Eine Reihe von Drucksensoranwendungen in rauen Umgebungen wie Industrie, Automobil, Luft- und Raumfahrt und sogar medizinische Geräte stellen Entwickler vor widersprüchliche Anforderungen, die zu teuren Kompromissen führen. Im Allgemeinen werden diese Sensoren verwendet, um Durchfluss, Füllstand und Druck aggressiver Flüssigkeiten wie Kältemittel, Öl, Gas oder anderer ätzender Lösungsmittel zu messen, die das Sensorelement beschädigen können. Zusätzliche Herausforderungen ergeben sich aus erweiterten Temperaturanforderungen, sogar über die Kompensation für genaue Druckmessungen hinaus.

Die Luft- und Raumfahrt- und Automobilspezifikationen sind besonders streng, mit Betriebstemperaturbereichen von -40 °C bis +150 °C. Und diese robusten Anwendungen haben in der Regel hohe Anforderungen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit, da der Ausfall von Komponenten zu Sicherheitsrisiken oder Produktrückrufen führen kann. Um die inhärente kurze Lebensdauer des Sensors zu umgehen, sind Gerätehersteller auf teure laufende Wartung und den Austausch von Komponenten angewiesen.

Challenges

Trotz der Tatsache, dass die Verpackung der Sensorkomponente wichtig ist, um dieses Problem zu lösen, ist dies eine Herausforderung, die sich Sensorherstellern bis vor kurzem entzogen haben. Betrachten Sie einen typischen Anwendungsfall. Eine Automobilanwendung wie die Erkennung von Gas- oder Dieselkraftstoffleitungen erfordert ein abgedichtetes Sensorelement, das in der Kraftstoffleitung installiert werden kann, um Druckänderungen zu erfassen, die auf einen verstopften Kraftstofffilter hinweisen, was ein Rückkopplungssignal an den Computer des Fahrzeugs liefert, um den Fahrer zu warnen. Flugzeugmotoren, Ventilsteuerungen und -getriebe, Lecksuchsysteme oder die Messung und Steuerung von Kompressoren in Industrieanlagen haben normalerweise ähnliche Anforderungen. Auch wenn medizinische Anwendungen nicht erfordern, dass der Drucksensor in so aggressiven Flüssigkeiten wie Benzin betrieben wird, kann schließlich sogar Salzlösung korrosiv sein, und der Reinigungs- und Sterilisationsprozess erfordert typischerweise wiederholten Kontakt mit ätzenden Chemikalien wie Bleichmitteln.

Das Hauptproblem besteht darin, dass die Klebstoffe, die verwendet werden, um die Druckdichtung herzustellen und den Sensorchip und die zugehörige Schaltung zu schützen, letztendlich in der umgebenden Flüssigkeit erweichen. Die Sensorschaltung wird zerstört, sobald das Siegel bricht, wodurch ein bekannter Zuverlässigkeitsfehler entsteht, der teuer werden kann, wenn er einen Produktrückruf verursacht oder eine regelmäßige Wartung und einen Austausch des Sensorsubsystems erfordert.

Die Schwierigkeit beim Verpacken wird wegen der erweiterten Temperaturanforderungen weiter erhöht. Trotz der Tatsache, dass einige der neuesten Klebstoffe höheren Temperaturen standhalten können, als dies in der Vergangenheit möglich war, kann Feuchtigkeit die Haftfestigkeit der meisten Klebstoffe zerstören, und sie riskieren immer noch, sich bei Drücken von 300 psi abzulösen. Obwohl es exotische Epoxide gibt, die gewissen Feuchtigkeits- und Temperaturextremen standhalten können, führen Lagerung und Anwendung zu zusätzlichen Herstellbarkeitsproblemen, und diese Epoxide können die Genauigkeit des Sensorelements bei Anwendungen mit erweiterten Temperaturen beeinträchtigen.

Lösung

Um in den Bereichen zwischen -40 °C bis +150 °C gut zu funktionieren, a Drucksensor erfordert ein stabiles MEMS-Element sowie stabile Verpackungs- und Herstellungsprozesse. Eine Instabilität tritt jedoch normalerweise aufgrund von Unterschieden in den TCE (thermischen Ausdehnungskoeffizienten) des MEMS-Chips und des Substrats auf, auf dem er montiert ist. Obwohl Edelstahl als perfektes Substrat angesehen werden kann, ist sein TCE viel höher als der von Silizium. Das Metall dehnt sich aus und zieht sich zusammen, wenn sich die Temperatur ändert, während die darauf gelöteten Siliziumelemente viel kleinere Änderungen erfahren. Das MEMS-Element reagiert auf die durch die TCE-Unterschiede verursachten Belastungen und induziert Fehler, die wie Druckänderungen im System erscheinen – und stellt Systemdesigner somit vor ein neues Zuverlässigkeitsproblem.

Ein innovativer neuer Verpackungsansatz für Drucksensoren erzeugt eine eutektische Chipverbindung auf einem Keramiksubstrat unter Verwendung einer Gold-Zinn-Lötlegierung für eine hermetische Abdichtung selbst bei extrem weiten Temperaturbereichen, in rauen Flüssigkeiten und bei hohem Druck. Das Keramiksubstrat weist einen TCE auf, der dem von Silizium nahe kommt, sodass es zu keiner erheblichen thermischen Fehlanpassung kommt, und Zinn und Gold sind übliche Lötelemente, die gut an aggressiven Flüssigkeiten haften.

Während die Herstellbarkeit durch ihre hohen individuellen Schmelzpunkte beeinträchtigt wird, wird eine Legierung mit einem viel niedrigeren Schmelzpunkt durch eine Gold-Zinn-Lötverbindung mit einem Verhältnis von 80:20 hergestellt. Dies verbessert wiederum die Herstellbarkeit, während gleichzeitig die Vorteile beider Metalle in rauen Umgebungen erhalten bleiben. Trotz der Tatsache, dass dieses Gold-Zinn-Lot teurer ist als Klebstoff, ist der Kostenunterschied gering im Vergleich zu der erheblichen Verbesserung der Wartungskosten und der langfristigen Zuverlässigkeit.

Fazit

Die Überprüfung, ob das Druckmedium an der Rückseite oder an der Oberseite des Sensors eindringt, ist ein zusätzlicher Aspekt, der beim Vergleich von Sensorverpackungsansätzen zu berücksichtigen ist. Die Schaltung muss vor Korrosion oder Kurzschlüssen geschützt werden, wenn der Druck auf der Oberseite des Sensors anliegt. Dieser Schutz wird in der Regel mit einem Schutzgel erreicht. Jedoch ist ein Gel, das steif genug ist, um korrosive Fluide zu tragen, im Allgemeinen auch steif genug, um das MEMS-Element zu belasten, was wiederum Erfassungsfehler erzeugt. Im Gegensatz dazu gibt der Zugang von der Rückseite nur die eutektische Die-Attach, Glas und Silizium zum Druckmedium frei – Elemente, die diesen rauen Umgebungen nachweislich standhalten.

Systementwickler, die Drucksensorfähigkeiten in Anwendungen mit erweiterten Temperaturen und rauen Medien benötigen, haben festgestellt, dass die Verpackung wichtig ist, um die Betriebskosten zu senken und die Zuverlässigkeit der Produktlebensdauer zu verbessern. Diese Herausforderung wurde schließlich gelöst.

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