本文档属于类型a，即报告一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

作者及机构
本研究由Chao Yuan（IEEE会员）、Zhaoyang Wang（IEEE学生会员）、Chengxu Tang（IEEE学生会员）、Yun Huang（IEEE学生会员）和Qiao Li（IEEE会员）共同完成，所有作者均来自中国湖南大学电气与信息工程学院。研究成果发表于2025年的《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》（卷74）。

学术背景
研究领域为传感器技术，聚焦于压阻式压力传感器（piezoresistive pressure sensor）的动态温度补偿问题。压阻式压力传感器因其高灵敏度、优异线性度和快速响应时间，广泛应用于工业和航空航天领域。然而，硅材料的固有特性导致传感器在温度变化时产生显著漂移（temperature drift），传统补偿方法仅依赖环境温度，难以解决动态温度变化下的滞后问题。因此，本研究提出了一种基于传热分析（heat transfer analysis）的动态温度补偿方法，旨在通过精确预测压阻芯片温度，提升补偿精度。

研究流程
1. 传感器特性分析
- 研究对象：一款量程为0–0.5 MPa、温度范围为−40°C至125°C的压阻式压力传感器，其核心为扩散硅压阻芯片（diffused silicon piezoresistive chip），封装于不锈钢外壳内。
- 实验设计：通过校准实验获取传感器在不同温度下的输出特性曲线（图5），发现灵敏度随温度升高而下降，但零漂变化较小。此外，通过自热实验（图6）验证芯片自热导致的漂移可忽略。

1. 传热建模

   • 热对流分析：建立传感器外壳与环境的热对流模型（公式10-17），推导外壳温度（t1）和核心下壳体温度（t2）的动态响应方程。
     
   • 热传导分析：通过COMSOL软件构建传感器三维几何模型，模拟瞬态热阻抗（transient thermal impedance），并采用Foster网络模型拟合热阻（Rth）和热容（Cth）参数（表II）。最终构建双路径热阻抗网络（图11），分别描述外壳至芯片和核心下壳体至芯片的热传导路径。
     

2. 温度补偿算法

   • 芯片温度预测：将热阻抗网络转换为等效电路（图12），结合环境温度输入，实时计算芯片温度tc（公式21）。
     
   • 补偿实现：基于实验标定的灵敏度-温度关系（k = −0.0248·Δt + k0），设计补偿公式（公式23），修正输出电压的温漂误差。
     

3. 实验验证

   • 阶跃温度变化实验：环境温度从−7°C骤升至125°C，补偿后最大误差从0.1142 MPa降至0.0079 MPa（图17）。
     
   • 连续温度变化实验：环境温度从34.4°C缓升至80.3°C，补偿后误差从0.0253 MPa降至0.0012 MPa（图21）。
     

主要结果
1. 热模型有效性：瞬态热阻抗网络成功预测芯片温度，其与实际温度的滞后误差显著低于传统环境温度补偿方法（图16）。
2. 补偿性能：在阶跃和连续温度变化下，补偿后传感器的最大误差分别降低93.08%和95.26%（图17、21），且稳定性显著提升。
3. 理论贡献：首次将传热分析引入压阻传感器补偿领域，解决了动态温度差异导致的补偿滞后问题。

结论与价值
本研究提出了一种基于传热分析的动态温度补偿方法，通过精确建模传感器内部热传导路径，实现了芯片温度的实时预测和高精度补偿。其科学价值在于为传感器温度漂移问题提供了新的理论框架（热阻抗网络），应用价值则体现在工业复杂环境下的传感器稳定性提升，尤其适用于航空航天、能源监测等严苛场景。

研究亮点
1. 创新方法：首次将瞬态热阻抗网络模型应用于压阻传感器温度补偿，突破了传统环境温度依赖的局限。
2. 实验设计：通过多场景（阶跃/连续温度变化）验证补偿算法的鲁棒性，数据支撑充分（图13-23）。
3. 跨学科融合：结合传热学理论与电路仿真技术，展现了多学科交叉研究的潜力。

其他价值
研究还揭示了自热效应（self-heating）对压阻传感器的影响可忽略（图6），为后续低功耗设计提供了依据。此外，提出的Foster网络参数拟合方法（公式19）可推广至其他封装器件的热分析中。