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單晶硅壓力傳感器的工作原理
如圖1所示，DW3351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4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。 

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。  
                              
圖1  硅傳感器結(jié)構(gòu)圖                                                                   圖2  膜片受壓示意圖 
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 DW3351的壓力過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
如圖3所示，為克服單晶硅硅片抗過(guò)載能力不足的缺陷，DW3351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。 
 
圖3  帶過(guò)載保護(hù)的差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖  

如圖4、圖5所示，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)一步傳遞更高的壓力值，最終在單晶硅芯片上避免了超高壓的發(fā)生，有效地實(shí)現(xiàn)了保護(hù)單晶硅芯片的目的。 

圖4  正腔過(guò)載示意圖                                                            圖5  負(fù)腔過(guò)載示意圖 

DW3351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 DW3351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，其常用壓力變送器的量程可調(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，大幅拓寬了單晶硅壓力變送器的可調(diào)節(jié)范圍，對(duì)用戶的應(yīng)用較為方便和有意義。 

如表1所示，3臺(tái)經(jīng)抽樣的DW3351差壓變送器經(jīng)過(guò)10:1量程縮小和100:1量程縮小后的準(zhǔn)確度考核結(jié)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，當(dāng)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(jí)的準(zhǔn)確度；當(dāng)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(yōu)于0.25級(jí)的準(zhǔn)確度。

表一   DW3351單晶硅差壓變送器的量程比性能試驗(yàn) 


如表2所示，3臺(tái)經(jīng)抽樣的DW3351壓力變送器經(jīng)過(guò)10:1量程縮小和100:1量程縮小后的準(zhǔn)確度考核結(jié)果。滿量程為0-40MPa，壓縮10倍后的量程變更為0-4MPa，壓縮100倍后的量程變更為0-400kPa。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，當(dāng)壓縮10倍量程比后，其基本誤差分別為0.041%、0.047%、0.034%，仍然能夠達(dá)到0.05級(jí)的準(zhǔn)確度；當(dāng)壓縮100倍量程比后，其基本誤差分別為0.15%、0.063%、0.153%，其仍然可以優(yōu)于0.25級(jí)準(zhǔn)確度。 

表二   DW3351單晶硅壓力變送器的量程比性能試驗(yàn) 


2.4 DW3351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(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。如圖5所示，這是一張典型的單晶硅誤差曲線和金屬電容誤差曲線的比較示意圖。從圖中可以看出，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。


圖5  誤差曲線例圖

2.5 DW3351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。 

DW3351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。如圖6所示為單晶硅硅片的封裝示意圖，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。 

圖6  單晶硅硅片封裝示意圖 

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，DW3351的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，如圖7所示為DW3351微差壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。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Ｍㄟ^(guò)獨(dú)特的封裝工藝以及加裝絕壓傳感器后，大幅提升了DW3351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)量準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性。 

圖7  單晶硅微差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 

2.6 DW3351獨(dú)特的膜片處理工藝 
相比于美國(guó)羅斯蒙特的金屬電容式傳感器、日本橫河的單晶硅傳感器、歐洲ABB的硅差壓傳感器等采用的隔離環(huán)膜片焊接方式，DW3351差壓傳感器采用了更為先進(jìn)的無(wú)隔離環(huán)的衛(wèi)生型膜片焊接方式。這種衛(wèi)生型膜片焊接方式使得焊縫光滑，無(wú)縫隙，無(wú)死角，可以滿足直接焊接多種材質(zhì)膜片，如 316L、哈氏C、鉭膜片、蒙乃爾膜片，由于沒(méi)有縫隙的存在還可以在接液面進(jìn)行直接鍍金和噴涂PTFE等處理工藝。這種設(shè)計(jì)方式和特殊的處理工藝使得差壓變送器的接液范圍大幅延伸和拓展，并且大幅提升了腐蝕場(chǎng)合差壓變送器的使用壽命。 

2.7 DW3351獨(dú)特的超高溫遠(yuǎn)傳設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
眾所周知，壓力、差壓變送器中的高溫遠(yuǎn)傳膜盒在應(yīng)用過(guò)程中，當(dāng)介質(zhì)溫度超過(guò)350℃應(yīng)用時(shí)存在著巨大的安全隱患，較為容易出現(xiàn)硅油氣化、數(shù)據(jù)失真或壽命下降等問(wèn)題，這就要求應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的介質(zhì)有一定的工作靜壓從而形成背壓來(lái)保證膜盒的正常工作。這樣造成了壓力、差壓變送器的遠(yuǎn)傳液位測(cè)量應(yīng)用范圍受到了限制。而600℃超高溫遠(yuǎn)傳壓力變送器采用了超高溫介質(zhì)的測(cè)量技術(shù)，其介質(zhì)的可測(cè)量溫度達(dá)到了600℃。
 
圖8  超高溫遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu) 原理圖  

如圖8所示為此超高溫遠(yuǎn)傳的結(jié)構(gòu)示意圖。此超高溫遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)分為超高溫充灌液和普通高溫充灌液兩個(gè)腔體，兩個(gè)腔體之間焊接隔離膜片，并在超高溫充灌腔體內(nèi)設(shè)一個(gè)散熱桿。和介質(zhì)直接接觸的超高溫充灌液可以承受600℃的介質(zhì)高溫，但是超高溫充灌液的粘度較高，不適合充入毛細(xì)管進(jìn)行壓力傳遞。因此，通過(guò)中間隔離膜片和普通高溫充灌液腔體的壓力進(jìn)一步傳遞，可以保證壓力的有限傳遞和快速響應(yīng)。而高溫?zé)崃拷?jīng)散熱后傳遞到普通高溫充灌腔體時(shí)溫度已大幅下降，可以保證普通高溫充灌液腔體的正常使用。這種方式拓寬了高溫遠(yuǎn)傳變送器的應(yīng)用范圍，并提高了超高溫遠(yuǎn)傳變送器的可靠性和壽命。

2.8 DW3351的實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)和可靠性 
通過(guò)以上對(duì)DW3351系列產(chǎn)品技術(shù)的介紹和分析，筆者簡(jiǎn)要地闡述了DW3351單晶硅高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。制造廠商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、接液面的特殊處理工藝以及超高溫測(cè)量的拓展等多方面來(lái)提升高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器的全性能、準(zhǔn)確度等級(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DW3351系列高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，其主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：
①準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0.05級(jí)，并取得計(jì)量器具制造許可證，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平； 
②微差壓變送器采用獨(dú)特的雙過(guò)載保護(hù)膜片專(zhuān)利技術(shù)，可達(dá)±0.075%的高測(cè)量精度，最大的工作靜壓達(dá)到16MPa，最小的測(cè)量差壓為-50Pa~50Pa，遙遙領(lǐng)先國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平； 
③差壓變送器最高工作靜壓可達(dá)40MPa，單向過(guò)載壓力最高可達(dá)40MPa； 
④差壓傳感器內(nèi)部可選封裝絕壓傳感器，可用于現(xiàn)場(chǎng)工作靜壓的測(cè)量和顯示，也可應(yīng)用于靜壓補(bǔ)償，使得單晶硅壓力變送器的靜壓性能極佳，使得典型規(guī)格的靜壓誤差最優(yōu)為≤±0.05%/10MPa。同時(shí)，由于內(nèi)部絕壓傳感器的集成，保證了DW3351多參數(shù)變送器的成功研發(fā)，可廣泛用于氣體流量的測(cè)量領(lǐng)域，并填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高端多參數(shù)變送器的空白。 
5）壓力、差壓傳感器內(nèi)部集成的高靈敏度溫度傳感器，使得變送器溫度性能極佳，最優(yōu)為≤±0.04%/10K；
6）6kPa和40kPa微壓力量程表壓/絕壓變送器可選用獨(dú)特?zé)o傳壓損耗過(guò)載保護(hù)膜片專(zhuān)利技術(shù)，單向過(guò)壓最高達(dá)7MPa，大幅拓寬了微壓力傳感器的特殊領(lǐng)域的應(yīng)用范圍； 
7）典型規(guī)格的長(zhǎng)期零位漂移量≤±0.1%/3年，并通過(guò)12萬(wàn)次90%的量程的極限壓力疲勞測(cè)試，達(dá)到了10年免維護(hù)的能力； 
8）實(shí)現(xiàn)了極寬的測(cè)量范圍0-100Pa～60MPa，最高100:1的可調(diào)節(jié)量程比輸出； 
9）遠(yuǎn)傳變送器采用先進(jìn)的超高溫專(zhuān)利技術(shù)，可應(yīng)用于400℃超高溫測(cè)量場(chǎng)合，突破了遠(yuǎn)傳產(chǎn)品應(yīng)用和測(cè)量的瓶頸。 
      這種單晶硅電阻式傳感器的輸出靈敏性高、信號(hào)量大、回差極小，并且電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)潔可靠，所以國(guó)際上較多變送器制造廠商優(yōu)先采用此方案進(jìn)行高端變送器的研發(fā)和制造。但是較之上文提及的金屬電容式傳感器和單晶硅諧振式傳感器， 單晶硅電阻芯片的應(yīng)用具有較為特殊的工藝要求。主要表現(xiàn)在硅芯片的無(wú)應(yīng)力封裝技術(shù)和硅薄膜的單向過(guò)載保護(hù)技術(shù)方面。這兩項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)在2000年之前牢牢掌握在西方發(fā)達(dá)國(guó)家手中，從2010年之后，國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)從瑞士ROCKSENSOR的技術(shù)合作、引進(jìn)和再研發(fā)，最終充分掌握了多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，因此實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性硅壓力、差壓變送器在國(guó)內(nèi)大規(guī)模制造，其DW3351系列的高穩(wěn)定性單晶硅變送器的準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了0.05級(jí)，縮短了與以上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家知名品牌變送器的差距。