Kas yra MEMS slėgio jutiklis?
MEMS yra mikroelektromechaninių sistemų, tai yra, mikroelektromechaninių sistemų, santrumpa. MEMS technologija yra vertinama kaip viena iš revoliucinių aukštųjų technologijų XXI amžiuje, ją galima atsekti iki šeštojo dešimtmečio.
Mikroelektromechaninių sistemų (MEMS) technologija reiškia mikronų/nanometrų medžiagų projektavimo, gamybos, matavimo ir valdymo technologiją.
MEMS slėgio jutiklis yra slėgio jutiklis, pagamintas gamybos procese, kuriame derinama mikroelektronikos technologija ir mikroapdirbimo technologija (įskaitant silicio tūrinį mikroapdirbimą, silicio paviršiaus mikroapdirbimą, klijavimą ir kitas technologijas). MEMS slėgio jutiklis pasižymi puikiu našumu įvairiais aspektais, tokiais kaip dydis, tikslumas ir reakcijos greitis.
MEMS slėgio jutiklių klasifikacija
Remiantis skirtingais veikimo principais, MEMS slėgio jutikliai, pagaminti iš silicio medžiagų, gali būti suskirstyti į tris kategorijas: silicio pjezorezistinio tipo, silicio talpinio tipo ir silicio rezonansinio tipo.
Silicio pjezorezistiniai slėgio jutikliai
Pjezorezistinis efektas reiškia reiškinį, kad kai puslaidininkinė medžiaga yra veikiama įtempių, ji sukelia energijos juostos pokyčius, slėnių energijos poslinkį ir taip keičia puslaidininkio varžos varžą.
Pjezorezistinis slėgio jutiklis yra slėgio jutiklis, sukurtas naudojant pjezorezistinį efektą. Jis pasižymi mažu dydžiu, dideliu jautrumu ir greita reakcija. Tačiau jo gamybos procesas yra sudėtingas, jį lengvai veikia temperatūra ir vibracija, todėl reikia kompensuoti temperatūrą.
Silicio talpinio slėgio jutikliai
Silicio talpinis slėgio jutiklis yra slėgio jutiklio tipas, kuris naudoja silicio medžiagas kaip jutimo elementus ir paverčia išmatuoto kiekio pokyčius į talpos pokyčius.
Paprastai kaip vienas kondensatoriaus elektrodas yra apvali metalinė plėvelė arba metalu dengta plėvelė{0}. Kai plėvelė deformuojasi veikiant slėgiui, pasikeičia tarp plėvelės ir fiksuoto elektrodo susidariusi talpa. Per matavimo grandinę gali būti išvestas elektrinis signalas, turintis tam tikrą ryšį su įtampa.
Šio tipo jutiklių pranašumai yra didelis jautrumas, geras stabilumas ir platus tiesinis diapazonas. Tačiau jo trūkumai yra palyginti didelė kaina ir lengvai veikiamas temperatūros bei drėgmės.
Silicio rezonansinio slėgio jutikliai
Silicio rezonansinio slėgio jutiklis yra slėgio jutiklio tipas, kuris, remdamasis principu, kad išorinio slėgio pokytis ant silicio medžiagos sukelia rezonatoriaus rezonansinio dažnio pasikeitimą, išmatuoto slėgio pokytį paverčia rezonansinio dažnio pokyčiu.
Silicio rezonansinis slėgio jutiklis pasižymi dideliu tikslumu, didele skiriamąja geba, dideliu atsparumu{0}}trukdymui, tinkamas perdavimui toli{1}} ir gali būti tiesiogiai prijungtas prie skaitmeninių įrenginių. Tačiau jis turi ilgą gamybos ciklą, didelę kainą, o išėjimo dažnis ir išmatuotas kiekis dažnai yra netiesiniai.
Pjezorezistinių slėgio jutiklių veikimo principas
Jautrus MEMS pjezorezistinio slėgio jutiklio elementas susideda iš jautrios lusto ir atraminio pagrindo. Pradiniai būdingi jautraus elemento parametrai sutvirtina kelis pagrindinius jutiklio parametrų rodiklius ir yra jutiklio šerdis.
Silicio pjezorezistinis slėgiui - jautrus lustas yra jautrus lustas, kuriame jautrus elementas ir konversijos elementas yra integruoti ant to paties vieno - kristalinio silicio pagrindo. Jautrus slėgio jutimo elementas yra elastinga silicio plokščioji diafragma su sandaria ir fiksuota periferija. Diafragmos gale esanti silicio medžiaga pašalinama, kad susidarytų apversta keturkampė - piramidės - formos ertmė. Skirtingo storio silicio elastinės diafragmos nustato skirtingus slėgio matavimo diapazonus, jautrumą ir perkrovos galimybes.
Siekiant optimizuoti atraminių šoninių sienelių aplink diafragmą stiprumą, standaus pakuotės įtempio izoliaciją ir lusto pagrindo elektrinės izoliacijos charakteristikas, lusto silicio substratas turi būti laminuotas ant storo stiklo pagrindo, kurio šiluminio plėtimosi charakteristikos atitiktų. Po laminavimo lustai, kurių ertmė bendrauja su aplinkos atmosferos slėgiu, gali būti naudojami manometriniam slėgiui matuoti, o lustai su ertme, izoliuota nuo aplinkos atmosferos slėgio, gali būti naudojami absoliutaus slėgio matavimui.
Išsklaidyto silicio pjezorezistiniai rezistoriai, paverčiantys išmatuotą slėgį elektriniais signalais, yra viršutiniame plokščiosios diafragmos paviršiaus sluoksnyje. Įprasta konstrukcija yra ta, kad pjezorezistiniai rezistoriai yra šalia plokščios diafragmos krašto arba centro. Kai plokščioji diafragma deformuojasi veikiant išmatuotam slėgiui, esant nedideliam diafragmos įlinkiui (didžiausias įlinkis diafragmos centre yra daug mažesnis nei 500 mikroįtempimų), panaudojant pjezorezistinės varžos pokytį, su diafragmos poslinkiu išvedamas elektrinis signalas, kuris kinta tiesiškai keičiantis slėgiui.
Siekiant optimizuoti jautrios lusto matavimo našumą, keturi pjezorezistiniai jautrūs rezistoriai yra išdėstyti plokštumoje, kad sudarytų Wheatstone tiltą. Kai taikomas išmatuotas slėgis, vienos priešingų pečių poros varža didėja, o kitos priešingų pečių poros varža mažėja, todėl Vitstono tilto nesubalansuota išėjimo įtampa keičiasi tiesiškai atsižvelgiant į išmatuotą slėgį.
Pjezorezistinių slėgio jutiklių taikymas
MEMS pjezorezistiniai slėgio jutikliai yra plačiai naudojami įvairiose pramonės šakose ir srityse, tokiose kaip aviacija, navigacija, naftos chemijos pramonė, mechaninė gamyba ir automatika, vandens taupymas ir hidroenergija, pramoninės dujos, biomedicinos inžinerija, meteorologija, geologija, žemės drebėjimų matavimai ir kt.