陶瓷基板用于擴展溫度的壓力傳感器

傳感器是一種輸入設(shè)備，可將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字信號形式的輸出。換句話說，它將力、濕度、光等物理量轉(zhuǎn)換為等效的電輸出。各種應(yīng)用中常用的傳感器包括溫度、濕度、氣體、壓力、汽車和觸摸傳感器等。傳感器使用的技術(shù)包括聲學(xué)、電容、多普勒、電磁、機電、熱敏電阻、電感、光學(xué)、微波、激光、超聲波、壓電效應(yīng)等。

如今工業(yè)、汽車、航空航天甚至醫(yī)療設(shè)備等惡劣環(huán)境中的許多壓力傳感器應(yīng)用，向開發(fā)人員提出了相互矛盾的要求。從而導(dǎo)致代價高昂的妥協(xié)。通常這些傳感器用于測量可能損壞傳感器元件的苛刻流體（例如冷劑、油、氣體或其他腐蝕性溶劑）的流量、液體和壓力。由于溫度要求的增加，甚至超出了對準(zhǔn)確壓力讀數(shù)的補償還會出現(xiàn)其他問題。

航空航天和汽車規(guī)格特別嚴(yán)格，工作溫度范圍高達(dá)-40℃至+150℃。這些堅固的應(yīng)用通常具有很高的準(zhǔn)確和可靠性要求，因為組件故障可能導(dǎo)致安全風(fēng)險或產(chǎn)品召回。

陶瓷基板是包含金屬或準(zhǔn)金屬的無機化合物和具有共價鍵或離子鍵的非金屬的固體材料。常見的陶瓷有磚、瓷和陶器。具有特殊性能的物質(zhì)制造高級陶瓷，也稱為精細(xì)陶瓷、工程陶瓷、高性能陶瓷、高科技陶瓷或技術(shù)陶瓷。傳統(tǒng)上，陶瓷由粉末制成，然后通過加熱制成具有強度、硬度、脆性和低導(dǎo)電性的材料。陶瓷可以廣泛應(yīng)用于幾乎所有應(yīng)用領(lǐng)域，包括工程和工業(yè)領(lǐng)域，包括用于醫(yī)藥、汽車、空間和環(huán)境的領(lǐng)域。

陶瓷在腐蝕性環(huán)境中非常有用，可以在高溫下長時間使用而不會改變其性能。將TiO2、Al2O3和ZrO2等陶瓷氧化物的優(yōu)勢與其他聚合物和金屬進(jìn)行了比較，并報告說這些氧化物可用于具有特殊性能和優(yōu)勢的各種傳感器應(yīng)用。這對航空、汽車、醫(yī)藥和化學(xué)工業(yè)中陶瓷材料的使用具有重要意義。盡管許多領(lǐng)域的傳感器都是由陶瓷制成的，但這些材料的易碎性限制了它們在建筑材料中的應(yīng)用。

為了在-40℃至+150℃的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)良好，壓力傳感器需要穩(wěn)定的MEMS元件以及穩(wěn)定的封裝和制造工藝。然而，不穩(wěn)定通常是由于MEMS裸片的TCE（熱膨脹系數(shù)）和它所安裝的基板的差異而發(fā)生的。雖然不銹鋼可能被認(rèn)為是一種完美的基材，但它的TCE遠(yuǎn)高于硅。隨著溫度的變化金屬會膨脹和收縮，而焊接在其上的硅元素會發(fā)生更小的變化。MEMS元件會對由TCE差異引起的應(yīng)力做出反應(yīng)，從而引發(fā)看起來像是系統(tǒng)壓力變化的錯誤，從而給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了新的可靠性問題。

一種創(chuàng)新的新型壓力傳感器封裝方法使用金錫焊接合金在陶瓷基板上創(chuàng)建共晶芯片鍵合，即使在極寬的溫度范圍、苛刻的流體和高壓下也能實現(xiàn)氣密密封。陶瓷基板具有接近硅的TCE，因此沒有明顯的熱失配，錫和金是常見的焊接元素，可以很好地粘附在苛刻的流體中。

雖然可制造性受到其各自高熔點的影響，但熔點低得多的合金是通過比例為80:20的金錫焊接鍵產(chǎn)生的。這反過來又提高了可制造性，同時保留了兩種金屬在惡劣環(huán)境中的優(yōu)勢。盡管這種金錫焊料比粘合劑貴，但與維護成本和長期可靠性的顯著改善相比，成本差異很小。

【文章來源：展至科技】

審核編輯 黃昊宇