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(tài)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(zhì)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(zhì)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。惠斯登電橋的輸出信號經(jīng)電路處理后，即產(chǎn)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，以決對真空作為參考壓力；對于差壓傳感器，其負腔側的導壓介質(zhì)通常和正腔側相同，如硅油、氟油、植物油等。  
                              
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，彎曲可以全部復位；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(fā)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 壓力過載保護設計和實現(xiàn)
如圖3所示，為克服單晶硅硅片抗過載能力不足的缺陷，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(xiàn)場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。 
 
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(xiàn)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(nèi)壁重合，從而使得高壓側硅油全部趕入腔室內(nèi)，無法向單晶硅芯片進一步傳遞更高的壓力值，在單晶硅芯片上避免了超高壓的發(fā)生，有效地實現(xiàn)了保護單晶硅芯片的目的。 

圖4  正腔過載示意圖                                                            圖5  負腔過載示意圖 

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(wěn)定性，尤其在有水錘現(xiàn)象存在的工況場合更加能夠突出其優(yōu)越性。

2.3 優(yōu)越的量程比可調(diào)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(xiàn)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(yōu)越，其常用壓力變送器的量程可調(diào)比達到了100:1，微差壓變送器的可調(diào)量程比達到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，對用戶的應用較為方便和有意義。 

如表1所示，3臺經(jīng)抽樣的差壓變送器經(jīng)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(yōu)于0.25級的準確度。[本信息來自于今日推薦網(wǎng)]