單晶硅微差壓變送器 

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型雜質擴散到N型硅片上，形成極薄的導電P型層，焊上引線即成“單晶硅應變片”，其電氣性能是做成一個全動態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型硅基底）結合在一起。介質壓力通過密封硅油傳到硅膜片的正腔側，與作用在負腔側的介質形成壓差，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，輸出一個與壓力變化對應的信號。惠斯登電橋的輸出信號經電路處理后，即產生與壓力變化成線性關系的4-20mA標準信號輸出。 

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，以決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通常和正腔側相同，如硅油、氟油、植物油等。  
                              
圖1  硅傳感器結構圖                                                                   圖2  膜片受壓示意圖 
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，彎曲可以全部復位；當壓差P超過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，此時撤去壓差后測量硅膜片無法恢復到原位，導致發生不可逆轉的測量偏差；當壓差P達到或超過測量硅膜片能承受的ZUI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計的問題。 

2.2 壓力過載保護設計和實現
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場工況在額定壓力范圍內的壓差值，而且在發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。 
 
圖3  帶過載保護的差壓傳感器結構示意圖 

如圖4、圖5所示，當有超過差壓測量硅膜片允許工作范圍的差壓出現時，中心隔離移動膜片向低壓一側移動，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，無法向單晶硅芯片進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生，有效地實現了保護單晶硅芯片的目的。 

圖4  正腔過載示意圖                                                            圖5  負腔過載示意圖 

這種抗過載設計方法有效的保護了單晶硅芯片的長期工作穩定性，尤其在有水錘現象存在的工況場合更加能夠突出其優越性。

2.3 優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越，其常用壓力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節范圍，對用戶的應用較為方便和有意義。 

如表1所示，3臺經抽樣的差壓變送器經過10:1量程縮小和100:1量程縮小后的準確度考核結果。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。從實驗的結果可以看出，當壓縮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級的準確度；當壓縮100倍量程比后，其基本誤差分別為0.147%、0.219%、0.197%，其仍然可以優于0.25級的準確度。[本信息來自于今日推薦網]