النظم الكهرومكانيكية الدقيقة (ممس) تستخدم أجهزة استشعار الضغط على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من الصناعات, بما في ذلك السيارات, الطيران والطبية, وأصبحت أجهزة مهمة للهندسة الحديثة بحكم دقتها العالية وحجمها الصغير. في السنوات الأخيرة, حققت أجهزة استشعار الضغط تطورات كبيرة في التصميم, تقنيات التصنيع والتعبئة, وقد تم تحسين أدائهم بشكل كبير. في هذه الورقة, سنناقش أحدث الاتجاهات في أجهزة استشعار الضغط التفاضلية الصغيرة (MDPs), مستشعرات الضغط الرنانة (RPS), رقائق الاستشعار المتكاملة, وأجهزة استشعار الضغط المصغرة.
كتالوج
لنبدأ الفهم!
1.المبادئ الأساسية لمستشعرات ضغط MEMS
تعمل أجهزة استشعار ضغط MEMS على أساس piezoresive, تسعية, مبادئ كهروضوئية أو صدى. على سبيل المثال, أجهزة الاستشعار piezoresistive تقيس الضغط من خلال جسر Wheatstone ولها حساسية عالية. لكن, تؤثر عوامل مثل انجراف درجة الحرارة المرتفعة على دقتها, الذي أصبح تحديًا يحد من تطورهم. تتميز أجهزة الاستشعار بالسعة بانخفاض استهلاك الطاقة واستقرار درجة حرارة جيدة, لكن الآثار الطفيلية لها تأثير على دقتها.
2. مستشعر الضغط التفاضلي الدقيق (MDPs)
يستخدم MDPs على نطاق واسع في المعدات الطبية, مراقبة ضغط منفذ النار, إلخ. إنه مناسب بشكل خاص للقياسات عالية الدقة في نطاقات الضغط الصغيرة. في السنوات الأخيرة, تطورت MDPs من بنية الغشاء المسطح التقليدي إلى تصميم أكثر تعقيدًا "غشاء الأشعة" لتحسين الحساسية وتقليل عدم الخطية.
شكل 1 يوضح تطور تصميم MDPs من غشاء مسطح إلى جزيرة غشاء شعاع, مع زيادة كبيرة في الحساسية وتركيز الإجهاد الأكثر تحسينًا.
يحقق هذا الهيكل حساسية 11.098 μV/V/PA في نطاق 0-500 السلطة الفلسطينية, وهو تحسن كبير على هياكل الغشاء C- من النوع. تتضمن التحسينات اللاحقة تصميم شعاع متقاطع وهيكل جزيرة جوفاء لزيادة تحسين توزيع الإجهاد والأداء الديناميكي.
3. تقنية التصنيع MDPS
يتطلب تصنيع MDPs عمليات حفر عالية الدقة, بما في ذلك النقش الأيوني التفاعلي العميق (ثلاثة) وعمليات المنشطات البورون, لتشكيل piezoresors. يعد حفر طبقة التوقف أمرًا بالغ الأهمية للتحكم في سمك الحجاب الحاجز ويساعد على الحفاظ على الحساسية العالية.
- شكل 2 يوضح الخطوات الرئيسية في تصنيع MDPs, التأكيد على أهمية الدقة المحفورة لتوحيد الفيلم.
- دمج دائرة تضخيم الإشارة يعزز الحساسية, مع بعض التصميمات 44.9 MV/V/KPA.
4.مستشعرات الضغط الرنانة (RPS)
تستخدم مستشعرات ضغط الرنين على نطاق واسع في الحقول الراقية مثل الفضاء والطقس بسبب دقتها عالية واستقرارها. تدرك هذه المستشعرات قياس الضغط من خلال قياس خصائص تباين تردد شعاع الرنين مع الضغط.
شكل 3 يوضح الدور الحاسم لعوارض الرنين في قياسات تردد الحساسية العالية.
Temperature stability can be further improved by utilizing materials such as quartz, في حين تضمن تكنولوجيا التغليف المتقدمة الموثوقية على المدى الطويل.
5.شريحة مستشعر MEMS المتكاملة
لتلبية الحاجة إلى الأجهزة المصغرة متعددة الوظائف, قام الباحثون بتطوير رقائق مع ضغط متكامل, درجة حرارة, واستشعار الاهتزاز, التي لها تطبيقات مهمة في الهواتف الذكية, أنظمة السيارات, والمراقبة الصناعية.
شكل 4 يوضح تصميم الرقائق المتكاملة, التأكيد على عامل الشكل المدمج وقدرات قياس المعلمات متعددة المعلمات.
تم تحسين ترتيب المستشعر للحد من تداخل الإجهاد, بينما يتم استخدام تقنية الترابط متعددة الطبقات لتحسين أداء الختم والمتانة.
6.التحديات الرئيسية والتطورات المستقبلية
لا تزال مستشعرات ضغط MEMS تواجه تحديات قدرة الاستجابة الديناميكية, تعويض درجة الحرارة, والتصغير لسيناريوهات تطبيق محددة. من خلال إدخال مواد جديدة مثل الجرافين والأسلاك النانوية, من المتوقع أن يخترق الاختناقات التكنولوجية الحالية.
شكل 5 يلخص التطورات الجديدة في تكامل المواد وابتكارات التغليف لأجهزة استشعار MEMS.
يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على فصل الحساسية والتردد, الحد من اللاخطية, وتعزيز الأداء الديناميكي لوضع الأساس لتطبيق مستشعرات الجيل الجديد.
خاتمة
أصبحت مستشعرات ضغط MEMS واحدة من التقنيات الأساسية لتطبيقات متعددة الصناعات, وقد تم تحسين أدائهم بشكل شامل من خلال الابتكارات المستمرة في التصميم, تقنيات التصنيع والتكامل. تسلط هذه الورقة الضوء على أحدث التقدم في أجهزة استشعار الضغط التفاضلية الصغيرة, أجهزة استشعار ضغط الرنين ورقائق الاستشعار المتكاملة. مع مزيد من التحسين للتكنولوجيا, ستلعب أجهزة استشعار MEMS دورًا أكثر أهمية في مجال الذكاء ودقة عالية.
المقدمة أعلاه تخدش فقط سطح تطبيقات تقنية مستشعر الضغط. سنستمر في استكشاف الأنواع المختلفة من عناصر المستشعرات المستخدمة في مختلف المنتجات, كيف يعملون, ومزاياها وعيوبها. إذا كنت ترغب في مزيد من التفاصيل حول ما تمت مناقشته هنا, يمكنك التحقق من المحتوى ذي الصلة لاحقًا في هذا الدليل. إذا كنت مضغوطًا للوقت, يمكنك أيضًا النقر هنا لتنزيل تفاصيل هذه الأدلة منتجات استشعار ضغط الهواء PDF بيانات.
لمزيد من المعلومات حول تقنيات المستشعرات الأخرى, لو سمحت قم بزيارة صفحة أجهزة الاستشعار لدينا.
مراجع
[1] x. لديهم وآخرون., “التقدم في أجهزة استشعار ضغط MEMS عالية الأداء: تصميم, التصنيع, والتعبئة,” microsystems & Nanoengineering, المجلد. 9, لا. 156, ص. 1-34, ديسمبر. 2023, https://doi.org/10.1038/S41378-023-00620-1
تنصل: محتوى هذه المقالة هو الإشارة إلى وجهات نظر المواقع الأخرى, إذا كان هناك انتهاك أو مسائل أخرى, يرجى الاتصال بنا للحذف
