带主动零点平衡和数字温度补偿的 SOI 压阻式应变片，用于 400°C 精密微应变传感

《IEEE Transactions on Electron Devices》：SOI Piezoresistive Strain Gauge With Active Zero Balance and Digital Temperature Compensation for Precision 400 °C Microstrain Sensing

　　

摘要：

为了满足航空航天发动机监控、深井钻井以及高温工业设备结构健康监测中宽温域应变测量的需求，本文提出了一种专为高达 400 ° 摄氏度的极端环境设计的绝缘体上硅（SOI）压阻式应变传感系统。通过引入埋氧层（BOX）将敏感层与硅衬底进行电气隔离，该设计有效抑制了高温条件下的衬底漏电流，提高了器件的热稳定性。针对宽温域工作过程中因载流子迁移率变化、增强晶格声子散射以及器件热失配引起的灵敏度衰减和零点漂移问题，设计了一套结合有源零点平衡电路与数字温度补偿算法的集成电子系统。有源调理电路用于减小桥路的初始失调和温度引起的基线漂移，而数字补偿模型则基于实时温度信息校正灵敏度变化，实现灵敏度衰减的动态重构。实验结果表明，该传感系统在 0 ° 摄氏度– 400 ° 摄氏度内保持了稳定的应变响应特性。经过温度补偿后，实现了 0.42%FS 的综合测量精度，最大迟滞误差小于 1.098%FS。本研究为极端热力学环境中的高精度微应变测量提供了一种可靠的传感解决方案。