Senzory tlaku mikroelektromechanických systémů (MEMS) jsou široce používány v různých průmyslových odvětvích, včetně automobilového, leteckého a lékařského průmyslu, a staly se důležitými zařízeními pro moderní strojírenství díky své vysoké přesnosti a malé velikosti. Tlakové senzory v posledních letech výrazně pokročily v designu, výrobě a balicích technologiích a jejich výkon se výrazně zlepšil. V tomto článku budeme diskutovat o nejnovějších trendech v mikro senzorech diferenčního tlaku (MDPS), rezonančních tlakových senzorech (RPS), integrovaných snímacích čipech a miniaturizovaných senzorech tlaku.
Katalog
Začněme rozumět!
1.Základní principy snímačů tlaku MEMS
MEMS tlakové senzory fungují na piezorezistivním, kapacitním, piezoelektrickém nebo rezonančním principu. Například piezorezistivní senzory měří tlak přes Wheatstoneův můstek a mají vysokou citlivost. Faktory, jako je vysoký teplotní posun, však ovlivňují jejich přesnost, což se stalo problémem omezujícím jejich vývoj. Kapacitní snímače se vyznačují nízkou spotřebou energie a dobrou teplotní stabilitou, ale na jejich přesnost mají vliv parazitní efekty.
2. Mikrosnímač diferenciálního tlaku (MDPS)
MDPS je široce používán v lékařských zařízeních, monitorování výstupního tlaku požáru atd. Je zvláště vhodný pro vysoce přesná měření v malých tlakových rozsazích. V posledních letech se MDPS vyvinul z tradiční ploché membránové struktury ke složitější konstrukci „beam-membrane-island“, aby se zlepšila citlivost a snížila nelinearita.
Obrázek 1 ilustruje vývoj konstrukce MDPS z ploché membrány na ostrov paprskové membrány s významným zvýšením citlivosti a optimalizovanější koncentrací napětí.
Tato struktura dosahuje citlivosti 11,098 μV/V/Pa v rozsahu 0-500 Pa, což je výrazné zlepšení oproti strukturám typu C a plochým membránám. Následné optimalizace zahrnují konstrukci příčného nosníku a dutou ostrůvkovou strukturu pro další zlepšení rozložení napětí a dynamického výkonu.
3. Výrobní technologie MDPS
Výroba MDPS vyžaduje vysoce přesné leptací procesy, včetně hlubokého reaktivního iontového leptání (DRIE) a procesů dopování borem, pro vytvoření piezorezistorů. Leptání dorazové vrstvy je rozhodující pro kontrolu tloušťky membrány a pomáhá udržovat vysokou citlivost.
- Obrázek 2 znázorňuje klíčové kroky při výrobě MDPS, přičemž zdůrazňuje důležitost přesnosti leptání pro stejnoměrnost filmu.
- Integrace obvodů pro zesílení signálu dále zvyšuje citlivost, přičemž některá provedení dosahují 44,9 mV/V/kPa.
4. Rezonanční tlakové senzory (RPS)
Rezonanční tlakové senzory jsou díky své vysoké přesnosti a stabilitě široce používány ve špičkových oborech, jako je letecký průmysl a monitorování počasí. Tyto senzory realizují měření tlaku měřením charakteristik změny frekvence rezonančního paprsku s tlakem.
Obrázek 3 ilustruje kritickou roli rezonančních paprsků při měření frekvence s vysokou citlivostí.
Teplotní stabilitu lze dále zlepšit použitím materiálů, jako je křemen, zatímco pokročilá technologie balení zajišťuje dlouhodobou spolehlivost.
5.Integrovaný senzorový čip MEMS
Aby výzkumníci uspokojili potřebu multifunkčních miniaturizovaných zařízení, vyvinuli čipy s integrovaným snímáním tlaku, teploty a vibrací, které mají důležité aplikace v chytrých telefonech, automobilových systémech a průmyslovém monitorování.
Obrázek 4 znázorňuje design integrovaného čipu s důrazem na jeho kompaktní tvarový faktor a víceparametrové možnosti měření.
Uspořádání senzoru je optimalizováno tak, aby se snížilo namáhání, zatímco technologie vícevrstvého lepení se používá ke zlepšení těsnícího výkonu a trvanlivosti.
6.Klíčové výzvy a budoucí vývoj
Tlakové senzory MEMS stále čelí výzvám schopnosti dynamické odezvy, teplotní kompenzace a miniaturizace pro konkrétní aplikační scénáře. Očekává se, že zavedením nových materiálů, jako je grafen a nanodrátky, bude dále překonávat stávající technologická úzká místa.
Obrázek 5 shrnuje nové pokroky v integraci materiálů a inovacích v oblasti balení pro senzory MEMS.
Budoucí výzkum by se měl zaměřit na oddělení citlivosti a frekvence, snížení nelinearity a dynamické zvýšení výkonu, aby byly položeny základy pro aplikaci senzorů nové generace.
Závěr
Tlakové senzory MEMS se staly jednou ze základních technologií pro víceodvětvové aplikace a jejich výkon se díky neustálým inovacím v oblasti designu, výroby a integračních technologií komplexně zlepšil. Tento dokument zdůrazňuje nejnovější pokrok mikrosnímačů diferenčního tlaku, rezonančních tlakových snímačů a integrovaných snímacích čipů. S další optimalizací technologie budou senzory MEMS hrát důležitější roli v oblasti inteligence a vysoké přesnosti.
Výše uvedený úvod pouze poškrábe povrch aplikací technologie tlakových senzorů. Budeme pokračovat ve zkoumání různých typů senzorových prvků používaných v různých produktech, jejich fungování a jejich výhod a nevýhod. Pokud byste chtěli více podrobností o tom, o čem se zde diskutuje, můžete se podívat na související obsah později v této příručce. Pokud vás tlačí čas, můžete také kliknout sem a stáhnout si podrobnosti o těchto příručkách Data produktu PDF na tlak vzduchu.
Pro více informací o dalších senzorových technologiích prosím Navštivte naši stránku Sensors.
Reference
[1] X. Han a kol., “Pokroky ve vysoce výkonných tlakových senzorech MEMS: návrh, výroba a balení,” Mikrosystémy & Nanoengineering, sv. 9, č. 156, s. 1–34, prosinec 2023, https://doi.org/10.1038/s41378-023-00620-1
Zřeknutí se odpovědnosti: Obsahem tohoto článku je odkazovat na názory jiných webů, pokud dojde k porušení nebo jiné záležitosti, kontaktujte nás, abychom je odstranili
