- による WFセンサー
MEMS圧力センサの分類MEMS
MEMS 圧力センサー間の基本的な違いは、それらが利用する物理的効果によって生じます。さまざまな動作原理により、パフォーマンスの範囲と適切なアプリケーション領域が定義されます。主流の技術的アプローチは、次の 5 つのカテゴリで構成されます。 ピエゾレス、 容量性、 共鳴、 光ファイバー そして 圧電 センサー。これらのテクノロジーには、特性とトレードオフにおいて顕著な違いがあります。
1. ピエゾ抵抗圧力センサー
ピエゾ抵抗センサーは、1954 年に発見されたピエゾ抵抗効果に基づいています。半導体材料 (単結晶シリコンなど) にストレスがかかると、そのバンド構造の変化により抵抗率に測定可能な変化が生じます。
典型的な構造の特徴は、 シリコンダイヤフラム と組み合わせて ホイートストーンブリッジ: ダイアフラムはエッジクランプされて密閉されており、裏面エッチングによって形成された逆ピラミッド型キャビティを備えています。 4 つのピエゾ抵抗素子がダイヤフラム表面に拡散してブリッジを形成しています。
圧力がかかるとダイヤフラムが変形し、一方のペアのブリッジ抵抗が増加し、もう一方のペアのブリッジ抵抗が減少します。出力は圧力に対して線形な電圧信号です。性能を向上させるために、センサー ダイは通常、熱膨張係数が一致したガラス基板に接着され、応力分離と電気絶縁が提供されます。ピエゾ抵抗センサーは構造が単純で低コストであり、大量生産に適していますが、環境への影響を軽減するために温度補償が必要です。
2. 静電容量式圧力センサー
静電容量センサーは平行平板コンデンサの原理に基づいて動作します。つまり、可動シリコン ダイヤフラムが一方の電極として機能し、固定電極がもう一方の電極を形成し、圧力によるダイヤフラムのたわみによって電極間隔が変化し、静電容量が変化します。典型的な構造は、円形の金属コーティングされたダイヤフラム (または金属化シリコン ダイヤフラム)、固定電極、およびキャビティで構成されます。測定電子機器は静電容量の変化を電気信号に変換します。
ピエゾ抵抗センサーと比較して、静電容量タイプは一般に優れた感度と線形範囲を提供し、温度ドリフトが低く安定性が高くなります。ただし、電極の絶縁が必要です。微粒子や液体が存在すると測定が妨げられる可能性があり、製造コストが比較的高くなります。多くの実装では、シリコンとガラスの結合を使用して真空基準キャビティを形成し、静電容量センサーを絶対圧力測定に適したものにします。
3. 共振圧力センサー
共振センサーは応力と周波数の関係を利用します。つまり、加えられた圧力によって引き起こされる応力に応じて、共振器 (シリコン ビームや膜など) の固有共振周波数が変化します。典型的な共振素子には、両端音叉 (DETF) または共振膜が含まれます。専用の駆動および検出回路が発振を維持し、周波数シフトを読み取ります。
共振センサーは精度と分解能に優れており、多くの場合、デジタル システムと簡単に接続できるデジタル周波数出力を提供します。欠点としては、製造がより複雑であること、生産サイクルが長いこと、温度や機械振動に敏感であることが挙げられ、これらすべてがコスト高の原因となります。したがって、共振センサーは主に航空宇宙や計測などのハイエンド用途で使用されます。
4. 光ファイバー圧力センサー
光ファイバーセンサーは一般にファブリペロー干渉法を使用します。光ファイバーの一端が半反射面を形成し、可動膜がもう一方の反射板として機能します。膜の位置が変化すると、光路の差とその結果生じる干渉縞が変化し、そこから圧力を推測できます。コアコンポーネントには、光ファイバー、反射膜、密閉キャビティが含まれます。
光ファイバーによるアプローチの利点には、電磁干渉に対する本質的な耐性、高温、腐食性、またはその他の過酷な環境への適合性、さらにはコンパクトさとリモート センシング機能が含まれます。しかし、光学コンポーネントは高価で、システムの調整とコミッショニングは複雑で、ファイバーと膜のアセンブリには厳密な製造プロセスが必要であり、これが大規模展開を制限する要因となっています。
5. 圧電圧力センサー
圧電センサーは圧電効果に依存しています。特定の材料 (窒化アルミニウム (AlN)、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) など) は機械的ストレス下で電荷を生成します。典型的な構造は圧電フィルムまたはセラミックです。これらのデバイスは外部電源なしで充電出力を生成するため、事実上自己給電型になります。
圧電センサーは優れた動的応答 (ミリ秒スケール) を備えているため、過渡的な圧力監視 (爆発、衝撃、インパルス) に最適です。静圧を確実に測定することができず、出力信号は通常小さく、複雑な増幅と調整が必要であり、長期安定性は他のタイプに比べて劣る可能性があります。
| タイプ | コアコンセプト | 内部構造 |
|---|---|---|
| ピエゾレス | 半導体ピエゾ抵抗効果。ストレスによって抵抗力が変化する | シリコン弾性ダイヤフラム + 拡散ピエゾ抵抗 (ホイートストン ブリッジ) |
| 容量性 | 平行平板コンデンサ。静電容量はプレート間隔によって変化します | 可動薄膜電極＋固定電極＋キャビティ |
| 共鳴 | 応力により共振器周波数が変化する | シリコンビーム・薄膜共振素子＋ドライブ・センス回路 |
| 光ファイバー | 光路差による干渉縞のずれ | 光ファイバー＋半反射鏡＋可動薄膜反射板 |
| 圧電 | 圧電材料は応力下で電荷を生成します | 圧電薄膜・セラミック板＋電極 |
原理と構造の比較
- 上記の比較を要約すると、次のようになります。
- ピエゾ抵抗 — シリコン ダイヤフラム上に拡散抵抗を備えたホイートストン ブリッジ。
- 容量性 — 真空基準を備えた平行平板コンデンサ。共振 — 共振器要素の周波数シフト。
- 光ファイバー — ファブリ・ペロー干渉。
- 圧電 — 圧電材料における電荷の生成。
性能比較
1. 感度
ピエゾ抵抗: 高感度で多くの産業用途に適しています。
容量性: ピエゾ抵抗方式よりも感度が高く、直線範囲が広い。
共鳴: 非常に高い感度で精密な測定が可能です。
光ファイバー: 高感度で電磁干渉に対する強い耐性を備えています。
圧電: 優れた動的感度はありますが、静的性能は劣ります。
2. 消費電力
ピエゾ抵抗: 中程度 (mA 範囲)。ブリッジの動作には連続励磁が必要です。
容量性: 低 (μA 範囲);測定回路は大電流を必要としません。
共鳴: 比較的高い (mA 範囲)。発振器の駆動が必要です。
光ファイバー: 非常に低い。リモートの低電力モニタリングに適しています。
圧電: 検出素子自体の電力はゼロです (自己電力供給)。信号調整のみが電力を消費します。
3. 環境への堅牢性
使用温度範囲（総合ランク）： 圧電 > 光ファイバー > 共鳴 > ピエゾ抵抗/容量性。
干渉耐性: 光ファイバー > 圧電 > 共鳴 > 容量性 > ピエゾ抵抗。
4. コストと統合
コスト (通常): ピエゾレス < 容量性 < 圧電 < 共鳴 < 光ファイバー。
ダイ/チップサイズ: ピエゾ抵抗/容量性 < 共鳴 < 光ファイバー。
アプリケーションシナリオ
1.自動車
自動車分野は圧力センサーの単一市場としては最大であり、総量の 35% 以上を占めています。
ピエゾ抵抗センサーは、エンジン管理、ブレーキ システム、タイヤ空気圧監視、たとえばインテーク マニホールド圧力やブレーキ ライン圧力の測定に広く使用されています。静電容量センサーは快適システムで使用される場合があります。より高い精度が必要な場合は、共振センサーが選択されます。
最新の車両には、多くの場合約 10 個の MEMS 圧力センサーを含む数百個のセンサーが搭載されており、エンジン性能の最適化、燃料効率の向上、運転の安全性の向上に重要なデータを提供します。
2. 家庭用電化製品
3D ナビゲーション、モーション センシング、健康追跡の開発に伴い、MEMS 圧力センサーが民生用デバイスで使用されることが増えています。
ピエゾ抵抗センサーと容量センサーは、気圧計、高度計、屋内ナビゲーション補助装置としてスマートフォン、タブレット、スマートウォッチによく使われています。ドローンや模型飛行機では、MEMS 圧力センサーが高度情報を提供し、ナビゲーション システムと統合して正確な飛行制御を実現します。
3. 医療
MEMS 圧力センサーは、医療機器や診断システム全体で広く使用されています。
静電容量センサーは、その安定性により、血圧測定、人工呼吸器、人工呼吸器に好まれています。ピエゾ抵抗タイプは、感度が高いため、生体内圧力モニタリングや薬物送達システムに使用されます。
4. 産業オートメーション
産業オートメーションでは、MEMS センサーはさまざまなプロセスの監視と制御に使用されます。
ピエゾ抵抗センサーは、液体およびガスのパイプライン システムおよびレベル測定に適しています。強力な EMI 耐性を備えた光ファイバー センサーは、過酷な産業環境に適しています。共振センサーは、非常に高精度の制御が必要な場合に適用されます。
5. 航空宇宙
MEMS 圧力センサーは、空力試験、高高度圧力監視、気象データ収集、および航空機および宇宙アプリケーションにおける圧力制御をサポートします。共振センサーと光ファイバーセンサーは、厳しい環境要件を満たすために高精度と堅牢な耐干渉性能が重要である航空宇宙用途によく選択されます。
選択ガイド
1. 測定目的を定義する
測定する圧力パラメータに基づいてセンサーのタイプを選択します。
絶対圧力センサー: センサー内の真空基準に対する圧力を測定します。測定値は周囲の大気圧に依存しません。気圧や高度の測定に適しています。
ゲージ (相対) 圧力センサー: 周囲の大気圧に対する相対的な圧力を測定します。大気の変動を排除する必要がある容器やコンテナの圧力に適しています。
差圧センサー: 2 つの圧力ポートの差を測定します。流量測定と濾過監視に使用されます。
2. 圧力範囲の決定
センサーの最大過圧能力、精度と範囲の関係、およびさまざまな範囲のコストへの影響を考慮してください。
最大過圧: 静的過圧と動的過圧の両方に注意してください。動的イベント (圧力スパイク) は衝撃荷重を生成する可能性があります。適切な過圧耐性を持つセンサーを選択してください。
精度と範囲: 多くの場合、センサーの精度は範囲によって異なります。適切なフルスケール範囲を選択すると、精度要件を満たすことが容易になります。
コストと範囲: 通常、0.3 ～ 1 MPa 範囲のセンサーは安価です。範囲が 0.1 MPa 未満または 1 MPa を超えるセンサーは、コストが高くなる傾向があります。
3. 精度要件を考慮する
精度は、非線形性、ヒステリシス、再現性、温度の影響、ゼロ安定性、校正、および湿度に依存します。
必要な精度層を定義します。
超高精度：0.01～0.1％FS
高精度：0.1～1%FS
標準精度：1～2％FS
低精度: 2 ～ 10% FS
センサーの精度が高くなると、コストと校正のオーバーヘッドが大きくなります。アプリケーションのニーズに応じて現実的な精度を指定します。
4. 電気的要件
出力信号フォーマット: MEMS センサーは、処理されたデジタル出力 (I²C、SPI) またはアナログ出力 (0 ～ 5 V、0 ～ 10 V)、および電流ループ (4 ～ 20 mA) を提供できます。測定または制御システムと互換性のあるインターフェイスを選択してください。
励起方法: 定電流励磁と定電圧励磁の両方が使用されます。定電流励起は熱感度の補正に役立ち、高精度測定によく使用されます。定電圧励起には固有の感度温度補償がありませんが、外部で補償できます (たとえば、ブリッジにサーミスターまたはダイオードを追加することによって)。設計要件に応じて、励起は比例または固定にすることもできます。
5. 動作条件を考慮する
ミディアムタイプ： 気体は圧縮可能です。圧力過渡現象により圧縮エネルギーが蓄積および放出され、ダイアフラムに衝撃的な負荷がかかる可能性があります。液体はほとんど非圧縮性です。設置時にセンサーの圧力定格を超える圧力サージが発生しないようにしてください。
環境条件: 振動、衝撃、または強い電磁干渉のある過酷な環境では、強化された過圧保護、堅牢な機械的シール、確実な固定、電磁シールドおよびリード線の接地が必要です。
メディアの互換性: 必要に応じて、ダイヤフラムと接液部が腐食性媒体から隔離されていることを確認してください。可燃性または爆発性の媒体の場合は、低い励起電流を使用し、ハウジングの機械的保護を強化します。
6. 動作温度範囲の決定
一般的な温度分類:
コマーシャル： −10〜60℃
産業用: −25〜80℃
自動車: −40〜125℃
軍隊： −55〜125℃
専門化: −60〜350℃
アプリケーションに適したクラスを選択してください。温度範囲が広いと、補償が複雑になり、校正作業負荷が増加します。熱分離または熱緩和戦略により、低グレードのセンサーの使用が許可される場合があります。
7. シール要件に注意する
一般的な圧力シール方法には、ゴムガスケット、エポキシカプセル化、PTFE (テフロン) ガスケット、テーパーフィッティング、パイプネジフィッティング、溶接などがあります。シールの材質と方法の選択は、センサーの動作温度範囲と化学的適合性に影響します。予想される環境と媒体に適合するシールを選択してください。
結論
MEMS 圧力センサーには多くの種類があり、それぞれに異なる動作原理、性能特性、適切な用途領域があります。
センサーを選択する際は、測定目的、圧力範囲、精度、電気インターフェース、動作条件、温度範囲、シーリング要件を総合的に考慮して、特定の用途に最適なデバイスを特定します。
継続的な技術進歩により、MEMS 圧力センサーは今後も業界全体でより幅広い用途が見られ、産業の実践と科学の発展にこれまで以上に強力なサポートを提供することになります。
上記の紹介は、圧力センサー技術のアプリケーションの表面をなぞっただけです。私たちは、さまざまな製品で使用されているさまざまなタイプのセンサー素子、それらがどのように機能するか、そしてそれらの長所と短所を引き続き調査していきます。ここで説明する内容についてさらに詳しく知りたい場合は、このガイドの後半にある関連コンテンツをご覧ください。時間がない場合は、ここをクリックしてこのガイドの詳細をダウンロードすることもできます。 空気圧センサー製品PDFデータ。
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