Tieteen ja tekniikan jatkuvan kehityksen myötä MEMS-teknologiaa käytetään yhä enemmän eri aloilla, erityisesti antureiden alalla. Paineanturi on yksi MEMS-tekniikan parhaista sovellusalueista. Sillä on korkea tarkkuus, korkea herkkyys, pieni koko, alhainen virrankulutus jne., ja sitä käytetään laajalti teollisuudessa, lääketieteessä, autoissa, ilmailussa ja muilla aloilla.
Katsotaanpa sitten MEMS-teknologiaan perustuvien paineanturien suunnittelua ja valmistusta.
1. Paineanturin rakenne ja toimintaperiaate
Paineanturit koostuvat yleensä anturielementeistä, signaalinkäsittelypiireistä, lähtöpiireistä ja koteloista. Niiden joukossa anturielementti on paineanturin ydinkomponentti, joka voi muuntaa vastaanotetun fyysisen suuren sähköiseksi signaaliksi. Eri toimintaperiaatteiden mukaan anturielementit voidaan jakaa resistiivisiksi venymäpaineantureiksi, kapasitiivisiksi paineantureiksi ja mikromekaanisiksi paineantureiksi.
Mikromekaaninen paineanturi on valmistettu MEMS-tekniikalla. Sen päärakenne sisältää kalvon, ontelon, johtavan kerroksen, kiinteän kerroksen jne. Kun paine vaikuttaa anturin kalvoon, tapahtuu lievää taivutusmuodonmuutosta. Tämä muodonmuutos aiheuttaa pienen muutoksen johtavan kerroksen ja kalvon kiinteän kerroksen väliseen etäisyyteen, mikä muuttaa kapasitanssin arvoa ja laskee sitten tuloksen. Vastaanotetun paineen määrä.
2. MEMS-paineanturien ominaisuudet
MEMS-tekniikan käytön ansiosta MEMS -paineanturit niillä on erilaisia ominaisuuksia, kuten pieni koko, kevyt paino, korkea tarkkuus, nopea vaste, korkea luotettavuus ja alhainen energiankulutus. Sen herkkyys voi olla 1pa ja virhe on alle 0,2%. Samaan aikaan MEMS-paineantureilla on myös ominaisuuksia, kuten maanjäristyskestävyys ja häiriönesto, ja ne soveltuvat sovelluksiin monimutkaisissa ympäristöissä.
3. MEMS-paineanturien valmistusprosessi
MEMS-paineanturien valmistusprosessi sisältää pääasiassa kiekkojen käsittelyn, onkalokäsittelyn, johtavan kerroksen käsittelyn, pakkaamisen ja muut linkit.
Kiekkojen käsittely on ensimmäinen askel MEMS-anturien valmistuksessa, ja sen toiminta on suoritettava puhdistetussa, pölyttömässä ympäristössä. MEMS-kiekkojen valmistustekniikka hyödyntää integroitujen piirien substraattien valmistusprosessia käyttämällä valoresistiprosesseja, maskiprosesseja, haihdutusprosesseja ja muita menetelmiä anturielementtien, ohjauspiirien ja liitäntänastojen integroimiseksi samalle kiekolle.
Ontelokäsittely on prosessi, jossa kiekkoja leikataan, syövytetään ja liimataan anturin ontelorakenteen muodostamiseksi. Tämä prosessi vaatii tekniikoiden, kuten teräleikkauksen, laseretsauksen ja ionisädeetsauksen, hallitsemista.
Johtava kerroskäsittely on yksi yleisimmistä prosesseista, joissa metalleista, kuten kuparista ja alumiinista, tehdään ohuita kalvoja ja prosessoidaan fotolitografiatekniikalla komponentteja, kuten varistoreita tai kondensaattoreita. Samaan aikaan mikrojohdinrakenteiden valmistuksessa käytetään myös elektronisuihku- tai mikrosädemenetelmiä.
Pakkauksen tarkoituksena on varmistaa MEMS-komponenttien tiiviys käyttöolosuhteissa, ja se on myös yksi vaikeimmista näkökohdista. MEMS anturit ne pakataan yleensä kiekkotason pakkauksilla (CSP), muovipakkauksilla ja muilla prosesseilla.
4. MEMS-paineanturien tuleva kehitys
Teknologian jatkuvan kehityksen ja MEMS-antureiden laajan soveltamisen myötä useilla eri aloilla tulevilla MEMS-paineantureilla ennustetaan olevan seuraavat ominaisuudet:
1. Monipuolinen rakenne. Tällä hetkellä useimmat MEMS-paineanturit perustuvat paineherkkiin komponentteihin, joilla on yksi rakenne. Tulevaisuuden paineanturit vaativat joustavampia monivaiheisia ja monirakennemalleja.
2. Parempi tarkkuus. MEMS-paineanturit ovat erittäin tarkkoja, mutta jatkokehityksessä niiden tarkkuutta ja signaali-kohinasuhdetta parannetaan edelleen tarkemman mittauskyvyn saamiseksi eri sovelluksiin.
3. Pienempi virrankulutus. MEMS -paineanturit kuluttavat sähköä, ja tuleva kehitys edellyttää niiden tehonkulutuksen parempaa vähentämistä energiankulutuksen pienentämiseksi.
Yhteenveto:
Lyhyesti sanottuna MEMS-teknologiaan perustuvilla paineantureilla on laajat sovellusmahdollisuudet, korkea tekninen sisältö ja hyvät markkinanäkymät. Valmistustekniikan jatkuvan parantamisen ja sovellusalueen laajentamisen myötä MEMS-paineanturien uskotaan tarjoavan entistä täydellisempiä ja luotettavat mittausratkaisut eri aloilla.
