Mikroelektromekaniske systemer (MEMS) trykksensorer er mye brukt i luftfart, biomedisin, industriell kontroll og miljøovervåking på grunn av deres lave strømforbruk, liten størrelse, lave kostnader og lav innvirkning på måleobjektet. I noen studier har piezoresistive eller kapasitive MEMS-trykksensorer blitt brukt for å realisere målinger med høyt trykk. Imidlertid mangler både disse piezoresistive og kapasitive miniatyrens høytrykkssensorer nøyaktighet på full rekkevidde på grunn av alvorlige temperaturforstyrrelser eller dårlig linearitet.
Nylig utviklet prof. Junbo Wangs team ved Institute of Space and Astronautical Information Innovation, Chinese Academy of Sciences (CAS) en sammensatt trykkfølsom mekanisme som kombinerer membranbøyning og volumkomprimering for resonans-miniatyrtrykkssensorer for å oppnå høye overgangsmål, i henhold til en rapport av McMasters Consulting. Miniatyrsensoren ble fremstilt ved bruk av mikromaskineringsteknologi, og de eksperimentelle resultatene viser at fullskala nøyaktigheten til sensoren er ± 0. 0 15% i trykkområdet 0,1 ~ 100 MPa og temperaturområdet {-10 ~ 50 grad. De relaterte forskningsresultatene er tittelen som "en resonans med høytrykksmikrosensor basert på en sammensatt trykkfølsom mekanisme for membranbøyning og volumkompresjon". Komprimering "ble publisert i tidsskriftet Microsystems & NanoEngineering.
Som vist på figuren nedenfor, kan stresstilstanden til resonatoren forankret til bunnoverflaten av hulrommet reflektere det ytre trykket gjennom en sammensatt mekanisme. Hulrommet som inneholder resonatoren kan konstrueres med en sammensatt struktur med membranbøyning og volumkompresjon. Gjennom denne komposittmekanismen utviklet forskerne en ny resonans-miniatyr høytrykkssensor med et miniatyrisert hulrom som forsterket mellomgulvstrukturen for større område. I tillegg kan høy nøyaktighet oppnås ved å bruke hulrom med dobbelt resonator med forskjellige bredder.
Generell design av resonans miniatyr høyspenningssensor
Materialvalg ble oppnådd ved hjelp av en 4- tomme SOI -skive (40 um for enhetslaget, 2 μm for oksydlaget og 300 μm for substratlaget) og to 4- tommers silisiumskiver (1 mm og 2 mm tykkelse). For å unngå å innføre andre termiske spenninger og for å oppnå stabil termisk stressisolasjon, er isolasjonslagsmaterialet n-type silisium med lave dopingnivåer og<100>orientering. De viktigste fabrikasjonsprosessene inkluderer dyp reaktiv ionetsing (Drie), resonatorfrigjøring, fysisk dampavsetning (PVD) og binding på skivenivå.
Fabrikasjonsprosess for resonans miniatyr høyt trykksensor
Eksperimentelle resultater viser at den fabrikerte resonans-miniatyrens høytrykkssensor har en nøyaktighet på ± 0. 0 15% full skala over et trykkområde på 0. 1 til 100 MPa og et temperaturområde -10}. Trykkfølsomheten er 261,10 Hz/MPa (~ 2.033 ppm/MPa) ved differensialfrekvens. Trykkfølsomheten til differensialfrekvensen er 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ MPa) ved 20 grader, og temperaturfølsomheten til de doble resonatorene er 1,54 Hz/ grad (~ 14,5 ppm/ grad) og 1,57 Hz/ c (~ {-15. 6 ppm/ grad). Differensialutgangen har utmerket stabilitet i 0,02 Hz -området ved konstant temperatur og trykk.
Eksperimentell plattform og testresultater av resonans miniatyr høyt trykk sensor
Oppsummert validerte forskerne den sammensatte trykkfølsomme mekanismen for resonans-miniatyrtrykksensorer ved effektivt å realisere trykk/stressomdannelse ved å kombinere membranbøyning og volumkompresjon, og utviklet en multikavitet all-silisium resonant miniatyr høytrykkssensor med dobbelt resonatorer. Sammenlignet med to konvensjonelle enkeltmekanismer, kan den sammensatte trykkfølsomme mekanismen realisere høyt måleområde og høy nøyaktighet over et bredt temperaturområde. Den matchede utformingen av doble resonatorer med positiv og negativt trykkfølsomhet kan lett realiseres ved tilpasning og kombinasjon av to enkeltmekanismer. Differensialutgangen forbedrer følsomheten ytterligere og realiserer temperaturens selvkompensasjon. De eksperimentelle resultatene validerer den høye ytelsen til denne miniatyrsensoren når det gjelder nøyaktighet, kvalitetsfaktor, følsomhet og stabilitet. Imidlertid begrenser den svake membranstrukturen til mikrosensoren basert på den sammensatte trykkfølsomme mekanismen ytterligere utvidelse av trykkområdet. Fremtidig arbeid kan fokusere på ytterligere optimalisering av segregeringsamlingen når det gjelder stress og aldring av sensoren for å forbedre frekvensstabiliteten til hver resonator for praktiske anvendelser i målinger av høyt trykk.