郝正宏 王徐堅(jiān) 李俊毅 湯俐敏

(上海洛丁森工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司，上海 201109)

高穩(wěn)定性單晶硅壓力(差壓)變送器的實(shí)現(xiàn)

郝正宏 王徐堅(jiān) 李俊毅 湯俐敏

(上海洛丁森工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司，上海 201109)

當(dāng)前高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越重要，如何發(fā)展具備中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高穩(wěn)定性變送器是中國(guó)本土變送器制造廠商面臨的一個(gè)非常嚴(yán)峻的問(wèn)題。從超穩(wěn)型單晶硅原理芯片的選擇、超穩(wěn)型單晶硅硅片的無(wú)應(yīng)力封裝、回程誤差的消除、靜壓誤差的減弱和補(bǔ)償、儀表量程比的拓寬、接液面的特殊處理以及超高溫測(cè)量等諸多技術(shù)方面,詳細(xì)說(shuō)明了提升高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器全性能、準(zhǔn)確度等級(jí)和可靠性的技術(shù)和措施,彌補(bǔ)了國(guó)外高端壓力(差壓)變送器對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的技術(shù)壟斷。

單晶硅壓力傳感器 過(guò)載保護(hù) 回程誤差 靜壓補(bǔ)償 超高溫遠(yuǎn)傳

Super-high temperature remote transmission

0 引言

壓力(差壓)變送器作為一種高精密的測(cè)量?jī)x器，在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍且意義重大。壓力(差壓)變送器在大多數(shù)的重要工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用，如火力發(fā)電、核電、石油冶煉、化工、鋼鐵、造紙、制藥、食品、水泥制造等領(lǐng)域。然而在這些廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，由中國(guó)人自己研發(fā)和制造的中高端變送器非常匱乏，幾乎完全被美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞士等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品所壟斷。這對(duì)當(dāng)前飛速發(fā)展的中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的安全隱患。所以對(duì)于研發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器顯得越來(lái)越重要。上海洛丁森工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司正是立足于這種國(guó)內(nèi)空白，通過(guò)四年的時(shí)間從瑞士引進(jìn)和學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，以及通過(guò)適應(yīng)國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)特點(diǎn)的再研發(fā)和大規(guī)模試生產(chǎn)驗(yàn)證，最終形成了一條單晶硅電阻原理的中高端壓力(差壓)變送器規(guī)?；a(chǎn)線。

1 當(dāng)前各國(guó)技術(shù)現(xiàn)狀分析

當(dāng)前中國(guó)市場(chǎng)上主流的高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器主要分為三種類型，原理說(shuō)明如下。

第一種為以美國(guó)制造商研發(fā)和生產(chǎn)的金屬電容式壓力(差壓)變送器，其代表性的型號(hào)為1151系列和3051C/S系列。其工作原理為：外界壓差傳遞到內(nèi)部的金屬電容極板，當(dāng)極板發(fā)生位移后即產(chǎn)生電容量的變化，將這種電容量的變化通過(guò)電子電路收集、放大和軟件補(bǔ)償處理后，就得到壓力信號(hào)的線性輸出。

1151系列電容式傳感器技術(shù)于20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)入中國(guó)大陸以后，在國(guó)內(nèi)得到了大規(guī)模的仿造和推廣。至2014年國(guó)內(nèi)仿制的制造廠商達(dá)到了近100家，比較典型的國(guó)內(nèi)制造商有上海、西安、北京、重慶以及核工業(yè)部等儀表公司。國(guó)內(nèi)儀表制造商經(jīng)過(guò)多年的研究和探索，至21世紀(jì)初多數(shù)廠家開始對(duì)1151變送器進(jìn)行了小型化處理，體積大幅縮小，并且由模擬電路逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電路，最終實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度等級(jí)從0.5級(jí)提升到0.1級(jí)。但這種改進(jìn)沒(méi)有根本性改變傳感器的結(jié)構(gòu)，因此改進(jìn)后仍存在較大的局限性，其準(zhǔn)確度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、EMC性能、靜壓性能、溫度性能等和原裝的3051C/S相比差距非常大，最終導(dǎo)致國(guó)內(nèi)的變送器仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家的形勢(shì)。

美國(guó)3051C/S系列變送器在1151的基礎(chǔ)上進(jìn)行了革命性的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)隔離、懸浮、電路可靠性提升等大量的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，其準(zhǔn)確度等級(jí)實(shí)現(xiàn)了0.05級(jí)的跨域。但是，這種3051C/S變送器所帶來(lái)的技術(shù)難度和技術(shù)壁壘，不能有效地被中國(guó)本土企業(yè)突破，因此幾乎所有的中國(guó)制造廠家均放棄了電容式變送器的進(jìn)一步探索和研究。

第二種為日本制造商研發(fā)和生產(chǎn)的單晶硅壓力(差壓)變送器，其代表性的型號(hào)為EJA和EJX系列。其工作原理為：外界壓差傳遞到內(nèi)部的單晶硅諧振梁，諧振梁在壓力的作用下產(chǎn)生一對(duì)跟隨壓力變化的差動(dòng)的頻率信號(hào)，將這對(duì)差動(dòng)的頻率信號(hào)通過(guò)電子電路收集、放大和軟件補(bǔ)償處理后，就得到壓力信號(hào)的線性輸出。

較之電容式傳感器，EJA系列單晶硅諧振式變送器生產(chǎn)過(guò)程中的制造成本控制有一定的優(yōu)勢(shì)。主要的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在溫度和靜壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)中，即雙諧振回路的原始差動(dòng)信號(hào)輸出，而此差動(dòng)信號(hào)不受溫度和靜壓的影響，因此對(duì)于后期的變送器的溫度補(bǔ)償和靜壓補(bǔ)償?shù)裙ば颦h(huán)節(jié)操作較為簡(jiǎn)便。其最終的準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0.065級(jí)，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(chǎn)技術(shù)被日本公司壟斷，這種單晶硅諧振梁芯片所帶來(lái)的技術(shù)難度和技術(shù)壁壘，同樣不能有效地被中國(guó)本土企業(yè)突破，因此幾乎所有的中國(guó)制造廠商均放棄了單晶硅諧振式變送器的進(jìn)一步探索和研究。

第三種為德國(guó)、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(nèi)部的單晶硅全動(dòng)態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯頓電橋，惠斯頓電橋在壓力的作用下產(chǎn)生一個(gè)跟隨壓力變化的電壓信號(hào)輸出，將這個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)電子電路收集、放大和軟件補(bǔ)償處理后，就得到壓力信號(hào)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(hào)量大、回差極小，并且電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)潔可靠，所以國(guó)際上較多變送器制造廠商優(yōu)先采用此方案進(jìn)行高端變送器的研發(fā)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(yīng)用具有較為特殊的工藝要求，主要表現(xiàn)在硅芯片的無(wú)應(yīng)力封裝技術(shù)和硅薄膜的單向過(guò)載保護(hù)技術(shù)方面。這兩項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)在2000年之前牢牢掌握在西方發(fā)達(dá)國(guó)家手中。從2010年之后，上海洛丁森通過(guò)從瑞士ROCKSENSOR的技術(shù)合作、引進(jìn)和再研發(fā)，最終充分掌握了多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性硅壓力(差壓)變送器在國(guó)內(nèi)的大規(guī)模制造，其RP1000系列的高穩(wěn)定性變送器的準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了0.05級(jí)，超過(guò)了以上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家知名品牌的變送器。

2 RP1000系列產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)

2.1 單晶硅感器工作原理

硅傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 硅傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

RP1000單晶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“單晶硅應(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)惠斯頓電橋。該壓阻效應(yīng)惠斯頓電橋和彈性元件(即其N型硅基底)結(jié)合在一起。介質(zhì)壓力通過(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)果是使膜片的一側(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)?；菟诡D電橋的輸出信號(hào)經(jīng)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化呈線性關(guān)系的4～20 mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出[1]。

對(duì)于表壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)通常通大氣，以大氣壓作為參考?jí)毫Γ粚?duì)于絕壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)通常為真空室，以絕對(duì)真空作為參考?jí)毫?；?duì)于差壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)的導(dǎo)壓介質(zhì)通常和正腔側(cè)相同，如硅油、氟油、植物油等。膜片受壓示意圖如圖2所示。

圖2 膜片受壓示意圖

在正負(fù)腔室的壓差作用下，測(cè)量硅膜片(即彈性元件)引起變形彎曲，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)，彎曲可以完全復(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，導(dǎo)致發(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，可以有效保護(hù)傳感器的測(cè)量精度和壽命。這就引出了對(duì)單晶硅芯片進(jìn)行過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

2.2 RP1000過(guò)載保護(hù)的特性

為克服單晶硅硅片抗過(guò)載能力不足的缺陷，RP1000配備了一種具有單向壓力過(guò)載保護(hù)的差壓傳感器,帶過(guò)載保護(hù)的差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 帶過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

該單向壓力過(guò)載保護(hù)差壓傳感器不僅能測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)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(guò)載的情況下還能有效地進(jìn)行自我保護(hù)，避免了硅差壓傳感單向壓力過(guò)載而引起的損壞。

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)，并使高壓一側(cè)的外界隔離膜片和腔室內(nèi)壁重合，使得高壓側(cè)硅油

全部趕入腔室內(nèi)，從而無(wú)法向單晶硅芯片進(jìn)一步傳遞更高的壓力值，最終在單晶硅芯片上避免了超高壓的發(fā)生，有效地實(shí)現(xiàn)了保護(hù)單晶硅芯片的目的[3]。正腔過(guò)載示意圖如圖4所示，圖4中，P1為正腔側(cè)壓力，P2為負(fù)腔側(cè)壓力。當(dāng)P1>P2時(shí)，導(dǎo)致隔離膜片向負(fù)腔側(cè)移動(dòng)；反之當(dāng)P2>P1時(shí)，隔離膜片將向正腔側(cè)移動(dòng)。

圖4 正腔過(guò)載示意圖

RP1000的這種抗過(guò)載設(shè)計(jì)方法有效地保護(hù)了單晶硅芯片的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，尤其在有水錘現(xiàn)象存在的工況場(chǎng)合更加能夠突出其優(yōu)越性。

2.3 RP1000優(yōu)越的量程比

由于單晶硅芯片的輸出信號(hào)量較大，在5 V的恒壓源激勵(lì)下，其典型的量程輸出到達(dá)了100 mV，這對(duì)于后端的電子電路和軟件較為容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)補(bǔ)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，其常用變送器的量程可調(diào)比達(dá)到了100∶1，微差壓變送器的可調(diào)量程比達(dá)到10∶1。經(jīng)量程壓縮后仍能保持較高的基本精度，大幅拓寬了變送器的可調(diào)節(jié)范圍，對(duì)用戶的應(yīng)用較為方便和有意義。

3臺(tái)經(jīng)抽樣的RP1001差壓變送器經(jīng)過(guò)10∶1量程縮小和100∶1量程縮小后的準(zhǔn)確度考核結(jié)果如表1所示。滿量程為0～250 kPa，按10∶1縮小后的量程變更為0～25 kPa，按10∶1縮小后的量程變更為0～2.5 kPa。

表1 RP1001的量程比性能試驗(yàn)

從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，當(dāng)壓縮10倍量程比后，其基本誤差分別為0.019%、0.012%、0.025%，仍然能夠保持優(yōu)于0.05級(jí)的準(zhǔn)確度；當(dāng)壓縮100倍量程比后，其基本誤差分別為0.147%、0.219%、0.197%，其仍然可以保持優(yōu)于0.25級(jí)的準(zhǔn)確度。

3臺(tái)經(jīng)抽樣的RP1002壓力變送器經(jīng)過(guò)10∶1量程縮小和100∶1量程縮小后的準(zhǔn)確度考核結(jié)果如表2所示。滿量程為0～40 MPa，按10∶1縮小后的量程變更為0～4 MPa，按100∶1縮小后的量程變更為0～400 kPa。從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，當(dāng)壓縮10倍量程比后，其基本誤差分別為0.041%、0.047%、0.034%，仍然能夠保持0.05級(jí)的準(zhǔn)確度；當(dāng)壓縮100倍量程比后，其基本誤差分別為0.15%、0.063%、0.153%，其仍然可以保持優(yōu)于0.25級(jí)的準(zhǔn)確度。

表2 RP1002的量程比性能試驗(yàn)

2.4 RP1000優(yōu)越的壓力滯后特性

壓力滯后特性也稱回程誤差特性，俗稱回差。它對(duì)于壓力(差壓)變送器來(lái)說(shuō)是一個(gè)較為重要的考核指標(biāo)?；夭畹拇笮≈苯佑绊懙阶兯推鞯臏y(cè)量準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期漂移性能。

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如圖5所示。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(jì)；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。

圖5 誤差曲線例圖

2.5 RP1000獨(dú)特的靜壓特性

壓力(差壓)變送器在測(cè)量罐體液位或管道流量時(shí)，如果對(duì)靜壓影響不作校正或補(bǔ)償，將會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大誤差，尤其是在液位范圍較小或相對(duì)流量較小時(shí)，影響更大。

例如一臺(tái)電容式差壓變送器同節(jié)流裝置一起組成差壓式流量計(jì)，在32 MPa工作靜壓條件下,其滿量程靜壓誤差≤±2%FS ，雖然其零位誤差可以通過(guò)調(diào)零來(lái)消除，但是滿位輸出誤差無(wú)法避免。因此，此靜壓誤差直接影響流量的測(cè)試，并且影響量較大。在這種應(yīng)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(jīng)過(guò)補(bǔ)償，或其本身靜壓誤差極小，則其測(cè)量精度將會(huì)得到大幅提高。

RP1000差壓變送器采用獨(dú)特的單晶硅芯片封裝工藝，封裝以后其內(nèi)腔和外腔達(dá)到壓力平衡。如圖6所示為單晶硅硅片的封裝示意圖。

圖6 封裝示意圖

當(dāng)有工作靜壓加載到測(cè)量硅片的正負(fù)腔時(shí)，工作靜壓通過(guò)硅片外部的正腔硅油和硅片內(nèi)部的負(fù)腔硅油平衡加載到測(cè)量硅片上，并實(shí)現(xiàn)了相互抵消，從而使得測(cè)量硅片對(duì)工作靜壓的彎曲變形極小[2]。這樣處理大幅提升了差壓變送器的靜壓影響性能。

圖7所示為RP1000微差壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 微差壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

在微差壓變送器的應(yīng)用場(chǎng)合，由于微差壓信號(hào)量過(guò)小，對(duì)于靜壓影響造成的影響非常敏感，上述獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)和工藝仍不能完全消除或減弱靜壓影響量。因此，RP1000的微差壓變送器在其傳感器的內(nèi)部集成了一個(gè)可以測(cè)量工作靜壓的絕壓傳感器。

此絕壓傳感器可以將測(cè)得的工作靜壓信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給內(nèi)部的微處理器，微處理器利用此工作靜壓坐標(biāo)軸自動(dòng)修正微差壓輸出信號(hào)，從而達(dá)到靜壓補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

通過(guò)獨(dú)特的封裝工藝以及加裝絕壓傳感器后，大幅提升了RP1000差壓變送器的工作靜壓性能，從而保證了差壓變送器的測(cè)量準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性。

2.6 RP1000獨(dú)特的膜片特性

相比于美國(guó)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(huán)膜片焊接方式，RP1000差壓傳感器采用了更為先進(jìn)的無(wú)隔離環(huán)的衛(wèi)生型膜片焊接方式。這種衛(wèi)生型膜片焊接方式使得焊縫光滑，無(wú)縫隙，無(wú)死角，可以滿足直接焊接多種材質(zhì)膜片。如316L、哈氏C、鉭膜片、蒙乃爾膜片，由于沒(méi)有縫隙的存在,還可以在接液面進(jìn)行直接鍍金和噴涂PTFE等處理工藝。這種設(shè)計(jì)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(chǎng)合差壓變送器的使用壽命。

2.7 RP1000獨(dú)特的超高溫特性

當(dāng)介質(zhì)溫度超過(guò)350 ℃應(yīng)用時(shí)，壓力(差壓)變送器中的高溫遠(yuǎn)傳膜盒在應(yīng)用過(guò)程中存在著巨大的安全隱患，較為容易出現(xiàn)硅油氣化、數(shù)據(jù)失真或壽命下降等問(wèn)題。這就要求應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的介質(zhì)有一定的工作靜壓，從而形成背壓來(lái)保證膜盒的正常工作。但這會(huì)造成壓力(差壓)變送器的遠(yuǎn)傳液位測(cè)量應(yīng)用范圍受到限制。

RP1000采用了超高溫介質(zhì)的測(cè)量技術(shù)，其介質(zhì)的可測(cè)量溫度達(dá)到了400 ℃。如圖8所示的超高溫遠(yuǎn)傳的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)分為超高溫充灌液和普通高溫充灌液兩個(gè)腔體，兩個(gè)腔體之間焊接隔離膜片，并在超高溫充灌腔體內(nèi)設(shè)一個(gè)散熱桿。

和介質(zhì)直接接觸的超高溫充灌液可以承受400 ℃的介質(zhì)高溫，但是超高溫充灌液的黏度較高，不適合充入毛細(xì)管進(jìn)行壓力傳遞。因此，通過(guò)中間隔離膜片和普通高溫充灌液腔體的壓力P進(jìn)一步傳遞，可以保證壓力的有限傳遞和快速響應(yīng)。而高溫?zé)崃拷?jīng)散熱后傳遞到普通高溫充灌腔體時(shí)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[4]。這種方式拓寬了高溫遠(yuǎn)傳變送器的應(yīng)用范圍，并提高了超高溫遠(yuǎn)傳變送器的可靠性和壽命。

圖8 超高溫遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)原理圖

2.8 RP1000特性綜述

通過(guò)以上對(duì)RP1000系列產(chǎn)品技術(shù)的介紹和分析，筆者簡(jiǎn)要地闡述了RP1000單晶硅高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。制造廠商從單晶硅原理芯片的選擇、單晶硅硅片的無(wú)應(yīng)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(cè)量的拓展等多方面來(lái)提升高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器的全性能、準(zhǔn)確度等級(jí)和可靠性。通過(guò)以上多種途徑的技術(shù)引進(jìn)和消化，再加入創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，使得RP1000系列高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。其主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)說(shuō)明如下。

① 準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0.05級(jí)，并取得中國(guó)大陸最高等級(jí)的計(jì)量器具制造許可證，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

② 微差壓變送器采用獨(dú)特的雙過(guò)載保護(hù)膜片專利技術(shù)，測(cè)量精度可達(dá)±0.075%，最大的工作靜壓達(dá)到16 MPa，最小的測(cè)量差壓為-50～50 Pa，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

③ 差壓變送器最高工作靜壓可達(dá)40 MPa，單向過(guò)載壓力最高可達(dá)40 MPa。

④ 差壓傳感器內(nèi)部可選封裝絕壓傳感器，可用于現(xiàn)場(chǎng)工作靜壓的測(cè)量和顯示，也可應(yīng)用于靜壓補(bǔ)償。變送器的靜壓性能極佳，典型規(guī)格的靜壓誤差最優(yōu)為≤±0.05 %/10 MPa。同時(shí)，由于內(nèi)部絕壓傳感器的集成，保證了RP1005多參數(shù)變送器的成功研發(fā)，可廣泛用于氣體流量的測(cè)量領(lǐng)域，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高端多參數(shù)變送器的空白。

⑤ 壓力、差壓傳感器內(nèi)部集成的高靈敏度溫度傳感器，使得變送器溫度性能極佳，最優(yōu)為≤±0.04%/10 K。

⑥ 6 kPa和40 kPa微壓力量程表壓/絕壓變送器可選用獨(dú)特?zé)o傳壓損耗過(guò)載保護(hù)膜片專利技術(shù)，單向過(guò)壓最高達(dá)7 MPa，大幅拓寬了微壓力傳感器的特殊領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

⑦ 典型規(guī)格的長(zhǎng)期零位漂移量≤±0.1%/3年，并通過(guò)12萬(wàn)次90%的量程的極限壓力疲勞測(cè)試，達(dá)到了10年免維護(hù)的能力。

⑧ 實(shí)現(xiàn)了極寬的測(cè)量范圍0-100 Pa～60 MPa，最高100∶1的可調(diào)節(jié)量程比輸出。

⑨ 遠(yuǎn)傳變送器采用先進(jìn)的超高溫專利技術(shù)，可應(yīng)用于400 ℃超高溫測(cè)量場(chǎng)合，突破了遠(yuǎn)傳產(chǎn)品應(yīng)用和測(cè)量的瓶頸。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者所在的團(tuán)隊(duì)通過(guò)以上多種途徑的技術(shù)引進(jìn)、消化和吸收后，再融入自主研發(fā)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，使得RP1000系列高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，其最高準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了0.05級(jí)，部分性能甚至超越了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的變送器水平。上海洛丁森最終不僅使企業(yè)保證擁有自主核心技術(shù)和產(chǎn)權(quán)的前提下，還為中國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展和安全運(yùn)行打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，并為中國(guó)的工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展做好了充分的準(zhǔn)備。

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[2] 張大倫，李宗瑢.材料力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1987：9-12.

[3] 王徐堅(jiān)，孫國(guó)林，陸孝孟，等.單向壓力過(guò)載保護(hù)差壓傳感器：中國(guó)，ZL2006 2 0044350.9[P].2006-09-05.

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Implementation of the Monocrystalline Silicon Pressure/Differential Pressure Transmitters with High Stability

At present, high stability pressure/differential pressure transmitters become more and more important in automation application field. The local Chinese manufacturers of transmitters are facing a very serious mission of how to develop the transmitters with high stability and independent intellectual property rights. For enhancing the entire performance, accuracy level and reliability of the high stability pressure (d/p) transmitters, various technologies and measures are described in detail, including the selection of ultra-stable type monocrystalline silicon chips; the stress-free encapsulation of ultra-stable type monocrystalline silicon chips; elimination of the hysteresis error; reduction and compensation of the static pressure; broadening the turndown ratio of the instrument; special treatment of liquid surface contacted; and measurement of super-high temperature, etc. The implementation resists the technical monopoly of foreign high-end pressure (d/p) transmitters on the Chinese market.

Monocrystalline silicon pressure sensor Overload protection Hysteresis error Static pressure compensation

郝正宏(1982-)，男，2005年畢業(yè)于西安工程技術(shù)大學(xué)機(jī)電一體化專業(yè)，工程師；從事單晶硅壓力、差壓變送器的研發(fā)和測(cè)試工作。

TP202+.2

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504024

修改稿收到日期：2015-01-08。