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微机电系统(MEMS)压力传感器的描述通常包括这样的声明:“适用于非腐蚀性、非离子型工作流体,如空气或干燥气体。”按照这一指导方针,用户可以期望MEMS压力传感器有较长的工作寿命。但如果应用程序不符合指导方针怎么办?本白皮书将解释为什么MEMS压力传感器需要保护,并讨论潜在的解决方案,包括Parylene。
为什么MEMS压力传感器需要额外的保护
MEMS压力传感器采用压阻技术(PRT),在40多年前问世,比其他任何技术都能满足更多的压力传感需求。原因很简单:PRT允许绝对、测量和压差测量,可以解决高和低体积应用。此外,这些传感器精度高,可重复性高,比其他替代品更好地满足成本目标。
许多MEMS压力传感器可用塑料包装,但有些是金属或陶瓷。线键连接压力传感器的模具表面上的电触点与封装的引线,以接口到外部组件。
在硅压力传感器中,钝化层应用于晶圆制造过程的末尾,保护了顶部表面植入或扩散的元件,但将膜片区域进行了屏蔽,以避免由于保护玻璃层而产生的不同材料界面和阻尼效应(响应时间较短)。因此,经常需要在包级别进行后续保护,特别是对于苛刻的应用程序。具有保护凝胶的截面示例如图1所示。
潜在的保护技术
不同的解决方案已经被开发出来,以保护压力传感器不受恶劣介质的影响,包括充油、密封不锈钢、o型环/隔膜、流体静力甲基硅凝胶等。虽然敏感的传感器表面必须与有害介质隔离,但压力仍然必须准确地传输到传感器的膜片进行静态和动态测量。油或凝胶填充中的空气空隙会导致测量不准。只要遵循传感器制造商的建议,硅酮凝胶涂层通常可以在低至5psi的压力下使用,但对于许多较低范围的应用,如±30inH2O(±1.08psi)至±1inH2O(±0.036psi),需要不同的方法。
另一种苛刻的介质保护解决方案是对苯二甲酸。这种薄膜涂层提供了水分,化学和介电屏障,并提供了热和紫外线(UV)稳定性和干膜润滑。对苯二甲酸是目前最薄的有效涂层技术。其中一个对二甲苯很重要特色就是能力覆盖所有表面,包括深入多层和裂缝。与增加腔填充液体的重量不同,Parylene coating对传感器的准确性和可重复性影响最小。
对苯二甲酸作为最优成本效益保护解决方案
采用专门的化学气相沉积(CVD)工艺,可提供高度均匀的保形涂层。
在气相沉积聚合过程中,被涂覆的产品放置在专用真空沉积设备的产品室中。
接下来,二聚体,原材料被放置在系统的上游。二聚体(一种低聚体,或由两个单体组成的重复单元的分子单元)是一种固体颗粒状物质。二聚体在真空下加热,直到它蒸发成二聚体气体,以热解(或热分解)成单体气体。
最后,单体气体流入环境温度室并在所有表面聚合成一层薄的透明薄膜。至此,整个过程就完成了,因为不需要沉积后固化。
由于它是作为一种气体应用的,所以对二甲苯覆盖所有暴露的基板表面,并穿透多层组件上的小裂缝和致密区域,提供完整和均匀的封装。聚合物涂层的目标厚度是由应用和所需的涂层性能决定的。化学惰性材料的典型厚度在微米范围内。
将二甲苯导入/导入生产压力传感器
与其他提供Parylene coating的压力传感器供应商不同,All Sensors在内部执行此过程。
All Sensors使用的对苯二甲酸酯比其他类型的对苯二甲酸酯表现出更快的沉积速率。通过内部工艺,All Sensors成功地将压力传感器涂层低至±1inH2O(±0.036psi)满量程(FS),灵敏度在4.5mV/V/inH范围内2O。
在恶劣环境中具有二甲苯保护的传感器示例
除了医疗应用,Parylene是工业应用的理想选择,如流量控制器,燃气/丙烷电器等。
医学应用
由于Parylene是化学惰性的,它是生物相容性和安全的,可用于医疗设备的涂层。此外,它感染或扭曲数据读数的可能性很小。在有体液和组织存在的情况下,对二甲苯仍保持其成分稳定性和性能。
工业应用
甲烷是天然气的主要成分,监测或控制甲烷是二甲苯保护压力传感器的天然应用。对于流量控制,传感器的量程低至±1inH2可能需要O(±0.036psi)。甲烷作为最清洁的化石燃料,具有替代其他化石燃料的巨大潜力。对甲烷的控制和监测,特别是泄漏的检测对其安全使用至关重要。
总结
要想在广泛的应用程序中存活下来,需要解决应用程序的所有关键参数。对于压力传感器,这包括对苛刻的,有时是腐蚀性介质的适当保护。40多年来,对二甲苯一直用于为压力传感器和其他电子产品提供这种保护。
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