全国产压力传感器核心部件-扩散硅芯体解读

 扩散硅芯体是制造压力传感器及压力变送器的核心部件。它凭借其独特的压阻效应，能够将外界压力的变化精准地转化为电信号的改变。在压力传感器的生产制造中，扩散硅芯体的性能优劣直接决定了传感器测量的精度、稳定性以及可靠性等关键指标。而在压力变送器中，扩散硅芯体作为初始信号的采集与转换单元，为后续的信号放大、处理和远传等功能的实现奠定了坚实基础。今天咱们就和武汉利又德的小编这个话题做深入的探讨与解读。

一、引言

本文将围绕扩散硅芯体，从结构组成、工作原理、性能特点、制造工艺、应用场景及故障处理等方面展开深入阐述。

二、结构组成

扩散硅压力芯体由补偿板、钢珠、底座、O 型圈、芯片、陶瓷垫、膜片、压环、硅油等部件组成。芯片是核心部分，通过在硅晶圆上进行杂质扩散形成压阻元件；膜片通常采用不锈钢或陶瓷材质，直接与被测介质接触，将压力传递给芯片；硅油填充在膜片与芯片之间，辅助压力传导，并起到缓冲和保护作用；补偿板用于对温度等因素造成的误差进行补偿，确保芯体在不同环境下稳定工作。

• 补偿板：主要作用是信号放大，对传感器检测到的微弱信号进行放大处理，以便后续的测量和传输。

• 钢珠：用于封油，防止硅油泄漏，保证压力传导介质的密封性。

• 底座：作为压力传感器的载体，支撑和固定其他部件，确保各部件在工作过程中的相对位置稳定。

• O 型圈：起到密封作用，防止外界物质进入传感器内部，同时避免内部的硅油等介质泄漏。

• 芯片：是感受压力的关键部件，通过自身的电学特性变化来反映所受到的压力大小。

• 陶瓷垫：用于填充部件之间的间隙，起到缓冲和固定的作用，使各部件之间更好地配合。

• 膜片：与测量的液体或气体直接接触，将压力传递给内部的芯片等部件，通常采用不锈钢或陶瓷等材质，具有良好的耐腐蚀性和弹性。

• 压环：用于把膜片焊接到底座上，确保膜片与底座之间的连接牢固，保证压力传递的稳定性。

• 硅油：作为压力传导介质，将膜片感受到的压力无损耗地传递到芯片上，使芯片能够准确地感受到压力变化。

三、性能特点

3.1 高精度

扩散硅压力传感器感受、敏感转换和检测三位一体，无机械动件连接转换环节，重复性和迟滞误差很小。硅材料刚性好，形变小，传感器线性度佳，综合静态精度高，最高精度可达 0.1% FS。

3.2 高灵敏度

扩散硅敏感电阻的灵敏因子比金属应变片高 50 - 80 倍，满量程信号输出在 80 - 100mV 左右。其输入激励电压低，输出信号大，且无机械动件损耗，分辨率极高。

3.3 宽温度范围与良好的温度性能

随着集成工艺技术进步，扩散硅敏感膜的四个电阻一致性得到进一步提高，采用激光调阻、计算机自动修整技术进行温度补偿，传感器的零位和灵敏度温度系数已达 10⁻⁵/°C 数量级，工作温度大幅提高，部分产品可在 130°C 环境下正常使用。

3.4 高可靠性与稳定性

从结构上，膜片在超压时最大位移受限，保证不会产生过大变形。同时，扩散硅芯体采用成熟的制造工艺和优质材料，确保了长期使用的稳定性和可靠性，减少了维护和校准的频率。

3.5 良好的兼容性与耐腐蚀性

扩散硅材料与硅油兼容性良好，在采用防腐材料隔离时，结构工艺更易实现。扩散硅材料本身化学防腐性能优良，能适应多种介质，在普通使用场景中无需隔离也能正常工作。

四、工作原理

基于单晶硅的压阻效应，在硅片特定方向上用微机电加工技术制作成弹性部件，在合适位置用集成电路工艺制作四个阻值相等的力敏电阻，连接成惠斯通电桥。被测介质压力作用于膜片，使其产生与压力成正比的微位移，导致传感器电阻值变化，电桥失去平衡并输出对应电压信号，再经电子线路检测、放大并转换为标准测量信号

4.1 压力 - 形变转换

被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移。以不锈钢或陶瓷膜片为例，在压力作用下，膜片发生弹性形变，该形变通过硅油传递到扩散硅芯片上。

4.2 压阻效应

扩散硅芯片基于压阻效应工作。芯片内的四个电阻通过杂质扩散工艺形成惠斯通电桥结构。当膜片的微位移传递到芯片时，芯片产生应力，使得电阻值发生变化。电阻值的变化量与膜片所受压力成正比。

4.3 信号转换与输出

电桥电阻值的变化导致电桥失衡，从而输出一个与压力成正比的电信号。该电信号经过传感器内部的信号调理电路进行放大、滤波等处理后，转换为标准的测量信号，如 4 - 20mA 电流信号或 0 - 5V 电压信号，便于后续的数据采集和处理。

五、制造工艺

5.1 硅晶圆制备

选用高纯度的单晶硅作为原材料，通过直拉法或区熔法生长出符合要求的硅单晶棒，再经过切割、研磨、抛光等工艺，制成表面平整、厚度均匀的硅晶圆。硅晶圆的质量直接影响扩散硅芯体的性能，对其尺寸、杂质含量、晶体缺陷等指标要求严格。

5.2 杂质扩散

利用杂质扩散工艺，将特定的掺杂物（如磷、硼等）引入硅晶圆，形成具有特定电学特性的区域，如压阻电阻。杂质扩散工艺主要有气相扩散、固态扩散和液态扩散等方法。以气相扩散为例，在高温环境下，载气将气态的掺杂物（如磷烷、二硼烷）带入扩散炉，掺杂物沿浓度梯度扩散进入硅晶体，从而调整硅晶圆的导电性。

5.3 光刻与刻蚀

通过光刻技术，将设计好的电路图案转移到涂有光刻胶的硅晶圆表面。光刻胶经曝光、显影后，形成与电路图案对应的掩膜。然后，利用刻蚀技术，去除未被掩膜保护的硅材料，形成所需的电路结构和元器件。

5.4 芯片封装

将经过上述工艺处理的芯片进行封装，保护芯片免受外界环境的影响，同时为芯片提供电气连接接口。封装过程中，需确保芯片与封装外壳之间的电气连接可靠，密封性良好。

六、应用场景

扩散硅芯体广泛应用于石油、化工、冶金、电力、航空、医疗设备、汽车、HVAC 等行业的过程控制，还可用于压力校准仪器、液压系统、生物医药仪器、液位测量、制冷设备等领域

6.1 工业自动化

在工业生产过程中，用于监测和控制管道压力、液压系统压力、气压系统压力等，保障生产设备的正常运行和产品质量的稳定。例如，在石油化工行业，实时监测反应釜、管道的压力，防止超压引发安全事故。

6.2 汽车行业

用于测量发动机油压、制动系统压力、轮胎气压等，提升车辆的性能和安全性。如电子稳定控制系统（ESP）和防抱死制动系统（ABS）中，扩散硅压力传感器发挥着关键作用。

6.3 医疗设备

在血压计、呼吸机、输液泵等医疗设备中广泛应用，实现对生理参数的精确测量和控制，为临床诊断和治疗提供准确的数据支持。

6.4 航空航天

用于飞行器的气压测量、液压系统监测等，满足航空航天领域对高精度、高可靠性压力测量的严格要求，确保飞行安全。

七、常见故障及处理方法

7.1 零点漂移

原因：可能是温度变化、长期使用导致元件老化、安装不当产生应力等原因引起。

处理方法：进行温度补偿，重新校准零点；检查安装是否正确，避免传感器受到额外应力；若元件老化，考虑更换相关元件。

7.2 量程不准

原因：传感器过载、膜片变形、内部电路故障等都可能导致量程不准。

处理方法：避免传感器过载使用；检查膜片是否变形，若变形需更换膜片；使用专业设备检测内部电路，修复或更换故障元件。

7.3 输出信号异常

原因：连接线路接触不良、电磁干扰、传感器内部故障等都可能导致输出信号异常。

处理方法：检查连接线路，确保接触良好；对传感器进行屏蔽，减少电磁干扰；若为传感器内部故障，需送修或更换传感器。

八、结论

扩散硅芯体凭借其独特的结构、工作原理和卓越的性能，在众多领域发挥着不可替代的作用。随着材料科学、制造工艺和集成电路技术的不断发展，扩散硅芯体将朝着更高精度、更宽温度范围、更小体积和更高可靠性的方向发展，为各行业的技术进步和智能化发展提供更强大的支持