精度高單晶硅壓力、差壓變送器實現(xiàn)

【摘要】當(dāng)前穩(wěn)定性精度高壓力變送器、差壓變送器在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越重要，如何發(fā)展具備中國自主知識產(chǎn)權(quán)的精度高變送器是中國本土變送器制造廠商面臨著的一個非常嚴峻的問題。然而通過實踐表明可以從超穩(wěn)型單晶硅原理芯片的選擇、超穩(wěn)型單晶硅硅片的無應(yīng)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)方面的著手和突破，從而打破國外高端變送器對中國市場的壟斷。
引言
        壓力、差壓變送器作為一種精密的測量儀器，在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍和意義重大。在大多數(shù)的重要工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)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(yīng)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(dāng)前飛速發(fā)展的中國國民經(jīng)濟來說，是一個巨大的安全隱患。所以對于研發(fā)和規(guī)模化生產(chǎn)具有中國自有知識產(chǎn)權(quán)的精度高壓力、差壓變送器顯得越來越重要和意義重大。通過幾年的時間從瑞士引進和學(xué)習(xí)先進技術(shù)，以及通過適應(yīng)國產(chǎn)化生產(chǎn)特點的再研發(fā)和大規(guī)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(guī)模化生產(chǎn)線。
1當(dāng)前主流精度高壓力、差壓變送器的技術(shù)現(xiàn)狀分析
       當(dāng)前中國市場上主流的精度高壓力、差壓變送器主要分為三種類型和原理。
        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(nèi)部的金屬電容極板，當(dāng)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性輸出。
        1151系列電容式傳感器技術(shù)由80年代開始引進入中國大陸以后，在國內(nèi)得到了大規(guī)模的仿造和推廣將1151壓力變送器變送器進行了小型化處理，體積大幅縮小，并且由模擬電路逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱藬?shù)字電路，最終實現(xiàn)精度等級從0.5級提升到了0.1級。但這種改進沒有根本性改變傳感器的結(jié)構(gòu)，因此改進后仍存在較大的局限性，其精度、長期穩(wěn)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(dǎo)致國內(nèi)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(chǔ)上進行了革命性的改進，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)隔離、懸浮、電路可靠性提升等大量的實質(zhì)性改進。其精度等級實現(xiàn)了0.05級的跨域。但是，這種3051C變送器所帶來的技術(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家均放棄了電容式變送器的進一步探索和研究。
       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(nèi)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的頻率信號，將這對差動的頻率信號通過電子電路收集、放大和軟件補償處理后，就得到壓力信號的線性輸出。
2精度高壓力、差壓變送器的實現(xiàn)
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(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全動態(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，輸出一個與壓力變化對應(yīng)的信號。惠斯登電橋的輸出信號經(jīng)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化成線性關(guān)系的4-20mADC標準信號輸出[1]。

        對于表壓傳感器，其負腔側(cè)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(cè)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(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。
       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(dāng)壓差P小于測量硅膜片的需用應(yīng)力比例極限σp時，彎曲可以完全復(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，將達到材料的屈服階段，甚至達到強化階段，此時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達到或超過測量硅膜片能承受的最高應(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，可以有效保護傳感器的測量精度和壽命。這就引出了對單晶硅芯片進行過載保護設(shè)計的問題。

2.2壓力過載保護設(shè)計和實現(xiàn)
       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的差壓傳感器。該單向壓力過載保護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行自我保護，避免了硅差壓傳感單向壓力過載而引起的損壞。
        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，中心隔離移動膜片向低壓一側(cè)移動，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，有效地實現(xiàn)了保護單晶硅芯片的目的。
這種抗過載設(shè)計方法有效的保護了單晶硅芯片的長期工作穩(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優(yōu)越性。
2.3優(yōu)越的量程比可調(diào)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現(xiàn)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(diào)比達到了100∶1，微差壓變送器的可調(diào)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(diào)節(jié)范圍，對用戶的應(yīng)用較為方便和有意義。
2.4優(yōu)越的壓力滯后性能
       壓力滯后特性也稱回程誤差特性，俗稱回差，對于壓力、差壓變送器來說是一個較為重要的考核指標。回差的大小直接影響到變送器的測量準確性和長期漂移性能。
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；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。
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，如果對靜壓影響不作校正或補償，將會給測量帶來較大誤差，尤其是在液位范圍較小或相對流量較小時，影響更巨大。例如一臺電容式差壓變送器同節(jié)流裝置一起組成差壓式流量計，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)過補償，或其本身靜壓誤差極小，則其測量精度將會得到大幅提高。
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(nèi)腔和外腔達到壓力平衡。當(dāng)有工作靜壓加載到測量硅片的正負腔時，工作靜壓通過硅片外部的正腔硅油和硅片內(nèi)部的負腔硅油平衡加載到測量硅片上，并實現(xiàn)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(yīng)用場合，由于微差壓信號量過小，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(shè)計和工藝仍不能完全消除或減弱靜壓影響量。因此針對此問題，微差壓變送器在其傳感器的內(nèi)部集成了一個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時反饋給內(nèi)部的微處理器，微處理器利用此工作靜壓坐標軸自動修正微差壓輸出信號，從而達到靜壓補償?shù)墓δ堋?br />        通過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(wěn)定性高。
3結(jié)束語
       通過以上章節(jié)2的介紹和分析，簡要地闡述了單晶硅穩(wěn)定性高精度高壓力、差壓變送器項目的實現(xiàn)過程。通過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，等多方面來提升高穩(wěn)定性高精度壓力、差壓變送器的全性能、精度等級和可靠性。通過以上多種途徑的技術(shù)引進和消化，并再加入創(chuàng)新性設(shè)計，使得高穩(wěn)定性高精度壓力、差壓變送器達到了國際先進水平。從而為中國的工業(yè)自動化作出貢獻。