Датчики давления микроэлектромеханических систем (MEMS) широко используются в аэрокосмической, биомедицине, промышленном контроле и мониторинге окружающей среды из -за их низкого энергопотребления, небольшого размера, низкой стоимости и низкого воздействия на объект измерения. В некоторых исследованиях пьезорезистивные или емкостные датчики давления MEMS были использованы для реализации измерений высокого давления. Тем не менее, как у этих пьезорезистивных, так и емкостных миниатюрных датчиков высокого датчика не хватает полной точности из-за тяжелых температурных нарушений или плохой линейности.
Недавно команда профессора Джунбо Ван в Институте космоса и астронавтической информации, Китайская академия наук (CAS) разработала композитный механизм, сочетающий в себе изгиб диафрагмы и сжатие объема для резонансных датчиков датчика миниатюрного давления, для достижения высокого точного измерения высокого уровня высокого давления. Миниатюрный датчик был изготовлен с использованием технологии микрообработки, и экспериментальные результаты показывают, что полномасштабная точность датчика составляет ± 0. 0 15% в диапазоне давления 0,1 ~ 100 МПа и диапазон температуры {9} ~ 50 градусов. Связанные результаты исследований называются «резонансным микросенсором высокого давления на основе композитного чувствительного к давлению механизма изгиба диафрагмы и сжатия объема». Сжатие «было опубликовано в журнале Microsystems & Nanoengineering.
Как показано на рисунке ниже, состояние напряжения резонатора, прикрепленного к нижней поверхности полости, может отражать внешнее давление с помощью композитного механизма. Полость, содержащая резонатор, может быть построена с композитной структурой с изгибом диафрагмы и сжатием объема. Благодаря этому композитному механизму исследователи разработали новый резонансный миниатюрный датчик высокого давления с миниатюрной полостью, усиливающей структуру диафрагмы для большего диапазона. Кроме того, высокая точность может быть достигнута с использованием двойных резонаторных полостей с различной шириной.
Общая конструкция резонансного миниатюрного датчика высокого напряжения
Выбор материала был достигнут с помощью 4- дюймовой пластины SOI (40 мкм для слоя устройства, 2 мкМ для слоя оксид и 300 мкм для подложки) и двух {4}} дюймовых силиконовых вафель (1 мм и 2 мм, соответственно). Чтобы избежать введения других тепловых напряжений и достижения стабильной изоляции теплового напряжения, материал изоляционного слоя имеет кремний N-типа с низкими уровнями допинга и<100>ориентация. Основные процессы изготовления включают глубокое реактивный ионный травление (DRIE), резонаторный выпуск, физическое осаждение паров (PVD) и связь на уровне пластины.
Процесс изготовления резонансного миниатюрного датчика высокого давления
Экспериментальные результаты показывают, что изготовленный резонансный миниатюрный датчик высокого давления имеет точность ± 0. 0 15% от полной масштаба по диапазону давлений 0. 1-100 МПа и температурный диапазон -10 до 50 градусов. Чувствительность давления составляет 261,10 Гц/МПа (~ 2,033 ч/млн/МПа) при дифференциальной частоте. Чувствительность давления дифференциальной частоты составляет 261,10 Гц/ МПа (~ 2523 ч/ млн/ МПа) при 20 градусах, а температурная чувствительность двойных резонаторов составляет 1,54 Гц/ градус (~ 14,5 ч/ млн) и 1,57 Гц/ С (~ {22}}. 6 м.д./ степень) в давление 2 МПА. Дифференциальный выход имеет превосходную стабильность в диапазоне 0,02 Гц при постоянной температуре и давлении.
Экспериментальная платформа и результаты испытаний резонансного миниатюрного датчика высокого давления
Таким образом, исследователи проверили чувствительный к совокупному давлению механизм резонансных датчиков миниатюрного давления, эффективно реализуя преобразование давления/напряжения путем объединения изгиба диафрагмы и сжатия объема и разработали резонансный миниатюрный датчик высокого датчика с двойным резонансом с двойным резонансом. По сравнению с двумя обычными отдельными механизмами, механизм, чувствительный к давлению, может реализовать высокий диапазон измерений и высокую точность в широком диапазоне температур. Соответствующая конструкция двойных резонаторов с положительной и негативной чувствительностью давления может быть легко реализована путем адаптации и сочетания двух отдельных механизмов. Дифференциальный выход дополнительно улучшает чувствительность и реализует самокомпенсацию температуры. Экспериментальные результаты подтверждают высокую производительность этого миниатюрного датчика с точки зрения точности, коэффициента качества, чувствительности и стабильности. Однако слабая структура диафрагмы микросенсора на основе композитного чувствительного к давлению механизм ограничивает дальнейшее расширение диапазона давления. Будущая работа может быть сосредоточена на дальнейшей оптимизации сборки сегрегации с точки зрения напряжения и старения датчика для улучшения стабильности частоты каждого резонатора для практических применений при измерениях высокого давления.