Çelik eritme, motor egzozunun izlenmesi ve petrol sondajı gibi özel endüstriyel ve savunma uygulamalarında, yüksek sıcaklık koşullarında basıncın ölçülmesine ihtiyaç vardır. Peki basınç sensörleri yüksek sıcaklıklara nasıl dayanır ve bir basınç sensörünün bu tür aşırı termal ortamlara dayanabilmesini sağlayan şey nedir?
Bu sorunu anlamak için birkaç temel bileşenle başlamamız gerekiyor: basınç sensörü çipi, çip bağlama malzemeleri ve sinyalleri işleyen ve sıcaklık telafisini gerçekleştiren devre. Aşağıda bu bileşenlerin yüksek sıcaklıklarda karşılaştığı zorlukları ve çözümleri tartışacağız.
1. Basınç Algılama Çipi
En yaygın tip, tipik olarak maksimum çalışma sıcaklığı 125 derece olan ve genellikle otomotiv sınıfı çip olarak adlandırılan dağınık silikon basınç sensörü çipidir. Daha yüksek sıcaklıklar için SOI (İzolatör Üzerinde Silikon) basınç çipleri kullanılır. Alüminyum elektrotlu SOI çipleri 180 dereceye kadar sıcaklıklara dayanabilir; Kompozit elektrotlu SOI çipleri yaklaşık 450 dereceye kadar sıcaklıklara dayanabiliyor.
Sol:Yayılmış silikon substrat basınç çipinin şeması. Yayılmış silikon yüzeyi, turuncu-sarı bir piezodirençli şerit bölgesi oluşturmak üzere konsantre bor ile katkılanmıştır. Sıcaklık arttıkça, bu bölgelerdeki yük taşıyıcıları alt katmana doğru hareket ederek sensörün çıkışını değiştirir; dolayısıyla diyotun ters arıza sıcaklığına benzer şekilde yaklaşık 125 derecelik limiti olur.
Sağ:SOI substrat yapısı. Ortadaki yoğun silikon dioksit tabakası, yük taşıyıcılarının yüksek sıcaklıklarda alt tabakaya sızmasını önleyerek ısı direncini artırır. Alüminyum ve silikon 180 derecenin üzerinde birbirine dağıldığından, alüminyum elektrotlu SOI yongaları genellikle 180 dereceyle sınırlıdır. Kompozit elektrotlar sayesinde çip 450 dereceye kadar çalışabilmektedir.
Daha da yüksek sıcaklıklar için silisyum karbür (SiC) alt tabaka çipleri kullanılır. Üçüncü nesil geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzeme olan SiC, basınç sensörlerinin 650 dereceye kadar yüksek sıcaklıklarda çalışmasını sağlar.
2. Talaş Bağlama Malzemeleri
Talaş yapıştırma için kullanılan organik yapıştırıcılar genellikle 260 dereceye kadar sıcaklıklara dayanabilir. Sıcaklık direncini daha da arttırmak için cam hamuru sinterlemesi kullanılır. Cam hamuru, cam tozu, organik bağlayıcılar ve uçucu maddelerin viskoz bir karışımıdır. Yüksek sıcaklıkta sinterleme sırasında, uçucu maddeler ve organiklerin bir kısmı buharlaşarak, çipi metal tabanına sıkı bir şekilde bağlayan stabil bir cam tabakasını geride bırakır. Basınç çipinin alt malzemesi cam olduğu için bağlanma gerilimi uyumu nispeten iyidir.
3. Devre ve Sıcaklık Telafisi
Çoğu elektronik bileşen yalnızca 125 dereceye kadar dayanabilir, bazıları 150 derece veya 180 derece olarak derecelendirilmiştir. Bu nedenle, eğer geleneksel elektronikler kullanılıyorsa, yüksek sıcaklık basınç sensörünün devre kısmı genellikle 180 derece ile sınırlıdır. Bu aralığın üzerindeki işlemler için dirençli ağ kompanzasyonu yaygın olarak uygulanır. Bu yöntem, yukarıdaki sağ şekilde gösterildiği gibi Wheatstone köprüsüne seri veya paralel dirençlerin eklenmesini içerir. Bu dengeleme tipik olarak tüm sıcaklık aralığında yaklaşık %3-5'lik bir genel sıcaklık sapması sağlar. Sonuç olarak, yüksek sıcaklık basınç sensörü veri sayfaları genellikle sıcaklık sapmasını ±%0,05 FS/derece olarak belirtir.
