精度高單晶硅壓力、差壓變送器實(shí)現

【摘要】當前穩定性精度高壓力變送器、差壓變送器在自動(dòng)化領(lǐng)域的應用越來(lái)越重要，如何發(fā)展具備中國自主知識產(chǎn)權的精度高變送器是中國本土變送器制造廠(chǎng)商面臨著(zhù)的一個(gè)非常嚴峻的問(wèn)題。然而通過(guò)實(shí)踐表明可以從超穩型單晶硅原理芯片的選擇、超穩型單晶硅硅片的無(wú)應力封裝、回程誤差的消除、靜壓誤差的減弱和補償、儀表量程比的拓寬、等諸多技術(shù)方面的著(zhù)手和突破，從而打破國外高端變送器對中國市場(chǎng)的壟斷。
引言
        壓力、差壓變送器作為一種精密的測量?jì)x器，在自動(dòng)化領(lǐng)域的應用非常普遍和意義重大。在大多數的重要工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應用，如火力發(fā)電、核電、石油冶煉、化工、鋼鐵、造紙、制藥、食品、水泥制造等領(lǐng)域。然而在這些廣泛的應用領(lǐng)域中，由中國人自己研發(fā)和制造的中變送器非常匱乏，幾乎完全被美國、日本、德國、瑞士等工業(yè)發(fā)達國家的產(chǎn)品所壟斷。這對當前飛速發(fā)展的中國國民經(jīng)濟來(lái)說(shuō)，是一個(gè)巨大的安全隱患。所以對于研發(fā)和規?；a(chǎn)具有中國自有知識產(chǎn)權的精度高壓力、差壓變送器顯得越來(lái)越重要和意義重大。通過(guò)幾年的時(shí)間從瑞士引進(jìn)和學(xué)習先進(jìn)技術(shù)，以及通過(guò)適應國產(chǎn)化生產(chǎn)特點(diǎn)的再研發(fā)和大規模試生產(chǎn)驗證，最終形成了多條單晶硅電阻原理的中高端壓力、差壓變送器規?；a(chǎn)線(xiàn)。
1當前主流精度高壓力、差壓變送器的技術(shù)現狀分析
       當前中國市場(chǎng)上主流的精度高壓力、差壓變送器主要分為三種類(lèi)型和原理。
        第一種為以羅斯蒙特為代表的金屬電容式壓力、差壓變送器，其代表性的型號為1151系列和3051C系列。其工作原理為：外界壓差傳遞到內部的金屬電容極板，當極板發(fā)生位移后即產(chǎn)生電容量的變化，將這種電容量的變化通過(guò)電子電路收集、放大和軟件補償處理后，就得到壓力信號的線(xiàn)性輸出。
        1151系列電容式傳感器技術(shù)由80年代開(kāi)始引進(jìn)入中國大陸以后，在國內得到了大規模的仿造和推廣將1151壓力變送器變送器進(jìn)行了小型化處理，體積大幅縮小，并且由模擬電路逐漸轉變?yōu)榱藬底蛛娐?，最終實(shí)現精度等級從0.5級提升到了0.1級。但這種改進(jìn)沒(méi)有根本性改變傳感器的結構，因此改進(jìn)后仍存在較大的局限性，其精度、長(cháng)期穩定性、EMC性能、靜壓性能、溫度性能等和羅斯蒙特3051C相比差距非常大。最終導致國內的變送器仍然遠遠落后于發(fā)達國家的形勢。
        美國羅斯蒙特3051C系列變送器，在1151的基礎上進(jìn)行了革命性的改進(jìn)，實(shí)現了結構隔離、懸浮、電路可靠性提升等大量的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。其精度等級實(shí)現了0.05級的跨域。但是，這種3051C變送器所帶來(lái)的技術(shù)難度和技術(shù)壁壘，不能有效的被中國本土企業(yè)突破，因此幾乎所有的中國制造廠(chǎng)家均放棄了電容式變送器的進(jìn)一步探索和研究。
       第二種為日本橫河為代表的單晶硅壓力、差壓變送器，其代表性的型號為EJA和EJX系列。其工作原理為：外界壓差傳遞到內部的單晶硅諧振梁，諧振梁在壓力的作用下產(chǎn)生了一對跟隨壓力變化的差動(dòng)的頻率信號，將這對差動(dòng)的頻率信號通過(guò)電子電路收集、放大和軟件補償處理后，就得到壓力信號的線(xiàn)性輸出。
2精度高壓力、差壓變送器的實(shí)現
2.1單晶硅壓力傳感器的工作原理
       如圖1所示，單晶硅傳感器的敏感元件是將P型雜質(zhì)擴散到N型硅片上，形成極薄的導電P型層，焊上引線(xiàn)即成“單晶硅應變片”，其電氣性能是做成一個(gè)全動(dòng)態(tài)的壓阻效應惠斯登電橋。該壓阻效應惠斯登電橋和彈性元件（即其N(xiāo)型硅基底）結合在一起。介質(zhì)壓力通過(guò)密封硅油傳到硅膜片的正腔側，與作用在負腔側的介質(zhì)形成壓差，它們共同作用的結果使膜片的一側壓縮，另一側拉伸，壓差使電橋失衡，輸出一個(gè)與壓力變化對應的信號?；菟沟请姌虻妮敵鲂盘柦?jīng)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化成線(xiàn)性關(guān)系的4-20mADC標準信號輸出[1]。

        對于表壓傳感器，其負腔側通常通大氣，以大氣壓作為參考壓力；對于絕壓傳感器，其負腔側通常為真空室，以絕對真空作為參考壓力；對于差壓傳感器，其負腔側的導壓介質(zhì)通常和正腔側相同，如硅油、氟油、植物油等。
       如圖2所示，在正負腔室的壓差作用下，引起測量硅膜片（即彈性元件）變形彎曲，當壓差P小于測量硅膜片的需用應力比例極限σp時(shí)，彎曲可以完全復位；當壓差P超過(guò)測量硅膜片的需用應力比例極限σp后，將達到材料的屈服階段，甚至達到強化階段，此時(shí)撤去壓差后測量硅膜片無(wú)法恢復到原位，導致發(fā)生不可逆轉的測量偏差；當壓差P達到或超過(guò)測量硅膜片能承受的最高應力σb后，測量硅膜片破裂，直接導致傳感器損壞。因此，通過(guò)阻止或削弱外界的過(guò)載壓差P直接傳遞到測量硅膜片上，可以有效保護傳感器的測量精度和壽命。這就引出了對單晶硅芯片進(jìn)行過(guò)載保護設計的問(wèn)題。

2.2壓力過(guò)載保護設計和實(shí)現
       為克服單晶硅硅片抗過(guò)載能力不足的缺陷，配備了一種具有單向壓力過(guò)載保護的差壓傳感器。該單向壓力過(guò)載保護差壓傳感器不僅能測出現場(chǎng)工況在額定壓力范圍內的壓差值，而且在發(fā)生單向壓力過(guò)載的情況下還能有效地進(jìn)行自我保護，避免了硅差壓傳感單向壓力過(guò)載而引起的損壞。
        當有超過(guò)差壓測量硅膜片允許工作范圍的差壓出現時(shí)，中心隔離移動(dòng)膜片向低壓一側移動(dòng)，并使高壓一側的外界隔離膜片和腔室內壁重合，從而使得高壓側硅油全部趕入腔室內，無(wú)法向單晶硅芯片進(jìn)一步傳遞壓力值，最終在單晶硅芯片上避免了高壓的發(fā)生，有效地實(shí)現了保護單晶硅芯片的目的。
這種抗過(guò)載設計方法有效的保護了單晶硅芯片的長(cháng)期工作穩定性，尤其在有水錘現象存在的工況場(chǎng)合更加能夠突出其優(yōu)越性。
2.3優(yōu)越的量程比可調性能
        由于單晶硅芯片的輸出信號量較大，在5V的恒壓源激勵下其典型的量程輸出到達了100mV，這樣對于后端的電子電路和軟件較為容易實(shí)現信號補償和放大處理。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優(yōu)越，其常用變送器的量程可調比達到了100∶1，微差壓變送器的可調量程比達到10∶1。經(jīng)量程壓縮后仍能保持較高的基本精度，大幅拓寬了變送器的可調節范圍，對用戶(hù)的應用較為方便和有意義。
2.4優(yōu)越的壓力滯后性能
       壓力滯后特性也稱(chēng)回程誤差特性，俗稱(chēng)回差，對于壓力、差壓變送器來(lái)說(shuō)是一個(gè)較為重要的考核指標?；夭畹拇笮≈苯佑绊懙阶兯推鞯臏y量準確性和長(cháng)期漂移性能。
單晶硅原理傳感器的線(xiàn)性誤差曲線(xiàn)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；而金屬電容式原理的線(xiàn)性誤差曲線(xiàn)的回差較大，上行程和下行程呈開(kāi)口狀，直接影響到變送器的輸出精度。
2.5獨特的靜壓特性
        差壓變送器在測量罐體液位或管道流量時(shí)，如果對靜壓影響不作校正或補償，將會(huì )給測量帶來(lái)較大誤差，尤其是在液位范圍較小或相對流量較小時(shí)，影響更巨大。例如一臺電容式差壓變送器同節流裝置一起組成差壓式流量計，在32MPa工作靜壓條件下其滿(mǎn)量程靜壓誤差為≤±2％FS，雖然其零位誤差，可以通過(guò)調零來(lái)消除，但是滿(mǎn)位輸出誤差無(wú)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(guò)補償，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。
差壓變送器采用獨特的單晶硅芯片封裝工藝，封裝以后其內腔和外腔達到壓力平衡。當有工作靜壓加載到測量硅片的正負腔時(shí)，工作靜壓通過(guò)硅片外部的正腔硅油和硅片內部的負腔硅油平衡加載到測量硅片上，并實(shí)現了相互抵消，從而使得測量硅片對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。

       而在微差壓變送器的應用場(chǎng)合，由于微差壓信號量過(guò)小，對于靜壓影響造成的影響非常敏感，如上所述的獨特的封裝設計和工藝仍不能完全消除或減弱靜壓影響量。因此針對此問(wèn)題，微差壓變送器在其傳感器的內部集成了一個(gè)可以測量工作靜壓的絕壓傳感器。此絕壓傳感器可以將測得的工作靜壓信號實(shí)時(shí)反饋給內部的微處理器，微處理器利用此工作靜壓坐標軸自動(dòng)修正微差壓輸出信號，從而達到靜壓補償的功能。
       通過(guò)獨特的封裝工藝以及加裝絕壓傳感器后，大幅提升了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精度和穩定性高。
3結束語(yǔ)
       通過(guò)以上章節2的介紹和分析，簡(jiǎn)要地闡述了單晶硅穩定性高精度高壓力、差壓變送器項目的實(shí)現過(guò)程。通過(guò)從單晶硅原理芯片的選擇、單晶硅硅片的無(wú)應力封裝、回程誤差的消除、靜壓影響的減弱、量程比的放大，等多方面來(lái)提升高穩定性高精度壓力、差壓變送器的全性能、精度等級和可靠性。通過(guò)以上多種途徑的技術(shù)引進(jìn)和消化，并再加入創(chuàng )新性設計，使得高穩定性高精度壓力、差壓變送器達到了國際先進(jìn)水平。從而為中國的工業(yè)自動(dòng)化作出貢獻。