白皮书

适用于腐蚀性环境的传感器

了解旨在承受腐蚀性和严苛化学环境暴露的传感器设计改进。

从工厂车间到健身跟踪器,传感器为满足着眼于未来的不断变化的需求发挥着至关重要的作用。消费类设备和工业设备包含越来越多的传感器,这些传感器由无线和物联网技术的广泛使用所驱动。传感器内部的改进对这些市场至关重要 - 超紧凑、低功耗、高精度、耐严苛介质的数字传感器必须设计成能够应对和超越这些性能挑战。

压力传感器广泛应用于汽车、工业、医疗和消费品等各种市场。世界日益连通和智能化。为了实现这一点,现在传感器的使用涉及对传感器不太友好的应用和环境。其中许多应用需要能够承受腐蚀性和严苛化学品暴露的传感器。这些化学物质通常存在于传感器尝试测量的介质中。这些化学物质将与传感器本身直接接触,为了提供可靠性和较长使用寿命,现代传感器必须设计为能够承受和抵御这些化学物质的攻击。例如在游泳手表中使用压力传感器。这些手表经常暴露于含氯的水中,氯作为溶解气体(游泳池)或离子形式(海水)存在。氯是一种强氧化剂,可迅速腐蚀大多数金属,对产品造成不可逆转的损害。

图 1. 来自 TE Connectivity 的 MS5839 高度计

MEMS 压力传感器的操作

压阻式压力传感器的典型结构是由化学物质或干蚀刻形成的平面硅隔离膜。压阻式硅压力传感器放置在传感器线性工作范围以内且靠近薄膜边缘的位置。

图 2. MEMS 压力模具

对 MEMS 元件施加压力时,它像弹簧垫一样偏转。偏转在压阻式元件中形成张力,它们根据偏转的比例改变其电阻值

图 3. 模具对压力的反应

在实践中,使用四个压阻式压力传感器,以惠斯通电桥结构排列,最大程度提高信号级别,并对不良噪声提供一定程度的共模抑制。

图 4. 惠斯通电桥

检测传感器问题的一种方法是在不施加任何压力的情况下查看输出信号偏移。如果工作正常,差分输出应为 0V。如果输出不是 0V,则表示传感元件存在问题。腐蚀性化学品的腐蚀会影响压阻式元件、互连和导线接合焊盘的功能。腐蚀会引入传感器的输出信号和错误数据的偏移。在任何情况下,MEMS 传感器元件中的信号会连接到 CMOS ASIC,在 CMOS ASIC 中,信号会进行温度线性和其他误差补偿,然后被放大和数字化。然后,通过 I2C 或 SPI 协议对此数字数据进行格式化,以便轻松与主微处理器通信。

具有保护功能的包装

MEMS 传感元件和 CMOS ASIC 的包装和环境隔离对于压力传感器的可靠功能非常重要。它们为芯片提供保护,同时允许与外界连接。所有传感器必须实际接触其测量的介质或现象。此外,它们必须连接到使用传感器提供的数据的电子系统。

图 5. MS5839 分解图
图 6. 运动手表

面向严苛环境的独特技术

TE Connectivity 开发了适用于包括卤素(氟、氯、溴、碘)等强氧化剂的严苛和腐蚀性环境的小型压力传感器。这些类型的严苛环境存在于汽车、医疗和个人可穿戴设备市场。

图 7. 氯气暴露

在汽车应用中,一些用作“阻燃剂”的有机聚合物是使用卤素化合物配制的。这些材料可以排出含卤族元素的化学物质,如碘甲烷(富碘甲烷)。即使浓度只有几 ppm,碘甲烷也能对 MEMS 和半导体芯片的金属间化合特性起到催化剂的作用,这给我们的汽车客户带来了严重的问题。

 

游泳池中的氯化水为可穿戴设备应用带来了类似的相关问题。TE 的压力传感器应用于铁人三项选手使用的运动手表高度计或潜水计算机中的深度传感器。如果没有适当的设备包装和保护,在游泳池或海水(都富含溶解的或以离子形式存在的氯)中使用时,传感器可能会腐蚀和发生故障。

测试和验证

通过将传感器包装暴露于盐水、氯水和二碘甲烷气体中,TE Connectivity 开发的新技术和设计已经过测试。结果显示二碘甲烷暴露环境是最严苛的测试。下图显示了传感元件在二碘甲烷和氯水暴露环境中的信号输出偏移。偏移被认为是非常有限的。此外,偏离中的偏移可以主要通过潮湿环境(而不是二碘甲烷)的存在来解释。另一项在 85°C 和 85%RH 条件下执行的加速寿命测试显示偏离和跨度有相同的偏移,如二碘甲烷结果中所示。

氯测试

图 8. 氯测试结果

二碘甲烷测试

图 9. 二碘甲烷测试结果

总结

TE Connectivity 的新包装设计和装配程序为传感器提供了增强的耐腐蚀性化学品和大气的能力。这增强了客户对 TE 传感器的信心,相信其在腐蚀性环境应用中可更好地抵御失效或故障。

实际性能可能因应用而异。尽管本文提供的测试结果显示耐腐蚀性增强,但客户必须针对其具体应用对传感器进行适当的测试并判定其是否合格。

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