في التطبيقات الصناعية والدفاعية المتخصصة-مثل صهر الفولاذ ومراقبة عادم المحرك والتنقيب عن النفط-هناك حاجة لقياس الضغط تحت ظروف درجات الحرارة المرتفعة-. إذًا كيف تتحمل مستشعرات الضغط درجات الحرارة المرتفعة، وما الذي يجعل مستشعر الضغط قادرًا على تحمل مثل هذه البيئات الحرارية القاسية؟
لفهم هذه المشكلة، نحتاج إلى البدء بعدة مكونات رئيسية: شريحة استشعار الضغط، ومواد ربط الشريحة، والدوائر التي تعالج الإشارات وتقوم بتعويض درجة الحرارة. وفيما يلي سنناقش التحديات والحلول التي تواجهها هذه المكونات في درجات الحرارة المرتفعة.
1. رقاقة استشعار الضغط
النوع الأكثر شيوعًا هو شريحة مستشعر الضغط السيليكونية المنتشرة، والتي عادةً ما تكون درجة حرارة التشغيل القصوى لها 125 درجة ويشار إليها غالبًا باسم شريحة -السيارات. لدرجات الحرارة المرتفعة، يتم استخدام رقائق الضغط SOI (السيليكون على العازل). يمكن لرقائق SOI ذات أقطاب الألومنيوم أن تتحمل درجات حرارة تصل إلى 180 درجة؛ يمكن لرقائق SOI ذات الأقطاب الكهربائية المركبة أن تتحمل درجات حرارة تصل إلى 450 درجة تقريبًا.
غادر:رسم تخطيطي لرقاقة ضغط ركيزة السيليكون المنتشرة. يتم تطعيم سطح السيليكون المنتشر بالبورون المركز لتكوين منطقة شريطية مقاومة للضغط صفراء برتقالية-. مع ارتفاع درجة الحرارة، تهاجر ناقلات الشحنة من هذه المناطق إلى الركيزة، مما يؤدي إلى تغيير خرج المستشعر-ومن ثم يصل حده إلى حوالي 125 درجة، وهو ما يشبه درجة حرارة الانهيار العكسي للصمام الثنائي.
يمين:هيكل الركيزة SOI. تمنع طبقة ثاني أكسيد السيليكون الكثيفة في المنتصف ناقلات الشحنة من التسرب إلى الركيزة عند درجات حرارة عالية، وبالتالي تحسين مقاومة الحرارة. نظرًا لأن الألومنيوم والسيليكون ينتشران فوق 180 درجة، فإن رقائق SOI ذات أقطاب الألومنيوم تقتصر عمومًا على 180 درجة. مع الأقطاب الكهربائية المركبة، يمكن للرقاقة أن تعمل حتى 450 درجة.
لدرجات حرارة أعلى، يتم استخدام رقائق الركيزة كربيد السيليكون (SiC). وباعتبارها مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق عريض-من الجيل الثالث، فإن SiC تمكن أجهزة استشعار الضغط من العمل عند درجات حرارة تصل إلى 650 درجة.
2. مواد ربط الرقائق
يمكن للمواد اللاصقة العضوية المستخدمة في ربط الرقائق أن تتحمل درجات حرارة تصل إلى 260 درجة. لمزيد من تحسين مقاومة درجات الحرارة، يتم استخدام تلبيد الزجاج. فريت الزجاج عبارة عن خليط لزج من مسحوق الزجاج، والمواد الرابطة العضوية، والمواد المتطايرة. أثناء التلبيد بدرجة حرارة عالية-، تتبخر المواد المتطايرة وجزء من المواد العضوية، تاركة وراءها طبقة زجاجية مستقرة تربط الشريحة بقوة بقاعدتها المعدنية. نظرًا لأن المادة السفلية لرقاقة الضغط هي الزجاج، فإن مطابقة ضغط الترابط جيدة نسبيًا.
3. الدوائر وتعويض درجة الحرارة
يمكن لمعظم المكونات الإلكترونية أن تتحمل درجة حرارة تصل إلى 125 درجة فقط، وبعضها يصل إلى 150 درجة أو 180 درجة. لذلك، إذا تم استخدام الإلكترونيات التقليدية، فإن جزء الدائرة لمستشعر ضغط درجة الحرارة المرتفعة-يقتصر بشكل عام على 180 درجة. للتشغيل فوق هذا النطاق، يتم تطبيق تعويض الشبكة المقاومة بشكل شائع. تتضمن هذه الطريقة إضافة مقاومات متتالية أو متوازية إلى جسر ويتستون، كما هو موضح في الشكل الأيمن أعلاه. يحقق هذا التعويض عادةً انحرافًا إجماليًا في درجة الحرارة يبلغ حوالي 3-5% عبر نطاق درجة الحرارة الكامل. ونتيجة لذلك، غالبًا ما تحدد أوراق بيانات مستشعر الضغط العالي-انجراف درجة الحرارة بـ ±0.05% FS/ درجة .
