微机电系统压力传感器抗干扰系统设计

冒晓莉，吴其宇，谢晓璐，张加宏,2*

(1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044;2.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京 210044)

随着时代的发展，探索范围的扩大，人们对传感器抗干扰性能要求不断提高，高性能微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)传感器的研制具有重要意义。温度漂移和时间漂移是传感器测量的两个主要干扰因素，指传感器随温度和时间偏移、器件特性变化导致的测量误差[1-2]。

传感器温漂补偿主要有软件补偿和硬件补偿。软件补偿是通过各种算法对传感器输出特性曲线进行修正，具有灵活性好、可靠性高的优点。常用的算法有最小二乘法、神经网络学习法、非线性函数、反函数补偿法等[3-6]。软件补偿方法效果明显，但是对测量系统的处理器有一定要求，难以实时补偿测量数据，且需要大量实测数据进行学习与训练。硬件补偿是通过改变传感器电路的方法实现误差修正。补偿方式有增加串并联补偿电阻、调节供电电源、维持恒温环境等[7-10]。增加串并联补偿电阻会增大传感器体积，不利于传感器的小型化和规模化导向，而调节供电电源需要的电路设计复杂，且需要一定量的实验进行标定测试。

传感器时漂效应严重影响了测量结果的可靠性和传感器使用寿命。时漂产生的具体原因较多，根据实际工作情况与环境的不同，其时漂效果也有差异，难以统一修正解决。Kajikawa等[11]、黄晓因等[12]、Abderahman等[13]对传感器时漂补偿进行研究，但其研究结果不具有普适性。黄晓因等[12]通过多基准恒流源模拟标准压力电路对传感器进行时漂补偿，为自校正方法提供了一定理论指导。

为提高传感器抗干扰性能，设计了温度补偿和时漂补偿系统，其中，温度补偿采用积分分离恒温比例积分微分(proportion integration differentiation，PID)算法[14]，时漂补偿使用可编程恒流源时漂自校正法。有效提高传感器抗干扰性能，降低MEMS压阻式压力传感器的测量误差。

1 温漂时漂补偿方案

1.1 补偿原理

由于传感器电阻率、压阻系数、热膨胀系数等均受温度影响，故压力传感器必然存在温度漂移。本文使用积分分离PID算法将温度控制在较高水平，实现恒温控制效果。积分分离PID算法通过输入设定与实际温度偏差值e(t)，再经过PID的比例(P)、积分(I)、微分(D)运算后输出参数u(t)，以此控制脉冲度调制(pulse width modulation,PWM)波占空比，使得在PWM波高电平部分加热片正常驱动，低电平时则停止工作。其中，当参数偏差值e(t)过大时，取消PID控制中的积分控制部分，仅由比例、微分部分运算工作，以免积分部分超调量过大，减小恒温过程中的温度振荡；当偏差值e(t)较小时，将积分部分重新引入，以便稳定受控参数，减小静态误差，增加系统稳定性。积分分离PID算法为

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)为输出参数的改变量；KP、KI、KD分别为比例系数、积分时间系数、微分时间系数，e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别为k、k-1、k-2时刻设定温度与实际温度之差；β为积分分离作用系数；N为偏差值阈值。

除温度补偿外，针对传感器时漂问题设置了恒流源时漂自校正系统。通过外加可编程恒流源模拟外加压力情况，从而实现输出特性曲线修正。图1给出了恒流源模拟压力电路，R1和R2、R3和R4为两两对称的压敏电阻，组成惠斯通电桥，输入端Iin为恒流源供电端，输出端Vout将压力信号转化为电压输出。此外，输出端外接可编程恒流源，通过可变恒流源Ii模拟外加压力。

图1 可编程恒流源模拟压力电路Fig.1 The circuit that simulates pressure with a programmable constant current source

输出信号Vout可表示为

(3)

在理想条件下，零压状态下的各电阻阻值相等，式(3)可简化为

(4)

由式(4)可以发现，理想条件下输出电压与外加可编程恒流源成正比。同样，由于压力传感器是将外加负载压力转换成电压的装置，输出电压与外加负载同样成正比。因此可以使用外加可变恒流源的方式来模拟芯片外加压力时的情况。当传感器出现时漂现象，即其压敏电阻特性出现变化时，传感器输出信号与外加压力不再维持原先函数关系。但此时仍可以通过原先外加电流与压力的函数关系，使用可变电流模拟外加压力，从而绘制新的传感器标定曲线，实现传感器恒流源自校正。

2 抗干扰系统软硬件设计

设计并制作了实验用传感器芯片，并设计了MEMS压力传感器抗干扰电路系统。电路系统设计框图如图2所示。

图2 电路系统设计框图Fig.2 Design diagram of circuit system

设计电路的硬件部分主要分为压力信号采集模块、恒温控制模块、恒流源自校正模块和通信模块，实现压力信号采集、恒温时漂自校正功能和信号传输功能。

其中，压力信号采集模块通过传感器芯片采集压力信号，经调理电路滤波放大后由AD7794进行模数转换，经隔离电路后输入STM32处理器进行数据处理。恒温控制模块主要由温度采集模块PT1000、驱动模块TB6612FNG、聚酰亚胺加热片组成。通过开尔文四线制测量PT1000电阻变化，得到当前温度；通过控制处理器STM32输出的PWM波占空比，动态控制加热片工作功率；为了提供足够加热功率并防止电路串扰，需要单独的电源电路。恒流源自校正模块由AD5420可编程电流源提供可变恒流源，与STM32采用SPI通信协议连接，输出电流范围选择0～20 mA，分辨率16位。为了提高传感器端的电流分辨率，增加恒流源自校正可靠性，在传感器端并联一个高精电阻，实现电流分流。

在硬件设计的基础上，编写了对应的软件系统。以STM32F407为核心处理器，通过处理器运行相关程序，实现抗干扰系统功能。图3给出了软件运行流程。系统在实现传感器恒温后进行恒流源模拟气压自校正，然后实现压力测量与数据传输。

图3 软件运行流程图Fig.3 Processing flow chart of software

3 实验结果与分析

搭建传感器芯片测试实验平台如图4所示，包括Agilent万用表、两套压力控制系统(真空泵和Fluke PPC4、const162和const211)、温度箱、传感器和电路板。

压力控制器件、温度箱、数字万用表、上位机、传感器和电路板。其中图4(b)为两套压力控制系统，真空泵和Fluke PPC4、const162和const211分别营造0～100 kPa和100～300 kPa范围的气压环境。

图4 传感器芯片测量实验平台Fig.4 Measurement experimental platform of sensor chip

搭建完成试验平台后，使用AD7794给传感器芯片提供1 mA恒流源输入。通过温度箱设置环境温度50 ℃，测定传感器静态特性，发现恒温状态下传感器输出稳定，符合设计要求。

3.1 温度补偿实验

使用温度箱模拟环境温度，为了防止高温气体遇冷凝结，温度从50 ℃开始，每次降温10 ℃，直至-20 ℃，记录在不同温度环境下传感器输出电压和零点漂移，如图5所示。

由图5可知，由于制作工艺有限等原因，制得传感器有零点漂移，其随着温度升高先降后升。在恒流源输入下，随着温度升高，传感器满量程输出电压差减小。经实验测量分析后发现压敏电阻阻值随着温度升高而增加，输入端电压增加，且变化速率较快；传感器灵敏度随着温度升高而降低，其降速相对较慢，导致电桥输出端电压增加。为了比较传感器的温度漂移特性，以50 ℃为参考温度，经过计算可得到各温度下的热零点漂移系数和热灵敏度漂移系数，如图6所示。40 ℃热零点漂移最大，为0.065 2%FS/℃；0 ℃和20 ℃热灵敏度漂移最大，为-0.118%FS/℃。

图5 传感器输出电压、零点漂移与温度关系Fig.5 Relationships between sensor output voltage,zero drift and temperature

图6 传感器热漂移系数Fig.6 Thermal drift coefficient of sensor

为降低温度漂移带来的测量误差，使用加热片对传感器芯片进行恒温控制。测得温度变化曲线如图7所示。可以看出，经过一定时间，传感器温度逐渐趋于稳定，恒温控制系统有效。

图7 传感器温度变化Fig.7 Temperature variation of sensor

对恒温后的传感器进行实验测试，发现温度补偿有效。图8给出了恒温后传感器输出电压图，比较图5和图8，恒温后传感器测量误差较恒温前明显降低，温度补偿效果明显。

图8 恒温后输出电压Fig.8 Output voltage after constant temperature

图9给出了恒温后传感器热漂移系数。表1给出了恒温前后传感器热漂移极值变化情况，热零点漂移的绝对值由恒温前的0.0652%FS/℃降至恒温后的0.00788%FS/℃，热灵敏度漂移的绝对值由0.118%FS/℃降至0.0153%FS/℃。

表1 传感器热漂移Table 1 Thermal drift of sensor

图9 恒温后热漂移系数Fig.9 Thermal drift coefficient after constant temperature

对恒温控制下的输出信号进行二次曲线拟合，以拟合所得曲线作为电压标定气压的函数关系式。将原数据代入关系式得到预测气压值，图10给出了传感器气压预测误差情况，可知传感器预测误差集中在±3 kPa范围内。

图10 传感器预测误差Fig.10 Prediction error of sensor

3.2 时漂补偿实验

针对传感器时漂问题设计了恒流源时漂自校正系统，通过外加可编程恒流源模拟外加压力情况，从而实现传感器输出特性曲线修正。为更好地测量传感器时漂特性，排除温度漂移的干扰，时漂测试实验在恒温补偿下进行。

为了能增强传感器时漂自校正的实用性，需要传感器能够在大气压环境下实现自校正功能。首先对传感器在大于标准大气压的120～300 kPa，每隔30 kPa进行数据采集，记录下各个压力点的输出电压，并使用可变恒流源模拟输出电压，记录电流大小；过3个月后再次测量，并使用可变恒流源模拟气压自校正。表2为传感器输出信号时漂情况。

表2 传感器时漂Table 2 Time drift of sensor

由表2中数据可得，传感器芯片经过3个月，其120 kPa采样点漂移为-0.621%，同时其120～300 kPa量程内输出电压差漂移-0.236%。传感器芯片存在时间漂移，为了消除时漂误差，需要进行传感器校正。传感器在各压力点下的自校正输出模拟电流如图11所示，图11还给出了各模拟电流对应的AD5420设定数据量。

以0x107b为例，其中，0x表示十六进制；107b为0001 0000 0111 1011，这是AD5420识别的数字图11 自校正输出模拟电流值Fig.11 Output of self-correcting analog current value

使用图11中可变电流对外界气压负载进行模拟，将三月前测量结果与三月后模拟结果均进行二次多项式拟合，得到传感器自校正前后标定曲线。以表2中的第二组数据为待修正数据，代入拟合曲线，计算预测误差，如图12所示。可得传感器自校正前后预测误差由-3.436～0.875 kPa降低至-2.086～1.765 kPa，预测误差全范围由4.311 kPa减至3.851 kPa。传感器气压测量能力有一定提升，时漂导致的测量误差减小，提高了传感器可靠性、稳定性和抗干扰能力。

图12 自校正前后预测误差Fig.12 Comparison of prediction errors

4 结论

着重研究了MEMS压力传感器抗干扰系统设计。首先介绍了传感器温漂时漂产生的原因，提出了相应补偿方法；其次设计了抗干扰系统软硬件；最后，对传感器进行恒温自校正实验。得出如下结论。

(1)在恒温控制系统作用下，传感器芯片温度基本恒定，温度补偿效果明显，热零点漂移的绝对值由恒温前的0.065 2%FS/℃降至恒温后的0.007 88%FS/℃，热灵敏度漂移的绝对值由0.118%FS/℃降至0.015 3%FS/℃。

(2)在恒流源自校正实验中传感器时漂误差明显改善，预测误差由-3.436～0.875 kPa降低至-2.086～1.765 kPa。