專利名稱：：全橋型壓阻式壓力傳感器的數字式信號調理芯片的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種壓阻式壓力傳感器,特別涉及一種全橋型壓阻式壓力傳感器的數字式信號調理芯片。技術背景由于微機械電子系統MEMS技術加工的壓阻型壓力傳感器，因其體積小、價格便宜，而廣泛應用于工業控制、汽車電子等領域。然而硅材料加工的壓力傳感器，存在著明顯的溫度效應。這使得MEMS壓力傳感器在實際應用時，必須進行溫度補償。壓阻型壓力傳感器補償方法很多，傳統的補償辦法是用串并聯電阻的方法實現，參見圖l，圖中是恒流源激勵的傳感器，此時傳感器靈敏度隨溫度升高而變大。并聯電阻Rs起著補償靈敏度的作用，當溫度升高時，傳感器橋臂電阻變大，而此時由于Rs的分流作用，流過傳感器的電流減小，從而減小了靈敏度，使得靈敏度的溫度效應降低。Rp補償零點溫度漂移，當零點輸出隨溫度升高而變大時，通過Rp可以使零點輸出隨溫度的變化減小，起到了零點溫度漂移補償的作用。R0調整零點輸出，通過R0可以使零點調整到所需要的值。電阻Rs、Rp、R0—般制成厚膜電阻，然后采用激光調阻的辦法實現傳感器的信號調理。這種方法原理簡單，但調試設備昂貴，調試過程也比較復雜。并且通過串并聯電阻的方法調理其調理的范圍比較小，調理的精度也比較差。近幾年，隨著傳感器市場的不斷開闊，國外很多公司研制生產了專用于全橋結構壓阻型壓力傳感器的信號調理芯片。例如，美國德州儀器公司的PGA309、德國澤恩帝公司的ZMD31010、比利時Melexis公司的MLX90320、美國Semtech公司的XE8801A等等。這些芯片的共同特點是，內部有集成溫度傳感器、ADC、DAC以及算術邏輯部件ALU。通過MUX將傳感器輸出和溫度傳感器的輸出分別傳遞給ADC，將模擬量轉化為數字量。再將兩者傳遞給算術邏輯部件，通過一定的算法，計算出該溫度下傳感器的輸出。這些芯片，一般采用多項式計算方法來補償靈敏度溫度效應、零點溫度效應以及零點輸出的調整。其調理精度和多項式的階次直接相關，階次越高，精度越高，但是所要測試的參數也就越多，測試及調試也就越復雜。然而，上面所說的iK片，設計比較復雜，成本高。有的是用于工業上高精度壓力變送器的信號調理，如XE8801A;有的要與其他芯片結合適用，如PGA309，要另外用一個EPR0M存儲參數。這些因素都增加了芯片的成本。
發明內容本發明的目的是針對已有技術中存在的缺陷，本發明提供了一種全橋壓阻型壓力傳感器的數字式信號調理芯片。本發明主要包括帶隙基準電壓模塊，增益可調運算放大器模塊，數字控制單元模塊，其特征在于所述帶隙基準電壓模塊中產生一正溫度系數電壓，對全橋型壓阻式壓力傳感器提供激勵電壓，增益可調運算放大器模塊由前級偏置可調運算放大器、中間級固定增益放大器、后級增益可調開關電容運算放大器組成，全橋型壓阻式壓力傳感器的輸出端接到數字式信號調理芯片的前級偏置可調運算放大器輸入端口，中間級固定增益放大器的增益為固定值，數字控制單元模塊設有存儲器、內部時鐘電路，增益可調開關電容運算放大器的增益由數字控制單元模塊根據寫入存儲器正溫度系數、零點溫度系數、零點輸出值的參數確定，數字控制單元模塊初始化包含以下步驟A測試傳感器的靈敏度溫度系數、零點溫度系數、零點輸出值；B按2+5,+《a=o以及f。=*。r+6。計算公式計算得到靈敏度溫度補償系數《、零點溫度補償系數A;,、以及零點輸出補償系數A，其中A,為歸一化靈敏度溫度系數；A為0K時歸一化靈敏度；^為零點輸出溫度系數；^為0K時零點輸出；r為絕對溫度，單位為《；C將計算得到的正溫度系數《、零點溫度系數A、零點輸出值A寫入存儲器內。本發明'的優點是采用帶隙基準電壓模塊，增益可調運算放大器模塊，數字控制單元模塊的電路結構,該調理芯片實現傳感器的靈敏度效應補償、零點漂移補償以及零點輸出的調整，調理精度高，成本低，克服傳統調理方法的低精度和為了提高精度而使測試調理設備昂貴、數字式調理芯片成本提高、測試及調試復雜的缺陷。圖1傳統串并聯電阻法調理電路；圖2本發明的芯片原理框圖；圖3本發明的零點補償電路原理圖；圖4為恒壓激勵時傳感器的輸出特性曲線圖；圖5經本發明調理后傳感器輸出特性曲線圖。Ul后級增益可調開關電容運算放大器、U2帶隙基準bandgap電壓模塊、U3前級偏置可調運算放大器、U4數字控制單元模塊DigitalControl1開關電容運算放大器Amp、2帶隙基準BandgapReference、3前級偏置可調運算放大器S\H、4數字控制單元模塊DigitalControl、5振蕩器Osc、Rl橋臂電阻、R2橋臂電阻、R3橋臂電阻、R4橋臂電阻、Rs電阻、Rp電阻、R0電阻。具體實施方式下面結合附圖進一步說明本發明的實施例-本發明的工作原理零點溫度漂移補償原理參見圖3，在零壓力下，測試傳感器的高低溫數據，得出傳感器零點輸出的溫度函數表達式-K,的表達式為^=《/+5。。與其對應的有兩個寄存器^W、7WF2。/Wi^存放參數A，其值即為通過測試而計算得到的&，M^存放參數A，其值即為通過測試而計算得到的6。。/C。的范圍為0.01:0.1S。的范圍為-15:+15靈敏度溫度補償參見圖4，不同溫度下，傳感器特性曲線的斜率不同。直觀上理解，要改變的就是傳感器輸出特性曲線的斜率，使其在不同溫度下的斜率一致。歸一化靈敏度的表達式如下Sg=g其中，Sg為歸一化靈敏度，^)為滿量程輸出，^為橋壓，尸為壓力量程。不同溫度時，曲線的斜率不同，也就是靈敏度存在溫度系數。歸一化靈敏度同樣也存在溫度系數。靈敏度的表達式如下所示o=-尸需要的是靈敏度S在不同溫度下保持一致，而不是歸一化靈敏度&。S和^的關系式如下采用一次近似，Sg可表示為為盡r+、，假設^=尺，7>^，貝U艮卩2&A:,r+A,5,=o最終的目標是把不同溫度下的靈敏度補償到常溫25。C時的靈敏度，即把圖4中其它溫度下的傳感器特性曲'線補償到25"C時的特性曲線，盡量使它們重合，即減小傳感器的溫度系數。則上式變為.-我們設定25'C時橋壓為3V，則根據上面兩個方程，可以解出/C,和5，。這兩個參數就是要寫進ROM的值。本發明采用CMOS工藝，設計一種應用于汽車傳感器領域的信號調理芯片，該芯片主要包含三個部分，帶隙基準bandgap電壓模塊U2，，增益可調運算放大器模塊Ul及U3,數字控制單元模塊digitalcontrolU4,從中提取出來的正溫度系數電壓激勵增益可調運算放大器Ul、數字控制單元digitalcontrolU4，數字控制單元模塊digitalcontrolU4設有存儲器PROM(OTPMemory)、內部時鐘電路(Oscillator)參見圖2。當溫度變化時，帶隙基準bandgap電壓模塊U2提供的正溫度系數電壓激勵源，對全橋式壓力傳感器提供電壓激勵。根據傳感器的特性，當其采用恒壓激勵模式時，其歸一化靈敏度負溫度系數是負的，此時采用一正溫度系數電壓源為傳感器提供激勵，就可以補償傳感器靈敏度的溫度效應。將全橋型壓阻式壓力傳感器的輸出端接到數字式信號調理芯片的輸入端口，首先進入前級偏置可調運算放大器3。因為傳感器經靈敏度補償后，還存在零點溫度偏移的問題。在測得傳感器的零點溫度特性后,，那么只要在前級偏置可調運算放大器的一端疊加一溫度特性與傳感器零點溫度特性一樣的電壓，就可以消除傳感器零點溫度漂移。這一電壓也是從帶隙基準中提取出來的，并且和為傳感器提供激勵的電壓相似，其溫度系數也是可調的。經過這兩步，其輸出信號的溫度效應基本上消除。然后將信號傳輸給后兩級運放，得到所需要的信號輸出。在運行過程中，每一步都是要受數字控制單元模塊digitalcontrolU4的控制來完成。數字控制單元模塊digitalcontrolU4的初始化首先對傳感器進行測試，數字控制單元模塊digitalcontrolU4初始化包含以下步驟A測試傳感器的靈敏度溫度系數、零點溫度系數、零點輸出值；B按2^,7>W=0以及K"。r化計算公式計算得到靈敏度溫度補償系數A^、零點溫度補償系數A;,、以及零點輸出補償系數A，其中A為歸一化靈敏度溫度系數；A為0K時歸一化靈敏度；A。為零點輸出溫度系數；"為0K時零點輸出；r為絕對溫度，單位為/T。c將計算得到的正溫度系數《、零點溫度系數A、零點輸出值^寫入存儲器PROM(OTPMemory)內。根據該發明所給出的算法計算出所需要的參數，然后將這些參數寫入數字控制單元digitalcontrolU4的存儲器PROM(OTPMemory)中。這些參數，確定了運算放大器的增益、正溫度系數電壓激勵源的溫度系數以及零點溫度系數。正溫度系數電壓源可用下式表示K/fl=^(rBC+《r)其中，K恥=1.24706F;《的范圍為0.927:1.831,默認值為1;《的范圍為3.234x10-3:5.913x10-3，默認值為4.78x10-3。增益可調運算放大器U1，是通過向內部寄存器寫值，來調整增益的倍數。寄存器數據和增益倍數對照詳細如下<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>RSV0為調整增益倍數的寄存器，這是一個8位數據寄存器。當其值為00000000，代表開關電容放大器的增益倍數為4;當其值為00000111，代表開關電容放大器的增益倍數為8.8，依此類推。在此之前，還有一級增益恒定的運算放大器，其增益倍數為10。這樣，上述數據要乘10，即得到如下的增益數據總體增益倍數與寄存器數據對照<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>另外，正溫度系數電源激勵^=/:(^￡;+尺,70中尺也其調整增益的作用。由于/SK。分辨率低，只是粗調的作用，^起微調作用。權利要求1.一種全橋型壓阻式壓力傳感器的數字式信號調理芯片，主要包括帶隙基準電壓模塊，增益可調運算放大器模塊，數字控制單元模塊，其特征在于所述帶隙基準電壓模塊中產生一正溫度系數電壓，對全橋型壓阻式壓力傳感器提供激勵電壓，增益可調運算放大器模塊由前級增益可調開關電容運算放大器、中間級固定增益放大器、后級偏置可調運算放大器組成，全橋型壓阻式壓力傳感器的輸出端接到數字式信號調理芯片的前級偏置可調運算放大器輸入端口，中間級固定增益放大器的增益為固定值，數字控制單元模塊設有存儲器、內部時鐘電路，增益可調開關電容運算放大器的增益由數字控制單元模塊根據寫入存儲器正溫度系數、零點溫度系數、零點輸出值的參數經運算后確定并寫入數字控制單元模塊的存儲器內。2.根據權利要求1所述的全橋型壓阻式壓力傳感器的數字式信號調理芯片，其特征在于所述數字控制單元模塊初始化包含以下步驟A測試傳感器的靈敏度溫度系數、零點溫度系數、零點輸出值；B按2yt，《<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>。計算公式計算得到靈敏度溫度補償系數《、零點溫度補償系數a;,、以及零點輸出補償系數a，其中a,為歸一化靈敏度溫度系數；a為ok時歸一化靈敏度；a。為零點輸出溫度系數；4為0k時零點輸出；r為絕對溫度，單位為,；c將計算得到的正溫度系數《、零點溫度系數A、零點輸出值5>，寫入存儲器內。全文摘要全橋型壓阻式壓力傳感器的數字式信號調理芯片，主要包括帶隙基準電壓模塊，增益可調運算放大器模塊，數字控制單元模塊，其特征在于所述帶隙基準電壓模塊中產生一正溫度系數電壓，對全橋型壓阻式壓力傳感器提供激勵電壓，數字控制單元模塊設有存儲器、內部時鐘電路，增益可調開關電容運算放大器的增益由數字控制單元模塊根據寫入存儲器正溫度系數、零點溫度系數、零點輸出值的參數確定。本發明的優點是該調理芯片實現傳感器的靈敏度效應補償、零點漂移補償以及零點輸出的調整，調理精度高，成本低廉。文檔編號G01L1/18GK101236113SQ20071003706公開日2008年8月6日申請日期2007年2月1日優先權日2007年2月1日發明者勝劉,唐益謙,陳君杰申請人:上海飛恩微電子有限公司