Što je MEMS senzor tlaka?
MEMS je skraćenica od Micro Electro Mechanical Systems, odnosno mikroelektromehanički sustavi. Tehnologija MEMS hvaljena je kao jedna od revolucionarnih visokih-tehnologija u 21. stoljeću i može se pratiti do 1950-ih.
Tehnologija mikroelektromehaničkih sustava (MEMS) odnosi se na tehnologiju projektiranja, proizvodnje, mjerenja i kontrole mikronskih/nanometarskih materijala.
MEMS senzor tlaka je senzor tlaka proizveden proizvodnim postupkom koji kombinira tehnologiju mikroelektronike i mikrostrojnu tehnologiju (uključujući silicijsku mikromašinsku obradu, mikromašinsku obradu silicijeve površine, spajanje i druge tehnologije). MEMS senzor tlaka pokazuje izvrsne performanse u različitim aspektima kao što su veličina, točnost i brzina odziva.
Klasifikacija MEMS senzora tlaka
Na temelju različitih principa rada, MEMS senzori tlaka temeljeni na silicijskim materijalima mogu se podijeliti u tri kategorije: silicijski piezorezistivni tip, silicijski kapacitivni tip i silicijski rezonantni tip.
Silikonski piezorrezistivni senzori tlaka
Piezorezistivni učinak odnosi se na pojavu da kada je poluvodički materijal podvrgnut naprezanju, to uzrokuje promjene u energetskom pojasu, energetski pomak dolina, i tako mijenja otpor otpora poluvodiča.
Piezorezistivni senzor tlaka je senzor tlaka dizajniran korištenjem piezorezistivnog učinka. Odlikuje ga mala veličina, visoka osjetljivost i brz odziv. Međutim, njegov proizvodni proces je složen i lako je podložan utjecaju temperature i vibracija, stoga je potrebna temperaturna kompenzacija.
Silikonski kapacitivni senzori tlaka
Silikonski kapacitivni senzor tlaka vrsta je senzora tlaka koji koristi silicijske materijale kao osjetne elemente i pretvara promjene izmjerene količine u promjene kapacitivnosti.
Općenito koristi okrugli metalni film ili metalni -film kao jednu elektrodu kondenzatora. Kada se film deformira pod utjecajem pritiska, mijenja se kapacitet formiran između filma i fiksne elektrode. Kroz mjerni krug može se izvesti električni signal koji ima određeni odnos s naponom.
Prednosti ove vrste senzora su visoka osjetljivost, dobra stabilnost i široki linearni raspon. Međutim, njegovi nedostaci su relativno visoka cijena i lako podliježu utjecaju temperature i vlage.
Silikonski rezonantni senzori tlaka
Silikonski rezonantni senzor tlaka vrsta je senzora tlaka koji, na temelju principa da promjena vanjskog tlaka na materijalu silicija uzrokuje promjenu rezonantne frekvencije rezonatora, pretvara promjenu izmjerenog tlaka u promjenu rezonantne frekvencije.
Silikonski rezonantni senzor tlaka ima visoku preciznost, visoku rezoluciju, visoku sposobnost zaštite- od smetnji, prikladan je za-prijenos na velike udaljenosti i mogućnost izravnog povezivanja s digitalnim uređajima. Međutim, ima dug proizvodni ciklus, visoke troškove, a izlazna frekvencija i izmjerena količina često su u nelinearnom odnosu.
Princip rada piezorezistivnih senzora tlaka
Osjetljivi element MEMS piezorezistivnog senzora tlaka sastoji se od osjetljivog čipa i potporne podloge. Početni karakteristični parametri osjetljivog elementa učvršćuju više indikatora ključnih parametara senzora i jezgra su senzora.
Silikonski piezorezistivni tlačni - osjetljivi čip je osjetljivi čip u kojem su osjetljivi element i pretvorbeni element integrirani na istoj jednoj - kristalnoj silicijskoj podlozi. Osjetljivi element za mjerenje tlaka je elastična silikonska ravna dijafragma sa zabrtvljenom i fiksnom periferijom. Silikonski materijal sa stražnje strane dijafragme se uklanja kako bi se formirala šupljina u obliku obrnute četverokutne - piramide -. Silikonske elastične dijafragme različitih debljina određuju različite raspone mjerenja tlaka, osjetljivosti i mogućnosti preopterećenja.
Kako bi se optimizirala čvrstoća potpornih bočnih stijenki oko dijafragme, izolacija krutog pakiranja i učinak električne izolacije supstrata čipa, silikonski supstrat čipa trebao bi biti laminiran na debelu staklenu podlogu s odgovarajućim karakteristikama toplinske ekspanzije. Nakon laminacije, čipovi sa šupljinom koja komunicira s atmosferskim tlakom okoline mogu se koristiti za mjerenje nadtlaka, dok se čipovi sa šupljinom izoliranom od atmosferskog tlaka okoline mogu koristiti za mjerenje apsolutnog tlaka.
Difuzni silicijski piezorotporni otpornici koji pretvaraju izmjereni tlak u električne signale nalaze se na gornjem površinskom sloju ravne dijafragme. Konvencionalni dizajn je postaviti piezorezistivne otpornike blizu ruba ili središta ravne dijafragme. Kada se ravna dijafragma deformira pod djelovanjem izmjerenog tlaka, pod pretpostavkom malog otklona dijafragme (maksimalni otklon u središtu dijafragme je daleko manji od 500 mikronaprezanja), korištenjem promjene piezorezistivnog otpora, izlazi električni signal koji se mijenja linearno s otklonom dijafragme, odnosno s promjenom tlaka.
Kako bi se optimizirala izvedba mjerenja osjetljivog čipa, četiri piezorezistivna osjetljiva otpornika raspoređena su u ravnini tako da tvore Wheatstoneov most. Kada se primijeni izmjereni tlak, otpor jednog para suprotnih krakova se povećava, dok se otpor drugog para suprotnih krakova smanjuje, čineći da se neuravnoteženi izlazni napon Wheatstoneovog mosta linearno mijenja s izmjerenim tlakom.
Primjena piezorezistivnih senzora tlaka
MEMS piezorezistivni senzori tlaka naširoko se koriste u raznim industrijama i poljima, kao što su zrakoplovstvo, navigacija, petrokemijska industrija, mehanička proizvodnja i automatizacija, zaštita vode i hidroenergija, industrijski plinovi, biomedicinski inženjering, meteorologija, geologija, mjerenje potresa i tako dalje.