何宇 梁瀏 劉松 江方何 王點(diǎn) 劉輝

中國電子科技集團(tuán)公司第48研究所，湖南長(zhǎng)沙 410111

0 前言

目前，行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的壓力敏感芯體的封裝形式中，隔離充油金屬膜片封裝形式（ISO）因?yàn)榫哂辛己玫臍饷苄浴⒛透g性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等領(lǐng)域，而為了滿足相對(duì)可靠的玻璃-金屬密封的需求，需要使用熱膨脹系數(shù)與玻璃接近的材料，其中，可伐（Kovar）合金引腳因?yàn)榕c玻璃、陶瓷等被封接材料的熱膨脹系數(shù)相近[1]，被廣泛應(yīng)用于如功率管、微波管、晶體管、二極管、集成電路等需要高可靠性的元件中，一般作為元器件的引腳使用。但是，因?yàn)榭煞ズ辖鹋c一般的導(dǎo)線的熱電系數(shù)相差較大，所以在可伐合金與其他導(dǎo)線的焊點(diǎn)處的溫度場(chǎng)不穩(wěn)定或發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的熱電勢(shì)，從而對(duì)一些小信號(hào)產(chǎn)生影響。

本文主要研究的是可伐合金引腳的熱電勢(shì)對(duì)壓力敏感芯體的輸出造成的影響，以及如何通過設(shè)計(jì)手段減小上述問題。

1 熱電效應(yīng)

塞貝克（Seebeck）效應(yīng)解釋了熱電勢(shì)的本質(zhì)，即熱電勢(shì)是當(dāng)受熱物體中的電子（空穴）隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是熱能與電能的相互轉(zhuǎn)換。Seebeck效應(yīng)表明，當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體組成回路，且兩端的接觸點(diǎn)溫度不同時(shí)，則在回路中存在電動(dòng)勢(shì)，溫度差越大，熱電勢(shì)越大。在金屬中，電子自由程是熱電勢(shì)的主要影響因素，因?yàn)榻饘僦须m然存在許多自由電子，但對(duì)導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的卻主要是Fermi能級(jí)[2]附近2 KT范圍內(nèi)的所謂傳導(dǎo)電子，而這些電子的平均自由程與遭受散射的狀況和能態(tài)密度隨能量的變化情況有關(guān)。如果熱端電子的平均自由程是隨著電子能量的增加而增大的話，那么熱端電子將由于一方面具有較大能量，一方面又具有較大平均自由程，則熱端電子向冷端輸運(yùn)是主要過程，反之，則冷端電子向熱端輸運(yùn)是主要過程。因?yàn)榻饘俚妮d流子濃度和Fermi能級(jí)的位置基本上都不隨溫度而發(fā)生變化，一般Seebeck系數(shù)為0～10 mV/K。

2 測(cè)量可伐合金的Seebeck系數(shù)

Seebeck系數(shù)通常也稱溫差電動(dòng)勢(shì)率，被測(cè)材料和參考材料之間滿足如下關(guān)系[3]：

其中，dV為相應(yīng)兩點(diǎn)的溫差電動(dòng)勢(shì)；dT為相應(yīng)兩點(diǎn)之間的溫差。

截取一段可伐合金引腳，在引腳的兩端焊接兩段長(zhǎng)度均等的導(dǎo)線，試驗(yàn)如圖1所示。

B端為參考端，保持在室溫20 ℃；A端為測(cè)量端，測(cè)量其在20 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃溫度點(diǎn)下導(dǎo)線兩端的電動(dòng)勢(shì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

以試驗(yàn)中A端溫度為橫軸，可伐合金引腳的熱電勢(shì)為縱軸，可伐合金引腳溫度-熱電勢(shì)曲線圖如圖2所示。

將表1中的數(shù)據(jù)帶入式（1）可得，可伐合金引腳的Seebeck系數(shù)為0.015 mV/K。

表1 可伐合金的熱電勢(shì)測(cè)量表

3 可伐合金引腳的熱電效應(yīng)對(duì)壓阻式壓力敏感芯體輸出造成的影響

3.1 壓阻式壓力敏感芯體介紹

可伐合金引腳的Seebeck系數(shù)較小，一般來說容易對(duì)小信號(hào)模擬量輸出的敏感元件造成影響，本文僅討論壓阻式壓力敏感芯體的情況。壓力傳感器一般分為電容式和壓阻式，其中壓阻式壓力敏感芯體利用4個(gè)壓敏電阻構(gòu)成開環(huán)或者閉環(huán)的惠斯通電橋，在感壓膜因外力發(fā)生形變時(shí)，產(chǎn)生與壓力近似線性的差模電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量[4]。

壓力敏感芯體內(nèi)部惠斯通電橋示意圖如圖3所示。一般來說，敏感芯體外部引腳一般為四線制（閉環(huán)電橋）：I+、I-（I1-和I2-引腳短接）、O+、O-或五線制（開環(huán)電橋）：I+、I1-、I2-、O+、O-，這些引腳一般均采用可伐合金引腳，通過導(dǎo)線（金屬導(dǎo)線或印制導(dǎo)線）與信號(hào)調(diào)理電路連接。傳感器通電工作中，當(dāng)某一引腳與導(dǎo)線的焊點(diǎn)處溫度場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致傳感器的輸出發(fā)生漂移現(xiàn)象。下面分析惠斯通電橋在不同供電模式下，不同引腳的焊點(diǎn)受熱電勢(shì)影響時(shí)輸出的變化情況。

3.2 恒流供電模式下的分析

3.2.1 四線制

壓力敏感芯體四線制恒流供電工作模式下，熱電勢(shì)分別作用于I+、I-、O+、O-引腳時(shí)的等效電路圖如圖4所示。

（1）熱電勢(shì)影響作用于I+引腳時(shí)，I+引腳熱電勢(shì)增加，橫流供電模式下，恒流電源會(huì)調(diào)整輸出電壓，控制回路電流恒定，熱電勢(shì)不會(huì)對(duì)惠斯通電橋輸出造成影響。

（2）熱電勢(shì)影響作用于I-引腳時(shí)，I-引腳熱電勢(shì)增加，橫流供電模式下，恒流電源會(huì)調(diào)整輸出電壓，控制回路電流恒定，熱電勢(shì)不會(huì)對(duì)惠斯通電橋輸出造成影響。

（3）熱電勢(shì)影響作用于O+引腳時(shí)，O+引腳熱電勢(shì)增加，相當(dāng)于直接在O+引腳處的電勢(shì)疊加熱電勢(shì)，芯體輸出的變化量等于熱電勢(shì)的變化量：

其中，V△O為熱電勢(shì)變化引起的輸出變化量；V△O+為O+引腳處的熱電勢(shì)變化量。

（4）熱電勢(shì)影響作用于O-引腳時(shí)，O-引腳熱電勢(shì)增加，相當(dāng)于直接在O-引腳處的電勢(shì)疊加熱電勢(shì)，芯體輸出的變化量與熱電勢(shì)的變化量相反：

其中，V△O-為O-引腳處的熱電勢(shì)變化量。

3.2.2 五線制

壓力敏感芯體五線制恒流供電工作模式下，熱電勢(shì)分別作用于I+、I1-、I2-、O+、O-引腳時(shí)的等效電路圖如圖5所示。

（1）熱電勢(shì)影響作用于I+引腳時(shí)，I+引腳熱電勢(shì)增加，橫流供電模式下，恒流電源會(huì)調(diào)整輸出電壓，控制回路電流恒定，熱電勢(shì)不會(huì)對(duì)惠斯通電橋輸出造成影響。

（2）熱電勢(shì)影響作用于I1-引腳時(shí)，I1-引腳熱電勢(shì)增加，橫流供電模式下，電流源會(huì)調(diào)整輸出電壓，輸出的變化量如公式（4）所示：

其中，V△V為熱電勢(shì)變化引起的橫流電源輸出電壓的變化量；V△I1-為I1-引腳處的熱電勢(shì)變化量；R1、R2、R3、R4為惠斯通電橋的橋臂電阻值。

一般惠斯通電橋的4個(gè)橋臂電阻的阻值近似相等，所以上式可以簡(jiǎn)化為

（3）熱電勢(shì)影響作用于I2-引腳時(shí)，I2-引腳熱電勢(shì)增加，橫流供電模式下，電流源會(huì)調(diào)整輸出電壓，輸出的變化量如公式（5）所示：

其中，V△I2-為I2-引腳處的熱電勢(shì)變化量。

一般惠斯通電橋的4個(gè)橋臂電阻的阻值近似相等，所以上式可以簡(jiǎn)化為

（4）熱電勢(shì)影響作用于O+引腳時(shí)，O+引腳熱電勢(shì)增加，相當(dāng)于直接在O+引腳處的電勢(shì)疊加熱電勢(shì)，芯體輸出的變化量等于熱電勢(shì)的變化量，輸出變化量的計(jì)算公式同式（2）。

（5）熱電勢(shì)影響作用于O-引腳時(shí)，O-引腳熱電勢(shì)增加，相當(dāng)于直接在O-引腳處的電勢(shì)疊加熱電勢(shì)，芯體輸出的變化量與熱電勢(shì)的變化量相反，輸出變化量的計(jì)算公式同式（3）。

3.3 恒壓供電模式下的分析

3.3.1 四線制

壓力敏感芯體四線制恒壓供電工作模式下，熱電勢(shì)分別作用于I+、I-、O+、O-引腳的情況下的等效電路圖如圖6所示。

（1）熱電勢(shì)影響作用于I+引腳時(shí)，I+引腳熱電勢(shì)增加，恒壓供電模式下，惠斯通電橋的供橋電壓會(huì)減小，輸出減?。?/p>

其中，V△I1+為I+引腳處的熱電勢(shì)變化量。

一般惠斯通電橋的4個(gè)橋臂電阻的阻值近似相等，所以上式可以簡(jiǎn)化為：V△O≈ 0

（2）熱電勢(shì)影響作用于I-引腳時(shí)，I-引腳熱電勢(shì)增加，恒壓供電模式下，惠斯通電橋的供橋電壓會(huì)增大，輸出增大：

其中，V△I-為I-引腳處的熱電勢(shì)變化量。

一般惠斯通電橋的4個(gè)橋臂電阻的阻值近似相等，所以上式可以簡(jiǎn)化為：V△O≈ 0

（3）熱電勢(shì)影響作用于O+引腳時(shí)，O+引腳熱電勢(shì)增加，相當(dāng)于直接在O+引腳處的電勢(shì)疊加熱電勢(shì)，芯體輸出的變化量等于熱電勢(shì)的變化量，輸出變化量的計(jì)算公式同式（2）。

（4）熱電勢(shì)影響作用于O-引腳時(shí)，O-引腳熱電勢(shì)增加，相當(dāng)于直接在O-引腳處的電勢(shì)疊加熱電勢(shì)，芯體輸出的變化量與熱電勢(shì)的變化量相反，輸出變化量的計(jì)算公式同式（3）。

3.3.2 五線制

壓力敏感芯體五線制恒壓供電工作模式下，熱電勢(shì)分別作用于I+、I1-、I2-、O+、O-引腳時(shí)的等效電路圖如圖7所示。

（1）熱電勢(shì)影響作用于I+引腳時(shí)，I+引腳熱電勢(shì)增加，恒壓供電模式下，惠斯通電橋的供橋電壓會(huì)減小，輸出減小，輸出變化量的計(jì)算公式同式（6）。

（2）熱電勢(shì)影響作用于I1-引腳時(shí)，I1-引腳熱電勢(shì)增加，恒壓供電模式下，惠斯通電橋的左（輸出-）半橋供橋電壓會(huì)增加，輸出減小：

一般惠斯通電橋的4個(gè)橋臂電阻的阻值近似相等，所以上式可以簡(jiǎn)化為:

（3）熱電勢(shì)影響作用于O+引腳時(shí)，I2-引腳熱電勢(shì)增加，恒壓供電模式下，惠斯通電橋的右（輸出+）半橋供橋電壓會(huì)增加，輸出增加：

一般惠斯通電橋的4個(gè)橋臂電阻的阻值近似相等，所以上式可以簡(jiǎn)化為

（4）熱電勢(shì)影響作用于O+引腳時(shí)，O+引腳熱電勢(shì)增加，相當(dāng)于直接在O+引腳處的電勢(shì)疊加熱電勢(shì)，芯體輸出的變化量等于熱電勢(shì)的變化量，輸出變化量的計(jì)算公式同式（2）。

（5）熱電勢(shì)影響作用于O-引腳時(shí)，O-引腳熱電勢(shì)增加，相當(dāng)于直接在O-引腳處的電勢(shì)疊加熱電勢(shì)，芯體輸出的變化量與熱電勢(shì)的變化量相反，輸出變化量的計(jì)算公式同式（3）。

通過上述分析可知，當(dāng)O+、O-引腳處的熱電勢(shì)發(fā)生變化時(shí)，惠斯通電橋輸出的變化量直接等于熱電勢(shì)的變化量，且變化的方向相反；I+、I-引腳處的熱電勢(shì)發(fā)生變化時(shí)，惠斯通電橋輸出的變化量幾乎為零；在五線制模式下，I1-、I2-引腳處的熱電勢(shì)發(fā)生變化時(shí)，惠斯通電橋輸出的變化量約等于熱電勢(shì)變化量的一半，且變化的方向相反。

4 通過設(shè)計(jì)手段弱化可伐合金引腳的熱電效應(yīng)帶來的影響

4.1 熱電效應(yīng)可能造成的影響

已知可伐合金引腳的Seebeck系數(shù)為S=0.01479 mV/K，約10 ℃的溫度變化量導(dǎo)致的可伐合金引腳的熱電勢(shì)變化量約為0.15 mV。市場(chǎng)上常見的壓力敏感芯體，包括濺射薄膜、SOI、擴(kuò)散硅類型的壓力敏感芯體，滿量程范圍一般為10～300 mV，意味著壓敏芯體在工作中，一旦芯體引腳附近出現(xiàn)了熱源，導(dǎo)致芯體引腳附近溫度場(chǎng)失衡，某根引腳的溫度高于其他引腳10 ℃時(shí)，就有可能會(huì)導(dǎo)致敏感芯體的輸出發(fā)生 0.05% F.S.～1.5% F.S.的漂移。考慮到實(shí)際的情況更為復(fù)雜，這個(gè)輸出漂移量的范圍還可能更大，這對(duì)航空、航天、軍工等方面的高精度、低漂移的傳感器來說是無法接受的，在無法更換敏感芯體引腳材料的前提下，只能在設(shè)計(jì)上尋求解決的辦法。

4.2 更改引腳布局

在設(shè)計(jì)芯體時(shí)，將O+、O-的引腳位置盡可能靠近，將I+、I-的引腳位置盡可能靠近。通過前文分析可知，壓力敏感芯體的O+、O-的引腳處的熱電勢(shì)對(duì)輸出的影響量是絕對(duì)值相等且方向相反的；I+、I-的引腳處的熱電勢(shì)對(duì)輸出的影響量是絕對(duì)值近似相等且方向相反的。當(dāng)兩根引腳的位置足夠靠近時(shí)，他們與其他導(dǎo)線的焊點(diǎn)處于相同的溫度下，熱電勢(shì)對(duì)輸出的影響量就可以相互抵消。

4.3 隔絕/遠(yuǎn)離熱源

設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，將可能發(fā)熱的熱源盡可能地遠(yuǎn)離芯體的引腳，可以考慮通過加大敏感芯體與功率器件所在電路板的熱傳導(dǎo)距離或降低熱傳遞效率。

在傳感器內(nèi)部，熱量想要從元器件傳導(dǎo)至引腳的焊點(diǎn)處上有兩種途徑：一種是通過空氣傳導(dǎo)熱量；另一種是通過導(dǎo)線傳導(dǎo)熱量。所以,設(shè)計(jì)者可以在可伐合金引腳與導(dǎo)線之間增加隔熱層，以及通過增加發(fā)熱元件到引腳焊點(diǎn)位置的物理距離或增加引腳焊點(diǎn)到電路板上的導(dǎo)線長(zhǎng)度等方法，減弱熱源對(duì)引腳焊點(diǎn)處的熱量傳遞。

圖8為壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器內(nèi)部一般有壓力敏感芯體以及信號(hào)調(diào)理電路板。信號(hào)調(diào)理電路板上一般有供電單元和信號(hào)調(diào)理單元兩部分：供電單元一般用于給敏感芯體或其他信號(hào)調(diào)理芯片供電；信號(hào)調(diào)理單元一般用于調(diào)理敏感芯體輸出的信號(hào)，將敏感芯體的信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5 V或4～20 mA的傳統(tǒng)工業(yè)信號(hào)。傳感器內(nèi)部發(fā)熱源主要位于供電單元，因此可以將信號(hào)調(diào)理電路板設(shè)計(jì)成雙層板，將供電單元放置在頂層，將電路板與壓力敏感芯體的距離拉遠(yuǎn)，敏感芯體連接至電路板上的導(dǎo)線延長(zhǎng)，在可伐合金引腳與導(dǎo)線的焊點(diǎn)處涂覆隔熱膠，或在電路板和芯體之間增加隔熱罩，采用以上措施都可以有效減弱熱源對(duì)引腳焊點(diǎn)處的熱量傳遞。

5 結(jié)束語

本文主要討論了可伐合金引腳的熱電效應(yīng)對(duì)壓力敏感芯體輸出造成的影響。由于可伐合金引腳的Seebeck系數(shù)較小，熱電效應(yīng)并不明顯，對(duì)于一般的功率型器件無法產(chǎn)生較大影響，但是對(duì)于壓力敏感芯體來說，由于輸出信號(hào)較小且為模擬信號(hào)（一般為mV級(jí)別的模擬信號(hào)），熱電勢(shì)可能對(duì)其輸出的穩(wěn)定性造成較大影響。對(duì)于這種影響，由于可伐合金的特殊性以及其廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，目前暫無更好材料對(duì)其進(jìn)行替換，所以在設(shè)計(jì)上可以采用例如更改可伐合金引腳的布局、增加熱傳遞的距離、增加隔熱層等方式，來削弱可伐合金引腳的熱電效應(yīng)對(duì)壓力敏感芯體輸出造成的影響。