Trong các ứng dụng công nghiệp và quốc phòng chuyên dụng-chẳng hạn như luyện thép, giám sát khí thải động cơ và khoan dầu-cần phải đo áp suất trong điều kiện nhiệt độ-cao. Vậy làm thế nào để cảm biến áp suất chịu được nhiệt độ cao và điều gì khiến cảm biến áp suất có thể chịu đựng được môi trường nhiệt độ khắc nghiệt như vậy?
Để hiểu vấn đề này, chúng ta cần bắt đầu với một số thành phần chính: chip cảm biến áp suất, vật liệu liên kết chip và mạch xử lý tín hiệu và thực hiện bù nhiệt độ. Dưới đây, chúng ta sẽ thảo luận về những thách thức và giải pháp mà các thành phần này gặp phải ở nhiệt độ cao.
1. Chip cảm biến áp suất
Loại phổ biến nhất là chip cảm biến áp suất silicon khuếch tán, thường có nhiệt độ hoạt động tối đa là 125 độ và thường được gọi là chip- cấp ô tô. Đối với nhiệt độ cao hơn, chip áp suất SOI (Silicon trên chất cách điện) được sử dụng. Chip SOI với điện cực nhôm có thể chịu được nhiệt độ lên tới 180 độ; Chip SOI với các điện cực tổng hợp có thể chịu được nhiệt độ lên tới xấp xỉ 450 độ.
Bên trái:Sơ đồ của một chip áp suất nền silicon khuếch tán. Bề mặt silicon khuếch tán được pha tạp boron đậm đặc để tạo thành một vùng sọc áp điện màu vàng cam. Khi nhiệt độ tăng, các hạt mang điện từ những vùng này di chuyển vào chất nền, làm thay đổi đầu ra của cảm biến-do đó giới hạn của nó là khoảng 125 độ , tương tự như nhiệt độ đánh thủng ngược của điốt.
Phải:Cấu trúc nền SOI. Lớp silicon dioxide dày đặc ở giữa ngăn chặn các hạt mang điện rò rỉ vào chất nền ở nhiệt độ cao, từ đó cải thiện khả năng chịu nhiệt. Vì nhôm và silicon khuếch tán xen kẽ trên 180 độ nên chip SOI với điện cực nhôm thường bị giới hạn ở 180 độ. Với các điện cực tổng hợp, con chip có thể hoạt động ở nhiệt độ lên tới 450 độ.
Đối với nhiệt độ cao hơn nữa, chip nền silicon cacbua (SiC) được sử dụng. Là vật liệu bán dẫn có vùng cấm rộng-thế hệ thứ ba{2}}, SiC cho phép cảm biến áp suất hoạt động ở nhiệt độ cao tới 650 độ .
2. Vật liệu liên kết chip
Chất kết dính hữu cơ được sử dụng để liên kết chip thường có thể chịu được nhiệt độ lên tới 260 độ. Để cải thiện hơn nữa khả năng chịu nhiệt độ, quá trình thiêu kết bằng thủy tinh được sử dụng. Thủy tinh frit là hỗn hợp nhớt của bột thủy tinh, chất kết dính hữu cơ và chất dễ bay hơi. Trong quá trình thiêu kết ở nhiệt độ-cao, chất dễ bay hơi và một phần chất hữu cơ bay hơi, để lại một lớp thủy tinh ổn định giúp liên kết chắc chắn con chip với đế kim loại của nó. Vì vật liệu đáy của chip áp suất là thủy tinh nên khả năng kết hợp ứng suất liên kết của nó tương đối tốt.
3. Bù nhiệt độ và mạch điện
Hầu hết các linh kiện điện tử chỉ có thể chịu được nhiệt độ lên tới 125 độ, một số được đánh giá là 150 độ hoặc 180 độ. Do đó, nếu sử dụng thiết bị điện tử thông thường thì phần mạch của cảm biến áp suất nhiệt độ-cao thường bị giới hạn ở 180 độ . Đối với hoạt động trên phạm vi này, bù mạng điện trở thường được áp dụng. Phương pháp này liên quan đến việc thêm các điện trở nối tiếp hoặc song song vào cầu Wheatstone, như thể hiện trong hình bên phải ở trên. Việc bù này thường đạt được độ lệch nhiệt độ tổng thể khoảng 3–5% trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ. Do đó, bảng dữ liệu cảm biến áp suất nhiệt độ cao thường chỉ định độ lệch nhiệt độ là ±0,05% FS/độ.
