철강 제련, 엔진 배기 모니터링, 석유 시추와 같은 특수 산업 및 국방 분야에서는-고온 조건에서 압력을 측정해야 합니다-. 그렇다면 압력 센서는 어떻게 고온을 견딜 수 있으며, 압력 센서가 이러한 극한의 열 환경을 견딜 수 있도록 만드는 것은 무엇입니까?
이 문제를 이해하려면 압력 센서 칩, 칩 본딩 재료, 신호를 처리하고 온도 보상을 수행하는 회로 등 몇 가지 핵심 구성 요소부터 시작해야 합니다. 아래에서는 이러한 구성 요소가 고온에서 직면하는 과제와 솔루션에 대해 논의합니다.
1. 압력 감지 칩
가장 일반적인 유형은 확산형 실리콘 압력 센서 칩으로, 일반적으로 최대 작동 온도가 125도이며 자동차-등급 칩이라고도 합니다. 더 높은 온도의 경우 SOI(Silicon on Insulator) 압력 칩이 사용됩니다. 알루미늄 전극을 갖춘 SOI 칩은 최대 180도까지 견딜 수 있습니다. 복합 전극을 갖춘 SOI 칩은 최대 약 450도의 온도를 견딜 수 있습니다.
왼쪽:확산된 실리콘 기판 압력 칩의 개략도. 확산된 실리콘 표면은 농축된 붕소로 도핑되어 주황색-노란색 압저항 줄무늬 영역을 형성합니다. 온도가 상승함에 따라 이러한 영역의 전하 캐리어가 기판으로 이동하여 센서의 출력을 변경합니다.{3}}따라서 다이오드의 역 항복 온도와 유사한 약 125도의 한계를 갖습니다.
오른쪽:SOI 기판 구조. 중앙의 조밀한 이산화규소 층은 고온에서 전하 캐리어가 기판으로 누출되는 것을 방지하여 내열성을 향상시킵니다. 알루미늄과 실리콘은 180도 이상에서 상호 확산되기 때문에 알루미늄 전극이 있는 SOI 칩은 일반적으로 180도로 제한됩니다. 복합 전극을 사용하면 칩이 최대 450도까지 작동할 수 있습니다.
더 높은 온도에서는 탄화규소(SiC) 기판 칩이 사용됩니다. 3세대-광대역-밴드갭 반도체 소재인 SiC를 사용하면 압력 센서가 최대 650도의 온도에서도 작동할 수 있습니다.
2. 칩 본딩 재료
칩 접착에 사용되는 유기 접착제는 일반적으로 최대 260도까지 견딜 수 있습니다. 내열성을 더욱 향상시키기 위해 유리 프릿 소결이 활용됩니다. 유리 프릿은 유리 분말, 유기 결합제 및 휘발성 물질의 점성 혼합물입니다. 고온- 소결 중에 휘발성 물질과 유기물의 일부가 증발하여 칩을 금속 베이스에 단단히 접착하는 안정적인 유리 층이 남습니다. 압력 칩의 바닥 재료는 유리이므로 접착 응력 매칭이 비교적 좋습니다.
3. 회로 및 온도 보상
대부분의 전자 부품은 최대 125도까지만 견딜 수 있으며 일부는 150도 또는 180도까지 견딜 수 있습니다. 따라서 기존 전자 장치를 사용하는 경우 고온-압력 센서의 회로 부분은 일반적으로 180도로 제한됩니다. 이 범위 이상에서 작동하려면 일반적으로 저항성 네트워크 보상이 적용됩니다. 이 방법에는 위의 오른쪽 그림과 같이 휘트스톤 브리지에 직렬 또는 병렬 저항을 추가하는 작업이 포함됩니다. 이러한 보상은 일반적으로 전체 온도 범위에 걸쳐 약 3~5%의 전체 온도 드리프트를 달성합니다. 따라서 고온-압력 센서 데이터시트에서는 온도 드리프트를 ±0.05% FS/degree로 지정하는 경우가 많습니다.
