En aplicacions industrials i de defensa especialitzades, com ara la fosa d'acer, el control de l'escapament del motor i la perforació de petroli, hi ha una necessitat de mesurar la pressió en condicions d'alta temperatura. Llavors, com suporten els sensors de pressió altes temperatures i què fa que un sensor de pressió sigui capaç de suportar entorns tèrmics tan extrems?
Per entendre aquest problema, hem de començar amb diversos components clau: el xip del sensor de pressió, els materials d'unió del xip i el circuit que processa els senyals i realitza la compensació de temperatura. A continuació, parlarem dels reptes i solucions que aquests components afronten a altes temperatures.
1. Xip sensor de pressió
El tipus més comú és el xip del sensor de pressió de silici difús, que normalment té una temperatura de funcionament màxima de 125 graus i sovint s'anomena xip de grau d'automoció. Per a temperatures més altes, s'utilitzen xips de pressió SOI (Silicon on Insulator). Els xips SOI amb elèctrodes d'alumini poden suportar temperatures de fins a 180 graus; Els xips SOI amb elèctrodes compostos poden suportar temperatures de fins a aproximadament 450 graus.
Esquerra:Esquema d'un xip de pressió de substrat de silici difús. La superfície de silici difús es dopa amb bor concentrat per formar una regió de franges piezoresistives de color groc taronja. A mesura que augmenta la temperatura, els portadors de càrrega d'aquestes regions migren al substrat, alterant la sortida del sensor, d'aquí el seu límit d'uns 125 graus, similar a la temperatura de ruptura inversa d'un díode.
Dret:Estructura del substrat SOI. Una capa densa de diòxid de silici al mig evita que els portadors de càrrega es filtrin al substrat a altes temperatures, millorant així la resistència a la calor. Atès que l'alumini i el silici es difonen per sobre de 180 graus, els xips SOI amb elèctrodes d'alumini es limiten generalment a 180 graus. Amb elèctrodes compostos, el xip pot funcionar fins a 450 graus.
Per a temperatures encara més altes, s'utilitzen xips de substrat de carbur de silici (SiC). Com a material semiconductor de banda ampla de tercera generació, SiC permet que els sensors de pressió funcionin a temperatures de fins a 650 graus.
2. Materials d'unió d'encenalls
Els adhesius orgànics utilitzats per a la unió d'encenalls solen suportar temperatures de fins a 260 graus. Per millorar encara més la resistència a la temperatura, s'utilitza la sinterització de frites de vidre. La frita de vidre és una barreja viscosa de pols de vidre, aglutinants orgànics i volàtils. Durant la sinterització a alta temperatura, els volàtils i part dels orgànics s'evaporen, deixant enrere una capa de vidre estable que uneix fermament el xip a la seva base metàl·lica. Atès que el material inferior del xip de pressió és vidre, la seva concordança de tensió d'unió és relativament bona.
3. Circuits i compensació de temperatura
La majoria dels components electrònics només poden suportar fins a 125 graus, amb alguns classificats per a 150 o 180 graus. Per tant, si s'utilitza electrònica convencional, la part del circuit d'un sensor de pressió d'alta temperatura generalment es limita a 180 graus. Per al funcionament per sobre d'aquest rang, s'aplica habitualment la compensació de la xarxa resistiva. Aquest mètode consisteix a afegir resistències en sèrie o paral·leles al pont de Wheatstone, tal com es mostra a la figura de dalt de la dreta. Aquesta compensació normalment aconsegueix una deriva de temperatura global d'uns 3-5% en tot el rang de temperatures. Com a resultat, els fulls de dades del sensor de pressió d'alta temperatura sovint especifiquen la deriva de la temperatura com a ±0,05% FS/grau.
