Kovar合金引腳的熱電效應(yīng)對壓力敏感芯體輸出的影響

何宇 梁瀏 劉松 江方何 王點 劉輝

中國電子科技集團(tuán)公司第48研究所，湖南長沙 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）因為具有良好的氣密性、耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等領(lǐng)域，而為了滿足相對可靠的玻璃-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）合金引腳因為與玻璃、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，因為可伐合金與一般的導(dǎo)線的熱電系數(shù)相差較大，所以在可伐合金與其他導(dǎo)線的焊點處的溫度場不穩(wěn)定或發(fā)生變化時，會產(chǎn)生變化的熱電勢，從而對一些小信號產(chǎn)生影響。

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

1 熱電效應(yīng)

塞貝克（Seebeck）效應(yīng)解釋了熱電勢的本質(zhì)，即熱電勢是當(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)移動時，所產(chǎn)生的電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象，其實質(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，且兩端的接觸點溫度不同時，則在回路中存在電動勢，溫度差越大，熱電勢越大。在金屬中，電子自由程是熱電勢的主要影響因素，因為金屬中雖然存在許多自由電子，但對導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的卻主要是Fermi能級[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是主要過程，反之，則冷端電子向熱端輸運是主要過程。因為金屬的載流子濃度和Fermi能級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 測量可伐合金的Seebeck系數(shù)

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

其中，dV為相應(yīng)兩點的溫差電動勢；dT為相應(yīng)兩點之間的溫差。

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

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

以試驗中A端溫度為橫軸，可伐合金引腳的熱電勢為縱軸，可伐合金引腳溫度-熱電勢曲線圖如圖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 可伐合金的熱電勢測量表

3 可伐合金引腳的熱電效應(yīng)對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，一般來說容易對小信號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，產(chǎn)生與壓力近似線性的差模電壓輸出，從而實現(xiàn)壓力測量[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)線的焊點處溫度場發(fā)生變化時，就會導(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，不同引腳的焊點受熱電勢影響時輸出的變化情況。

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，熱電勢分別作用于I+、I-、O+、O-引腳時的等效電路圖如圖4所示。

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

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

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

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

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

其中，V△O-為O-引腳處的熱電勢變化量。

3.2.2 五線制

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

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

（2）熱電勢影響作用于I1-引腳時，I1-引腳熱電勢增加，橫流供電模式下，電流源會調(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個橋臂電阻的阻值近似相等，所以上式可以簡化為

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

其中，V△I2-為I2-引腳處的熱電勢變化量。

一般惠斯通電橋的4個橋臂電阻的阻值近似相等，所以上式可以簡化為

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

（5）熱電勢影響作用于O-引腳時，O-引腳熱電勢增加，相當(dāng)于直接在O-引腳處的電勢疊加熱電勢，芯體輸出的變化量與熱電勢的變化量相反，輸出變化量的計算公式同式（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）熱電勢影響作用于I+引腳時，I+引腳熱電勢增加，恒壓供電模式下，惠斯通電橋的供橋電壓會減小，輸出減小：

其中，V△I1+為I+引腳處的熱電勢變化量。

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

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

其中，V△I-為I-引腳處的熱電勢變化量。

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

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

（4）熱電勢影響作用于O-引腳時，O-引腳熱電勢增加，相當(dāng)于直接在O-引腳處的電勢疊加熱電勢，芯體輸出的變化量與熱電勢的變化量相反，輸出變化量的計算公式同式（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，熱電勢分別作用于I+、I1-、I2-、O+、O-引腳時的等效電路圖如圖7所示。

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

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

一般惠斯通電橋的4個橋臂電阻的阻值近似相等，所以上式可以簡化為:

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

一般惠斯通電橋的4個橋臂電阻的阻值近似相等，所以上式可以簡化為

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

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

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

4 通過設(shè)計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變化量約為0.15 mV。市場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失衡，某根引腳的溫度高于其他引腳10 ℃時，就有可能會導(dǎo)致敏感芯體的輸出發(fā)生 0.05% F.S.～1.5% F.S.的漂移。考慮到實際的情況更為復(fù)雜，這個輸出漂移量的范圍還可能更大，這對航空、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)計上尋求解決的辦法。

4.2 更改引腳布局

在設(shè)計芯體時，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-的引腳處的熱電勢對輸出的影響量是絕對值相等且方向相反的；I+、I-的引腳處的熱電勢對輸出的影響量是絕對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，他們與其他導(dǎo)線的焊點處于相同的溫度下，熱電勢對輸出的影響量就可以相互抵消。

4.3 隔絕/遠(yuǎn)離熱源

設(shè)計傳感器時，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)熱元件到引腳焊點位置的物理距離或增加引腳焊點到電路板上的導(dǎo)線長度等方法，減弱熱源對引腳焊點處的熱量傳遞。

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調(diào)理電路板。信號調(diào)理電路板上一般有供電單元和信號調(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調(diào)理芯片供電；信號調(diào)理單元一般用于調(diào)理敏感芯體輸出的信號，將敏感芯體的信號轉(zhuǎn)換成0～5 V或4～20 mA的傳統(tǒng)工業(yè)信號。傳感器內(nèi)部發(fā)熱源主要位于供電單元，因此可以將信號調(diào)理電路板設(shè)計成雙層板，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，在可伐合金引腳與導(dǎo)線的焊點處涂覆隔熱膠，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引腳焊點處的熱量傳遞。

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，對于一般的功率型器件無法產(chǎn)生較大影響，但是對于壓力敏感芯體來說，由于輸出信號較小且為模擬信號（一般為mV級別的模擬信號），熱電勢可能對其輸出的穩(wěn)定性造成較大影響。對于這種影響，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其進(jìn)行替換，所以在設(shè)計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)對壓力敏感芯體輸出造成的影響。