Senzori tlaka mikroelektromehaničkih sustava (MEMS) naširoko se koriste u zrakoplovnom, biomedicini, industrijskom kontroli i nadzoru okoliša zbog njihove male potrošnje energije, male veličine, niskog troška i niskog utjecaja na mjerni objekt. U nekim su studijama korišteni piezorezistični ili kapacitivni MEMS senzori tlaka za realizaciju mjerenja visokog tlaka. Međutim, i ova piezorezivna i kapacitivna minijaturna senzora visokog pritiska nedostaje točnost punog raspona zbog ozbiljnih poremećaja temperature ili slabe linearnosti.
Nedavno je tim prof. Junbo Wanga na Institutu za svemirske i astronautičke informacijske inovacije, Kineska akademija znanosti (CAS) razvila kompozitni mehanizam osjetljiv na tlak koji je kombinirao savijanje dijafragme i kompresiju volumena za rezonantne senzore minijaturnih tlaka kako bi se postigla visoke mjere visokog tlaka, u skladu s izvješću MCmastersa. Minijaturni senzor proizveden je pomoću tehnologije michorting-a, a eksperimentalni rezultati pokazuju da je točnost pune razmjere senzora ± 0. 0 15% u rasponu tlaka od 0,1 ~ 100 MPa i raspona temperature od -10 ~ 50 stupnjeva. Srodni rezultati istraživanja su naslovljen kao "rezonantni mikrosenzor visokog pritiska na temelju kompozitnog mehanizma osjetljivog na tlačno tlaka dijafragme savijanja i kompresije volumena". Kompresija "objavljena je u časopisu Microsystems & Nanoenžingering.
Kao što je prikazano na slici ispod, stanje naprezanja rezonatora usidreno na donjoj površini šupljine može odražavati vanjski tlak kroz kompozitni mehanizam. Šupljina koja sadrži rezonator može se konstruirati sa kompozitnom strukturom sa savijanjem dijafragme i kompresijom volumena. Kroz ovaj kompozitni mehanizam, istraživači su razvili novi rezonantni minijaturni senzor visokog tlaka s minijaturiziranom šupljinom koja je pojačala strukturu dijafragme za veći raspon. Pored toga, visoka točnost može se postići korištenjem dvostrukih rezonatorskih šupljina s različitim širinama.
Ukupni dizajn rezonantnog minijaturnog senzora visokog napona
Odabir materijala postignut je pomoću {4- inča soi vafela (40 µm za sloj uređaja, 2 µm za sloj oksida i 300 µm za sloj supstrata) i dva 4- inča silicijskih rezača (debljine 1 mm i 2 mm). Da bi se izbjeglo uvođenje drugih toplinskih naprezanja i postizanja stabilne izolacije toplinskog naprezanja, materijal za izolacijski sloj je silicij N-tipa s niskim razinama dopinga i<100>orijentacija. Glavni postupci izrade uključuju duboko reaktivno jetkanje iona (Drie), oslobađanje rezonatora, fizičko taloženje pare (PVD) i vezanje na razini vafera.
Proces izrade rezonantnog minijaturnog senzora visokog tlaka
Eksperimentalni rezultati pokazuju da izmišljeni rezonantni minijaturni senzor visokog tlaka ima točnost ± 0. 0 15% pune skale u rasponu tlaka od 0. 1 do 100 MPa i raspon temperature od -10. Osjetljivost tlaka je 261,10 Hz/MPa (~ 2,033 ppm/MPa) na diferencijalnoj frekvenciji. Osjetljivost tlaka diferencijalne frekvencije iznosi 261.10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ MPa) pri 20 stupnjeva, a temperaturna osjetljivost dvostrukih rezonatora je 1,54 Hz/ stupanj (~ 14,5 ppm/ stupanj) i 1,57 Hz/ C (~ {22}. Diferencijalni izlaz ima izvrsnu stabilnost u rasponu od 0,02 Hz pri konstantnoj temperaturi i tlaku.
Eksperimentalna platforma i rezultati ispitivanja rezonantnog minijaturnog senzora visokog tlaka
Ukratko, istraživači su potvrdili kompozitni mehanizam osjetljivog na tlak rezonantnih senzora minijaturnih tlaka učinkovito ostvarujući pretvaranje tlaka/naprezanja kombiniranjem savijanja dijafragme i kompresijom volumena i razvili multicavit All-silikonski rezonantni minijaturni senzor visokog pritiska s dvostrukim rezonatorima. U usporedbi s dva konvencionalna pojedinačna mehanizma, kompozitni mehanizam osjetljiv na tlak može ostvariti visoki raspon mjerenja i visoku točnost u širokom temperaturnom rasponu. Usklađeni dizajn dvostrukih rezonatora s pozitivnim i negativnim osjetljivošću na tlak može se lako realizirati prilagodbom i kombinacijom dva pojedinačna mehanizma. Diferencijalni izlaz nadalje poboljšava osjetljivost i ostvaruje temperaturnu samo-kompenzaciju. Eksperimentalni rezultati potvrđuju visoke performanse ovog minijaturnog senzora u smislu točnosti, faktora kvalitete, osjetljivosti i stabilnosti. Međutim, slaba dijafragma struktura mikrosenzora na temelju kompozitnog mehanizma osjetljivog na tlak ograničava dodatno širenje raspona tlaka. Budući rad može se usredotočiti na daljnju optimizaciju sklopa segregacije u smislu stresa i starenja senzora kako bi se poboljšala stabilnost frekvencije svakog rezonatora za praktične primjene u mjerenjima visokog tlaka.