În aplicațiile industriale și de apărare specializate-cum ar fi topirea oțelului, monitorizarea gazelor de evacuare a motoarelor și forarea petrolului-este necesar să se măsoare presiunea în condiții de-temperatură ridicată. Deci, cum rezistă senzorii de presiune la temperaturi ridicate și ce face ca un senzor de presiune să fie capabil să suporte medii termice atât de extreme?
Pentru a înțelege această problemă, trebuie să începem cu câteva componente cheie: cipul senzorului de presiune, materialele de legare a cipurilor și circuitele care procesează semnalele și efectuează compensarea temperaturii. Mai jos, vom discuta provocările și soluțiile cu care se confruntă aceste componente la temperaturi ridicate.
1. Cip de detectare a presiunii
Cel mai obișnuit tip este cipul senzorului de presiune din siliciu difuz, care are de obicei o temperatură maximă de funcționare de 125 de grade și este adesea denumit cip pentru automobile-. Pentru temperaturi mai ridicate, se folosesc cipuri de presiune SOI (Silicon on Insulator). Cipurile SOI cu electrozi din aluminiu pot rezista la temperaturi de până la 180 de grade; Cipurile SOI cu electrozi compoziți pot rezista la temperaturi de până la aproximativ 450 de grade.
Stânga:Schema unui cip de presiune pe substrat de siliciu difuz. Suprafața de siliciu difuză este dopată cu bor concentrat pentru a forma o regiune de bandă piezoresistivă galben portocaliu-. Pe măsură ce temperatura crește, purtătorii de sarcină din aceste regiuni migrează în substrat, modificând ieșirea senzorului-de aici limita sa de aproximativ 125 de grade , similar cu temperatura de defalcare inversă a unei diode.
Corect:Structura substratului SOI. Un strat dens de dioxid de siliciu în mijloc previne scurgerea purtătorilor de sarcină în substrat la temperaturi ridicate, îmbunătățind astfel rezistența la căldură. Deoarece aluminiul și siliciul se interdifuzează peste 180 de grade, cipurile SOI cu electrozi din aluminiu sunt în general limitate la 180 de grade. Cu electrozi compoziți, cipul poate funcționa până la 450 de grade.
Pentru temperaturi și mai ridicate, se folosesc cipuri de substrat cu carbură de siliciu (SiC). Ca material semiconductor cu bandă interzisă de a treia-generație-, SiC permite senzorilor de presiune să funcționeze la temperaturi de până la 650 de grade .
2. Materiale pentru lipirea așchiilor
Adezivii organici utilizați pentru lipirea așchiilor pot rezista de obicei la temperaturi de până la 260 de grade. Pentru a îmbunătăți și mai mult rezistența la temperatură, se utilizează sinterizarea fritei de sticlă. Frita de sticlă este un amestec vâscos de pulbere de sticlă, lianți organici și substanțe volatile. În timpul sinterizării la temperatură înaltă-, substanțele volatile și o parte din substanțele organice se evaporă, lăsând în urmă un strat stabil de sticlă care leagă ferm cipul de baza sa metalică. Deoarece materialul de jos al cipului de presiune este sticlă, potrivirea tensiunii de lipire este relativ bună.
3. Compensarea circuitelor și a temperaturii
Majoritatea componentelor electronice pot rezista doar până la 125 de grade, unele fiind evaluate pentru 150 sau 180 de grade. Prin urmare, dacă se utilizează electronice convenționale, porțiunea de circuit a unui senzor de presiune-de temperatură înaltă este în general limitată la 180 de grade . Pentru funcționarea peste acest interval, se aplică în mod obișnuit compensarea rețelei rezistive. Această metodă implică adăugarea de rezistențe în serie sau paralelă la podul Wheatstone, așa cum se arată în figura din dreapta de mai sus. Această compensare realizează în mod obișnuit o variație generală a temperaturii de aproximativ 3-5% pe întregul interval de temperatură. Ca rezultat, foile de date ale senzorului de presiune de temperatură înaltă-de multe ori specifică variația temperaturii ca ±0,05% FS/grad .
