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MEMS 압력 센서는 마이크로 전자 기술과 미세 가공 기술을 통합하여 제조된 새로운 유형의 센서입니다. 소형화된 설계 덕분에 크기, 정확도, 응답 속도 및 전력 소비 측면에서 탁월하며 자동차 전자 제품, 가전 제품, 의료, 산업 자동화 및 항공 우주를 비롯한 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 이 기사에서는 MEMS 압력 센서의 기술 원리, 성능 차이 및 애플리케이션 시나리오를 자세히 살펴보고 업계 전문가에게 포괄적인 참조 자료를 제공합니다.
원리와 구조
MEMS 압력 센서 간의 근본적인 차이점은 이들이 활용하는 물리적 효과에서 비롯됩니다. 다양한 원칙에 따라 성능 한계와 적합한 애플리케이션이 정의됩니다. 주류 기술 접근 방식은 압저항, 용량성, 공진형, 광섬유, 압전 등 5가지 주요 범주로 구성되며 각각은 서로 다른 특성을 나타냅니다.
1.압저항 압력 센서
압저항 센서는 1954년에 발견된 압저항 효과를 기반으로 합니다. 즉, 반도체 재료(예: 단결정 실리콘)가 기계적 응력을 받으면 밴드 구조가 변경되어 저항률이 크게 변합니다. 핵심 구조는 탄성 실리콘 다이어프램 a 휘트 스톤 다리: 다이어프램의 주변부는 클램핑 및 밀봉되고 후면은 에칭되어 역피라미드형 공동을 형성합니다. 4개의 압전 저항이 다이어프램 표면에 확산되어 브리지 회로에 연결됩니다.
압력이 가해지면 다이어프램이 변형됩니다. 한 쌍의 브리지 암은 저항이 증가하고 반대쪽 쌍은 감소하여 적용된 압력에 선형적으로 비례하는 출력 전압을 생성합니다. 성능을 향상시키기 위해 칩은 일반적으로 열팽창 계수가 일치하는 유리 기판에 접착되어 응력 분리 및 전기 절연을 제공합니다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하며 대량생산에 적합하다는 장점이 있지만 환경 간섭을 완화하기 위해 온도 보상이 필요합니다.
2. 용량성 압력 센서
압저항 유형과 비교하여 용량성 센서는 더 낮은 온도 드리프트 및 더 높은 안정성과 함께 뛰어난 감도와 선형 범위를 제공합니다. 그러나 엄격한 판 절연이 필요하며 먼지나 액체의 간섭을 받기 쉽습니다. 제조 비용이 상대적으로 높습니다. 일반적인 응용 분야에서는 실리콘-유리 접합 공정을 통해 진공 기준 공동이 생성되어 절대 압력 측정에 매우 적합합니다.
용량 성 센서에서 작동합니다 병렬 플레이트 커패시터 원칙. 실리콘 다이어프램은 고정 전극과 반대되는 이동 전극 역할을 하여 커패시터를 형성합니다. 가해진 압력은 다이어프램을 변형시켜 플레이트 분리와 정전용량을 변경시킵니다. 주요 어셈블리는 원형 금속 코팅 실리콘 다이어프램(또는 금속 실리콘), 고정 전극 및 공동으로 구성됩니다. 커패시턴스 변화는 전용 측정 회로를 통해 전기 신호로 변환됩니다.
3. 공진 압력 센서
공진형 센서의 뛰어난 장점은 현대 전자 장치와 쉽게 인터페이스할 수 있는 디지털 출력을 갖춘 높은 정밀도와 해상도입니다. 그러나 제조가 복잡하고 시간이 많이 걸리며 온도와 진동에 여전히 민감합니다. 결과적으로 비용이 많이 들고 일반적으로 항공우주 및 계측과 같은 고급 응용 분야에 사용됩니다.
공진 센서가 이용됩니다 스트레스 주파수 효과: 공진기(예: 실리콘 빔 또는 다이어프램)의 고유 공진 주파수는 외부 압력에 의해 유발된 응력에 따라 이동합니다. 일반적으로 DETF(양단 소리굽쇠) 또는 공진 멤브레인으로 구현되는 공진 요소와 그 지지 구조는 진동을 유지하고 주파수 변화를 읽는 전자 회로에 의해 구동되고 감지됩니다.
4.광섬유 압력 센서
이 기술은 강한 전자기장, 고온 또는 부식성 매체 등 열악한 환경에서 탁월한 성능을 발휘하며 소형 및 원격 감지 기능을 제공합니다. 그러나 광학 부품의 높은 비용, 시스템 교정의 복잡성, 파이버-다이어프램 본딩에 대한 엄격한 요구로 인해 광범위한 채택이 제한되었습니다.
광섬유 센서를 사용합니다 Fabry – Pérot 간섭계 원리: 광섬유의 한쪽 끝은 반반사 거울로 코팅되어 있고 다른 쪽 끝은 이동식 다이어프램 거울에서 끝납니다. 압력 변화는 다이어프램의 위치를 이동시켜 두 반사 표면 사이의 광학 경로 차이를 변경합니다. 결과적인 간섭 무늬 이동을 분석하면 압력을 결정할 수 있습니다. 주요 구성 요소는 광섬유, 다이어프램 미러 및 밀봉된 캐비티로, 전자기 간섭에 대한 선천적인 내성을 부여합니다.
5. 압전 압력 센서
압전 센서는 다음과 같습니다 압전 효과: 특정 재료(예: 질화알루미늄(AlN) 또는 지르콘 티탄산납(PZT))은 기계적 응력에 반응하여 전하를 생성합니다. 코어 구조는 압전 박막 또는 세라믹 요소로 구성됩니다. 외부 전원이 필요하지 않으며 자체 전원 변환기로 작동합니다.
압전 센서는 매우 빠른 동적 응답(밀리초 단위)을 제공하므로 일시적인 압력 모니터링(예: 폭발 또는 충격 이벤트)에 이상적입니다. 그러나 정압을 측정할 수 없으며 출력이 본질적으로 낮은 수준이고 복잡한 증폭 회로가 필요하며 장기적인 안정성이 상대적으로 낮습니다.
| 유형 | 핵심 원칙 | 내부 구조 |
|---|---|---|
| 압전성 | 반도체 압저항 효과: 적용된 응력에 따른 저항 변화 | 탄성 실리콘 다이어프램 + 확산 압전저항기(휘트스톤 브리지) |
| 용량 성 | 평행판 정전용량: 정전용량은 전극 간격에 따라 달라집니다. | 이동식 다이어프램 전극 + 고정 전극 + 캐비티 |
| 공명 | 공진기 주파수는 응력이 적용된 상태로 이동합니다 | 실리콘 빔/다이어프램 공진기 + 드라이브 & 감각 회로 |
| 섬유 - 광학 | 광 경로 길이 변화는 간섭 프린지 이동을 유발합니다 | 광섬유 + 반반사 미러 + 이동식 다이어프램 미러 |
| 압전 | 압전 효과: 기계적 응력이 전하를 생성합니다. | 압전필름/세라믹소자+전극 |
성능 비교
감도: 공진 및 광섬유 우수
압저항: 높은 감도로 대부분의 산업 응용 분야에 충분합니다.
용량성: 넓은 선형 범위로 압저항에 대한 탁월한 감도.
공명: 매우 높은 감도로 정밀 측정에 이상적입니다.
광섬유: 환경 간섭에 대한 민감도가 높고 민감도가 낮습니다.
압전: 동적 감도는 뛰어나지만 정적 성능은 좋지 않습니다.
전력 소비: 용량성 및 압전성이 가장 좋습니다.
압저항: 보통 소비량(mA 수준), 교량을 유지하려면 지속적인 전력이 필요합니다.
용량성: 낮은 소비전력(μA 수준) 감지 회로는 최소한의 전류를 소비합니다.
공명: 상대적으로 높은 소비량(mA 수준) 여기 회로는 진동을 유지해야 합니다.
광섬유: 매우 낮은 소비; 원격 수동 모니터링에 매우 적합합니다.
압전: 전력 소모 없음(자체 전원 공급) 신호 조정 회로에만 에너지가 필요합니다.
환경 적응성: 광섬유 및 압전 장치는 극한 환경에도 견딜 수 있습니다.
작동 온도 범위:
압전 > 섬유 - 광학 > 공명 > 압전성/용량 성간섭에 대한 내성:
섬유 - 광학 > 압전 > 공명 > 용량 성 > 압전성
비용 및 통합: 압저항 리드
비용: 압전성 < 용량 성 < 압전 < 공명 < 섬유 - 광학
칩 발자국: 압전성/용량 성 < 공명 < 섬유 - 광학
| 특징 | 압전성 | 용량 성 | 공명 | 섬유 - 광학 | 압전 |
|---|---|---|---|---|---|
| 감광도 | 높은 | 훌륭한 | 초고속 | 높은 | 높음(동적) |
| 안정 | 온도 드리프트 교정이 필요합니다 | 낮은 드리프트 | 좋은 안정성 | 전자기 간섭에 면역 | 장기 안정성 불확실성 |
| 전력 소비 | 보통(mA 수준) | 낮음(μA 수준) | 높음(mA 수준) | 매우 낮습니다 | 0(자체 전원 공급, 신호 조절만 전력 소비) |
| 환경 적합성 | 높은 충격/진동에서 불안정 | 먼지가 많거나 액체 환경에서 성능이 저하됩니다 | 온도와 진동에 민감합니다 | 가혹한 환경에 적합합니다 | 광범위한 재료 선택 |
| 정확성 | 보통의 | 훌륭한 | 초고속 | 높은 | 보통의 |
| 비용 | 낮은 | 보통의 | 높은 | 매우 높습니다 | 보통의 |
응용 프로그램 시나리오
1. 자동차 산업
자동차 부문은 MEMS 압력 센서의 가장 큰 단일 시장을 대표하며 전체 수요의 35% 이상을 차지합니다. 압저항 센서는 엔진 관리, 브레이크 시스템, 타이어 압력 모니터링(예: 흡기 매니폴드 압력 또는 브레이크 라인 압력 측정)에 광범위하게 사용됩니다. 정전 용량 센서는 편의 시스템(예: 시트 압력 모니터링)에서 역할을 찾는 반면, 공진 센서는 고정밀 압력 측정 애플리케이션에 사용됩니다. 프리미엄 차량에는 수백 개의 센서가 통합될 수 있으며 그 중 약 10개는 MEMS 압력 장치로, 엔진 성능 최적화, 연비 개선 및 안전성 향상을 위한 중요한 데이터를 제공합니다.
2. 가전제품
3D 내비게이션, 동작 추적 및 상태 모니터링이 증가함에 따라 MEMS 압력 센서가 소비자 장치에 점점 더 많이 내장되고 있습니다. 압전 저항 및 정전 용량 유형은 스마트폰, 태블릿, 스마트워치의 기압계, 고도계 및 실내 위치 확인 기능을 지원합니다. 드론 및 모형 항공기에서 MEMS 압력 센서는 비행 제어 시스템이 정확한 항법을 유지하는 데 도움이 되는 고도 데이터를 제공합니다.
3. 헬스케어
의료 분야에서 MEMS 압력 센서는 다양한 장치 및 진단 시스템에 필수적입니다. 안정성이 뛰어난 정전식 센서는 혈압 모니터, 인공호흡기, 마취 기계에 사용됩니다. 높은 감도를 제공하는 압저항 센서는 이식형 압력 모니터 및 약물 전달 펌프에 사용됩니다.
4. 산업 자동화
MEMS 압력 센서는 수많은 산업 프로세스를 모니터링하고 규제합니다. 압저항 센서는 액체 및 가스 파이프라인 모니터링과 액체 레벨 감지에 탁월합니다. 전자기 간섭에 대한 탁월한 내성을 갖춘 광섬유 센서는 열악한 산업 환경에서도 안정적으로 작동합니다. 공진형 센서는 공정 제어에서 매우 높은 정확도를 요구하는 응용 분야에 선택됩니다.
5. 항공우주
항공우주 분야에서 MEMS 압력 센서는 항공 역학 테스트, 고고도 압력 모니터링, 기상 데이터 수집 및 항공 및 우주 장비의 압력 조절을 지원합니다. 공진 및 광섬유 센서는 뛰어난 정밀도와 간섭 저항성으로 인해 선호되며 비행 및 우주 환경의 엄격한 요구 사항을 충족합니다.
선택 안내서
1. 측정 유형을 명확히 합니다.
절대 압력 센서: 절대 압력을 측정합니다. 센서에는 자체 진공 기준이 포함되어 있으므로 판독값은 대기압과 무관합니다. 기압 및 고도 측정에 이상적입니다.
게이지 압력 센서: 주변 대기와 관련된 압력을 측정합니다. 대기압을 기준으로 사용합니다. 대기압의 변동을 무시해야 하는 용기 또는 파이프라인 압력 모니터링과 같은 응용 분야에 적합합니다.
차등 압력 센서: 이중 입구를 통해 두 압력의 차이를 측정합니다. 유량 측정 및 필터 모니터링 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다.
2. 압력 범위 결정
과압 능력: 정적압력과 동적(충격)압력을 구별합니다. 맥동 또는 충격 환경의 경우 과압 내성이 더 높은 센서를 선택하십시오.
정확도 대 범위: 센서 정확도는 범위에 따라 달라지는 경우가 많습니다. 작동 압력에 가까운 범위를 선택하면 정밀 요구 사항을 더 쉽게 충족할 수 있습니다.
비용 대 범위: 0.3~1MPa 대역의 센서는 일반적으로 최고의 가치를 제공합니다. 0.1MPa 미만 또는 1MPa 이상의 범위는 더 비싼 경향이 있습니다.
3. 정확도 요구 사항 평가
정확도는 비선형성, 히스테리시스, 반복성, 온도 효과, 영점 오프셋 안정성, 교정 및 습도의 영향을 받습니다. 전체 온도 범위에 대한 정적 정확도는 다음과 같이 분류됩니다.
초고속(0.01~0.1%FS)
높음(0.1~1%FS)
표준(1~2%FS)
낮음(2~10%FS)
애플리케이션에 적합한 정밀도 등급을 지정하세요. 정확도가 높을수록 비용도 더 많이 든다는 점을 명심하세요.
4. 전기 사양 확인
출력 신호:
디지털: 마이크로컨트롤러와 직접 인터페이스하기 위한 I²C 또는 SPI 출력.
비슷한 물건: 0~5V 또는 0~10V 전압 출력; 산업용 제어 시스템을 위한 4~20mA 전류 루프.
측정 또는 제어 하드웨어와 호환되는 출력 유형을 선택하십시오.
여기 소스:
일정한 전류 여기 정밀 측정에서 열 감도 드리프트를 최소화하는 데 선호됩니다.
일정한 전압 여기 더 간단하지만 외부 온도 보상 저항기나 다이오드가 필요할 수 있습니다.
일부 센서는 비례 또는 고정 여기 모드를 지원합니다. 안정성과 전력 소비 요구 사항에 따라 선택하세요.
5. 운영 매체와 환경을 고려하십시오.
중간 압축성:
가스 압축 가능합니다. 압력 서지가 다이어프램에 충격 부하를 줄 수 있습니다.
액체 비압축성 - 센서의 최대 정격을 초과하는 압력이 설치되지 않도록 하십시오.
가혹한 환경: 강한 진동, 충격 또는 전자기 간섭이 있는 경우 향상된 과압 보호, 견고한 기계적 밀봉 및 EMI 차폐, 접지 케이블링을 지정하십시오.
화학적 호환성: 다이어프램 재료는 부식성 또는 가연성 매체에 대한 저항력이 있어야 합니다. 폭발 위험이 있는 환경에서는 최소한의 여자 전류를 사용하고 해당 용도에 맞는 보호 하우징을 추가하십시오.
6. 작동 온도 범위 정의
일반적인 센서 등급은 다음과 같습니다.
상업용(–10°C ~ +60°C)
산업용(–25°C ~+80°C)
자동차(–40°C ~ +125°C)
군용(–55°C ~+125°C)
특수화(–60°C ~+350°C)
주변 조건에 맞는 등급을 선택하세요. 실외 또는 극한 환경의 경우 산업 또는 자동차 등급을 고려하거나 센서를 열적으로 분리하여 교정 복잡성을 줄이십시오.
7. 밀봉 요구 사항 확인
일반적인 밀봉 방법에는 O-링, 에폭시 수지, PTFE 개스킷, 테이퍼핏 포트, 나사형 피팅 및 용접이 포함됩니다. 밀봉제 선택에 따라 센서의 사용 가능한 온도와 화학적 호환성이 결정됩니다. 온도 범위와 공정 매체에 적합한 밀봉 재료를 선택하세요.
결론
MEMS 압력 센서는 다양한 유형으로 제공되며 각 유형은 고유한 작동 원리, 성능 특성 및 적합한 애플리케이션을 갖추고 있습니다. 센서를 선택할 때 특정 응용 분야에 가장 적합한 장치를 선택하려면 의도된 용도, 압력 범위, 정확도, 전기 사양, 작동 매체, 온도 범위 및 밀봉 요구 사항을 고려해야 합니다. 기술이 계속 발전함에 따라 다양한 분야에 걸쳐 MEMS 압력 센서의 배치가 점점 더 널리 보급되어 산업 관행 및 기술 개발에 대한 향상된 지원을 제공할 것입니다.
위의 소개는 압력 센서 기술 적용의 표면적인 부분에 불과합니다. 우리는 다양한 제품에 사용되는 다양한 유형의 센서 요소, 작동 방식, 장점과 단점을 계속해서 탐구할 것입니다. 여기에서 논의된 내용에 대해 더 자세히 알아보려면 이 가이드 뒷부분의 관련 콘텐츠를 확인하세요. 시간이 촉박한 경우 여기를 클릭하여 이 가이드의 세부정보를 다운로드할 수도 있습니다. 공기 압력 센서 제품 PDF 데이터.
다른 센서 기술에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 센서 페이지를 방문하십시오.