壓力感測器電路設計及分析

壓力計中一般4

R

>>2∆

R

(

m

Ω)必定能夠成立，使得

ref

o

V

R V

∆

R

×

≈ 4 ，而

Kp

R R =

∆ ，則定電壓驅動時的輸出

ref

o

K p V

V

= × × 4

1 (4-2)

圖4-1 定電壓驅動方式

若以定電流為驅動方式時:

R I I R I R I

V

_o = _{2 3} − _{1 2} =( ₂ − ₁)× ，而

ref

ref

I

R R I R

R R R R

R

I R ×

∆

= + + ×

+ +

= +

4 2 )

( ) (

) (

4 3 2 1

2 1

2 (4-3)

ref

ref

I

R R

R I R

R R R R

R

I R ×

∆ +

∆

= + + ×

+ +

= +

4 2 )

( ) (

) (

4 3 2 1

4 3

1 (4-4)

ref

o

R I

R R R R I I

V

× ×

∆ +

= ∆

×

−

=( _{2 1}) 4 ，勢必4

R

>>∆

R

，則

p K R R R I

V

_o = ∆ × _ref，∆ = × ×

4 ，則定電流驅動時的輸出為

ref

o

R K p I

V

= × × × × 4

1 (4-5)

圖4-2 定電流驅動方式

從定電流與定電壓驅動時，所設定的條件，4

R

>>∆

R

比4

R

>> 2∆

R

更能表 示其正確性。即以定電流驅動時，其準確性與線性度更好。不管是定電壓或定電 流驅動，我們都希望壓力計的輸出電壓都與電橋兩端的電壓成正比。以半導體壓 力感測器為例，大多數壓力感測器使用時的依據。即

OS B

o

S P V V

V

= × × ± (4-6)

V =輸出電壓(mV)

o

S

=壓力感測器靈敏度(mV/V/psi)

P =壓力大小(psi)

V

B=橋式電路的端電壓

V

OS=當 P=0 時的偏置輸出電壓(Offset)

所以一般壓力計的輸出電壓靈敏度，表示為在端電壓為

V

_B的情形下，每壓 力單位所能產生的輸出電壓有多少。在理想的條件下，

V

_OS應該= 0，但是由於晶 體製造程序和電路設計的誤差，加上封裝過程方面的影響，所以

V

≠0，因此

V

也是設計時的考慮項目之一。

應用壓力感測器時，溫度係數是設計時考慮的重點之一。一般壓力感測器都 有溫度係數的規格，不同廠家有不同的限制，壓力感測器在溫度係數方面，可分 三類【25】：

(1)TCS (Temperature Coefficient of Sensitivity) (2)TCO (Temperature Coefficient of Offset) (3)TCR (Temperature Coefficient of Resistor) TCS 大都在-2000~ -3000 PPM/℃

TCR 大都在+500 ~ +1000 PPM/℃

TCO 視廠家的規格， 有正、負0~10µV/V/℃

以上的數據只是一些例子，真正的值需要參考廠家的規格。

用數學符號來表示以上溫度係數如下。

e Temperatur in

Change

y Sensitivit in

Change S S

TCS = S

^•

=

•

e Temperatur in

Change

sistor in

Change R R

TCR = R

^•

= Re

•

S = Pressure Sensitivity R = Bridge Resistor ( R

_B)

V

OS= Zero Pressure Offset Voltage

若以溫度係數的觀點來分析【26】，以下比較使用定電壓及定電流驅動方式，

所產生的溫度係數。圖4-3 為橋式電路結構，經過推導可將使用定電壓方式的靈 敏度溫度係數，表示為式(4-7)，而使用定電壓方式的靈敏度溫度係數，表示為式 (4-8)。

由式(3-10)可知，對 P 型的壓電阻而言，阻值變化率為

( ) 2

44

t

R

l

R

π σ σ

−

∆ =

。 將式(3-10)分別代入式(4-7)及式(4-8)。可得使用定電壓及定電流方式所產生的溫 度係數，如式(4-9)及式(4-10)表示之。

定電壓

T ) -( -1 T

1 T S S TCS 1

T ) -( P 2 T P 2

-T S

) -P (

2 S 1

t l t l 44 44 V

t l 44 44 t l

t l 44

∂

⋅∂

∂ +

⋅∂

∂ =

⋅∂

=

∂

⋅∂ + ∆

∂

⋅∂

= ∆

∂

∂

= ∆

σ σ σ σ π π

σ σ π

π σ σ

σ σ π

(4-9)

定電流

T ) -( -1 T R R

1 T 1 T S S TCSi 1

) -( PR 2 S 1

t l t l 44

44 t l 44

∂

⋅∂

∂ +

⋅∂

∂ +

⋅∂

∂ =

⋅∂

=

= ∆

σ σ σ σ π

π σ σ π

(4-10)

由上述的結果可知，使用定電流方式比定電壓多出一項電阻的溫度係數。因 為壓阻係數π⁴⁴的溫度係數為負值，電阻的溫度係數為正值。所以使用定電流的 方式可以得到溫度的補償。若設計良好，則壓阻係數π⁴⁴，及電阻的溫度係數，

可互相抵消。

(

^mV_V-bar

)

R

1 P R V

1 P S V

b

∆ ⋅

=∆

∆

= ∆

(

^mV_mA-bar

)

P R P 1 I S V

b ∆

=∆

⋅∆

= ∆ 式(4-7)

Vb

R V= ∆R

∆

式(4-8)

4-2 壓力感測器電路設計

經過前面的介紹，我們可以了解壓阻式壓力感測器的工作原理。可以得知 使用定電壓或定電流驅動將產生不同的溫度係數。因此將設計四組量測電路分別 為：脈波_定電流、脈波_定電壓、連續波_定電流及連續波_定電壓。實際量測 COB 封裝方式及 DIP 封裝方式的壓力感測器，並探討各量測電路對壓力感測器 所造成的溫度係數及誤差。圖4-4~4-7 為四組量測系統功能方塊圖。

圖4-4 定電流_脈波量測系統功能方塊圖

圖4-5 定電壓_脈波量測系統功能方塊圖

圖4-6 定電流_連續波量測系統功能方塊圖

圖4-7 定電壓_連續波量測系統功能方塊圖

4-2-1 定電流源(Constant Current Source)

D1

ZENER R1

R2

A1

OPAMP +IN

+OUT

-IN

-OUT

U1

PRESSURE SENSOR

Vss

Vcc Vcc

Eo ↑ eo

圖4-8 定電流源示意圖

圖4-8 為定電流源電路圖【27】，電流源 Io為

2 o o

o

R

) e I (E −

=

(4-11) Eo：Diode reference voltage

eo：offset of amplifier

Pulsed constant current source：0.4mA

Continue wave constant current source：0.2mA

定電流源 Io的大小取決於稽納二極體提供的參考電壓及電阻R2的阻值。因 為脈波的能量較連續波小，若將脈波_定電流電路的電流源設定為 0.2mA 將造成 輸入信號過小。使得輸出信號的解析度受限於狹小範圍內，會造成量測誤差增 加。故將脈波_定電流電路的電流源放大一倍，以增加信號解析度。

4-2-2 放大電路(Amplify Circuit)

放大電路要有以下的特性：

(1) 放大器要有極高的輸入阻抗，才不會造成負載效應，而影響輸出的正確性。

一般放大器輸入阻抗

R

_i >20

R

_B以上。

(2) 為符合不同靈敏度的事實，放大器中必須預留靈敏度調整的功能。

(3) 壓力 P=0 時

V

_OS ≠0，必須於放大器中，能做該項之歸零抵補調整。

(4) 放大器輸入針對電橋輸出兩端，必須具有差值放大的功能，以抵消共模雜訊 的干擾。

(5) 具有穩定的放大率。

為滿足上述對放大器的要求，必須使用輸入偏移電壓、輸入偏移電流及輸入 偏壓電流較小的放大器。在此選用的放大器為LTC2051，此放大器的規格皆符合 上述的要求，其主要的應用在儀表及壓力計。下表4-1 為 LTC2051 規格書。

表4-1 LTC2051 規格書

V R1 1K

R2 5K

R4 10K R3 10K

R5 10K

R6 10K

R8 1M R7 1M A1

LTC2051

+IN

+OUT

-IN

-OUT

U1

PRESSURE SENSOR

A3

A4 A2

LTC2052

AVcc AVcc

AVcc

AVcc

AVss AVss

AVss

AVss

圖4-9 定電流源及放大電路

V

CC

第一級 A2 和 A3 為緩衝放大器、第二級 A4 為差值放大器。電阻 R3和R4、 R5和R6及R7和R8必須匹配。理論上，若R3=R4、R5=R6、R7=R8，整體放大倍 率A 可以式(4-12)表示

6 8 5 7

R R R

A = R =

(4-12)

脈波_定電流電路中，將 R3~R6設計為10KΩ，R7和R8設計為1MΩ。放大 倍率A=100。其餘三組量測電路中將 R7和R8設計為500KΩ。放大倍率 A=50。

但實際上R3~R8的阻值並不會剛好等於設計值，皆會有些許誤差。所以需實際量 測各電阻使其匹配。經篩選後R3~R8的實際值分別為9.953KΩ、9.953KΩ、

9.968KΩ、9.968KΩ、998KΩ、997KΩ 如圖 4-10。將 R5~R8代入式(4-12)可得

R4 R3

R5

R6

R8 R7

A3

A4 A2

LTC2052

AVcc

AVcc

AVcc AVss

AVss

AVss

V1

V2

V1±1µV

V2±1µV

9.968KΩ

9.968KΩ 9.953KΩ

9.953KΩ

998KΩ

997KΩ

Vout

圖4-10 信號放大電路示意圖

% 1 . 0

6 8 5

7

= +

R R R

R

(4-13)

將放大器的輸入偏移電壓所造成的誤差考慮進去後，可以式(4-14)表示。

A V V V

V

_out =[( 1− 2)± _os]⋅ (4-14) 將式(4-13)代入式(4-14)可得

%) 1 . 0 100 ( ] 2 ) 2 1

[( − ± ⋅ +

=

V V V

V

_out

µ

V V

V

V

1 2) 200

µ

0.002

µ

(

100.001⋅ − ± ±

= (4-15)

可將式(4-15)化簡如下

V V

V

V

_out =100.001⋅( 1− 2)±200

µ

(4-16) 若以Full Scale 的觀點來看輸出電壓的誤差可以式(4-17)表示之

) 2 1 ( 100.001

200

V V

V V

V

−

⋅

= ±

∆

µ

(4-17) 由Full Scale 觀點所求出的誤差和輸入偏移電壓所造成的誤差相比，哪一項誤差 比較大就是整個放大電路的誤差。輸入偏移電壓所造成的誤差，可將 R8串接精 密可變電阻，即可對輸入偏移電壓做歸零抵補的調整。

4-2-3 取樣保持電路(Sample and Hold)

脈波_定電流及脈波_定電壓兩組電路中，信號經放大電路後會產凸波須以取 樣保持電路來避開並保持波形的完整，以減少量測誤差。脈波的時間為1ms 從 脈波開始400µs 後取樣，取樣時間為 400µs。如圖 4-11 及圖 4-12 所示。

A5

OPAMP

A6

OPAM C250.1u

C210.1u C22

1n C23

0.1u C260.1u IN11 COM12 NO13 V-4 GND5 NO46 COM47 IN48IN3COM3NO3NCV+NO2COM2IN2

U5 MAX4522

AVcc AVcc

AVss AVss

AVss C24 0.1u

圖4-11 取樣保持電路

1 V

R11K

R25K

R4 10K R3 10K

R5 10K

R6 10K

R81M R7 1M A1

LTC2051

+IN

+OUT

-IN

-OUT

U1

PRESSURE SENSOR A3

A4 LTC2052

A2

A5

AD825

A6

AD825 C250.1u

C210.1u C22

1n C23

0.1u C26 0.1u IN11 COM12 NO13 V-4 GND5 NO46 COM47 IN48IN39COM310NO311NC12V+13NO214COM215IN216

U5 MAX4522 S1 Test Button

R11 1K

AVcc

AVcc

AVcc

AVcc

AVcc AVcc

AVcc

AVss

AVss

AVss

AVss

AVss AVss

AVss AVcc

C280.1u

C240.1u

AVcc

測 試 按 鈕

圖4-12 定電流源、放大電路及取樣保持電路示意圖

4-2-4 類比數位轉換器(A/D Converter)

當量測信號經過取樣保持電路後，需利用數位類比轉換器，將類比信號轉換 成數位信號，以方便Micro-Controller 處理信號的轉換。最後再由 LCD Display 顯示量測值，在此選用解析度為12 位元的類比數位轉換器 AD574。需注意的是 AD574 類比信號輸入範圍，可設定為單極或雙極輸入。實際上當壓力感測器輸 入壓力為0 psi 時，會有微量偏移電壓，此微量偏移電壓有正有負。當微量偏移 電壓為負值的時候，若將信號輸入範圍設定為單極，AD574 會將此微量偏移電 壓判斷為零。所以應該將信號輸入範圍設定為雙極，以降低量測誤差。以Full Scale 的觀點來看類比數位轉換器，ㄧ位元的解析度可以式(4-18)表示之。

mV ADU V

ADU

V

1.22 4096

5 =

= 式(4-18)

圖4-13 AD574 功能方塊圖 圖4-14~4-17 為四組量測系統電路圖

D1 ZENER 2V

R1 1K

R2 5K

10KR4 10KR3

R5 10K

R6 10K

R8 1M

R7 1M A1

OPAMP +IN

+OUT

-IN

-OUT

U1

PRESSURE SENSOR

A3

OPAMP

A4

OPAMP A2

OPAMP A5

OPAMP

A6

OPAMP C25

0.1u

C21

0.1u C22

1n C23

0.1u C26 0.1u

1 Vin

Gnd2

Vo 3

C19 LM7812

C2

0.1u C4

0.1u C1

100u/25V

C3

10u/16V POWER 15V

POWER GND

Gnd2

Vo 3

1 Vin C20

LM7805 L2

FB

L1 FB C5

10u/16V C6

0.1u C7

0.1u C8 0.1u

DVcc AVcc

VLOGIC 1 2 12/8 3 CS

A0/SC 4 5 R/C 6 CE 7 VCC

REF OUT 8 9 AC

REF IN 10 11 VEE

BIP OFF 12

10Vspan 13

20Vspan

14 U2 STATUSDB10DB11DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DC 1516171819202122232425262728 AD574

R10 0.1K

R9

0.1K

VCC 40 1 P10

P00 39 2 P11

P01 38 3 P12

P02 37 4 P13

P03 36 5 P14

P04 35 6 P15

P05 34 7 P16

P06 33 8 P17

P07 32 RESET 9

EA/VP 31 10 RXD

ALE/P 30 11 TXD

PSEN 29 12 INT0

P27 28 13 INT1

P26 27 14 T0

P25 26 15 T1

P24 25 16 WR

P23 24 17 RD

P22 23 18 X2

P21 22 19 X1

P20 21 20 GND

U3

89C51

DVcc1 IN11 COM12 NO13 V-4 GND5 NO46 COM47 IN48IN39COM310NO311NC12V+13NO214COM215IN216

U5

MAX4522

DB6 13 DB4 11

DB2 9

DB0 7

R/W 5

VO 3

VCC 1

2 GNDRS

4 E

6 DB1

8 DB3

10 DB5 12 DB7 14 U4

LCD

R13 5K S1 Test Button

S2

RESET

Y1

11.0592MHz

C30

10u

R12 1K

Vo 3

1 Gnd2Vin C11 LM7912

Gnd1Vo3

2 Vin C14

LM7905 C10

0.1u

C13 0.1u

C16

0.1u C17

0.1u C15

10u/16V C12

C9

100u/25V

L4 FB

DVss

DVss1 AVss

POWER GND POWER -15V R11

1K

C29 0.1u

AVcc AVcc

AVcc

AVcc AVcc AVcc

AVcc

AVss AVss

AVss

AVss AVss AVss

AVss

DVcc

DVss AVcc

DVcc1 DVcc1

DVcc1 DVcc1

DVcc1

C27 0.1u C28

0.1u

C24 0.1u

AVcc

測試按鈕

LCD資料匯流排

AD574資料匯流排

圖4-14 脈波_定電流量測系統電路圖

10KR2 10KR1

R3 10K

R4 10K

R6 500K

R5 500K

+IN

+OUT

-IN

-OUT

U1

PRESSURE SENSOR

A2

OPAMP

A3

OPAMP A1

OPAMP A4

OPAMP

A5

OPAMP C25

0.1u

C21

0.1u C22

1n C23

0.1u C26 0.1u

1 Vin

Gnd2

Vo 3

C19 LM7812

C2 0.1u

C4 0.1u C1

100u/25V

C3

10u/16V POWER 15V

POWER GND

Gnd2

Vo 3

1 Vin C20

LM7805 L2

FB

L1 FB C5

10u/16V C6 0.1u

C7 0.1u

C8 0.1u

DVcc AVcc

VLOGIC 1 2 12/8 3 CS

A0/SC 4 5 R/C 6 CE 7 VCC

REF OUT 8 9 AC

REF IN 10 11 VEE

BIP OFF 12

10Vspan 13

20Vspan

14 U2 STATUSDB10DB11DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8DB9DC 1516171819202122232425262728

AD574 R8

0.1K

R7

0.1K

VCC 40 1 P10

P00 39 2 P11

P01 38 3 P12

P02 37 4 P13

P03 36 5 P14

P04 35 6 P15

P05 34 7 P16

P06 33 8 P17

P07 32 RESET

9

EA/VP 31 10 RXD

ALE/P 30 11 TXD

PSEN 29 12 INT0

P27 28 13 INT1

P26 27 14 T0

P25 26 15 T1

P24 25 16 WR

P23 24 17 RD

P22 23 18 X2

P21 22 19 X1

P20 21 20 GND

U3

89C51

DVcc1 IN11 COM12 NO13 V-4 GND5 NO46 COM47 IN48IN39COM310NO311NC12V+13NO214COM215IN216

U5 MAX4522

DB6 13 DB4 11

DB2 9

DB0 7

R/W 5

VO 3

VCC 1

2 GNDRS

4 E

6 DB1

8 DB3

10 DB5 12 DB7 14 U4

LCD

R11 5K S1 Test Button

S2

RESET

Y1

11.0592MHz

C30

10u

R10 1K

Vo 3

1 Gnd2Vin C11 LM7912

GndVo3

2 Vin C14

LM7905 C10

0.1u

C13 0.1u

C16 0.1u

C17 0.1u C15

10u/16V C12

C9 100u/25V

L4 FB

DVss

DVss1 AVss

POWER GND POWER -15V R9

1K

C29 0.1u

AVcc

AVcc

AVcc AVcc AVcc

AVcc

AVss

AVss

AVss

AVss AVss

AVss

DVcc

DVss AVcc

DVcc1 DVcc1

DVcc1 DVcc1

DVcc1

C27 0.1u C28

0.1u

C24 0.1u

AVcc

測試按鈕

LCD資料匯流排

AD574資料匯流排

圖4-15 脈波_定電壓量測系統電路

D1 ZENER 2V

R1 1K

R2 10K

10K R4 10K R3

R5 10K

R6 10K

R8 500K

R7 500K A1

OPAMP +IN

+OUT

-IN

-OUT

U1

PRESSURE SENSOR

A3

OPAMP

A4

OPAMP A2

OPAMP

Gnd2

Vo 3

1 Vin C1

LM7805 L2

FB

L1 FB C2

10u/16V

C3

0.1u C4

0.1u C5 0.1u AVcc

DVcc

Gnd1 Vo3

2 Vin C6

LM7905 C8

0.1u C9

0.1u C7

10u/16V

L4 FB

L3 FB

DVss AVss

AVcc AVcc

AVcc

AVcc

AVss AVss

AVss

AVss

POWER 9V

POWER -9V

POWER GND POWER GND

AVcc

Vout

圖4-16 連續波_定電流量測系統電路圖

10K R2 10K R1

R3 10K

R4 10K

R6500K R5 500K

+IN

+OUT

-IN

-OUT

U1

PRESSURE SENSOR

A2

OPAMP

A3

OPAMP A1

OPAMP

Gnd2

Vo 3

1 Vin C1

LM7805 L2

FB

L1 FB C2

10u/16V

C30.1u C4

0.1u C5 0.1u AVcc

DVcc

Gnd1 Vo3

2 Vin C6

LM7905 C8

0.1u C9

0.1u C7

10u/16V

L4 FB

L3 FB

DVss AVss

AVcc

AVcc

AVcc AVss

AVss

AVss

POWER 9V

POWER -9V

POWER GND POWER GND

AVcc

Vout

圖4-17 連續波_定電壓量測系統電路圖

第五章 壓力感測器在不同溫度不同壓力下量測

在文檔中 中 華 大 學 碩 士 論 文 (頁 61-78)