自動(dòng)化與儀器儀采用硅壓阻復(fù)合傳感器的智能變送器的研發(fā)與設(shè)計(jì)鄭永輝褚斌陳利蘭州煉油化工儀廠甘肅蘭州，730060；吉化集團(tuán)公司儀廠吉林，132022用這種傳感器的檢測(cè)部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)智能變送器轉(zhuǎn)換放大電路與漢化1人只1通訊界面的設(shè)計(jì)作了簡(jiǎn)要介紹。

　　80年代初，國(guó)內(nèi)以西儀為代的主要儀生產(chǎn)廠家紛紛從國(guó)外引進(jìn)壓力變送器生產(chǎn)線。生產(chǎn)線規(guī)模與市場(chǎng)影響較大的有西安儀廠與北京電廠引進(jìn)美國(guó)羅斯蒙特公司的5751系列；蘭煉儀廠與吉化儀廠引進(jìn)日本富士公司的，0系列；大連儀廠引進(jìn)曰本日立公司的，尺75系列等。10多年過(guò)去了，這些生產(chǎn)線隨著其產(chǎn)品逐步被智能變送器所取代，而基本處于停產(chǎn)或半停產(chǎn)狀態(tài)。目前，國(guó)內(nèi)變送器的制造水平及市場(chǎng)情況是主要儀制造廠變送器的制造技術(shù)水平仍停留在國(guó)外80年代初的水平；智能變送器的核心測(cè)量元件微硅壓阻微硅電容微硅諧振的復(fù)合芯片技術(shù)均被國(guó)外廠商壟由于以上兩點(diǎn)，國(guó)內(nèi)主要儀制造廠在智能變送器這端技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)上無(wú)擺脫組裝廠的模國(guó)內(nèi)新上重大項(xiàng)目幾乎全部采用國(guó)外原裝或組裝廣品。

　　以上幾點(diǎn)及其它基礎(chǔ)儀器儀存在的類似問(wèn)，早已引起國(guó)內(nèi)科技儀界有識(shí)之士的高度關(guān)注，以王大珩院士為首的多位院士聯(lián)名上書(shū)國(guó)務(wù)院，引起國(guó)家科技部計(jì)委經(jīng)貿(mào)委的高度重視，把復(fù)合傳感器的研發(fā)列為國(guó)家十科技攻關(guān)項(xiàng)目。

　　與國(guó)內(nèi)其它主要儀制造廠的情況樣，蘭煉儀煉與吉化聯(lián)合沈陽(yáng)傳感器國(guó)家工程研究中心，共同研發(fā)國(guó)內(nèi)新代智能變送器。經(jīng)過(guò)近年的聯(lián)合攻關(guān)，在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)出硅壓阻復(fù)合傳感器芯片，并首次用國(guó)產(chǎn)復(fù)合傳感器芯片研制出智能變送器。另外，該項(xiàng)目還首創(chuàng)了智能變送器的漢化人81通訊界面。本文對(duì)該項(xiàng)目在研發(fā)中解決的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)思想作以簡(jiǎn)要介紹。

　　復(fù)合傳感器部分的設(shè)計(jì)小型復(fù)合壓力傳感器是利用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)在面積僅為3.5，4.02的硅片上集差壓敏感元件靜壓敏感元件溫度敏感元件為體，并將其封裝在由金屬膜片隔離密封的充灌液中，形成變送器換電路配套，利用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行處理，使其能夠在在4，+8，丈的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠的工作，測(cè)量精度達(dá)到0.1級(jí)。

　　復(fù)合壓力傳感器能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中的差壓靜壓溫度變化的測(cè)量，靜壓和溫度的測(cè)量數(shù)據(jù)可修正被測(cè)環(huán)境的差壓輸出信號(hào)，從而可提高差壓傳感器的精度，它是智能差壓變送器的核心部件。

　　1.1復(fù)合芯片1.3檢測(cè)部件芯片是在雙面拋光的型硅單晶片上，采用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)在硅單晶片的正面特定區(qū)域由離子注入硼形成，型差壓敏感電橋1靜壓敏感電橋2溫度敏感元件3，在硅單晶片的背面與正面兩個(gè)惠斯登電橋相對(duì)應(yīng)的位置區(qū)域加工出兩個(gè)膜片厚度不等的差壓敏感膜片4和靜壓敏感膜片5，將該芯片再封裝，可形成復(fù)合傳感器芯體。

　　1為差壓敏感電橋2為飛祜1；敏感電橋3為溫度敏感元件4為差壓敏感瞑片5為靜嘆敏感膜片1.2傳感器芯體為減少變送器的體積和傳感器的成本，采用了￠19xl5mm金屬基座。同時(shí)采用全固態(tài)剛性連接結(jié)構(gòu)，形成完整的全固態(tài)封裝的多功能擴(kuò)散硅壓力傳感器芯體。這種形式的封裝結(jié)構(gòu)可使桂敏感芯片的差壓敏感電橋1感受到傳感器兩端的壓差，而靜壓敏感電橋2只能感受到正壓端的壓力。2是復(fù)合傳感器芯體結(jié)構(gòu)不意。

　　1力差壓敏感電橋5為靜壓感膜片8為玻璃為芯休1為靜壓敏感電橋6為硅鉬絲9為導(dǎo)壓管4為差1；敏感膜7為敏感芯片10為，座引線復(fù)合傳感器芯體4結(jié)構(gòu)意閣在本項(xiàng)目中，我們結(jié)合新設(shè)計(jì)的芯體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了差壓檢測(cè)部件的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用了以膜片原理為指導(dǎo)思想的膜片結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了傳感器過(guò)壓保護(hù)，即傳感器芯片本身能承受正反向量程5倍過(guò)載，當(dāng)壓力超過(guò)量程5倍時(shí)，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的過(guò)壓保護(hù)。

　　12為本體13為軟帶14為中心基座15為中心膜片16為隔離膜片17為本體基嵴18為接插件座闡3復(fù)合傳感器檢測(cè)部件結(jié)構(gòu)意將傳感器芯體與變送器本體12配合焊成體，再將傳感器信號(hào)用軟帶13從本體12的側(cè)壁孔引出，中心基座14與傳感器芯體和本體12焊接連成體，將中心膜片15與本體12焊成體，將已焊好隔離膜片16的本體基座17與本體12合焊連成體，焊接連接臺(tái)，充灌硅油后形成完整的全固態(tài)封裝的復(fù)合壓力傳感器受壓部，即檢測(cè)部件。這種結(jié)構(gòu)形式封裝的傳感器，當(dāng)測(cè)量壓力超過(guò)量程5倍時(shí)，中心膜片運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致隔離膜片運(yùn)動(dòng)，使隔離膜片與本體基座貼死，測(cè)量壓力無(wú)法傳導(dǎo)到敏感芯片7上，從而達(dá)到對(duì)硅壓傳感器的過(guò)載保護(hù)。由于差壓的作用，使得傳感器橋路電阻阻值隨之發(fā)生變化，使橋路輸出電壓與差壓成正比。

　　轉(zhuǎn)換放大電路部分的設(shè)計(jì)2.1轉(zhuǎn)換放大電路總體方案轉(zhuǎn)換放大電路部分主要由以下幾部分組成采樣單元微處理器單元數(shù)模轉(zhuǎn)換單元通訊單元存儲(chǔ)單元等，4為變送器的原理框2.2采樣單元采樣轉(zhuǎn)換單元選用了個(gè)24位高精度可編程以0轉(zhuǎn)換芯片，小信號(hào)采樣經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，采樣精度符合要求，在轉(zhuǎn)換信號(hào)低至5，情況下，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)，J，告函2.3微處理單元微處理單元選用觸，切1公司的微處理器，該處理器功能強(qiáng)速度快，有31和3，接口，是國(guó)際上智能設(shè)備廣泛采用的器件。在該單元設(shè)計(jì)中外擴(kuò)了321放大器的互換問(wèn)，外擴(kuò)了21的0，存放傳感器整定參數(shù)。人0和0人轉(zhuǎn)換接口均采用串行接口技術(shù)，數(shù)字顯單元采用并行接口技術(shù)，能更迅速地反映變送器的實(shí)時(shí)輸出，同時(shí)可現(xiàn)場(chǎng)顯26種工程單位。軟件補(bǔ)償采用數(shù)學(xué)模型優(yōu)算法和在線修正技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)寬范圍高精度溫度和線性補(bǔ)償，數(shù)字補(bǔ)償精度可達(dá)0.01.通過(guò)該單元優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整機(jī)功耗達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

　　2.5通訊單元通訊單元主要由輸入帶通濾波電路輸出整形濾波電路調(diào)制解調(diào)器等組成，當(dāng)變送器接收人6了通訊信號(hào)時(shí)，輸入帶通濾波器將1人81的正弦波變成方波后送到調(diào)制解調(diào)器，經(jīng)調(diào)制解調(diào)器解調(diào)成數(shù)字信號(hào)送口處理口返回的數(shù)字信號(hào)經(jīng)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制成尺丁頻率，經(jīng)波形整定電路變成標(biāo)準(zhǔn)的1正弦波。針對(duì)該項(xiàng)目研發(fā)了漢化1人81手持通訊器，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首家漢顯通訊界面。通過(guò)手持通訊器的中文界面可以方便快捷的對(duì)變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和參數(shù)設(shè)定。

　　結(jié)束語(yǔ)本項(xiàng)目研制出壓力差壓智能變送器樣機(jī)各臺(tái)，通過(guò)整機(jī)全性能測(cè)試，主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品技術(shù)水平，填補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)在微硅復(fù)合傳感器與智能變送器研宄方面的空白，這對(duì)于研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)內(nèi)新代智能變送器具有十分重要的意義。

　　引腳接入5kHz脈沖，即0.2mS內(nèi)采樣數(shù)據(jù)位128個(gè)，連續(xù)采樣10次，2咖內(nèi)采樣電數(shù)位1280個(gè)，達(dá)到色選篩米機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

　　上述5510的接口設(shè)計(jì)電路能滿足，3控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理的要求，可以實(shí)現(xiàn)速數(shù)據(jù)的采集處理和傳輸。