压阻式压力传感器温补模型的分析与标定

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海洋环境的开发,环境污染的治理,宇宙的探测,医药工程的研究等工业生产、日常生活对压力传感器有非常大的市场需求,压阻式压力传感器凭借其稳定性好、灵敏度高、频率响应的范围宽、体积小、便于集成化等特点已经成为目前发展最为迅速而且使用非常广泛的压力传感器。由于压阻式压力传感器是根据半导体硅材料的压阻效应原理制作而成的,而半导体材料材料对温度具有非常高的敏感性,因此压阻式压力传感器的输出必然也会受到温度的影响,从而产生温度漂移。温度漂移严重制约了传感器的灵敏度以及测量精度,因此对传感器进行温度补偿具有非常重要的意义。本文通过对压阻式压力传感器的物理特性进行研究,建立传感器的温度补偿模型,从而确定传感器的动态行为,替代传统所用的硬件或者软件补偿方式,从物理特性的根本上解决温漂问题,以此来提高传感器的测量精度及标定工作。论文的主要工作为:分析压阻式压力传感器的工作原理,并对传感器在制备过程中的工艺流程进行阐述,在此基础上详细分析传感器温度漂移产生的原因;分析传感器的硅弹性薄膜在外部压力作用下的应力分布,在小挠度理论的基础上得出弹性薄膜上应力、应变的具体表达式;分析温度对半导体材料阻值的影响,研究掺杂浓度与电阻温度系数之间的关系,建立与温度和掺杂浓度有关的电阻值的数学模型;分析温度和掺杂浓度对压阻系数的影响,建立与温度和掺杂浓度有关的压阻系数的数学模型;基于封装应力产生的原因,研究硅材料和衬底材料的热膨胀系数与温度的关系,建立封装应力的数学模型;研究单晶硅材料的杨氏模量与温度的关系,建立杨氏模量随温度变化的数学模型;综合以上研究结果,建立了传感器的温度补偿模型,依据测试实验得到的样本数据对传感器的性能进行了分析,并验证温度补偿模型的正确性。结果表明,使用该温度补偿模型进行补偿之后,在100hPa以下的最大标定误差小于±0.6hPa,100hPa以上的最大标定误差小于±7hPa。论文的研究结果对进一步研究压阻式压力传感器的温度补偿有一定的参考价值。
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