Датчики давления микроэлектромеханических систем (МЭМС) широко используются в различных отраслях промышленности, включая автомобильную, аэрокосмическую и медицинскую, и стали важными устройствами для современной техники благодаря своей высокой точности и небольшим размерам. За последние годы датчики давления добились значительных успехов в технологиях проектирования, производства и упаковки, а их характеристики значительно улучшились. В этой статье мы обсудим последние тенденции в области датчиков микроперепада давления (MDPS), датчиков резонансного давления (RPS), интегрированных сенсорных чипов и миниатюрных датчиков давления.
Каталог
Начнем разбираться!
1.Основные принципы работы датчиков давления MEMS.
Датчики давления MEMS работают на пьезорезистивном, емкостном, пьезоэлектрическом или резонансном принципах. Например, пьезорезистивные датчики измеряют давление через мост Уитстона и обладают высокой чувствительностью. Однако такие факторы, как высокий температурный дрейф, влияют на их точность, что стало проблемой, ограничивающей их разработку. Емкостные датчики характеризуются низким энергопотреблением и хорошей температурной стабильностью, однако на их точность влияют паразитные эффекты.
2. Микродатчик перепада давления (MDPS).
MDPS широко используется в медицинском оборудовании, системах контроля давления на выходе пожара и т. д. Он особенно подходит для высокоточных измерений в небольших диапазонах давления. В последние годы MDPS превратился из традиционной плоской мембранной структуры в более сложную конструкцию «балка-мембрана-остров» для повышения чувствительности и уменьшения нелинейности.
Рисунок 1 иллюстрирует эволюцию конструкции MDPS от плоской мембраны до балочно-мембранного острова со значительным увеличением чувствительности и более оптимизированной концентрацией напряжений.
Эта структура достигает чувствительности 11,098 мкВ/В/Па в диапазоне 0–500 Па, что является значительным улучшением по сравнению со структурами C-типа и плоскими мембранами. Последующие оптимизации включают конструкцию поперечной балки и конструкцию полого острова для дальнейшего улучшения распределения напряжений и динамических характеристик.
3. Технология производства МДПС
Изготовление MDPS требует высокоточных процессов травления, включая процессы глубокого реактивного ионного травления (DRIE) и легирования бором, для формирования пьезорезисторов. Травление стоп-слоя имеет решающее значение для контроля толщины диафрагмы и помогает поддерживать высокую чувствительность.
- Рисунок 2 иллюстрирует ключевые этапы изготовления MDPS, подчеркивая важность точности травления для однородности пленки.
- Интеграция схемы усиления сигнала еще больше повышает чувствительность: в некоторых конструкциях достигается 44,9 мВ/В/кПа.
4. Датчики резонансного давления (ДПД).
Датчики резонансного давления широко используются в таких высокотехнологичных областях, как аэрокосмическая промышленность и мониторинг погоды, благодаря их высокой точности и стабильности. Эти датчики осуществляют измерение давления путем измерения характеристик изменения частоты резонансного луча в зависимости от давления.
Рисунок 3 иллюстрирует решающую роль резонансных пучков в высокочувствительных измерениях частоты.
Температурную стабильность можно дополнительно улучшить за счет использования таких материалов, как кварц, а передовая технология упаковки обеспечивает долгосрочную надежность.
5. Интегрированный чип датчика MEMS
Чтобы удовлетворить потребность в многофункциональных миниатюрных устройствах, исследователи разработали чипы со встроенными датчиками давления, температуры и вибрации, которые имеют важное применение в смартфонах, автомобильных системах и промышленном мониторинге.
Рисунок 4 иллюстрирует конструкцию интегрированного чипа, подчеркивая его компактный форм-фактор и возможности многопараметрического измерения.
Расположение датчиков оптимизировано для уменьшения помех от напряжений, а технология многослойного соединения используется для улучшения характеристик уплотнения и долговечности.
6.Основные проблемы и будущее развитие
Датчики давления MEMS по-прежнему сталкиваются с проблемами динамического реагирования, температурной компенсации и миниатюризации для конкретных сценариев применения. Ожидается, что благодаря внедрению новых материалов, таких как графен и нанопроволоки, будут преодолены существующие технологические узкие места.
На рисунке 5 представлены новые достижения в области интеграции материалов и инноваций в упаковке для МЭМС-сенсоров.
Будущие исследования должны быть сосредоточены на развязке чувствительности и частоты, уменьшении нелинейности и улучшении динамических характеристик, чтобы заложить основу для применения датчиков нового поколения.
Заключение
Датчики давления MEMS стали одной из основных технологий для многопрофильных приложений, а их характеристики были значительно улучшены благодаря постоянным инновациям в технологиях проектирования, производства и интеграции. В этой статье освещаются последние достижения в области микродатчиков дифференциального давления, резонансных датчиков давления и интегрированных сенсорных чипов. При дальнейшей оптимизации технологии МЭМС-датчики будут играть более важную роль в области интеллекта и высокой точности.
Вышеупомянутое введение лишь поверхностно коснулось области применения технологии датчиков давления. Мы продолжим изучать различные типы сенсорных элементов, используемых в различных продуктах, их работу, их преимущества и недостатки. Если вам нужна более подробная информация о том, что здесь обсуждается, вы можете просмотреть соответствующий контент далее в этом руководстве. Если у вас мало времени, вы также можете нажать здесь, чтобы загрузить подробную информацию об этом руководстве. Данные датчика давления воздуха PDF.
Для получения дополнительной информации о других сенсорных технологиях, пожалуйста, Посетите нашу страницу датчиков.
Ссылки
[1] X. Хан и др., “Достижения в области высокопроизводительных датчиков давления MEMS: проектирование, изготовление и упаковка.” Микросистемы & Наноинженерия, вып. 9, нет. 156, стр. 1–34, декабрь 2023 г., https://doi.org/10.1038/s41378-023-00620-1
Отказ от ответственности: Содержание этой статьи содержит ссылки на мнения других сайтов. Если есть нарушение прав или другие вопросы, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить