Cảm biến áp suất MEMS là gì?
MEMS là tên viết tắt của Micro Electro Mechanical Systems, nghĩa là hệ thống vi cơ điện tử. Công nghệ MEMS được ca ngợi là một trong những-công nghệ cao mang tính cách mạng trong thế kỷ 21 và có thể bắt nguồn từ những năm 1950.
Công nghệ Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) đề cập đến công nghệ thiết kế, sản xuất, đo lường và kiểm soát vật liệu micron/nanomet.
Cảm biến áp suất MEMS là cảm biến áp suất được sản xuất theo quy trình sản xuất kết hợp công nghệ vi điện tử và công nghệ vi cơ (bao gồm vi cơ khối silicon, vi gia công bề mặt silicon, liên kết và các công nghệ khác). Cảm biến áp suất MEMS thể hiện hiệu suất tuyệt vời ở nhiều khía cạnh khác nhau như kích thước, độ chính xác và tốc độ phản hồi.
Phân loại cảm biến áp suất MEMS
Dựa trên các nguyên tắc làm việc khác nhau, cảm biến áp suất MEMS dựa trên vật liệu silicon có thể được chia thành ba loại: loại áp điện silicon, loại điện dung silicon và loại cộng hưởng silicon.
Cảm biến áp suất áp điện silicon
Hiệu ứng áp điện đề cập đến hiện tượng khi vật liệu bán dẫn chịu ứng suất, nó gây ra sự thay đổi trong dải năng lượng, sự dịch chuyển năng lượng của các thung lũng và do đó làm thay đổi điện trở suất của điện trở bán dẫn.
Cảm biến áp suất áp điện là cảm biến áp suất được thiết kế bằng cách sử dụng hiệu ứng áp điện. Nó có kích thước nhỏ, độ nhạy cao và phản ứng nhanh. Tuy nhiên, quy trình sản xuất của nó rất phức tạp và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ rung, do đó cần phải bù nhiệt độ.
Cảm biến áp suất điện dung silicon
Cảm biến áp suất điện dung silicon là một loại cảm biến áp suất sử dụng vật liệu silicon làm bộ phận cảm biến và chuyển đổi sự thay đổi của đại lượng đo thành thay đổi của điện dung.
Nó thường sử dụng một màng kim loại hình tròn hoặc một màng mạ kim loại-làm một điện cực của tụ điện. Khi màng bị biến dạng dưới tác dụng của áp suất, điện dung hình thành giữa màng và điện cực cố định sẽ thay đổi. Thông qua mạch đo, tín hiệu điện có mối quan hệ nhất định với điện áp có thể được phát ra.
Ưu điểm của loại cảm biến này bao gồm độ nhạy cao, độ ổn định tốt và phạm vi tuyến tính rộng. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là giá thành tương đối cao và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm.
Cảm biến áp suất cộng hưởng silicon
Cảm biến áp suất cộng hưởng silicon là một loại cảm biến áp suất, dựa trên nguyên tắc sự thay đổi áp suất bên ngoài lên vật liệu silicon gây ra sự thay đổi tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng, chuyển đổi sự thay đổi áp suất đo được thành thay đổi tần số cộng hưởng.
Cảm biến áp suất cộng hưởng silicon có độ chính xác cao, độ phân giải cao, khả năng chống nhiễu cao, phù hợp cho việc truyền dẫn đường dài và có thể kết nối trực tiếp với các thiết bị kỹ thuật số. Tuy nhiên, nó có chu kỳ sản xuất dài, chi phí cao, tần số đầu ra và số lượng đo được thường có mối quan hệ phi tuyến tính.
Nguyên lý làm việc của cảm biến áp suất Piezoresistive
Phần tử nhạy cảm của cảm biến áp suất áp điện MEMS bao gồm một con chip nhạy cảm và một chất nền hỗ trợ. Các thông số đặc tính ban đầu của phần tử nhạy cảm củng cố nhiều chỉ báo thông số chính của cảm biến và là cốt lõi của cảm biến.
Chip nhạy áp áp điện trở silicon - là chip nhạy cảm trong đó phần tử nhạy cảm và phần tử chuyển đổi được tích hợp trên cùng một đế silicon tinh thể -. Bộ phận nhạy cảm để cảm nhận áp suất là một màng phẳng silicon đàn hồi có ngoại vi được bịt kín và cố định. Vật liệu silicon ở mặt sau của màng ngăn được loại bỏ để tạo thành một khoang hình chóp tứ giác ngược - hình chóp -. Màng đàn hồi silicon với độ dày khác nhau xác định phạm vi đo áp suất, độ nhạy và khả năng quá tải khác nhau.
Để tối ưu hóa độ bền của các thành bên đỡ xung quanh màng ngăn, cách ly ứng suất đóng gói cứng và hiệu suất cách điện của đế chip, đế silicon của chip phải được dán trên đế thủy tinh dày có đặc tính giãn nở nhiệt phù hợp. Sau khi cán mỏng, các chip có khoang giao tiếp với áp suất khí quyển xung quanh có thể được sử dụng để đo áp suất máy đo, trong khi các chip có khoang cách ly với áp suất khí quyển xung quanh có thể được sử dụng để đo áp suất tuyệt đối.
Các điện trở áp điện silicon khuếch tán chuyển đổi áp suất đo được thành tín hiệu điện được đặt ở lớp bề mặt trên của màng ngăn phẳng. Thiết kế thông thường là đặt các điện trở áp điện gần mép hoặc tâm của màng ngăn phẳng. Khi màng ngăn phẳng biến dạng dưới tác động của áp suất đo được, trong điều kiện độ lệch nhỏ của màng ngăn (độ lệch tối đa ở tâm màng ngăn nhỏ hơn nhiều so với 500 microstrain), bằng cách tận dụng sự thay đổi điện trở suất áp điện, tín hiệu điện thay đổi tuyến tính theo độ lệch của màng ngăn, nghĩa là với sự thay đổi áp suất, là đầu ra.
Để tối ưu hóa hiệu suất đo của chip nhạy, bốn điện trở nhạy áp điện được bố trí trên mặt phẳng để tạo thành cầu Wheatstone. Khi áp suất đo được tác dụng, điện trở của một cặp nhánh đối diện tăng lên, trong khi điện trở của cặp nhánh đối diện còn lại giảm, làm cho điện áp đầu ra không cân bằng của cầu Wheatstone thay đổi tuyến tính với áp suất đo được.
Ứng dụng của cảm biến áp suất Piezoresistive
Cảm biến áp suất áp điện MEMS được sử dụng rộng rãi trong các ngành và lĩnh vực khác nhau, như hàng không vũ trụ, dẫn đường, công nghiệp hóa dầu, sản xuất cơ khí và tự động hóa, thủy lợi và thủy điện, khí công nghiệp, kỹ thuật y sinh, khí tượng, địa chất, đo động đất, v.v.