A mikroelektromechanikai rendszereket (MEMS) nyomásérzékelőket széles körben használják repülőgép -, biomedicinában, ipari vezérlésben és környezeti megfigyelésben, mivel alacsony energiájuk, kis méretük, alacsony költségük és alacsony hatással van a mérési objektumra. Egyes vizsgálatokban piezorsister vagy kapacitív MEMS nyomásérzékelőket használtak a nagynyomású mérések megvalósításához. Ugyanakkor mindkét piezorsister és kapacitív miniatűr nagynyomású érzékelőknek nincs teljes tartománypontja a súlyos hőmérsékleti zavarok vagy a rossz linearitás miatt.
A közelmúltban a Kínai Tudományos Akadémia (CAS) Space és űrhajózási információs innovációs Intézet Intézetének és az űrhajózási információs innovációban található csapata kifejlesztett egy összetett nyomásérzékeny mechanizmust, amely kombinálja a membrán hajlítását és a hangerő-tömörítést a rezonáns miniatűr nyomásérzékelők számára, hogy elérjék a nagymértékű nagynyomású méréseket, a McSters Consulting jelentése szerint. A miniatűr érzékelőt mikromotoring technológiával készítették, és a kísérleti eredmények azt mutatják, hogy az érzékelő teljes skálájú pontossága ± 0. A kapcsolódó kutatási eredményeket "rezonáns nagynyomású mikroszenzornak nevezzük, amely a membrán hajlításának és a térfogat tömörítésének összetett nyomásérzékeny mechanizmusán alapul". A kompressziót "közzétették a microsystems & nanoengineering folyóiratban.
Amint az az alábbi ábrán látható, az üreg alsó felületére rögzített rezonátor feszültségállapota tükrözi a külső nyomást egy kompozit mechanizmuson keresztül. A rezonátort tartalmazó üreg összeállítható egy kompozit szerkezetű, membrán hajlítással és térfogat -tömörítéssel. Ezen összetett mechanizmus révén a kutatók új rezonáns miniatűr nagynyomású érzékelőt fejlesztettek ki, miniatürizált üreggel, amely megerősíti a membrán szerkezetét a nagyobb tartomány érdekében. Ezenkívül nagy pontosságot lehet elérni a különböző szélességű kettős rezonátor üregek felhasználásával.
A rezonáns miniatűr nagyfeszültség -érzékelő általános tervezése
Az anyagválasztást 4- hüvelykes SOI ostyával (40 μm az eszközréteghez, 2 μM az oxidréteghez és 300 μm -rel a szubsztrátrétegnél) és két 4- hüvelykes szilikon ostya (1 mm és 2 mm vastagságú). Az egyéb termikus feszültségek bevezetésének elkerülése és a stabil termikus feszültség izolálásának elérése érdekében az izolációs réteg anyag N-típusú szilícium, alacsony doppingszinttel és<100>tájolás. A fő gyártási folyamatok közé tartozik a mélyreaktív ionmaratás (DRIE), a rezonátor felszabadulása, a fizikai gőzlerakódás (PVD) és az ostya szintű kötés.
Rezonáns miniatűr nagynyomású érzékelő gyártási folyamata
A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a gyártott rezonáns miniatűr nagynyomású érzékelő pontossága ± 0. 0 A teljes skála 15% -a 0. A nyomásérzékenység 261,10 Hz/MPa (~ 2,033 ppm/MPa) differenciális frekvencián. A differenciálfrekvencia nyomásérzékenysége 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ MPa) 20 fokon, és a kettős rezonátorok hőmérsékleti érzékenysége 1,54 Hz/ fok (~ 14,5 ppm/ fok) és 1,57 Hz/ c (~ -15. A differenciálteljesítmény kiváló stabilitással rendelkezik a 0,02 Hz tartományban állandó hőmérsékleten és nyomáson.
Kísérleti platform és teszteredmények a rezonáns miniatűr nagynyomású érzékelő
Összefoglalva: a kutatók validálták a rezonáns miniatűr nyomásérzékelők kompozit nyomásérzékeny mechanizmusát azáltal, hogy hatékonyan megvalósítják a nyomás/stressz átalakulást a membrán hajlítás és a térfogat-kompresszió kombinálásával, és kifejlesztettek egy multikavitású, szilícium-rezonancia miniatűr nagynyomású érzékelőt kettős rezonátorokkal. Két hagyományos egyetlen mechanizmussal összehasonlítva a kompozit nyomásérzékeny mechanizmus elérheti a nagy mérési tartományt és a nagy pontosságot széles hőmérsékleti tartományban. A pozitív és negatív nyomásérzékenységgel rendelkező kettős rezonátorok egyeztetett kialakítását két egyes mechanizmus adaptációjával és kombinációjával könnyen megvalósíthatják. A differenciálkimenet tovább javítja az érzékenységet és megvalósítja a hőmérséklet önkompenzációját. A kísérleti eredmények igazolják ennek a miniatűr érzékelőnek a nagy teljesítményét a pontosság, a minőségi tényező, az érzékenység és a stabilitás szempontjából. A mikroszenzor gyenge membránszerkezete azonban a kompozit nyomásérzékeny mechanizmus alapján korlátozza a nyomástartomány további kiterjesztését. A jövőbeli munka a szegregációs szerelvény további optimalizálására összpontosíthat a stressz és az érzékelő öregedése szempontjából, hogy javítsa az egyes rezonátorok gyakoriság stabilitását a gyakorlati alkalmazásokhoz a nagynyomású méréseknél.