У спеціалізованих промислових і оборонних застосуваннях-таких як виплавка сталі, моніторинг вихлопних газів двигунів і буріння нафти-існує потреба вимірювати тиск за високих-температурних умов. Отже, як датчики тиску витримують високі температури і що робить датчик тиску здатним витримувати такі екстремальні температури?
Щоб зрозуміти цю проблему, нам потрібно почати з кількох ключових компонентів: мікросхеми датчика тиску, матеріалів для склеювання мікросхем і схеми, яка обробляє сигнали та виконує температурну компенсацію. Нижче ми обговоримо проблеми та рішення, з якими стикаються ці компоненти при високих температурах.
1. Чіп датчика тиску
Найпоширенішим типом є розсіяний кремнієвий датчик тиску, який зазвичай має максимальну робочу температуру 125 градусів і його часто називають автомобільним-чипом. Для більш високих температур використовуються мікросхеми тиску SOI (кремній на ізоляторі). Мікросхеми SOI з алюмінієвими електродами можуть витримувати температуру до 180 градусів; Мікросхеми SOI з композитними електродами можуть витримувати температуру приблизно до 450 градусів.
Ліворуч:Схема чіпа тиску на розсіяній кремнієвій підкладці. Розсіяна кремнієва поверхня легована концентрованим бором, утворюючи помаранчеву-жовту п’єзорезистивну смужкову область. Коли температура підвищується, носії заряду з цих областей мігрують у підкладку, змінюючи вихідний сигнал датчика-, отже, його обмеження становить близько 125 градусів, подібно до температури зворотного пробою діода.
праворуч:Структура підкладки КНІ. Щільний шар діоксиду кремнію посередині запобігає витоку носіїв заряду в підкладку при високих температурах, тим самим покращуючи термостійкість. Оскільки алюміній і кремній дифундують вище 180 градусів, КНІ-чіпи з алюмінієвими електродами зазвичай обмежуються 180 градусами. З композитними електродами чіп може працювати до 450 градусів.
Для навіть більш високих температур використовуються мікросхеми підкладки з карбіду кремнію (SiC). Як широкозонний напівпровідниковий матеріал третього{1}}покоління-SiC дозволяє датчикам тиску працювати при температурах до 650 градусів.
2. Матеріали для склеювання мікросхем
Органічні клеї, що використовуються для склеювання мікросхем, зазвичай витримують температуру до 260 градусів. Для подальшого підвищення термостійкості використовується спікання скляної фритти. Скляна фритта — це в’язка суміш скляного порошку, органічних в’яжучих речовин і летких речовин. Під час високо{4}}температурного спікання леткі речовини та частина органіки випаровуються, залишаючи стабільний скляний шар, який міцно з’єднує мікросхему з металевою основою. Оскільки нижнім матеріалом чіпа тиску є скло, його напруга з’єднання є відносно хорошою.
3. Схема та температурна компенсація
Більшість електронних компонентів витримує температуру лише до 125 градусів, а деякі розраховані на 150 або 180 градусів. Тому, якщо використовується звичайна електроніка, частина ланцюга високотемпературного датчика тиску, як правило, обмежена 180 градусами. Для роботи вище цього діапазону зазвичай застосовується резистивна компенсація мережі. Цей метод передбачає додавання послідовних або паралельних резисторів до моста Вітстона, як показано на правому малюнку вище. Ця компенсація зазвичай забезпечує загальний температурний дрейф приблизно на 3–5% у всьому діапазоні температур. Як наслідок, таблиці даних високотемпературного датчика тиску часто вказують дрейф температури як ±0,05% повної шкали/градус.
