精度高单晶硅压力、差压变送器实现

【摘要】当前稳定性精度高压力变送器、差压变送器在自动化领域的应用越来越重要，如何发展具备中国自主知识产权的精度高变送器是中国本土变送器制造厂商面临着的一个非常严峻的问题。然而通过实践表明可以从超稳型单晶硅原理芯片的选择、超稳型单晶硅硅片的无应力封装、回程误差的消除、静压误差的减弱和补偿、仪表量程比的拓宽、等诸多技术方面的着手和突破，从而打破国外高端变送器对中国市场的垄断。
引言
        压力、差压变送器作为一种精密的测量仪器，在自动化领域的应用非常普遍和意义重大。在大多数的重要工业领域都得到广泛的应用，如火力发电、核电、石油冶炼、化工、钢铁、造纸、制药、食品、水泥制造等领域。然而在这些广泛的应用领域中，由中国人自己研发和制造的中变送器非常匮乏，几乎完全被美国、日本、德国、瑞士等工业发达国家的产品所垄断。这对当前飞速发展的中国国民经济来说，是一个巨大的安全隐患。所以对于研发和规模化生产具有中国自有知识产权的精度高压力、差压变送器显得越来越重要和意义重大。通过几年的时间从瑞士引进和学习先进技术，以及通过适应国产化生产特点的再研发和大规模试生产验证，最终形成了多条单晶硅电阻原理的中高端压力、差压变送器规模化生产线。
1当前主流精度高压力、差压变送器的技术现状分析
       当前中国市场上主流的精度高压力、差压变送器主要分为三种类型和原理。
        第一种为以罗斯蒙特为代表的金属电容式压力、差压变送器，其代表性的型号为1151系列和3051C系列。其工作原理为：外界压差传递到内部的金属电容极板，当极板发生位移后即产生电容量的变化，将这种电容量的变化通过电子电路收集、放大和软件补偿处理后，就得到压力信号的线性输出。
        1151系列电容式传感器技术由80年代开始引进入中国大陆以后，在国内得到了大规模的仿造和推广将1151压力变送器变送器进行了小型化处理，体积大幅缩小，并且由模拟电路逐渐转变为了数字电路，最终实现精度等级从0.5级提升到了0.1级。但这种改进没有根本性改变传感器的结构，因此改进后仍存在较大的局限性，其精度、长期稳定性、EMC性能、静压性能、温度性能等和罗斯蒙特3051C相比差距非常大。最终导致国内的变送器仍然远远落后于发达国家的形势。
        美国罗斯蒙特3051C系列变送器，在1151的基础上进行了革命性的改进，实现了结构隔离、悬浮、电路可靠性提升等大量的实质性改进。其精度等级实现了0.05级的跨域。但是，这种3051C变送器所带来的技术难度和技术壁垒，不能有效的被中国本土企业突破，因此几乎所有的中国制造厂家均放弃了电容式变送器的进一步探索和研究。
       第二种为日本横河为代表的单晶硅压力、差压变送器，其代表性的型号为EJA和EJX系列。其工作原理为：外界压差传递到内部的单晶硅谐振梁，谐振梁在压力的作用下产生了一对跟随压力变化的差动的频率信号，将这对差动的频率信号通过电子电路收集、放大和软件补偿处理后，就得到压力信号的线性输出。
2精度高压力、差压变送器的实现
2.1单晶硅压力传感器的工作原理
       如图1所示，单晶硅传感器的敏感元件是将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄的导电P型层，焊上引线即成“单晶硅应变片”，其电气性能是做成一个全动态的压阻效应惠斯登电桥。该压阻效应惠斯登电桥和弹性元件（即其N型硅基底）结合在一起。介质压力通过密封硅油传到硅膜片的正腔侧，与作用在负腔侧的介质形成压差，它们共同作用的结果使膜片的一侧压缩，另一侧拉伸，压差使电桥失衡，输出一个与压力变化对应的信号。惠斯登电桥的输出信号经电路处理后，即产生与压力变化成线性关系的4-20mADC标准信号输出[1]。

        对于表压传感器，其负腔侧通常通大气，以大气压作为参考压力；对于绝压传感器，其负腔侧通常为真空室，以绝对真空作为参考压力；对于差压传感器，其负腔侧的导压介质通常和正腔侧相同，如硅油、氟油、植物油等。
       如图2所示，在正负腔室的压差作用下，引起测量硅膜片（即弹性元件）变形弯曲，当压差P小于测量硅膜片的需用应力比例极限σp时，弯曲可以完全复位；当压差P超过测量硅膜片的需用应力比例极限σp后，将达到材料的屈服阶段，甚至达到强化阶段，此时撤去压差后测量硅膜片无法恢复到原位，导致发生不可逆转的测量偏差；当压差P达到或超过测量硅膜片能承受的最高应力σb后，测量硅膜片破裂，直接导致传感器损坏。因此，通过阻止或削弱外界的过载压差P直接传递到测量硅膜片上，可以有效保护传感器的测量精度和寿命。这就引出了对单晶硅芯片进行过载保护设计的问题。

2.2压力过载保护设计和实现
       为克服单晶硅硅片抗过载能力不足的缺陷，配备了一种具有单向压力过载保护的差压传感器。该单向压力过载保护差压传感器不仅能测出现场工况在额定压力范围内的压差值，而且在发生单向压力过载的情况下还能有效地进行自我保护，避免了硅差压传感单向压力过载而引起的损坏。
        当有超过差压测量硅膜片允许工作范围的差压出现时，中心隔离移动膜片向低压一侧移动，并使高压一侧的外界隔离膜片和腔室内壁重合，从而使得高压侧硅油全部赶入腔室内，无法向单晶硅芯片进一步传递压力值，最终在单晶硅芯片上避免了高压的发生，有效地实现了保护单晶硅芯片的目的。
这种抗过载设计方法有效的保护了单晶硅芯片的长期工作稳定性，尤其在有水锤现象存在的工况场合更加能够突出其优越性。
2.3优越的量程比可调性能
        由于单晶硅芯片的输出信号量较大，在5V的恒压源激励下其典型的量程输出到达了100mV，这样对于后端的电子电路和软件较为容易实现信号补偿和放大处理。相比于金属电容式压力、差压变送器，单晶硅原理的压力、差压变送器的量程比性能非常优越，其常用变送器的量程可调比达到了100∶1，微差压变送器的可调量程比达到10∶1。经量程压缩后仍能保持较高的基本精度，大幅拓宽了变送器的可调节范围，对用户的应用较为方便和有意义。
2.4优越的压力滞后性能
       压力滞后特性也称回程误差特性，俗称回差，对于压力、差压变送器来说是一个较为重要的考核指标。回差的大小直接影响到变送器的测量准确性和长期漂移性能。
单晶硅原理传感器的线性误差曲线的回差极小，上行程和下行程几乎重合，其回差基本可以忽略不计；而金属电容式原理的线性误差曲线的回差较大，上行程和下行程呈开口状，直接影响到变送器的输出精度。
2.5独特的静压特性
        差压变送器在测量罐体液位或管道流量时，如果对静压影响不作校正或补偿，将会给测量带来较大误差，尤其是在液位范围较小或相对流量较小时，影响更巨大。例如一台电容式差压变送器同节流装置一起组成差压式流量计，在32MPa工作静压条件下其满量程静压误差为≤±2％FS，虽然其零位误差，可以通过调零来消除，但是满位输出误差无法避免。因此此静压误差直接影响流量的测试，并且影响量较大。在这种应用工况下，差压变送器的静压性能显得尤为重要，如果静压误差经过补偿，或其本身静压误差极小，则其测量精度将会得到大幅提高。
差压变送器采用独特的单晶硅芯片封装工艺，封装以后其内腔和外腔达到压力平衡。当有工作静压加载到测量硅片的正负腔时，工作静压通过硅片外部的正腔硅油和硅片内部的负腔硅油平衡加载到测量硅片上，并实现了相互抵消，从而使得测量硅片对工作静压的弯曲变形极小。这样处理大幅提升了差压变送器的静压影响性能。

       而在微差压变送器的应用场合，由于微差压信号量过小，对于静压影响造成的影响非常敏感，如上所述的独特的封装设计和工艺仍不能完全消除或减弱静压影响量。因此针对此问题，微差压变送器在其传感器的内部集成了一个可以测量工作静压的绝压传感器。此绝压传感器可以将测得的工作静压信号实时反馈给内部的微处理器，微处理器利用此工作静压坐标轴自动修正微差压输出信号，从而达到静压补偿的功能。
       通过独特的封装工艺以及加装绝压传感器后，大幅提升了差压变送器的工作静压性能，从而保证了差压变送器的测量精度和稳定性高。
3结束语
       通过以上章节2的介绍和分析，简要地阐述了单晶硅稳定性高精度高压力、差压变送器项目的实现过程。通过从单晶硅原理芯片的选择、单晶硅硅片的无应力封装、回程误差的消除、静压影响的减弱、量程比的放大，等多方面来提升高稳定性高精度压力、差压变送器的全性能、精度等级和可靠性。通过以上多种途径的技术引进和消化，并再加入创新性设计，使得高稳定性高精度压力、差压变送器达到了国际先进水平。从而为中国的工业自动化作出贡献。