一種用于壓力傳感器的溫度控制系統設計

摘 要:針對SiC高溫MEMS壓力傳感器易受溫度影響，產生零點漂移、測量誤差增大等問題，設計了一種溫度控制系統，根據科恩-庫恩公式建立了系統的數學模型，采用參數自整定PID控制算法，克服了純 PID 控制有較大超調量的缺點，實現了一個溫度控制系統。利用Matlab仿真軟件的Similink模塊建立系統的仿真模型，通過仿真和測試驗證系統滿足設計要求。解決了大溫度范圍下壓力傳感器難以補償的問題，使得壓力傳感器在高溫環境下的應用得以實現，提高了壓力傳感器的穩定性。

關鍵詞:MEMS; 壓力傳感器; 溫度控制; 零點漂移

中圖分類號:TN911.7; TN86 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)14-0157-02

Design of Temperature Control System for Pressure Sensors

GUO Jiang

(College of Information Engineering， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China)

Abstract: A temperature control system for the SiC MEMS pressure sensor is designed as the pressure sensor is susceptible to high temperature， and easy to result in zero drift， and measurement error increase. A mathematical model for the system is established according to Cohen-Coon formula. And finally a temperature control system is achieved with the parameter self-tuning PID control algorithm to overcome the shortcoming of a large overshoot adjustment of pure PID control. The Similink module simulation model was set up by the Matlab Simulation software system. The simulation and testing verifies that the system can meet the design demands. The pressure sensor is hard to be compensated within a large temperature range is solved， with which the application of the pressure sensor in high temperature environments is achieved and the stability of the pressure sensor is improved.

Keywords: MEMS; pressure sensor; temperature control; zero drift

0 引 言

在微電子器件領域，針對SiC器件的研究較多，已經取得了較大進展，而在MEMS領域針對SiC器件的研究仍有許多問題亟待解決。在國內，SiC MEMS的研究非常少，因而進行SiC高溫MEMS壓力傳感器的研究具有開創意義。碳化硅(SiC)具有優良的耐高溫，抗腐蝕，抗輻射性能，因而使用SiC來制作壓力傳感器，能夠克服Si器件高溫下電學、機械、化學性能下降的缺陷，穩定工作于高溫環境，具有光明的應用前景。

然而當外界溫度較大時，壓力傳感器受溫度影響精度不高，會產生零點漂移等問題，從而增大測量誤差。于是嘗試加工一個腔體，把壓力傳感器和溫度傳感器放置在里面形成一個小的封閉腔體，在外界溫度較高或較低的情況下，用加熱裝置先升溫到幾十度并維持這一溫度，給壓力傳感器做零點補償，提高壓力傳感器的測量精度。這樣就克服了在大溫度范圍難以補償的問題。本文對這個溫度控制系統提出了解決方案，采用了PID參數自整定控制，模糊控制屬于智能控制方法，它與 PID 控制結合，具有適應溫控系統非線性、干擾多、時變等特點[1-3]。

1 硬件系統

用放置在腔體內的溫度傳感器測量恒溫箱內的溫度，產生的信號經過放大后輸出反饋信號，再用單片機進行采樣，由液晶顯示恒溫箱內的溫度，并通過溫度控制算法控制加熱裝置。所使用的單片機為STC125408AD，自帶A/D轉換、EPROM功能，內部集成MAX810專用復位電路(外部晶振20 MHz以下時，可省外部復位電路)，ISP(在系統可編程)/IAP(在應用可編程)，無需專用編程器可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，數秒即可完成一片[4]。硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 溫度控制系統硬件系統結構框圖

2 系統的控制模型

電加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象，可用一階慣性環節描述溫控對象的數學模型[5-8] 。

G(S)=K/(t′S+1) (1)

式中:K為對象的靜增益;t′為對象的時間常數。

目前工程上常用的方法是對過程對象施加階躍輸入信號，測取過程對象的階躍響應，然后由階躍響應曲線確定過程的近似傳遞函數。具體用科恩-庫恩(cohen-coon)公式確定近似傳遞函數。

cohn-coon 公式如下:

K=ΔC/ΔM

t′=1.5(t0.632-t0.28)

式中:ΔM為系統階躍輸入;ΔC為系統的輸出響應;t0.28為對象上升曲線為0.28ΔC時的時間(單位:min);t0.632為對象上升曲線為0.632ΔC時的時間(單位:min);從而求得K=0.96，t′=747 s。所以恒溫箱模型為:

G(S)=0.96/(747S+1) (2)

3 系統的控制模型仿真及實驗結果

純 PID 控制有較大超調量;而純模糊控制由于自身結構的原因又不能消除穩態誤差，穩態誤差較大。所以，考慮把它們兩者相結合，實現優勢互補。本論文采用參數模糊自整 PID 控制[9-10]。

使用該模糊控制器在 Simulink 中構建整個控制系統，如圖2所示。

圖2 參數模糊自整定PID控制系統仿真結構框圖

溫度控制系統對應仿真結果如圖3所示。

從上面的仿真結果表明:調節時間ts約為460 s，穩態誤差ess=0，超調量σ%=0。雖然仿真環境不可能與實際情況完全相同，但它的結果還是具有指導意義的。

圖3 給定值為80 ℃時溫度控制系統的響應曲線

在實際測試中前10 min每30 s采樣一次，后10 min每200 s采樣一次，測得實驗結果如表1所示。

表1 測試結果

時間 /s 溫度 /℃ 時間 /s 溫度 /℃

0 17.1 360 78.0

30 19.3 390 78.9

60 26.2 420 80.0

90 33.3 450 80.0

120 42.6 480 80.2

150 54.3 510 80.1

180 64.7 540 80.2

210 72.3 570 80.1

240 83.1 600 80.0

270 82.3 800 80.0

300 80.0 1 000 79.9

330 79.1 1 200 80.0

用Matlab軟件處理表1中的測試數據，繪制成變化趨勢圖，如圖4所示。

圖4 80 ℃時溫度控制系統的實驗結果

圖4為80 ℃時系統測得的實驗結果，由實驗結果表明，在實際測量中仍然有較小的超調量和穩態誤差，但是基本接近仿真結果，不能排除一些干擾因素。仿真畢竟是在理想的環境下進行的。

4 結 語

本文設計了一種用于壓力傳感器的溫度控制系統，針對壓力傳感器在高溫下易產生零點漂移等問題，加工了恒溫封閉腔體，把壓力傳感器置入其中，通過控制系統控制腔體內的溫度，解決了高溫壓力傳感器大溫度范圍難以補償的問題，從而可以提高測量精度，通過仿真和實驗相印證，本方案是可行的。

參考文獻

[1]孫鳳玲，于海超，王金文，等.硅壓阻式壓力傳感器溫度補償建模與算法研究[ J] .微納電子技術，2007，44(7):48-50.

[2]GRAF M， MULLER S K，BARRETTINO D. Transistor heater for microhotplatebased metal-oxide microsensors[ J] . IEEE Electron Device Letters， 2005，26(5):295-297.

[3]覃博彬，賴康生.基于DSP的壓力傳感器信號采集與溫度補償設計[ J] .中國儀器儀表，2009(4):91-94.

[4]葉丹，齊國生，洪強寧，等.基于單片機的自適應溫度控制系統[ J] .傳感器技術，2002，21(3):27-30.

[5]徐桂華.硅壓阻式壓力傳感器的溫度補償[ J] .數據采集與處理，1994(3):11-13.

[6]劉大偉，李緒友，鄭波祥，等.基于DSP 的多路溫度控制系統的設計[ J] .儀表技術與傳感器，2004(8):51-52，54.

[7]TAN Wen-chuan. Application of simulation in hardware design for electronic control high pressure common-rail fuel system of diesel engine[ J] . Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2005，18(4): 27-32.

[8]LI Yong-ke， DU Ya-ping.Application of intelligent signal-conditioning IC in micro-pressure measure[ C] . The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments， 2007.

[9]CRESCINI D. Design and development of a piezoresistive pressure sensor on micromachined silicon for high-temperature applications and of a signal-conditioning electronic circuit[ J] . Microsystem Technologies， 2003: 431-435.

[10]BART DE Geeter， OLIVIER NYS， BARDYN Jean-Paul.A high temperature micropower capacitive pressure sensor interface circuit[ J]. Analog Integrated Circuits and Signal Processing， 1997，14:179-191.