單晶硅微差壓變送器

工作原理
如圖1所示，單晶硅傳感器的敏感元件是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅片上，形成極薄的導(dǎo)電P型層，焊上引線即成“單晶硅應(yīng)變片”，其電氣性能是做成一個(gè)全動(dòng)態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯登電橋。該壓阻效應(yīng)惠斯登電橋和彈性元件（即其N型硅基底）結(jié)合在一起。介質(zhì)壓力通過密封硅油傳到硅膜片的正腔側(cè)，與作用在負(fù)腔側(cè)的介質(zhì)形成壓差，它們共同作用的結(jié)果使膜片的一側(cè)壓縮，另一側(cè)拉伸，壓差使電橋失衡，輸出一個(gè)與壓力變化對(duì)應(yīng)的信號(hào)?；菟沟请姌虻妮敵鲂盘?hào)經(jīng)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化成線性關(guān)系的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。 

對(duì)于表壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)通常通大氣，以大氣壓作為參考?jí)毫?；?duì)于絕壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)通常為真空室，以決對(duì)真空作為參考?jí)毫?；?duì)于差壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)的導(dǎo)壓介質(zhì)通常和正腔側(cè)相同，如硅油、氟油、植物油等。  
                              
圖1  硅傳感器結(jié)構(gòu)圖                                                                   圖2  膜片受壓示意圖 
如圖2所示，在正負(fù)腔室的壓差作用下，引起測量硅膜片（即彈性元件）變形彎曲，當(dāng)壓差P小于測量硅膜片的需用應(yīng)力比例極限σp時(shí)，彎曲可以全部復(fù)位；當(dāng)壓差P超過測量硅膜片的需用應(yīng)力比例極限σp后，將達(dá)到材料的屈服階段，甚至達(dá)到強(qiáng)化階段，此時(shí)撤去壓差后測量硅膜片無法恢復(fù)到原位，導(dǎo)致發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的測量偏差；當(dāng)壓差P達(dá)到或超過測量硅膜片能承受的ZUI高應(yīng)力σb后，測量硅膜片破裂，直接導(dǎo)致傳感器損壞。因此，通過阻止或削弱外界的過載壓差P直接傳遞到測量硅膜片上，可以有效保護(hù)傳感器的測量精度和壽命。這就引出了對(duì)單晶硅芯片進(jìn)行過載保護(hù)設(shè)計(jì)的問題。 

2.2 壓力過載保護(hù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
如圖3所示，為克服單晶硅硅片抗過載能力不足的缺陷，配備了一種具有單向壓力過載保護(hù)的差壓傳感器。該單向壓力過載保護(hù)差壓傳感器不僅能測出現(xiàn)場工況在額定壓力范圍內(nèi)的壓差值，而且在發(fā)生單向壓力過載的情況下還能有效地進(jìn)行自我保護(hù)，避免了硅差壓傳感單向壓力過載而引起的損壞。 
 
圖3  帶過載保護(hù)的差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 

如圖4、圖5所示，當(dāng)有超過差壓測量硅膜片允許工作范圍的差壓出現(xiàn)時(shí)，中心隔離移動(dòng)膜片向低壓一側(cè)移動(dòng)，并使高壓一側(cè)的外界隔離膜片和腔室內(nèi)壁重合，從而使得高壓側(cè)硅油全部趕入腔室內(nèi)，無法向單晶硅芯片進(jìn)一步傳遞更高的壓力值，在單晶硅芯片上避免了超高壓的發(fā)生，有效地實(shí)現(xiàn)了保護(hù)單晶硅芯片的目的。 

圖4  正腔過載示意圖                                                            圖5  負(fù)腔過載示意圖 

這種抗過載設(shè)計(jì)方法有效的保護(hù)了單晶硅芯片的*工作穩(wěn)定性，尤其在有水錘現(xiàn)象存在的工況場合更加能夠突出其*性。

2.3 *的量程比可調(diào)性能
由于單晶硅芯片的輸出信號(hào)量較大，在5V的恒壓源激勵(lì)下其典型的量程輸出到達(dá)了100mV，這樣對(duì)于后端的電子電路和軟件較為容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)補(bǔ)償和放大處理。相比于金屬電容式壓力、差壓變送器，單晶硅原理的壓力、差壓變送器的量程比性能非常*，其常用壓力變送器的量程可調(diào)比達(dá)到了100:1，微差壓變送器的可調(diào)量程比達(dá)到10:1。經(jīng)量程壓縮后仍能保持較高的基本精度，大幅拓寬了單晶硅壓力變送器的可調(diào)節(jié)范圍，對(duì)用戶的應(yīng)用較為方便和有意義。 

如表1所示，3臺(tái)經(jīng)抽樣的差壓變送器經(jīng)過10:1量程縮小和100:1量程縮小后的準(zhǔn)確度考核結(jié)果。滿量程為0-250kPa，壓縮10倍后的量程變更為0-25kPa，壓縮100倍后的量程變更為0-2.5kPa。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，當(dāng)壓縮10倍量程比后，其基本誤差分別為0.019%、0.012%、0.025%，仍然能夠保持由于0.05級(jí)的準(zhǔn)確度；當(dāng)壓縮100倍量程比后，其基本誤差分別為0.147%、0.219%、0.197%，其仍然可以優(yōu)于0.25級(jí)的準(zhǔn)確度。  


如表2所示，3臺(tái)經(jīng)抽樣的壓力變送器經(jīng)過10:1量程縮小和100:1量程縮小后的準(zhǔn)確度考核結(jié)果。滿量程為0-40MPa，壓縮10倍后的量程變更為0-4MPa，壓縮100倍后的量程變更為0-400kPa。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，當(dāng)壓縮10倍量程比后，其基本誤差分別為0.041%、0.047%、0.034%，仍然能夠達(dá)到0.05級(jí)的準(zhǔn)確度；當(dāng)壓縮100倍量程比后，其基本誤差分別為0.15%、0.063%、0.153%，其仍然可以優(yōu)于0.25級(jí)準(zhǔn)確度。 

單晶硅微差壓變送器

2.4 *的壓力滯后性能 
壓力滯后特性也稱回程誤差特性，俗稱回差，對(duì)于壓力、差壓變送器來說是一個(gè)較為重要的考核指標(biāo)?；夭畹?/span>大小直接影響到變送器的測量準(zhǔn)確性和*漂移性能。如圖5所示，這是一張典型的單晶硅誤差曲線和金屬電容誤差曲線的比較示意圖。從圖中可以看出，單晶硅原理傳感器的線性誤差曲線的回差極小，上行程和下行程幾乎重合，其回差基本可以忽略不計(jì)；而金屬電容式原理的線性誤差曲線的回差較大，上行程和下行程呈開口狀，直接影響到變送器的輸出精度。
圖5  誤差曲線例圖

2.5 特有的靜壓特性 
差壓變送器在測量罐體液位或管道流量時(shí)，如果對(duì)靜壓影響不作校正或補(bǔ)償，將會(huì)給測量帶來較大誤差，尤其是在液位范圍較小或相對(duì)流量較小時(shí)，影響更巨大。例如一臺(tái)電容式差壓變送器同節(jié)流裝置一起組成差壓式流量計(jì)，在32MPa工作靜壓條件下其滿量程靜壓誤差為≤±2%FS，雖然其零位誤差，可以通過調(diào)零來消除，但是滿位輸出誤差無法避免。因此此靜壓誤差直接影響流量的測試，并且影響量較大。在這種應(yīng)用工況下，差壓變送器的靜壓性能顯得尤為重要，如果靜壓誤差經(jīng)過補(bǔ)償，或其本身靜壓誤差極小，則其測量精度將會(huì)得到大幅提高。 

差壓變送器采用*的單晶硅芯片封裝工藝，封裝以后其內(nèi)腔和外腔達(dá)到壓力平衡。如圖6所示為單晶硅硅片的封裝示意圖，當(dāng)有工作靜壓加載到測量硅片的正負(fù)腔時(shí)，工作靜壓通過硅片外部的正腔硅油和硅片內(nèi)部的負(fù)腔硅油平衡加載到測量硅片上，并實(shí)現(xiàn)了相互抵消，從而使得測量硅片對(duì)工作靜壓的彎曲變形極小。這樣處理大幅提升了差壓變送器的靜壓影響性能。 

圖6  單晶硅硅片封裝示意圖 

而在微差壓變送器的應(yīng)用場合，由于微差壓信號(hào)量過小，對(duì)于靜壓影響造成的影響非常敏感，如上所述的*的封裝設(shè)計(jì)和工藝仍不能全部消除或減弱靜壓影響量。因此針對(duì)此問題，YR-ER101的微差壓變送器在其傳感器的內(nèi)部集成了一個(gè)可以測量工作靜壓的絕壓傳感器，如圖7所示為YR-ER101微差壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。此絕壓傳感器可以將測得的工作靜壓信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給內(nèi)部的微處理器，微處理器利用此工作靜壓坐標(biāo)軸自動(dòng)修正微差壓輸出信號(hào)，從而達(dá)到靜壓補(bǔ)償?shù)墓δ?。通過*的封裝工藝以及加裝絕壓傳感器后，大幅提升了CY-ER101差壓變送器的工作靜壓性能，從而保證了差壓變送器的測量準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性。 

圖7  單晶硅微差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 

2.6 特有的膜片處理工藝 
相比于美國羅斯蒙特的金屬電容式傳感器、日本橫河的單晶硅傳感器、歐洲ABB的硅差壓傳感器等采用的隔離環(huán)膜片焊接方式，差壓傳感器采用了更為*的無隔離環(huán)的衛(wèi)生型膜片焊接方式。這種衛(wèi)生型膜片焊接方式使得焊縫光滑，無縫隙，*，可以滿足直接焊接多種材質(zhì)膜片，如 316L、哈氏C、鉭膜片、蒙乃爾膜片，由于沒有縫隙的存在還可以在接液面進(jìn)行直接鍍金和噴涂PTFE等處理工藝。這種設(shè)計(jì)方式和特殊的處理工藝使得差壓變送器的接液范圍大幅延伸和拓展，并且大幅提升了腐蝕場合差壓變送器的使用壽命。 

2.7 特有的超高溫遠(yuǎn)傳設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
*，壓力、差壓變送器中的高溫遠(yuǎn)傳膜盒在應(yīng)用過程中，當(dāng)介質(zhì)溫度超過350℃應(yīng)用時(shí)存在著巨大的安全隱患，較為容易出現(xiàn)硅油氣化、數(shù)據(jù)失真或壽命下降等問題，這就要求應(yīng)用現(xiàn)場的介質(zhì)有一定的工作靜壓從而形成背壓來保證膜盒的正常工作。這樣造成了壓力、差壓變送器的遠(yuǎn)傳液位測量應(yīng)用范圍受到了限制。從采用了超高溫介質(zhì)的測量技術(shù)，其介質(zhì)的可測量溫度達(dá)到了400℃。
 
圖8  超高溫遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)原理圖 

如圖8所示為此超高溫遠(yuǎn)傳的結(jié)構(gòu)示意圖。此超高溫遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)分為超高溫充灌液和普通高溫充灌液兩個(gè)腔體，兩個(gè)腔體之間焊接隔離膜片，并在超高溫充灌腔體內(nèi)設(shè)一個(gè)散熱桿。和介質(zhì)直接接觸的超高溫充灌液可以承受400℃的介質(zhì)高溫，但是超高溫充灌液的粘度較高，不適合充入毛細(xì)管進(jìn)行壓力傳遞。因此，通過中間隔離膜片和普通高溫充灌液腔體的壓力進(jìn)一步傳遞，可以保證壓力的有限傳遞和快速響應(yīng)。而高溫?zé)崃拷?jīng)散熱后傳遞到普通高溫充灌腔體時(shí)溫度已大幅下降，可以保證普通高溫充灌液腔體的正常使用。這種方式拓寬了高溫遠(yuǎn)傳變送器的應(yīng)用范圍，并提高了超高溫遠(yuǎn)傳變送器的可靠性和壽命。

2.8 實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)和可靠性 
通過以上對(duì)系列產(chǎn)品技術(shù)的介紹和分析，筆者簡要地闡述了單晶硅高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過程。制造廠商從單晶硅原理芯片的選擇、單晶硅硅片的無應(yīng)力封裝、回程誤差的消除、靜壓影響的減弱、量程比的放大、接液面的特殊處理工藝以及超高溫測量的拓展等多方面來提升高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器的全性能、準(zhǔn)確度等級(jí)和可靠性。通過以上多種途徑的技術(shù)引進(jìn)和消化，并再加入新設(shè)計(jì)，使得YR-ER100系列高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器達(dá)到了*水平，其主要的技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)為：
1）準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0.05級(jí)，并取得計(jì)量器具制造許可證，達(dá)到了*水平； 
2）微差壓變送器采用*的雙過載保護(hù)膜片專有技術(shù)，可達(dá)±0.075%的高測量精度，大的工作靜壓達(dá)到16MPa，小的測量差壓為-50Pa~50Pa，先國內(nèi)外技術(shù)水平； 
3）差壓變送器*高工作靜壓可達(dá)40MPa，單向過載壓力*高可達(dá)40MPa； 

4）差壓傳感器內(nèi)部可選封裝絕壓傳感器，可用于現(xiàn)場工作靜壓的測量和顯示，也可應(yīng)用于靜壓補(bǔ)償，使得單晶硅壓力變送器的靜壓性能很佳，使得典型規(guī)格的靜壓誤差優(yōu)為≤±0.05%/10MPa。同時(shí)，由于內(nèi)部絕壓傳感器的集成，保證了YR-ER100多參數(shù)變送器的成功研發(fā)，可廣泛用于氣體流量的測量領(lǐng)域，并*了國內(nèi)gao端多參數(shù)變送器的空白。 
5）壓力、差壓傳感器內(nèi)部集成的高靈敏度溫度傳感器，使得變送器溫度性能上佳，尤為≤±0.04%/10K；
6）6kPa和40kPa微壓力量程表壓/絕壓變送器可選用*無傳壓損耗過載保護(hù)膜片專有技術(shù)，單向過壓*高達(dá)7MPa，大幅拓寬了微壓力傳感器的特殊領(lǐng)域的應(yīng)用范圍； 
7）典型規(guī)格的*零位漂移量≤±0.1%/3年，并通過12萬次90%的量程的極限壓力疲勞測試，達(dá)到了10年免維護(hù)的能力； 
8）實(shí)現(xiàn)了極寬的測量范圍0-100Pa～60MPa，ZUI高100:1的可調(diào)節(jié)量程比輸出； 
9）遠(yuǎn)傳變送器采用*的超高溫專有技術(shù)，可應(yīng)用于400℃超高溫測量場合，突破了遠(yuǎn)傳產(chǎn)品應(yīng)用和測量的瓶頸。