Kovar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]：

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。

表1 可伐合金的热电势测量表

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]。

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：

其中，V△O为热电势变化引起的输出变化量；V△O+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：

其中，V△O-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：

其中，V△V为热电势变化引起的横流电源输出电压的变化量；V△I1-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：

其中，V△I2-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：

其中，V△I1+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：V△O≈ 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：

其中，V△I-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：V△O≈ 0

（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，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：

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：

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）。

通过上述分析可知，当O+、O-引脚处的热电势发生变化时，惠斯通电桥输出的变化量直接等于热电势的变化量，且变化的方向相反；I+、I-引脚处的热电势发生变化时，惠斯通电桥输出的变化量几乎为零；在五线制模式下，I1-、I2-引脚处的热电势发生变化时，惠斯通电桥输出的变化量约等于热电势变化量的一半，且变化的方向相反。

4 通过设计手段弱化可伐合金引脚的热电效应带来的影响

4.1 热电效应可能造成的影响

已知可伐合金引脚的Seebeck系数为S=0.01479 mV/K，约10 ℃的温度变化量导致的可伐合金引脚的热电势变化量约为0.15 mV。市场上常见的压力敏感芯体，包括溅射薄膜、SOI、扩散硅类型的压力敏感芯体，满量程范围一般为10～300 mV，意味着压敏芯体在工作中，一旦芯体引脚附近出现了热源，导致芯体引脚附近温度场失衡，某根引脚的温度高于其他引脚10 ℃时，就有可能会导致敏感芯体的输出发生 0.05% F.S.～1.5% F.S.的漂移。考虑到实际的情况更为复杂，这个输出漂移量的范围还可能更大，这对航空、航天、军工等方面的高精度、低漂移的传感器来说是无法接受的，在无法更换敏感芯体引脚材料的前提下，只能在设计上寻求解决的办法。

4.2 更改引脚布局

在设计芯体时，将O+、O-的引脚位置尽可能靠近，将I+、I-的引脚位置尽可能靠近。通过前文分析可知，压力敏感芯体的O+、O-的引脚处的热电势对输出的影响量是绝对值相等且方向相反的；I+、I-的引脚处的热电势对输出的影响量是绝对值近似相等且方向相反的。当两根引脚的位置足够靠近时，他们与其他导线的焊点处于相同的温度下，热电势对输出的影响量就可以相互抵消。

4.3 隔绝/远离热源

设计传感器时，将可能发热的热源尽可能地远离芯体的引脚，可以考虑通过加大敏感芯体与功率器件所在电路板的热传导距离或降低热传递效率。

在传感器内部，热量想要从元器件传导至引脚的焊点处上有两种途径：一种是通过空气传导热量；另一种是通过导线传导热量。所以,设计者可以在可伐合金引脚与导线之间增加隔热层，以及通过增加发热元件到引脚焊点位置的物理距离或增加引脚焊点到电路板上的导线长度等方法，减弱热源对引脚焊点处的热量传递。

图8为压力传感器内部结构示意图。传感器内部一般有压力敏感芯体以及信号调理电路板。信号调理电路板上一般有供电单元和信号调理单元两部分：供电单元一般用于给敏感芯体或其他信号调理芯片供电；信号调理单元一般用于调理敏感芯体输出的信号，将敏感芯体的信号转换成0～5 V或4～20 mA的传统工业信号。传感器内部发热源主要位于供电单元，因此可以将信号调理电路板设计成双层板，将供电单元放置在顶层，将电路板与压力敏感芯体的距离拉远，敏感芯体连接至电路板上的导线延长，在可伐合金引脚与导线的焊点处涂覆隔热胶，或在电路板和芯体之间增加隔热罩，采用以上措施都可以有效减弱热源对引脚焊点处的热量传递。

5 结束语

本文主要讨论了可伐合金引脚的热电效应对压力敏感芯体输出造成的影响。由于可伐合金引脚的Seebeck系数较小，热电效应并不明显，对于一般的功率型器件无法产生较大影响，但是对于压力敏感芯体来说，由于输出信号较小且为模拟信号（一般为mV级别的模拟信号），热电势可能对其输出的稳定性造成较大影响。对于这种影响，由于可伐合金的特殊性以及其广泛应用的现状，目前暂无更好材料对其进行替换，所以在设计上可以采用例如更改可伐合金引脚的布局、增加热传递的距离、增加隔热层等方式，来削弱可伐合金引脚的热电效应对压力敏感芯体输出造成的影响。