洛丁森視角：硅壓力傳感器抗過載可靠性設(shè)計(jì)(上）
摘要：本文通過測(cè)量硅膜片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壓力傳感器外界保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓力傳感器過載保護(hù)的目的。針對(duì)差壓傳感器表現(xiàn)為正負(fù)雙腔和中心過載保護(hù)膜片聯(lián)動(dòng)保護(hù)的設(shè)計(jì)方案，即當(dāng)過載壓力達(dá)到超高差壓之前，使高壓側(cè)膜片和基體貼合，低壓側(cè)膜片鼓出，阻止超高差壓傳遞入傳感器內(nèi)；對(duì)于表壓和絕壓傳感器表現(xiàn)為測(cè)量端和過載保護(hù)膜片聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，即當(dāng)過載壓力達(dá)到超高壓之前，使測(cè)量端膜片和基體貼合，過載保護(hù)膜片鼓起，阻止超高壓傳遞入傳感器內(nèi)。
引言：
硅壓力傳感器的核心測(cè)量硅膜片在超過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)合人為操作引起的失誤，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(cè)試量程的壓力信號(hào)，使得測(cè)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(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，已愈來愈引起傳感器生產(chǎn)商和用戶的重視。文中提出的這種針對(duì)硅壓力傳感器的過載保護(hù)設(shè)計(jì)方法，可解決如上問題。
圖1中，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(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2中，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，通過阻止或削弱外界的過載壓差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。
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