Mikroelektromehāniskās sistēmas (MEMS) spiediena sensorus plaši izmanto kosmosa, biomedicīnas, rūpniecības kontroles un vides uzraudzībā, jo to mazais enerģijas patēriņš, mazs izmērs, zemas izmaksas un zema ietekme uz mērīšanas objektu. Dažos pētījumos, lai realizētu augsta spiediena mērījumus, tika izmantoti pjezorezistakcijas vai kapacitīvi MEMS spiediena sensori. Tomēr abiem šiem pjezoresistiskajiem un kapacitīvajiem miniatūrajiem augsta spiediena sensoriem trūkst pilna diapazona precizitātes smagu temperatūras traucējumu vai sliktas linearitātes dēļ.
Nesen Prof. Junbo Vanga komanda Kosmosa un astronautiskās informācijas inovāciju institūtā, Ķīnas Zinātņu akadēmija (CAS) izstrādāja kompozītu spiedienu jutīgu mehānismu, apvienojot diafragmas liekšanu un apjoma saspiešanu rezonējošiem miniatūriem spiediena sensoriem, lai sasniegtu augsta līmeņa paaugstināta spiediena mērījumus, ziņo ziņojums, izmantojot MCMasters konsultācijas. Miniatūra sensors tika izgatavots, izmantojot mikromahinēšanas tehnoloģiju, un eksperimentālie rezultāti parāda, ka sensora pilna mēroga precizitāte ir ± 0. 0 15% spiediena diapazonā no 0,1 ~ 100 MPa un temperatūras diapazons -10 ~ 50 grādu. Saistītie pētījumu rezultāti ir nosaukti kā "rezonanses augstspiediena mikrosensors, kura pamatā ir diafragmas liekšanas un tilpuma saspiešanas kompozītmateriālu jutīgs mehānisms". Kompresija "tika publicēta žurnālā Microsystems & Nanoengineering.
Kā parādīts zemāk redzamajā attēlā, rezonatora sprieguma stāvoklis, kas noenkurots līdz dobuma apakšējai virsmai, var atspoguļot ārējo spiedienu caur saliktu mehānismu. Dobumu, kas satur rezonatoru, var izveidot ar saliktu struktūru ar diafragmas liekšanu un tilpuma saspiešanu. Izmantojot šo salikto mehānismu, pētnieki izstrādāja jaunu rezonējošu miniatūru augstspiediena sensoru ar miniaturizētu dobumu, kas pastiprina diafragmas struktūru lielam diapazonam. Turklāt augstu precizitāti var panākt, izmantojot divkāršu rezonatora dobumus ar atšķirīgu platumu.
Kopējais rezonējošā miniatūra augstsprieguma sensora dizains
Materiāla izvēle tika panākta, izmantojot 4- collu SOI vafeļu (40 μm ierīces slānim, 2 μm oksīda slānim un 300 μm substrāta slānim) un divām 4- collas silīcija vafelēm (1 mm un 2 mm biezumam). Lai izvairītos no citu termisko spriegumu ieviešanas un stabila termiskā sprieguma izolācijas sasniegšana, izolācijas slāņa materiāls ir N veida silīcijs ar zemu dopinga līmeni un<100>orientācija. Galvenie ražošanas procesi ietver dziļu reaktīvo jonu kodināšanu (DRIE), rezonatora izdalīšanos, fizisko tvaiku nogulsnēšanos (PVD) un vafeļu līmeņa savienošanu.
Resonējoša miniatūra augstspiediena sensora ražošanas process
Eksperimentālie rezultāti rāda, ka izgatavotajam rezonējošajam miniatūrajam augstspiediena sensoram ir ± 0. 0 15% no pilna mēroga spiediena diapazona 0. 1 līdz 100 MPa un temperatūras diapazons -10 līdz 50 grādam. Diferenciālā frekvencē spiediena jutība ir 261,10 Hz/MPa (~ 2,033 ppm/MPa). Diferenciālās frekvences spiediena jutība ir 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ MPa) 20 grādos, un divkāršo rezonatoru temperatūras jutība ir 1,54 Hz/ grāda (~ 14,5 ppm/ grāda) un 1,57 Hz/ c (~ ~ -15. 6 ppm/ grāds) pie spiediena 2 MPA. Diferenciālajai izejai ir lieliska stabilitāte 0,02 Hz diapazonā pie nemainīgas temperatūras un spiediena.
Eksperimentālā platforma un testa rezultāti ar rezonējošu miniatūru augstspiediena sensoru
Rezumējot, pētnieki apstiprināja kompozītmateriālu jutīgu rezonējošo miniatūru spiediena sensoru mehānismu, efektīvi realizējot spiediena/stresa pārveidi, apvienojot diafragmas liekšanu un tilpuma saspiešanu, un izstrādājot daudzkavējošu visu-silikonu rezonējošo miniatūru augsta spiediena sensoru ar divkāršiem rezonatoriem. Salīdzinot ar diviem parastajiem atsevišķiem mehānismiem, kompozītmateriālu jutīgais mehānisms var realizēt augstu mērījumu diapazonu un augstu precizitāti plašā temperatūras diapazonā. Divkāršo rezonatoru ar pozitīvu un negatīvu spiediena jutīgumu var viegli realizēt, pielāgojoties un apvienojot divus atsevišķus mehānismus. Diferenciālā izlaide vēl vairāk uzlabo jutīgumu un realizē temperatūras paškompensāciju. Eksperimentālie rezultāti apstiprina šī miniatūras sensora augsto veiktspēju precizitātes, kvalitātes koeficienta, jutības un stabilitātes ziņā. Tomēr mikrosensora vājā diafragmas struktūra, pamatojoties uz kompozītmateriāla jutīgo mehānismu, ierobežo turpmāku spiediena diapazona izplešanos. Turpmākais darbs var koncentrēties uz turpmāku segregācijas montāžas optimizāciju stresa un sensora novecošanās ziņā, lai uzlabotu katra rezonatora frekvences stabilitāti praktiskiem pielietojumiem augsta spiediena mērījumos.