Mikroelektromekaniska system (MEMS) trycksensorer används ofta inom flyg-, biomedicin, industriell kontroll och miljöövervakning på grund av deras låga kraftförbrukning, små storlek, låga kostnader och låg påverkan på mätobjektet. I vissa studier har piezoresistiva eller kapacitiva MEMS-trycksensorer använts för att realisera högtrycksmätningar. Både dessa piezoresistiva och kapacitiva miniatyr högtryckssensorer saknar emellertid full räckvidd noggrannhet på grund av allvarliga temperaturstörningar eller dålig linearitet.
Nyligen utvecklade professor Junbo Wangs team vid Institute of Space and Astronautical Information Innovation, Chinese Academy of Sciences (CAS) en sammansatt tryckkänslig mekanism som kombinerar membranböjning och volymkomprimering för resonans miniatyrtryckssensorer för att uppnå högkänsla högt tryckmätningar, enligt en rapport från McMasters. Miniatyrsensorn tillverkades med användning av mikromachining-teknik, och de experimentella resultaten visar att sensorns fullskaliga noggrannhet är ± 0. 0 15% i tryckområdet 0,1 ~ 100 MPa och temperaturområdet för -10 ~ 50 grad. De relaterade forskningsresultaten har titeln "en resonans högtrycksmikrosensor baserat på en sammansatt tryckkänslig mekanism för membranböjning och volymkomprimering". Komprimering "publicerades i tidskriften Microsystems & Nanoengineering.
Såsom visas i figuren nedan kan spänningstillståndet för resonatorn förankrad till hålrumets bottenyta återspegla det yttre trycket genom en sammansatt mekanism. Kaviteten som innehåller resonatorn kan konstrueras med en sammansatt struktur med membranböjning och volymkomprimering. Genom denna sammansatta mekanism utvecklade forskarna en ny resonans miniatyr högtryckssensor med en miniatyriserad kavitet som förstärkte membranstrukturen för större intervall. Dessutom kan hög noggrannhet uppnås genom att använda dubbla resonatorhålor med olika bredder.
Övergripande design av resonans miniatyr högspänningssensor
Materialval uppnåddes med hjälp av ett 4- tum SOI -skiva (40 μm för anordningsskiktet, 2 μm för oxidskiktet och 300 μm för substratskiktet) och två 4- tum kiselskivor (1 mm respektive 2 mm tjocklek). För att undvika att införa andra termiska spänningar och för att uppnå stabil termisk stressisolering är isoleringsskiktmaterialet n-typ kisel med låga dopingnivåer och<100>orientering. De viktigaste tillverkningsprocesserna inkluderar djup reaktiv jonetsning (Drie), resonatorfrisättning, fysisk ångavsättning (PVD) och bindning på skivnivå.
Tillverkningsprocess av resonans miniatyr högtryckssensor
Experimentella resultat visar att den tillverkade resonansminiatyrens högtryckssensor har en noggrannhet på ± 0. 0 15% av full skala över ett tryckintervall på 0. 1 till 100 MPa och ett temperaturintervall av -10 till 50 grader. Tryckkänsligheten är 261,10 Hz/MPa (~ 2,033 ppm/MPa) vid differentiell frekvens. Tryckkänsligheten för differentialfrekvensen är 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ MPa) vid 20 grader, och temperaturkänsligheten för de dubbla resonatorerna är 1,54 Hz/ grad (~ 14,5 ppm/ grad) och 1,57 Hz/ C (~ -15. 6 PPM/ grad) At en tryck på 2 MPa. Differentialutgången har utmärkt stabilitet i 0,02 Hz -intervallet vid konstant temperatur och tryck.
Experimentell plattform och testresultat av resonans miniatyr högtryckssensor
Sammanfattningsvis validerade forskarna den sammansatta tryckkänsliga mekanismen för resonans miniatyrtryckssensorer genom att effektivt realisera tryck/stressomvandling genom att kombinera membranböjning och volymkomprimering och utvecklade en multikavitet all-Silicon resonant miniatyrhögtryckssensor med dubbla resonatorer. Jämfört med två konventionella enstaka mekanismer kan den sammansatta tryckkänsliga mekanismen realisera högt mätområde och hög noggrannhet över ett brett temperaturområde. Den matchade designen av dubbla resonatorer med positiv och negativ tryckkänslighet kan lätt realiseras genom anpassning och kombination av två enstaka mekanismer. Differentialutgången förbättrar ytterligare känsligheten och inser självkompensation av temperaturen. De experimentella resultaten validerar den höga prestanda för denna miniatyrsensor när det gäller noggrannhet, kvalitetsfaktor, känslighet och stabilitet. Emellertid begränsar den svaga membranstrukturen hos mikrosensorn baserad på den sammansatta tryckkänsliga mekanismen ytterligare expansion av tryckområdet. Framtida arbete kan fokusera på ytterligare optimering av segregeringsenheten när det gäller stress och åldrande av sensorn för att förbättra frekvensstabiliteten för varje resonator för praktiska tillämpningar i högtrycksmätningar.