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MEMS圧力センサーは、マイクロエレクトロニクス技術とマイクロマシニング技術を統合して製造された新しいタイプのセンサーです。小型設計により、サイズ、精度、応答速度、消費電力の点で優れており、自動車エレクトロニクス、家庭用電化製品、ヘルスケア、産業オートメーション、航空宇宙などのさまざまな分野で広く採用されています。この記事では、MEMS 圧力センサーの技術原理、性能の特徴、アプリケーション シナリオについて詳しく説明し、業界の専門家に包括的な参考情報を提供します。
原則と構造
MEMS 圧力センサーの基本的な違いは、MEMS 圧力センサーが利用する物理的効果に由来します。さまざまな原理によって、パフォーマンスの限界と適切な用途が定義されます。主流の技術的アプローチは、ピエゾ抵抗、容量、共振、光ファイバー、圧電という 5 つの主要なカテゴリで構成されており、それぞれが著しく多様な特性を示します。
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。つまり、半導体材料 (単結晶シリコンなど) が機械的ストレスにさらされると、そのバンド構造が変化し、抵抗率に大きな変化が生じます。コア構造の特徴は、 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: ダイアフラムの外周はクランプで密閉され、背面は逆ピラミッド型のキャビティを形成するようにエッチングされています。 4 つのピエゾ抵抗がダイヤフラム表面に拡散され、ブリッジ回路に配線されています。
圧力が加えられると、ダイヤフラムが変形します。ブリッジ アームの一方のペアの抵抗が増加する一方で、反対側のペアの抵抗は減少し、加えられた圧力に線形的に比例する出力電圧を生成します。性能を向上させるために、チップは通常、熱膨張係数が一致するガラス基板に接着され、応力分離と電気絶縁が実現されます。環境干渉を軽減するために温度補償が必要ですが、構造が簡単で低コスト、大量生産に適しているという利点があります。
2. 静電容量式圧力センサー
ピエゾ抵抗タイプと比較して、容量センサーは優れた感度と線形範囲を提供し、さらに温度ドリフトが低く安定性が優れています。ただし、厳密なプレート絶縁が必要であり、塵や液体の影響を受けやすいです。製造コストは比較的高くなります。一般的なアプリケーションでは、シリコンとガラスの接合プロセスにより真空基準キャビティが作成され、絶対圧力測定に適しています。
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。シリコンダイヤフラムは固定電極に対向する可動電極として機能し、コンデンサを形成します。圧力が加わるとダイヤフラムが変形し、プレートの間隔が変化し、静電容量が変化します。主なアセンブリは、円形の金属コーティングされたシリコン ダイヤフラム (または金属化シリコン)、固定電極、およびキャビティで構成されます。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.共振圧力センサー
共振センサーの優れた利点は、高精度と分解能、そして現代の電子機器と簡単に接続できるデジタル出力を備えていることです。ただし、その製造は複雑で時間がかかり、依然として温度や振動に敏感です。そのため、コストが高く、通常は航空宇宙や計測などのハイエンド用途に使用されます。
共鳴センサーは活用します ストレス周波数 効果: 共振器 (シリコン ビームやダイアフラムなど) の固有共振周波数は、外部圧力によって引き起こされる応力に応じて変化します。共鳴素子とその支持構造は、一般に双頭音叉 (DETF) または共鳴膜として実現され、電子回路によって駆動および感知され、発振を維持し、周波数の変化を読み取ります。
4.光ファイバー圧力センサー
このテクノロジーは、強力な電磁場、高温、腐食性媒体などの過酷な環境に優れており、コンパクトさとリモートセンシング機能を提供します。しかし、光学部品の高コスト、システムキャリブレーションの複雑さ、ファイバーとダイアフラムの接着の厳しい要求により、その広範な採用が制限されています。
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: 光ファイバーの一端は半反射ミラーでコーティングされ、もう一端は可動絞りミラーで終わっています。圧力の変化によりダイヤフラムの位置が変化し、2 つの反射面間の光路差が変化します。結果として生じる干渉縞の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ー、ダイヤフラムミラー、密閉キャビティであり、電磁干渉に対する自然免疫を与えます。
5.圧電圧力センサー
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 (窒化アルミニウム (AlN) やチタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) など) は、機械的ストレスに応答し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ます。外部電源を必要とせず、自己電源式トランスデューサとして機能します。
圧電センサーは非常に迅速な動的応答 (ミリ秒オーダー) を実現するため、過渡的な圧力監視 (爆発や衝撃事象など) に最適です。ただし、静圧は測定できず、出力は本質的に低レベルであり、複雑な増幅回路が必要であり、長期安定性は比較的劣ります。
| タイプ | コア原則 | 内部構造 |
|---|---|---|
| ピエゾレス | 半導体ピエゾ抵抗効果: 加えられた応力によって抵抗が変化します | 弾性シリコンダイヤフラム + 拡散ピエゾ抵抗 (ホイートストンブリッジ) |
| 容量性 | 平行平板静電容量: 静電容量は電極間隔によって変化します | 可動ダイヤフラム電極＋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/ダイヤフラムレゾネーター+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 | 光ファイバー＋半反射ミラー＋可動絞りミラー |
| 圧電 | 圧電効果: 機械的ストレスにより電荷が生成される | 圧電膜／セラミック素子＋電極 |
パフォーマンスの比較
感度: 共鳴および光ファイバーが優れています
ピエゾ抵抗: 高感度で、ほとんどの産業用途に十分です。
容量性: ピエゾ抵抗に対する優れた感度と、広い線形範囲を備えています。
共鳴: 感度が非常に高く、精密測定に最適です。
光ファイバー: 感度が高く、環境干渉の影響を受けにくい。
圧電: 動的感度は優れていますが、静的性能は劣ります。
消費電力: 容量性と圧電性が最適です
ピエゾ抵抗: 中程度の消費 (mA レベル)。橋を維持するには継続的な電力が必要です。
容量性: 低消費電力 (μA レベル)。検出回路は最小限の電流を消費します。
共鳴: 比較的高い消費電力 (mA レベル)。励磁回路は発振を維持する必要があります。
光ファイバー: 消費量が非常に少ない。リモートのパッシブモニタリングに最適です。
圧電: 消費電力ゼロ (セルフパワー)。信号調整回路のみがエネルギーを必要とします。
環境適応性: 光ファイバーと圧電は極端な環境にも耐えます
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耐性:
繊維光学 > 圧電 > 共鳴 > 容量性 > ピエゾレス
コストと統合: ピエゾ抵抗リード
料金： ピエゾレス < 容量性 < 圧電 < 共鳴 < 繊維光学
チップの設置面積: 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（ダイナミック） |
| 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 | 中程度 (mA レベル) | 低い (μA レベル) | 高 (mA レベル) | 非常に低い | ゼロ (自己電源式、信号調整のみが電力を消費します) |
| 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
自動車分野は MEMS 圧力センサーの単一市場としては最大であり、総需要の 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、タイヤ圧力監視 (インテーク マニホールド圧力やブレーキ ライン圧力の測定など) 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 (例: シート圧力監視) で役割を果たし、共振センサーは高精度の圧力測定アプリケーションに役立ちます。高級車には数百のセンサーが組み込まれている場合があり、そのうち約 10 個が MEMS 圧力デバイスであり、エンジン性能の最適化、燃料効率の向上、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 トラッキング、健康監視の台頭により、MEMS 圧力センサーが消費者向けガジェットに組み込まれることが増えています。ピエゾ抵抗型と容量型は、スマートフォン、タブレット、スマートウォッチの気圧計、高度計、屋内測位機能に電力を供給します。ドローンや模型飛行機では、MEMS 圧力センサーが高度データを提供し、飛行制御システムが正確なナビゲーションを維持できるようにします。
3. ヘルスケア
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。静電容量センサーは、その安定性が評価され、血圧モニター、人工呼吸器、麻酔器に採用されています。高感度を提供するピエゾ抵抗センサーは、埋め込み型圧力モニターや薬物送達ポンプに使用されています。
4. 産業オートメーション
MEMS 圧力センサーは、無数の産業プロセスを監視および制御します。ピエゾ抵抗センサーは、液体およびガスのパイプラインの監視と液面の検出に優れています。光ファイバーセンサーは、電磁干渉に対する優れた耐性により、過酷な産業条件下でも確実に動作します。共振センサーは、プロセス制御において超高精度が要求されるアプリケーションに選択されます。
5. 航空宇宙
航空宇宙分野では、MEMS 圧力センサーは空力試験、高高度の圧力監視、気象データの取得、航空機および宇宙搭載機器の圧力調整をサポートします。共振センサーと光ファイバーセンサーは、その卓越した精度と耐干渉性により好まれており、飛行環境や宇宙環境の厳しい要求を満たします。
選択ガイド
1. 測定タイプを明確にする
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基準が含まれているため、測定値は大気圧に依存しません。気圧や高度の測定に最適です。
ゲージ圧力センサー: 周囲大気に対する圧力を測定します。大気圧を基準として使用します。大気圧の変動を打ち消す必要がある容器やパイプラインの圧力監視などの用途に適しています。
差動圧力センサー: デュアル入口を介して 2 つの圧力の差を測定します。流量測定およびフィルタ監視アプリケーションで一般的に使用されます。
2. 圧力範囲の決定
過剰圧力機能: 静的圧力と動的 (衝撃) 圧力を区別します。脈動または衝撃環境では、より高い過圧力耐性を持つセンサーを選択してください。
精度と範囲: センサーの精度は、そのスパン全体で異なることがよくあります。動作圧力に近い範囲を選択すると、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 ～ 1MPa 帯域のセンサーが最良の値を提供します。 0.1MPa 未満または 1MPa を超える範囲では、より高価になる傾向があります。
3. 精度要件の評価
精度は、非線形性、ヒステリシス、再現性、温度の影響、ゼロオフセットの安定性、校正、および湿度の影響を受けます。全温度範囲にわたる静的精度は次のように分類されます。
超高 (0.01 ～ 0.1%FS)
高 (0.1 ～ 1%FS)
標準（1～2%FS）
低 (2 ～ 10%FS)
アプリケーションに適した精度層を指定します。精度が高くなるとコストも高くなることに注意してください。
4. 電気仕様の確認
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用の I²C または SPI 出力。
アナログ: 0 ～ 5V または 0 ～ 10V の電圧出力。産業用制御システム用の 4 ～ 20mA 電流ループ。
測定または制御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 精密測定における熱感度ドリフトを最小限に抑えるために推奨されます。
定電圧励起 の方が簡単ですが、外部温度補償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励起モードまたは固定励起モードをサポートしています。安定性と消費電力のニーズに応じて選択してください。
5. 動作媒体と環境を考慮する
中程度の圧縮率:
ガス 圧縮性があるため、圧力サージがダイヤフラムに衝撃荷重を与える可能性があります。
液体 非圧縮性です。設置時に圧力がセンサーの最大定格を超えないようにしてください。
過酷な環境: 強い振動、衝撃、または電磁干渉が存在する場合は、強化された過圧力保護、堅牢な機械的シール、EMI シールド付きの接地されたケーブル配線を指定してください。
化学互換性: ダイヤフラムの材質は、腐食性または可燃性の媒体に耐える必要があります。爆発性雰囲気の場合は、最小限の励起電流を使用し、用途に応じた定格の保護ハウジングを追加してください。
6. 動作温度範囲を定義する
一般的なセンサーのグレードは次のとおりです。
商用 (-10°C ～ +60°C)
産業用 (-25°C ～ +80°C)
自動車 (-40°C ～ +125°C)
軍事用 (-55°C ～ +125°C)
特殊（-60°C ～ +350°C）
周囲条件に合わせてグレードをお選びください。屋外または極端な環境の場合は、産業用または自動車用グレードを検討するか、センサーを熱的に隔離して校正の複雑さを軽減します。
7. シール要件を確認する
一般的なシール方法には、O リング、エポキシ樹脂、PTFE ガスケット、テーパーフィット ポート、ねじ込み継手、溶接などがあります。シーラントの選択によって、センサーの使用可能な温度と化学的適合性が決まります。温度範囲とプロセス媒体に適したシーリング材料を選択してください。
結論
MEMS 圧力センサーにはさまざまなタイプがあり、それぞれ独自の動作原理、性能特性、適切な用途を特徴としています。センサーを選択するときは、特定の用途に最適なデバイスを選択するために、使用目的、圧力範囲、精度、電気仕様、動作媒体、温度範囲、およびシール要件を考慮する必要があります。技術が進歩し続けるにつれて、MEMS 圧力センサーの導入はさまざまな分野でますます普及し、産業慣行と技術開発のサポートが強化されます。
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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