I spesialiserte industri- og forsvarsapplikasjoner-som stålsmelting, motoreksosovervåking og oljeboring-er det behov for å måle trykk under høye-temperaturforhold. Så hvordan tåler trykksensorer høye temperaturer, og hva gjør en trykksensor i stand til å tåle slike ekstreme termiske miljøer?
For å forstå dette problemet, må vi starte med flere nøkkelkomponenter: trykksensorbrikken, chipbindingsmaterialene og kretsen som behandler signaler og utfører temperaturkompensasjon. Nedenfor vil vi diskutere utfordringene og løsningene disse komponentene møter ved høye temperaturer.
1. Trykkfølende brikke
Den vanligste typen er trykksensorbrikken for diffust silisium, som vanligvis har en maksimal driftstemperatur på 125 grader og ofte referert til som en bilbrikke av-kvalitet. For høyere temperaturer brukes SOI (Silicon on Insulator) trykkbrikker. SOI-brikker med aluminiumselektroder tåler temperaturer opp til 180 grader; SOI-brikker med komposittelektroder tåler temperaturer opp til ca. 450 grader.
Igjen:Skjematisk av en trykkbrikke med diffust silisiumsubstrat. Den diffuse silisiumoverflaten er dopet med konsentrert bor for å danne en oransje -gul piezoresistiv striperegion. Når temperaturen stiger, migrerer ladningsbærere fra disse områdene inn i substratet, og endrer sensorens utgang-derav grensen på omtrent 125 grader, lik den omvendte nedbrytningstemperaturen til en diode.
Høyre:SOI substratstruktur. Et tett silisiumdioksidlag i midten hindrer ladningsbærere i å lekke inn i underlaget ved høye temperaturer, og forbedrer dermed varmebestandigheten. Siden aluminium og silisium diffunderer over 180 grader, er SOI-brikker med aluminiumselektroder generelt begrenset til 180 grader. Med komposittelektroder kan brikken operere opptil 450 grader.
For enda høyere temperaturer brukes silisiumkarbid (SiC) substratbrikker. Som et tredje-generasjons bredt-båndgap-halvledermateriale gjør SiC det mulig for trykksensorer å fungere ved temperaturer så høye som 650 grader.
2. Chip Bonding Materialer
Organiske lim som brukes til sponliming tåler typisk temperaturer opp til 260 grader. For ytterligere å forbedre temperaturmotstanden benyttes glassfrittesintring. Glassfritte er en viskøs blanding av glasspulver, organiske bindemidler og flyktige stoffer. Under høy-temperatursintring fordamper de flyktige stoffene og deler av de organiske stoffene, og etterlater seg et stabilt glasslag som binder brikken fast til metallbasen. Siden bunnmaterialet til trykkbrikken er glass, er dens bindingsspenningstilpasning relativt god.
3. Krets- og temperaturkompensasjon
De fleste elektroniske komponenter kan bare tåle opptil 125 grader, med noen klassifisert for 150 grader eller 180 grader. Derfor, hvis konvensjonell elektronikk brukes, er kretsdelen av en høy-temperaturtrykksensor generelt begrenset til 180 grader. For drift over dette området brukes resistiv nettverkskompensasjon vanligvis. Denne metoden innebærer å legge til serie- eller parallellmotstander til Wheatstone-broen, som vist i høyre figur ovenfor. Denne kompensasjonen oppnår typisk en total temperaturdrift på omtrent 3–5 % over hele temperaturområdet. Som et resultat spesifiserer dataark for høy-temperaturtrykksensor ofte temperaturdrift som ±0,05 % FS/grad.
