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硅电容压力传感器及其产业化

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标签: 压力传感器

压力传感器作为工业自动化仪表——特别是变送器类仪表、重要的检测元件,其原理通常有谐振型、压阻型、电容型等,代表产品分别有横河公司的EJA系列硅谐振传感器、Honeywell的ST-3000系列硅压阻传感器、Rosemount的CDS-3151系列金属电容传感器。近年来,硅电容压力传感器作为变送器的重要检测元件越来越受到业界的重视和青睐,其原因是硅电容压力传感器与其他原理的压力传感器相比,有其明显的特点和优势。

关键词:压力传感器硅电容式产业化

文档内容节选

硅电容压力传感器及其产业化 徐开先 徐开先先生, 沈阳仪表科学研究院教授级高级工程师 关键词:压力传感器 硅电容式 产业化 压力传感器作为工业自动化仪表特别是变送器类仪表重要的检测元件,其原理通 常有谐振型压阻型电容型等,代表产品分别有横河公司的 EJA 系列硅谐振传感器 Honeywell 的 ST3000 系列硅压阻传感器Rosemount 的 CDS3151 系列金属电容传感器 近年来,硅电容压力传感器作为变送器的重要检测元件越来越受到业界的重视和青睐,其原 因是硅电容压力传感器与其他原理的压力传感器相比,有其明显的特点和优势 一 硅电容压力传感器的特点 硅电容压力传感器是利用硅基材料,应用电容原理,采用 MEMS 工艺制作的一类新型 压力传感器具有以下特点: 1稳定性好 硅电容压力传感器是一种结构型压力传感器,就检测原理而言,其稳定性就对温度不灵 敏温度附加误差小,不像硅压阻器件那样需进行复杂的温度补偿稳定性好是硅电容压力 传感器深受用户好感的主要原因之一,也是国产压力传感器长期存在不能产业化的原因之 一 2指标先进 电容压力传感......

硅电容压力传感器及其产业化 徐开先 徐开先先生, 沈阳仪表科学研究院教授级高级工程师。 关键词:压力传感器 硅电容式 产业化 压力传感器作为工业自动化仪表——特别是变送器类仪表、重要的检测元件,其原理通 常有谐振型、压阻型、电容型等,代表产品分别有横河公司的 EJA 系列硅谐振传感器、 Honeywell 的 ST-3000 系列硅压阻传感器、Rosemount 的 CDS-3151 系列金属电容传感器。 近年来,硅电容压力传感器作为变送器的重要检测元件越来越受到业界的重视和青睐,其原 因是硅电容压力传感器与其他原理的压力传感器相比,有其明显的特点和优势。 一 硅电容压力传感器的特点 硅电容压力传感器是利用硅基材料,应用电容原理,采用 MEMS 工艺制作的一类新型 压力传感器。具有以下特点: (1)稳定性好 硅电容压力传感器是一种结构型压力传感器,就检测原理而言,其稳定性就对温度不灵 敏、温度附加误差小,不像硅压阻器件那样需进行复杂的温度补偿。稳定性好是硅电容压力 传感器深受用户好感的主要原因之一,也是国产压力传感器长期存在不能产业化的原因之 一。 (2)指标先进 电容压力传感器本身具有小功率、高阻抗、静电引力小、可动质量小、发热影响小的特 点。硅电容压力传感器综合性能指标如非线性、过载、静压、可靠性等性能优于硅压阻压力 传感器、陶瓷电容压力传感器、金属膜片电容压力传感器,与硅谐振压力传感器相当。 (3)适合批量生产,成本低 硅电容压力传感器利用 MEMS 工艺制作,芯片尺寸为 9mm×9mm,1 个 4 寸硅片可制 作近百个元件。产品的工艺性好,性能一致,适合批量生产,低成本运行。其制备工艺与 IC 工艺兼容,工艺装备无须像硅谐振压力传感器那样昂贵和复杂,也无须像金属膜片电容压力 传感器那样单件制作,保证了硅电容压力传感器有高的性能价格比。 (4)配套性好 硅电容压力传感器是专为各类变送器配套而设计的,小巧、坚固、抗震、标准接口,由芯片、 芯体、受压部以 OEM 形式与各类变送器配套,变送器厂家可根据自己的实际情况选择芯片、 芯体、或受压部与之配套,与变送器易实现数字化技术,提升变送器的智能化水平。 (5)完全自主知识产权、民族品牌 硅电容压力传感器从设计、制备、工艺、测试、工装设备到标准、规范等,完全具有独 立的自主知识产权,产品所用原材料全部国产化,结束了我国变送器类产品检测元件依赖国 外的历史。 硅电容压力传感器的缺点是:制备工艺要求高,工序多,对小电容信号检测困难。 二 变送器用压力传感器国内外现状 上世纪 90 年代,随着 MEMS 技术的成熟、微电子技术特别是数字技术的发展,工业 自动化仪表迫切要求新型的、高精度的、稳定性好的检测器件,对各种检测原理重新进行审 视和评估,以硅基材料为主的检测原理有硅谐振式、硅压阻式、硅电容式。国外对这 3 种 原理的压力传感器及其相应的变送器生产已经十分成熟,并占有相当的国内变送器市场,在 国内建立了独资或合资公司。但至今为止,以国内自有技术,与变送器配套,能产业化生产 的压力传感器尚未出现。某些压力传感器原理制成的变送器性能比较如表所示。 硅电容压力传感器与其他压力传感器相比: (1)与机械型( 膜盒型)电容压力传感器相比,硅电容压力传感器具有性能好,性价比高, 适合大批量生产,易与电子电路匹配等优点。 (2) 与硅压阻型压力传感器相比,硅电容压力传感器具有温度附加误差小,性能稳定, 可靠,补偿简单等优点。 (3)与硅谐振型压力传感器(EJA) 相比,硅电容压力传感器与其技术指标相当,但性价比 高,工艺与 IC 兼容,不需昂贵的工艺装备。 (4) 与陶瓷电容型压力传感器相比,硅电容压力传感器体积小,线性好,稳定可靠,量 程比宽。 (5) 由硅电容压力传感器作为检测元件的差压变送器具有线性好,灵敏度高,温度误差 小,过载能力强,动态响应快,性能稳定,易实现数字化等特点。 三 硅电容压力传感器的制备 1. 硅电容压力传感器芯体设计、理论计算 硅电容压力传感器的核心器件在原理上可简单视为中心可动电极与两端固定电极的两 可变平板电容结构即差动电容原理,目的是提高灵敏度、减小非线性。检测原理如图所示: 上下极板为玻璃,中间极板为 Si 材料的 E 型梁-膜-岛结构,用 MEMS 工艺制作,硅和 玻璃用静电封接连接。由图可知: C =+ εS − Δd d C =+ εS + Δd d 式中,ε——介电常数; S—— 芯片极板面积; d—— 芯片原始极板间隙; Δ d——在差压 Δp 时 d 的变量。 ΔC = + CC C C − + + − d − = Δd −= Δd 2d εS − εS − − d Δd + εS + εS + Δd 令 Δp=P+-P-,则 Δd=F(Δp) 对具有硬心半径为 r 的平膜片,在小位移情况下,均布载荷 Δp 作用下,其硬心的位移: Δd d d Δd = A 4 ΔpR p Eh 3 式中,R——芯片工作半径,为 D/2; r—— 芯片硬心半径; h—— 芯片厚度; E—— 芯片材料的弹性模量。 r R ⎛ ⎜ ⎝ Ap = 2 ) ( μ13 − 16 2 ⎞ ⎟ ⎠ ln r R 4 r41 ⎛−−⎟ ⎞ ⎜ R ⎠ ⎝ 4 ⎞ ⎟ ⎠ r R ⎛ ⎜ ⎝ 式中,μ——芯片材料的泊松比。 经整理后可得: Δc Δp −= 1 2 p RA dEh 4 3 2. 硅电容压力传感器芯体设计原则 (1) 利用差动电容变极间距原理,其灵敏度比单电容原理提高,且有利于线性指标的极 大改善; (2)硅膜结构采用 E 型结构,即膜片中心具有硬芯,可进一步提高压力传感器的线性; (3) 芯体设计尽量采用对称结构,有利于压力传感器性能稳定,有利于芯体工艺的可操 作性。上述设计原则,对制备工艺提出高要求有了理论依据; (4)由上述公式可知,在压差 p 的作用下, C 的变化与芯片的结构参数 R、d、h、r 与 材料参数 E、μ 有关。这就给不同差压条件下,为保证相同的 ΔC 输出,提供了设计依据。 关于不同差压量程芯片结构参数的确定可由 ANSYS 专用软件分析建模。 3. 硅电容压力传感器的几点创新 (1)独特的芯体结构; (2)独特的受压部结构——悬浮设计、容积对称、硅油可控、三膜片保护; (3)工艺上的独创性——小间隙非粘连静电封接; (4) 硅电容压力传感器静压补偿方法。解决了零点静压、量程静压软件补偿方法,零点 静压、量程静压与线性之间的补偿匹配关系。 以 4 项上创新均获得国家专利。 四 硅电容压力传感器的产业化 压力传感器品种规格繁多、技术难度大、制备工艺复杂、应用面广,加之压力传感器是 直接与被测介质接触的器件,外界环境要求十分苛刻,因此对压力传感器的封装结构十分严 格,这一点往往被压力传感器制造厂家所忽视。 国产压力传感器一直未能在工业自动化仪表,特别是变送器产品上有一席之地,除了国 家政策、体制、机制方面的原因外,从产品本身来分析,主要原因是产品产业化条件不成熟。 所谓产业化条件,我认为至少包括下列 4 个方面,即产业化技术、产业化市场、产业化生 产保障、产业化人才资源。 1. 产业化技术 应满足如下技术要求: (1) 技术成熟,工艺稳定,复现性好,关键技术真正突破和掌握,并有独到的专有枝术; (2)技术先进,指标先进,性能指标能同国外同类产品相抗衡,在国内处于领先地位; (3)产品经过从初样——正样——定型 3 个阶段,经过 1000~2000 台的量产考核和现 场应用实践检验; (4)产品制备主要有技术工人( 少量的技术人员)来完成,而非主要由技术人员来完成; (5)有完善的产品技术标准和详细的工艺规范为指导; (6)产品的生产和管理纳入 ISO9000 质量保证体系,且质保体系运行有效、适宜、可靠。 硅电容压力传感器,通过近 5 年的不断攻关和技术研发,取得了一批专利技术和专有 技术,又经过 2000 台左右的小批量生产和市场实践检验,产业化技术基本成熟。 2. 产业化市场 所谓产业化市场,要求产品的市场容量大,应用面宽,具有广泛的行业影响,能创造较 大的社会、经济效益,产品的市场周期处于上升阶段。 硅电容压力传感器可以有各种应用。(1)如改变极间距离 d,称为变极距型压力传感器, 可以测量小位移、差压、压力等;(2)如改变极板面积 S,称为变面积型压力传感器,可以 测量线位移、角位移;(3)如改变板极间介质的介电常数 e,可测量液位、料位等。 可见硅电容压力传感器利用改变 d、S、e 能测量各种不同的物理量,其应用面十分广 阔。仅作为硅电容差压传感器而言,国内外主要作为变送器的检测元件,国内的市场容量至 少在 50 万台以上,可见硅电容压力传感器具有广阔的产业化市场。 3. 产业化生产条件保障 产业化生产条件保障主要包括: (1)装备条件 工艺装备完善、成线,特别是一些关键工艺装备,国内无定型产品,也没有生产厂家, 必需按工艺要求自行设计,自行制造。装备的自动化程度和水平往往决定产品的产量、质量、 水平和一致性。 (2)生产场地 根据生产大纲,量产指标、生产规模决定生产场地。硅电容压力传感器是利用 MEMS 技术制备,因此生产场地要满足净化要求,必须有满足要求的洁净厂房,最高洁净度要达到 100 级,同时温度、湿度可控。沈阳仪表院经 3 年筹建,已建成 6000m2 的生产场地,其中 超净厂房 2000m2,目前已投入使用,效果良好。 (3)材料采购及供应 硅电容压力传感器涉及一些特殊材料及供应问题,如特殊的恒弹性材料,特种玻璃,不 同黏度的硅油,特种性能的工程塑料和陶瓷,特种要求的不锈钢材料等,这些材料虽然用量 不多,但必须要有合格的供应商,保证材质性能。 (4)测试系统及装备 为了保证能实现批量生产,由于压力传感器生产固有的特点,对每一台压力传感器都需 进行标定和测试,测试系统和装备除保证测试精度外,必须具有自动、批量、连续测试之功 能。一些特殊的测试装备如高静压下差压性能的检测也是必不可少的。 4. 产业化人才 有了产业化技术、市场和产业化条件保障,并不一定能实现产业化,关键是必须有产业 化的人才。 产业化人才包括: (1) 管理人才——负责产业化的总体策划,如产品、技术策划及升级、市场策划及营销 攻略、产品的生产管理、质量保证等;
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