Hvad er MEMS tryksensor?
MEMS er forkortelsen for Micro Electro Mechanical Systems, det vil sige mikroelektromekaniske systemer. MEMS-teknologien hyldes som en af de revolutionerende high-teknologier i det 21. århundrede og kan spores tilbage til 1950'erne.
Microelectromechanical Systems (MEMS) teknologi refererer til teknologien til at designe, fremstille, måle og kontrollere mikron/nanometer materialer.
MEMS tryksensoren er en tryksensor fremstillet af fremstillingsprocessen, der kombinerer mikroelektronikteknologi og mikrobearbejdningsteknologi (inklusive silicium bulk mikrobearbejdning, silicium overflade mikrobearbejdning, limning og andre teknologier). MEMS tryksensoren udviser fremragende ydeevne i forskellige aspekter såsom størrelse, nøjagtighed og responshastighed.
Klassificering af MEMS tryksensorer
Baseret på forskellige arbejdsprincipper kan MEMS tryksensorer baseret på siliciummaterialer opdeles i tre kategorier: silicium piezoresistiv type, silicium kapacitiv type og silicium resonans type.
Silicium piezoresistive tryksensorer
Den piezoresistive effekt refererer til det fænomen, at når et halvledermateriale udsættes for stress, forårsager det ændringer i energibåndet, energiforskydningen af dalene og ændrer dermed resistiviteten af halvledermodstanden.
Den piezoresistive tryksensor er en tryksensor designet ved at udnytte den piezoresistive effekt. Den har lille størrelse, høj følsomhed og hurtig respons. Imidlertid er dens fremstillingsproces kompleks, og den påvirkes let af temperatur og vibrationer, hvilket kræver temperaturkompensation.
Silicium kapacitive tryksensorer
Den kapacitive siliciumtryksensor er en type tryksensor, der bruger siliciummaterialer som føleelementer og konverterer ændringerne af den målte mængde til ændringer i kapacitansen.
Den anvender generelt en cirkulær metalfilm eller en metal-belagt film som en elektrode på kondensatoren. Når filmen deformeres under påvirkning af tryk, ændres kapacitansen mellem filmen og den faste elektrode. Gennem målekredsløbet kan der udsendes et elektrisk signal, der har et vist forhold til spændingen.
Fordelene ved denne type sensor omfatter høj følsomhed, god stabilitet og et bredt lineært område. Imidlertid er dets ulemper relativt høje omkostninger og let at blive påvirket af temperatur og fugtighed.
Silicium resonanstryksensorer
Siliciumresonanstryksensoren er en type tryksensor, der ud fra princippet om, at ændringen i det ydre tryk på siliciummaterialet forårsager ændringen i resonatorens resonansfrekvens, konverterer ændringen i det målte tryk til ændringen i resonansfrekvensen.
Siliciumresonanstryksensoren har høj præcision, høj opløsning, høj anti-interferensevne, er velegnet til lang-transmission og kan forbindes direkte til digitale enheder. Det har dog en lang produktionscyklus, høje omkostninger, og udgangsfrekvensen og den målte mængde er ofte i et ikke-lineært forhold.
Arbejdsprincippet for piezoresistive tryksensorer
Det følsomme element i en MEMS piezoresistiv tryksensor består af en følsom chip og et understøttende substrat. De indledende karakteristiske parametre for det følsomme element størkner flere nøgleparameterindikatorer for sensoren og er kernen i sensoren.
Den silicium piezoresistive tryk - følsomme chip er en følsom chip, hvor det følsomme element og konverteringselementet er integreret på det samme enkelt - krystal silicium substrat. Det følsomme element til at føle tryk er en elastisk silicium plan membran med en forseglet og fast periferi. Siliciummaterialet på bagsiden af membranen fjernes for at danne et omvendt firkantet - pyramide --formet hulrum. De elastiske siliciummembraner med forskellige tykkelser bestemmer forskellige trykmåleområder, følsomheder og overbelastningsevner.
For at optimere styrken af de understøttende sidevægge omkring membranen, isoleringen af den stive pakningsspænding og den elektriske isoleringsevne af chipsubstratet, bør chippens siliciumsubstrat lamineres på et tykt glassubstrat med matchende termiske ekspansionskarakteristika. Efter laminering kan spånerne med hulrummet i forbindelse med det omgivende atmosfæriske tryk bruges til manometertrykmåling, mens spånerne med hulrummet isoleret fra det omgivende atmosfæriske tryk kan bruges til absolut trykmåling.
De diffuserede silicium piezoresistive modstande, der omdanner det målte tryk til elektriske signaler, er placeret på det øvre overfladelag af den flade membran. Det konventionelle design er at placere de piezoresistive modstande nær kanten eller midten af den flade membran. Når den flade membran deformeres under påvirkning af det målte tryk, under forudsætningen af en lille afbøjning af membranen (den maksimale afbøjning i midten af membranen er langt mindre end 500 mikrospændinger), ved at udnytte ændringen i piezoresistiv resistivitet, er et elektrisk signal, der ændres lineært med membranen, ændringen i membranen, trykket, ændringen i membranen, udgangen af membranen, trykket, ændringen af membranen.
For at optimere måleydelsen af den følsomme chip er de fire piezoresistive følsomme modstande arrangeret på planet for at danne en Wheatstone-bro. Når det målte tryk påføres, øges modstanden af det ene par modsatte arme, mens modstanden af det andet par af modsatte arme falder, hvilket får den ubalancerede spændingsudgang fra Wheatstone-broen til at ændre sig lineært med det målte tryk.
Anvendelser af piezoresistive tryksensorer
MEMS piezoresistive tryksensorer er meget udbredt i forskellige industrier og områder, såsom rumfart, navigation, petrokemisk industri, mekanisk fremstilling og automatisering, vandbeskyttelse og vandkraft, industrielle gasser, biomedicinsk teknik, meteorologi, geologi, jordskælvsmåling og så videre.