Τι είναι ο αισθητήρας πίεσης MEMS;
Το MEMS είναι η συντομογραφία του Micro Electro Mechanical Systems, δηλαδή μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα. Η τεχνολογία MEMS χαιρετίζεται ως μια από τις επαναστατικές τεχνολογίες υψηλής-του 21ου αιώνα και μπορεί να ανιχνευθεί στη δεκαετία του 1950.
Η τεχνολογία Microelectromechanical Systems (MEMS) αναφέρεται στην τεχνολογία σχεδιασμού, κατασκευής, μέτρησης και ελέγχου υλικών micron/nanometer.
Ο αισθητήρας πίεσης MEMS είναι ένας αισθητήρας πίεσης που κατασκευάζεται με τη διαδικασία κατασκευής που συνδυάζει τεχνολογία μικροηλεκτρονικής και τεχνολογία μικροκατεργασίας (συμπεριλαμβανομένης της μικροκατεργασίας χύδην πυριτίου, της μικροκατεργασίας επιφάνειας πυριτίου, της συγκόλλησης και άλλων τεχνολογιών). Ο αισθητήρας πίεσης MEMS παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση σε διάφορες πτυχές όπως το μέγεθος, η ακρίβεια και η ταχύτητα απόκρισης.
Ταξινόμηση αισθητήρων πίεσης MEMS
Με βάση διαφορετικές αρχές λειτουργίας, οι αισθητήρες πίεσης MEMS που βασίζονται σε υλικά πυριτίου μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: τύπος πιεζοαντοχής πυριτίου, τύπος χωρητικού πυριτίου και τύπος συντονισμού πυριτίου.
Πιεζοαντιστικοί αισθητήρες πίεσης πυριτίου
Το πιεζοαντιστατικό φαινόμενο αναφέρεται στο φαινόμενο ότι όταν ένα ημιαγωγικό υλικό υπόκειται σε τάση, προκαλεί αλλαγές στην ενεργειακή ζώνη, την ενεργειακή μετατόπιση των κοιλάδων και έτσι αλλάζει την ειδική αντίσταση της αντίστασης του ημιαγωγού.
Ο πιεζοαντιστατικός αισθητήρας πίεσης είναι ένας αισθητήρας πίεσης που έχει σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας το πιεζοαντιστικό αποτέλεσμα. Διαθέτει μικρό μέγεθος, υψηλή ευαισθησία και γρήγορη απόκριση. Ωστόσο, η διαδικασία κατασκευής του είναι πολύπλοκη και επηρεάζεται εύκολα από τη θερμοκρασία και τους κραδασμούς, με αποτέλεσμα να απαιτείται αντιστάθμιση θερμοκρασίας.
Χωρητικούς αισθητήρες πίεσης πυριτίου
Ο χωρητικός αισθητήρας πίεσης πυριτίου είναι ένας τύπος αισθητήρα πίεσης που χρησιμοποιεί υλικά πυριτίου ως αισθητήρια στοιχεία και μετατρέπει τις αλλαγές της μετρούμενης ποσότητας σε αλλαγές χωρητικότητας.
Χρησιμοποιεί γενικά ένα κυκλικό μεταλλικό φιλμ ή ένα μεταλλικό-επιμεταλλωμένο φιλμ ως ένα ηλεκτρόδιο του πυκνωτή. Όταν το φιλμ παραμορφώνεται υπό την επίδραση της πίεσης, η χωρητικότητα που σχηματίζεται μεταξύ του φιλμ και του σταθερού ηλεκτροδίου αλλάζει. Μέσω του κυκλώματος μέτρησης, μπορεί να βγει ένα ηλεκτρικό σήμα που έχει μια ορισμένη σχέση με την τάση.
Τα πλεονεκτήματα αυτού του τύπου αισθητήρα περιλαμβάνουν υψηλή ευαισθησία, καλή σταθερότητα και μεγάλη γραμμική περιοχή. Ωστόσο, τα μειονεκτήματά του είναι το σχετικά υψηλό κόστος και το ότι επηρεάζεται εύκολα από τη θερμοκρασία και την υγρασία.
Αισθητήρες πίεσης συντονισμού πυριτίου
Ο αισθητήρας πίεσης συντονισμού πυριτίου είναι ένας τύπος αισθητήρα πίεσης που, με βάση την αρχή ότι η αλλαγή στην εξωτερική πίεση στο υλικό πυριτίου προκαλεί την αλλαγή στη συχνότητα συντονισμού του συντονιστή, μετατρέπει τη μεταβολή της μετρούμενης πίεσης σε αλλαγή της συχνότητας συντονισμού.
Ο αισθητήρας πίεσης συντονισμού πυριτίου διαθέτει υψηλή ακρίβεια, υψηλή ανάλυση, υψηλή-ικανότητα κατά των παρεμβολών, είναι κατάλληλος για μετάδοση σε μεγάλη-απόσταση και δυνατότητα απευθείας σύνδεσης με ψηφιακές συσκευές. Ωστόσο, έχει μακρύ κύκλο παραγωγής, υψηλό κόστος και η συχνότητα παραγωγής και η μετρούμενη ποσότητα είναι συχνά σε μη γραμμική σχέση.
Αρχή λειτουργίας πιεζοαντιστικών αισθητήρων πίεσης
Το ευαίσθητο στοιχείο ενός πιεζοαντιστατικού αισθητήρα πίεσης MEMS αποτελείται από ένα ευαίσθητο τσιπ και ένα υπόστρωμα στήριξης. Οι αρχικές χαρακτηριστικές παράμετροι του ευαίσθητου στοιχείου στερεοποιούν πολλαπλούς βασικούς δείκτες παραμέτρων του αισθητήρα και αποτελούν τον πυρήνα του αισθητήρα.
Το ευαίσθητο τσιπ πιεζοαντιστατικής πίεσης πυριτίου - είναι ένα ευαίσθητο τσιπ στο οποίο το ευαίσθητο στοιχείο και το στοιχείο μετατροπής είναι ενσωματωμένα στο ίδιο υπόστρωμα κρυστάλλου πυριτίου -. Το ευαίσθητο στοιχείο για την ανίχνευση πίεσης είναι ένα ελαστικό επίπεδο διάφραγμα πυριτίου με σφραγισμένη και σταθερή περιφέρεια. Το υλικό πυριτίου στο πίσω μέρος του διαφράγματος αφαιρείται για να σχηματίσει μια ανεστραμμένη τετραγωνική κοιλότητα σε σχήμα πυραμίδας -. Τα ελαστικά διαφράγματα πυριτίου με διαφορετικά πάχη καθορίζουν διαφορετικά εύρη μέτρησης πίεσης, ευαισθησίες και δυνατότητες υπερφόρτωσης.
Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η αντοχή των πλευρικών τοιχωμάτων στήριξης γύρω από το διάφραγμα, η απομόνωση της άκαμπτης τάσης συσκευασίας και η απόδοση ηλεκτρικής μόνωσης του υποστρώματος τσιπ, το υπόστρωμα πυριτίου του τσιπ θα πρέπει να πλαστικοποιηθεί σε ένα χοντρό γυάλινο υπόστρωμα με αντίστοιχα χαρακτηριστικά θερμικής διαστολής. Μετά την πλαστικοποίηση, τα τσιπ με την κοιλότητα που επικοινωνεί με την ατμοσφαιρική πίεση του περιβάλλοντος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της πίεσης του μανόμετρου, ενώ τα τσιπ με την κοιλότητα που απομονώνεται από την ατμοσφαιρική πίεση του περιβάλλοντος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση απόλυτης πίεσης.
Οι πιεζοαντιστικές αντιστάσεις διάχυτου πυριτίου που μετατρέπουν την ανιχνευόμενη μετρούμενη πίεση σε ηλεκτρικά σήματα βρίσκονται στο ανώτερο επιφανειακό στρώμα του επίπεδου διαφράγματος. Ο συμβατικός σχεδιασμός είναι η τοποθέτηση των πιεζοαντιστατικών αντιστάσεων κοντά στην άκρη ή στο κέντρο του επίπεδου διαφράγματος. Όταν το επίπεδο διάφραγμα παραμορφώνεται υπό την επίδραση της μετρούμενης πίεσης, υπό την προϋπόθεση της μικρής απόκλισης του διαφράγματος (η μέγιστη απόκλιση στο κέντρο του διαφράγματος είναι πολύ μικρότερη από 500 μικροστρέβλωση), χρησιμοποιώντας την αλλαγή στην πιεζοαντιστατική αντίσταση, ένα ηλεκτρικό σήμα που αλλάζει γραμμικά με την απόκλιση με την πίεση, είναι έξοδος.
Για να βελτιστοποιηθεί η απόδοση μέτρησης του ευαίσθητου τσιπ, οι τέσσερις ευαίσθητες αντιστάσεις πιεζοβολικής αντίστασης είναι διατεταγμένες στο επίπεδο για να σχηματίσουν μια γέφυρα Wheatstone. Όταν εφαρμόζεται η μετρούμενη πίεση, η αντίσταση ενός ζεύγους αντίθετων βραχιόνων αυξάνεται, ενώ η αντίσταση του άλλου ζεύγους αντίθετων βραχιόνων μειώνεται, κάνοντας τη μη ισορροπημένη τάση εξόδου της γέφυρας Wheatstone να αλλάζει γραμμικά με τη μετρούμενη πίεση.
Εφαρμογές πιεζοαντιστικών αισθητήρων πίεσης
Οι πιεζοαντιστικοί αισθητήρες πίεσης MEMS χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορες βιομηχανίες και τομείς, όπως η αεροδιαστημική, η ναυσιπλοΐα, η πετροχημική βιομηχανία, η μηχανική κατασκευή και αυτοματισμός, η εξοικονόμηση νερού και η υδροηλεκτρική ενέργεια, τα βιομηχανικά αέρια, η βιοϊατρική μηχανική, η μετεωρολογία, η γεωλογία, η μέτρηση σεισμών και ούτω καθεξής.