Erikoistuneissa teollisuus- ja puolustussovelluksissa, kuten teräksen sulatuksessa, moottorin pakokaasujen valvonnassa ja öljynporauksessa, paine on mitattava korkeissa lämpötiloissa. Joten kuinka paineanturit kestävät korkeita lämpötiloja, ja mikä tekee paineanturista kykenevän kestämään tällaisia äärimmäisiä lämpöolosuhteita?
Tämän ongelman ymmärtämiseksi meidän on aloitettava useista avainkomponenteista: paineanturisiru, sirun sidosmateriaalit ja piirit, jotka käsittelevät signaaleja ja suorittavat lämpötilan kompensoinnin. Alla käsittelemme haasteita ja ratkaisuja, joita nämä komponentit kohtaavat korkeissa lämpötiloissa.
1. Paineentunnistussiru
Yleisin tyyppi on hajautettu piipaineanturisiru, jonka suurin käyttölämpötila on tyypillisesti 125 astetta ja jota kutsutaan usein autoluokan siruksi. Korkeammissa lämpötiloissa käytetään SOI (Silicon on Insulator) -painelastuja. Alumiinielektrodilla varustetut SOI-sirut kestävät jopa 180 asteen lämpötiloja; Komposiittielektrodilla varustetut SOI-sirut kestävät jopa noin 450 asteen lämpötiloja.
Vasen:Kaavio diffuusoidusta piisubstraattipainesirusta. Diffundoitu piipinta seostetaan väkevällä boorilla oranssinkeltaisen pietsoresistiivisen raita-alueen muodostamiseksi. Lämpötilan noustessa varauksenkuljettajat siirtyvät näiltä alueilta substraattiin muuttaen anturin ulostuloa - tästä syystä sen noin 125 asteen raja, joka on samanlainen kuin diodin käänteinen läpilyöntilämpötila.
Oikea:SOI-substraatin rakenne. Keskellä oleva tiheä piidioksidikerros estää varauksenkuljettajia vuotamasta alustaan korkeissa lämpötiloissa ja parantaa siten lämmönkestävyyttä. Koska alumiini ja pii diffundoituvat yli 180 asteen kulmassa, alumiinielektrodilla varustetut SOI-sirut ovat yleensä rajoitettuja 180 asteeseen. Komposiittielektrodeilla siru voi toimia jopa 450 astetta.
Vielä korkeammissa lämpötiloissa käytetään piikarbidi (SiC) -substraattisiruja. Kolmannen sukupolven laajakaistaisena puolijohdemateriaalina SiC mahdollistaa paineanturien toiminnan jopa 650 asteen lämpötiloissa.
2. Chip Liimausmateriaalit
Lastujen liimaukseen käytettävät orgaaniset liimat kestävät tyypillisesti jopa 260 asteen lämpötiloja. Lämmönkestävyyden parantamiseksi edelleen käytetään lasifrittisintrausta. Lasisulatte on viskoosi seos lasijauhetta, orgaanisia sideaineita ja haihtuvia aineita. Korkean lämpötilan sintrauksen aikana haihtuvat aineet ja osa orgaanisista aineista haihtuvat jättäen taakseen vakaan lasikerroksen, joka kiinnittää lastun tiukasti metallipohjaansa. Koska puristuslastan pohjamateriaali on lasia, sen sidosjännityssovitus on suhteellisen hyvä.
3. Piirin ja lämpötilan kompensointi
Useimmat elektroniset komponentit kestävät vain 125 astetta, ja jotkut ovat 150 astetta tai 180 astetta. Siksi, jos käytetään tavanomaista elektroniikkaa, korkean lämpötilan paineanturin piiriosa on yleensä rajoitettu 180 asteeseen. Tämän alueen yläpuolella toiminnassa käytetään yleisesti resistiivistä verkon kompensointia. Tämä menetelmä sisältää sarja- tai rinnakkaisten vastusten lisäämisen Wheatstonen siltaan, kuten yllä olevassa oikeanpuoleisessa kuvassa näkyy. Tällä kompensaatiolla saavutetaan tyypillisesti noin 3–5 % lämpötilapoikkeama koko lämpötila-alueella. Tämän seurauksena korkean lämpötilan paineantureiden tietolomakkeissa lämpötilapoikkeama on usein määritetty arvoksi ±0,05 % FS/aste.
