Trycksensorer för mikroelektromekaniska system (MEMS) används i stor utsträckning inom en mängd olika industrier, inklusive fordon, flyg och medicin, och har blivit viktiga enheter för modern teknik på grund av sin höga noggrannhet och ringa storlek. Under de senaste åren har trycksensorer gjort betydande framsteg inom design, tillverkning och förpackningsteknik, och deras prestanda har förbättrats avsevärt. I detta dokument kommer vi att diskutera de senaste trenderna inom mikrodifferentialtrycksensorer (MDPS), resonanstrycksensorer (RPS), integrerade avkänningschips och miniatyriserade trycksensorer.
Katalog
Låt oss börja förstå!
1. Grundläggande principer för MEMS trycksensorer
MEMS trycksensorer fungerar baserat på piezoresistiva, kapacitiva, piezoelektriska eller resonansprinciper. Till exempel mäter piezoresistiva sensorer trycket genom en Wheatstone-bro och har hög känslighet. Faktorer som hög temperaturdrift påverkar dock deras noggrannhet, vilket har blivit en utmaning som begränsar deras utveckling. Kapacitiva sensorer kännetecknas av låg strömförbrukning och god temperaturstabilitet, men parasiteffekter påverkar deras noggrannhet.
2. Micro Differential Pressure Sensor (MDPS)
MDPS används i stor utsträckning inom medicinsk utrustning, brandutloppstryckövervakning etc. Det är särskilt lämpligt för högprecisionsmätningar i små tryckområden. Under de senaste åren har MDPS utvecklats från den traditionella platta membranstrukturen till en mer komplex "beam-membran-ö"-design för att förbättra känsligheten och minska icke-linjäritet.
Figur 1 illustrerar utvecklingen av MDPS-designen från ett platt membran till en strålmembranö, med en signifikant ökning i känslighet och en mer optimerad spänningskoncentration.
Denna struktur uppnår en känslighet på 11,098 μV/V/Pa i intervallet 0-500 Pa, vilket är en betydande förbättring jämfört med C-typ och platta membranstrukturer. Efterföljande optimeringar inkluderar en tvärbalksdesign och en ihålig ö-struktur för att ytterligare förbättra spänningsfördelningen och dynamisk prestanda.
3. MDPS tillverkningsteknik
MDPS-tillverkning kräver högprecisionsetsningsprocesser, inklusive djupreaktiv jonetsning (DRIE) och borodopningsprocesser, för att bilda piezoresistorerna. Etsning av stoppskiktet är avgörande för att kontrollera membranets tjocklek och hjälper till att bibehålla hög känslighet.
- Figur 2 illustrerar nyckelstegen i tillverkningen av MDPS, och betonar vikten av etsningsnoggrannhet för filmlikformighet.
- Integreringen av signalförstärkningskretsar ökar känsligheten ytterligare, med vissa konstruktioner som uppnår 44,9 mV/V/kPa.
4. Resonanstrycksensorer (RPS)
Resonanstrycksensorer används ofta inom avancerade områden som flyg- och väderövervakning på grund av deras höga noggrannhet och stabilitet. Dessa sensorer gör tryckmätning genom att mäta egenskaperna hos resonansstrålens frekvensvariation med tryck.
Figur 3 illustrerar den kritiska rollen för resonansstrålar i högkänslighetsfrekvensmätningar.
Temperaturstabiliteten kan förbättras ytterligare genom att använda material som kvarts, medan avancerad förpackningsteknik säkerställer långsiktig tillförlitlighet.
5. Integrerat MEMS-sensorchip
För att möta behovet av multifunktionella miniatyriserade enheter har forskare utvecklat chips med integrerad tryck-, temperatur- och vibrationsavkänning, som har viktiga tillämpningar i smartphones, bilsystem och industriell övervakning.
Figur 4 illustrerar den integrerade chipdesignen, och betonar dess kompakta formfaktor och mätmöjligheter med flera parametrar.
Sensorarrangemanget är optimerat för att minska stressinterferens, medan flerskiktsbindningsteknik används för att förbättra tätningsprestanda och hållbarhet.
6. Nyckelutmaningar och framtida utvecklingar
MEMS trycksensorer står fortfarande inför utmaningarna med dynamisk responsförmåga, temperaturkompensation och miniatyrisering för specifika tillämpningsscenarier. Genom introduktionen av nya material som grafen och nanotrådar förväntas det ytterligare bryta igenom de befintliga tekniska flaskhalsarna.
Figur 5 sammanfattar nya framsteg inom materialintegration och förpackningsinnovationer för MEMS-sensorer.
Framtida forskning bör fokusera på frikoppling av känslighet och frekvens, minskning av olinjäritet och dynamisk prestandaförbättring för att lägga grunden för tillämpningen av den nya generationens sensorer.
Slutsats
MEMS trycksensorer har blivit en av kärnteknologierna för multi-industritillämpningar, och deras prestanda har förbättrats avsevärt genom kontinuerliga innovationer inom design, tillverkning och integrationsteknik. Detta dokument belyser de senaste framstegen inom mikrodifferentialtrycksensorer, resonanstrycksensorer och integrerade avkänningschips. Med ytterligare optimering av tekniken kommer MEMS-sensorer att spela en viktigare roll inom området intelligens och hög precision.
Ovanstående introduktion repar bara ytan på tillämpningarna av trycksensorteknologi. Vi kommer att fortsätta att utforska de olika typerna av sensorelement som används i olika produkter, hur de fungerar och deras fördelar och nackdelar. Om du vill ha mer information om vad som diskuteras här kan du kolla in det relaterade innehållet längre fram i den här guiden. Om du är tidspressad kan du också klicka här för att ladda ner detaljerna i denna guide Lufttryckssensor Produkt PDF -data.
För mer information om andra sensorteknologier, vänligen Besök vår Sensors -sida.
Referenser
[1] X. Han et al., “Framsteg inom högpresterande MEMS-trycksensorer: design, tillverkning och förpackning,” Mikrosystem & Nanoengineering, vol. 9, nr. 156, s. 1-34, december 2023, https://doi.org/10.1038/s41378-023-00620-1
Friskrivningsklausul: Innehållet i den här artikeln är för att hänvisa till synpunkter från andra webbplatser, om det finns intrång eller andra frågor, kontakta oss för att ta bort