Kovar合金引脚的热电效应对压力敏感芯体输出的影响_何宇.pdf

研究动态 Research&Development传感器世界 2022.12Vol.28 NO.12 Total 3306摘要：可伐（Kovar）合金与玻璃、陶瓷等被封接材料的热膨胀系数相近，在航空、航天、军工所使用的传感器领域主要用作压力敏感芯体的引脚。航空、航天、军工领域所使用的传感器一般都有低输出漂移量的需求，但是在实际使用过程中，部分传感器上电后会存在较大输出漂移的现象，可伐合金引脚的热电效应就是导致这种现象的原因之一。测量可伐合金引脚热电势-温度变化曲线，计算出可伐合金引脚的 Seebeck 系数；分析不同引脚上产生的热电势对压力敏感芯体输出造成的影响，并给出了详细的计算公式；讨论了几种设计要点，可以通过更改可伐合金引脚的布局、增加热传递的距离、增加隔热层等手段削弱可伐合金引脚热电效应造成的影响。关键词：可伐合金；热电效应；热电势；压力敏感芯体 中图分类号：O482.6 文献标识码：A 文章编号：1006-883X(2022)12-0006-07收稿日期：2022-11-20Kovar 合金引脚的热电效应对压力敏感芯体输出的影响何宇 梁浏 刘松 江方何 王点 刘辉 中国电子科技集团公司第 48 研究所，湖南长沙 410111 0 前言目前，行业内广泛应用的压力敏感芯体的封装形式中，隔离充油金属膜片封装形式（ISO）因为具有良好的气密性、耐腐蚀性，广泛应用于航空、航天、军工等领域，而为了满足相对可靠的玻璃-金属密封的需求，需要使用热膨胀系数与玻璃接近的材料，其中，可伐（Kovar）合金引脚因为与玻璃、陶瓷等被封接材料的热膨胀系数相近1，被广泛应用于如功率管、微波管、晶体管、二极管、集成电路等需要高可靠性的元件中，一般作为元器件的引脚使用。但是，因为可伐合金与一般的导线的热电系数相差较大，所以在可伐合金与其他导线的焊点处的温度场不稳定或发生变化时，会产生变化的热电势，从而对一些小信号产生影响。本文主要研究的是可伐合金引脚的热电势对压力敏感芯体的输出造成的影响，以及如何通过设计手段减小上述问题。1 热电效应塞贝克（Seebeck）效应解释了热电势的本质，即热电势是当受热物体中的电子（空穴）随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生的电流或电荷堆积的一种现象，其实质是热能与电能的相互转换。Seebeck 效应表明，当两种不同材料的导体组成回路，且两端的接触点温度不同时，则在回路中存在电动势，温度差越大，热电势越大。在金属中，电子自由程是热电势的主要影响因素，因为金属中虽然存在许多自由电子，但对导电有贡献的却主要是 Fermi 能级2附近 2 KT 范围内的所谓传导电子，而这些电子的平均自由程与遭受散射的状况和能态密度随能量的变化情况有关。如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而增大的话，那么热端电子将由于一方面具有较大能量，一方面又具有较大平均自由程，则热端电子向冷端输运是主要过程，反之，则冷端电子向热端输运是主要过程。因为金属的载流子浓度和 Fermi 能DOI:10.16204/ki.sw.2022.12.004Research&Development 研究动态传感器世界 2022.12Vol.28 NO.12 Total 3307级的位置基本上都不随温度而发生变化，一般 Seebeck系数为 0 10 mV/K。2 测量可伐合金的 Seebeck 系数Seebeck 系数通常也称温差电动势率，被测材料和参考材料之间满足如下关系3：（1）其中，dV 为相应两点的温差电动势；dT 为相应两点之间的温差。截取一段可伐合金引脚，在引脚的两端焊接两段长度均等的导线，试验如图 1 所示。B 端为参考端，保持在室温 20；A 端为测量端，测量其在 20、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180 温度点下导线两端的电动势，试验数据如表 1 所示。以试验中 A 端温度为横轴，可伐合金引脚的热电势为纵轴，可伐合金引脚温度-热电势曲线图如图 2所示。将表 1 中的数据带入式（1）可得，可伐合金引脚的 Seebeck 系数为 0.015 mV/K。3 可伐合金引脚的热电效应对压阻式压力敏感芯体输出造成的影响3.1 压阻式压力敏感芯体介绍可伐合金引脚的 Seebeck 系数较小，一般来说容易对小信号模拟量输出的敏感元件造成影响，本文仅讨论压阻式压力敏感芯体的情况。压力传感器一般分为电容式和压阻式，其中压阻式压力敏感芯体利用 4个压敏电阻构成开环或者闭环的惠斯通电桥，在感压膜因外力发生形变时，产生与压力近似线性的差模电压输出，从而实现压力测量4。dVSdT=测量端（热端）可伐合金引脚参考端（冷端）数字电压表BAV+-表 1 可伐合金的热电势测量表温度（）热电势（mV）200.0001300.135400.291500.414600.599700.722800.861901.0021001.1391101.3051201.4531301.5831401.7321501.8831602.0061702.1951802.368 00.511.522.520406080100120140160180热电势（mV）温度（）研究动态 Research&Development传感器世界 2022.12Vol.28 NO.12 Total 3308压力敏感芯体内部惠斯通电桥示意图如图3所示。一般来说，敏感芯体外部引脚一般为四线制（闭环电桥）：I+、I-（I1-和 I2-引脚短接）、O+、O-或五线制（开环电桥）：I+、I1-、I2-、O+、O-，这些引脚一般均采用可伐合金引脚，通过导线（金属导线或印制导线）与信号调理电路连接。传感器通电工作中，当某一引脚与导线的焊点处温度场发生变化时，就会导致传感器的输出发生漂移现象。下面分析惠斯通电桥在不同供电模式下，不同引脚的焊点受热电势影响时输出的变化情况。3.2 恒流供电模式下的分析3.2.1 四线制压力敏感芯体四线制恒流供电工作模式下，热电势分别作用于 I+、I-、O+、O-引脚时的等效电路图如图 4 所示。（1）热电势影响作用于 I+引脚时，I+引脚热电势增加，横流供电模式下，恒流电源会调整输出电压，控制回路电流恒定，热电势不会对惠斯通电桥输出造成影响。（2）热电势影响作用于 I-引脚时，I-引脚热电势增加，横流供电模式下，恒流电源会调整输出电压，控制回路电流恒定，热电势不会对惠斯通电桥输出造成影响。（3）热电势影响作用于 O+引脚时，O+引脚热电势增加，相当于直接在O+引脚处的电势叠加热电势，芯体输出的变化量等于热电势的变化量：VO=VO+（2）其中，VO为热电势变化引起的输出变化量；VO+为O+引脚处的热电势变化量。（4）热电势影响作用于 O-引脚时，O-引脚热电势增加，相当于直接在O-引脚处的电势叠加热电势，芯体输出的变化量与热电势的变化量相反：VO=-VO-（3）其中，VO-为 O-引脚处的热电势变化量。3.2.2 五线制压力敏感芯体五线制恒流供电工作模式下，热电势分别作用于 I+、I1-、I2-、O+、O-引脚时的等效电路图如图 5 所示。（1）热电势影响作用于 I+引脚时，I+引脚热电势增加，横流供电模式下，恒流电源会调整输出电压，控制回路电流恒定，热电势不会对惠斯通电桥输出造成影响。（2）热电势影响作用于 I1-引脚时，I1-引脚热电势增加，横流供电模式下，电流源会调整输出电压，输出的变化量如公式（4）所示：R2R4R1R3O-I+O+I2-I1-R2R4R1R3O-I+O+I-R2R4R1R3I+O+I-V-+-+-电压表恒流电源R2R4R1R3O-I+O+I-V-+-电压表恒流电源+-热电势热电势R2R4R1R3O-I+O+I-V-+-电压表恒流电源R2R4R1R3O-I+O+I-V-+-电压表恒流电源热电势+-热电势+-O-Research&Development 研究动态传感器世界 2022.12Vol.28 NO.12 Total 3309 （4）其中，VV为热电势变化引起的横流电源输出电压的变化量；VI1-为 I1-引脚处的热电势变化量；R1、R2、R3、R4 为惠斯通电桥的桥臂电阻值。一般惠斯通电桥的4个桥臂电阻的阻值近似相等，所以上式可以简化为：（3）热电势影响作用于 I2-引脚时，I2-引脚热电势增加，横流供电模式下，电流源会调整输出电压，输出的变化量如公式（5）所示：（5）其中，VI2-为 I2-引脚处的热电势变化量。一般惠斯通电桥的4个桥臂电阻的阻值近似相等，所以上式可以简化为：（4）热电势影响作用于 O+引脚时，O+引脚热电势增加，相当于直接在O+引脚处的电势叠加热电势，芯体输出的变化量等于热电势的变化量，输出变化量的计算公式同式（2）。（5）热电势影响作用于 O-引脚时，O-引脚热电势增加，相当于直接在O-引脚处的电势叠加热电势，芯体输出的变化量与热电势的变化量相反，输出变化量的计算公式同式（3）。3.3 恒压供电模式下的分析3.3.1 四线制压力敏感芯体四线制恒压供电工作模式下，热电势分别作用于 I+、I-、O+、O-引脚的情况下的等效电路图如图 6 所示。（1）热电势影响作用于 I+引脚时，I+引脚热电势增加，恒压供电模式下，惠斯通电桥的供桥电压会减小，输出减小：（6）其中，VI1+为 I+引脚处的热电势变化量。一般惠斯通电桥的4个桥臂电阻的阻值近似相等，所以上式可以简化为：VO 0 （2）热电势影响作用于 I-引脚时，I-引脚热电势增加，恒压供电模式下，惠斯通电桥的供桥电压会增大，输出增大：（7）其中，VI-为 I-引脚处的热电势变化量。一般惠斯通电桥的4个桥臂电阻的阻值近似相等，所以上式可以简化为：VO 0（3）热电势影响作用于 O+引脚时，O+引脚热R2R4R1R3O-I+O+V-+-+-电压表恒流电源R2R4R1R3O-I+O+V-+-电压表恒流电源+-热电势热电势R2R4R1R3O-I+O+V-+-电压表恒流电源R2R4R1R3O-I+O+V-+-电压表恒流电源热电势+-热电势+-I2-I1-I2-I1-R2R4R1R3O-I+O+V-+电压表恒流电源热电势I2-I1-+I2-I1-I2-I1-123()()()1234OVVIRRVVVVRRRR=-+-112OIVV-223()()()1234OVVIRRVVVVRRRR-=+-+212OIVV-23()()1234OIRRVVRRRR=-+23()()1234OIRRVVRRRR=-+-研究动态 Research&Development传感器世界 2022.12Vol.28 NO.12 Total 33010电势增加，相当于直接在O+引脚处的电势叠加热电势，芯体输出的变化量等于热电势的变化量，输出变化量的计算公式同式（2）。（4）热电势影响作用于 O-引脚时，O-引脚热电势增加，相当于直接在O-引脚处的电势叠加热电势，芯体输出的变化量与热电势的变化量相反，输出变化量的计算公式同式（3）。3.3.2 五线制压力敏感芯体五线制恒压供电工作模式下，热电势分别作用于 I+、I1-、I2-、O+、O-引脚时的等效电路图如图 7 所示。（1）热电势影响作用于 I+引脚时，I+引脚热电势增加，恒压供电模式下，惠斯通电桥的供桥电压会减小，输出减小，输出变化量的计算公式同式（6）。（2）热电势影响作用于 I1-引脚时，I1-引脚热电势增加，恒压供电模式下，惠斯通电桥的左（输出-）半桥供桥电压会增加，输出减小：（8）一般惠斯通电桥的4个桥臂电阻的阻值近似相等，所以上式可以简化为：（3）热电势影响作用于 O+引脚时，I2-引脚热电势增加，恒压供电模式下，惠斯通电桥的右（输出+）半桥供桥电压会增加，输出增加：（9）R2R4R1R3I+O+IV-+-+-电压表恒压电源R2R4R1R3O-I+O+I-V-+-电压表恒压电源+-热电势热电势R2R4R1R3O-I+O+I-V-+-电压表恒压电源R2R4R1R3O-I+O+I-V-+-电压表恒压电源热电势+-