Mikä on MEMS-paineanturi?
MEMS on lyhenne sanoista Micro Electro Mechanical Systems, eli mikroelektromekaaniset järjestelmät. MEMS-tekniikkaa ylistetään yhdeksi vallankumouksellisista huipputekniikoista 2000-luvulla, ja se voidaan jäljittää 1950-luvulle.
Microelectromechanical Systems (MEMS) -teknologialla tarkoitetaan tekniikkaa, jolla suunnitellaan, valmistetaan, mitataan ja ohjataan mikroni/nanometrimateriaalia.
MEMS-paineanturi on valmistusprosessilla valmistettu paineanturi, jossa yhdistyvät mikroelektroniikkateknologia ja mikrotyöstötekniikka (mukaan lukien piibulkkimikrotyöstö, piipinnan mikrotyöstö, liimaus ja muut tekniikat). MEMS-paineanturi tarjoaa erinomaista suorituskykyä useissa eri näkökohdissa, kuten koon, tarkkuuden ja vastenopeuden suhteen.
MEMS-paineanturien luokitus
Eri toimintaperiaatteiden perusteella piimateriaaleihin perustuvat MEMS-paineanturit voidaan jakaa kolmeen kategoriaan: piipietsoresistiiviseen tyyppiin, kapasitiivinen piityyppiin ja piiresonanssityyppiin.
Pii pietsoresistiiviset paineanturit
Pietsoresistiivisellä vaikutuksella tarkoitetaan ilmiötä, että kun puolijohdemateriaaliin kohdistuu jännitys, se aiheuttaa muutoksia energiakaistassa, laaksojen energiasiirtymää ja siten muuttaa puolijohderesistanssin resistanssia.
Pietsoresistiivinen paineanturi on paineanturi, joka on suunniteltu hyödyntämään pietsoresistiivistä vaikutusta. Siinä on pieni koko, korkea herkkyys ja nopea vaste. Sen valmistusprosessi on kuitenkin monimutkainen ja siihen vaikuttaa helposti lämpötila ja tärinä, mikä vaatii lämpötilakompensointia.
Piin kapasitiiviset paineanturit
Kapasitiivinen piipaineanturi on paineanturi, joka käyttää piimateriaaleja anturielementteinä ja muuntaa mitatun suuren muutokset kapasitanssin muutoksiksi.
Se käyttää yleensä pyöreää metallikalvoa tai metalli{0}}pinnoitettua kalvoa kondensaattorin yhtenä elektrodina. Kun kalvo deformoituu paineen vaikutuksesta, kalvon ja kiinteän elektrodin väliin muodostunut kapasitanssi muuttuu. Mittauspiirin kautta voidaan lähettää sähköinen signaali, jolla on tietty suhde jännitteeseen.
Tämän tyyppisen anturin etuja ovat korkea herkkyys, hyvä vakaus ja laaja lineaarialue. Sen haittoja ovat kuitenkin suhteellisen korkeat kustannukset ja lämpötila ja kosteus vaikuttavat siihen helposti.
Piiresonanssipaineanturit
Piiresonanssipaineanturi on paineanturityyppi, joka perustuu siihen periaatteeseen, että piimateriaaliin kohdistuvan ulkoisen paineen muutos aiheuttaa muutoksen resonaattorin resonanssitaajuudessa, muuntaa mitatun paineen muutoksen resonanssitaajuuden muutokseksi.
Piiresonanssipaineanturi on erittäin tarkka, korkearesoluutioinen, hyvä -häiriönestokyky, se soveltuu pitkän-etäisyyden lähetykseen ja voidaan liittää suoraan digitaalisiin laitteisiin. Sillä on kuitenkin pitkä tuotantosykli, korkeat kustannukset ja lähtötaajuus ja mitattu määrä ovat usein epälineaarisessa suhteessa.
Pietsoresistiivisten paineanturien toimintaperiaate
MEMS-pietsoresistiivisen paineanturin herkkä elementti koostuu herkästä sirusta ja tukisubstraatista. Herkän elementin alkuperäiset ominaisparametrit vahvistavat useita anturin avainparametrin indikaattoreita ja ovat anturin ydin.
Piipietsoresistiivinen paineen - herkkä siru on herkkä siru, jossa herkkä elementti ja muunnoselementti on integroitu samalle yksittäiselle --kiteiselle piisubstraatille. Herkkä paineen mittauselementti on elastinen tasomainen piikalvo, jossa on tiivis ja kiinteä kehä. Kalvon takana oleva piimateriaali poistetaan käänteisen nelikulmaisen - pyramidin - muotoisen onkalon muodostamiseksi. Eripaksuiset elastiset silikonikalvot määrittävät erilaiset paineen mittausalueet, herkkyydet ja ylikuormitusominaisuudet.
Kalvon ympärillä olevien tukisivuseinien lujuuden, jäykän pakkausjännityksen eristämisen ja sirualustan sähköisen eristyskyvyn optimoimiseksi sirun piisubstraatti tulee laminoida paksulle lasisubstraatille, jolla on vastaavat lämpölaajenemisominaisuudet. Laminoinnin jälkeen lastuja, joiden onkalo on yhteydessä ympäristön ilmanpaineeseen, voidaan käyttää ylipaineen mittaukseen, kun taas lastuja, joiden onkalo on eristetty ympäristön ilmanpaineesta, voidaan käyttää absoluuttisen paineen mittaamiseen.
Hajautetut piipietsoresistiiviset vastukset, jotka muuttavat mitatun paineen sähköisiksi signaaleiksi, sijaitsevat litteän kalvon yläpintakerroksessa. Perinteinen malli on sijoittaa pietsoresistiiviset vastukset lähelle tasaisen kalvon reunaa tai keskustaa. Kun litteä kalvo deformoituu mitatun paineen vaikutuksesta, kalvon pienen taipuman edellytyksenä (maksimi taipuma kalvon keskellä on paljon pienempi kuin 500 mikrovenymää), käyttämällä pietsoresistiivisen resistiivisyyden muutosta, sähkösignaali, joka muuttuu lineaarisesti kalvon taipuman kanssa, tuotetaan paineen muutoksella.
Herkän sirun mittaussuorituskyvyn optimoimiseksi neljä pietsoresistiivistä herkkää vastusta on järjestetty tasoon muodostamaan Wheatstone-sillan. Kun mitattu paine kohdistetaan, yhden vastakkaisen varren parin resistanssi kasvaa, kun taas toisen vastakkaisen varren vastus pienenee, jolloin Wheatstonen sillan epätasapainoinen jännitelähtö muuttuu lineaarisesti mitatun paineen mukana.
Pietsoresistiivisten paineanturien sovellukset
MEMS-pietsoresistiivisiä paineantureita käytetään laajasti eri teollisuudenaloilla ja aloilla, kuten ilmailu-, navigointi-, petrokemianteollisuus, mekaaninen valmistus ja automaatio, vesihuolto ja vesivoima, teollisuuskaasut, biolääketieteen tekniikka, meteorologia, geologia, maanjäristysmittaukset ja niin edelleen.