浅谈过程控制传感器
日期：2009-9-27 21:07:18 点击：
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在现代工业中，过程控制对提高经济效益、提高产品质量、实现节能减排具有重要的意义。近年来，工业控制系统依托计算机技术、通讯技术、微电子技术有了飞速的发展，仅二十多年，已由集散系统、现场总线系统，发展到工业以太网；而作为过程控制信息源头的传感器，虽有举足轻重的作用，但发展相对滞后，希望引起业界的关注。下面介绍几种当前较受关注的两种过程控制传感器：压力传感器和流量传感器。
压力传感器
压力传感器在过程控制的仪表占用量仅次于温度传感器，除了可以检测压力参数外，还可以与流量传感器、液位传感器组合成为流量、液位仪表，国内市场2007年估计约为25亿人民币。近十年来，随着MENS技术的日益成熟，以硅基材料为主的压力传感器，如硅压阻式、硅谐振式、硅电容式，有了突破性进展，占有国内较大的传感器市场，引起业界的关注。
硅压阻式传感器 主要生产厂家为美国的Honeywell、我国的昆山双桥测控公司等。
硅压阻式传感器依靠PN结实现敏感电阻间的电绝缘，由于单晶硅良好的弹性变形，以及灵敏的压阻效应，实现了压力测量。美国Honeywell公司最早推出的ST3000型传感器，采用集成电路工艺，将差压、静压、温度敏感元件集成在同一硅片上，可以进行温、压补偿，提高了准确度，我国沈阳仪表研究院在仅3.5×4mm2的P型Sol硅单晶片或N型硅单晶片上，也研制了类似的智能压力传感器，准确度可达0.1级，可靠性良好，MTBF可达到8万小时。
常规扩散硅压力传感器当工作温度超过125℃时，由于漏电加剧，无法正常工作。近年国内外都开始研制、推出Sol高温压力传感器，这种传感器通常将敏感元件置于绝缘的或有绝缘层衬底上，以减小高温下的漏电；材料多选用Poly-Si多晶硅；Sic系列单晶硅SOS，Sol等多种材料。工艺上采用LPCVD法制成一层多晶硅薄膜。上述各种材料比较后，初步确认，用单晶硅Sol制成的高温压力传感器具有一系列优点，如：体积小，重量轻，易于生产，灵敏度高，不易受光、电、磁、静电干扰等。目前技术指标温度上限可达300℃，压力上限40MPa，已开始在石化、航空、航天等领域推广应用。
硅谐振式压力传感器 典型产品的型号为EJA，由合资企业横河川仪生产。
传感器由硅芯片、基座、垫片、永久磁铁组合为一体（见图1），通过MENS技术在单晶硅芯片的表面中心及边缘各加工两个形状大小一致的“H”状谐振器。当芯片上下两侧压力不等时，芯片的中心产生挠曲变形，中心处的谐振器受到压力，在永久磁铁的作用下，谐振频率为Fc；而处于边缘的谐振器承受拉力，在永久磁铁作用下，谐振频率为Fr，频率差Fc-Fr正比于差压，测得频率差大小即可知压力值。
EJA硅谐振压力传感器的特点：小型，轻巧，受温度和静压影响小，零点漂移小，输出频率信号具有与现场总线良好的通讯性能，通过微机技术，具有较好的自诊断智能功能。
近十来，EJA压力传器在国内压力传感器市场占有较大份额。
图1、硅谐振压力传感器原理图
硅电容压力传感器 生产厂家有富士公司，型号为FXC-35，我国浙江中控及沈阳仪表研究院均已研制成功，是具有独立知识产权的产品，正待产业化。
①原理
硅电容压力传感器是采用MENS技术加工的中间极板，材料为Si的E型梁-膜结构，两端为用静电封装的玻璃电极，由图2可知，在差压△P的作用下，中心膜片将产生位移△d，形成了两个电容。
由于具有半径为γ的硬心平膜片，在均布载荷△P的作用下，硬心膜片的位移为△d，与△P的关系为：
式中，R为芯片半径（等于D/2），S为芯片极板面积，ε为介电常数，E为芯片材料的弹性模量，d为芯片初始极板间隙，γ为芯片硬半径，h为芯片厚度，Ap为系数，取决于芯片材料泊松比及结构参数γ/R。
②特点
?稳定性好，使用功率小，发热量低，对温度不敏感，温度附加误差小。
?线性度高，硅膜采用了中间为硬芯的E型结构，提高了传感器的线性度。
?性价比高，采用MENS技术，可在较小膜片上制作较多的元件，工艺性好，适合批量生产，性能一致，成本低。
?配套性好，可根据用户的需要，设计各种小巧、坚固、抗振的接口。
?易于智能化，易实现数字化技术，提升传感器智能化水平。
③与下列压力传感器比较
?膜盒型电容压力传感器，性能好，性价比高，适合大批量生产，易与电子线路匹配。
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在现代工业中，过程控制对提高经济效益、提高产品质量、实现节能减排具有重要的意义。近年来，工业控制系统依托计算机技术、通讯技术、微电子技术有了飞速的发展，仅二十多年，已由集散系统、现场总线系统，发展到工业以太网；而作为过程控制信息源头的传感器，虽有举足轻重的作用，但发展相对滞后，希望引起业界的关注。下面介绍几种当前较受关注的两种过程控制传感器：压力传感器和流量传感器。
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压力传感器
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压力传感器在过程控制的仪表占用量仅次于温度传感器，除了可以检测压力参数外，还可以与流量传感器、液位传感器组合成为流量、液位仪表，国内市场2007年估计约为25亿人民币。近十年来，随着MENS技术的日益成熟，以硅基材料为主的压力传感器，如硅压阻式、硅谐振式、硅电容式，有了突破性进展，占有国内较大的传感器市场，引起业界的关注。
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硅压阻式传感器 主要生产厂家为美国的Honeywell、我国的昆山双桥测控公司等。
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硅压阻式传感器依靠PN结实现敏感电阻间的电绝缘，由于单晶硅良好的弹性变形，以及灵敏的压阻效应，实现了压力测量。美国Honeywell公司最早推出的ST3000型传感器，采用集成电路工艺，将差压、静压、温度敏感元件集成在同一硅片上，可以进行温、压补偿，提高了准确度，我国沈阳仪表研究院在仅3.5×4mm2的P型Sol硅单晶片或N型硅单晶片上，也研制了类似的智能压力传感器，准确度可达0.1级，可靠性良好，MTBF可达到8万小时。
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常规扩散硅压力传感器当工作温度超过125℃时，由于漏电加剧，无法正常工作。近年国内外都开始研制、推出Sol高温压力传感器，这种传感器通常将敏感元件置于绝缘的或有绝缘层衬底上，以减小高温下的漏电；材料多选用Poly-Si多晶硅；Sic系列单晶硅SOS，Sol等多种材料。工艺上采用LPCVD法制成一层多晶硅薄膜。上述各种材料比较后，初步确认，用单晶硅Sol制成的高温压力传感器具有一系列优点，如：体积小，重量轻，易于生产，灵敏度高，不易受光、电、磁、静电干扰等。目前技术指标温度上限可达300℃，压力上限40MPa，已开始在石化、航空、航天等领域推广应用。
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硅谐振式压力传感器 典型产品的型号为EJA，由合资企业横河川仪生产。
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传感器由硅芯片、基座、垫片、永久磁铁组合为一体（见图1），通过MENS技术在单晶硅芯片的表面中心及边缘各加工两个形状大小一致的“H”状谐振器。当芯片上下两侧压力不等时，芯片的中心产生挠曲变形，中心处的谐振器受到压力，在永久磁铁的作用下，谐振频率为Fc；而处于边缘的谐振器承受拉力，在永久磁铁作用下，谐振频率为Fr，频率差Fc-Fr正比于差压，测得频率差大小即可知压力值。
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EJA硅谐振压力传感器的特点：小型，轻巧，受温度和静压影响小，零点漂移小，输出频率信号具有与现场总线良好的通讯性能，通过微机技术，具有较好的自诊断智能功能。
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近十来，EJA压力传器在国内压力传感器市场占有较大份额。
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图1、硅谐振压力传感器原理图
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硅电容压力传感器 生产厂家有富士公司，型号为FXC-35，我国浙江中控及沈阳仪表研究院均已研制成功，是具有独立知识产权的产品，正待产业化。
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①原理
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硅电容压力传感器是采用MENS技术加工的中间极板，材料为Si的E型梁-膜结构，两端为用静电封装的玻璃电极，由图2可知，在差压△P的作用下，中心膜片将产生位移△d，形成了两个电容。
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由于具有半径为γ的硬心平膜片，在均布载荷△P的作用下，硬心膜片的位移为△d，与△P的关系为：
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式中，R为芯片半径（等于D/2），S为芯片极板面积，ε为介电常数，E为芯片材料的弹性模量，d为芯片初始极板间隙，γ为芯片硬半径，h为芯片厚度，Ap为系数，取决于芯片材料泊松比及结构参数γ/R。
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②特点
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?稳定性好，使用功率小，发热量低，对温度不敏感，温度附加误差小。
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?线性度高，硅膜采用了中间为硬芯的E型结构，提高了传感器的线性度。
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?易于智能化，易实现数字化技术，提升传感器智能化水平。
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