Шта је МЕМС сензор притиска?
МЕМС је скраћеница од Мицро Елецтро Мецханицал Системс, односно микроелектромеханичких система. МЕМС технологија је поздрављена као једна од револуционарних високих{1}}технологија у 21. веку и може се пратити до 1950-их.
Технологија микроелектромеханичких система (МЕМС) се односи на технологију пројектовања, производње, мерења и контроле микронских/нанометарских материјала.
МЕМС сензор притиска је сензор притиска произведен производним процесом који комбинује технологију микроелектронике и микромашинску технологију (укључујући микромашинску обраду силицијума, микромашинску обраду површине силикона, лепљење и друге технологије). МЕМС сензор притиска показује одличне перформансе у различитим аспектима као што су величина, тачност и брзина одзива.
Класификација МЕМС сензора притиска
На основу различитих принципа рада, МЕМС сензори притиска на бази силицијумских материјала могу се поделити у три категорије: силицијумски пиезорезистивни тип, силицијумски капацитивни тип и силицијумски резонантни тип.
Силицијумски пиезорезистивни сензори притиска
Пиезорезистивни ефекат се односи на појаву да када је полупроводнички материјал подвргнут напрезању, он изазива промене у енергетском појасу, енергетском померању долина и самим тим мења отпор отпора полупроводника.
Пиезорезистивни сензор притиска је сензор притиска дизајниран коришћењем пиезорезистивног ефекта. Одликује га мала величина, висока осетљивост и брз одговор. Међутим, његов производни процес је сложен и на њега лако утичу температура и вибрације, што захтева температурну компензацију.
Силицијумски капацитивни сензори притиска
Силицијумски капацитивни сензор притиска је тип сензора притиска који користи силицијумске материјале као сензорне елементе и претвара промене мерене количине у промене капацитивности.
Обично користи кружну металну фолију или металну{0}}фолију као једну електроду кондензатора. Када се филм деформише под утицајем притиска, капацитивност формирана између филма и фиксне електроде се мења. Кроз мерно коло се може извести електрични сигнал који има одређену везу са напоном.
Предности овог типа сензора укључују високу осетљивост, добру стабилност и широк линеарни опсег. Међутим, његови недостаци су релативно висока цена и лако под утицајем температуре и влаге.
Силицијумски резонантни сензори притиска
Силицијумски резонантни сензор притиска је тип сензора притиска који, на основу принципа да промена спољашњег притиска на силицијумски материјал изазива промену резонантне фреквенције резонатора, претвара промену измереног притиска у промену резонантне фреквенције.
Силицијумски резонантни сензор притиска има високу прецизност, високу резолуцију, високу -способност против сметњи, погодан је за-пренос на велике удаљености и може бити директно повезан са дигиталним уређајима. Међутим, има дуг производни циклус, високу цену, а излазна фреквенција и мерена количина су често у нелинеарној вези.
Принцип рада пиезорезистивних сензора притиска
Осетљиви елемент МЕМС пиезорезистивног сензора притиска састоји се од осетљивог чипа и носеће подлоге. Почетни карактеристични параметри осетљивог елемента учвршћују вишеструке индикаторе кључних параметара сензора и представљају језгро сензора.
Силицијумски пиезорезистивни чип осетљив на притисак - је осетљив чип у коме су осетљиви елемент и елемент за конверзију интегрисани на истој једној - кристалној силицијумској подлози. Осетљиви елемент за мерење притиска је еластична силиконска равна дијафрагма са заптивеном и фиксном периферијом. Силицијумски материјал на полеђини дијафрагме се уклања да би се формирала шупљина у облику обрнуте четвороугаоне - пирамиде -. Силиконске еластичне дијафрагме различите дебљине одређују различите опсеге мерења притиска, осетљивости и могућности преоптерећења.
Да би се оптимизовала чврстоћа носећих бочних зидова око дијафрагме, изолација крутог напона паковања и перформансе електричне изолације супстрата чипа, силицијумски супстрат чипа треба да буде ламиниран на дебелу стаклену подлогу са одговарајућим карактеристикама термичког ширења. Након ламинације, чипови са шупљином која комуницира са амбијенталним атмосферским притиском могу се користити за мерење манометарског притиска, док се чипови са шупљином изолованом од амбијенталног атмосферског притиска могу користити за мерење апсолутног притиска.
Дифузни силицијумски пиезорезистивни отпорници који претварају измерени притисак у електричне сигнале налазе се на горњем површинском слоју равне дијафрагме. Конвенционални дизајн је постављање пиезорезистивних отпорника близу ивице или центра равне дијафрагме. Када се равна дијафрагма деформише под дејством измереног притиска, под претпоставком малог отклона мембране (максимални отклон у центру дијафрагме је далеко мањи од 500 микронапрезања), коришћењем промене пиезорезистивне отпорности, електрични сигнал који се мења линеарно са променом мембране, односно излазном променом мембране, је променом притиска у мембрани.
Да би се оптимизовале перформансе мерења осетљивог чипа, четири пиезорезистивна осетљива отпорника су распоређена на равни да формирају Витстонов мост. Када се примени измерени притисак, отпор једног пара супротних кракова се повећава, док отпор другог пара супротних кракова опада, чинећи неуравнотежени излазни напон Витстоновог моста линеарно мењајући се са измереним притиском.
Примене пиезорезистивних сензора притиска
МЕМС пиезорезистивни сензори притиска се широко користе у различитим индустријама и областима, као што су ваздухопловство, навигација, петрохемијска индустрија, механичка производња и аутоматизација, заштита вода и хидроенергија, индустријски гасови, биомедицинско инжењерство, метеорологија, геологија, мерење земљотреса и тако даље.