一、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(xiàn)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)?；菟沟请姌虻妮敵鲂盘?hào)經(jīng)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化成線(xiàn)性關(guān)系的4-20mADC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?；?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。

二、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。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。

麥德勝中國(guó)智能單晶硅智能微差壓變送器采用美國(guó)、德國(guó)先進(jìn)的 MEMS 技術(shù)制成的單晶硅傳感器芯片、全球獨(dú)創(chuàng)的單晶硅雙梁懸浮式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際領(lǐng)先的高準(zhǔn)確度、超高過(guò)壓性能優(yōu)異的穩(wěn)定性。內(nèi)嵌德國(guó)信號(hào)處理模塊，實(shí)現(xiàn)靜壓與溫度補(bǔ)償?shù)耐昝澜Y(jié) 合，可在大范圍內(nèi)的靜壓和溫度變化下提 供極高的測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

三、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(hù)的應(yīng)用較為方便和有意義。

四、 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)?；夭畹拇笮≈苯佑绊懙阶兯推鞯臏y(cè)量準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期漂移性能。

單晶硅原理傳感器的線(xiàn)性誤差曲線(xiàn)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(xiàn)性誤差曲線(xiàn)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。

五、 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(mǎn)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(mǎn)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?/p>

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)量準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性。