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MEMS 압력 센서. 그들의 소형 디자인 덕분에, 그들은 크기 측면에서 탁월합니다, 정확성, 응답 속도 및 전력 소비, 다수의 필드에서 널리 사용됩니다, 자동차 전자 장치를 포함하여, 소비자 전자 장치, 의료, 산업 자동화 및 항공 우주. 이 기사는 기술 원칙을 조사 할 것입니다, MEMS 압력 센서의 성능 구별 및 응용 시나리오, 업계 전문가에게 포괄적 인 참조를 제공합니다.
원리와 구조
MEMS 압력 센서 간의 기본 차이점은 그들이 악용하는 물리적 효과에서 비롯됩니다.. 다른 원칙은 성능 제한과 적합한 응용 프로그램을 정의합니다. 주류 기술적 접근법은 5 가지 주요 범주, 즉 피저가 있습니다, 용량 성, 공명, 섬유 - 광학, 및 압전 - 현저하게 발산 된 특성을 나타낸다.
1. 압전적 압력 센서
압전성 센서는 압전성 효과를 기반으로합니다, 발견 된 1954: 반도체 재료 일 때 (단결정 실리콘과 같은) 기계적 스트레스를받습니다, 밴드 구조가 변경됩니다, 저항력의 상당한 변화를 일으킨다. 핵심 구성은 다음과 같습니다 탄성 실리콘 다이어프램 a 휘트 스톤 다리: 다이어프램의 주변은 고정되어 밀봉되어 있습니다, 뒤쪽이 에칭되어 거꾸로 된 피라미드 캐비티를 형성하는 동안. 4 개의 piezoresistors가 다이어프램 표면에 확산되어 브리지 회로에 연결됩니다..
압력이 적용될 때, 다이어프램이 변형됩니다: 한 쌍의 브리지 암이 저항이 증가하는 반면 반대 쌍은 감소합니다., 적용된 압력에 비례하는 출력 전압을 선보. 성능을 향상시키기 위해, 칩은 일반적으로 열 팽창 계수를 갖는 유리 기판에 결합됩니다., 스트레스 분리 및 전기 절연을 제공합니다. 장점에는 간단한 구조가 포함됩니다, 저렴한 비용, 대량 생산에 대한 적합성, 환경 간섭을 완화하려면 온도 보상이 필요합니다.
2. 용량 성 압력 센서
piezorestive 유형과 비교합니다, 용량 성 센서는 우수한 감도와 선형 범위를 제공합니다, 낮은 온도 드리프트 및 더 큰 안정성과 함께. 하지만, 그들은 엄격한 플레이트 절연이 필요합니다, 먼지 나 액체의 간섭에 취약합니다; 그들의 제조 비용은 상대적으로 더 높습니다. 일반적인 응용 분야에서, 실리콘 - glass 결합 공정은 진공 기준 공동을 생성합니다, 절대 압력 측정에 적합하게 만듭니다.
용량 성 센서에서 작동합니다 병렬 플레이트 커패시터 원칙. 실리콘 다이어프램은 고정 전극을 반대하는 이동성 전극 역할을하여 커패시터를 형성합니다.. 응용 압력은 다이어프램을 변형시킵니다, 플레이트 분리 및 커패시턴스 변경. 주요 어셈블리는 원형 금속 코팅 실리콘 다이어프램으로 구성됩니다 (또는 금속 화 된 실리콘), 고정 된 전극, 그리고 공동; 커패시턴스 변화는 전용 측정 회로를 통해 전기 신호로 변환됩니다..
3. 공진 압력 센서
공진 센서의 뛰어난 장점은 높은 정밀도 및 해상도입니다., 현대 전자 제품과 쉽게 인터페이스하는 디지털 출력으로. 하지만, 그들의 제조는 복잡하고 시간이 많이 걸립니다, 그리고 그들은 온도와 진동에 민감합니다; 따라서, 그들은 높은 비용을 부과하며 일반적으로 항공 우주 및 대지와 같은 고급 응용 프로그램을 위해 예약됩니다..
공진 센서가 이용됩니다 스트레스 주파수 효과: 공진기의 자연 공진 주파수 (실리콘 빔 또는 다이어프램과 같은) 외부 압력에 의해 유발 된 응력에 대한 반응으로 이동. 공명 요소와지지 구조 - 공동체로 이중 엔드 튜닝 포크로 실현되었습니다. (Detf) 또는 공명 막 - 전자 회로에 의해 구동되고 감지됩니다, 진동을 유지하고 주파수 변경을 읽습니다.
4. 섬유질 압력 센서
이 기술은 가혹한 환경, 즉 졸음 전자기장에서 탁월합니다, 고온 또는 부식성 매체 - 소형 및 원격 감지 기능을 제공합니다.. 그러나 광학 성분의 높은 비용, 시스템 교정의 복잡성, 그리고 섬유질의 디아프 그램 본딩의 엄격한 요구는 광범위한 채택을 제한했습니다..
광섬유 센서를 사용합니다 Fabry – Pérot 간섭계 원칙: 광섬유의 한쪽 끝은 반 반사 거울로 코팅됩니다., 다른 쪽 끝이 움직일 수있는 다이어프램 거울로 끝나는 동안. 압력 변화는 다이어프램의 위치를 이동합니다, 두 반사 표면 사이의 광 경로 차이 변경; 결과적인 간섭 프린지 시프트를 분석하면 압력을 결정할 수 있습니다.. 주요 구성 요소는 광섬유입니다, 다이어프램 거울과 밀봉 된 공동, 선천성 면역을 전자기 간섭에 부여합니다.
5. 압전 압력 센서
압전 센서는 다음과 같습니다 압전 효과: 특정 재료 (예를 들어. 질화증 알루미늄 (ALN) 또는 지르코 네이트 티타 네이트를 납하십시오 (PZT)) 기계적 응력에 반응하여 전하를 생성합니다. 핵심 구조는 압전 박막 또는 세라믹 요소로 구성됩니다.. 외부 전력이 필요하지 않습니다, 그것들은 자체 강력한 변환기로 기능합니다.
압전 센서는 매우 빠른 동적 응답을 제공합니다 (밀리 초의 순서대로), 과도 압력 모니터링에 이상적입니다 (폭발 또는 충격 이벤트와 같은). 하지만, 그들은 정적 압력을 측정 할 수 없습니다, 그들의 출력은 본질적으로 낮은 수준이며 복잡한 증폭 회로가 필요합니다., 그리고 그들의 장기 안정성은 상대적으로 열악합니다.
| 유형 | 핵심 원칙 | 내부 구조 |
|---|---|---|
| 압전성 | 반도체 압전성 효과: 저항은 응용 응력에 따라 변합니다 | 탄성 실리콘 다이어프램 + 확산 된 압전 저항 (휘트 스톤 다리) |
| 용량 성 | 평행 판 커패시턴스: 커패시턴스는 전극 간격에 따라 다릅니다 | 이동성 다이어프램 전극 + 고정 된 전극 + 공동 |
| 공명 | 공진기 주파수는 응력이 적용된 상태로 이동합니다 | 실리콘 빔/다이어프램 공진기 + 운전하다 & 감각 회로 |
| 섬유 - 광학 | 광 경로 길이 변화는 간섭 프린지 이동을 유발합니다 | 광섬유 + 반 반사 거울 + 이동식 다이어프램 거울 |
| 압전 | 압전 효과: 기계적 응력은 전하를 생성합니다 | 압전 필름/세라믹 요소 + 전극 |
성능 비교
감광도: 공명 및 섬유질 엑셀
압전성: 고감도, 대부분의 산업 응용 분야에 충분합니다.
용량 성: 압경성에 대한 우수한 감도, 넓은 선형 범위.
공명: 매우 높은 감도, 정밀 측정에 이상적입니다.
섬유 - 광학: 환경 간섭에 대한 높은 감도 및 낮은 감수성.
압전: 뛰어난 동적 감도, 그러나 정적 성능이 좋지 않습니다.
전력 소비: 용량 성 및 압전이 가장 좋습니다
압전성: 적당한 소비 (Ma -Level); 다리를 유지하려면 지속적인 전력이 필요합니다.
용량 성: 낮은 소비 (μA 레벨); 감지 회로는 최소 전류를 그립니다.
공명: 상대적으로 높은 소비 (Ma -Level); 여기 회로는 진동을 유지해야합니다.
섬유 - 광학: 매우 낮은 소비; 리모컨에 적합합니다, 수동 모니터링.
압전: 제로 전력 소비 (자체 강력한); 신호 전조 회로 만 에너지가 필요합니다.
환경 적응성: 섬유 - 광학 및 압전은 극단을 견딜 수 있습니다
작동 온도 범위:
압전 > 섬유 - 광학 > 공명 > 압전성/용량 성간섭에 대한 면역:
섬유 - 광학 > 압전 > 공명 > 용량 성 > 압전성
비용 및 통합: 압전성 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 | 높은 (동적) |
| 안정 | 온도 드리프트 교정이 필요합니다 | 낮은 드리프트 | 좋은 안정성 | 전자기 간섭에 면역 | 장기 안정성 불확실성 |
| 전력 소비 | 보통의 (Ma -Level) | 낮은 (µA 레벨) | 높은 (Ma -Level) | 매우 낮습니다 | 영 (자체 강력한; 신호 컨디셔닝만이 전원을 뽑습니다) |
| 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 최대 단일 시장을 나타냅니다., 총 수요의 35% 이상을 차지합니다. 압전성 센서는 엔진 관리에 광범위하게 사용됩니다, 제동 시스템 및 타이어 압력 모니터링, 예를 들어 섭취 - 매니 폴드 압력 또는 브레이크 라인 압력을 측정합니다. 용량 성 센서는 편안한 시스템에서 역할을 찾습니다 (예를 들어. 시트 압력 모니터링), 공진 센서는 고전득 압력 측정 응용 프로그램을 제공합니다. 프리미엄 차량에는 수백 개의 센서가 통합 될 수 있습니다, 그 중 약 10 개는 MEMS 압력 장치입니다, 엔진 성능을 최적화하기위한 중요한 데이터 공급, 연료 효율 향상 및 안전성 향상.
2. 가전제품
3D 내비게이션의 상승으로, 모션 추적 및 건강 모니터링, MEMS 압력 센서는 소비자 가제트에 점점 더 포함되어 있습니다. 압전성 및 용량 성 유형은 기압계에 전원을 공급합니다, 스마트 폰의 고도계 및 실내 위치 기능, 태블릿 및 스마트 워치. 드론과 모델 대공, MEMS 압력 센서는 정확한 내비게이션을 유지하는 데 도움이되는 고도 데이터를 제공합니다..
3. 의료
의료 분야에서, MEMS 압력 센서는 다양한 장치 및 진단 시스템에 필수적입니다.. 안정성으로 볼 수있는 용량 성 센서는 혈압 모니터에 사용됩니다, 인공 호흡기 및 마취 기계. 압전성 센서, 높은 감도를 제공합니다, 이식 가능한 압력 모니터 및 약물 - 전달 펌프에 사용됩니다.
4. 산업 자동화
MEMS 압력 센서는 수많은 산업 공정을 모니터링하고 조절합니다. 경증성 센서는 액체 및 가스 파이프 라인 모니터링 및 액체 레벨 감지에서 뛰어난. 섬유소 센서, 전자기 간섭에 대한 우수한 면역력으로, 가혹한 산업 조건 하에서 안정적으로 수행하십시오. 공정 센서는 프로세스 제어의 초고속 정확도를 요구하는 응용 분야를 위해 선택됩니다..
5. 항공 우주
항공 우주에서, MEMS 압력 센서는 공기 역학적 테스트를 지원합니다, 고도 압력 모니터링, 공중 및 우주 장비의 기상 데이터 수집 및 압력 조절. 공명 및 섬유소 센서는 탁월한 정밀성과 간섭에 대한 저항에 선호됩니다., 비행 및 우주 환경의 엄격한 요구를 충족시킵니다.
선택 안내서
1. 측정 유형을 명확히하십시오
절대 압력 센서: 절대 압력을 측정합니다; 센서에는 자체 진공 참조가 포함되어 있습니다, 따라서 판독 값은 대기압과 무관합니다. 기압 및 고도 측정에 이상적입니다.
게이지 압력 센서: 주변 대기에 대한 압력을 측정합니다; 대기압을 기준으로 사용합니다. 선박 또는 파이프 라인 압력 모니터링과 같은 응용 프로그램에 적합, 대기압의 변동이 무효화되어야합니다.
차등 압력 센서: 이중 인렛을 통한 두 압력의 차이를 측정합니다. 유량 측정 및 필터 모니터링 애플리케이션에 일반적으로 사용됩니다.
2. 압력 범위를 결정하십시오
과압 능력: 정적과 동적을 구별합니다 (영향) 압력. 맥동 또는 충격 환경, 과압 공차가 높은 센서를 선택하십시오.
정확도 vs. 범위: 센서 정확도는 종종 스팬마다 다릅니다. 운영 압력에 가까운 범위를 선택하면 정밀 요구 사항을보다 쉽게 충족시킬 수 있습니다..
비용 대 비용. 범위: 0.3–1MPA 대역의 센서는 일반적으로 최고의 가치를 제공합니다.; 범위는 0.1mpa 미만 또는 1mpa 이상입니다..
3. 정확도 요구 사항을 평가하십시오
정확도는 비선형 성의 영향을받습니다, 히스테리시스, 반복성, 온도 효과, 제로 오프 세트 안정성, 교정 및 습도. 전체 온도 범위에 대한 정적 정확도는 다음으로 분류됩니다.:
초고속 (0.01–0.1%fs)
높은 (0.1–1%fs)
기준 (1–2%Fs)
낮은 (2–10%fs)
애플리케이션에 적합한 정밀 계층을 지정하십시오. 정확도가 높아짐에 따라 비용이 더 높아집니다..
4. 전기 사양을 확인하십시오
출력 신호:
디지털: 마이크로 컨트롤러와 직접 인터페이스하기위한 I²C 또는 SPI 출력.
비슷한 물건: 0–5V 또는 0–10V 전압 출력; 4–20MA 산업 제어 시스템의 전류 루프.
측정 또는 제어 하드웨어와 호환되는 출력 유형을 선택하십시오..
여기 소스:
일정한 전류 여기 정밀도 측정에서 열 - 민감도 드리프트를 최소화하는 데 선호됩니다.
일정한 전압 여기 더 간단하지만 외부 온도 위반 저항 또는 다이오드가 필요할 수 있습니다..
일부 센서는 비례 또는 고정 여기 모드를 지원합니다; 안정성 및 전력 소비 요구에 따라 선택하십시오.
5. 작동 매체 및 환경을 고려하십시오
중간 압축성:
가스 압축 가능 - 압력 서지는 다이어프램에 충격 하중을 부여 할 수 있습니다..
액체 비압축성 - 확정 설치는 센서의 최대 등급을 초과하는 압력을 피합니다..
가혹한 환경: 강한 진동이있을 때, 충격 또는 전자기 간섭, 향상된 과압 보호를 지정하십시오, 강력한 기계적 밀봉, 그리고 Emi -Shielded, 접지 케이블 링.
화학적 호환성: 다이어프램 재료는 부식성 또는 가연성 매체에 저항해야합니다. 폭발성 대기, 최소 흥분 전류를 사용하고 응용 프로그램에 대한 평가 된 보호 하우징을 추가하십시오..
6. 작동중인 범위를 정의하십시오
일반적인 센서 등급입니다:
광고 (–10 ° C ~+60 ° C)
산업용 (–25 ° C ~+80 ° C)
자동차 (–40 ° C ~+125 ° C)
군대 (–55 ° C ~+125 ° C)
전문 (–60 ° C ~+350 ° C)
주변 조건과 일치하는 등급을 선택하십시오. 실외 또는 극한 환경의 경우, 산업 또는 자동차 등급을 고려하십시오, 또는 교정 복잡성을 줄이기 위해 센서를 열적으로 분리하십시오.
7. 밀봉 요구 사항을 확인하십시오
일반적인 밀봉 방법에는 O- 링이 포함됩니다, 에폭시 수지, PTFE 개스킷, 테이퍼 피트 포트, 나사 피팅 및 용접. 실런트 선택은 센서의 사용 가능한 온도 및 화학적 호환성을 결정합니다. 온도 범위 및 프로세스 매체에 적합한 밀봉 재료를 선택하십시오..
결론
MEMS 압력 센서는 다양한 유형으로 사용할 수 있습니다., 각각 고유 한 운영 원리를 특징으로합니다, 성능 속성 및 적합한 응용 프로그램. 센서를 선택할 때, 의도 된 용도를 고려해야합니다, 압력 범위, 정확성, 전기 사양, 작동 매체, 특정 애플리케이션에 가장 적합한 장치가 선택되도록 온도 범위 및 밀봉 요구 사항. 기술이 계속 발전함에 따라, 다양한 부문에 걸쳐 MEMS 압력 센서의 배치가 점점 더 널리 퍼져있을 것입니다., 산업 실무 및 기술 개발에 대한 향상된 지원을 제공합니다.
위의 소개는 압력 센서 기술의 적용 표면 만 긁는 것만. 다양한 제품에 사용되는 다양한 유형의 센서 요소를 계속 탐색 할 것입니다., 그들이 어떻게 일하는지, 그리고 그들의 장점과 단점. 여기에서 논의 된 내용에 대한 자세한 내용을 원한다면, 이 안내서의 뒷부분에서 관련 콘텐츠를 확인할 수 있습니다.. 시간이 걸리면, 이 가이드의 세부 사항을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오. 공기 압력 센서 제품 PDF 데이터.
다른 센서 기술에 대한 자세한 내용, 제발 센서 페이지를 방문하십시오.
