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  • 用丝网印刷和烧结等厚膜工艺在同一基片上制作无源网络,并在其上组装分立的半导体器件芯片或单片集成电路或微型元件,再外加封装而成的混合集成电路。厚膜混合集成电路是一种微型电子功能部件。 1.特点和应用与薄膜...

    一文读懂高温厚膜电路
    用丝网印刷和烧结等厚膜工艺在同一基片上制作无源网络,并在其上组装分立的半导体器件芯片或单片集成电路或微型元件,再外加封装而成的混合集成电路。厚膜混合集成电路是一种微型电子功能部件。
    在这里插入图片描述
    1.特点和应用与薄膜混合集成电路相比,厚膜混合集成电路的特点是设计更为灵活、工艺简便、成本低廉,特别适宜于多品种小批量生产。在电性能上,它能耐受较高的电压、更大的功率和较大的电流。厚膜微波集成电路的工作频率可以达到4吉赫以上。它适用于各种电路,特别是消费类和工业类电子产品用的模拟电路。带厚膜网路的基片作为微型印制线路板已得到广泛的应用。
    2.主要工艺根据电路图先划分若干个功能部件图,然后用平面布图方法转化成基片上的平面电路布置图,再用照相制版方法制作出丝网印刷用的厚膜网路模板。厚膜混合集成电路最常用的基片是含量为96%和85%的氧化铝陶瓷;当要求导热性特别好时,则用氧化铍陶瓷。基片的最小厚度为0.25毫米,最经济的尺寸为35×35~50×50毫米。在基片上制造厚膜网路的主要工艺是印刷、烧结和调阻。常用的印刷方法是丝网印刷。丝网印刷的工艺过程是先把丝网固定在印刷机框架上,再将模版贴在丝网上;或者在丝网上涂感光胶,直接在上面制造模版,然后在网下放上基片,把厚膜浆料倒在丝网上,用刮板把浆料压入网孔,漏印在基片上,形成所需要的厚膜图形。常用丝网有不锈钢网和尼龙网,有时也用聚四氟乙烯网。
    3.在烧结过程中,有机粘合剂完全分解和挥发,固体粉料熔融,分解和化合,形成致密坚固的厚膜。厚膜的质量和性能与烧结过程和环境气氛密切相关,升温速度应当缓慢,以保证在玻璃流动以前有机物完全排除;烧结时间和峰值温度取决于所用浆料和膜层结构。为防止厚膜开裂,还应控制降温速度。常用的烧结炉是隧道窑。为使厚膜网路达到最佳性能,电阻烧成以后要进行调阻。常用调阻方法有喷砂、激光和电压脉冲调整等。

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    石油测井厚膜电路的工作与工艺
    厚膜混合集成电路 ——HIC
    随着科技的发展厚膜混合集成电路就以其元件参数范围广、精度和稳定度高、电路设计灵活性大、研制生产周期短、适合于多种小批量生产等特点,与半导体集成电路相互补充、相互透,业已成为集成电路的一个重要组成部分,广泛应用于电控设备系统中。
    保持着优于半导体集成电路的地位和特点:
    低噪声
    电路高稳定性
    无源网络·高频线性电路
    高精度线性电路·微波电路
    大功率电路·模数电路混合厚膜混合集成电路的工艺过程厚膜混合集成电路通常是运用印刷技术在陶瓷基片上印制图形并经高温烧结形成无源网络。
    在这里插入图片描述

    厚膜混合集成电路 ——HIC(工艺)
    1电路平面化设计:逻辑设计、电路转换、电路分割、布图设计、平面元件设计、分立元件选择等
    2印刷网板的制作:将平面化设计的图形用显影的方法制作在不锈钢或尼龙丝网上。
    3、基片及浆料的选择:制作电路通常选择96%的氧化铝陶瓷基片,浆料一般选择美国杜邦公司、美国电子实验室、日本田中等公司的导带、介质、电阻等浆料。
    4、高温烧结:将印刷好的基片在高温烧结炉中烧结,使浆料与基片间形成良好的熔合和网络互连,并使厚膜电阻的阻值稳定。
    5、激光调阻:使用厚膜激光调阻机将烧结好的电路基片上印刷厚膜电阻阻值修调到规定的要求。
    6、贴装:使用自动贴装机将外贴的各种元器件和接插件组装在电路基片上,并经再流焊炉完成焊接,包括焊接引出线等。
    7、电路封装:将测试合格的电路按要求进行适当的封装。

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  • 在专题第五篇高温MCM工艺里面介绍过,石英挠性加速度计中的伺服电路就是MCM工艺的厚膜电路,在更高温的工作环境下,稳定性和可靠性远超传统工艺电路仪器产品。在石油测井领域,这样的厂家并不是特别多,主要是受企业...

    看到这里的朋友可能会对为什么要更新电路技术内容产生疑问,其实很简单,这个系列就是为了分享国内石油测井领域的最先进技术及应用,其实也有很多不足的地方,小编也会查漏补缺,及时修正有误内容。

    在专题第五篇高温MCM工艺里面介绍过,石英挠性加速度计中的伺服电路就是MCM工艺的厚膜电路,在更高温的工作环境下,稳定性和可靠性远超传统工艺电路仪器产品。在石油测井领域,这样的厂家并不是特别多,主要是受企业经济规模影响,投入设备不菲。

    厚膜混合集成电路是用丝网印刷和烧结等厚膜工艺在同一基片上制作无源网络,并在其上组装分立的半导体器件芯片或单片集成电路或微型元件,再外加封装而成的混合集成电路,厚膜混合集成电路是一种微型电子功能部件。

    厚膜混合集成电路六大优势

    耐温高:基片选用陶瓷基板,散热好,应用环境温度可达-55℃~250℃;

    体积小:模块内部采用裸芯片贴装,组装密度高达10~100个/cm²,产品体积比传统PCB电路缩小30%~70%;

    可靠性强:内部采用高纯氮气气密性封装,裸芯片的焊接使用邦定工艺,不易产生虚焊、脱焊,比PCB电路焊点减少70%~90%;

    电性能佳:内部元器件使用金丝连接,走线短,寄生效应小、噪声小、功耗低、温度漂移小;

    耐腐蚀:镀金或陶瓷外壳封,装模块化设计、组装,耐腐蚀,且便于仪器电路故障检查和维修;

    保密性好:多芯片裸芯封装,形成功能完整的应用SOC模块,仿制难度大,保密性好,有效保护用户的知识产权。

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  • 厚膜应变电阻和导体浆料采用自动印刷技术并对其进行膜的厚度及控制工艺硏究,解决了印刷不均匀而导致的电阻阻值和电阻灵敏度GF不一致问题,使研制的厚膜应变电阻阻值和电阻温度系数TCR的一致性和稳定性获得提高,便于...

    小量程压力变送器是一种新开发的高性能价格比,抗腐蚀、坚固耐用的新型小量程压力变送器品种,具有宽广的应用前景。但该变送器在大批量生产和应用中仍存在着非线性大、温度影响大以及过载能力差等不足。针对上述影响,近几年为提高合格率和质量,并扩大应用范围正在不断地利用新材料、新工艺及新结构进行主体传感器的改进及硬件补偿电路的改进,但尚未取得根本性的突破。利用微处理器实现变送器的智能化功能已成为一种发展趋势,利用单片机技术,不仅能解决许多压力变送器自身及其制作工艺不能或不易解决的问题,而且还能通过微处理器和存储器内的各种应用程序,完成多种智能化功能,提高产品的性能,扩大应用范围,方便用户检测。所以实现小量程厚膜压力变送器的智能化,可对变送器进行误差校正、故障诊断,大大弥补了该类变送器的性能缺陷口。

    1.传感器原理及特点

    小量程厚膜压力变送器采用厚膜力敏技术,以性能优良的厚膜应变电阻和陶瓷弹性体材料硏制而瓷弹性体能直接接触被测介质,并将所测压力转换成为应变值,而经印刷并烧结在其上的厚膜应变电阻组成的电桥将该应变值转换为电信号输出,工艺如图1所示。

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    (1)新型弹性膜片材料和结构的设计。

    小量程厚膜压力传感器芯片由于外形尺寸偏大,其输出特性受陶瓷弹性膜片质量影响较大,膜片的厚度、平整度及一致性与传感器输出灵敏度、线性和稳定性等参数直接相关。例如,膜片的不平整和翘曲变形严重影响了传感器的线性度和稳定性,量程越小,这种影响越明显。因此,设计和选用的弹性膜片要求应力小、厚度均匀、强度高、平整且成本低。从而使传感器芯片的输出性能、过载能力、线性度及可靠性等得到倸证,但由于目前材料和工艺水平所限,对于弹性膜片材料和结构的提高都还存在一定的制约

    (2)釆用先进印刷、烧结工艺。对厚膜应变电阻和导体浆料采用自动印刷技术并对其进行膜的厚度及控制工艺硏究,解决了印刷不均匀而导致的电阻阻值和电阻灵敏度GF不一致问题,使研制的厚膜应变电阻阻值和电阻温度系数TCR的一致性和稳定性获得提高,便于采用计算机软件技术进行温度补偿对厚膜应变电阻进行批量生产技术硏究,采用了先进的厚膜隧道炉进行大批量厚膜应变电阻烧结,寻找最佳的烧结工艺和温度曲线,通过烧结升温、降温速度、峰值温度及烧结保温时间等参数控制,解决了陶瓷基片与应变电阻热膨胀系数不匹配等问题,提高了产品的性能。

    (3)应变分析。通常设计传感器的陶瓷弹性敏感元件承受应变10001左右,以保证正常的输出性能和过载能力,而该类型的小量程压力传感器由于受膜片厚度的限制,使压力量程不能做得太低。由于利用智能化的信号处理电路,可将较小微弱信号进行可靠稳定的处理,对应力进行降额设计,选择陶瓷弹性体承受应变500来设计压力量程,不用再追求大应变下的高信号输出,以保证变送器可靠且过载能力增强,解决了陶瓷厚膜压力变送器过载能力低于其它类型压力变送器的问题

    2.智能化信号处理

    (1)电路设计。ADuC824是一个片内资源丰富且功耗低的单片机,它将ADC、DAC以及单片机高度集成在一起,其核心仍然是MCS-51内核。它在内部集成了高分辩率的两路ADC,主通道接受传感器的信号,该通道具有缓冲能力并可编程为8个输入范围,电压在士20mV~±2.56V之间,即使输出较小的传感器信号也不需要进行前级放大就可直接接入ADC中,克服了厚膜压力传感器由于提高过载能力而降低灵敏度的缺陷。辅助通道用于接收辅助信号的输入,设计中利用了片内温度传感器,通过这通道用来检测温度信号。ADC采用ΣΔ转换技术,其分辨率高、量化噪声小、转换速度快及抗于扰强。数模转换器是适用高性能的AD421,它是16位数字信号以串行方式输入,由于AD421不仅可进行D/A转换,而且还可以完成V/变换,获得直流4~20mA的电流输出信号,完成了低成本的智能信号变换。此外,AD421内部有一个电压调整器可提供3种输出电压,+5V、+3.3V和+3V,可有选择地为电路中的其它部件提供电源。液晶显示电路选用输入串行数据的LCD模块,特点是功耗低、工作电压范围宽。采用二线式串行接口方式与单片机连接,可显示运行状态,如电流信号、压力信号或报警信号等。除此之外,电路设计中均围绕着低功赫本及高可靠性的特点而设计。电路设计原理,如图2所示

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    (2)软件功能实现。智能化功能的实现,软件设计是基础和关键,它可以解决非智能型变送器不易解决的问题,并且灵活方便,容易不断更新。软件设计以C语言为主要工具,采用模块化和自顶向下程序设计方法,对小量程厚膜压力变送器进行了智能化软件处理。变送器的温度补偿釆用多段折线逼近法实现,由于经过厚膜传感器芯片的大批量生产工艺硏究,使得传感器的输出与温度特性具有较好的重复性,利于此类方法的补偿。在补偿温度性能时需先用ADuC824片内温度传感器测试传感器自身的输出一温度(U-t)特性,存于ADuC824的程序存储器中,而辅助ADC在ADC采样开始后,通过片内温度传感器可采样到当前的温度值,将温度值与U—t特性相比较,用多段线性插值方法获得当前温度下的输岀,然后由单片机进行修正和处理,即可达到温度补偿目的。非线性补偿类似于温度补偿,也是利用多段折线逼近法。单片机根据已测出的若干组变送器实测的标定数据确定反非线性函数,然后进行刻度转换,输出值即为被测输入值,与输入呈良好的直线关系实现了非线性的线性化自动校正过程。某样品软件补偿前后的线性度和温度性能比较,见表1所列。自诊断可对变送器运行中产生的各种故障自诊断可对变送器运行中产生的各种故障信号进行获取、分析和解决,该变送器中设计了一个简单的自诊断子系统,对超出变送器正常工作的零点和满量程输出进行设定,并设定上下报警点为3.8mADC和21mADC。另外还设置了A/D故障诊断,以故障代码形式在液晶显示器上显示,确保变送器前端工作的可靠性。

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    3.抗干扰设计

    随着电子、电器和控制技术迅速发展,于扰现象特别是电磁干扰因素已使变送器可靠性、稳定性和安全性受到严重影响。因此,在智能变送器的硏制过程中,抑制干扰的产生已越来越显得重要

    3.1干扰源

    变送器的干扰包括变送器自身干扰和来自变送器外部的干扰。变送器内部主要是元器件存在的噪声干扰,元器件之间和引线存在的寄生耦合干扰以及地线干扰;变送器外部干扰主要是人为的和自然的干扰,如,电器、电子设备造成的电源干扰、开关干扰和射频干扰等,这些干扰信号通过耦合介质进入电路

    3.2抗干扰措施

    抑制变送器于扰的基本方式是削弱和减小噪声信号的能量,破坏干扰路径,提髙线路本身抗干扰能力。智能变送器不仅具有获取信息的功能还具有信息处理功能,可以从噪声中自动准确地提取有用信息,也可用滤波器滤除噪声,或用相关技术、平均技术来消除噪声干扰。小量程厚膜智能压力变送器由于传感器信另嚇痣,干扰尤为严重,所以在研制中主要采取以下措施进行抑制。

    (1)采用性能稳定、集成度高的低功耗元器件,保证电路简洁、可靠,防止过多的连接点引入于扰。

    (2)采用滤波器进行抑制,滤波器由硬件实现的模拟滤波器和软件实现的数字滤波器组成,除了在程序中对信号进行数字滤波外,在变送器输出端用电容、电感和二极管构成一反极性保护和抗干扰电路,电感两端与信号线串联,改善电容器的滤波作用,而瞬态抑制二极管TVS起到防雷电和高电压作用,如图3所示。

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    (3)采用将所有数字地连接在一起和所有模拟地连接一起的方式,并在最终将模拟地和数字地连接为一点接地,能较好地抑制地线干扰。在电路板设计上考虑减小由于电流流过电路导线形成差模辐射的环面积尤其是数字电路的环面积,减小高频信号的对外辐射和耦合,增加去耦电容去除高频噪声采取上述措施后,抑制了各种干扰信号,提高了稳定性和可靠性。

    4.封装技术研究

    小量程智能厚膜压力变送器的封裝主要是指陶瓷敏感芯片的封裝技术,由于芯片薄、面积大,所以要求密封可靠,且应力分布均匀,而这种应力是一种非常不稳定的应力,随着时间的推移,这种封装应力产生的变形要逐渐释放,使变送器输出产生无规律的变化,影响传感器的稳定性。因此,在对变送器进行封裝时,尽量在结构上采取措施消除或减小安裝应力对变送器稳定性和精度的影响。陶瓷敏感芯片是周边固支的圆膜片。封裝时将芯体靠两个压板和O型橡胶圈及螺栓密封并与液压系统相联。由于小量程厚膜智能压力变送器外形选用目前工业现场通用的标准外形,其传感部件的壳体体积较大,感压膜片与产生安装应力的部位较远,安装应力对传感器的影响较小。另外,采取开双槽和双密封圈的密封形式,使大尺寸的小量程压力膜片受力分布均匀,零位偏差小。

    5.结束语

    小量程厚膜智能压力变送器是一种新型小量程智能型压力变送器,具有抗腐蚀、耐磨损及宽温度范围等特点,弹性膜片不需要硅油隔离,还可测量小量程的粘稠介质,而智能化的实现,使变送器的非线性误差,滞后获得补偿,与同类型压力变送器相比,具有成本低、性能优、应用范围广及竞争力强的特点该变送器的主要技术指标为:压力量程为2~20kPa;输出信号为直流4~20mA;温度漂移为0.01%F.S/C(-40~+85C);精确度0.1%~0.2%。

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