Varias aplicaciones de sensores de presión en entornos hostiles, como equipos industriales, automotrices, aeroespaciales e incluso médicos, presentan a los desarrolladores requisitos contradictorios que resultan en compromisos costosos. Generalmente, estos sensores se emplean para medir el flujo, el nivel y la presión de fluidos agresivos como refrigerante, aceite, gas u otros solventes cáusticos que pueden dañar el elemento del sensor. Surgen desafíos adicionales como resultado de los requisitos de temperatura extendida, incluso más allá de la compensación por lecturas de presión precisas.

Las especificaciones aeroespaciales y automotrices son particularmente estrictas, con rangos de temperatura de funcionamiento tan amplios como -40 °C a +150 °C. Y estas aplicaciones resistentes generalmente tienen requisitos de alta precisión y confiabilidad, ya que la falla de los componentes puede generar riesgos de seguridad o retiros del producto. Para responder, los fabricantes de equipos dependen del costoso mantenimiento continuo y el reemplazo de componentes para evitar la corta vida útil inherente del sensor.

Desafíos

A pesar de que el empaque del componente del sensor es importante para resolver este problema, es un desafío que, hasta hace poco, ha eludido a los fabricantes de sensores. Considere un caso de uso típico. Una aplicación automotriz como la detección de línea de combustible de gas o diésel requiere un elemento sensor sellado que se puede instalar dentro de la línea de combustible para detectar cambios de presión que significan un filtro de combustible obstruido, que ofrece una señal de retroalimentación a la computadora del automóvil para advertir al conductor. El motor de avión, los controles y engranajes de válvulas y los sistemas de detección de fugas o de medición y control de compresores en equipos industriales suelen tener requisitos similares. Si bien es posible que las aplicaciones médicas no exijan que el sensor de presión funcione en fluidos tan severos como la gasolina, eventualmente incluso la solución salina puede ser corrosiva, y el proceso de limpieza y esterilización generalmente requiere un contacto repetido con productos químicos cáusticos como la lejía.

El problema principal es que los adhesivos que se emplean para hacer el sello a presión y proteger el troquel del sensor y los circuitos relacionados finalmente se ablandan en el fluido circundante. El circuito del sensor se rompe tan pronto como se rompe el sello, lo que crea una falla de confiabilidad familiar que puede tener un precio alto si provoca la retirada del producto o requiere un mantenimiento regular y el reemplazo del subsistema de detección.

La dificultad en el envasado aumenta aún más debido a los requisitos de temperatura extendida. A pesar de que algunos de los adhesivos más recientes son capaces de soportar temperaturas más altas de lo que era posible en el pasado, la humedad puede destruir la fuerza de unión de la mayoría de los adhesivos y aún corren el riesgo de que se desprendan a presiones de 300 psi. Aunque hay epoxis exóticos que pueden soportar algunos extremos de humedad y temperatura, el almacenamiento y la aplicación generan problemas de fabricación adicionales, y estos epoxis son capaces de afectar la precisión del elemento sensor en aplicaciones de temperatura extendida.

Solución:

Para funcionar bien en los rangos entre -40 °C y +150 °C, un sensor de presión requiere un elemento MEMS estable, así como procesos de embalaje y fabricación estables. Sin embargo, la inestabilidad generalmente ocurre debido a las diferencias en los TCE (coeficientes térmicos de expansión) del troquel MEMS y el sustrato sobre el que está montado. Aunque el acero inoxidable podría considerarse un sustrato perfecto, su TCE es mucho más alto que el del silicio. El metal se expande y contrae, a medida que cambia la temperatura, mientras que los elementos de silicio soldados sobre él experimentan cambios mucho menores. El elemento MEMS reacciona a las tensiones causadas por las diferencias de TCE, induciendo errores que parecen cambios de presión en el sistema, dando así a los diseñadores de sistemas un nuevo problema de confiabilidad.

Un nuevo e innovador enfoque de empaquetado del sensor de presión crea una unión de matriz eutéctica en el sustrato cerámico utilizando una aleación de soldadura de oro y estaño para un sello hermético incluso en rangos de temperatura extremadamente amplios, en fluidos agresivos y a alta presión. El sustrato cerámico presenta un TCE cercano al silicio, por lo que no hay un desajuste térmico considerable, y el estaño y el oro son elementos de soldadura comunes que se adhieren bien a los fluidos agresivos.

Si bien la capacidad de fabricación se ve afectada por sus altos puntos de fusión individuales, se produce una aleación con un punto de fusión mucho más bajo mediante un enlace de soldadura de oro y estaño con una proporción de 80:20. Esto, a su vez, mejora la capacidad de fabricación al mismo tiempo que conserva los beneficios de ambos metales en entornos hostiles. A pesar de que esta soldadura de oro y estaño es más costosa que el adhesivo, el diferencial de costos es pequeño en comparación con la mejora considerable en los costos de mantenimiento y la confiabilidad a largo plazo.

Conclusión

Verificar si los medios de presión entran por la parte posterior o por la parte superior del sensor es un aspecto adicional que se debe considerar al comparar los enfoques de empaquetado del sensor. El circuito debe estar protegido contra la corrosión o cortocircuitos si la presión está en la parte superior del sensor. Esta protección se suele conseguir con un gel protector. Sin embargo, un gel que es lo suficientemente rígido para soportar fluidos corrosivos generalmente también es lo suficientemente rígido como para causar tensión en el elemento MEMS, lo que, nuevamente, produce errores de detección. Por el contrario, la entrada por la parte posterior descubre solo el accesorio de matriz eutéctica, el vidrio y el silicio al medio de presión, elementos que han demostrado resistir estos entornos hostiles.

Los desarrolladores de sistemas que necesitan capacidades de detección de presión en aplicaciones de temperatura extendida y medios duros han descubierto que el empaque es importante para reducir el costo de propiedad y mejorar la confiabilidad de la vida útil del producto. Este desafío finalmente se ha resuelto.

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