Was ist ein MEMS-Drucksensor?
MEMS ist die Abkürzung für Micro Electro Mechanical Systems, also mikroelektromechanische Systeme. Die MEMS-Technologie gilt als eine der revolutionären High-{1}Technologien des 21. Jahrhunderts und lässt sich bis in die 1950er Jahre zurückverfolgen.
Die Technologie mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) bezieht sich auf die Technologie zum Entwerfen, Herstellen, Messen und Steuern von Materialien im Mikro-/Nanometerbereich.
Der MEMS-Drucksensor ist ein Drucksensor, der durch einen Herstellungsprozess hergestellt wird, der Mikroelektroniktechnologie und Mikrobearbeitungstechnologie (einschließlich Silizium-Massenmikrobearbeitung, Siliziumoberflächen-Mikrobearbeitung, Bonden und andere Technologien) kombiniert. Der MEMS-Drucksensor weist in verschiedenen Aspekten wie Größe, Genauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit eine hervorragende Leistung auf.
Klassifizierung von MEMS-Drucksensoren
Basierend auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien können MEMS-Drucksensoren auf Basis von Siliziummaterialien in drei Kategorien unterteilt werden: piezoresistiver Siliziumtyp, kapazitiver Siliziumtyp und resonanter Siliziumtyp.
Piezoresistive Drucksensoren aus Silizium
Der piezoresistive Effekt bezieht sich auf das Phänomen, dass bei Belastung eines Halbleitermaterials Änderungen im Energieband, die Energieverschiebung der Täler, und damit eine Änderung des spezifischen Widerstands des Halbleiterwiderstands auftreten.
Der piezoresistive Drucksensor ist ein Drucksensor, der den piezoresistiven Effekt nutzt. Es zeichnet sich durch geringe Größe, hohe Empfindlichkeit und schnelle Reaktion aus. Der Herstellungsprozess ist jedoch komplex und wird leicht durch Temperatur und Vibration beeinflusst, sodass ein Temperaturausgleich erforderlich ist.
Kapazitive Silizium-Drucksensoren
Der kapazitive Silizium-Drucksensor ist eine Art Drucksensor, der Siliziummaterialien als Sensorelemente verwendet und die Änderungen der gemessenen Größe in Kapazitätsänderungen umwandelt.
Im Allgemeinen wird ein kreisförmiger Metallfilm oder ein metallbeschichteter Film als eine Elektrode des Kondensators verwendet. Wenn sich die Folie unter Druckeinwirkung verformt, ändert sich die zwischen der Folie und der festen Elektrode gebildete Kapazität. Durch den Messkreis kann ein elektrisches Signal ausgegeben werden, das in einem bestimmten Zusammenhang mit der Spannung steht.
Zu den Vorteilen dieses Sensortyps gehören eine hohe Empfindlichkeit, eine gute Stabilität und ein großer linearer Bereich. Die Nachteile liegen jedoch in den relativ hohen Kosten und der leichten Beeinflussung durch Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Silizium-Resonanzdrucksensoren
Der Silizium-Resonanzdrucksensor ist eine Art Drucksensor, der auf dem Prinzip basiert, dass die Änderung des Außendrucks auf das Siliziummaterial eine Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators verursacht und die Änderung des gemessenen Drucks in eine Änderung der Resonanzfrequenz umwandelt.
Der Silizium-Resonanzdrucksensor zeichnet sich durch hohe Präzision, hohe Auflösung, hohe Entstörungsfähigkeit, Eignung für die Übertragung über große Entfernungen und die Möglichkeit des direkten Anschlusses an digitale Geräte aus. Der Produktionszyklus ist jedoch lang, die Kosten hoch und die Ausgangsfrequenz und die gemessene Menge stehen häufig in einem nichtlinearen Zusammenhang.
Funktionsprinzip piezoresistiver Drucksensoren
Das empfindliche Element eines piezoresistiven MEMS-Drucksensors besteht aus einem empfindlichen Chip und einem Trägersubstrat. Die anfänglichen charakteristischen Parameter des empfindlichen Elements verfestigen mehrere Schlüsselparameterindikatoren des Sensors und bilden den Kern des Sensors.
Der piezoresistive druckempfindliche --Siliziumchip ist ein empfindlicher Chip, bei dem das empfindliche Element und das Konversionselement auf demselben einkristallinen --Siliziumsubstrat integriert sind. Das empfindliche Element zur Druckmessung ist eine elastische Silizium-Planarmembran mit abgedichteter und fester Peripherie. Das Siliziummaterial auf der Rückseite der Membran wird entfernt, um einen Hohlraum in Form einer umgekehrten viereckigen --Pyramide - zu bilden. Die elastischen Silikonmembranen mit unterschiedlichen Dicken bestimmen unterschiedliche Druckmessbereiche, Empfindlichkeiten und Überlastfähigkeiten.
Um die Festigkeit der tragenden Seitenwände rund um die Membran, die Isolierung der starren Verpackungsspannung und die elektrische Isolationsleistung des Chipsubstrats zu optimieren, sollte das Siliziumsubstrat des Chips auf ein dickes Glassubstrat mit passenden Wärmeausdehnungseigenschaften laminiert werden. Nach dem Laminieren können die Chips, deren Hohlraum mit dem atmosphärischen Umgebungsdruck in Verbindung steht, für die Messung des Überdrucks verwendet werden, während die Chips, deren Hohlraum vom atmosphärischen Umgebungsdruck isoliert ist, für die Messung des absoluten Drucks verwendet werden können.
Die diffundierten piezoresistiven Siliziumwiderstände, die den gemessenen Druck in elektrische Signale umwandeln, befinden sich auf der oberen Oberflächenschicht der flachen Membran. Das herkömmliche Design besteht darin, die piezoresistiven Widerstände nahe dem Rand oder der Mitte der flachen Membran zu platzieren. Wenn sich die flache Membran unter der Wirkung des gemessenen Drucks verformt, wird unter der Voraussetzung einer geringen Auslenkung der Membran (die maximale Auslenkung in der Mitte der Membran beträgt weit weniger als 500 Mikrodehnungen) unter Ausnutzung der Änderung des piezoresistiven Widerstands ein elektrisches Signal ausgegeben, das sich linear mit der Auslenkung der Membran, d. h. mit der Druckänderung, ändert.
Um die Messleistung des empfindlichen Chips zu optimieren, sind die vier piezoresistiven empfindlichen Widerstände auf der Ebene angeordnet, um eine Wheatstone-Brücke zu bilden. Wenn der gemessene Druck ausgeübt wird, erhöht sich der Widerstand eines Paars gegenüberliegender Arme, während der Widerstand des anderen Paars gegenüberliegender Arme abnimmt, wodurch sich der unsymmetrische Spannungsausgang der Wheatstone-Brücke linear mit dem gemessenen Druck ändert.
Anwendungen piezoresistiver Drucksensoren
Piezoresistive MEMS-Drucksensoren werden häufig in verschiedenen Branchen und Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Navigation, der petrochemischen Industrie, der mechanischen Fertigung und Automatisierung, dem Wasserschutz und der Wasserkraft, Industriegasen, der biomedizinischen Technik, der Meteorologie, der Geologie, der Erdbebenmessung usw.