單晶硅壓力傳感器的核心測(cè)量晶片在超過(guò)一定比例的額定工作壓力后，易影響測(cè)量精度，甚至破裂失效。許多測(cè)量場(chǎng)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(guò)壓力傳感器測(cè)試量程的壓力信號(hào)，使得測(cè)量硅膜片處于壓力過(guò)載狀態(tài)下。普通壓力傳感器無(wú)過(guò)載保護(hù)功能，此場(chǎng)合下易導(dǎo)致傳感器信號(hào)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(chǎng)的可靠運(yùn)行，已越來(lái)越引起傳感器生產(chǎn)商和用戶(hù)的重視。昌暉儀表提出的這種針對(duì)單晶硅壓力傳感器的過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)方法，可解決上述問(wèn)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(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)生與壓力變化成線性關(guān)系的4-20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(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，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，就能有效保護(hù)傳感器的測(cè)量精度和壽命。
圖2 膜片受壓示意圖
2、壓力過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)
2.1硅片自身的過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)
如圖3所示，對(duì)測(cè)量硅膜片的形狀做了特殊設(shè)計(jì)，將原來(lái)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(guò)這樣的設(shè)計(jì)更改，隨著壓差P的增加，測(cè)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(cè)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(guò)對(duì)測(cè)量硅膜片的特殊設(shè)計(jì)，使得硅傳感器的抗過(guò)載能力成倍提高，以滿(mǎn)量程40kPa的硅傳感器試驗(yàn)為例，其抗過(guò)載壓力從200kPa提高到了1MPa。但是，這種以硅片自身的過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)施的原理仍有一定的局限性。
首先，抗過(guò)載壓力有限。如圖3所示，改進(jìn)后的測(cè)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(guò)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(guò)載失效。
其次，影響了測(cè)量硅膜片的靈敏度。在測(cè)量硅膜片內(nèi)增設(shè)1個(gè)抗壓平臺(tái)后，使得測(cè)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(hào)量，削弱了測(cè)量硅膜片的靈敏度。
另外，采取硅自身的過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)的方法，還增加了測(cè)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(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)
利用傳感器外部結(jié)構(gòu)的過(guò)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(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)的不足，不僅容易實(shí)現(xiàn)，而且抗過(guò)載壓力能大幅提高。針對(duì)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(guò)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(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)
如圖5所示，瑞士ROCKSENSOR公司針對(duì)硅差壓傳感器，設(shè)計(jì)了1種具有單向壓力過(guò)載保護(hù)的差壓傳感器。
圖5 帶過(guò)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(cè)量硅膜片，差壓測(cè)量硅膜片的正向測(cè)試端通過(guò)充灌正腔硅油與正側(cè)外界隔離膜片導(dǎo)通。差壓測(cè)量硅膜片的負(fù)向測(cè)試端設(shè)置了導(dǎo)油管部件，通過(guò)充灌硅油與負(fù)側(cè)外界隔離膜片導(dǎo)通。在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)差壓過(guò)程中，通過(guò)正、負(fù)外界隔離膜片和硅油向內(nèi)部的差壓測(cè)量硅膜片傳遞壓力而測(cè)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(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)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(wú)法向差壓信號(hào)發(fā)生器進(jìn)一步傳遞更高的壓力值，最終在差壓信號(hào)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(hào)發(fā)生器的目的。
圖6所示的正向過(guò)載保護(hù)實(shí)例中，當(dāng)正腔過(guò)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(wú)法向差壓測(cè)量硅膜片正向測(cè)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(guò)載保護(hù)的目的。反之亦然。
圖6 單晶硅壓力傳感器過(guò)載示意圖
瑞士ROCKSENSOR公司通過(guò)對(duì)差壓傳感器外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在測(cè)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(guò)載保護(hù)差壓傳感器及信號(hào)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(guò)載保護(hù)性能。
2.2.2表壓和絕壓傳感器的外部過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)
表壓傳感器以大氣壓作為參考?jí)毫?，其測(cè)量硅膜片的負(fù)腔直接通大氣；絕壓傳感器以絕對(duì)真空作為參考?jí)毫?，其測(cè)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(guò)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(guò)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(cè)量膜片(測(cè)量端)，在腔室的另一側(cè)設(shè)置可隨壓差移動(dòng)的過(guò)載保護(hù)膜片，在該過(guò)載保護(hù)膜片上布置壓力測(cè)量硅膜片，壓力測(cè)量硅膜片的測(cè)試端沉浸在硅油中，外界壓力通過(guò)硅油傳遞到壓力測(cè)量硅膜片上。在測(cè)量壓力過(guò)程中，過(guò)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(guò)壓力測(cè)量硅膜片允許工作壓力范圍后，過(guò)載保護(hù)膜片向傳感器外側(cè)移動(dòng)使測(cè)量端的外界測(cè)量膜片和腔室內(nèi)壁重合，從而保護(hù)了壓力測(cè)量硅膜片。
圖8所示的過(guò)載保護(hù)的實(shí)例中，當(dāng)壓力過(guò)載，壓力P≥3Pm (Pm為1倍量程)時(shí)，外界測(cè)量膜片和腔室內(nèi)壁重合，同時(shí)過(guò)載保護(hù)膜片向外側(cè)方向移動(dòng)，使腔室測(cè)量端內(nèi)的硅油全部趕入另一側(cè)過(guò)載保護(hù)移動(dòng)膜片處，無(wú)法向壓力測(cè)量硅膜片的測(cè)試端進(jìn)一步傳遞更高的壓力值，達(dá)到了高壓力過(guò)載保護(hù)的目的。
圖8 表壓和絕壓傳感器的過(guò)載示意圖
通過(guò)對(duì)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(cè)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(guò)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(guò)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(cè)量精度和穩(wěn)定性提高的同時(shí)，用戶(hù)越來(lái)越關(guān)注硅芯片壓力傳感器的長(zhǎng)期使用可靠性，要求單晶硅壓力傳感器的抗高壓力過(guò)載能力不斷提高。針對(duì)這種要求，昌暉儀表提出了針對(duì)硅芯片壓力傳感器的2種抗過(guò)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(chǎng)的應(yīng)用安全，達(dá)到抗高壓力過(guò)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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