陶瓷基板用于扩展温度的压力传感器

传感器是一种输入设备，可将物理参数转换为模拟或数字信号形式的输出。换句话说，它将力、湿度、光等物理量转换为等效的电输出。各种应用中常用的传感器包括温度、湿度、气体、压力、汽车和触摸传感器等。传感器使用的技术包括声学、电容、多普勒、电磁、机电、热敏电阻、电感、光学、微波、激光、超声波、压电效应等。

如今工业、汽车、航空航天甚至医疗设备等恶劣环境中的许多压力传感器应用，向开发人员提出了相互矛盾的要求。从而导致代价高昂的妥协。通常这些传感器用于测量可能损坏传感器元件的苛刻流体（例如冷剂、油、气体或其他腐蚀性溶剂）的流量、液体和压力。由于温度要求的增加，甚至超出了对准确压力读数的补偿还会出现其他问题。

航空航天和汽车规格特别严格，工作温度范围高达-40℃至+150℃。这些坚固的应用通常具有很高的准确和可靠性要求，因为组件故障可能导致安全风险或产品召回。

陶瓷基板是包含金属或准金属的无机化合物和具有共价键或离子键的非金属的固体材料。常见的陶瓷有砖、瓷和陶器。具有特殊性能的物质制造高级陶瓷，也称为精细陶瓷、工程陶瓷、高性能陶瓷、高科技陶瓷或技术陶瓷。传统上，陶瓷由粉末制成，然后通过加热制成具有强度、硬度、脆性和低导电性的材料。陶瓷可以广泛应用于几乎所有应用领域，包括工程和工业领域，包括用于医药、汽车、空间和环境的领域。

陶瓷在腐蚀性环境中非常有用，可以在高温下长时间使用而不会改变其性能。将TiO2、Al2O3和ZrO2等陶瓷氧化物的优势与其他聚合物和金属进行了比较，并报告说这些氧化物可用于具有特殊性能和优势的各种传感器应用。这对航空、汽车、医药和化学工业中陶瓷材料的使用具有重要意义。尽管许多领域的传感器都是由陶瓷制成的，但这些材料的易碎性限制了它们在建筑材料中的应用。

为了在-40℃至+150℃的温度范围内表现良好，压力传感器需要稳定的MEMS元件以及稳定的封装和制造工艺。然而，不稳定通常是由于MEMS裸片的TCE（热膨胀系数）和它所安装的基板的差异而发生的。虽然不锈钢可能被认为是一种完美的基材，但它的TCE远高于硅。随着温度的变化金属会膨胀和收缩，而焊接在其上的硅元素会发生更小的变化。MEMS元件会对由TCE差异引起的应力做出反应，从而引发看起来像是系统压力变化的错误，从而给系统设计人员带来了新的可靠性问题。

一种创新的新型压力传感器封装方法使用金锡焊接合金在陶瓷基板上创建共晶芯片键合，即使在极宽的温度范围、苛刻的流体和高压下也能实现气密密封。陶瓷基板具有接近硅的TCE，因此没有明显的热失配，锡和金是常见的焊接元素，可以很好地粘附在苛刻的流体中。

虽然可制造性受到其各自高熔点的影响，但熔点低得多的合金是通过比例为80:20的金锡焊接键产生的。这反过来又提高了可制造性，同时保留了两种金属在恶劣环境中的优势。尽管这种金锡焊料比粘合剂贵，但与维护成本和长期可靠性的显着改善相比，成本差异很小。

【文章来源：展至科技】

审核编辑 黄昊宇