精度高單晶硅壓力、差壓變送器實(shí)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(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越重要，如何發(fā)展具備中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精度高變送器是中國(guó)本土變送器制造廠商面臨著的一個(gè)非常嚴(yán)峻的問(wèn)題。然而通過(guò)實(shí)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(wú)應(yīng)力封裝、回程誤差的消除、靜壓誤差的減弱和補(bǔ)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(guó)外高端變送器對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的壟斷。
引言
        壓力、差壓變送器作為一種精密的測(cè)量?jī)x器，在自動(dòng)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(guó)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(guó)、日本、德國(guó)、瑞士等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品所壟斷。這對(duì)當(dāng)前飛速發(fā)展的中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)巨大的安全隱患。所以對(duì)于研發(fā)和規(guī)模化生產(chǎn)具有中國(guó)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(xí)先進(jìn)技術(shù)，以及通過(guò)適應(yīng)國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)特點(diǎn)的再研發(fā)和大規(guī)模試生產(chǎn)驗(yàn)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(guó)市場(chǎng)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(hào)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(guò)電子電路收集、放大和軟件補(bǔ)償處理后，就得到壓力信號(hào)的線性輸出。
        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(guó)大陸以后，在國(guó)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(jìn)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(shí)現(xiàn)精度等級(jí)從0.5級(jí)提升到了0.1級(jí)。但這種改進(jìn)沒(méi)有根本性改變傳感器的結(jié)構(gòu)，因此改進(jìn)后仍存在較大的局限性，其精度、長(zhǎng)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(guó)內(nèi)的變送器仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家的形勢(shì)。
        美國(guó)羅斯蒙特3051C系列變送器，在1151的基礎(chǔ)上進(jìn)行了革命性的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)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(jí)實(shí)現(xiàn)了0.05級(jí)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(guó)本土企業(yè)突破，因此幾乎所有的中國(guó)制造廠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(hào)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(duì)跟隨壓力變化的差動(dòng)的頻率信號(hào)，將這對(duì)差動(dòng)的頻率信號(hào)通過(guò)電子電路收集、放大和軟件補(bǔ)償處理后，就得到壓力信號(hào)的線性輸出。
2精度高壓力、差壓變送器的實(shí)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(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(xiāo)型硅基底）結(jié)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(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)。惠斯登電橋的輸出信號(hào)經(jīng)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化成線性關(guān)系的4-20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出[1]。

        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Γ粚?duì)于絕壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)通常為真空室，以絕對(duì)真空作為參考?jí)毫Γ粚?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。
       如圖2所示，在正負(fù)腔室的壓差作用下，引起測(cè)量硅膜片（即彈性元件）變形彎曲，當(dāng)壓差P小于測(cè)量硅膜片的需用應(yīng)力比例極限σp時(shí)，彎曲可以完全復(fù)位；當(dāng)壓差P超過(guò)測(cè)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(cè)量硅膜片無(wú)法恢復(fù)到原位，導(dǎo)致發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的測(cè)量偏差；當(dāng)壓差P達(dá)到或超過(guò)測(cè)量硅膜片能承受的最高應(yīng)力σb后，測(cè)量硅膜片破裂，直接導(dǎo)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(cè)量硅膜片上，可以有效保護(hù)傳感器的測(cè)量精度和壽命。這就引出了對(duì)單晶硅芯片進(jìn)行過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

2.2壓力過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
       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(hù)的差壓傳感器。該單向壓力過(guò)載保護(hù)差壓傳感器不僅能測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(guò)載而引起的損壞。
        當(dāng)有超過(guò)差壓測(cè)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(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(xiàn)了保護(hù)單晶硅芯片的目的。
這種抗過(guò)載設(shè)計(jì)方法有效的保護(hù)了單晶硅芯片的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，尤其在有水錘現(xiàn)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(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優(yōu)越，其常用變送器的量程可調(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。
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(duì)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(biāo)。回差的大小直接影響到變送器的測(cè)量準(zhǔn)確性和長(zhǎng)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(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(kāi)口狀，直接影響到變送器的輸出精度。
2.5獨(dú)特的靜壓特性
        差壓變送器在測(cè)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(cè)量帶來(lái)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(guò)調(diào)零來(lái)消除，但是滿位輸出誤差無(wú)法避免。因此此靜壓誤差直接影響流量的測(cè)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(guò)補(bǔ)償，或其本身靜壓誤差極小，則其測(cè)量精度將會(huì)得到大幅提高。
差壓變送器采用獨(dú)特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。當(dāng)有工作靜壓加載到測(cè)量硅片的正負(fù)腔時(shí)，工作靜壓通過(guò)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(cè)量硅片上，并實(shí)現(xiàn)了相互抵消，從而使得測(cè)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。

       而在微差壓變送器的應(yīng)用場(chǎng)合，由于微差壓信號(hào)量過(guò)小，對(duì)于靜壓影響造成的影響非常敏感，如上所述的獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)和工藝仍不能完全消除或減弱靜壓影響量。因此針對(duì)此問(wèn)題，微差壓變送器在其傳感器的內(nèi)部集成了一個(gè)可以測(cè)量工作靜壓的絕壓傳感器。此絕壓傳感器可以將測(cè)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堋?br />        通過(guò)獨(dú)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(cè)量精度和穩(wěn)定性高。
3結(jié)束語(yǔ)
       通過(guò)以上章節(jié)2的介紹和分析，簡(jiǎn)要地闡述了單晶硅穩(wěn)定性高精度高壓力、差壓變送器項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)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(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(lái)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(jí)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(shè)計(jì)，使得高穩(wěn)定性高精度壓力、差壓變送器達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。從而為中國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化作出貢獻(xiàn)。