阻性传感器现状研究及发展趋势*

邵　刚，余立宁，蔡　山，闫　慧

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；

2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安 710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068；4.成都凯天电子股份有限公司，四川 成都610091)

阻性传感器现状研究及发展趋势*

邵刚1，2，余立宁3，蔡山4，闫慧3

(1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；

2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安 710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安 710068；4.成都凯天电子股份有限公司，四川 成都610091)

传感器技术是现代科技的前沿技术，与通信技术和计算机技术处于同等重要的位置，并称为信息技术的三大支柱。传感器作为获取信息的关键器件被应用于各种物理量的测量，其中阻性传感器应用最为广泛，但由于其使用的半导体材料本征属性，存在着一致性、温度漂移及非线性等问题，使用时需要对其进行非线性校准和温度补偿。目前采用的硬件补偿方法和软件补偿方法存在许多不足，随着传感器技术的不断发展，现代传感器信号调理技术也应运而生，弥补了传统补偿方法的不足，大大提高了补偿的精度和通用性，并减小了体积和功耗。传感器调理技术发展趋势必将向智能化、微型化、微功耗和多功能化方向发展。

阻性传感器；温度补偿

0　引言

传感器技术是现代科技的前沿技术[1]，传感元件作为获取信息的器件位于传感器系统的关键器件之首，其性能对传感器系统有着重要影响。传统阻性传感器以机械结构型器件为主，主要缺点是质量大、体积大和不能提供电子输出。随着半导体技术的不断发展，传感器呈现出向半导体方向发展的趋势。

现阶段对阻性传感器的研究十分活跃，与之相适应的各种调节电路也日趋成熟。阻性传感器种类繁多，用途广泛，如表1所示。表1中的阻性传感器以测量精度高、频率响应范围宽、稳定性好、易于小型化等显著特点得到了迅猛的发展，被广泛地应用于航空、航天、航海、动力机械、石油化工、生物医学工程、气象、地震和地质测量等领域。

1　阻性传感器系统典型架构

阻性传感器对温度变化敏感，易受环境温度影响，导致输出信号发生零点漂移和灵敏度漂移。随着国民经济的高速发展，诸如航空航天、水利水电、汽车制造、武器装备等领域对阻性传感器在大幅温度变化下的测量精度和稳定性提出了越来越高的期望和要求，因此阻性传感器温度补偿的研究具有十分重要的应用价值和理论意义[2]。为提高阻性传感器系统精度，应用时需配备传感器信号调理电路，如图1所示。下面以硅压传感器为例介绍阻性传感器调理系统。

表1　阻性传感器分类

图1　传感器系统调理结构框图

与其他同类传感器相比，阻性压力传感器有许多优点。因为阻性压力传感器没有机械传动结构，不但完全消除了摩擦误差，而且消除了普通传感器的金属膜片因为蠕变、迟滞而产生的误差，大大提高了传感器的精度。硅压力传感器无活动部件，抗冲击性、抗震性、耐腐蚀性以及抗干扰能力强，并且由于其采用集成电路加工方式，敏感元件硅膜片能够做得很小。这点在航空领域中的压力测量显得尤为重要。

在对阻性压力传感器的研究中，对于输出信号的温度漂移补偿是一个重要的研究方向。由于此种传感器在使用过程中需要和被测量物体接触或处于测量环境当中，传感器会受到测量环境温度变化的影响，导致输出信号产生灵敏度漂移和零点漂移。阻性压力传感器的温度漂移是由于半导体的本征物理属性对温度敏感所致。半导体扩散电阻值随着温度变化不一致而导致零点漂移。扩散电阻的温度系数由薄层电阻决定，表面杂质浓度越高，薄层电阻越小，温度系数也更小。与之相反，薄层电阻增加，温度系数也增大。但是由于制造工艺等原因，难以使四个电桥电阻的温度系数完全一致，因此，电桥传感器将不可避免地会产生零点漂移[3]。

以半导体材料为敏感元件的阻性压力传感器，由于温度特性不一致，温度漂移现象明显，以及特殊的加工工艺，使其输出非线性误差也具有随机性。温度漂移特性和非线性误差，使得阻性式压力传感器的使用受到了限制[4]。因此，在实际系统应用中对阻性压力传感器进行温度补偿有重要的意义。在系统应用时均需要信号调整补偿，传统的信号调理补偿系统采用分立器件搭建，如图1所示。其包含多种复杂器件，占用板级面积大、功耗大、补偿精度低以及通用性差，严重影响了系统信息的采集和获取，成为制约整个系统精度的瓶颈。调理电路的开发以及补偿算法的创新成为新的研究热点。

2　阻性传感器的补偿方法

为了提高阻性传感器的输出精度，一方面可以在制作工艺上进一步提升，使阻性传感器阻值及温度系数的变化保持一致，减小温度漂移；另一方面，后续电路对零点误差、满量程误差和零点漂移及温度漂移等参数进行校正，输出信号也可以进行补偿，以提高其测量精确度[2]。

综合目前国内外对阻性传感器温度补偿的研究现状，补偿方法一般可分为硬件补偿和软件补偿两类。

2.1硬件补偿方法

硬件补偿的实现方式有很多种，其基本原理是靠传感器的桥式电路上加入二极管、三极管和电阻，利用以上元件的温度系数与传感器自身温度系数方向相反来实现补偿[5-6]。基于硬件补偿方法对传感器的零点温度漂移和灵敏度温度漂移补偿，一般是分开进行的。

对于阻性传感器零点漂移的补偿，一般采用串并联电阻的方法，用来平衡因四个电桥电阻初始值不匹配而造成的零点漂移以及零点温度漂移。因为此种补偿方法是在电桥上完成的，所以也被称为“桥内补偿法”[7]。

图2所示的原理图中，其补偿原理是通过串并联在电桥上的电阻来调节传感器的零点漂移。其中，串联电阻RS主要起到调零作用，并联电阻RP主要起到补偿作用，且电阻RS、RP通常选择温度系数极小的材料制作，所以认为其温度系数为零。这种方法的关键在于要准确计算出串并联电阻 RS、RP的大小。对于补偿电阻的求解，通常采用温度系数推导方法和恒流源供电法计算[8]。

图3　串并联电阻补偿结构图

对于用温度系数推导方法，计算得出的补偿电阻值误差很大，补偿效果不佳，甚至可能使原来就已较好的传感器效果变差。用恒流源计算出来的RS、RP的阻值需要随着温度不断的变化而重新设置。并且这种方法只利用补偿温度区间内的两个边界温度点上的一些传感器参数来计算 RS、RP的阻值，它只考虑传感器的零点温度漂移随着温度单调变化这一因素，并未考虑其他因素对压阻式传感器的零点漂移曲线的影响，而这种影响很可能使得曲线非单调变化。但在实际应用中，这类“桥内补偿方法”计算繁琐、调试困难、通用性差，只适宜对传感器进行初步补偿。

2.2软件补偿方法

软件补偿方法主要是针对阻性传感器的输出信号，一般是对压力传感器的输出数据进行“软件”处理。软件补偿方法主要有二维插值法、二维回归分析法和人工神经网络学习法等[9]。美国 Kulite公司的补偿方法是在压力传感器内一起封装一个温度传感器，这样传感器在输出压力信号的同时，还输出一路温度信号，利用这两个信号经过数据处理来实现温度漂移误差的补偿[10]。这就是一种典型的采用二维回归分析法进行的补偿。

同硬件补偿方法相比，软件补偿方法比较灵活，不需要进行繁琐的电路设计。但是软件补偿需要求解大规模的矩阵方程，方程的维数越多，计算的数据量越大。神经学习法具有较强的学习、适应和调整能力，能够很好地逼近被测对象的实际值，但是也存在网络不稳定，训练周期长等缺点[2]。

3　发展趋势

随着传感器技术和计算机技术的飞速发展，世界进入了数字时代，可编程数字器件的出现使得采用数字方式调理模拟系统成为可能[11]。传感器的调理技术因此也有了新的发展方向。

传感器信号调理技术发展的两个方向：

(1)数字传感信号处理器（DSSP）[12]。DSSP技术包括利用ADC对传感器信号进行数字化转换，利用存储器带有的微控制器在数字域内进行校准和补偿。这种方法的优势在于ADC数字化的处理，这种处理是在数字域由处理器完成，其输出的信号都是数字信号，具有抗干扰能力强等特点。但是这种方法在把模拟信号转换为数字信号的过程当中，会引入量化误差，其取决于ADC的有效位数，并且这种方法还需要一定的软件开销。

(2)模拟传感信号处理器（ASSP）[12]。MAX1452温度信号调理芯片即属于这种模拟信号处理器，它是通过调整DAC来调整传感器的激励电流，利用可编程的放大器来调整输入信号的偏移和增益。ASSP技术完全实现了在模拟域对传感器进行校准和补偿。它利用DAC、EEPROM和可用数字量进行调节的模拟器件，这种混合技术具有全模拟和全数字两种方法的优点，它在模拟域内处理信号，用数字系统代替传统的电位器功能。为了改善传感器输出信号的非线性，在ASSP系统中，原始传感器输出信号作为 DAC的基准输入，DAC的输出作为反馈信号的调节增益和偏置。这种技术省去了DSSP中采用复杂的多项式曲线拟合。利用DAC将数字量与模拟电压（DAC的基准输入）相乘，这是 ASSP电子调节系统的关键依据。

为了适应ASSP的补偿，一个传感器系统中往往需要使用多个DAC，而DAC的价格会随着其分辨率的增加而增加。这个问题随着新型(△-∑)技术的DAC和ADC的发展而得到了解决，可实现低价格的数字调整。这种技术可以在非常小的硅片面积上实现16位的A/D转换，使得含有多路DAC和ADC的复杂片上系统成为可能[13]。

现代信号调理技术是一种软件与硬件相结合的调理技术，其利用合理的补偿算法与ASSP专用集成信号调理芯片相结合，是一种很有效的针对阻性传感器温度补偿的新方法。随着传感器技术的不断发展，传感器调理技术必将向智能化、微型化、微功耗和多功能化方向发展。

4　结束语

传感器作为获取信息的关键器件被应用于各种物理量的测量，其中阻性传感器应用最为广泛，应用领域包括航空、航天、航海、动力机械、石油化工、生物医学工程、气象、地震和地质测量等。传感器技术的发展面临更大的机遇和挑战，服务于信息科学的传感器和智能传感器日益受到科技工作者、政府和产业界的重视，今后必将发挥重要作用。

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Research status and progress of resistance sensors

Shao Gang1，2，Yu Lining3，Cai Shan4，Yan Hui3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China；4.Chengdu CAIC Electronics Co.，Ltd，Chengdu 610091，China)

As one of the three IT bases,sensor technology has been widely utilization in all fields.But the intrinsic error of nonlinearity output and temperature drift for resistance sensor has a strong impact to the entire system accuracy and seriously.So,the system must have temperature compensation and linear calibration.There are many deficiencies in hardware and software compensation method of resistance sensor.With the continuous development of sensor technology,new conditioning methods are constantly emerging.They greatly improve the system accuracy and versatility,to further reduce system power consumption and volume.Sensor conditioning technology will develop to intelligent,miniaturization and multifunction.

resistance sensors；temperature compensation

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.001

航空科学基金（2015ZC51036）；中国航空工业集团公司创新基金(2010BD63111)

（2016-03-08）

邵刚（1978-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：数模混合集成电路设计。

余立宁（1985-），男，硕士，主要研究方向：高速总线设计。

蔡山（1969-），男，硕士，研究员，主要研究方向：传感器及其敏感元件。

闫慧（1989-），女，本科，助理工程师，主要研究方向：数模混合集成电路物理设计。

中文引用格式：邵刚，余立宁，蔡山，等.阻性传感器现状研究及发展趋势[J].电子技术应用，2016，42(5)：4-6，13.

英文引用格式：Shao Gang，Yu Lining，Cai Shan，et al.Research status and progress of resistance sensors[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：4-6，13.