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              單晶硅壓力變送器和差壓變送器實現高穩定性的技術分析與說明

              發表時間:2019-08-09 ??點擊次數:? 技術支持:15601403222
              當前高穩定性壓力、差壓變送器在自動化領域的應用越來越重要,如何發展具備中國自主知識產權的高穩定性壓力變送器是中國本土變送器制造廠商面臨著的一個非常嚴峻的問題。然而通過實踐表明可以從超穩型單晶硅原理芯片的選擇、超穩型單晶硅硅片的無應力封裝、回程誤差的消除、靜壓誤差的減弱和補償、儀表量程比的拓寬、接液面的特殊處理以及超高溫測量等諸多技術方面的著手和突破,可以大幅提升高穩定性壓力、差壓變送器的全性能、準確度等級和可靠性。從而彌補國內高端變送器對中國市場的壟斷和沖擊。

              壓力變送器、差壓變送器作為一種高精密的測量儀器,在自動化領域的應用非常普遍和意義重大。在大多數的重要工業領域都得到廣泛的應用,如火力發電、核電、石油冶煉、化工、鋼鐵、造紙、制藥、食品、水泥制造等領域。然而在這些廣泛的應用領域中,由中國人自己研發和制造的中高端壓力變送器非常匱乏,幾乎完全被美國、日本、德國、瑞士等工業發達國家的壓力變送器所壟斷。這對當前飛速發展的中國國民經濟來說,是一個巨大的安全隱患。所以對于研發和規?;a具有中國自有知識產權的高穩定性壓力、差壓變送器顯得越來越重要和意義重大。國內企業正是立足于這種國內空白,通過數年的時間從瑞士引進和學習技術,以及通過適應國產化生產特點的再研發和大規模試生產驗證,zui終形成了單晶硅電阻原理的中高端壓力、差壓變送器生產線。 

              1、當前主流高穩定性壓力、差壓變送器的技術現狀分析
              當前中國市場上主流的高穩定性壓力、差壓變送器主要分為三種類型和原理。**種為以美國制造商研發和生產的金屬電容式壓力、差壓變送器,其代表性的型號為1151,3051系列和3351系列。其工作原理為:外界壓差傳遞到內部的金屬電容極板,當極板發生位移后即產生電容量的變化,將這種電容量的變化通過電子電路收集、放大和軟件補償處理后,就得到壓力信號的線性輸出。 

              1151系列電容式傳感器技術由80年代開始引進入中國大陸以后,在國內得到了大規模的仿造和推廣,至2016年止國內仿制的制造廠商達到了近100家,比較典型的國內制造商有上海、西安、北京、重慶以及核工業部等儀表公司。國內儀表制造商經過多年的研究和探索,至21世紀初多數廠家開始將1151變送器進行了小型化處理,體積大幅縮小,并且由模擬電路逐漸轉變為了數字電路,zui終實現準確度等級從0.5級提升到了0.1級。但這種改進沒有根本性改變傳感器的結構,因此改進后仍存在較大的局限性,其準確度、長期穩定性、EMC性能、靜壓性能、溫度性能等和原裝的羅斯蒙特3051C/S產品相比差距非常大。zui終導致國內的變送器仍然遠遠落后于發達國家的形勢。 

              然而,美國3051C/S系列變送器,卻在1151的基礎上進行了新型的改進,實現了結構隔離、懸浮、電路可靠性提升等大量的實質性改進。其準確度等級實現了0.05級的跨域。但是,這種3051C/S壓力變送器所帶來的技術難度和技術壁壘,不能有效的被中國本土企業突破,因此幾乎所有的中國制造廠家均放棄了電容式變送器的進一步探索和研究。

              二種為日本制造商研發和生產的單晶硅壓力變送器、差壓變送器,其代表性的型號為橫河EJA和EJX系列。其工作原理為:外界壓差傳遞到內部的單晶硅諧振梁,諧振梁在壓力的作用下產生了一對跟隨壓力變化的差動的頻率信號,將這對差動的頻率信號通過電子電路收集、放大和軟件補償處理后,就得到壓力信號的線性輸出。 

              橫河EJA系列單晶硅諧振式變送器,較之電容式傳感器其生產過程中的制造成本控制有一定的優勢。主要的優勢體現在溫度和靜壓補償環節中,即:雙諧振回路的原始差動信號輸出,而此差動信號不被溫度和靜壓的影響,因此對于后期的變送器的溫度補償和靜壓補償等工序環節操作較為簡便。其zui終的準確度等級到達0.065級,稍遜色于羅斯蒙特3051C/S系列。但是由于單晶硅諧振梁芯片的批量生產技術被日本橫河公司壟斷,這種單晶硅諧振梁芯片所帶來的技術難度和技術壁壘,同樣不能有效地被中國本土企業突破,因此幾乎所有的中國制造廠商均放棄了單晶硅諧振式變送器的進一步探索和研究。

              第三種為德國、瑞士為代表的單晶硅電阻式壓力、差壓變送器。其工作原理為:外界壓差傳遞到內部的單晶硅全動態的壓阻效應惠斯登電橋,惠斯頓電橋在壓力的作用下產生一個跟隨壓力變化的電壓信號輸出,將這個電壓信號通過電子電路收集、放大和軟件補償處理后,就得到壓力信號的線性輸出。

              這種單晶硅電阻式傳感器的輸出靈敏性高、信號量大、回差極小,并且電路設計較為簡潔可靠,所以國內上較多變送器制造廠商優先采用此方案進行高端變送器的研發和制造。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用具有較為特殊的工藝要求。主要表現在硅芯片的無應力封裝技術和硅薄膜的單向過載保護技術方面。這兩項應用技術在2000年之前牢牢掌握在西方發達國家手中,從2010年之后,國內企業通過從瑞士ROCKSENSOR的技術合作、引進和再研發,zui終充分掌握了多項相關技術,因此實現了高穩定性硅壓力、差壓變送器在國內大規模制造,其DW3351系列的高穩定性單晶硅變送器的準確度等級達到了0.05級,縮短了與以上工業發達國家知名品牌變送器的差距。

              單晶硅變送器 https://yunrun.com.cn/product/list_124_1.html 

              2、DW3351系列高穩定性單晶硅壓力變送器、單晶硅 差壓變送器的實現
              2.1 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?;菟沟请姌虻妮敵鲂盘柦涬娐诽幚砗?,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**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。  
              硅傳感器結構圖                               
              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,彎曲可以完全復位;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 DW3351的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,DW3351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。 
              帶過載保護的差壓傳感器結構示意圖 
              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,zui終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。 
              硅傳感器正、負過載示意圖
              圖4  正腔過載示意圖                                                            圖5  負腔過載示意圖 

              DW3351的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 DW3351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DW3351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。
              單晶硅壓力變送器  


              表一   DW3351單晶硅差壓變送器的量程比性能試驗 
              YR-ER101單晶硅差壓變送器的量程比性能試驗

              如表2所示,3臺經抽樣的DW3351壓力變送器經過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0-40MPa,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0.041%、0.047%、0.034%,仍然能夠達到0.05級的準確度;當壓縮100倍量程比后,其基本誤差分別為0.15%、0.063%、0.153%,其仍然可以優于0.25級準確度。 

              表二   DW3351單晶硅壓力變送器的量程比性能試驗 
              YR-ER102單晶硅壓力變送器的量程比性能試驗

              2.4 DW3351優越的壓力滯后性能 
              壓力滯后特性也稱回程誤差特性,俗稱回差,對于壓力、差壓變送器來說是一個較為重要的考核指標?;夭畹拇笮≈苯佑绊懙阶兯推鞯臏y量準確性和長期漂移性能。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;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口狀,直接影響到變送器的輸出精度。

              單晶硅壓力變送器誤差曲線例圖
              圖5  誤差曲線例圖

              2.5 DW3351獨特的靜壓特性 
              差壓變送器在測量罐體液位或管道流量時,如果對靜壓影響不作校正或補償,將會給測量帶來較大誤差,尤其是在液位范圍較小或相對流量較小時,影響更巨大。例如一臺電容式差壓變送器同節流裝置一起組成差壓式流量計,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,可以通過調零來消除,但是滿位輸出誤差無法避免。因此此靜壓誤差直接影響流量的測試,并且影響量較大。在這種應用工況下,差壓變送器的靜壓性能顯得尤為重要,如果靜壓誤差經過補償,或其本身靜壓誤差極小,則其測量精度將會得到大幅提高。 

              DW3351差壓變送器采用獨特的單晶硅芯片封裝工藝,封裝以后其內腔和外腔達到壓力平衡。如圖6所示為單晶硅硅片的封裝示意圖,當有工作靜壓加載到測量硅片的正負腔時,工作靜壓通過硅片外部的正腔硅油和硅片內部的負腔硅油平衡加載到測量硅片上,并實現了相互抵消,從而使得測量硅片對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。 
              單晶硅硅片封裝示意圖
              圖6  單晶硅硅片封裝示意圖 

              而在微差壓變送器的應用場合,由于微差壓信號量過小,對于靜壓影響造成的影響非常敏感,如上所述的獨特的封裝設計和工藝仍不能完全消除或減弱靜壓影響量。因此針對此問題,DW3351的微差壓變送器在其傳感器的內部集成了一個可以測量工作靜壓的絕壓傳感器,如圖7所示為DW3351微差壓傳感器的結構示意圖。此絕壓傳感器可以將測得的工作靜壓信號實時反饋給內部的微處理器,微處理器利用此工作靜壓坐標軸自動修正微差壓輸出信號,從而達到靜壓補償的功能。通過獨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量準確度和高穩定性。 
              單晶硅微差壓傳感器結構示意圖
              圖7  單晶硅微差壓傳感器結構示意圖 

              2.6 DW3351獨特的膜片處理工藝 
              相比于美國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膜片焊接方式,DW3351差壓傳感器采用了更為的無隔離環的衛生型膜片焊接方式。這種衛生型膜片焊接方式使得焊縫光滑,無縫隙,無死角,可以滿足直接焊接多種材質膜片,如 316L、哈氏C、鉭膜片、蒙乃爾膜片,由于沒有縫隙的存在還可以在接液面進行直接鍍金和噴涂PTFE等處理工藝。這種設計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合差壓變送器的使用壽命。 

              2.7 DW3351獨特的超高溫遠傳設計和實現
              眾所周知,壓力、差壓變送器中的高溫遠傳膜盒在應用過程中,當介質溫度超過350℃應用時存在著巨大的安全隱患,較為容易出現硅油氣化、數據失真或壽命下降等問題,這就要求應用現場的介質有一定的工作靜壓從而形成背壓來保證膜盒的正常工作。這樣造成了壓力、差壓變送器的遠傳液位測量應用范圍受到了限制。而600℃超高溫遠傳壓力變送器采用了超高溫介質的測量技術,其介質的可測量溫度達到了600℃。
              超高溫遠傳結構原理圖 
              圖8  超高溫遠傳結構 原理圖  

              如圖8所示為此超高溫遠傳的結構示意圖。此超高溫遠傳結構分為超高溫充灌液和普通高溫充灌液兩個腔體,兩個腔體之間焊接隔離膜片,并在超高溫充灌腔體內設一個散熱桿。和介質直接接觸的超高溫充灌液可以承受600℃的介質高溫,但是超高溫充灌液的粘度較高,不適合充入毛細管進行壓力傳遞。因此,通過中間隔離膜片和普通高溫充灌液腔體的壓力進一步傳遞,可以保證壓力的有限傳遞和快速響應。而高溫熱量經散熱后傳遞到普通高溫充灌腔體時溫度已大幅下降,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傳變送器的應用范圍,并提高了超高溫遠傳變送器的可靠性和壽命。

              2.8 DW3351的實現性能指標和可靠性 
              通過以上對DW3351系列產品技術的介紹和分析,筆者簡要地闡述了DW3351單晶硅高穩定性壓力、差壓變送器項目的實現過程。制造廠商從單晶硅原理芯片的選擇、單晶硅硅片的無應力封裝、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量的拓展等多方面來提升高穩定性壓力、差壓變送器的全性能、準確度等級和可靠性。通過以上多種途徑的技術引進和消化,并再加入創新性設計,使得DW3351系列高穩定性壓力、差壓變送器達到了國內水平,其主要的技術優勢表現為:
              ①準確度等級達到0.05級,并取得計量器具制造許可證,達到了國內水平; 
              ②微差壓變送器采用獨特的雙過載保護膜片技術,可達±0.075%的高測量精度,zui大的工作靜壓達到16MPa,zui小的測量差壓為-50Pa~50Pa,遙遙國內外技術水平; 
              ③差壓變送器zui高工作靜壓可達40MPa,單向過載壓力zui高可達40MPa; 
              ④差壓傳感器內部可選封裝絕壓傳感器,可用于現場工作靜壓的測量和顯示,也可應用于靜壓補償,使得單晶硅壓力變送器的靜壓性能極佳,使得典型規格的靜壓誤差zui優為≤±0.05%/10MPa。同時,由于內部絕壓傳感器的集成,保證了DW3351多參數變送器的成功研發,可廣泛用于氣體流量的測量領域,并填補了國內高端多參數變送器的空白。 
              5)壓力、差壓傳感器內部集成的高靈敏度溫度傳感器,使得變送器溫度性能極佳,zui優為≤±0.04%/10K;
              6)6kPa和40kPa微壓力量程表壓/絕壓變送器可選用獨特無傳壓損耗過載保護膜片技術,單向過壓zui高達7MPa,大幅拓寬了微壓力傳感器的特殊領域的應用范圍; 
              7)典型規格的長期零位漂移量≤±0.1%/3年,并通過12萬次90%的量程的極限壓力疲勞測試,達到了10年免維護的能力; 
              8)實現了極寬的測量范圍0-100Pa~60MPa,zui高100:1的可調節量程比輸出; 
              9)遠傳變送器采用的超高溫技術,可應用于400℃超高溫測量場合,突破了遠傳產品應用和測量的瓶頸。 

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