一文弄懂单晶硅差压变送器原理

如图1所示，YR-ER100单晶硅传感器的敏感元件是将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄的导电P型层，焊上引线即成“单晶硅应变片”，其电气性能是做成一个全动态的压阻效应惠斯登电桥。该压阻效应惠斯登电桥和弹性元件（即其N型硅基底）结合在一起。介质压力通过密封硅油传到硅膜片的正腔侧，与作用在负腔侧的介质形成压差，它们共同作用的结果使膜片的一侧压缩，另一侧拉伸，压差使电桥失衡，输出一个与压力变化对应的信号。惠斯登电桥的输出信号经电路处理后，即产生与压力变化成线性关系的4-20mA标准信号输出。
差压变送器原理http://yunrun.com.cn/tech/1149.html
对于表压传感器，其负腔侧通常通大气，以大气压作为参考压力；对于绝压传感器，其负腔侧通常为真空室，以绝对真空作为参考压力；对于差压传感器，其负腔侧的导压介质通常和正腔侧相同，如硅油、氟油、植物油等。  

图1  硅传感器结构图                                       图2  膜片受压示意图
单晶硅变送器http://yunrun.com.cn/product/list_124_1.html
如图2所示，在正负腔室的压差作用下，引起测量硅膜片（即弹性元件）变形弯曲，当压差P小于测量硅膜片的需用应力比例极限σp时，弯曲可以完全复位；当压差P超过测量硅膜片的需用应力比例极限σp后，将达到材料的屈服阶段，甚至达到强化阶段，此时撤去压差后测量硅膜片无法恢复到原位，导致发生不可逆转的测量偏差；当压差P达到或超过测量硅膜片能承受的最高应力σb后，测量硅膜片破裂，直接导致传感器损坏。因此，通过阻止或削弱外界的过载压差P直接传递到测量硅膜片上，可以有效保护传感器的测量精度和寿命。这就引出了对单晶硅芯片进行过载保护设计的问题。

YR-ER100的压力过载保护设计和实现
如图3所示，为克服单晶硅硅片抗过载能力不足的缺陷，YR-ER100配备了一种具有单向压力过载保护的差压传感器。该单向压力过载保护差压传感器不仅能测出现场工况在额定压力范围内的压差值，而且在发生单向压力过载的情况下还能有效地进行自我保护，避免了硅差压传感单向压力过载而引起的损坏。 

图3  带过载保护的差压传感器结构示意图

如图4、图5所示，当有超过差压测量硅膜片允许工作范围的差压出现时，中心隔离移动膜片向低压一侧移动，并使高压一侧的外界隔离膜片和腔室内壁重合，从而使得高压侧硅油全部赶入腔室内，无法向单晶硅芯片进一步传递更高的压力值，最终在单晶硅芯片上避免了超高压的发生，有效地实现了保护单晶硅芯片的目的。 

图4  正腔过载示意图                                                            图5  负腔过载示意图

YR-ER100的这种抗过载设计方法有效的保护了单晶硅芯片的长期工作稳定性，尤其在有水锤现象存在的工况场合更加能够突出其优越性。