Co je tlakový senzor MEMS?
MEMS je zkratka Micro Electro Mechanical Systems, tedy mikroelektromechanické systémy. Technologie MEMS je oslavována jako jedna z revolučních špičkových-technologií 21. století a lze ji vysledovat až do 50. let minulého století.
Technologie mikroelektromechanických systémů (MEMS) označuje technologii navrhování, výroby, měření a řízení mikronových/nanometrových materiálů.
Tlakový senzor MEMS je tlakový senzor vyrobený výrobním procesem, který kombinuje mikroelektronickou technologii a technologii mikroobrábění (včetně mikroobrábění křemíku, mikroobrábění křemíkového povrchu, lepení a dalších technologií). Tlakový senzor MEMS vykazuje vynikající výkon v různých aspektech, jako je velikost, přesnost a rychlost odezvy.
Klasifikace snímačů tlaku MEMS
Na základě různých pracovních principů lze tlakové senzory MEMS na bázi křemíkových materiálů rozdělit do tří kategorií: křemíkový piezorezistivní typ, křemíkový kapacitní typ a křemíkový rezonanční typ.
Silikonové piezorezistivní tlakové snímače
Piezorezistivní efekt se týká jevu, že když je polovodičový materiál vystaven namáhání, způsobuje změny v energetickém pásmu, energetický posun prohlubní, a tím mění měrný odpor polovodičového odporu.
Piezorezistivní tlakový senzor je tlakový senzor navržený s využitím piezorezistivního efektu. Vyznačuje se malými rozměry, vysokou citlivostí a rychlou odezvou. Jeho výrobní proces je však složitý a je snadno ovlivněn teplotou a vibracemi, což vyžaduje teplotní kompenzaci.
Silikonové kapacitní snímače tlaku
Křemíkový kapacitní snímač tlaku je typ snímače tlaku, který využívá jako snímací prvky křemíkové materiály a převádí změny měřené veličiny na změny kapacity.
Obecně používá jako jednu elektrodu kondenzátoru kruhovou kovovou fólii nebo pokovenou -fólii. Při deformaci fólie vlivem tlaku se mění kapacita vytvořená mezi fólií a pevnou elektrodou. Prostřednictvím měřicího obvodu může být vyveden elektrický signál, který má určitý vztah k napětí.
Mezi výhody tohoto typu snímače patří vysoká citlivost, dobrá stabilita a široký lineární rozsah. Jeho nevýhodou je však relativně vysoká cena a snadnost ovlivnění teplotou a vlhkostí.
Silikonové rezonanční tlakové snímače
Křemíkový rezonanční tlakový senzor je typ tlakového senzoru, který na základě principu, že změna vnějšího tlaku na křemíkový materiál způsobí změnu rezonanční frekvence rezonátoru, převádí změnu měřeného tlaku na změnu rezonanční frekvence.
Křemíkový rezonanční tlakový senzor se vyznačuje vysokou přesností, vysokým rozlišením, vysokou odolností-rušení, je vhodný pro přenos na dlouhé{1}}vzdálenosti a lze jej přímo připojit k digitálním zařízením. Má však dlouhý výrobní cyklus, vysoké náklady a výstupní frekvence a měřená veličina jsou často v nelineárním vztahu.
Princip činnosti piezorezistivních tlakových snímačů
Citlivý prvek MEMS piezorezistivního tlakového senzoru se skládá z citlivého čipu a nosného substrátu. Počáteční charakteristické parametry citlivého prvku zpevňují několik klíčových ukazatelů parametrů snímače a jsou jádrem snímače.
Křemíkový piezorezistivní tlak - citlivý čip je citlivý čip, ve kterém jsou citlivý prvek a konverzní prvek integrovány na stejném jediném - krystalovém křemíkovém substrátu. Citlivým prvkem pro snímání tlaku je elastická silikonová planární membrána s utěsněnou a pevnou periferií. Silikonový materiál na zadní straně membrány se odstraní a vytvoří se dutina ve tvaru obráceného čtyřbokého - jehlanu -. Silikonové elastické membrány s různými tloušťkami určují různé rozsahy měření tlaku, citlivosti a schopnosti přetížení.
Aby se optimalizovala pevnost nosných bočních stěn kolem membrány, izolace pevného obalového napětí a elektrické izolační vlastnosti substrátu čipu, měl by být křemíkový substrát čipu nalaminován na silný skleněný substrát s odpovídajícími charakteristikami tepelné roztažnosti. Po laminaci lze čipy s dutinou komunikující s okolním atmosférickým tlakem použít pro měření přetlaku, zatímco čipy s dutinou izolovanou od okolního atmosférického tlaku lze použít pro měření absolutního tlaku.
Na horní povrchové vrstvě ploché membrány jsou umístěny difuzní křemíkové piezorezistivní odpory, které převádějí snímaný měřený tlak na elektrické signály. Konvenční návrh spočívá v umístění piezorezistivních odporů blízko okraje nebo středu ploché membrány. Když se plochá membrána deformuje působením měřeného tlaku, za předpokladu malé výchylky membrány (maximální výchylka ve středu membrány je daleko menší než 500 mikrodeformací), využitím změny piezorezistivního odporu, elektrického signálu, který se mění lineárně s průhybem membrány, tj. se změnou výstupního tlaku.
Pro optimalizaci výkonu měření citlivého čipu jsou čtyři piezorezistivní citlivé rezistory uspořádány v rovině tak, aby tvořily Wheatstoneův můstek. Při působení měřeného tlaku se odpor jednoho páru protilehlých ramen zvyšuje, zatímco odpor druhého páru protilehlých ramen klesá, čímž se nesymetrický napěťový výstup Wheatstoneova můstku mění lineárně s naměřeným tlakem.
Aplikace piezorezistivních tlakových senzorů
MEMS piezorezistivní tlakové senzory jsou široce používány v různých průmyslových odvětvích a oborech, jako je letecký průmysl, navigace, petrochemický průmysl, strojní výroba a automatizace, ochrana vody a vodní energie, průmyslové plyny, biomedicínské inženýrství, meteorologie, geologie, měření zemětřesení a tak dále.