Nelle applicazioni industriali e di difesa specializzate-come la fusione dell'acciaio, il monitoraggio dei gas di scarico dei motori e l'estrazione petrolifera-è necessario misurare la pressione in condizioni di alta-temperatura. Quindi, come fanno i sensori di pressione a resistere alle alte temperature e cosa rende un sensore di pressione in grado di resistere ad ambienti termici così estremi?
Per comprendere questo problema, dobbiamo iniziare con diversi componenti chiave: il chip del sensore di pressione, i materiali di collegamento del chip e il circuito che elabora i segnali ed esegue la compensazione della temperatura. Di seguito discuteremo delle sfide e delle soluzioni che questi componenti devono affrontare alle alte temperature.
1. Chip di rilevamento della pressione
Il tipo più comune è il chip del sensore di pressione in silicio diffuso, che in genere ha una temperatura operativa massima di 125 gradi e viene spesso definito chip di tipo automobilistico-. Per temperature più elevate vengono utilizzati chip a pressione SOI (Silicon on Insulator). I chip SOI con elettrodi in alluminio possono resistere a temperature fino a 180 gradi; I chip SOI con elettrodi compositi possono resistere a temperature fino a circa 450 gradi.
Sinistra:Schema di un chip a pressione con substrato di silicio diffuso. La superficie diffusa del silicio è drogata con boro concentrato per formare una regione a strisce piezoresistive arancione-gialla. All'aumentare della temperatura, i portatori di carica provenienti da queste regioni migrano nel substrato, alterando l'uscita del sensore-da qui il suo limite di circa 125 gradi, simile alla temperatura di rottura inversa di un diodo.
Giusto:Struttura del substrato SOI. Uno strato denso di biossido di silicio al centro impedisce ai portatori di carica di penetrare nel substrato ad alte temperature, migliorando così la resistenza al calore. Poiché l'alluminio e il silicio sono interdiffusi sopra i 180 gradi, i chip SOI con elettrodi di alluminio sono generalmente limitati a 180 gradi. Con gli elettrodi compositi, il chip può funzionare fino a 450 gradi.
Per temperature ancora più elevate, vengono utilizzati chip di substrato in carburo di silicio (SiC). Essendo un materiale semiconduttore con ampio-bandgap di terza generazione, il SiC consente ai sensori di pressione di funzionare a temperature fino a 650 gradi.
2. Materiali leganti per trucioli
Gli adesivi organici utilizzati per l'incollaggio dei trucioli possono generalmente resistere a temperature fino a 260 gradi. Per migliorare ulteriormente la resistenza alla temperatura, viene utilizzata la sinterizzazione con fritta di vetro. La fritta di vetro è una miscela viscosa di polvere di vetro, leganti organici e sostanze volatili. Durante la sinterizzazione ad alta-temperatura, le sostanze volatili e parte delle sostanze organiche evaporano, lasciando dietro di sé uno strato di vetro stabile che lega saldamente il chip alla sua base metallica. Poiché il materiale inferiore del chip a pressione è il vetro, la corrispondenza dello stress di legame è relativamente buona.
3. Circuiti e compensazione della temperatura
La maggior parte dei componenti elettronici può resistere solo fino a 125 gradi, con alcuni classificati per 150 o 180 gradi. Pertanto, se si utilizzano componenti elettronici convenzionali, la parte del circuito di un sensore di pressione ad alta-temperatura è generalmente limitata a 180 gradi. Per il funzionamento al di sopra di questo intervallo, viene comunemente applicata la compensazione della rete resistiva. Questo metodo prevede l'aggiunta di resistori in serie o in parallelo al ponte di Wheatstone, come mostrato nella figura sopra a destra. Questa compensazione in genere raggiunge una deriva complessiva della temperatura di circa il 3–5% nell’intero intervallo di temperature. Di conseguenza, le schede tecniche dei sensori di pressione ad alta-temperatura spesso specificano la deriva della temperatura come ±0,05% FS/grado.
