冒曉莉，吳其宇，謝曉璐，張加宏,2*

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

隨著時(shí)代的發(fā)展，探索范圍的擴(kuò)大，人們對傳感器抗干擾性能要求不斷提高，高性能微機(jī)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(shí)間漂移是傳感器測量的兩個(gè)主要干擾因素，指傳感器隨溫度和時(shí)間偏移、器件特性變化導(dǎo)致的測量誤差[1-2]。

傳感器溫漂補(bǔ)償主要有軟件補(bǔ)償和硬件補(bǔ)償。軟件補(bǔ)償是通過各種算法對傳感器輸出特性曲線進(jìn)行修正，具有靈活性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。常用的算法有最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)法、非線性函數(shù)、反函數(shù)補(bǔ)償法等[3-6]。軟件補(bǔ)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(shí)時(shí)補(bǔ)償測量數(shù)據(jù)，且需要大量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。硬件補(bǔ)償是通過改變傳感器電路的方法實(shí)現(xiàn)誤差修正。補(bǔ)償方式有增加串并聯(lián)補(bǔ)償電阻、調(diào)節(jié)供電電源、維持恒溫環(huán)境等[7-10]。增加串并聯(lián)補(bǔ)償電阻會(huì)增大傳感器體積，不利于傳感器的小型化和規(guī)?；瘜?dǎo)向，而調(diào)節(jié)供電電源需要的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且需要一定量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定測試。

傳感器時(shí)漂效應(yīng)嚴(yán)重影響了測量結(jié)果的可靠性和傳感器使用壽命。時(shí)漂產(chǎn)生的具體原因較多，根據(jù)實(shí)際工作情況與環(huán)境的不同，其時(shí)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(shí)漂補(bǔ)償進(jìn)行研究，但其研究結(jié)果不具有普適性。黃曉因等[12]通過多基準(zhǔn)恒流源模擬標(biāo)準(zhǔn)壓力電路對傳感器進(jìn)行時(shí)漂補(bǔ)償，為自校正方法提供了一定理論指導(dǎo)。

為提高傳感器抗干擾性能，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償和時(shí)漂補(bǔ)償系統(tǒng)，其中，溫度補(bǔ)償采用積分分離恒溫比例積分微分(proportion integration differentiation，PID)算法[14]，時(shí)漂補(bǔ)償使用可編程恒流源時(shí)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(shí)漂補(bǔ)償方案

1.1 補(bǔ)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(shí)現(xiàn)恒溫控制效果。積分分離PID算法通過輸入設(shè)定與實(shí)際溫度偏差值e(t)，再經(jīng)過PID的比例(P)、積分(I)、微分(D)運(yùn)算后輸出參數(shù)u(t)，以此控制脈沖度調(diào)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(qū)動(dòng)，低電平時(shí)則停止工作。其中，當(dāng)參數(shù)偏差值e(t)過大時(shí)，取消PID控制中的積分控制部分，僅由比例、微分部分運(yùn)算工作，以免積分部分超調(diào)量過大，減小恒溫過程中的溫度振蕩；當(dāng)偏差值e(t)較小時(shí)，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(shí)間系數(shù)、微分時(shí)間系數(shù)，e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別為k、k-1、k-2時(shí)刻設(shè)定溫度與實(shí)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(bǔ)償外，針對傳感器時(shí)漂問題設(shè)置了恒流源時(shí)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(shí)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(zhuǎn)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(fù)載壓力轉(zhuǎn)換成電壓的裝置，輸出電壓與外加負(fù)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(shí)的情況。當(dāng)傳感器出現(xiàn)時(shí)漂現(xiàn)象，即其壓敏電阻特性出現(xiàn)變化時(shí)，傳感器輸出信號與外加壓力不再維持原先函數(shù)關(guān)系。但此時(shí)仍可以通過原先外加電流與壓力的函數(shù)關(guān)系，使用可變電流模擬外加壓力，從而繪制新的傳感器標(biāo)定曲線，實(shí)現(xiàn)傳感器恒流源自校正。

2 抗干擾系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并制作了實(shí)驗(yàn)用傳感器芯片，并設(shè)計(jì)了MEMS壓力傳感器抗干擾電路系統(tǒng)。電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Design diagram of circuit system

設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)壓力信號采集、恒溫時(shí)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(jīng)調(diào)理電路濾波放大后由AD7794進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)隔離電路后輸入STM32處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。恒溫控制模塊主要由溫度采集模塊PT1000、驅(qū)動(dòng)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(dāng)前溫度；通過控制處理器STM32輸出的PWM波占空比，動(dòng)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?dāng)_，需要單獨(dú)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(gè)高精電阻，實(shí)現(xiàn)電流分流。

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，編寫了對應(yīng)的軟件系統(tǒng)。以STM32F407為核心處理器，通過處理器運(yùn)行相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)抗干擾系統(tǒng)功能。圖3給出了軟件運(yùn)行流程。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)傳感器恒溫后進(jìn)行恒流源模擬氣壓自校正，然后實(shí)現(xiàn)壓力測量與數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 軟件運(yùn)行流程圖Fig.3 Processing flow chart of software

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

搭建傳感器芯片測試實(shí)驗(yàn)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(jī)、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(shí)驗(yàn)平臺Fig.4 Measurement experimental platform of sensor chip

搭建完成試驗(yàn)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(shè)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(shè)計(jì)要求。

3.1 溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

使用溫度箱模擬環(huán)境溫度，為了防止高溫氣體遇冷凝結(jié)，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(diǎn)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(diǎn)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(jīng)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(jīng)過計(jì)算可得到各溫度下的熱零點(diǎn)漂移系數(shù)和熱靈敏度漂移系數(shù)，如圖6所示。40 ℃熱零點(diǎn)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(diǎn)漂移與溫度關(guān)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(jìn)行恒溫控制。測得溫度變化曲線如圖7所示?？梢钥闯?，經(jīng)過一定時(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)溫度補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)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(jìn)行二次曲線擬合，以擬合所得曲線作為電壓標(biāo)定氣壓的函數(shù)關(guān)系式。將原數(shù)據(jù)代入關(guān)系式得到預(yù)測氣壓值，圖10給出了傳感器氣壓預(yù)測誤差情況，可知傳感器預(yù)測誤差集中在±3 kPa范圍內(nèi)。

圖10 傳感器預(yù)測誤差Fig.10 Prediction error of sensor

3.2 時(shí)漂補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

針對傳感器時(shí)漂問題設(shè)計(jì)了恒流源時(shí)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(shí)現(xiàn)傳感器輸出特性曲線修正。為更好地測量傳感器時(shí)漂特性，排除溫度漂移的干擾，時(shí)漂測試實(shí)驗(yàn)在恒溫補(bǔ)償下進(jìn)行。

為了能增強(qiáng)傳感器時(shí)漂自校正的實(shí)用性，需要傳感器能夠在大氣壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自校正功能。首先對傳感器在大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的120～300 kPa，每隔30 kPa進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，記錄下各個(gè)壓力點(diǎn)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(gè)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(shí)漂情況。

表2 傳感器時(shí)漂Table 2 Time drift of sensor

由表2中數(shù)據(jù)可得，傳感器芯片經(jīng)過3個(gè)月，其120 kPa采樣點(diǎn)漂移為-0.621%，同時(shí)其120～300 kPa量程內(nèi)輸出電壓差漂移-0.236%。傳感器芯片存在時(shí)間漂移，為了消除時(shí)漂誤差，需要進(jìn)行傳感器校正。傳感器在各壓力點(diǎn)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(yīng)的AD5420設(shè)定數(shù)據(jù)量。

以0x107b為例，其中，0x表示十六進(jìn)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(fù)載進(jìn)行模擬，將三月前測量結(jié)果與三月后模擬結(jié)果均進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，得到傳感器自校正前后標(biāo)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(jì)算預(yù)測誤差，如圖12所示?？傻脗鞲衅髯孕Ｕ昂箢A(yù)測誤差由-3.436～0.875 kPa降低至-2.086～1.765 kPa，預(yù)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(shí)漂導(dǎo)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(yù)測誤差Fig.12 Comparison of prediction errors

4 結(jié)論

著重研究了MEMS壓力傳感器抗干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先介紹了傳感器溫漂時(shí)漂產(chǎn)生的原因，提出了相應(yīng)補(bǔ)償方法；其次設(shè)計(jì)了抗干擾系統(tǒng)軟硬件；最后，對傳感器進(jìn)行恒溫自校正實(shí)驗(yàn)。得出如下結(jié)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(bǔ)償效果明顯，熱零點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中傳感器時(shí)漂誤差明顯改善，預(yù)測誤差由-3.436～0.875 kPa降低至-2.086～1.765 kPa。