硅压阻式压力传感器四线制自动补偿验证测试系统设计

常伟 刘文斌 姚恩厚 刘妍

（国机集团 沈阳仪表科学研究院有限公司 辽宁省沈阳市 110034）

用于硅压阻式压力传感器测试的自动测试系统，一直备受国内外多家传感器生产厂商关注，这些年也会根据需求自制测试系统，其功能也不尽相同，但因为受单晶硅材料温度特性的影响，测试系统的主要功能还是围绕温度补偿测试和验证测试来设计，而硅压阻式压力传感器在温度补偿之前，桥臂电阻均设计成半开桥连接方式，如图1 所示，以方便后续增加补偿网络电阻，导致补偿测试的测试线实际为五线制，补偿后需要验证测试的传感器却为四线制，如果测试系统想要兼顾这两种测试方式就必须考虑到五线制转换到四线制的问题，这同时也给测试系统在设计时所采用的测试方法、电路通道的切换带来诸多的局限性。

本文设计了一种硅压阻式压力传感器四线制测试系统，即可以对压力传感器进行温度补偿测试，又可以验证压力传感器的信号输出，也不涉及传感器测试时五线制转换到四线制的问题，同时供电与测量通道位相对固定，具有电路设计简单、控制动作相对较少等优点，适合硅压阻式压力传感器批量生产测试。

1 温补偿测试方案设计

高精度的硅压阻式压力传感器的温度补偿，通常采用串并联电阻补偿计算方法，由文献[1]可知，利用扩散硅电阻的温度特性参数，测量传感器补偿温区内不同温度（低温、常温、高温）和零压力与量程上限压力下四个桥臂R1、R2、R3、R4 电阻值后，由计算公式可得补偿网络电阻阻值。

本文设计的测试系统，采用四线制压力传感器温度补偿测试的方案，测试时连接方式如图2 所示，分别依次单独关闭开关KR1、KR2、KR3、KR4，并用万用表G 测量网络电路阻值Rk1、Rk2、Rk3、Rk4，可得桥路电阻阻值。

可由方程解得R1、R2、R3、R4 电阻值。

2 验证测试方案设计

图1：半开桥连接方式

图2：温度补偿连接方式

硅压阻式压力传感器在经过温度补偿网络电阻后，输出线为四线制（两线输出两线输入），通常需要对其进行电信号实际输出进行测试，来验证温度补偿后压力传感器的非线性、迟滞、精度、零点漂移、温度漂移等指标是否符合要求。

图3：转换测试电路设计

本文测试系统设计了传感器验证测试过程中持续供电的测试方案。根据传感器供电方式的不同可选择恒压源或者多路恒流源，恒压源和多路恒流源在测试过程中可使传感器一直保持通电状态，从而达到老化的作用，并能得到更真实的传感器信号输出值，起到更好的测量验证传感器性能指标的作用。通过控制转换电路的切换，将各通道传感器的输出线对接到高精度万用表上，由万用表读取测试数据并上传，可以实现多通道传感器的验证测试。

3 转换电路的设计

测试系统电路转换部分设计了矩阵开关和总线开关混搭的电路。开关设备选用Agilent 34980A 多功能开关测量单元，8 槽主机可混搭21 种插入模块，无论是矩阵开关还是总线开关均可兼容搭配；还有内置6 位半数字万用表作为内置备选配件，提高系统的集成化，优化设计线路，提高了空间利用率和系统成本。

如图3 所示为转换电路的连接方式。开关K1-Kn 可控制测试通道，开关K1 至开关Kn 对应第1 只至第n 只传感器，测试时只有一组开关可以闭合，即测试该路通道传感器；开关KV1-KVn可为传感器提供供电或断电，开关KV1至开关KVn对应第1 只至第n 只传感器，验证测试时所有开关闭合，为传感器通电，温度补偿测试时无需供电，断开即可；矩阵开关1-8 可灵活搭配测量传感器桥臂电阻和电信号输出值，实现压力传感器四线制温度补偿和恒压恒流验证测试。

4 系统结构设计

硅压阻式压力传感器测试自动补偿、验证测试系统，由硬件与软件两部分组成。硬件设计部分把工控机、程控恒压电源、多路恒流源、测量仪表、多功能开关测量单元、气体压力计、抽真空泵等关键设备集成在一起，与高低温箱、测试夹具、测试线缆形成一整套完整的测试系统。恒压源与恒流源为传感器提供供电，测量仪表用来采集传感器信号输出和桥臂电阻值，多功能开关负责切换多通道传感器测试、气体压力计、抽真空泵和测试夹具为传感器提供压力控制系统，高低温箱用于调节传感器环境温度，这些硬件设备全由工控机调控控制，为传感器测试提供条件。

测试软件采用C#设计人机交互软件，由工控机负责与各个仪器仪表通讯，通讯接口由RS-232 与高低温箱、多路恒流源、恒压源通讯，IEEE488 与测量仪表、气体压力计通讯，网口与多功能开关测量单元通讯，实现自动供电断电、自动测量、自动加压、自动调温、自动电路切换、自动数据采集等自动测试的功能，并设计了数据库用于存储测试参数和测量数据，可根据需要选择报告模板出具测试报告。

5 结论

多年来随着测量与控制设备的迅猛发展，使得压力传感器测试系统的研发更具有多样性，许多生产商自研的测试系统也已经具备多种测试功能，如何使传感器测试更简单、更有效率，则是所有测试系统研发者的宗旨。本文设计的压力传感器自动测试系统，避免了半开桥硅压阻式压力传感器芯体测试时四线制与五线制转换的问题，把压力传感器温度补偿测试与验证测试，恒流供电验证测试与恒压供电验证测试等功能集成到一起，真正的实现了一机多用；针对温度补偿后传感器的验证测试，采用了多路恒流源供电，保证测试数据的准确性；该系统可根据使用情况和规模，拓展多路测试通道，实现多通道压力传感器的自动测试功能，是一套适用于压力传感器批量生产测量工作的自动化设备。