Mi az a MEMS nyomásérzékelő?
A MEMS a Micro Electro Mechanical Systems, azaz a mikroelektromechanikai rendszerek rövidítése. A MEMS technológiát a 21. század egyik forradalmi csúcstechnológiájaként{1}}kiáltják ki, és az 1950-es évekig vezethető vissza.
A mikroelektromechanikai rendszerek (MEMS) technológia a mikron/nanométeres anyagok tervezésének, gyártásának, mérésének és vezérlésének technológiáját jelenti.
A MEMS nyomásérzékelő egy olyan gyártási eljárással előállított nyomásérzékelő, amely egyesíti a mikroelektronikai technológiát és a mikromegmunkálási technológiát (beleértve a szilícium ömlesztett mikromegmunkálást, a szilícium felületi mikromegmunkálást, a ragasztást és egyéb technológiákat). A MEMS nyomásérzékelő kiváló teljesítményt mutat különböző szempontok szerint, mint például a méret, a pontosság és a reakciósebesség.
MEMS nyomásérzékelők osztályozása
Különböző működési elvek alapján a szilícium anyagokon alapuló MEMS nyomásérzékelők három kategóriába sorolhatók: szilícium piezorezisztív típus, szilícium kapacitív típus és szilícium rezonáns típus.
Szilícium piezorezisztív nyomásérzékelők
A piezorezisztív hatás arra a jelenségre utal, hogy egy félvezető anyag feszültségnek kitéve változást okoz az energiasávban, a völgyek energiaeltolódását, ezáltal megváltoztatja a félvezető ellenállásának ellenállását.
A piezorezisztív nyomásérzékelő egy nyomásérzékelő, amelyet a piezorezisztív hatás felhasználásával terveztek. Kis méret, nagy érzékenység és gyors reagálás jellemzi. Gyártási folyamata azonban összetett, könnyen befolyásolja a hőmérséklet és a vibráció, ezért hőmérséklet-kompenzációt igényel.
Szilícium kapacitív nyomásérzékelők
A szilícium kapacitív nyomásérzékelő egy olyan típusú nyomásérzékelő, amely szilícium anyagokat használ érzékelőelemként, és a mért mennyiség változásait kapacitásváltozásokká alakítja.
A kondenzátor egyik elektródájaként általában egy kör alakú fémfóliát vagy egy fém{0}}fóliát használ. Amikor a film nyomás hatására deformálódik, a film és a rögzített elektróda között kialakuló kapacitás megváltozik. A mérőáramkörön keresztül a feszültséggel bizonyos kapcsolatban álló elektromos jelet lehet kiadni.
Az ilyen típusú érzékelők előnyei közé tartozik a nagy érzékenység, a jó stabilitás és a széles lineáris tartomány. Hátránya azonban a viszonylag magas költség, valamint a hőmérséklet és a páratartalom könnyen befolyásolható.
Szilícium rezonáns nyomásérzékelők
A szilícium rezonáns nyomásérzékelő egy olyan típusú nyomásérzékelő, amely azon az elven alapul, hogy a szilícium anyagára ható külső nyomás változása a rezonátor rezonanciafrekvenciájának változását okozza, a mért nyomás változását a rezonanciafrekvencia változásává alakítja.
A szilícium rezonáns nyomásérzékelő nagy pontosságú, nagy felbontású, nagy -interferenciagátló képességgel rendelkezik, alkalmas nagy távolságú-átvitelre, és közvetlenül csatlakoztatható digitális eszközökhöz. Ennek azonban hosszú a gyártási ciklusa, magas a költsége, a kimeneti frekvencia és a mért mennyiség gyakran nemlineáris kapcsolatban van.
Piezorezisztív nyomásérzékelők működési elve
A MEMS piezorezisztív nyomásérzékelő érzékeny eleme egy érzékeny chipből és egy hordozó hordozóból áll. Az érzékeny elem kezdeti jellemző paraméterei megszilárdítják az érzékelő több kulcsfontosságú paraméterjelzőjét, és az érzékelő magját képezik.
A szilícium piezorezisztív nyomásra - érzékeny chip egy érzékeny chip, amelyben az érzékeny elem és a konverziós elem ugyanazon az egyetlen - kristályszilícium hordozón van integrálva. A nyomásérzékelés érzékeny eleme egy rugalmas szilícium síkmembrán, tömített és rögzített kerülettel. A membrán hátulján lévő szilíciumanyagot eltávolítják, és egy fordított, négyszögletes - piramis - alakú üreget képeznek. A különböző vastagságú szilikon rugalmas membránok különböző nyomásmérési tartományokat, érzékenységeket és túlterhelési képességeket határoznak meg.
A membrán körüli alátámasztó oldalfalak szilárdságának, a merev csomagolási feszültség leválasztásának és a forgácshordozó elektromos szigetelési teljesítményének optimalizálása érdekében a chip szilícium hordozóját vastag üveghordozóra kell laminálni, megfelelő hőtágulási jellemzőkkel. A laminálás után a környezeti atmoszférikus nyomással kommunikáló üregű forgácsok a túlnyomás mérésére, míg a környezeti légköri nyomástól elkülönített üregű forgácsok abszolút nyomásmérésre használhatók.
Az érzékelt mért nyomást elektromos jelekké alakító diffúz szilícium piezorezisztív ellenállások a lapos membrán felső felületi rétegén helyezkednek el. A hagyományos kialakítás szerint a piezorezisztív ellenállásokat a lapos membrán széléhez vagy középpontjához közel helyezik el. Amikor a lapos membrán a mért nyomás hatására, a membrán kis elhajlása mellett deformálódik (a membrán középpontjában a maximális elhajlás jóval kisebb, mint 500 mikrofeszültség), a piezorezisztív ellenállás változásának felhasználásával a membrán eltérítésével lineárisan változó elektromos jelet adunk ki, ennek a nyomásnak a változásával.
Az érzékeny chip mérési teljesítményének optimalizálása érdekében a négy piezorezisztív érzékeny ellenállás egy Wheatstone-hidat alkotva van elrendezve a síkon. A mért nyomás alkalmazásakor az egyik ellentétes kar ellenállása nő, míg a másik ellentétes kar ellenállása csökken, így a Wheatstone-híd kiegyensúlyozatlan feszültsége a mért nyomással lineárisan változik.
Piezorezisztív nyomásérzékelők alkalmazásai
A MEMS piezorezisztív nyomásérzékelőket széles körben használják különféle iparágakban és területeken, mint például a repülés, navigáció, petrolkémiai ipar, mechanikai gyártás és automatizálás, víztakarékosság és vízenergia, ipari gázok, orvosbiológia, meteorológia, geológia, földrengésmérés és így tovább.