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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 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STCl25408AD，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。硬件結構框圖如圖1所示。 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。 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： 式中：△M為系統階躍輸入；△C為系統的輸出響應；t0o．28為對象上升曲線為O．28△C時的時間(單位：min)；t0．632為對象上升曲線為O．632△C時的時間(單位：min)；從而求得K=O．96，t’=747 s。所以恒溫箱模型為： 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。 使用該模糊控制器在Simulink中構建整個控制系統，如圖2所示。 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460s，穩態誤差ess=O，超調量σ％=O。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。 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。 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。 |
