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      1. 您好!歡迎光臨 麥德勝電氣(中國)有限公司
        單晶硅壓力、差壓變送器是如何實現高穩定性

            目前高穩定性壓力、差壓變送器在自動化領域的應用越來越重要,在中國發展具有高穩定性壓力變送器是中國本土變送器制造企業面臨的一個非常嚴峻的問題。然而通過實踐表明利用國外技術可以從超穩型單晶硅原理芯片的選擇、超穩型單晶硅硅片的無應力封裝、回程誤差的消除、靜壓誤差的減弱和補償、儀表量程比的拓寬、接液面的特殊處理以及超高溫測量等諸多技術方面的突破,可以大幅提升高穩定性壓力、差壓變送器的全性能、準確度等級和可靠性。從而彌補國外高端變送器對中國市場的壟斷和沖擊。 


        一、序言 

            壓力變送器、差壓變送器作為一種高精密的現場測量儀器,在自動化領域的應用非常普遍和意義重大。在大多數的重要工業領域都得到廣泛的應用,如火力發電、核電、石油冶煉、化工、鋼鐵、造紙、制藥、食品、水泥制造等領域。然而在這些廣泛的應用領域中,國產研發和制造的中高端壓力變送器非常匱乏,幾乎完全被美國、日本、德國、瑞士等工業發達國家的壓力變送器所壟斷。這對當前飛速發展的中國國民經濟來說,是一個巨大的安全隱患。所以利用國外技術研發和規?;a具有中國自有知識產權的高穩定性壓力、差壓變送器顯得越來越重要和意義重大。麥德勝電氣(中國)有限公司是利用國外先進技術,通過從美國引進和學習,以及通過適應國產化生產特點的再研發及大規模生產驗證,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?;a線。 


        二、目前高穩定性壓力、差壓變送器的技術現狀分析

            當前中國市場上主流的高穩定性壓力、差壓變送器主要分為三種類型和原理。第一種為以美國制造商研發和在中國北京生產的金屬電容式壓力、差壓變送器,其代表性的型號為1151系列、3051C/S系列。其工作原理為:外界壓差傳遞到內部的金屬電容極板,當極板發生位移后即產生電容量的變化,將這種電容量的變化通過電子電路收集、放大和軟件補償處理后,就得到壓力信號的線性輸出。 


        1、3051和1151系列電容式傳感器技術由80年代開始引進入中國大陸以后,在國內得到了大規模的仿造和推廣,至2016年止國內仿制的制造廠商達到了近百家,比較典型的國內制造商有上海、西安、北京、重慶以及核工業部等儀表公司。國內儀表制造商經過多年的研究和探索,至21世紀初多數廠家開始將1151變送器進行了小型化處理,體積大幅縮小,并且由模擬電路逐漸轉變為了數字電路,最終實現準確度等級從0.5級提升到了0.1級。但這種改進沒有根本性改變傳感器的結構,因此改進后仍存在較大的局限性,其準確度、長期穩定性、EMC性能、靜壓性能、溫度性能等和原裝的3051C/S相比還是存在差距。最終導致國內的變送器仍然遠遠落后于發達國家的形勢。 


            然而,美國3051C/S系列變送器,卻在1151的基礎上進行了革命性的改進,實現了結構隔離、懸浮、電路可靠性提升等大量的實質性改進。其準確度等級實現了0.05級的跨域。但是,這種3051C/S壓力變送器所帶來的技術難度和技術壁壘,不能有效的被中國本土企業突破,因此幾乎所有的中國制造廠家均放棄了電容式變送器的進一步探索和研究。


        2、日本制造商研發和生產的單晶硅壓力變送器、差壓變送器,其代表性的型號為橫河EJA和EJX系列。其工作原理為:外界壓差傳遞到內部的單晶硅諧振梁,諧振梁在壓力的作用下產生了一對跟隨壓力變化的差動的頻率信號,將這對差動的頻率信號通過電子電路收集、放大和軟件補償處理后,就得到壓力信號的線性輸出。 


            橫河EJA系列單晶硅諧振式變送器,較之電容式傳感器其生產過程中的制造成本控制有一定的優勢。主要的優勢體現在溫度和靜壓補償環節中,即:雙諧振回路的原始差動信號輸出,而此差動信號不被溫度和靜壓的影響,因此對于后期的變送器的溫度補償和靜壓補償等工序環節操作較為簡便。其最終的準確度等級到達0.065級,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技術被日本橫河公司壟斷,這種單晶硅諧振梁芯片所帶來的技術難度和技術壁壘,同樣不能有效地被中國本土企業突破,因此幾乎所有的中國制造廠商均放棄了單晶硅諧振式變送器的進一步探索和研究。


        3、以美國MADSHEN國際公司、德國、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:外界壓差傳遞到內部的單晶硅全動態的壓阻效應惠斯登電橋,惠斯頓電橋在壓力的作用下產生一個跟隨壓力變化的電壓信號輸出,將這個電壓信號通過電子電路收集、放大和軟件補償處理后,就得到壓力信號的線性輸出。


            這種單晶硅電阻式傳感器的輸出靈敏性高、信號量大、回差極小,并且電路設計較為簡潔可靠,所以國際上較多變送器制造廠商優先采用此方案進行高端變送器的研發和制造。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用具有較為特殊的工藝要求。主要表現在硅芯片的無應力封裝技術和硅薄膜的單向過載保護技術方面。這兩項應用技術在2000年之前牢牢掌握在西方發達國家手中,從2013年后,麥德勝電氣(中國)有限公司通過從美國MADSHEN國際公司的技術合作、引進和再研發,最終充分掌握了多項相關技術,因此實現了高穩定性硅壓力、差壓變送器在國內大規模制造,MDSGP100系列和MDSDP系列的高穩定性單晶硅變送器的準確度理論等級達到了0.05級,正??蛇_到0.075級,完全達到甚至超過了以上國外知名品牌的變送器。 

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