Co to jest czujnik ciśnienia MEMS?
MEMS to skrót od Micro Electro Mechanical Systems, czyli systemów mikroelektromechanicznych. Technologia MEMS jest uznawana za jedną z rewolucyjnych-technologii XXI wieku, a jej początki sięgają lat pięćdziesiątych XX wieku.
Technologia systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) odnosi się do technologii projektowania, wytwarzania, pomiaru i kontrolowania materiałów mikronowych/nanometrowych.
Czujnik ciśnienia MEMS to czujnik ciśnienia wytwarzany w procesie produkcyjnym łączącym technologię mikroelektroniki i technologię mikroobróbki (w tym mikroobróbkę krzemu w masie, mikroobróbkę powierzchni krzemu, klejenie i inne technologie). Czujnik ciśnienia MEMS charakteryzuje się doskonałą wydajnością pod różnymi względami, takimi jak rozmiar, dokładność i szybkość reakcji.
Klasyfikacja czujników ciśnienia MEMS
W oparciu o różne zasady działania czujniki ciśnienia MEMS oparte na materiałach krzemowych można podzielić na trzy kategorie: krzemowy typ piezorezystancyjny, krzemowy typ pojemnościowy i krzemowy typ rezonansowy.
Silikonowe piezorezystancyjne czujniki ciśnienia
Efekt piezorezystancyjny odnosi się do zjawiska polegającego na tym, że gdy materiał półprzewodnikowy jest poddawany naprężeniu, powoduje to zmiany w paśmie energii, przesunięcie energii dolin, a tym samym zmianę rezystywności rezystancji półprzewodnika.
Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia to czujnik ciśnienia zaprojektowany w oparciu o efekt piezorezystancyjny. Charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami, wysoką czułością i szybką reakcją. Jednakże proces jego wytwarzania jest złożony i łatwo ulega wpływowi temperatury i wibracji, co wymaga kompensacji temperatury.
Silikonowe pojemnościowe czujniki ciśnienia
Krzemowy pojemnościowy czujnik ciśnienia to rodzaj czujnika ciśnienia, który wykorzystuje materiały krzemowe jako elementy czujnikowe i przetwarza zmiany mierzonej wielkości na zmiany pojemności.
Zwykle jako jedną elektrodę kondensatora wykorzystuje się okrągłą folię metalową lub-metalową folię. Kiedy folia odkształca się pod wpływem ciśnienia, zmienia się pojemność powstająca pomiędzy folią a elektrodą stałą. Poprzez obwód pomiarowy można wyprowadzić sygnał elektryczny, który ma pewien związek z napięciem.
Zaletami tego typu czujnika jest wysoka czułość, dobra stabilność i szeroki zakres liniowy. Jednak jego wadami są stosunkowo wysoki koszt i łatwy wpływ temperatury i wilgotności.
Rezonansowe czujniki ciśnienia krzemu
Rezonansowy czujnik ciśnienia krzemu to rodzaj czujnika ciśnienia, który w oparciu o zasadę, że zmiana ciśnienia zewnętrznego na materiał krzemowy powoduje zmianę częstotliwości rezonansowej rezonatora, przekształca zmianę mierzonego ciśnienia na zmianę częstotliwości rezonansowej.
Krzemowy rezonansowy czujnik ciśnienia charakteryzuje się dużą precyzją, wysoką rozdzielczością,-wysoką zdolnością przeciwzakłóceniową, nadaje się do transmisji na duże-odległości i umożliwia bezpośrednie podłączenie do urządzeń cyfrowych. Ma jednak długi cykl produkcyjny, wysoki koszt, a częstotliwość wyjściowa i mierzona ilość często pozostają w zależności nieliniowej.
Zasada działania piezorezystancyjnych czujników ciśnienia
Czuły element piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia MEMS składa się z czułego chipa i podłoża nośnego. Początkowe parametry charakterystyczne czułego elementu utrwalają wiele kluczowych wskaźników parametrów czujnika i stanowią rdzeń czujnika.
Krzemowy piezorezystancyjny chip czuły na ciśnienie - to czuły chip, w którym element czuły i element konwertujący są zintegrowane na tym samym podłożu z pojedynczego kryształu krzemu -. Czułym elementem wykrywającym ciśnienie jest elastyczna, płaska membrana silikonowa z uszczelnionym i nieruchomym obrzeżem. Materiał krzemowy z tyłu membrany jest usuwany, tworząc wnękę w kształcie odwróconego czworokąta - piramidy -. Elastyczne membrany krzemowe o różnej grubości wyznaczają różne zakresy pomiaru ciśnienia, czułości i możliwości przeciążenia.
Aby zoptymalizować wytrzymałość nośnych ścian bocznych wokół membrany, izolację naprężeń sztywnych podczas pakowania oraz wydajność izolacji elektrycznej podłoża chipa, podłoże krzemowe chipa powinno być laminowane na grubym podłożu szklanym o odpowiedniej charakterystyce rozszerzalności cieplnej. Po laminowaniu wióry z wnęką komunikującą się z ciśnieniem atmosferycznym otoczenia można stosować do pomiaru nadciśnienia atmosferycznego, natomiast wióry z wnęką odizolowaną od ciśnienia atmosferycznego otoczenia można stosować do pomiaru ciśnienia bezwzględnego.
Rozproszone krzemowe rezystory piezorezystancyjne, które przekształcają zmierzone ciśnienie na sygnały elektryczne, znajdują się na górnej warstwie powierzchniowej płaskiej membrany. Konwencjonalna konstrukcja polega na umieszczeniu rezystorów piezorezystancyjnych w pobliżu krawędzi lub środka płaskiej membrany. Kiedy płaska membrana odkształca się pod wpływem mierzonego ciśnienia, przy założeniu małego ugięcia membrany (maksymalne ugięcie w środku membrany jest znacznie mniejsze niż 500 mikroodkształceń), wykorzystując zmianę rezystancji piezorezystancyjnej, wyprowadzany jest sygnał elektryczny, który zmienia się liniowo wraz z ugięciem membrany, czyli zmianą ciśnienia.
Aby zoptymalizować wydajność pomiaru czułego chipa, cztery czułe rezystory piezorezystancyjne są rozmieszczone na płaszczyźnie, tworząc mostek Wheatstone'a. Po przyłożeniu zmierzonego ciśnienia rezystancja jednej pary przeciwległych ramion wzrasta, podczas gdy rezystancja drugiej pary przeciwległych ramion maleje, powodując, że niezrównoważone napięcie wyjściowe mostka Wheatstone'a zmienia się liniowo wraz ze zmierzonym ciśnieniem.
Zastosowania piezorezystancyjnych czujników ciśnienia
Piezorezystancyjne czujniki ciśnienia MEMS są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu i dziedzinach, takich jak przemysł lotniczy, nawigacja, przemysł petrochemiczny, produkcja mechaniczna i automatyzacja, ochrona wody i energetyka wodna, gazy przemysłowe, inżynieria biomedyczna, meteorologia, geologia, pomiary trzęsień ziemi i tak dalej.