汽车用扩散硅压力传感器的设计

人文社会科学　汽车用扩散硅压力传感器的设计　黄赓才　（福建省漳州第一职业中专学校，福建漳州３６３０００）　摘要：本文介绍汽车用扩散硅压力传感器的工作原理，根据惠斯通电桥原理，进行其传感器接ｌＺ：／＇电路设计、系统的软件　设计，分析压力传感器的输出随温度变化的原因，并通过实验验证其效果。　关键词：扩散硅；惠斯通电桥；传感器　根据压力传感器工作原理的不同，　压力传感器常分为机械膜片电容型、硅　膜片电容型、压电型、应变型、霍尔效　应、硅压阻式压力传感器等，压阻式压　横向尺寸的变化，这将使晶体的平衡性　发生改变，从而使其能带结构也发生改　变，造成电子在能谷间发生转移，导致　Ｕ。＝Ｕｉ（　Ｒ３＋Ｒ４　其中　为输出电压，　为输入电压。　半导体材料硅的电阻率也发生改变。对　力传感器又有扩散硅型和应变片型传感　器之分，其中扩散硅压力传感器因其低　于单晶硅等半导体材料而言，在单向应　力作用下，其能带的改变特别显著，这　就引起沿其晶体在某一方向上产生特别　明显的压阻效应。　三、压力传感器的接口电路　利用压力传感器对压力的感应特　成本、高可靠性而在压阻式压力传感器　中占据了越来越重要的位置。目前汽车　用ＭＥＭＳ压力传感器就采用了压阻式　性，将压力信号转换为模拟的电压信号　输出，此时的电压信号很小，必须经过　放大器把信号放大，然后由Ａ／Ｄ转换器　压敏原理制成，因其灵敏度高、线性度　好、稳定性好、结构简单、容易实现批　量生产、易于利用标准的Ｉｃ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）工艺技术实现集成化等成为目　前应用最广泛的ＭＥＭＳ产品之一。　一二、压力传感器的信号输出　通常压力传感器的信号输出采用惠　斯通电桥结构的电路，为了提高满量程　输出、减小零点的温度漂移和提高线性　度，我们采用灵敏度最高的惠斯通全桥　电路，如下图所示。　转换为数字信号，再通过单片机对数字　量进行处理，计算出实际的压力值，并　通过液晶屏显示。整个电路的设计主要　包括４大部分：电桥信号电路、信号放　大电路、Ａ／Ｄ转换电路和ＬＣＤ显示电路。　、硅的压阻效应　四、电桥放大电路　硅半导体的压阻效应是指材料在受　到应力的作用时，其电阻或电阻率随应　变的变化而变化的现象。应变材料的应　变与电阻变化之间的关系如下：　ＪＤ　：＾　（１＋　＋　Ｅ）　＝Ｇｏｏ　式子中　为材料的压阻系数，Ｅ　为材料的杨氏模量，　为材料的应变率，　为材料的泊松比。由此可见，硅半导　、　理，ＩＮＡ１１８放大电路是由３个运算放　在没有施加压力的时候，由于Ｒ．、　、大器构成差分放大电路，为了提高其可　凡制作工艺相同，　体阻值变化的原因有两方面：其一是由　几何尺寸变化而引起的；其二是由载流　子运动状态的改变而引起的。　实验对比发现，硅半导体载流子运　四个电阻条的阻值基本相　！一样，　囊　我们设定为Ｒ，此时　Ｖ／ｎ一　—　：：…’…　Ｌ一　：，，　ｌ＿ｉ　＋，　　惠斯通电桥的输出电压为　皿　－　．　一　”Ｖｏ　动状态的变化而引起其电阻值的改变要　远大于因其本身几何尺寸的变化所引起　零。当有外界均布载荷Ｐ作　用于传感器膜片上面时，膜　片发生变形，每个电阻都会　发生变化，其中　和　减　。ｎ。　一ｎｊ　＿…　５：－　一　…　鼢　…’’　’…兄　～…　ｕ　ｕｉＶ－　ｊ，．　其电阻值的改变，在数值级上一般要多　出２个数量级。所以在公式中Ｇ值的大　小主要是由ｗＥ决定。其原因是半导体　材料硅在单向应力作用下，一方面会发　生纵向尺寸的变化，另一方面还会引起　小，飓和凡增加。此时惠斯通电桥状　靠性，我们对其内置输入进行过压保护，　且可使用外置大小不等的电阻实现多种　增益（从１到１０００），因而扩大其应　态被破坏，传感器的输出电压不再为零，　等于　、Ｄ两点之间的电位差。　耕１ｒ】巳　ｃ　】巨　］—　人文社会科学　用范围。　兼容标准ＭＣＳ一５１指令系统，以及采用　８０Ｃ５１引脚结构。在单片机接口电路中　得到广泛的应用。其单片机接口电路如　下图所示。　啪我们在电路图中，通过对脚１和　脚８之间外接一电阻舷，可以实现不　同的增益量，该增益量的控制范围可从　１～１０００，极大提高了其应用范围。电　盈　广一　一　一＝｝＝兰。＝｝　＝　∞Ａ　嚷☆ｌ　进行初始化程序，把相应的程序代码写　入内部寄存器，这样才能读写其他寄存　器的信息。一般ＡＤ７７１５的寄存器是８　位寄存器，只有在一些特殊的场合才使　阻舷为式中Ｇ的增益。但由于舷的　稳定性和温度漂移等特性都会对其增益　产生不同的影响，因此我们为了需要获　得高精度增益，在实际应用中对舷的　嘲　—嚣　　蝴　蕊　一　＾∞　童譬“‘勰　躁　溉ｓ　　　芒　礴穗　■　矿～　　＾Ａ¨Ｉ￣，麟３４　舯　＾ｌ柳　勰　＾　《瘙　——１　一　＾ｌ瑚　嚣＾　妇妫　船　醛　Ｐ嘿薅Ｉ￥　∞　—　—～，端　嚣　稳定性等方面的性能要求也比较高，比　如我们可以采用高精度、低噪声的金属　膜电阻，来降低其不利的影响。此外，　高增益的电路设计中的如值较小，如　—　～　—涌蔫　一　＾静嘲　矗　缁　＾蛰　礤嘲　挝啪《　—　鼎　＾　８靠略　始Ｉ期辩磊ＣＴＸＩ）　——１　—　ｌ矿　　＿拇—奇∞　　一ｌｕ　　∞Ｐ　　精蟮　ｌ尊　糌辨ｌ　—　—霄　期　｛　口　—弋　—育３　粥嘲辩　ｌ　—１　—礴　嚣ｅＫ　—　——嚣６　驴ｔ　穗　瑚　—百——　５　抽　ｌ　—　——霄＾　｝　ｆＨ－　—　蕊　一　＾＾０　￡　鳓　—黼蕊　——　～　＾￡黼　＾搿焖奄　Ｊ　ｊ柑‘２矗鬈　—　—～ｌ啪　ｌ　ｌ，　‘—巧——弱　　聊３　—１　＝Ｈ　船　　Ｇ＝１００时的鼹值为１．０２　ｋＱ；Ｇ＝ＩＯ００　时的尺ｇ值为５０．５Ｑ。　一Ｔ　釜叠沁一一一一一一　　我们设计使用的复位电路主要由　２２　Ｆ的电容，１　ｋｎ的电阻及ＩＮ４１４８　二极管组成。这种复位电路不但可满足　脚对地阻抗，增强单片机复位电路的抗　五、Ａ／Ｄ７７１５接口电路　为实现对压力实时变化的连续　用ｌ６位寄存器，比如零点校准寄存器、　数据寄存器和满量程校准寄存器等。　系统程序分别写入数据信息，并判断　Ｄ１／ＤＹ是否为零，如果为零则读出寄存　监测，我们在设计中采用１６位的Ａ／　单片机可靠复位，而且具有降低复位引　Ｄ７７１５对输出电压进行采样测量。Ａ／Ｄ　接口电路如下图所示。　器数据，如果不为零则再次写寄存器。　３．系统的１６０２显示程序　系统的１６０２采用的显示程序为　定时中断０来实现逐位的动态显示，　干扰能力等优点，基本可以满足我们设　计需求。电路中二　极管的作用是可实　Ｃ３　ＤＶ＋Ｓ　现快速释放电容电　量的功能，并且能　够满足短时间复位　的要求。其输人信　号为经７７１５Ａ／Ｄ转　这样不但不用担心定时刷新显示等问　题，而且可使ＬＣＤ输出信号更加稳　定，所以此显示子程序具有简单灵活、　ｆ　ＳＣＬＫ　ＤＧＨＤ　Ｉ　ＭＣＬＫ　ｒＮ　ＤｖＤＤ　ｆ　ＭＣＬＫｏｕｔ　Ｉ　ＣＳ　｝ＲＥＳＥＴ　ＤＩＮ　ＤｏＵＴ　３１ＲＤＹ　ＡＧＨＤ　Ｉ　ｐｌ　４　Ｐ１　５　ｐｌ？　ＤＶ’ｓＶ卜善　Ｉ　ＡＶＤ０　—１１Ｉ　Ａ　・）　＾Ｄ７７ｌ　适用性广等优点。ＬＣＤ１６０２的数据引　脚与控制引脚与单片机的Ｉ／Ｏ口直接　—’一Ａ　Ｄ　　ｌ｝ｅｒ　一）　　｝Ａ　＋）【．．．．．　．．．．．．．．．　．　．．．　．　．　．．一ｆ　．］　　换的模拟电压信　号，单片机可对其　进行计算处理后输　入到ＬＣＤ１６０２液　晶显示，显示出相　相连，ＤＢ０　ＤＢ７分别连接单片机的　Ｐ１．０～ＰＩ．７口，这样可使数据并行传　输速度加快，而％亮度调节引脚则直　接接地，显示最亮状态。　些墨＝＝　１Ｏ０托　ＡＶ＋ｌ５　应的压力值，直观　明了。　八、小结　．　本设计的电路具有结构简单，元器　件价格相对低廉，电源单独稳定且操作　方便等方面的优点，但也存在温度漂移　等因素的影响，从而减低其检测的精度　及可靠性。本文通过对微压力传感器的　实际应用、工作特点及特性等的研究，　对微压力传感器接口电路进行了再次设　计，在电路框图中完善了各个部分的内　容。首先采用惠斯通电桥过滤微压力传　感器输出的变量，然后利用差分放大器　其中Ａ／Ｄ７８０提供２．５Ｖ高精度基　准电压信号。Ｐ３．１脚提供ＡＩＤ工作所　需的时钟，Ｐ１．４和Ｐ１．５脚接收和发送　七、整体系统的软件设计　１．系统主程序流程图　我们对系统提供电源电压后，首先　主程序可完成对系统初始化程序，初始　化程序包括Ａ／Ｄ转换器、串行口、中断　通讯数据，Ｐ１．６是片选信号，Ｐ１．７接　ＤＲＤＹ，ＡＴ８９Ｓ５２可以通过查询Ｐ１．７的　状态来判断是否可以读取Ａ／Ｄ转换结　果。　等工作状态的设定，给系统各变量赋予　初值，显示上次设定值等内容，并执行　相应的功能子程序优化。当按下启动键　后，系统将根据其初始化设定值、校正　六、单片机接口电路　我们在设计单片机接口电路中采　用ＡＴ８９Ｓ５２单片机接口电路。由于　将此信号放大，最后用７７１５Ａ／Ｄ转换器　驱动ＬＣＤ显示。改进了微压力传感器　值等参数来计算对应的数字量，并实现　自动输出功能。　２．系统的模数转换程序　接口电路，使电路在功能性、稳定性、　可靠性及小型化等方面都有所增强。　ＡＴ８９Ｓ５２是一个ＣＭＯＳ８位单片机，其　主要的优点是低功耗、高性能，并且可　模数转换程序首先对ＡＤ７７１５芯片