{0}鉄鋼精錬、エンジン排気モニタリング、石油掘削などの特殊な産業および防衛用途では、高温条件下で圧力を測定する必要があります。{{2}では、圧力センサーはどのようにして高温に耐えられるのでしょうか?また、なぜ圧力センサーがそのような極端な熱環境に耐えることができるのでしょうか?
この問題を理解するには、圧力センサー チップ、チップ ボンディング材料、信号を処理して温度補償を実行する回路など、いくつかの重要なコンポーネントから始める必要があります。以下では、これらのコンポーネントが高温で直面する課題と解決策について説明します。
1. 圧力センシングチップ
最も一般的なタイプは拡散シリコン圧力センサー チップで、通常の最大動作温度は 125 度で、自動車用- グレードのチップと呼ばれることがよくあります。高温の場合は、SOI (シリコン オン インシュレーター) 圧力チップが使用されます。アルミニウム電極を備えた SOI チップは、最大 180 度の温度に耐えることができます。複合電極を備えた SOI チップは、約 450 度までの温度に耐えることができます。
左：拡散シリコン基板圧力チップの概略図。拡散シリコン表面には濃縮ホウ素がドープされ、オレンジ-黄色のピエゾ抵抗ストライプ領域が形成されます。温度が上昇すると、これらの領域からの電荷キャリアが基板に移動し、センサーの出力が変化します。-したがって、その限界はダイオードの逆降伏温度と同様の約 125 度になります。
右：SOI基板構造。中央の緻密な二酸化シリコン層は、高温時に電荷キャリアが基板に漏れるのを防ぎ、それによって耐熱性が向上します。アルミニウムとシリコンは 180 度を超える温度で相互拡散するため、アルミニウム電極を備えた SOI チップは通常 180 度に制限されます。複合電極を使用すると、チップは最大 450 度まで動作できます。
さらに高温の場合は、炭化ケイ素 (SiC) 基板チップが使用されます。第 3 世代のワイドバンドギャップ半導体材料である SiC により、650 度もの高温でも圧力センサーが機能できるようになります。-
2. チップ接着材
チップの接着に使用される有機接着剤は、通常、最大 260 度の温度に耐えることができます。耐熱性をさらに向上させるために、ガラスフリット焼結が利用されます。ガラスフリットは、ガラス粉末、有機結合剤、および揮発性物質の粘性混合物です。高温焼結中、揮発性物質と有機物の一部が蒸発し、チップを金属ベースにしっかりと接着する安定したガラス層が残ります。加圧チップの底面材質がガラスであるため、接着応力のマッチングは比較的良好です。
3. 回路と温度補償
ほとんどの電子部品は 125 度までしか耐えられませんが、一部の電子部品は 150 度または 180 度に耐えることができます。したがって、従来の電子機器を使用する場合、- 高温圧力センサーの回路部分は一般に 180 度に制限されます。この範囲を超える動作では、通常、抵抗ネットワーク補償が適用されます。この方法では、上の右の図に示すように、ホイートストン ブリッジに直列または並列の抵抗を追加します。この補償により、通常、全温度範囲にわたって約 3 ～ 5% の全体的な温度ドリフトが達成されます。その結果、高温圧力センサーのデータシートでは、多くの場合、温度ドリフトが ±0.05% FS/度 と指定されています。
