Šta je MEMS senzor pritiska?
MEMS je skraćenica od Micro Electro Mechanical Systems, odnosno mikroelektromehaničkih sistema. MEMS tehnologija je pozdravljena kao jedna od revolucionarnih visokih-tehnologija u 21. stoljeću i može se pratiti do 1950-ih.
Tehnologija mikroelektromehaničkih sistema (MEMS) odnosi se na tehnologiju projektovanja, proizvodnje, merenja i kontrole mikronskih/nanometarskih materijala.
MEMS senzor pritiska je senzor pritiska proizveden proizvodnim procesom koji kombinuje tehnologiju mikroelektronike i mikromašinsku tehnologiju (uključujući mikromašinsku obradu silikona, mikroobradu površine silikona, lepljenje i druge tehnologije). MEMS senzor pritiska pokazuje odlične performanse u različitim aspektima kao što su veličina, tačnost i brzina odziva.
Klasifikacija MEMS senzora pritiska
Na osnovu različitih principa rada, MEMS senzori pritiska na bazi silicijumskih materijala mogu se podeliti u tri kategorije: silicijumski piezorezistivni tip, silicijum kapacitivni tip i silicijum rezonantni tip.
Silicijumski piezorezistivni senzori pritiska
Piezorezistivni efekat se odnosi na pojavu da kada je poluvodički materijal podvrgnut naprezanju, on uzrokuje promjene u energetskom pojasu, energetskom pomaku dolina, i na taj način mijenja otpor otpora poluvodiča.
Piezorezistivni senzor pritiska je senzor pritiska dizajniran korišćenjem piezorezistivnog efekta. Odlikuje se malom veličinom, visokom osjetljivošću i brzim odgovorom. Međutim, njegov proizvodni proces je složen i na njega lako utiču temperatura i vibracije, što zahtijeva temperaturnu kompenzaciju.
Silicijumski kapacitivni senzori pritiska
Silicijumski kapacitivni senzor pritiska je tip senzora pritiska koji koristi silicijumske materijale kao senzorske elemente i pretvara promene izmerene količine u promene kapacitivnosti.
Obično koristi kružnu metalnu foliju ili metalnu{0}}foliju kao jednu elektrodu kondenzatora. Kada se film deformiše pod uticajem pritiska, menja se kapacitet formiran između filma i fiksne elektrode. Kroz mjerni krug može se proizvesti električni signal koji ima određenu vezu s naponom.
Prednosti ovog tipa senzora uključuju visoku osjetljivost, dobru stabilnost i širok linearni raspon. Međutim, njegovi nedostaci su relativno visoka cijena i lako pod utjecajem temperature i vlage.
Silicijumski rezonantni senzori pritiska
Silicijumski rezonantni senzor pritiska je tip senzora pritiska koji, na osnovu principa da promena spoljašnjeg pritiska na silicijumskom materijalu izaziva promenu rezonantne frekvencije rezonatora, pretvara promenu izmerenog pritiska u promenu rezonantne frekvencije.
Silikonski rezonantni senzor pritiska ima visoku preciznost, visoku rezoluciju, visoku sposobnost protiv-smetanja, pogodan je za-prenos na velike udaljenosti i može biti direktno povezan sa digitalnim uređajima. Međutim, ima dug proizvodni ciklus, visoku cijenu, a izlazna frekvencija i mjerena količina često su u nelinearnoj vezi.
Princip rada piezorezistivnih senzora pritiska
Osjetljivi element MEMS piezorezistivnog senzora pritiska sastoji se od osjetljivog čipa i potporne podloge. Početni karakteristični parametri osjetljivog elementa učvršćuju višestruke indikatore ključnih parametara senzora i predstavljaju srž senzora.
Silicijumski piezorezistivni čip osjetljiv na pritisak - je osjetljivi čip u kojem su osjetljivi element i element za konverziju integrirani na istom - kristalnom silikonskom supstratu. Osjetljivi element za mjerenje pritiska je elastična silikonska ravna dijafragma sa zapečaćenom i fiksnom periferijom. Silicijumski materijal na poleđini dijafragme se uklanja kako bi se formirala šupljina oblika obrnute četvorougaone - piramide -. Silikonske elastične dijafragme različite debljine određuju različite opsege mjerenja tlaka, osjetljivosti i mogućnosti preopterećenja.
Kako bi se optimizirala čvrstoća potpornih bočnih stijenki oko dijafragme, izolacija krutog naprezanja pakiranja i performanse električne izolacije supstrata čipa, silikonska podloga čipa treba biti laminirana na debelu staklenu podlogu s odgovarajućim karakteristikama toplinskog širenja. Nakon laminacije, čipovi sa šupljinom koja komunicira sa ambijentalnim atmosferskim pritiskom mogu se koristiti za merenje manomatskog pritiska, dok se čipovi sa šupljinom izolovanom od ambijentalnog atmosferskog pritiska mogu koristiti za merenje apsolutnog pritiska.
Difuzni silikonski piezorezistivni otpornici koji pretvaraju izmjereni tlak u električne signale nalaze se na gornjem površinskom sloju ravne dijafragme. Konvencionalni dizajn je postavljanje piezorezistivnih otpornika blizu ruba ili središta ravne dijafragme. Kada se ravna dijafragma deformiše pod dejstvom izmerenog pritiska, pod pretpostavkom malog otklona dijafragme (maksimalni otklon u centru dijafragme je daleko manji od 500 mikrodeformacija), korišćenjem promene piezorezistivne otpornosti, električni signal koji se linearno menja sa otklonom dijafragme, odnosno promenom pritiska membrane, je izlazna promena pritiska.
Kako bi se optimizirale performanse mjerenja osjetljivog čipa, četiri piezorezistivna osjetljiva otpornika su raspoređena na ravni da formiraju Wheatstoneov most. Kada se primijeni izmjereni pritisak, otpor jednog para suprotnih krakova se povećava, dok otpor drugog para suprotnih krakova opada, zbog čega se neuravnoteženi napon na Wheatstoneovom mostu mijenja linearno s izmjerenim pritiskom.
Primjena piezorezistivnih senzora tlaka
MEMS piezorezistivni senzori pritiska se široko koriste u različitim industrijama i poljima, kao što su vazduhoplovstvo, navigacija, petrohemijska industrija, mehanička proizvodnja i automatizacija, zaštita voda i hidroenergetika, industrijski gasovi, biomedicinsko inženjerstvo, meteorologija, geologija, merenje potresa i tako dalje.