單晶硅壓力傳感器的核心測量晶片在超過一定比例的額定工作壓力后，易影響測量精度，甚至破裂失效。許多測量場合操作引起的失誤，或壓力管路內(nèi)出現(xiàn)非正常性的壓力沖擊和波動(dòng)，易產(chǎn)生遠(yuǎn)超過壓力傳感器測試量程的壓力信號，使得測量硅膜片處于壓力過載狀態(tài)下。普通壓力傳感器無過載保護(hù)功能，此場合下易導(dǎo)致傳感器信號發(fā)生器損壞，使得傳感器終止工作。因此，如何有效地保護(hù)硅傳感器在現(xiàn)場的可靠運(yùn)行，已越來越引起傳感器生產(chǎn)商和用戶的重視。昌暉儀表提出的這種針對單晶硅壓力傳感器的過載保護(hù)設(shè)計(jì)方法，可解決上述問題。
1、單晶硅壓力傳感器的工作原理
如圖1所示，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“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型硅基底)結(jié)合在一起。介質(zhì)壓力通過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)與壓力變化對應(yīng)的信號?；菟沟请姌虻妮敵鲂盘柦?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)信號輸出。
圖1 硅傳感器的結(jié)構(gòu)圖
如圖2所示，在正負(fù)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(dāng)壓差P小于測量硅膜片的需用應(yīng)力比例極限σp時(shí)，彎曲可以復(fù)位；當(dāng)壓差P超過測量硅膜片的需用應(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)撤去壓差后測量硅膜片無法恢復(fù)到原位，發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的測量偏差；當(dāng)壓差P達(dá)到或超過測量硅膜片能承受的最高應(yīng)力σb后，測量硅膜片破裂，直接導(dǎo)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，就能有效保護(hù)傳感器的測量精度和壽命。
圖2 膜片受壓示意圖
2、壓力過載保護(hù)設(shè)計(jì)
2.1 硅片自身的過載保護(hù)設(shè)計(jì)
如圖3所示，對測量硅膜片的形狀做了特殊設(shè)計(jì)，將原來的內(nèi)凹平面蝕刻成環(huán)狀凹陷，中間保留一平臺(tái)，而全動(dòng)態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯登電橋蝕刻在環(huán)狀位置處。如圖4所示，經(jīng)過這樣的設(shè)計(jì)更改，隨著壓差P的增加，測量硅膜片發(fā)生位移，當(dāng)P增大到一定的值后，底部的平臺(tái)與基礎(chǔ)硅片接觸貼合，阻止測量硅膜片的進(jìn)一步位移，從而起到了保護(hù)作用。
圖3 帶保護(hù)的結(jié)構(gòu)圖
圖4 帶保護(hù)的膜片受壓示意圖
經(jīng)過對測量硅膜片的特殊設(shè)計(jì)，使得硅傳感器的抗過載能力成倍提高，以滿量程40kPa的硅傳感器試驗(yàn)為例，其抗過載壓力從200kPa提高到了1MPa。但是，這種以硅片自身的過載保護(hù)設(shè)計(jì)來實(shí)施的原理仍有一定的局限性。
首先，抗過載壓力有限。如圖3所示，改進(jìn)后的測量硅膜片仍存在1個(gè)環(huán)狀凹陷的平面，此環(huán)狀平面上蝕刻著全動(dòng)態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯登電橋，當(dāng)壓差P超過1MPa后，環(huán)狀平面將整體塌陷斷裂，同樣會(huì)引起壓力傳感器過載失效。
其次，影響了測量硅膜片的靈敏度。在測量硅膜片內(nèi)增設(shè)1個(gè)抗壓平臺(tái)后，使得測量硅膜片在同樣的壓差下，發(fā)生彎曲變形量降低，從而影響到傳感器的輸出信號量，削弱了測量硅膜片的靈敏度。
另外，采取硅自身的過載保護(hù)設(shè)計(jì)的方法，還增加了測量硅膜片的制造工藝復(fù)雜度，提高了企業(yè)的生產(chǎn)成本。
2.2 傳感器外部結(jié)構(gòu)的過載保護(hù)設(shè)計(jì)
利用傳感器外部結(jié)構(gòu)的過載保護(hù)設(shè)計(jì)，能夠很好地彌補(bǔ)單晶硅壓力傳感器自身過載保護(hù)設(shè)計(jì)的不足，不僅容易實(shí)現(xiàn)，而且抗過載壓力能大幅提高。針對差壓傳感器和表壓傳感器及絕壓傳感器，傳感器外部結(jié)構(gòu)過載保護(hù)有2種不同的設(shè)計(jì)方案。
2.2.1 差壓傳感器的外部過載保護(hù)設(shè)計(jì)
如圖5所示，瑞士ROCKSENSOR公司針對硅差壓傳感器，設(shè)計(jì)了1種具有單向壓力過載保護(hù)的差壓傳感器。
圖5 帶過載保護(hù)的差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
技術(shù)方案是：在正腔室和負(fù)腔室的外側(cè)均設(shè)置1個(gè)可傳遞壓力的外界隔離膜片，正腔室和負(fù)腔室之間設(shè)置1個(gè)可隨壓差移動(dòng)的中心隔離移動(dòng)膜片，正腔室上部為差壓測量硅膜片，差壓測量硅膜片的正向測試端通過充灌正腔硅油與正側(cè)外界隔離膜片導(dǎo)通。差壓測量硅膜片的負(fù)向測試端設(shè)置了導(dǎo)油管部件，通過充灌硅油與負(fù)側(cè)外界隔離膜片導(dǎo)通。在測量現(xiàn)場差壓過程中，通過正、負(fù)外界隔離膜片和硅油向內(nèi)部的差壓測量硅膜片傳遞壓力而測定差壓值的同時(shí)，中心隔離移動(dòng)膜片會(huì)因差壓值的存在而向低壓一側(cè)移動(dòng)。當(dāng)有超過差壓測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)的程度足以使高壓一側(cè)的外界隔離膜片和腔室內(nèi)壁重合，從而將高壓側(cè)硅油全部趕入腔室內(nèi)，無法向差壓信號發(fā)生器進(jìn)一步傳遞更高的壓力值，最終在差壓信號發(fā)生器上避免了超高壓的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)差壓信號發(fā)生器的目的。
圖6所示的正向過載保護(hù)實(shí)例中，當(dāng)正腔過載，壓差P1-P2≥3P(P為1倍量程)時(shí)，正側(cè)外界隔離膜片和正腔室內(nèi)壁重合，同時(shí)中心隔離移動(dòng)膜片向負(fù)腔室方向移動(dòng)，負(fù)側(cè)外界隔離膜片向外鼓出，使正腔硅油全部趕入正腔室內(nèi)，無法向差壓測量硅膜片正向測試端進(jìn)一步傳遞更高的壓力值，達(dá)到了正向單向壓力過載保護(hù)的目的。反之亦然。
圖6 單晶硅壓力傳感器過載示意圖
瑞士ROCKSENSOR公司通過對差壓傳感器外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在測量壓差的同時(shí)，有效地區(qū)分正常工作差壓和超高差壓，中心隔離移動(dòng)膜片采用高彈性金屬薄膜片。昌暉儀表生產(chǎn)的YR-ER100系列單晶硅壓力變送器采用瑞士ROCKSENSOR原裝單向壓力過載保護(hù)差壓傳感器及信號處理單元，保持了單晶硅變送器的高精度、高穩(wěn)定性和高過載保護(hù)性能。
2.2.2表壓和絕壓傳感器的外部過載保護(hù)設(shè)計(jì)
表壓傳感器以大氣壓作為參考壓力，其測量硅膜片的負(fù)腔直接通大氣；絕壓傳感器以絕對真空作為參考壓力，其測量硅膜片的負(fù)腔為真空封裝狀態(tài)。表壓和絕壓傳感器的外部過載保護(hù)設(shè)計(jì)和差壓傳感器有所不同，如圖7所示。
圖7 帶過載保護(hù)的表壓和絕壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
技術(shù)方案是：在腔室的一側(cè)設(shè)置可傳遞壓力的外界測量膜片(測量端)，在腔室的另一側(cè)設(shè)置可隨壓差移動(dòng)的過載保護(hù)膜片，在該過載保護(hù)膜片上布置壓力測量硅膜片，壓力測量硅膜片的測試端沉浸在硅油中，外界壓力通過硅油傳遞到壓力測量硅膜片上。在測量壓力過程中，過載保護(hù)膜片因壓差值的存在而向傳感器外側(cè)移動(dòng)。當(dāng)壓差超過壓力測量硅膜片允許工作壓力范圍后，過載保護(hù)膜片向傳感器外側(cè)移動(dòng)使測量端的外界測量膜片和腔室內(nèi)壁重合，從而保護(hù)了壓力測量硅膜片。
圖8所示的過載保護(hù)的實(shí)例中，當(dāng)壓力過載，壓力P≥3Pm (Pm為1倍量程)時(shí)，外界測量膜片和腔室內(nèi)壁重合，同時(shí)過載保護(hù)膜片向外側(cè)方向移動(dòng)，使腔室測量端內(nèi)的硅油全部趕入另一側(cè)過載保護(hù)移動(dòng)膜片處，無法向壓力測量硅膜片的測試端進(jìn)一步傳遞更高的壓力值，達(dá)到了高壓力過載保護(hù)的目的。
圖8 表壓和絕壓傳感器的過載示意圖
通過對表壓和絕壓傳感器外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)在測量壓力的同時(shí)，有效地區(qū)分了正常工作壓力和超高壓力，過載保護(hù)移動(dòng)膜片采用高彈性金屬薄膜片。昌暉儀表YR-ER100系列表壓和絕壓傳感器的外部過載保護(hù)設(shè)計(jì)采用的就是這種結(jié)構(gòu)。
硅芯片壓力傳感器的測量精度和穩(wěn)定性提高的同時(shí)，用戶越來越關(guān)注硅芯片壓力傳感器的長期使用可靠性，要求單晶硅壓力傳感器的抗高壓力過載能力不斷提高。針對這種要求，昌暉儀表提出了針對硅芯片壓力傳感器的2種抗過載設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)保證了單晶硅壓力傳感器現(xiàn)場的應(yīng)用安全，達(dá)到抗高壓力過載的目的，并提高了單晶硅壓力傳感器的使用壽命和系統(tǒng)的安全可靠性。
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