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压力传感器在污水、重油、制冷剂或腐蚀性溶剂等恶劣环境的延长温度问题


发布日期:[2019-07-03]    作者:昊明


许多压力传感器在航空航天、汽车、工业甚至医疗设备等恶劣环境中的应用,给开发人员带来了相互冲突的要求,导致昂贵的妥协。这些传感器通常用于测量可能损坏传感器元件的恶劣液体(如污水、重油、制冷剂或其他腐蚀性溶剂)的压力、液位和流量。延长温度要求提供了额外的挑战,甚至超出了精确压力读数的补偿。汽车和航空航天规范特别严格,工作温度范围为-40°C至+150°C。这些坚固的应用通常具有高可靠性和准确性要求,因为部件故障可能导致产品召回或安全风险。作为回应,设备制造商依靠昂贵的持续维护和部件更换来解决传感器固有的短寿命问题。

传感器组件的包装对于解决这一问题至关重要,但直到现在,这仍是传感器制造商所面临的一个挑战。考虑一个典型的用例。汽车应用,如燃气或柴油燃油管路传感,需要一个密封的传感器元件,可以安装在燃油管路内,以检测指示燃油滤清器堵塞的压力变化,从而向汽车的计算机提供反馈信号,以通知驾驶员。飞机发动机、齿轮和阀门控制,以及压缩机或工业设备泄漏检测系统的测量和控制都有类似的要求。虽然医疗应用可能不需要压力传感器在像汽油那样严酷的液体中工作,但即使是盐水溶液也会随着时间的推移而具有腐蚀性,清洗和消毒过程通常需要反复接触漂白剂等腐蚀性化学品。

问题是,用于制造压力密封和保护传感器模具及相关电路的粘合剂最终在恶劣的液体中软化。一旦密封件断裂,传感器电路就会损坏,造成一个常见的可靠性故障,如果它导致产品召回或需要定期维护和更换传感子系统,则成本高昂。

显示背面入口的传感器包

                                                                           图1.显示背面入口的传感器包,以保护电子电路免受恶劣介质的影响

延长温度要求增加了包装挑战。虽然一些新的粘合剂可能比过去更耐高温,但在300磅/平方英寸的压力下,它们仍有脱离模具的风险,湿度会破坏大多数粘合剂的粘合强度。有一些外来的环氧树脂能够承受一些极端的温度和湿度,但是存储和应用会带来额外的可制造性问题,这些环氧树脂会影响传感元件在扩展温度应用中的精度。

延长温度要求增加了包装挑战。虽然一些新的粘合剂可能比过去更耐高温,但在300磅/平方英寸的压力下,它们仍有脱离模具的风险,湿度会破坏大多数粘合剂的粘合强度。有一些外来的环氧树脂能够承受一些极端的温度和湿度,但是存储和应用会带来额外的可制造性问题,这些环氧树脂会影响传感元件在扩展温度应用中的精度。

为了使压力传感器在-40°C到+150°C的温度范围内性能良好,它需要一个稳定的MEMS元件以及稳定的包装和制造工艺。但不稳定性通常是由于MEMS模具的热膨胀系数(TCE)和安装该模具的基板之间存在差异而产生的。不锈钢可能被认为是一种理想的基体,但它的TCE比硅高很多。随着温度的变化,金属膨胀和收缩,而焊接在其上的硅元素经历了更小的变化。MEMS元件对TCE差异引起的应力作出反应,引发系统错误,就像压力变化一样,给系统设计者带来了新的可靠性问题。

一种新型的压力传感器封装方法利用金锡焊接合金在陶瓷基板上形成共晶模具结合,即使在恶劣的流体、高压和极宽的温度范围内也能实现密封。陶瓷基板有一个接近硅的TCE,因此没有明显的热失配,金和锡是常见的焊接元件,能够很好地承受恶劣的流体。虽然它们各自的高熔点会影响可制造性,但80:20比例的金锡焊接结合会产生一种熔点更低的合金,从而提高可制造性,同时在恶劣环境中保持这两种金属的优点。虽然这种金锡焊料比粘合剂更贵,但与长期可靠性和维护成本的显著提高相比,成本差异很小。


在比较传感器封装方法时要考虑的另一个因素是压力介质是进入传感器的顶部还是背面。如果压力在传感器的顶侧,电路必须保护免受短路或腐蚀,这通常是用保护凝胶完成的。但是,足够坚硬以抵抗腐蚀性流体和高温的凝胶也可以足够刚性地对MEMS元件产生应力,这再次产生传感误差。相反,背面入口只暴露在压力介质上的硅、玻璃和共晶模具,这些元件已经被证明能够承受这些恶劣的环境。