Каталог
Датчыкі ціску MEMS - гэта новы тып датчыкаў, выраблены шляхам інтэграцыі мікраэлектронных тэхналогій з метадамі мікраапрацоўкі. Дзякуючы сваёй мініяцюрнай канструкцыі, яны вылучаюцца з пункту гледжання памеру, дакладнасці, хуткасці водгуку і энергаспажывання і шырока выкарыстоўваюцца ў розных галінах, уключаючы аўтамабільную электроніку, бытавую электроніку, ахову здароўя, прамысловую аўтаматызацыю і аэракасмічную прамысловасць. У гэтым артыкуле будуць разгледжаны тэхнічныя прынцыпы, адрозненні ў прадукцыйнасці і сцэнарыі прымянення датчыкаў ціску MEMS, а таксама вычарпальныя даведкі для прафесіяналаў галіны.
Прынцыпы і структура
Фундаментальныя адрозненні паміж датчыкамі ціску MEMS вынікаюць з фізічных эфектаў, якія яны выкарыстоўваюць. Розныя прынцыпы вызначаюць межы іх прадукцыйнасці і прыдатныя прымянення. Асноўныя тэхналагічныя падыходы складаюцца з пяці асноўных катэгорый - п'езарэзістыўных, ёмістных, рэзанансных, валаконна-аптычных і п'езаэлектрычных - кожная з якіх мае прыкметна розныя характарыстыкі.
1. П'езарэзістыўныя датчыкі ціску
П'езарэзістыўныя датчыкі заснаваны на п'езарэзістыўным эфекце, адкрытым у 1954 годзе: калі паўправадніковы матэрыял (напрыклад, монакрышталічны крэмній) падвяргаецца механічнаму ўздзеянню, яго зонавая структура змяняецца, выклікаючы значную змену ўдзельнага супраціву. Канструкцыя ядра асаблівасці ан эластычная крамянёвая дыяфрагма злучаныя ў а Мост Уітстона: перыферыя дыяфрагмы заціскаецца і запячатваецца, у той час як задняя частка выгравіравана, каб сфармаваць перавернутую пірамідальную паражніну. Чатыры п'езарэзістара рассеяны на паверхні дыяфрагмы і злучаны ў маставую схему.
Пры прымяненні ціску дыяфрагма дэфармуецца: адна пара рычагоў моста павялічвае супраціўленне, а супрацьлеглая пара памяншаецца, ствараючы выхадную напругу, лінейна прапарцыйную прыкладзенаму ціску. Для павышэння прадукцыйнасці чып звычайна прымацоўваюць да шкляной падкладкі з адпаведным каэфіцыентам цеплавога пашырэння, забяспечваючы ізаляцыю ад напружання і электраізаляцыю. Перавагі ўключаюць простую структуру, нізкі кошт і прыгоднасць для масавай вытворчасці, хоць тэмпературная кампенсацыя патрабуецца для змякчэння ўздзеяння навакольнага асяроддзя.
2. Ёмістыя датчыкі ціску
У параўнанні з п'езарэзістыўнымі тыпамі, ёмістныя датчыкі забяспечваюць выдатную адчувальнасць і лінейны дыяпазон, а таксама меншы тэмпературны дрэйф і большую стабільнасць. Тым не менш, яны патрабуюць строгай ізаляцыі пліт, і яны адчувальныя да перашкод ад пылу або вадкасці; кошт іх вырабу адносна вышэй. У тыповых прылажэннях працэс злучэння крэмнія са шклом стварае вакуумную эталонную паражніну, што робіць іх прыдатнымі для вымярэння абсалютнага ціску.
Ёмістыя датчыкі працуюць на кандэнсатар з паралельнымі пласцінамі прынцып. Крамянёвая дыяфрагма служыць рухомым электродам, які супрацьстаіць нерухомаму электроду, утвараючы кандэнсатар. Прыкладзены ціск дэфармуе дыяфрагму, змяняючы аддзяленне пласцін і, такім чынам, ёмістасць. Асноўная зборка складаецца з круглай крэмніевай дыяфрагмы з металічным пакрыццём (або металізаванага крэмнію), нерухомага электрода і паражніны; змены ёмістасці пераўтвараюцца ў электрычны сігнал з дапамогай спецыяльнай схемы вымярэння.
3. Рэзанансныя датчыкі ціску
Выдатнымі вартасцямі рэзанансных датчыкаў з'яўляюцца высокая дакладнасць і раздзяляльнасць, з лічбавым выхадам, які лёгка ўзаемадзейнічае з сучаснай электронікай. Аднак іх выраб складаны і патрабуе шмат часу, і яны застаюцца адчувальнымі да тэмпературы і вібрацыі; такім чынам, яны нясуць высокі кошт і, як правіла, зарэзерваваны для высокага класа прыкладанняў, такіх як аэракасмічная і метралогія.
Рэзанансныя датчыкі выкарыстоўваюць частата стрэсу эфект: уласная рэзанансная частата рэзанатара (напрыклад, крамянёвай бэлькі або дыяфрагмы) зрушваецца ў адказ на стрэс, выкліканы знешнім ціскам. Рэзанансны элемент і яго апорная канструкцыя - звычайна рэалізаваны як камертон з двума канцамі (DETF) або рэзанансная мембрана - прыводзяцца ў рух і ўспрымаюцца электроннымі схемамі, якія падтрымліваюць ваганні і счытваюць змены частоты.
4.Валаконна-аптычныя датчыкі ціску
Гэтая тэхналогія выдатна працуе ў цяжкіх умовах — моцныя электрамагнітныя палі, высокія тэмпературы або агрэсіўныя асяроддзя — і забяспечвае кампактнасць і магчымасць дыстанцыйнага зандзіравання. Аднак высокі кошт аптычных кампанентаў, складанасць каліброўкі сістэмы і строгія патрабаванні да злучэння валакна з дыяфрагмай стрымліваюць яго шырокае распаўсюджванне.
Валаконна-аптычныя датчыкі выкарыстоўваюць Інтэрферометр Фабры–Перо прынцып: адзін канец аптычнага валакна пакрыты паўадбівальным люстэркам, а другі канец заканчваецца рухомым люстэркам з дыяфрагмай. Варыяцыі ціску зрушваюць становішча дыяфрагмы, змяняючы розніцу аптычнага шляху паміж дзвюма адлюстроўваючымі паверхнямі; аналіз выніковых зрухаў інтэрферэнцыйных палос дазваляе вызначыць ціск. Асноўнымі кампанентамі з'яўляюцца аптычнае валакно, люстэрка дыяфрагмы і герметычная паражніна, якая забяспечвае прыроджаную ўстойлівасць да электрамагнітных перашкод.
5. П'езаэлектрычныя датчыкі ціску
П'езаэлектрычныя датчыкі выкарыстоўваюць п'езаэлектрычны эфект: некаторыя матэрыялы (напрыклад, нітрыд алюмінію (AlN) або цырканат-тытанат свінцу (PZT)) ствараюць электрычны зарад у адказ на механічнае ўздзеянне. Ядро структуры складаецца з тонкай п'езаэлектрычнай плёнкі або керамічнага элемента. Не патрабуючы знешняга сілкавання, яны працуюць як пераўтваральнікі з аўтаномным харчаваннем.
П'езаэлектрычныя датчыкі забяспечваюць надзвычай хуткую дынамічную рэакцыю (парадку мілісекунд), што робіць іх ідэальнымі для маніторынгу пераходнага ціску (напрыклад, выбухі або ўдары). Тым не менш, яны не могуць вымераць статычны ціск, іх выхады па сваёй сутнасці нізкія і патрабуюць складаных схем узмацнення, а іх доўгатэрміновая стабільнасць адносна нізкая.
| Тып | Асноўны прынцып | Унутраная структура |
|---|---|---|
| П'езарэзістыўныя | П'езарэзістыўны эфект паўправадніка: супраціў змяняецца з прыкладзеным напружаннем | Эластычная крэмніевая дыяфрагма + дыфузныя п'езарэзістары (мост Уітстона) |
| Ёмісты | Ёмістасць паралельных пласцін: ёмістасць змяняецца ў залежнасці ад адлегласці паміж электродамі | Электрод з рухомай дыяфрагмай + нерухомы электрод + паражніну |
| Рэзанансны | Частата рэзанатара змяняецца з прыкладзеным напружаннем | Крамянёвы рэзанатар з прамянём/дыяфрагмай + прывад & сэнсарная схема |
| Валаконна-аптычны | Змена даўжыні аптычнага шляху выклікае зрух паласы перашкод | Аптычнае валакно + паўадбівальнае люстэрка + люстэрка з рухомай дыяфрагмай |
| П'езаэлектрычны | П'езаэлектрычны эфект: механічнае напружанне стварае зарад | П'езаэлектрычная плёнка/керамічны элемент + электроды |
Параўнанне прадукцыйнасці
Адчувальнасць: рэзанансная і валаконна-аптычная
п'езарэзістыўны: Высокая адчувальнасць, дастатковая для большасці прамысловых ужыванняў.
Ёмістны: Палепшаная адчувальнасць да п'езарэзістыўных, з шырокім лінейным дыяпазонам.
рэзанансны: Надзвычай высокая адчувальнасць, ідэальна падыходзіць для дакладных вымярэнняў.
Валаконна-аптычны: Высокая адчувальнасць і нізкая ўспрымальнасць да ўздзеяння навакольнага асяроддзя.
П'езаэлектрычны: Выдатная дынамічная адчувальнасць, але дрэнныя статычныя характарыстыкі.
Энергаспажыванне: лепш за ўсё падыходзяць ёмістныя і п'езаэлектрычныя
п'езарэзістыўны: Умеранае спажыванне (узровень мА); патрабуе бесперапыннай энергіі для падтрымання моста.
Ёмістны: Нізкае спажыванне (μA‑level); схема выяўлення спажывае мінімальны ток.
рэзанансны: Адносна высокае спажыванне (узровень мА); ланцуг ўзбуджэння павінен падтрымліваць ваганні.
Валаконна-аптычны: Надзвычай нізкае спажыванне; добра падыходзіць для аддаленага пасіўнага маніторынгу.
П'езаэлектрычны: Нулявое энергаспажыванне (аўтаномнае сілкаванне); толькі ланцуг кандыцыянавання сігналу патрабуе энергіі.
Прыдатнасць да навакольнага асяроддзя: валаконна-аптычныя і п'езаэлектрычныя вытрымліваюць экстрэмальныя нагрузкі
Дыяпазон працоўных тэмператур:
П'езаэлектрычны > Валаконна-аптычны > Рэзанансны > П'езарэзістыўны/ёмістныУстойлівасць да перашкод:
Валаконна-аптычны > П'езаэлектрычны > Рэзанансны > Ёмісты > П'езарэзістыўныя
Кошт і інтэграцыя: п'езарэзістыўныя вывады
Кошт: П'езарэзістыўныя < Ёмісты < П'езаэлектрычны < Рэзанансны < Валаконна-аптычны
След чыпа: П'езарэзістыўны/ёмістны < Рэзанансны < Валаконна-аптычны
| Асаблівасць | П'езарэзістыўныя | Ёмісты | Рэзанансны | Валаконна-аптычны | П'езаэлектрычны |
|---|---|---|---|---|---|
| Адчувальнасць | Высокі | Выдатна | Звышвысокі | Высокі | Высокі (дынамічны) |
| Стабільнасць | Патрабуецца каліброўка тэмпературнага дрэйфу | Нізкі дрэйф | Добрая стабільнасць | Устойлівы да электрамагнітных перашкод | Доўгатэрміновая стабільнасць нявызначаная |
| Энергаспажыванне | Умераны (узровень мА) | Нізкі (мкА‑узровень) | Высокі (узровень мА) | Надзвычай нізкая | Нулявы (з аўтаномным сілкаваннем; энергію спажывае толькі кандыцыянаванне сігналу) |
| Экалагічная прыгоднасць | Няўстойлівы пры моцных ударах/вібрацыі | Прадукцыйнасць пагаршаецца ў пыльным або вадкім асяроддзі | Адчувальны да тэмпературы і вібрацыі | Падыходзіць для суровых умоў | Шырокі выбар матэрыялаў |
| Дакладнасць | Умераны | Выдатна | Звышвысокі | Высокі | Умераны |
| Кошт | Нізкі | Умераны | Высокі | Вельмі высокая | Умераны |
Сцэнары прымянення
1. Аўтамабільная прамысловасць
Аўтамабільны сектар уяўляе сабой найбуйнейшы адзіны рынак для датчыкаў ціску MEMS, на яго долю прыпадае больш за 35% ад агульнага попыту. П'езарэзістыўныя датчыкі шырока выкарыстоўваюцца ў кіраванні рухавіком, тармазной сістэмай і кантролі ціску ў шынах, напрыклад, для вымярэння ціску ва ўпускным калектары або ціску ў тармазной магістралі. Ёмістыя датчыкі гуляюць ролю ў сістэмах камфорту (напрыклад, маніторынгу ціску ў сядзенні), у той час як рэзанансныя датчыкі служаць для высокадакладнага вымярэння ціску. Аўтамабілі прэміум-класа могуць уключаць у сябе сотні датчыкаў, з якіх каля дзесяці з'яўляюцца прыладамі ціску MEMS, якія забяспечваюць важныя дадзеныя для аптымізацыі прадукцыйнасці рухавіка, павышэння паліўнай эфектыўнасці і павышэння бяспекі.
2. Бытавая электроніка
З ростам 3D-навігацыі, адсочвання руху і маніторынгу здароўя MEMS-датчыкі ціску ўсё часцей убудоўваюцца ў спажывецкія гаджэты. П'езарэзістыўныя і ёмістныя тыпы забяспечваюць харчаванне барометраў, вышынямераў і функцый пазіцыянавання ў памяшканні ў смартфонах, планшэтах і разумных гадзінніках. У беспілотных лятальных апаратах і авіямадэлях датчыкі ціску MEMS перадаюць дадзеныя аб вышыні, якія дапамагаюць сістэмам кіравання палётам падтрымліваць дакладную навігацыю.
3. Ахова здароўя
У медыцынскай сферы датчыкі ціску MEMS з'яўляюцца неад'емнай часткай розных прылад і дыягнастычных сістэм. Ёмістыя датчыкі, якія цэняцца за іх стабільнасць, выкарыстоўваюцца ў танометрах, апаратах штучнай вентыляцыі лёгкіх і анестэзіі. П'езарэзістыўныя датчыкі, якія забяспечваюць высокую адчувальнасць, выкарыстоўваюцца ў імплантаваных маніторах ціску і помпах для дастаўкі лекаў.
4. Прамысловая аўтаматызацыя
Датчыкі ціску MEMS кантралююць і рэгулююць незлічоныя прамысловыя працэсы. П'езарэзістыўныя датчыкі выдатна спраўляюцца з маніторынгам вадкасных і газаправодаў і вызначэннем узроўню вадкасці. Валаконна-аптычныя датчыкі з іх найвышэйшай устойлівасцю да электрамагнітных перашкод надзейна працуюць у суровых прамысловых умовах. Рэзанансныя датчыкі выбіраюцца для прыкладанняў, якія патрабуюць звышвысокай дакладнасці кіравання працэсам.
5. Аэракасмічны
У аэракасмічнай галіне датчыкі ціску MEMS падтрымліваюць аэрадынамічныя выпрабаванні, маніторынг ціску на вялікай вышыні, збор метэаралагічных даных і рэгуляванне ціску ў бартавым і касмічным абсталяванні. Рэзанансныя і валаконна-аптычныя датчыкі карыстаюцца перавагай за іх выключную дакладнасць і ўстойлівасць да перашкод, якія адпавядаюць строгім патрабаванням палётаў і касмічных умоў.
Кіраўніцтва па выбары
1. Удакладніце тып вымярэння
Датчык абсалютнага ціску: вымярае абсалютны ціск; датчык змяшчае ўласны эталонны вакуум, таму паказанні не залежаць ад атмасфернага ціску. Ідэальна падыходзіць для бараметрычных вымярэнняў і вымярэнняў вышыні.
Датчык вымярэння ціску: вымярае ціск адносна навакольнага атмасферы; у якасці эталона выкарыстоўвае атмасферны ціск. Падыходзіць для такіх прыкладанняў, як маніторынг ціску ў ёмістасцях або трубаправодах, дзе неабходна ліквідаваць ваганні атмасфернага ціску.
Датчык дыферэнцыяльнага ціску: Вымярае розніцу паміж двума ціскамі праз падвойныя ўваходы. Звычайна выкарыстоўваецца для вымярэння расходу і маніторынгу фільтраў.
2. Вызначце дыяпазон ціску
Здольнасць да залішняга ціску: Адрозніваюць статычны і дынамічны (ударны) ціск. Для пульсацыйнага або ўдарнага асяроддзя выбірайце датчык з больш высокім допускам да залішняга ціску.
Дакладнасць супраць дыяпазону: Дакладнасць датчыка часта адрозніваецца па дыяпазоне. Выбар дыяпазону, блізкага да вашага працоўнага ціску, палягчае выкананне патрабаванняў да дакладнасці.
Кошт супраць дыяпазону: Датчыкі ў дыяпазоне 0,3–1 МПа звычайна прапануюць лепшае значэнне; дыяпазоны ніжэй за 0,1 МПа або вышэй за 1 МПа, як правіла, больш дарагія.
3. Ацаніце патрабаванні да дакладнасці
На дакладнасць уплываюць нелінейнасць, гістэрэзіс, паўтаральнасць, тэмпературныя эфекты, стабільнасць зрушэння нуля, каліброўка і вільготнасць. Статычная дакладнасць ва ўсім дыяпазоне тэмператур класіфікуецца як:
Звышвысокі (0,01–0,1 % FS)
Высокі (0,1–1% FS)
Стандарт (1–2% FS)
Нізкі (2–10% FS)
Укажыце ўзровень дакладнасці, які адпавядае вашаму прылажэнню — майце на ўвазе, што больш высокая дакладнасць патрабуе большых выдаткаў.
4. Праверце электрычныя характарыстыкі
Выхадны сігнал:
Лічбавы: выхады I²C або SPI для прамога ўзаемадзеяння з мікракантролерамі.
Аналаг: выхады напругі 0–5 В або 0–10 В; Токавыя контуры 4–20 мА для прамысловых сістэм кіравання.
Выберыце тып выхаду, сумяшчальны з вашым абсталяваннем для вымярэння або кіравання.
Крыніца ўзбуджэння:
Узбуджэнне пастаянным токам з'яўляецца пераважнай для мінімізацыі дрэйфу цеплавой адчувальнасці пры дакладных вымярэннях.
Узбуджэнне пастаяннай напругай прасцей, але можа спатрэбіцца знешнія рэзістары тэмпературнай кампенсацыі або дыёды.
Некаторыя датчыкі падтрымліваюць прапарцыйныя або фіксаваныя рэжымы ўзбуджэння; выбірайце ў адпаведнасці са стабільнасцю і патрэбамі ў энергаспажыванні.
5. Улічвайце аперацыйнае асяроддзе і асяроддзе
Сярэдняя сціскальнасць:
Газы сціскаюцца - скокі ціску могуць ствараць ударныя нагрузкі на дыяфрагму.
вадкасці з'яўляюцца несціскальнымі - пераканайцеся, што ўстаноўка пазбягае ціску, які перавышае максімальны рэйтынг датчыка.
Жорсткія ўмовы: Пры наяўнасці моцнай вібрацыі, удараў або электрамагнітных перашкод укажыце палепшаную абарону ад перавышэння ціску, трывалае механічнае ўшчыльненне і экранаваны ад электрамагнітных перашкод заземлены кабель.
Хімічная сумяшчальнасць: Матэрыялы дыяфрагмы павінны быць устойлівымі да каразійных або лёгкаўзгаральных асяроддзяў. Для выбуханебяспечнай атмасферы выкарыстоўвайце мінімальны ток узбуджэння і дадайце ахоўныя корпусы, прызначаныя для прымянення.
6. Вызначце дыяпазон працоўных тэмператур
Тыповыя класы датчыкаў:
Камерцыйны (ад –10°C да +60°C)
Прамысловы (–25°C да +80°C)
Аўтамабільны (ад –40°C да +125°C)
Ваенныя (–55°C да +125°C)
Спецыялізаваны (–60°C да +350°C)
Выберыце гатунак, які адпавядае вашым навакольным умовам. Для вонкавых або экстрэмальных умоў, разгледзьце прамысловыя або аўтамабільныя маркі або цеплавую ізаляцыю датчыка, каб паменшыць складанасць каліброўкі.
7. Праверце патрабаванні да герметызацыі
Агульныя метады ўшчыльнення ўключаюць ушчыльняльныя кольцы, эпаксідныя смалы, пракладкі з ПТФЭ, канічныя адтуліны, разьбовыя фітынгі і зварку. Выбар герметыка вызначае прыдатную для выкарыстання тэмпературу і хімічную сумяшчальнасць датчыка - выбірайце герметычныя матэрыялы, якія адпавядаюць вашаму тэмпературнаму дыяпазону і тэхналагічнаму асяроддзю.
Заключэнне
Датчыкі ціску MEMS даступныя ў шырокім спектры тыпаў, кожны з якіх адрозніваецца ўласным адметным прынцыпам працы, атрыбутамі прадукцыйнасці і прыдатным прымяненнем. Пры выбары датчыка неабходна ўлічваць меркаванае выкарыстанне, дыяпазон ціску, дакладнасць, электрычныя характарыстыкі, працоўнае асяроддзе, тэмпературны дыяпазон і патрабаванні да герметызацыі, каб забяспечыць выбар найбольш прыдатнай прылады для канкрэтнага прымянення. Па меры развіцця тэхналогій разгортванне датчыкаў ціску MEMS у розных сектарах будзе станавіцца ўсё больш шырокім, прапаноўваючы пашыраную падтрымку прамысловай практыкі і тэхналагічнага развіцця.
Прыведзенае вышэй увядзенне толькі драпае паверхню прымянення тэхналогіі датчыка ціску. Мы працягнем вывучаць розныя тыпы сэнсарных элементаў, якія выкарыстоўваюцца ў розных прадуктах, як яны працуюць, а таксама іх перавагі і недахопы. Калі вы жадаеце атрымаць больш падрабязную інфармацыю аб тым, што тут абмяркоўваецца, вы можаце праверыць адпаведнае змесціва далей у гэтым кіраўніцтве. Калі ў вас няма часу, вы таксама можаце націснуць тут, каб загрузіць падрабязную інфармацыю аб гэтым даведніку Датчыкі датчыка ціску паветра PDF дадзеныя.
Для атрымання дадатковай інфармацыі аб іншых сэнсарных тэхналогіях, калі ласка Наведайце старонку датчыкаў.