多晶硅纳米膜压力传感器温度补偿技术研究

论文摘要

多晶硅纳米膜是一种具有良好压阻特性的纳米材料,基于多晶硅纳米膜的压力传感器具有灵敏度高、动态响应好、精度高、稳定性好、易于小型化和批量生产等诸多优点。虽然纳米膜的温度特性比普通多晶硅薄膜优越,但温度还是会对此种传感器的灵敏度及稳定性产生一定影响,因此,温度补偿成为多晶硅纳米膜压力传感器研究和生产中的一个亟待解决的技术问题。本课题在分析多晶硅纳米膜压力传感器温度漂移原因的基础上,对传感器信号检测方法和温度补偿算法进行研究,并对温度补偿系统进行了设计、制作与实际测试。为检测传感器信号,在对传感器信号测量原理分析的基础上,对传感器激励电路、信号放大电路进行设计,并采用滤波电路和电路抗干扰措施来消除外部电磁干扰。为优化温度补偿算法,根据压力传感器标定得到的实验数据,利用MATLAB对二元回归法和神经网络法的补偿效果进行仿真,比较二者优缺点之后,确定神经网络法作为温度补偿算法。在驱动程序设计方面,在分析数字化造成的量化误差的基础上,基于过采样原理确定系统采样频率,并设计出相应的数字滤波算法。为了方便传感器性能参数的分析,提高系统的灵活性,本文所研究的系统还具有存储、通讯及显示功能。实验证明,经温度补偿后,环境温度从-30℃到70℃变化时,压力传感器最大灵敏度温漂系数从补偿前的0.13%下降到0.0028%,最大零点温漂系数从补偿前的0.44%/℃下降到0.0052%/℃。因此,本系统能明显提高压力传感器的温度稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 压力传感器温度补偿技术研究现状
• 1.2.1 国外研究状况及分析
• 1.2.2 国内研究状况及分析
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 纳米膜压力传感器及其温度特性
• 2.1 多晶硅纳米膜压力传感器工作原理
• 2.2 纳米膜压力传感器温漂及原因分析
• 2.2.1 零点输出温漂
• 2.2.2 灵敏度温漂
• 2.3 温度补偿方案
• 2.3.1 硬件补偿
• 2.3.2 软件补偿
• 2.3.3 补偿方案的选择
• 2.4 本章小结
• 第3章 补偿系统的硬件设计
• 3.1 补偿系统总体结构
• 3.2 信号检测与预处理电路
• 3.2.1 电桥供电电路的设计
• 3.2.2 压力信号放大电路的设计
• 3.2.3 温度信号检测电路的设计
• 3.2.4 滤波电路设计
• 3.2.5 有源屏蔽驱动电路
• 3.3 单片机及其外围电路
• 3.3.1 ADμC812 单片机性能与结构
• 3.3.2 ADμC812 电源电路设计
• 3.3.3 ADμC812 模数转换接口设计
• 3.3.4 ADμC812 通信模块的设计
• 3.4 系统的抗干扰设计
• 3.4.1 电源干扰的抑制
• 3.4.2 地线抗干扰设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 温度补偿算法的实现及程序设计
• 4.1 温度补偿算法设计
• 4.1.1 传感器标定
• 4.1.2 二元回归分析法
• 4.1.3 BP神经网络法
• 4.1.4 两种算法的比较
• 4.2 单片机驱动程序设计
• 4.2.1 采样频率
• 4.2.2 数字滤波
• 4.2.3 单片机主程序流程
• 4.3 本章小结
• 第5章 实验结果分析
• 5.1 相关指标计算方法及测试方案
• 5.1.1 传感器温度特性指标
• 5.1.2 测试方案
• 5.2 补偿前后测量结果与评价
• 5.2.1 补偿前传感器温度特性分析
• 5.2.2 补偿效果分析
• 5.2.3 系统性能评价
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢