián)補償電阻會增大傳感器體積，不利于傳感器的小型化和規(guī)?；瘜?，而調節(jié)供電電源需要的電路設計復雜，且需要一定量的實驗進行標定測試。

傳感器時漂效應嚴重影響了測量結果的可靠性和傳感器使用壽命。時漂產生的具體原因較多，根據(jù)實際工作情況與環(huán)境的不同，其時漂效果也有差異，難以統(tǒng)一修正解決。Kajikawa等[11]、黃曉因等[12]、Abderahman等[13]對傳感器時漂補償進行研究，但其研究結果不具有普適性。黃曉因等[12]通過多基準恒流源模擬標準壓力電路對傳感器進行時漂補償，為自校正方法提供了一定理論指導。

為提高傳感器抗干擾性能，設計了溫度補償和時漂補償系統(tǒng)，其中，溫度補償采用積分分離恒溫比例積分微分(proportion integration differentiation，PID)算法[14]，時漂補償使用可編程恒流源時漂自校正法。有效提高傳感器抗干擾性能，降低MEMS壓阻式壓力傳感器的測量誤差。

1 溫漂時漂補償方案

1.1 補償原理

由于傳感器電阻率、壓阻系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等均受溫度影響，故壓力傳感器必然存在溫度漂移。本文使用積分分離PID算法將溫度控制在較高水平，實現(xiàn)恒溫控制效果。積分分離PID算法通過輸入設定與實際溫度偏差值e(t)，再經過PID的比例(P)、積分(I)、微分(D)運算后輸出參數(shù)u(t)，以此控制脈沖度調制(pulse width modulation,PWM)波占空比，使得在PWM波高電平部分加熱片正常驅動，低電平時則停止工作。其中，當參數(shù)偏差值e(t)過大時，取消PID控制中的積分控制部分，僅由比例、微分部分運算工作，以免積分部分超調量過大，減小恒溫過程中的溫度振蕩；當偏差值e(t)較小時，將積分部分重新引入，以便穩(wěn)定受控參數(shù)，減小靜態(tài)誤差，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。積分分離PID算法為

u(k)=u(k-1)+Δu(k)

(1)

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+βKIe(k)+

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(2)

式中：Δu(k)為輸出參數(shù)的改變量；KP、KI、KD分別為比例系數(shù)、積分時間系數(shù)、微分時間系數(shù)，e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別為k、k-1、k-2時刻設定溫度與實際溫度之差；β為積分分離作用系數(shù)；N為偏差值閾值。

除溫度補償外，針對傳感器時漂問題設置了恒流源時漂自校正系統(tǒng)。通過外加可編程恒流源模擬外加壓力情況，從而實現(xiàn)輸出特性曲線修正。圖1給出了恒流源模擬壓力電路，R1和R2、R3和R4為兩兩對稱的壓敏電阻，組成惠斯通電橋，輸入端Iin為恒流源供電端，輸出端Vout將壓力信號轉化為電壓輸出。此外，輸出端外接可編程恒流源，通過可變恒流源Ii模擬外加壓力。

圖1 可編程恒流源模擬壓力電路Fig.1 The circuit that simulates pressure with a programmable constant current source

輸出信號Vout可表示為

(3)

在理想條件下，零壓狀態(tài)下的各電阻阻值相等，式(3)可簡化為

(4)

由式(4)可以發(fā)現(xiàn)，理想條件下輸出電壓與外加可編程恒流源成正比。同樣，由于壓力傳感器是將外加負載壓力轉換成電壓的裝置，輸出電壓與外加負載同樣成正比。因此可以使用外加可變恒流源的方式來模擬芯片外加壓力時的情況。當傳感器出現(xiàn)時漂現(xiàn)象，即其壓敏電阻特性出現(xiàn)變化時，傳感器輸出信號與外加壓力不再維持原先函數(shù)關系。但此時仍可以通過原先外加電流與壓力的函數(shù)關系，使用可變電流模擬外加壓力，從而繪制新的傳感器標定曲線，實現(xiàn)傳感器恒流源自校正。

2 抗干擾系統(tǒng)軟硬件設計

設計并制作了實驗用傳感器芯片，并設計了MEMS壓力傳感器抗干擾電路系統(tǒng)。電路系統(tǒng)設計框圖如圖2所示。

圖2 電路系統(tǒng)設計框圖Fig.2 Design diagram of circuit system

設計電路的硬件部分主要分為壓力信號采集模塊、恒溫控制模塊、恒流源自校正模塊和通信模塊，實現(xiàn)壓力信號采集、恒溫時漂自校正功能和信號傳輸功能。

其中，壓力信號采集模塊通過傳感器芯片采集壓力信號，經調理電路濾波放大后由AD7794進行模數(shù)轉換，經隔離電路后輸入STM32處理器進行數(shù)據(jù)處理。恒溫控制模塊主要由溫度采集模塊PT1000、驅動模塊TB6612FNG、聚酰亞胺加熱片組成。通過開爾文四線制測量PT1000電阻變化，得到當前溫度；通過控制處理器STM32輸出的PWM波占空比，動態(tài)控制加熱片工作功率；為了提供足夠加熱功率并防止電路串擾，需要單獨的電源電路。恒流源自校正模塊由AD5420可編程電流源提供可變恒流源，與STM32采用SPI通信協(xié)議連接，輸出電流范圍選擇0～20 mA，分辨率16位。為了提高傳感器端的電流分辨率，增加恒流源自校正可靠性，在傳感器端并聯(lián)一個高精電阻，實現(xiàn)電流分流。

在硬件設計的基礎上，編寫了對應的軟件系統(tǒng)。以STM32F407為核心處理器，通過處理器運行相關程序，實現(xiàn)抗干擾系統(tǒng)功能。圖3給出了軟件運行流程。系統(tǒng)在實現(xiàn)傳感器恒溫后進行恒流源模擬氣壓自校正，然后實現(xiàn)壓力測量與數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 軟件運行流程圖Fig.3 Processing flow chart of software

3 實驗結果與分析

搭建傳感器芯片測試實驗平臺如圖4所示，包括Agilent萬用表、兩套壓力控制系統(tǒng)(真空泵和Fluke PPC4、const162和const211)、溫度箱、傳感器和電路板。

壓力控制器件、溫度箱、數(shù)字萬用表、上位機、傳感器和電路板。其中圖4(b)為兩套壓力控制系統(tǒng)，真空泵和Fluke PPC4、const162和const211分別營造0～100 kPa和100～300 kPa范圍的氣壓環(huán)境。

圖4 傳感器芯片測量實驗平臺Fig.4 Measurement experimental platform of sensor chip

搭建完成試驗平臺后，使用AD7794給傳感器芯片提供1 mA恒流源輸入。通過溫度箱設置環(huán)境溫度50 ℃，測定傳感器靜態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)恒溫狀態(tài)下傳感器輸出穩(wěn)定，符合設計要求。

3.1 溫度補償實驗

使用溫度箱模擬環(huán)境溫度，為了防止高溫氣體遇冷凝結，溫度從50 ℃開始，每次降溫10 ℃，直至-20 ℃，記錄在不同溫度環(huán)境下傳感器輸出電壓和零點漂移，如圖5所示。

由圖5可知，由于制作工藝有限等原因，制得傳感器有零點漂移，其隨著溫度升高先降后升。在恒流源輸入下，隨著溫度升高，傳感器滿量程輸出電壓差減小。經實驗測量分析后發(fā)現(xiàn)壓敏電阻阻值隨著溫度升高而增加，輸入端電壓增加，且變化速率較快；傳感器靈敏度隨著溫度升高而降低，其降速相對較慢，導致電橋輸出端電壓增加。為了比較傳感器的溫度漂移特性，以50 ℃為參考溫度，經過計算可得到各溫度下的熱零點漂移系數(shù)和熱靈敏度漂移系數(shù)，如圖6所示。40 ℃熱零點漂移最大，為0.065 2%FS/℃；0 ℃和20 ℃熱靈敏度漂移最大，為-0.118%FS/℃。

圖5 傳感器輸出電壓、零點漂移與溫度關系Fig.5 Relationships between sensor output voltage,zero drift and temperature

圖6 傳感器熱漂移系數(shù)Fig.6 Thermal drift coefficient of sensor

為降低溫度漂移帶來的測量誤差，使用加熱片對傳感器芯片進行恒溫控制。測得溫度變化曲線如圖7所示。可以看出，經過一定時間，傳感器溫度逐漸趨于穩(wěn)定，恒溫控制系統(tǒng)有效。

圖7 傳感器溫度變化Fig.7 Temperature variation of sensor

對恒溫后的傳感器進行實驗測試，發(fā)現(xiàn)溫度補償有效。圖8給出了恒溫后傳感器輸出電壓圖，比較圖5和圖8，恒溫后傳感器測量誤差較恒溫前明顯降低，溫度補償效果明顯。

圖8 恒溫后輸出電壓Fig.8 Output voltage after constant temperature

圖9給出了恒溫后傳感器熱漂移系數(shù)。表1給出了恒溫前后傳感器熱漂移極值變化情況，熱零點漂移的絕對值由恒溫前的0.0652%FS/℃降至恒溫后的0.00788%FS/℃，熱靈敏度漂移的絕對值由0.118%FS/℃降至0.0153%FS/℃。

表1 傳感器熱漂移Table 1 Thermal drift of sensor

圖9 恒溫后熱漂移系數(shù)Fig.9 Thermal drift coefficient after constant temperature

對恒溫控制下的輸出信號進行二次曲線擬合，以擬合所得曲線作為電壓標定氣壓的函數(shù)關系式。將原數(shù)據(jù)代入關系式得到預測氣壓值，圖10給出了傳感器氣壓預測誤差情況，可知傳感器預測誤差集中在±3 kPa范圍內。

圖10 傳感器預測誤差Fig.10 Prediction error of sensor

3.2 時漂補償實驗

針對傳感器時漂問題設計了恒流源時漂自校正系統(tǒng)，通過外加可編程恒流源模擬外加壓力情況，從而實現(xiàn)傳感器輸出特性曲線修正。為更好地測量傳感器時漂特性，排除溫度漂移的干擾，時漂測試實驗在恒溫補償下進行。

為了能增強傳感器時漂自校正的實用性，需要傳感器能夠在大氣壓環(huán)境下實現(xiàn)自校正功能。首先對傳感器在大于標準大氣壓的120～300 kPa，每隔30 kPa進行數(shù)據(jù)采集，記錄下各個壓力點的輸出電壓，并使用可變恒流源模擬輸出電壓，記錄電流大??；過3個月后再次測量，并使用可變恒流源模擬氣壓自校正。表2為傳感器輸出信號時漂情況。

表2 傳感器時漂Table 2 Time drift of sensor

由表2中數(shù)據(jù)可得，傳感器芯片經過3個月，其120 kPa采樣點漂移為-0.621%，同時其120～300 kPa量程內輸出電壓差漂移-0.236%。傳感器芯片存在時間漂移，為了消除時漂誤差，需要進行傳感器校正。傳感器在各壓力點下的自校正輸出模擬電流如圖11所示，圖11還給出了各模擬電流對應的AD5420設定數(shù)據(jù)量。

以0x107b為例，其中，0x表示十六進制；107b為0001 0000 0111 1011，這是AD5420識別的數(shù)字圖11 自校正輸出模擬電流值Fig.11 Output of self-correcting analog current value

使用圖11中可變電流對外界氣壓負載進行模擬，將三月前測量結果與三月后模擬結果均進行二次多項式擬合，得到傳感器自校正前后標定曲線。以表2中的第二組數(shù)據(jù)為待修正數(shù)據(jù)，代入擬合曲線，計算預測誤差，如圖12所示?？傻脗鞲衅髯孕Ｕ昂箢A測誤差由-3.436～0.875 kPa降低至-2.086～1.765 kPa，預測誤差全范圍由4.311 kPa減至3.851 kPa。傳感器氣壓測量能力有一定提升，時漂導致的測量誤差減小，提高了傳感器可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖12 自校正前后預測誤差Fig.12 Comparison of prediction errors

4 結論

著重研究了MEMS壓力傳感器抗干擾系統(tǒng)設計。首先介紹了傳感器溫漂時漂產生的原因，提出了相應補償方法；其次設計了抗干擾系統(tǒng)軟硬件；最后，對傳感器進行恒溫自校正實驗。得出如下結論。

(1)在恒溫控制系統(tǒng)作用下，傳感器芯片溫度基本恒定，溫度補償效果明顯，熱零點漂移的絕對值由恒溫前的0.065 2%FS/℃降至恒溫后的0.007 88%FS/℃，熱靈敏度漂移的絕對值由0.118%FS/℃降至0.015 3%FS/℃。

(2)在恒流源自校正實驗中傳感器時漂誤差明顯改善，預測誤差由-3.436～0.875 kPa降低至-2.086～1.765 kPa。