Что такое МЭМС-датчик давления?
МЭМС — это аббревиатура Micro Electro Mechanical Systems, то есть микроэлектромеханические системы. Технология МЭМС считается одной из революционных высоких-технологий XXI века, ее история берет свое начало в 1950-х годах.
Технология микроэлектромеханических систем (МЭМС) относится к технологии проектирования, производства, измерения и контроля микронных/нанометровых материалов.
Датчик давления MEMS — это датчик давления, изготовленный в ходе производственного процесса, который сочетает в себе технологию микроэлектроники и технологию микрообработки (включая объемную микрообработку кремния, микрообработку поверхности кремния, склеивание и другие технологии). Датчик давления MEMS демонстрирует отличные характеристики в различных аспектах, таких как размер, точность и скорость срабатывания.
Классификация МЭМС датчиков давления
В зависимости от различных принципов работы датчики давления MEMS на основе кремниевых материалов можно разделить на три категории: кремниевые пьезорезистивные, кремниевые емкостные и кремниевые резонансные.
Кремниевые пьезорезистивные датчики давления
Пьезорезистивный эффект относится к явлению, когда полупроводниковый материал подвергается напряжению, это вызывает изменения в энергетической зоне, сдвиг энергии впадин и, таким образом, изменяет удельное сопротивление сопротивления полупроводника.
Пьезорезистивный датчик давления — это датчик давления, разработанный с использованием пьезорезистивного эффекта. Он отличается небольшими размерами, высокой чувствительностью и быстрым откликом. Однако процесс его производства сложен, и на него легко влияют температура и вибрация, поэтому требуется температурная компенсация.
Кремниевые емкостные датчики давления
Кремниевый емкостный датчик давления — это тип датчика давления, в котором в качестве чувствительных элементов используются кремниевые материалы, который преобразует изменения измеряемой величины в изменения емкости.
В качестве одного из электродов конденсатора обычно используется круглая металлическая пленка или пленка с металлическим-покрытием. При деформации пленки под действием давления изменяется емкость, образующаяся между пленкой и неподвижным электродом. Через измерительную схему может быть выведен электрический сигнал, имеющий определенную связь с напряжением.
К преимуществам датчика этого типа относятся высокая чувствительность, хорошая стабильность и широкий линейный диапазон. Однако его недостатками являются относительно высокая стоимость и легкое влияние температуры и влажности.
Кремниевые резонансные датчики давления
Кремниевый резонансный датчик давления — это тип датчика давления, который, основанный на том принципе, что изменение внешнего давления на кремниевый материал вызывает изменение резонансной частоты резонатора, преобразует изменение измеренного давления в изменение резонансной частоты.
Кремниевый резонансный датчик давления отличается высокой точностью, высоким разрешением, высокой защитой от-помех, подходит для передачи данных на большие-расстояния и может быть напрямую подключен к цифровым устройствам. Однако он имеет длительный производственный цикл, высокую стоимость, а выходная частота и измеряемая величина часто находятся в нелинейной зависимости.
Принцип работы пьезорезистивных датчиков давления
Чувствительный элемент МЭМС пьезорезистивного датчика давления состоит из чувствительного чипа и несущей подложки. Исходные характеристические параметры чувствительного элемента закрепляют множество ключевых показателей параметров датчика и являются ядром датчика.
Кремниевый пьезорезистивный чип -, чувствительный к давлению, представляет собой чувствительный чип, в котором чувствительный элемент и преобразовательный элемент интегрированы на одной и той же кристаллической кремниевой подложке -. Чувствительным элементом для измерения давления является эластичная кремниевая плоская диафрагма с герметичной и фиксированной периферией. Кремниевый материал на задней стороне диафрагмы удаляется, образуя полость в форме перевернутой четырехугольной - пирамиды -. Кремниевые эластичные диафрагмы разной толщины определяют разные диапазоны измерения давления, чувствительность и перегрузочную способность.
Чтобы оптимизировать прочность опорных боковых стенок вокруг диафрагмы, изоляцию от жесткой упаковки и характеристики электроизоляции подложки чипа, кремниевую подложку чипа следует ламинировать на толстой стеклянной подложке с соответствующими характеристиками теплового расширения. После ламинирования чипы с полостью, сообщающейся с атмосферным давлением окружающей среды, можно использовать для измерения избыточного давления, а чипы с полостью, изолированной от атмосферного давления окружающей среды, — для измерения абсолютного давления.
Диффузионные кремниевые пьезорезистивные резисторы, которые преобразуют измеренное давление в электрические сигналы, расположены на верхнем поверхностном слое плоской диафрагмы. Традиционная конструкция заключается в размещении пьезорезистивных резисторов вблизи края или центра плоской диафрагмы. Когда плоская диафрагма деформируется под действием измеряемого давления, в предположении небольшого отклонения диафрагмы (максимальный прогиб в центре диафрагмы значительно меньше 500 микродеформаций) за счет изменения пьезорезистивного сопротивления на выходе выводится электрический сигнал, изменяющийся линейно с отклонением диафрагмы, то есть с изменением давления.
Чтобы оптимизировать измерительные характеристики чувствительного чипа, четыре чувствительных пьезорезистивных резистора расположены на плоскости, образуя мост Уитстона. При приложении измеренного давления сопротивление одной пары противоположных плеч увеличивается, а сопротивление другой пары противоположных плеч уменьшается, в результате чего несимметричное выходное напряжение моста Уитстона изменяется линейно в зависимости от измеренного давления.
Применение пьезорезистивных датчиков давления
Пьезорезистивные датчики давления MEMS широко используются в различных отраслях и областях, таких как аэрокосмическая, навигация, нефтехимическая промышленность, машиностроение и автоматизация, водное хозяйство и гидроэнергетика, промышленные газы, биомедицинская инженерия, метеорология, геология, измерение землетрясений и так далее.