Kaj je senzor tlaka MEMS?
MEMS je okrajšava za Micro Electro Mechanical Systems, to je mikroelektromehanski sistem. Tehnologija MEMS velja za eno od revolucionarnih visokih -tehnologij v 21. stoletju in jo lahko zasledimo vse do petdesetih let 20. stoletja.
Tehnologija mikroelektromehanskih sistemov (MEMS) se nanaša na tehnologijo načrtovanja, izdelave, merjenja in nadzora mikronskih/nanometrskih materialov.
Senzor tlaka MEMS je senzor tlaka, izdelan s proizvodnim postopkom, ki združuje tehnologijo mikroelektronike in tehnologijo mikroobdelave (vključno z mikroobdelavo silicija v masi, mikroobdelavo površine silicija, lepljenjem in drugimi tehnologijami). Tlačni senzor MEMS izkazuje odlično zmogljivost v različnih vidikih, kot so velikost, natančnost in odzivna hitrost.
Razvrstitev senzorjev tlaka MEMS
Na podlagi različnih principov delovanja lahko tlačne senzorje MEMS na osnovi silicijevih materialov razdelimo v tri kategorije: silicijev piezorezivni tip, silicijev kapacitivni tip in silicijev resonančni tip.
Silicijevi piezorezistivni senzorji tlaka
Piezorezistivni učinek se nanaša na pojav, da ko je polprevodniški material izpostavljen napetosti, povzroči spremembe v energijskem pasu, energijski premik dolin in tako spremeni upornost polprevodniškega upora.
Piezoresistivni senzor tlaka je senzor tlaka, zasnovan z uporabo piezoresistivnega učinka. Odlikuje ga majhna velikost, visoka občutljivost in hiter odziv. Vendar je njegov proizvodni proces zapleten in nanj zlahka vplivajo temperatura in vibracije, zato je potrebna temperaturna kompenzacija.
Silikonski kapacitivni senzorji tlaka
Silicijev kapacitivni tlačni senzor je vrsta tlačnega senzorja, ki uporablja silicijeve materiale kot zaznavne elemente in pretvarja spremembe izmerjene količine v spremembe kapacitivnosti.
Običajno uporablja okrogel kovinski film ali kovinsko-prevlečen film kot eno elektrodo kondenzatorja. Ko se film deformira pod vplivom pritiska, se kapacitivnost, ki nastane med filmom in fiksno elektrodo, spremeni. Skozi merilno vezje se lahko oddaja električni signal, ki je v določenem razmerju z napetostjo.
Prednosti tega tipa senzorja so visoka občutljivost, dobra stabilnost in širok linearni razpon. Vendar pa so njegove pomanjkljivosti sorazmerno visoki stroški in nanj lahko vplivata temperatura in vlažnost.
Silicijevi resonančni senzorji tlaka
Silicijev resonančni tlačni senzor je vrsta tlačnega senzorja, ki na podlagi načela, da sprememba zunanjega tlaka na silicijevem materialu povzroči spremembo resonančne frekvence resonatorja, pretvori spremembo izmerjenega tlaka v spremembo resonančne frekvence.
Silicijev resonančni tlačni senzor ima visoko natančnost, visoko ločljivost, visoko zaščito-v motenj, primeren je za-prenos na dolge razdalje in ga je mogoče neposredno povezati z digitalnimi napravami. Vendar pa ima dolg proizvodni cikel, visoke stroške, izhodna frekvenca in izmerjena količina pa sta pogosto v nelinearnem razmerju.
Načelo delovanja piezorezistivnih tlačnih senzorjev
Občutljivi element MEMS piezoresistivnega tlačnega senzorja je sestavljen iz občutljivega čipa in nosilnega substrata. Začetni karakteristični parametri občutljivega elementa utrdijo več indikatorjev ključnih parametrov senzorja in so jedro senzorja.
Silicijev piezouporni tlačno občutljivi čip - je občutljiv čip, v katerem sta občutljivi element in pretvorniški element integrirana na isti enojni - kristalni silicijev substrat. Občutljivi element za zaznavanje tlaka je elastična silikonska ploska diafragma z zatesnjenim in fiksnim obodom. Silikonski material na zadnji strani diafragme se odstrani, da nastane votlina v obliki obrnjene štirikotne - piramide -. Silikonske elastične diafragme z različnimi debelinami določajo različna območja merjenja tlaka, občutljivosti in zmožnosti preobremenitve.
Da bi optimizirali trdnost podpornih stranskih sten okoli diafragme, izolacijo toge embalaže in učinkovitost električne izolacije podlage čipa, je treba silikonsko podlago čipa laminirati na debelo stekleno podlago z ustreznimi značilnostmi toplotnega raztezanja. Po laminaciji lahko čipe z votlino, ki komunicira z atmosferskim tlakom okolice, uporabimo za merjenje nadtlaka, medtem ko lahko čipe z votlino, izolirano od atmosferskega tlaka okolice, uporabimo za merjenje absolutnega tlaka.
Razpršeni silicijevi piezorezistivni upori, ki pretvarjajo zaznan izmerjeni tlak v električne signale, so nameščeni na zgornji površinski plasti ravne membrane. Konvencionalna zasnova je namestitev piezorezistorjev blizu roba ali središča ravne membrane. Ko se ploščata membrana deformira pod vplivom izmerjenega tlaka, pod predpostavko majhnega upogiba membrane (največja deformacija v središču membrane je veliko manjša od 500 mikrodeformacij), se z uporabo spremembe piezorezistivne upornosti odda električni signal, ki se spreminja linearno z odklonom membrane, to je s spremembo tlaka.
Za optimizacijo merilne zmogljivosti občutljivega čipa so štirje piezoresistivni občutljivi upori razporejeni na ravnini tako, da tvorijo Wheatstonov most. Ko se uporabi izmerjeni tlak, se upor enega para nasprotnih krakov poveča, medtem ko se upor drugega para nasprotnih krakov zmanjša, zaradi česar se neuravnotežena izhodna napetost Wheatstonovega mostu spreminja linearno z izmerjenim tlakom.
Uporaba piezorezistivnih tlačnih senzorjev
Piezorezistivni tlačni senzorji MEMS se pogosto uporabljajo v različnih panogah in na različnih področjih, kot so vesoljska industrija, navigacija, petrokemična industrija, mehanska proizvodnja in avtomatizacija, varčevanje z vodo in hidroenergija, industrijski plini, biomedicinski inženiring, meteorologija, geologija, merjenje potresov itd.