單向差分壓力和雙向差分壓力傳感器的測量

N.Rauch (著) 施林生 （譯）

一、引言

在壓力測量中，通常是根據(jù)測量要求來提出不同的物理測量方法，比如絕對壓力，相對壓力（表壓）和差分壓力的測量。然而對于差分壓力的測量往往有許多不同的理解。為了較好的來理解不同的壓力概念和不同的壓力測量方法，這里借助于AMS 5812的硅壓阻壓力芯體來進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖1是硅壓阻芯體的裸片。在壓力膜片上的紫色的區(qū)域是擴(kuò)散注入的惠斯頓電橋，亮的線條鋁質(zhì)導(dǎo)線，亮的方塊是鋁質(zhì)焊接點。在硅壓阻壓力芯體上受壓膜片是用硅片制成的。在硅片上會擴(kuò)散注入一個惠斯頓電橋，在壓力的作用下，膜片發(fā)生微小變形，由于電壓阻效應(yīng)使橋壁電阻值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生一個與壓力成正比的差分電壓信號。

二、絕對壓力的測量

圖2所示為壓阻式絕對壓力測量芯體的構(gòu)造圖。在絕對壓力的測量中，是測量壓力P1與相對壓力P2（基準(zhǔn)壓力）的差值。如果基準(zhǔn)壓力P2非常之小，與所測量的壓力P1相比可以完全忽略，那么所測量的P1就是絕對壓力。P2可以無限小，但不可能為零，而所謂的理想狀態(tài)就是真空，也就是P2=0。這就意味著，生產(chǎn)時將壓力芯體放在真空狀態(tài)中（P2～ 0）并用派熱克斯玻璃做底部密封，那么壓力芯體就是可以測量絕對壓力的傳感器。此時密封在空腔內(nèi)的壓力P2～0原則上應(yīng)該是一個長期保持穩(wěn)定的數(shù)值。

當(dāng)外加的壓力P1作用到膜片上表面時，因為P1>>P2，膜片會向低壓方向也就是向被刻蝕掉的密封的空腔內(nèi)彎曲（見圖2）。由于半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)，膜片上擴(kuò)散注入的惠斯頓電橋就會產(chǎn)生一個與壓力P1成線性關(guān)系的電壓信號（圖3）。此時的壓力與電壓信號只是給出了它們的相互線性關(guān)系（VOUT=f P1,P2)），零點和滿度還沒有確定。

在生產(chǎn)絕對壓力傳感器的時候，一個基準(zhǔn)壓力P2是不能完全達(dá)到0 bar 的,只是將實際的壓力值P2作為了零點壓力。通過校準(zhǔn)手段將P2的壓力值調(diào)試到對應(yīng)的電壓輸出，比如0V或者0.5V，這個調(diào)試過程稱做零點校準(zhǔn)。在滿度壓力時（P1最大），惠斯頓電橋輸出的對應(yīng)的電壓值稱作滿度值。這個信號經(jīng)過后級電路的放大處理，通常校準(zhǔn)到一個標(biāo)準(zhǔn)的滿度電壓值10V或者4.5V（圖4）。

在大氣壓力的測量中，一般測量的絕對壓力范圍在700～1200 mbar之間，此時通常是將700mbar作為零點，而將1200mbar作為滿度來進(jìn)行校準(zhǔn)的。作為一個例子，圖4是一個經(jīng)過放大電路處理和校準(zhǔn)過的壓力傳感器信號與壓力之間的傳遞函數(shù)曲線（比如型號為AMS 5812的OEM壓力傳感器）。

三、差分壓力測量

所謂的差分壓力測量，是指二個不同空間的不同壓力的差值測量，與此相對應(yīng)的是受壓力的膜片的上方是P1，下方是P2。通常是P1≤P2或者相反P1≥P2。在眾多的應(yīng)用場合中，大多數(shù)差分壓力傳感器只能要么測量P1≤P2或者相反P1≥P2，同時輸出相應(yīng)的信號。在很多差分壓力傳感器的資料和描述中都是指的這種單方向的壓力測量。

圖5是硅壓阻壓力傳感器的差分壓力測量時膜片變化示意圖。當(dāng)上下壓力相等時（P1=P2），受壓膜片沒有變形，傳感器輸出為0。上下壓力有差值時（P1>P2），受壓膜片向低壓力側(cè)彎曲，由于壓阻效應(yīng)，惠斯頓電橋產(chǎn)生一個與壓力差值成正比的輸出信號：VOUT=f(P1-P2)。

除了要考慮P1≤P2或者相反P1≥P2之外，還要注意壓力傳感器的壓力膜片的最佳壓力測量范圍和最大可測量壓力P1-P2≤Pmax或者P2-P1≤Pmax。這里的最大壓力測量值Pmax是由技術(shù)上和材料上（比如壓力接頭、膜片形變）的原因所限定。

如果要將壓力連接頭連接到差分壓力傳感器上，進(jìn)行差分壓力的測量，比如管道通風(fēng)過濾網(wǎng)的監(jiān)控，必須注意到上述的傳感器的使用條件。

四、雙向差分壓力傳感器

常常有這樣的差分壓力測量要求，就是所測量的差分壓力要求既滿足P1≤P2，又要滿足P1≥P2，比如在管道的進(jìn)風(fēng)和排氣，低于或超過標(biāo)準(zhǔn)液位，呼吸時的吸入和呼出等等。因為這類差分壓力傳感器與通常意義上的差分壓力傳感器不同，AMG公司和其他一些提供這類差分壓力傳感器的廠家把它們稱之為雙向差分壓力傳感器。這些雙向差分壓力傳感器有這樣的特點，它們可以測量不同方向的差分壓力，也就是差壓大的壓力或小的壓力可以在壓力膜片二個方向上隨意加載和測量，就是既可以測量P1/P2≥1,也可以測量P1/P2≤1。

圖6所描述的是雙向差分壓力測量芯體在不同方向的壓力加載后的膜片彎曲方向,這個不同的膜片彎曲方向?qū)е聣毫y量芯體輸出不同的正負(fù)電壓信號。

這個被測量的差分壓力在這種雙向差分壓力傳感器的測量芯體中可以有正的或者負(fù)的信號輸出。加載在測量膜片上方的壓力P1可以大于也可以小于加載在測量膜片下方的壓力P2。在壓力測量膜片兩邊所加載的壓力P1和P2應(yīng)該滿足下面的條件：

其中，Pmax是正的最大值，Pmin是負(fù)的最小值，Pmax、Pmin是整個壓力測量范圍的二個終端壓力（見圖7），它由傳感器本身的設(shè)計所決定。PSystem是傳感器可以承受的最大的系統(tǒng)壓力，比如在傳感器外部的環(huán)境壓力，它是由傳感器的構(gòu)造所決定（比如外殼和壓力連接端口的機(jī)械強(qiáng)度）。

可以用來測量雙向差分壓力的傳感器，通常要滿足以下二個要求：

（1）壓力測量膜片的構(gòu)造在兩個方向彎曲時必須是對稱的；

（2）電橋信號的后續(xù)處理電路必須在零點和滿度信號范圍內(nèi)可靠工作。

針對第一點，對于硅壓阻傳感器的壓力測量膜片來說，是一層很薄的半導(dǎo)體薄片層（幾個微米），通常由多層膜組成，比如除了本身的硅片層外，還有在它的上表層的氧化層和鈍化層,所以這個多層膜一般是不對稱的。由于壓力膜片的非對稱構(gòu)造，它的應(yīng)變特性與加載壓力的不同方向有關(guān)。在加載壓力方向變化時，嚴(yán)重的會發(fā)生所謂的Knackfrosch 效應(yīng)(Knackfrosch-Effekt)，也就是在加載壓力方向變化時，壓力膜片的應(yīng)變特性會發(fā)生非連續(xù)的跳變現(xiàn)象，這個自然就會導(dǎo)致在壓力范圍內(nèi)的零點附近的較大的非線性。

所以對于硅壓阻芯體的生產(chǎn)商來說，要盡可能的確保這個用于雙向壓力測量的膜片在兩個方向上的應(yīng)變特性的對稱性。

針對第二點，圖7上的傳遞函數(shù)曲線是基于一個放大電路，它不是把儀表放大器的參考點放在零點，而是放在滿量程的中點上。比如型號為AMS 5812的OEM壓力傳感器，它的電壓信號輸出的范圍是0.5～4.5V。在雙向差分壓力測量時，對應(yīng)的零點電壓輸出是2.5V，此時的壓力P1=P2；在壓力P1≤P2時，輸出電壓0.5～2.5V；在壓力P1≥P2時，輸出電壓2.5～4.5V。

五、相對壓力（表壓）

與雙向差分壓力傳感器不同的是，在相對壓力的測量中，其中的一個壓力P1或者P2是始終處在一個環(huán)境壓力之中。大家所說的相對壓力測量，其實就是雙向差分壓力的一個特殊情況，就是其中一個壓力是環(huán)境壓力，通常是大氣壓力。如果P1是被測壓力，P2是環(huán)境壓力，那么適用的條件是P1≥P2。相對壓力傳感器上的壓力連接端口常常只要一個就可以了。

六、OEM壓力傳感器 AM5812的介紹

OEM壓力傳感器 AMS 5812是為數(shù)不多的可以用來測量雙向差分壓力的差分壓力傳感器。圖8為AMS 5812外形圖和截面圖。

OEM壓力傳感器AMS 5812系列是通過高品質(zhì)的壓阻式壓力傳感器芯體和先進(jìn)的模擬數(shù)字混合專用集成電路組合而成的，它以厚膜電路的形式封裝在陶瓷基底上，外殼是陶瓷材料，引腳是雙立直插式，因此具有非常好的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，同市場上的PCB基板和塑料外殼完全不同。它有兩路相互獨立的信號輸出，一路是模擬電壓0.5…4.5V或者 2.5V±2V輸出，一路是數(shù)字信號I2C輸出（包含壓力和溫度信號）。該OEM傳感器是經(jīng)過校準(zhǔn)和在-25～85 °C的寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補償?shù)模沟肙EM壓力傳感器AMS 5812系列達(dá)到了非常高的測量精度和極小的溫度漂移以及優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。

AMS 5812系列的壓力測量范圍從5mbar到7bar，可以測量相對壓力、雙向差分壓力、絕對壓力和大氣壓力，在醫(yī)療器械（呼吸監(jiān)控），氣體流量，暖氣通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備（HVAC），氣動設(shè)備，大氣和真空測量等等都有廣泛的應(yīng)用。

七、總結(jié)

通常意義上的差分壓力測量，就是測量一側(cè)壓力始終大于另一側(cè)壓力的差值（要么P1P2≥1 ，要么P1/P2≤ 1），這種差分壓力的測量可以叫做單向差分壓力測量。還有一種廣義上的差分壓力測量，叫做雙向差分壓力的測量，它可以同時測量兩側(cè)的壓力差值，而不管哪一側(cè)大小，也就是差壓的大的壓力或小的壓力可以在壓力膜片二個方向上隨意加載和測量，既可以測量P1/P2≥1 也可以測量P1/P2≤ 1。這里以O(shè)EM壓力傳感器AMS 5812作為例子進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

在此感謝德國AMG公司（Analog Microelectronics GmbH）提供的本文資料——上海蕓生微電子有限公司。