Drucksensoren für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) werden in einer Vielzahl von Branchen, darunter Automobil, Luft- und Raumfahrt sowie Medizin, häufig eingesetzt und sind aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und geringen Größe zu wichtigen Geräten für die moderne Technik geworden. In den letzten Jahren haben Drucksensoren erhebliche Fortschritte in Design, Herstellung und Verpackungstechnologie gemacht und ihre Leistung wurde erheblich verbessert. In diesem Artikel diskutieren wir die neuesten Trends bei Mikrodifferenzdrucksensoren (MDPS), Resonanzdrucksensoren (RPS), integrierten Sensorchips und miniaturisierten Drucksensoren.
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Beginnen wir mit dem Verstehen!
1.Grundprinzipien von MEMS-Drucksensoren
MEMS-Drucksensoren arbeiten nach piezoresistiven, kapazitiven, piezoelektrischen oder resonanten Prinzipien. Piezoresistive Sensoren messen beispielsweise den Druck über eine Wheatstone-Brücke und weisen eine hohe Empfindlichkeit auf. Faktoren wie hohe Temperaturdrift beeinträchtigen jedoch ihre Genauigkeit, was zu einer Herausforderung geworden ist, die ihre Entwicklung einschränkt. Kapazitive Sensoren zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch und eine gute Temperaturstabilität aus, parasitäre Effekte wirken sich jedoch auf ihre Genauigkeit aus.
2. Mikro-Differenzdrucksensor (MDPS)
MDPS wird häufig in medizinischen Geräten, zur Drucküberwachung von Brandausgängen usw. eingesetzt. Es eignet sich besonders für hochpräzise Messungen in kleinen Druckbereichen. In den letzten Jahren hat sich MDPS von der traditionellen Flachmembranstruktur zu einem komplexeren „Balken-Membran-Insel“-Design weiterentwickelt, um die Empfindlichkeit zu verbessern und die Nichtlinearität zu reduzieren.
Abbildung 1 zeigt die Entwicklung des MDPS-Designs von einer Flachmembran zu einer Balkenmembraninsel mit einer deutlichen Steigerung der Empfindlichkeit und einer optimierten Spannungskonzentration.
Diese Struktur erreicht eine Empfindlichkeit von 11,098 μV/V/Pa im Bereich von 0–500 Pa, was eine deutliche Verbesserung gegenüber den C-Typ- und Flachmembranstrukturen darstellt. Nachfolgende Optimierungen umfassen ein Querträgerdesign und eine Hohlinselstruktur, um die Spannungsverteilung und die dynamische Leistung weiter zu verbessern.
3. MDPS-Fertigungstechnologie
Die MDPS-Herstellung erfordert hochpräzise Ätzprozesse, einschließlich Deep Reactive Ion Etching (DRIE) und Bordotierungsprozessen, um die Piezowiderstände zu bilden. Das Ätzen der Stoppschicht ist entscheidend für die Kontrolle der Dicke der Membran und trägt zur Aufrechterhaltung einer hohen Empfindlichkeit bei.
- Abbildung 2 veranschaulicht die wichtigsten Schritte bei der Herstellung von MDPS und betont die Bedeutung der Ätzgenauigkeit für die Gleichmäßigkeit des Films.
- Die Integration von Signalverstärkungsschaltkreisen erhöht die Empfindlichkeit weiter, wobei einige Designs 44,9 mV/V/kPa erreichen.
4.Resonante Drucksensoren (RPS)
Resonanzdrucksensoren werden aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und Stabilität häufig in High-End-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Wetterüberwachung eingesetzt. Diese Sensoren realisieren eine Druckmessung, indem sie die Eigenschaften der Resonanzfrequenzschwankung des Strahls mit dem Druck messen.
Abbildung 3 veranschaulicht die entscheidende Rolle resonanter Strahlen bei hochempfindlichen Frequenzmessungen.
Die Temperaturstabilität kann durch den Einsatz von Materialien wie Quarz weiter verbessert werden, während fortschrittliche Verpackungstechnologie eine langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet.
5.Integrierter MEMS-Sensorchip
Um den Bedarf an multifunktionalen miniaturisierten Geräten zu decken, haben Forscher Chips mit integrierter Druck-, Temperatur- und Vibrationsmessung entwickelt, die wichtige Anwendungen in Smartphones, Automobilsystemen und industrieller Überwachung haben.
Abbildung 4 veranschaulicht das integrierte Chipdesign und hebt seinen kompakten Formfaktor und seine Multiparameter-Messfunktionen hervor.
Die Sensoranordnung ist optimiert, um Spannungsinterferenzen zu reduzieren, während die mehrschichtige Verbindungstechnologie zur Verbesserung der Dichtungsleistung und Haltbarkeit eingesetzt wird.
6. Wichtige Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen
MEMS-Drucksensoren stehen immer noch vor den Herausforderungen der dynamischen Reaktionsfähigkeit, der Temperaturkompensation und der Miniaturisierung für bestimmte Anwendungsszenarien. Durch die Einführung neuer Materialien wie Graphen und Nanodrähten wird erwartet, dass die bestehenden technologischen Engpässe weiter überwunden werden.
Abbildung 5 fasst neue Fortschritte bei der Materialintegration und Verpackungsinnovationen für MEMS-Sensoren zusammen.
Zukünftige Forschung sollte sich auf die Entkopplung von Empfindlichkeit und Frequenz, die Reduzierung der Nichtlinearität und die Verbesserung der dynamischen Leistung konzentrieren, um den Grundstein für die Anwendung von Sensoren der neuen Generation zu legen.
Abschluss
MEMS-Drucksensoren sind zu einer der Kerntechnologien für branchenübergreifende Anwendungen geworden und ihre Leistung wurde durch kontinuierliche Innovationen in den Bereichen Design, Fertigung und Integrationstechnologien umfassend verbessert. In diesem Artikel werden die neuesten Fortschritte bei Mikro-Differenzdrucksensoren, Resonanzdrucksensoren und integrierten Sensorchips beleuchtet. Mit weiterer Optimierung der Technologie werden MEMS-Sensoren eine immer wichtigere Rolle im Bereich Intelligenz und Hochpräzision spielen.
Die obige Einführung kratzt nur an der Oberfläche der Anwendungen der Drucksensortechnologie. Wir werden weiterhin die verschiedenen Arten von Sensorelementen untersuchen, die in verschiedenen Produkten verwendet werden, wie sie funktionieren und welche Vor- und Nachteile sie haben. Wenn Sie detailliertere Informationen zu den hier besprochenen Themen wünschen, können Sie sich die entsprechenden Inhalte weiter unten in diesem Handbuch ansehen. Wenn Sie unter Zeitdruck stehen, können Sie auch hier klicken, um die Details dieser Leitfäden herunterzuladen PDF -Daten des Luftdrucksensorprodukts.
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Referenzen
[1] X. Han et al., “Fortschritte bei Hochleistungs-MEMS-Drucksensoren: Design, Herstellung und Verpackung,” Mikrosysteme & Nanoengineering, Bd. 9, nein. 156, S. 1-34, Dez. 2023, https://doi.org/10.1038/s41378-023-00620-1
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