विशिष्ट औद्योगिक और रक्षा अनुप्रयोगों में {{0}जैसे स्टील गलाने, इंजन निकास निगरानी और तेल ड्रिलिंग में {{1}उच्च तापमान स्थितियों के तहत दबाव मापने की आवश्यकता होती है। तो दबाव सेंसर उच्च तापमान का सामना कैसे करते हैं, और क्या दबाव सेंसर ऐसे चरम तापीय वातावरण को सहन करने में सक्षम बनाता है?
इस समस्या को समझने के लिए, हमें कई प्रमुख घटकों से शुरुआत करने की आवश्यकता है: दबाव सेंसर चिप, चिप बॉन्डिंग सामग्री, और सर्किटरी जो संकेतों को संसाधित करती है और तापमान क्षतिपूर्ति करती है। नीचे, हम उच्च तापमान पर इन घटकों के सामने आने वाली चुनौतियों और समाधानों पर चर्चा करेंगे।
1. प्रेशर सेंसिंग चिप
सबसे आम प्रकार डिफ्यूज्ड सिलिकॉन प्रेशर सेंसर चिप है, जिसका अधिकतम ऑपरेटिंग तापमान आमतौर पर 125 डिग्री होता है और इसे अक्सर ऑटोमोटिव ग्रेड चिप के रूप में जाना जाता है। उच्च तापमान के लिए, SOI (सिलिकॉन ऑन इंसुलेटर) प्रेशर चिप्स का उपयोग किया जाता है। एल्यूमीनियम इलेक्ट्रोड के साथ SOI चिप्स 180 डिग्री तक तापमान का सामना कर सकते हैं; मिश्रित इलेक्ट्रोड वाले SOI चिप्स लगभग 450 डिग्री तक तापमान का सामना कर सकते हैं।
बाएं:एक विसरित सिलिकॉन सब्सट्रेट दबाव चिप का योजनाबद्ध। नारंगी रंग का पीज़ोरेसिस्टिव धारी क्षेत्र बनाने के लिए विसरित सिलिकॉन सतह को सांद्रित बोरान से डोप किया जाता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, इन क्षेत्रों से चार्ज वाहक सब्सट्रेट में स्थानांतरित हो जाते हैं, जिससे सेंसर का आउटपुट बदल जाता है, इसलिए इसकी सीमा लगभग 125 डिग्री होती है, जो डायोड के रिवर्स ब्रेकडाउन तापमान के समान होती है।
सही:एसओआई सब्सट्रेट संरचना। बीच में एक घनी सिलिकॉन डाइऑक्साइड परत उच्च तापमान पर चार्ज वाहक को सब्सट्रेट में लीक होने से रोकती है, जिससे गर्मी प्रतिरोध में सुधार होता है। चूंकि एल्युमीनियम और सिलिकॉन 180 डिग्री से ऊपर आपस में फैलते हैं, इसलिए एल्युमीनियम इलेक्ट्रोड वाले एसओआई चिप्स आमतौर पर 180 डिग्री तक सीमित होते हैं। मिश्रित इलेक्ट्रोड के साथ, चिप 450 डिग्री तक काम कर सकती है।
इससे भी अधिक तापमान के लिए, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सब्सट्रेट चिप्स का उपयोग किया जाता है। तीसरी पीढ़ी के व्यापक बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में, SiC दबाव सेंसर को 650 डिग्री तक के तापमान पर काम करने में सक्षम बनाता है।
2. चिप बॉन्डिंग सामग्री
चिप बॉन्डिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले कार्बनिक चिपकने वाले आमतौर पर 260 डिग्री तक तापमान का सामना कर सकते हैं। तापमान प्रतिरोध को और बेहतर बनाने के लिए ग्लास फ्रिट सिंटरिंग का उपयोग किया जाता है। ग्लास फ्रिट ग्लास पाउडर, कार्बनिक बाइंडर्स और वाष्पशील पदार्थों का एक चिपचिपा मिश्रण है। उच्च तापमान सिंटरिंग के दौरान, वाष्पशील पदार्थ और कुछ कार्बनिक पदार्थ वाष्पित हो जाते हैं, जिससे एक स्थिर कांच की परत निकल जाती है जो चिप को उसके धातु आधार से मजबूती से बांध देती है। चूंकि प्रेशर चिप की निचली सामग्री कांच है, इसलिए इसका बॉन्डिंग स्ट्रेस मिलान अपेक्षाकृत अच्छा है।
3. सर्किटरी और तापमान मुआवजा
अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक घटक केवल 125 डिग्री तक ही सहन कर सकते हैं, कुछ को 150 डिग्री या 180 डिग्री के लिए रेट किया गया है। इसलिए, यदि पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग किया जाता है, तो उच्च तापमान दबाव सेंसर का सर्किट भाग आम तौर पर 180 डिग्री तक सीमित होता है। इस सीमा से ऊपर के संचालन के लिए, प्रतिरोधक नेटवर्क मुआवजा आमतौर पर लागू किया जाता है। इस विधि में व्हीटस्टोन ब्रिज में श्रृंखला या समानांतर प्रतिरोधों को जोड़ना शामिल है, जैसा कि ऊपर सही चित्र में दिखाया गया है। यह मुआवज़ा आम तौर पर संपूर्ण तापमान रेंज में लगभग 3-5% का समग्र तापमान बहाव प्राप्त करता है। परिणामस्वरूप, उच्च तापमान दबाव सेंसर डेटाशीट अक्सर तापमान बहाव को ±0.05% FS/डिग्री के रूप में निर्दिष्ट करती है।
