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德国夫琅和费研究所研究出可耐受300摄氏度的电容器和900摄氏度的超声传感器

    热、灰尘和湿气会损害电子器件。保护电子元器件不受灰尘和湿气的方法非常直接,但热仍是一个重要问题,因为热是由器件自身产生。有电流的地方就会产生热,而且在电子元器件内部并没有足够的空间来安装冷却鱼鳍或通风机来散掉热量。工作在热环境下的器件会带来一个或多个问题,如,一个在石油产业用钻头在地表以下数千米的地方高速旋转,产生的温度超过250摄氏度,超过一般电子元器件耐受温度的极限。

    为此,德国夫琅和费研究所一直将耐高温作为其重点研究内容。今天的两篇推送是德国夫琅和费研究所下属两个研究分所近期在耐高温领域获得的进展。

 

可耐受300摄氏度高温的电容器

    德国夫琅和费研究所微电子电路和系统研究分所(IMS)研究出能够经受住300摄氏度温度的电容,远高于一般电容125摄氏度的上限。电容结构设计非常简单,有两个分别做正、负电极的导电薄片和做绝缘层的电介质。IMS的Dorothee Dietz和其研究团队通过综合使用创新性材料和几个设计技巧成功改进了电容的热阻。

    技术核心——3D设计

    研究团队在导电金属层表面刻蚀了小通孔来增加面积。该3D设计增加了电容的容量,并使其可以使用更厚的电介质。一个更厚的电介质层可以耐受更高的温度,减少电容中不受控的电流泄露。

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图为带有增加表面积小孔的晶圆

    技术核心——混合材料

    研究人员探索出通过使用五氧化二钽制造绝缘电介质的新方法。该混合材料比常用的二氧化硅具有更强的电荷储存能力,可因此增加电容容量。出于这个原因,该特殊的高性能材料在电子工程中有时也被称为高K电介质。此外,研究人员还使用高电导性硅和钌,后者尤其稳定和耐热。

    技术核心——单原子厚

    Dietz表示,耐高温并不是IMS所提供半导体具有的唯一优势。晶体管同样使用金属氧化物半导体(MOS)工艺来制造,在只有一原子层厚的层上工作(原子层淀积)。这使得其有可能精确决定多层的整体厚度,使得产品非常灵活。制造商可以精确地根据用户的要求来制造器件,而不需改变工艺流程。

    意义和应用

    高温电子研究中获取的专业知识能够用于很多其他有源或无源结构器件中,如电阻、二极管和晶体管。此外,IMS研制的技术同样也适用于完整的集成电路。电容不仅能够用于钻头中,还可用于发动机喷射系统或飞机涡轮中,即可用于任何需要耐极高温和高可靠器件的应用中。


可耐受900摄氏度的传感器

    德国夫琅和费研究所硅酸盐研究分所(ISC)的研究人员成功开发出可在900摄氏度高温下持续工作的耐高温压电传感器。

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图为可耐受900摄氏度的超声传感器

    需求背景

    在检查电子、机械系统和建筑物等中可能出现的常规性缺陷时,如发现火力发电站的蒸汽管上出现的裂缝、腐蚀或其它缺陷,常用可测量压力、应力或电压等参数的压电传感器,但这类传感器通常只能工作在200摄氏度以内的环境中。当高于这个温度时,传统的压电材料就无法再确定压力、应力、电压、加速度,或用于气体传感器。而且,在此温度下,任何非耐高温的塑料封装也会被损坏。

    工作原理

    其原理和其它压电传感器基本一样:它们会被安装在被测部件的外部,如热钢管的外部。当交变电压施加在压电晶体上时,它会发生机械形变,从而向被测部件发出一段超声波。之后,传感器接收并探测从被测部件反射回来的信号。对于大多数情况,接收与发出的信号一致。如果部件出现了裂缝或者腐蚀点,缺陷部位将改变反射信号,从而指示出缺陷的位置。在测量温度时,可基于声波的传播速度,因为声波的传播速度和温度有关。

    技术优势

    ISC研究出能够在最高900摄氏度的高温下持续进行部件探测的超声传感器。ISC智能材料研究中心应用技术部门主任Bernhard Brunner博士说:“我们已经成功将这款传感器应用在最高600℃的场景中。总体来看,这款传感器应该能够耐受最高900℃的高温”。另外,这款超声传感器还能够保持长期稳定运行:对于所有使用情况,它至少能够稳定运行两年;对于部分应用,预计服务寿命也能够达到数十年。当使用多个传感器用作发射器和接收器,缺陷的位置可以精确到几毫米范围。根据材质的不同,传感器可以覆盖数米的监测范围。

    技术核心

    制作耐高温超声传感器的挑战在于,制作出能够在高温部件上维持超声传感器运行的标准压电晶体。更为困难的是,能够包裹传感器并将其粘贴在系统上的粘合剂,它往往无法持续耐受非常高的温度。Brunner解释说:“这就是为什么我们采用玻璃焊剂作为粘合剂和封装材料的原因。”这意味着粘合组份中的玻璃不仅需要能够耐受高温,尤其还要能耐受环境温度和器件运行温度之间数百度的温差。

    当被测组件受热时,其中的钢材会显著膨胀,而压电晶体的形变则非常有限。传感器嵌入的玻璃焊剂需要能够耐受这些形变,而不至于破碎。最后,研究人员在传感器上涂覆了多层不同的玻璃焊剂,它们之间以及和被测组件的特种材料都能够完美相容。对应的玻璃焊剂以及加工技术、生产工艺都来自ISC。为了保证电信号传输线在高温下不被破坏,相关线缆采用了铂等贵金属。

    应用示例

应用前景广阔,除了检测缺陷,研究人员可以进行非接触地测量流过管道的石油等高温液体和气体的温度等,并在数毫秒内获得测量结果,远高于利用电极进行测量所需的数秒时间。

为此,德国夫琅和费研究所一直将耐高温作为其重点研究内容。今天的两篇推送是德国夫琅和费研究所下属两个研究分所近期在耐高温领域获得的进展。

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