Què és el sensor de pressió MEMS?
MEMS és l'abreviatura de Micro Electro Mechanical Systems, és a dir, microelectromechanical systems. La tecnologia MEMS és aclamada com una de les-tecnologies revolucionàries del segle XXI i es remunta als anys 50.
La tecnologia de sistemes microelectromecànics (MEMS) fa referència a la tecnologia de disseny, fabricació, mesura i control de materials micres/nanomètrics.
El sensor de pressió MEMS és un sensor de pressió fabricat pel procés de fabricació que combina tecnologia de microelectrònica i tecnologia de micromecanitzat (incloent micromecanitzat a granel de silici, micromecanitzat de superfícies de silici, unió i altres tecnologies). El sensor de pressió MEMS presenta un rendiment excel·lent en diversos aspectes, com ara la mida, la precisió i la velocitat de resposta.
Classificació dels sensors de pressió MEMS
Basant-se en diferents principis de funcionament, els sensors de pressió MEMS basats en materials de silici es poden dividir en tres categories: tipus piezoresistiu de silici, tipus capacitiu de silici i tipus ressonant de silici.
Sensors de pressió piezoresistius de silici
L'efecte piezoresistiu fa referència al fenomen que quan un material semiconductor està sotmès a tensió, provoca canvis en la banda d'energia, el desplaçament d'energia de les valls i, per tant, canvia la resistivitat de la resistència del semiconductor.
El sensor de pressió piezoresistiu és un sensor de pressió dissenyat utilitzant l'efecte piezoresistiu. Disposa de mida petita, alta sensibilitat i resposta ràpida. Tanmateix, el seu procés de fabricació és complex i es veu fàcilment afectat per la temperatura i la vibració, per la qual cosa requereix una compensació de temperatura.
Sensors de pressió capacitius de silici
El sensor de pressió capacitiu de silici és un tipus de sensor de pressió que utilitza materials de silici com a elements sensors i converteix els canvis de la quantitat mesurada en canvis de capacitat.
En general, utilitza una pel·lícula metàl·lica circular o una pel·lícula-metàl·lica com un elèctrode del condensador. Quan la pel·lícula es deforma sota la influència de la pressió, canvia la capacitat formada entre la pel·lícula i l'elèctrode fix. A través del circuit de mesura, es pot emetre un senyal elèctric que té una certa relació amb la tensió.
Els avantatges d'aquest tipus de sensor inclouen una alta sensibilitat, una bona estabilitat i un ampli rang lineal. No obstant això, els seus desavantatges són un cost relativament elevat i que es poden veure fàcilment afectats per la temperatura i la humitat.
Sensors de pressió ressonant de silici
El sensor de pressió ressonant de silici és un tipus de sensor de pressió que, basant-se en el principi que el canvi de pressió externa sobre el material de silici provoca el canvi en la freqüència de ressonància del ressonador, converteix el canvi en la pressió mesurada en el canvi en la freqüència de ressonància.
El sensor de pressió ressonant de silici té una alta precisió, alta resolució i una gran capacitat anti-interferències, és adequat per a transmissió de llarga-distància i es pot connectar directament a dispositius digitals. Tanmateix, té un cicle de producció llarg, un cost elevat i la freqüència de sortida i la quantitat mesurada sovint es troben en una relació no lineal.
Principi de funcionament dels sensors de pressió piezoresistius
L'element sensible d'un sensor de pressió piezoresistiu MEMS consta d'un xip sensible i un substrat de suport. Els paràmetres característics inicials de l'element sensible solidifiquen múltiples indicadors de paràmetres clau del sensor i són el nucli del sensor.
El xip sensible a la pressió piezoresistiva de silici - és un xip sensible en què l'element sensible i l'element de conversió estan integrats en el mateix substrat de silici cristal·lí - únic. L'element sensible per detectar la pressió és un diafragma pla de silici elàstic amb una perifèria segellada i fixa. El material de silici de la part posterior del diafragma s'elimina per formar una cavitat quadrangular invertida en forma de - piràmide -. Els diafragmes elàstics de silici amb diferents gruixos determinen diferents rangs de mesura de pressió, sensibilitats i capacitats de sobrecàrrega.
Per optimitzar la resistència de les parets laterals de suport al voltant del diafragma, l'aïllament de la tensió de l'envàs rígid i el rendiment d'aïllament elèctric del substrat del xip, el substrat de silici del xip s'ha de laminar sobre un substrat de vidre gruixut amb característiques d'expansió tèrmica coincidents. Després de la laminació, les fitxes amb la cavitat que es comunica amb la pressió atmosfèrica ambiental es poden utilitzar per mesurar la pressió manomètrica, mentre que les fitxes amb la cavitat aïllada de la pressió atmosfèrica ambiental es poden utilitzar per a la mesura de la pressió absoluta.
Les resistències piezoresistives de silici difús que converteixen la pressió mesurada detectada en senyals elèctrics es troben a la capa superficial superior del diafragma pla. El disseny convencional consisteix a col·locar les resistències piezoresistives prop de la vora o del centre del diafragma pla. Quan el diafragma pla es deforma sota l'acció de la pressió mesurada, sota la premissa d'una petita deflexió del diafragma (la deflexió màxima al centre del diafragma és molt inferior a 500 microdeformacions), utilitzant el canvi en la resistivitat piezoresistiva, un senyal elèctric que canvia linealment amb la deflexió del diafragma, que és el canvi de pressió de sortida del diafragma.
Per optimitzar el rendiment de mesura del xip sensible, les quatre resistències sensibles piezoresistives es disposen al pla per formar un pont de Wheatstone. Quan s'aplica la pressió mesurada, la resistència d'un parell de braços oposats augmenta, mentre que la resistència de l'altre parell de braços oposats disminueix, fent que la sortida de tensió desequilibrada del pont de Wheatstone canviï linealment amb la pressió mesurada.
Aplicacions dels sensors de pressió piezoresistius
Els sensors de pressió piezoresistius MEMS s'utilitzen àmpliament en diverses indústries i camps, com ara aeroespacial, navegació, indústria petroquímica, fabricació mecànica i automatització, conservació d'aigua i energia hidroelèctrica, gasos industrials, enginyeria biomèdica, meteorologia, geologia, mesura de terratrèmols, etc.