Vad är MEMS trycksensor?
MEMS är en förkortning av Micro Electro Mechanical Systems, det vill säga mikroelektromekaniska system. MEMS-tekniken hyllas som en av de revolutionerande hög-teknikerna på 2000-talet och kan spåras tillbaka till 1950-talet.
Microelectromechanical Systems (MEMS)-teknik hänvisar till tekniken för att designa, tillverka, mäta och kontrollera mikron/nanometermaterial.
MEMS-trycksensorn är en trycksensor tillverkad av tillverkningsprocessen som kombinerar mikroelektronikteknik och mikrobearbetningsteknik (inklusive kiselbulkmikrobearbetning, kiselytmikrobearbetning, bindning och andra teknologier). MEMS-trycksensorn uppvisar utmärkt prestanda i olika aspekter som storlek, noggrannhet och svarshastighet.
Klassificering av MEMS trycksensorer
Baserat på olika arbetsprinciper kan MEMS trycksensorer baserade på kiselmaterial delas in i tre kategorier: piezoresistiv kiseltyp, kiselkapacitiv typ och kiselresonanstyp.
Kisel piezoresistiva trycksensorer
Den piezoresistiva effekten hänvisar till fenomenet att när ett halvledarmaterial utsätts för påfrestningar, orsakar det förändringar i energibandet, energiförskjutningen av dalarna och därmed förändrar resistiviteten hos halvledarresistansen.
Den piezoresistiva trycksensorn är en trycksensor designad genom att utnyttja den piezoresistiva effekten. Den har liten storlek, hög känslighet och snabb respons. Dess tillverkningsprocess är dock komplex och den påverkas lätt av temperatur och vibrationer, vilket kräver temperaturkompensation.
Kapacitiva trycksensorer av kisel
Den kapacitiva trycksensorn av kisel är en typ av trycksensor som använder kiselmaterial som avkänningselement och omvandlar förändringarna av den uppmätta kvantiteten till förändringar av kapacitansen.
Den använder vanligtvis en cirkulär metallfilm eller en metall-pläterad film som en elektrod i kondensatorn. När filmen deformeras under påverkan av tryck ändras kapacitansen som bildas mellan filmen och den fasta elektroden. Genom mätkretsen kan en elektrisk signal som har ett visst samband med spänningen matas ut.
Fördelarna med denna typ av sensorer inkluderar hög känslighet, god stabilitet och ett brett linjärt område. Dess nackdelar är dock relativt höga kostnader och att de lätt påverkas av temperatur och luftfuktighet.
Resonanstrycksensorer av kisel
Kiselresonanstrycksensorn är en typ av trycksensor som, baserat på principen att förändringen i externt tryck på kiselmaterialet orsakar förändringen i resonansfrekvensen hos resonatorn, omvandlar förändringen i det uppmätta trycket till förändringen i resonansfrekvensen.
Kiselresonanstrycksensorn har hög precision, hög upplösning, hög anti-interferensförmåga, är lämplig för långa-överföringar och kan anslutas direkt till digitala enheter. Den har dock en lång produktionscykel, höga kostnader, och utgångsfrekvensen och den uppmätta kvantiteten står ofta i ett icke-linjärt förhållande.
Arbetsprincipen för piezoresistiva trycksensorer
Det känsliga elementet i en MEMS piezoresistiv trycksensor består av ett känsligt chip och ett stödjande substrat. De initiala karakteristiska parametrarna för det känsliga elementet stelnar flera nyckelparameterindikatorer för sensorn och är kärnan i sensorn.
Det piezoresistiva tryckkänsliga --kiselchipset är ett känsligt chip där det känsliga elementet och omvandlingselementet är integrerade på samma enkla --kristallkiselsubstrat. Det känsliga elementet för avkänning av tryck är ett elastiskt kiselplanärt membran med en tätad och fixerad periferi. Kiselmaterialet på baksidan av membranet avlägsnas för att bilda en inverterad fyrkantig - pyramidformad - hålighet. De elastiska silikonmembranen med olika tjocklekar bestämmer olika tryckmätningsområden, känsligheter och överbelastningsförmåga.
För att optimera styrkan hos de stödjande sidoväggarna runt membranet, isoleringen av den styva förpackningsspänningen och den elektriska isoleringsprestandan hos chipsubstratet, bör chipets kiselsubstrat lamineras på ett tjockt glassubstrat med matchande värmeutvidgningsegenskaper. Efter laminering kan spånen med kaviteten som kommunicerar med det omgivande atmosfärstrycket användas för manometertrycksmätning, medan spånen med håligheten isolerad från det omgivande atmosfärstrycket kan användas för absolut tryckmätning.
De piezoresistiva kiselmotstånden som omvandlar det avkända uppmätta trycket till elektriska signaler finns på det övre ytskiktet av det platta membranet. Den konventionella designen är att placera de piezoresistiva motstånden nära kanten eller mitten av det platta membranet. När det platta membranet deformeras under inverkan av det uppmätta trycket, under förutsättningen av liten avböjning av membranet (den maximala avböjningen i mitten av membranet är mycket mindre än 500 mikrotöjningar), genom att utnyttja ändringen i piezoresistiv resistivitet, är en elektrisk signal som ändras linjärt med membranet, ändringen i membranet, utmatningen av membranet, ändringen i membranet, utmatningen av trycket, ändringen av membranet.
För att optimera mätprestandan för det känsliga chipet är de fyra piezoresistiva känsliga motstånden anordnade på planet för att bilda en Wheatstone-brygga. När det uppmätta trycket appliceras ökar motståndet för ett par motsatta armar, medan motståndet för det andra paret av motsatta armar minskar, vilket gör att den obalanserade spänningen från Wheatstone-bryggan ändras linjärt med det uppmätta trycket.
Tillämpningar av piezoresistiva trycksensorer
MEMS piezoresistiva trycksensorer används i stor utsträckning inom olika industrier och områden, såsom flyg, navigation, petrokemisk industri, mekanisk tillverkning och automation, vattenskydd och vattenkraft, industrigaser, biomedicinsk teknik, meteorologi, geologi, jordbävningsmätning och så vidare.