Σε εξειδικευμένες βιομηχανικές και αμυντικές εφαρμογές-όπως η τήξη χάλυβα, η παρακολούθηση των καυσαερίων του κινητήρα και η γεώτρηση λαδιού-υπάρχει ανάγκη μέτρησης της πίεσης υπό συνθήκες υψηλής- θερμοκρασίας. Πώς λοιπόν οι αισθητήρες πίεσης αντέχουν τις υψηλές θερμοκρασίες και τι κάνει έναν αισθητήρα πίεσης ικανό να αντέξει τόσο ακραία θερμικά περιβάλλοντα;
Για να κατανοήσουμε αυτό το πρόβλημα, πρέπει να ξεκινήσουμε με πολλά βασικά στοιχεία: το τσιπ του αισθητήρα πίεσης, τα υλικά σύνδεσης του τσιπ και το κύκλωμα που επεξεργάζεται τα σήματα και εκτελεί την αντιστάθμιση θερμοκρασίας. Παρακάτω, θα συζητήσουμε τις προκλήσεις και τις λύσεις που αντιμετωπίζουν αυτά τα εξαρτήματα σε υψηλές θερμοκρασίες.
1. Τσιπ ανίχνευσης πίεσης
Ο πιο συνηθισμένος τύπος είναι το τσιπ αισθητήρα πίεσης διάχυτου πυριτίου, το οποίο συνήθως έχει μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας 125 μοιρών και αναφέρεται συχνά ως τσιπ ποιότητας αυτοκινήτου-. Για υψηλότερες θερμοκρασίες, χρησιμοποιούνται τσιπ πίεσης SOI (Silicon on Insulator). Τα τσιπ SOI με ηλεκτρόδια αλουμινίου μπορούν να αντέξουν θερμοκρασίες έως και 180 βαθμούς. Τα τσιπ SOI με σύνθετα ηλεκτρόδια μπορούν να αντέξουν θερμοκρασίες έως περίπου 450 βαθμούς.
Αριστερά:Σχηματικό τσιπ πίεσης υποστρώματος διάχυτου πυριτίου. Η επιφάνεια διάχυτου πυριτίου είναι εμποτισμένη με συμπυκνωμένο βόριο για να σχηματίσει μια πορτοκαλί-κίτρινη πιεζοαντιστατική περιοχή λωρίδας. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, οι φορείς φόρτισης από αυτές τις περιοχές μεταναστεύουν στο υπόστρωμα, μεταβάλλοντας την έξοδο του αισθητήρα-άρα το όριο των 125 μοιρών περίπου, παρόμοια με τη θερμοκρασία αντίστροφης διάσπασης μιας διόδου.
Δικαίωμα:Δομή υποστρώματος SOI. Ένα πυκνό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου στη μέση εμποδίζει τους φορείς φορτίου να διαρρεύσουν στο υπόστρωμα σε υψηλές θερμοκρασίες, βελτιώνοντας έτσι την αντίσταση στη θερμότητα. Δεδομένου ότι το αλουμίνιο και το πυρίτιο διαχέονται πάνω από 180 μοίρες, τα τσιπ SOI με ηλεκτρόδια αλουμινίου περιορίζονται γενικά σε 180 μοίρες. Με σύνθετα ηλεκτρόδια, το τσιπ μπορεί να λειτουργήσει έως και 450 μοίρες.
Για ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες, χρησιμοποιούνται τσιπ υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου (SiC). Ως υλικό ημιαγωγών-ευρείας-γενιάς ευρείας ζώνης, το SiC επιτρέπει στους αισθητήρες πίεσης να λειτουργούν σε θερμοκρασίες έως και 650 μοίρες.
2. Υλικά συγκόλλησης τσιπ
Οι οργανικές κόλλες που χρησιμοποιούνται για τη συγκόλληση τσιπς μπορούν συνήθως να αντέξουν σε θερμοκρασίες έως και 260 βαθμούς. Για περαιτέρω βελτίωση της αντοχής στη θερμοκρασία, χρησιμοποιείται πυροσυσσωμάτωση γυαλιού. Το γυάλινο φριτ είναι ένα παχύρρευστο μείγμα σκόνης γυαλιού, οργανικών συνδετικών και πτητικών. Κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης σε υψηλές{4} θερμοκρασίες, τα πτητικά και μέρος των οργανικών ουσιών εξατμίζονται, αφήνοντας πίσω τους ένα σταθερό γυάλινο στρώμα που συνδέει σταθερά το τσιπ με τη μεταλλική του βάση. Δεδομένου ότι το κάτω υλικό του τσιπ πίεσης είναι γυαλί, η αντιστοίχιση της τάσης συγκόλλησης είναι σχετικά καλή.
3. Αντιστάθμιση κυκλώματος και θερμοκρασίας
Τα περισσότερα ηλεκτρονικά εξαρτήματα μπορούν να αντέξουν μόνο έως και 125 μοίρες, με ορισμένα να έχουν βαθμολογηθεί σε 150 μοίρες ή 180 μοίρες. Επομένως, εάν χρησιμοποιούνται συμβατικά ηλεκτρονικά, το τμήμα κυκλώματος ενός αισθητήρα πίεσης υψηλής θερμοκρασίας γενικά περιορίζεται στους 180 βαθμούς . Για λειτουργία πάνω από αυτό το εύρος, συνήθως εφαρμόζεται αντιστάθμιση δικτύου με αντίσταση. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει την προσθήκη σειρών ή παράλληλων αντιστάσεων στη γέφυρα Wheatstone, όπως φαίνεται στο δεξιό σχήμα παραπάνω. Αυτή η αντιστάθμιση συνήθως επιτυγχάνει μια συνολική μετατόπιση θερμοκρασίας περίπου 3-5% σε όλο το εύρος θερμοκρασίας. Ως αποτέλεσμα, τα φύλλα δεδομένων του αισθητήρα πίεσης υψηλής{12} θερμοκρασίας συχνά προσδιορίζουν τη μετατόπιση θερμοκρασίας ως ±0,05% FS/βαθμός .
