MEMS -Drucksensoren (Mikroelektromechanische Systeme) werden aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs, der geringen Größe, der geringen Kosten und der geringen Auswirkung auf das Messobjekt häufig in Luft- und Raumfahrt, Biomedizin, industrielle Kontrolle und Umweltüberwachung eingesetzt. In einigen Studien wurden piezoresistive oder kapazitive MEMS-Drucksensoren verwendet, um Hochdruckmessungen zu realisieren. Bei diesen beiden piezoresistiven und kapazitiven Miniatur-Hochdrucksensoren fehlt jedoch aufgrund schwerer Temperaturstörungen oder einer schlechten Linearität die Genauigkeit der vollständigen Reichweite.
Kürzlich entwickelte die chinesische Innovation von Prof. Junbo Wang am Institut für Weltraum und Astronautische Informationsinnovation, Chinesische Akademie der Wissenschaften (CAS) einen zusammengesetzten Druck-sensitiven Mechanismus, der die Biegung und die Volumenkomprimierung von Zwerchfell und Volumenkomprimierung für Resonanz-Miniatur-Drucksensoren kombinierte, um Hochdruckmessungen nach Angaben eines Berichts von McMasern-zuverlässigen zu erreichen. Der Miniatursensor wurde unter Verwendung der Mikromachining-Technologie hergestellt, und die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die umfassende Genauigkeit des Sensors ± 0. 0 15% im Druckbereich von 0,1 ~ 100 MPA und der Temperaturbereich von {-10 ~ ~ 50 Grad beträgt. Die damit verbundenen Forschungsergebnisse werden als "ein resonanter Hochdruckmikrosensor basierend auf einem zusammengesetzten druckempfindlichen Mechanismus der Membranbiegung und der Volumenkomprimierung" betrieben. Komprimierung "wurde in der Zeitschrift Microsystems & Nanoengineering veröffentlicht.
Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, kann der Spannungszustand des Resonators, der an der unteren Oberfläche des Hohlraums verankert ist, den äußeren Druck durch einen Verbundmechanismus widerspiegeln. Der Hohlraum, der den Resonator enthält, kann mit einer zusammengesetzten Struktur mit Membranbiege und Volumenkompression konstruiert werden. Durch diesen zusammengesetzten Mechanismus entwickelten die Forscher einen neuartigen resonanten Miniatur-Hochdrucksensor mit einer miniaturisierten Höhle, die die Zwerchfellstruktur für einen größeren Bereich verstärkt. Darüber hinaus kann eine hohe Genauigkeit erreicht werden, indem Sie zweiresonatorische Hohlräume mit unterschiedlichen Breiten verwenden.
Gesamtdesign von resonanten Miniatur -Hochspannungssensor
Die Materialauswahl wurde mittels eines {4- Zoll SOI -Wafers (40 μm für die Geräteschicht, 2 & mgr; m für die Oxidschicht und 300 μm für die Substratschicht) bzw. zwei 4- Zoll Silicon Wafers (1 mM bzw. 2 mm -Dicke). Um zu vermeiden, andere thermische Belastungen einzuführen und eine stabile Wärmelspannungsisolation zu erreichen, ist das Isolationsschichtmaterial ein Silizium vom Typ N-Typ mit niedrigen Dotierungsniveaus und<100>Orientierung. Zu den Hauptherstellungsprozessen gehören Deepe Reactive Ion Rading (DRIE), Resonatorfreisetzung, physikalische Dampfabscheidung (PVD) und Bindung auf Waferebene.
Herstellungsprozess des resonanten Miniatur -Hochdrucksensors
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der hergestellte resonante Miniatur-Hochdrucksensor eine Genauigkeit von ± 0. 0 15% der vollen Skala über einen Druckbereich von {{25} bis 50 MPA und einen Temperaturbereich von -10 bis 50 Grad aufweist. Die Druckempfindlichkeit beträgt bei Differenzfrequenz 261,10 Hz/MPa (~ 2.033 ppm/mpa). Die Druckempfindlichkeit der Differentialfrequenz beträgt 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ mpa) bei 20 Grad, und die Temperaturempfindlichkeit der Dual -Resonatoren beträgt 1,54 Hz/ Grad (~ 14,5 ppm/ Grad) und 1,57 Hz/ c (~ -15. 6 ppm/ Grad). Der Differentialausgang hat eine hervorragende Stabilität im Bereich von 0,02 Hz bei konstanter Temperatur und Druck.
Experimentelle Plattform- und Testergebnisse des resonanten Miniatur -Hochdrucksensors
Zusammenfassend validierten die Forscher den zusammengesetzten druckempfindlichen Mechanismus resonanter Miniaturdrucksensoren, indem sie die Druck-/Spannungsumwandlung effektiv realisierte, indem Membran-Biege und Volumenkompression kombiniert wurden, und entwickelten einen Multikivitäts-All-Silicon-Resonanz-Miniatur-Hochdrucksensor mit Dual-Resonatoren. Im Vergleich zu zwei herkömmlichen einzelnen Mechanismen kann der zusammengesetzte druckempfindliche Mechanismus einen hohen Messbereich und eine hohe Genauigkeit über einen weiten Temperaturbereich realisieren. Das übereinstimmende Design von Dualresonatoren mit positiver und Unterdruckempfindlichkeit kann durch die Anpassung und Kombination von zwei einzelnen Mechanismen leicht realisiert werden. Der Differentialausgang verbessert die Empfindlichkeit weiter und realisiert die Selbstverbindung der Temperatur. Die experimentellen Ergebnisse validieren die hohe Leistung dieses Miniatursensors in Bezug auf Genauigkeit, Qualitätsfaktor, Empfindlichkeit und Stabilität. Die schwache Zwerchfellstruktur des Mikrosensors basierend auf dem zusammengesetzten Drucksensitivmechanismus begrenzt die weitere Expansion des Druckbereichs. Zukünftige Arbeiten können sich auf die weitere Optimierung der Segregationsbaugruppe in Bezug auf Stress und Alterung des Sensors konzentrieren, um die Frequenzstabilität jedes Resonators für praktische Anwendungen bei Hochdruckmessungen zu verbessern.