一种微型压力传感器调理电路的优化设计

任勇峰，程心怡，贾兴中

（中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051）

压阻式压力传感器相比于压电式和电容式的传感器而言，具有灵敏度高、频率响应快、集成度好、结构简单等优点，因此广泛应用于航天及军事等领域[1]。但是，压阻式压力传感器输出信号一般为微弱信号，不便于后续的分析及应用，并且容易受到温度的影响[2]。基于上述特点，文中分别设计了两种不同的压阻式压力信号调理电路，并分别进行了精度测试，对其热灵敏度漂移和热零点漂移等进行了计算和比较。

1 压阻式压力传感器

压阻效应是指当传感器受到作用力时，弹性膜片上的应力作用使得压敏电阻阻值发生变化，压阻式压力传感器是将压力信号通过敏感元件转变为对应的电阻值[3]。但是由于电桥变化引起的电压输出值通常是毫伏级别的，并且压阻式压力传感器本身存在一定的误差以及容易受到温度的影响。因此，为了获得足够的分辨率或灵敏度，压阻式压力传感器的调理电路需要对其输出信号进行放大、滤波以及温度补偿等。

2 压阻式压力传感器调理电路

2.1 采用恒流源供电的信号调理电路

方案一所设计的调理电路利用恒流源供电以消除温度对压力信号测试过程中的影响，并选用仪表放大器AD8227对压力传感器输出的微弱信号进行放大，滤波电路选用LTC1569-7。图1为方案一调理电路设计框图。

图1 方案一调理电路设计框图

2.1.1 供电电路设计

压力传感器内部全桥电路如图2所示。

图2 全桥电路

当压力传感器没有受到压力，并且环境温度保持恒定时，采用恒压源供电方式，电桥的输出电压为：

采用恒流源情况下，输出电压为：

假设R1=R2=R3=R4=R，温度系数均为正，R1、R3阻值随着压力增加而变大，R2、R4阻值随着压力的增加而减小，改变量为△R，在环境温度变化的情况下，电阻改变量为△RT，则电桥输出电压分别为：

将公式进行简化，可以得到：

由上述推导可以得出：采用恒流源供电可以有效消除温度对压阻式压力传感器输出信号的影响[4]。线性稳压电源电路选用LM117芯片，其能够避免直接使用电源设备而产生的噪声，并为恒流源电路提供稳定的供电电压[5]。其输出电压为：

恒流源电路选用芯片LM134，其产生的电流与温度有关，为了消除温度对调理电路的影响，需要外接一个电阻和二极管。二极管选用温度系数为-2.5 mV/K的1N457，温度系数决定式为：

当满足式（9）时，表示二极管1N457与LM134温度漂移相互抵消[6]。此外，该设计选用的压力传感器在0～50℃范围内自带温度补偿功能。因此，两者共同消除了温度对压力信号的影响。电源设计如图3所示。

图3 电源设计

2.1.2 放大电路设计

压力传感器输出的微弱信号需要进行放大，该设计选用仪表放大器AD8227，其增益G=5+80 K/(R4+R5)。AD8227带有一个基准引脚，可以用来偏置输出电压，为获得最佳性能，应当用低输出阻抗源驱动基准引脚[7]。

当仪表放大器应用在具有强射频信号的设备当中时，可能存在较小的直流失调电压，因此需要在压力传感器输出端设计射频滤波电路[8]。可以通过RC网络对高频信号进行滤波，如图4左端所示。

图4 放大电路

其差分带宽为：

共模带宽为：

2.1.3 滤波电路设计

压力传感器输出的微弱信号容易受到噪声信号的影响，从而使得电路中产生混叠现象。该设计中选用截止频率可以调节的十阶集成开关电容低通滤波器LTC1569-7，其可以通过简单的外围电路实现功能。LTC1569-7与放大电路模块中的二阶低通滤波器共同作用，可以有效消除混叠，从而将有效的信号提取出来[9]。另外，LTC1569-7滤波器电路需要后接一个电压跟随器，以保证最终的输出电压不被损耗[10]。滤波电路如图5所示。

图5 滤波电路

2.2 采用MAX1452的信号调理电路

2.2.1 MAX1452主要功能及原理

MAX1452是一种高度集成的模拟传感器信号调理芯片，其功能包括放大、校准以及温度补偿，主要用于阻性元器件的优化，其功能框图见图6。MAX1452通过偏移量温度系数（TC）和跨度温度系数（FSOTC）实现温度补偿，从-40～+125℃以1.5℃的间隔，提供了114个独立的16位EEPROM单元编程，用户可以根据自身需求选择若干个温度校准点来确定温度曲线[11]。

图6 MAX1452功能框图

MAX1452具有两种工作模式：数字模式和模拟模式。在对传感器进行校准和补偿时为数字模式，通过改变偏移量、可编程增益放大器的放大倍数以及敏感头的供电电压或电流来实现修正和补偿[12]。具体表现为芯片内部集成的温度传感器每1 ms根据当前的温度给出一个查找表的变址，通过其内部的5个寄存器（ODAC、OTCDAC、FSODAC、FSOTCDAC、CONFIG）把数字量分别转换为相应补偿电压值，再加载到模拟通道上，完成对传感器输出信号的调理[13]。

2.2.2 MAX1452信号补偿电路

MAX1452需要5 V供电，供电电路同方案一线性稳压源电路。压力敏感元件的+IN端与MAX1452的电桥驱动BDR引脚连接，-IN接地，OUT+与INP连接，OUT-与INM连接。VDDF是EEPROM正电源电压，VDDF和VDD与VSS之间需要连接一个0.1μF的电容[14]。若电路工作在噪声环境下，需要在VDDF与VDD之间连接一个1 kΩ的电阻。UNLOCK引脚上使用下拉电阻，方便MAX1452完成数字模式和模拟模式的转换，电阻参考值为1 kΩ。R19、R20、C19、C20和MAX1452内部的通用运放构成二阶低通滤波器对输出信号进行滤波。输出端AOUT连接一个0.1μF的电容，能够有效抑制噪声[15]。另外，该设计选用的压力传感器在0～50℃有温度补偿功能，因此调理电路需外接温度补偿反馈电阻R21、R22，其阻值为75 kΩ，电阻温度系数为20 ppm及以下。

图7 MAX1452调理电路

2.2.3 MAX1452补偿过程

设定压力范围为0～1.2 kPa，输出电压范围为0.2～4.9 V。则压力传感器理论输出电压线性方程：y=0.003 917x+0.2。

补偿温度范围选定-40～60℃，由于在零度以下，压力传感器温漂更大，因此在零下设置温度间隔为10℃，零上温度间隔为20℃。即选定-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、20℃、40℃、60℃8个温度点进行补偿[16]。首先，要在室温环境下对传感器进行预校准，在预校准成功之后将其放入温箱，并把温度调节为-40℃。当温箱达到-40℃后，温度恒定并保持30分钟左右再进行补偿操作，使得传感器芯体与MAX1452芯片所感知的温度一致，从而保证补偿的准确性。之后，按照所设定的温度依次操作。在所设定的8个温度点依次补偿完成后，通过DIO写入到MAX1452中，完成补偿工作。锁定芯片，并使芯片工作在模拟模式下，对压力传感器及其调理电路进行性能测试。

3 试验与验证

3.1 温度试验测试

将方案一和方案二的调理模块放进温箱，依次将温箱温度设为-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃。并且在温箱达到预设温度之后停留半小时，以保证传感器芯体和调理电路温度保持一致，再对压力传感器施压进行测试，并记录数据。

通过温度试验以及计算两种调理方案的热零点漂移和热灵敏度漂移参数可得，方案二在解决压阻式压力传感器温漂问题中更具优势。这是由于方案一主要是通过设计恒流源模块使得调理电路不受温度的影响。而所选用的压力敏感元件在0～50℃温度范围内自带温度补偿功能。因此在-40～0℃之间温漂较大。而MAX1452芯片不仅能够对压力信号进行放大、校准，还能对其进行温度补偿。因此，可以有效解决压阻式压力传感器的温漂问题。

表1 温度试验测试数据

表2 温度试验测试结果（%F·S/℃）

3.2 其他性能测试

待传感器恢复到室温后，对其电气性能分别进行测试和计算。结果如表3所示。

表3 调理电路性能测试结果

4 结 论

针对压阻式压力传感器输出信号容易夹杂噪声信号，并且测量过程中会受到温度的影响等问题，文中设计了两种不同的调理电路，并进行了相应的测试。结果表明，两种调理电路均能减小噪声和温度等因素对压阻式压力传感器输出信号的影响，测量精度均在0.1%之内。但方案二所采用的MAX1452芯片在温度补偿方面更具优势，并且由于该芯片集放大、校准和温度补偿于一体，使得电路板面积为20 mm×20 mm，因此适用于微小型封装的压阻式压力传感器结构。