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MEMS圧力センサーは、マイクロエレクトロニクステクノロジーとマイクロマシンテクニックを統合することにより製造された新しいタイプのセンサーです。. 小型化されたデザインのおかげです, 彼らはサイズの面で優れています, 正確さ, 応答速度と消費電力, 多数の分野で広く採用されています, 自動車電子機器を含む, 家電, 健康管理, 産業用自動化と航空宇宙. この記事では、技術的な原則を掘り下げます, MEMS圧力センサーのパフォーマンスの区別とアプリケーションシナリオ, 業界の専門家に包括的なリファレンスを提供します.
原則と構造
MEMS圧力センサー間の基本的な区別は、彼らが活用する物理的影響に由来する. さまざまな原則がパフォーマンスの制限と適切なアプリケーションを定義します. 主流の技術的アプローチは、5つの主要なカテゴリで構成されています, 容量性, 共鳴, 繊維光学, そして圧電 - それぞれ著しく異なる特性を示しています.
1. ピエゾレス圧力センサー
ピエゾレスセンサーは、ピエゾ抵抗効果に基づいています, で発見されました 1954: 半導体材料の場合 (単結晶シリコンなど) 機械的応力にさらされます, そのバンド構造が変化します, 抵抗率に大きな変化をもたらします. コア構造は、 弾性シリコンダイアフラム aに結合した ホイートストーンブリッジ: ダイアフラムの周辺は固定され、密閉されています, 後部がエッチングされている間、逆錐体腔が形成されます. 4つのピエゾレジスタがダイアフラム表面に拡散し、ブリッジ回路に配線されています.
圧力がかかる場合, ダイアフラム変形: 反対側のペアは減少する間、橋の腕の1組が抵抗が増加します, 出力電圧を生成して、印加圧力に直線的に比例します. パフォーマンスを向上させるため, チップは通常、熱膨張係数を備えたガラス基板に結合します, ストレスの分離と電気断熱材を提供します. 利点には、単純な構造が含まれます, 低コスト, 大量生産への適合性, ただし、環境干渉を軽減するには温度補償が必要です.
2. 容量性圧力センサー
ピエゾレス型タイプと比較して, 容量性センサーは、優れた感度と線形範囲を提供します, 低温のドリフトとより大きな安定性に加えて. しかし, 厳しいプレート断熱が必要です, ほこりや液体からの干渉を受けやすい; 製造コストは比較的高くなっています. 典型的なアプリケーションで, シリコンからグラスへの結合プロセスは、真空基準キャビティを作成します, 絶対圧力測定に適したものにします.
容量性センサーはで動作します 平行プレートコンデンサ 原理. シリコンダイアフラムは、固定電極に反対する可動電極として機能し、コンデンサを形成します. 適用された圧力は横隔膜を変形させます, プレートの分離、したがって容量を変更します. 主要なアセンブリは、円形の金属製のシリコンダイアフラムで構成されています (または金属化されたシリコン), 固定電極, そして空洞; 静電容量の変化は、専用の測定回路を介して電気信号に変換されます.
3. 共鳴圧力センサー
共鳴センサーの顕著なメリットは高精度と解像度です, 最新のエレクトロニクスと簡単にインターフェイスするデジタル出力で. しかし, それらの製造は複雑で時間がかかります, そして、それらは温度と振動に敏感なままです; その結果, 彼らは高コストを搭載しており、通常、航空宇宙やメトロロジーなどの高級アプリケーション用に予約されています.
共鳴センサーは活用します ストレス周波数 効果: 共振器の自然共振周波数 (シリコンビームやダイアフラムなど) 外部圧力によって引き起こされる応力に応答したシフト. 共鳴要素とそのサポート構造 - 心から二重巻のチューニングフォークとして実現しました (detf) または共振膜 - 電子回路によって駆動され、感知されます, 振動を維持し、周波数の変化を読み取ります.
4. 繊維光圧センサー
このテクノロジーは、厳密な環境、つまり高度な電磁場で優れています, 高温または腐食性メディア - コンパクトさとリモートセンシング機能を提供する. しかし、光学コンポーネントの高コスト, システムキャリブレーションの複雑さ, そして、繊維への双方への結合の厳しい要求は、その広範な採用を制約しています.
繊維光学センサーはを利用します ファブリー - ペロット干渉計 原理: 光ファイバの片端は半反射ミラーでコーティングされています, 反対側が可動ダイアフラムミラーで終了しますが. 圧力の変動は、横隔膜の位置をシフトします, 2つの反射面間の光パスの違いを変更する; 結果として生じる干渉フリンジシフトを分析することで、圧力を決定することができます. 主なコンポーネントは光ファイバです, ダイアフラムミラーと密閉キャビティ, 電磁干渉に自然免疫を付与します.
5. 圧電圧センサー
圧電センサーがハーネスを利用しています 圧電効果: 特定の材料 (例えば. 窒化アルミニウム (aln) またはジルコン酸タイタン酸鉛 (PZT)) 機械的応力に応じて電荷を生成します. コア構造は、圧電薄膜またはセラミック要素で構成されています. 外部電力を必要としません, それらは、自動運転トランスデューサーとして機能します.
圧電センサーは非常に迅速な動的応答を提供します (ミリ秒の順序で), それらを一時的な圧力監視に理想的にします (爆発や衝撃イベントなど). しかし, 静圧を測定することはできません, それらの出力は本質的に低レベルであり、複雑な増幅回路を必要とします, そして、それらの長期的な安定性は比較的貧弱です.
| タイプ | コア原則 | 内部構造 |
|---|---|---|
| ピエゾレス | 半導体ピエゾレス症効果: 抵抗は、適用された応力で変化します | 弾性シリコンダイアフラム + 拡散したピエゾレス星 (ホイートストーンブリッジ) |
| 容量性 | 平行プレート容量: 静電容量は電極間隔によって異なります | 可動ダイアフラム電極 + 固定電極 + キャビティ |
| 共鳴 | 応力を加えて共振器の周波数がシフトします | シリコンビーム/ダイアフラム共振器 + ドライブ & センス回路 |
| 繊維光学 | 光学パス長の変化は、干渉フリンジシフトを引き起こします | 光ファイバ + 半反射ミラー + 可動ダイアフラムミラー |
| 圧電 | 圧電効果: 機械的応力は電荷を生成します | 圧電フィルム/セラミック要素 + 電極 |
パフォーマンスの比較
感度: 共鳴および繊維光学的エクセル
ピエゾレス: 高感度, ほとんどの産業用アプリケーションで十分です.
容量性: ピエゾレス性に対する優れた感受性, 広い線形範囲.
共鳴: 非常に高い感度, 精密測定に最適です.
繊維光学: 環境干渉に対する高い感度と低感受性.
圧電: 優れた動的感度, しかし、静的なパフォーマンスが低い.
消費電力: 静電容量と圧電が最適です
ピエゾレス: 中程度の消費 (MA ‑ LEVEL); 橋を維持するために連続電力が必要です.
容量性: 低消費 (μAレベル); 検出回路は最小限の電流を引きます.
共鳴: 比較的高い消費 (MA ‑ LEVEL); 励起回路は振動を維持する必要があります.
繊維光学: 消費量が非常に少ない; リモートに適しています, パッシブ監視.
圧電: ゼロ電力消費 (自己力); 信号条件回路のみがエネルギーを必要とします.
環境適応性: 繊維光学および圧電極端に耐える
動作温度範囲:
圧電 > 繊維光学 > 共鳴 > ピエゾレス/容量性干渉に対する免疫:
繊維光学 > 圧電 > 共鳴 > 容量性 > ピエゾレス
コストと統合: ピエゾレスリード
料金: ピエゾレス < 容量性 < 圧電 < 共鳴 < 繊維光学
チップフットプリント: ピエゾレス/容量性 < 共鳴 < 繊維光学
| 特徴 | ピエゾレス | 容量性 | 共鳴 | 繊維光学 | 圧電 |
|---|---|---|---|---|---|
| 感度 | 高い | 素晴らしい | 超高 | 高い | 高い (動的) |
| 安定性 | 温度ドリフトキャリブレーションが必要です | 低ドリフト | 良好な安定性 | 電磁干渉の免疫 | 長期的な安定性が不確実です |
| 消費電力 | 適度 (MA ‑ LEVEL) | 低い (µAレベル) | 高い (MA ‑ LEVEL) | 非常に低い | ゼロ (自己力; 信号条件のみが電力を引きます) |
| 環境適合性 | 高い衝撃/振動の下で不安定 | パフォーマンスは、ほこりっぽいまたは液体環境で劣化します | 温度と振動に敏感です | 過酷な環境に適しています | 材料の幅広い選択 |
| 正確さ | 適度 | 素晴らしい | 超高 | 高い | 適度 |
| 料金 | 低い | 適度 | 高い | 非常に高い | 適度 |
アプリケーションシナリオ
1. 自動車産業
自動車セクターは、MEMS圧力センサーの最大の単一市場を表しています, 総需要の35％以上を占めています. ピエゾレスセンサーは、エンジン管理に広く使用されています, ブレーキシステムとTyre -Pressureモニタリング, たとえば、摂取量の多様な圧力またはブレーキライン圧力を測定します. 容量性センサーは、コンフォートシステムで役割を見つけます (例えば. シートプレッシャーモニタリング), 共鳴センサーは、高精度の圧力測定アプリケーションを提供します. プレミアム車両には、数百のセンサーが組み込まれている場合があります, そのうち10個はMEMS圧力装置です, エンジンのパフォーマンスを最適化するための重要なデータを提供します, 燃料効率の向上と安全性の向上.
2. 家電
3Dナビゲーションの増加とともに, モーショントラッキングとヘルスモニタリング, MEMS圧力センサーは、消費者ガジェットにますます埋め込まれています. ピエゾレオス型および静電容量のタイプは、バロメーターに動力を供給します, スマートフォンの高度計と屋内ポジション機能, タブレットとスマートウォッチ. ドローンとモデル航空機で, MEMS圧力センサーは、正確なナビゲーションを維持する際にフライトコントロールシステムを支援する高度データを提供します.
3. 健康管理
医療分野では, MEMS圧力センサーは、さまざまなデバイスや診断システムに不可欠です. 容量性センサーは、その安定性に値しますが、血圧モニターで使用されます, 換気装置と麻酔機. ピエゾレスセンサー, 高い感度を提供します, 埋め込み可能な圧力モニターと薬物供給ポンプで使用されます.
4. 産業用自動化
MEMS圧力センサーは、無数の産業プロセスを監視および調整します. ピエゾレスセンサーは、液体およびガスパイプラインの監視と液体レベルの検出に優れています. 繊維光学センサー, 電磁干渉に対する優れた免疫を備えています, 厳しい工業条件下で確実に実行します. 共振センサーは、プロセス制御の超高精度を要求するアプリケーションに選択されます.
5. 航空宇宙
航空宇宙, MEMS圧力センサーは、空力検査をサポートします, 高度圧力監視, 空borneおよび宇宙生まれの機器における気象データの収集と圧力規制. 共振センサーと繊維光学センサーは、干渉に対する並外れた精度と耐性のために好まれます, 飛行環境とスペース環境の厳しい要求を満たす.
選択ガイド
1. 測定タイプを明確にします
絶対圧力センサー: 絶対圧力を測定します; センサーには独自の真空参照が含まれています, したがって、測定値は大気圧とは無関係です. 気圧および高度の測定に最適です.
ゲージ圧力センサー: 周囲の大気に対する圧力を測定します; 参照として大気圧を使用します. 船舶やパイプラインの圧力監視などのアプリケーションに適しています, 大気圧の変動を無効にする必要があります.
差動圧力センサー: デュアルインレットを介して2つの圧力の違いを測定します. 一般的に流量測定およびフィルターモナーのアプリケーションで使用されます.
2. 圧力範囲を決定します
過剰圧力機能: 静的と動的なものを区別します (インパクト) プレッシャー. 脈動または衝撃環境用, より高い圧力耐性を持つセンサーを選択します.
精度vs. 範囲: 多くの場合、センサーの精度はそのスパンによって異なります. 操作圧力に近い範囲を選択すると、精密要件を満たすことが容易になります.
コスト対. 範囲: 0.3〜1MPAバンドのセンサーは通常、最高の価値を提供します; 0.1MPa以下の範囲または1MPa以上はより高価になる傾向があります.
3. 精度要件を評価します
精度は、非線形性の影響を受けます, ヒステリシス, 再現性, 温度効果, ゼロオフセットの安定性, キャリブレーションと湿度. 完全な温度範囲にわたる静的精度は、:
超高 (0.01–0.1％fs)
高い (0.1–1％fs)
標準 (1–2％fs)
低い (2–10％fs)
アプリケーションに適した精密ティアを指定します。.
4. 電気仕様を確認してください
出力信号:
デジタル: マイクロコントローラーとの直接インターフェースのためのI²CまたはSPI出力.
アナログ: 0–5Vまたは0〜10Vの電圧出力; 4–20MA産業制御システム用の電流ループ.
測定またはコントロールハードウェアと互換性のある出力タイプを選択してください.
励起源:
一定の電流励起 精密測定で熱感度ドリフトを最小限に抑えるために好ましい.
定電圧励起 より単純ですが、外部温度濃度抵抗またはダイオードが必要になる場合があります.
一部のセンサーは、比例または固定励起モードをサポートしています; 安定性と電力消費のニーズに従って選択します.
5. 動作中の媒体と環境を考慮してください
中程度の圧縮率:
ガス 圧縮可能です - 圧力サージは横隔膜に衝撃負荷を与える可能性があります.
液体 非圧縮性 - 保護のインストールは、センサーの最大評価を超える圧力を回避します.
過酷な環境: 強い振動の存在下で, ショックまたは電磁干渉, 強化された過圧保護を指定します, 堅牢な機械シーリング, そしてエミシールド, 接地ケーブル.
化学互換性: ダイアフラム材料は、腐食性または可燃性媒体に抵抗する必要があります. 爆発的な雰囲気の場合, 最小限の励起電流を使用し、アプリケーションに評価された保護ハウジングを追加します.
6. 動作型範囲を定義します
典型的なセンサーグレードはです:
コマーシャル (–10°C〜+60°C)
産業用 (–25°C〜+80°C)
自動車 (–40°C〜+125°C)
軍隊 (–55°C〜+125°C)
専門 (–60°C〜+350°C)
周囲の条件に一致するグレードを選択してください. 屋外または極端な環境用, 産業または自動車の成績を検討してください, または、センサーを熱分離して、キャリブレーションの複雑さを減らします.
7. シーリング要件を確認します
一般的なシーリング方法には、Oリングが含まれます, エポキシ樹脂, PTFEガスケット, テーパーフィットポート, ねじれたフィッティングと溶接. シーラントの選択により、センサーの使用可能な温度と化学的互換性が決定されます。温度範囲とプロセスメディアに適したシーリング材料を選択します.
結論
MEMS圧力センサーは、幅広いタイプで利用できます, それぞれが独自の独特の動作原理を特徴としています, パフォーマンス属性と適切なアプリケーション. センサーを選択するとき, 意図した使用を考慮する必要があります, 圧力範囲, 正確さ, 電気仕様, 操作媒体, 最も適切なデバイスが特定のアプリケーションに選択されるようにするための温度範囲とシーリング要件. テクノロジーが進歩し続けています, 多様なセクター全体のMEMS圧力センサーの展開は、ますます広くなるようになります, 産業実践と技術開発に対する強化されたサポートを提供します.
上記のはじめには、圧力センサー技術のアプリケーションの表面を傷つけるだけです. さまざまな製品で使用されるさまざまな種類のセンサー要素を引き続き探索します, 彼らはどのように働くのか, そして彼らの利点と短所. ここで説明していることの詳細が必要な場合, このガイドの後半で関連するコンテンツをチェックできます. あなたが時間に押されている場合, 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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