Mis on MEMS rõhuandur?
MEMS on lühend sõnadest Micro Electro Mechanical Systems, st mikroelektromehaanilised süsteemid. MEMS-tehnoloogiat peetakse üheks 21. sajandi revolutsiooniliseks-kõrgtehnoloogiaks ja seda saab jälgida 1950. aastatest.
Mikroelektromehaaniliste süsteemide (MEMS) tehnoloogia viitab mikroni/nanomeetri materjalide projekteerimise, valmistamise, mõõtmise ja juhtimise tehnoloogiale.
MEMS-rõhuandur on tootmisprotsessi käigus toodetud rõhuandur, mis ühendab mikroelektroonika tehnoloogia ja mikrotöötlustehnoloogia (sh silicon mass-mikrotöötlus, räni pinna mikrotöötlus, liimimine ja muud tehnoloogiad). MEMS-rõhuanduril on suurepärane jõudlus erinevates aspektides, nagu suurus, täpsus ja reageerimiskiirus.
MEMS-rõhuandurite klassifikatsioon
Erinevate tööpõhimõtete alusel saab ränimaterjalidel põhinevad MEMS-rõhuandurid jagada kolme kategooriasse: räni piesoresistiivne tüüp, räni mahtuvuslik tüüp ja räni resonantstüüp.
Ränist piesoresistiivsed rõhuandurid
Piesoresistiivne efekt viitab nähtusele, et kui pooljuhtmaterjalile avaldada pinget, põhjustab see muutusi energiaribas, orgude energianihke ja seeläbi muutub pooljuhtide takistuse eritakistus.
Piesoresistiivne rõhuandur on rõhuandur, mis on loodud piesotakistuslikku efekti kasutades. Sellel on väike suurus, kõrge tundlikkus ja kiire reageerimine. Selle tootmisprotsess on aga keeruline ning see on kergesti mõjutatud temperatuurist ja vibratsioonist, mistõttu on vaja temperatuuri kompenseerimist.
Ränist mahtuvuslikud rõhuandurid
Räni mahtuvuslik rõhuandur on teatud tüüpi rõhuandur, mis kasutab tundlike elementidena ränimaterjale ja teisendab mõõdetud koguse muutused mahtuvuse muutusteks.
Tavaliselt kasutab see kondensaatori ühe elektroodina ümmargust metallkilet või metalliga kaetud{0}kilet. Kui kile deformeerub rõhu mõjul, muutub kile ja fikseeritud elektroodi vahel tekkiv mahtuvus. Mõõteahela kaudu saab väljastada elektrisignaali, millel on teatud seos pingega.
Seda tüüpi andurite eelised hõlmavad suurt tundlikkust, head stabiilsust ja laia lineaarset ulatust. Selle puuduseks on aga suhteliselt kõrge hind ning temperatuur ja niiskus kergesti mõjutatavad.
Räni resonantsrõhuandurid
Räni resonantsrõhuandur on rõhuanduri tüüp, mis lähtub põhimõttest, et välisrõhu muutus ränimaterjalile põhjustab resonaatori resonantssageduse muutuse, teisendab mõõdetud rõhu muutuse resonantssageduse muutuseks.
Räni resonantsrõhuandur on suure täpsusega, kõrge eraldusvõimega, kõrge häiretevastasusega-, sobib pika-edastuseks ja seda saab otse digitaalseadmetega ühendada. Siiski on sellel pikk tootmistsükkel, kõrge hind ning väljundsagedus ja mõõdetud kogus on sageli mittelineaarses seoses.
Piesoresistiivsete rõhuandurite tööpõhimõte
MEMS-i piesoresistiivse rõhuanduri tundlik element koosneb tundlikust kiibist ja tugisubstraadist. Tundliku elemendi esialgsed iseloomulikud parameetrid kinnitavad mitu anduri põhiparameetri indikaatorit ja on anduri tuumaks.
Räni piezoresistiivne rõhu - tundlik kiip on tundlik kiip, milles tundlik element ja konversioonielement on integreeritud samale - kristallist räni aluspinnale. Tundlik element rõhu tuvastamiseks on elastne silikoonist tasapinnaline diafragma, millel on tihendatud ja fikseeritud perifeeria. Diafragma tagaküljel olev ränimaterjal eemaldatakse, et moodustada ümberpööratud nelinurkne - püramiidi - kujuline õõnsus. Erineva paksusega räni elastsed membraanid määravad erinevad rõhu mõõtmise vahemikud, tundlikkused ja ülekoormusvõime.
Diafragmat ümbritsevate toetavate külgseinte tugevuse, jäiga pakendamispinge eraldamise ja kiibi aluspinna elektriisolatsiooniomaduste optimeerimiseks tuleks kiibi ränisubstraat lamineerida paksule klaassubstraadile, millel on vastavad soojuspaisumisnäitajad. Pärast lamineerimist saab ümbritseva õhurõhuga suhtleva õõnsusega kiipe kasutada manomeetrirõhu mõõtmiseks, samas kui ümbritseva õhurõhust eraldatud õõnsusega kiipe saab kasutada absoluutrõhu mõõtmiseks.
Hajutatud räni piesotakistid, mis muudavad tuvastatud mõõdetud rõhu elektrilisteks signaalideks, asuvad lameda membraani ülemisel pinnakihil. Tavapärane konstruktsioon on paigutada piezoresistiivsed takistid lameda membraani serva või keskkoha lähedale. Kui lame diafragma deformeerub mõõdetud rõhu mõjul membraani väikese läbipainde eeldusel (maksimaalne läbipaine diafragma keskel on palju väiksem kui 500 mikrotüve), kasutatakse piesotakistusliku takistuse muutust kasutades elektrisignaali, mis muutub lineaarselt koos diafragma läbipaindega, selle rõhu muutusega.
Tundliku kiibi mõõtmistulemuse optimeerimiseks on neli piesotakistuslikku tundlikku takistit paigutatud tasapinnale, moodustades Wheatstone'i silla. Mõõdetud rõhu rakendamisel suureneb ühe vastassuunaliste õlgade paari takistus, samal ajal kui teise vastasharu paari takistus väheneb, mistõttu Wheatstone'i silla tasakaalustamata pinge väljund muutub lineaarselt mõõdetud rõhuga.
Piesoresistiivsete rõhuandurite rakendused
MEMS-i piesoresistiivseid rõhuandureid kasutatakse laialdaselt erinevates tööstusharudes ja valdkondades, nagu lennundus, navigatsioon, naftakeemiatööstus, mehaaniline tootmine ja automatiseerimine, veemajandus ja hüdroenergia, tööstusgaasid, biomeditsiinitehnika, meteoroloogia, geoloogia, maavärina mõõtmine ja nii edasi.