MEMS 압력 센서란 무엇입니까?
MEMS는 Micro Electro Mechanical Systems, 즉 마이크로 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical Systems)의 약어입니다. MEMS 기술은 21세기 혁명적인 첨단 기술 중 하나로 환영받고 있으며{1}} 그 역사는 1950년대로 거슬러 올라갑니다.
MEMS(Microelectromechanical Systems) 기술은 마이크론/나노미터 소재를 설계, 제조, 측정 및 제어하는 기술을 말합니다.
MEMS 압력 센서는 마이크로 전자공학 기술과 마이크로 가공 기술(실리콘 벌크 미세 가공, 실리콘 표면 미세 가공, 본딩 및 기타 기술 포함)을 결합한 제조 공정으로 제조된 압력 센서입니다. MEMS 압력 센서는 크기, 정확도, 응답 속도 등 다양한 측면에서 뛰어난 성능을 발휘합니다.
MEMS 압력 센서의 분류
다양한 작동 원리에 따라 실리콘 소재를 기반으로 하는 MEMS 압력 센서는 실리콘 압저항형, 실리콘 용량형, 실리콘 공진형의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
실리콘 압저항 압력 센서
압저항 효과는 반도체 물질에 응력이 가해지면 에너지 밴드의 변화, 즉 밸리의 에너지 이동이 발생하여 반도체 저항의 저항률이 변화하는 현상을 말합니다.
압저항 압력 센서는 압저항 효과를 이용하여 설계된 압력 센서이다. 작은 크기, 높은 감도 및 빠른 응답이 특징입니다. 그러나 제조 공정이 복잡하고 온도와 진동에 쉽게 영향을 받기 때문에 온도 보상이 필요합니다.
실리콘 용량성 압력 센서
실리콘 용량성 압력 센서는 실리콘 재료를 감지 요소로 사용하고 측정된 양의 변화를 정전 용량의 변화로 변환하는 압력 센서 유형입니다.
일반적으로 커패시터의 한 전극으로 원형의 금속막이나 금속{0}}도금막을 사용한다. 압력의 영향으로 필름이 변형되면 필름과 고정 전극 사이에 형성된 정전 용량이 변합니다. 측정 회로를 통해 전압과 일정한 관계가 있는 전기 신호가 출력될 수 있습니다.
이러한 유형의 센서의 장점은 높은 감도, 우수한 안정성 및 넓은 선형 범위를 포함합니다. 그러나 가격이 상대적으로 비싸고 온도와 습도에 쉽게 영향을 받는다는 단점이 있습니다.
실리콘 공진 압력 센서
실리콘 공진 압력 센서는 실리콘 소재에 대한 외부 압력의 변화가 공진기의 공진 주파수의 변화를 가져온다는 원리를 바탕으로 측정된 압력의 변화를 공진 주파수의 변화로 변환하는 압력 센서의 일종이다.
실리콘 공진 압력 센서는 고정밀, 고해상도, 높은 -간섭 방지 기능을 갖추고 있어 장거리 전송에 적합하고{1}}디지털 장치에 직접 연결할 수 있습니다. 그러나 생산주기가 길고 비용이 높으며 출력 주파수와 측정량이 비선형 관계에 있는 경우가 많습니다.
압저항 압력 센서의 작동 원리
MEMS 압저항 압력 센서의 민감한 요소는 민감한 칩과 지지 기판으로 구성됩니다. 민감한 요소의 초기 특성 매개변수는 센서의 여러 핵심 매개변수 표시기를 확고히 하며 센서의 핵심입니다.
실리콘 압저항 압력 - 감응 칩은 감응 소자와 변환 소자가 동일한 단결정 - 실리콘 기판에 집적된 감응 칩입니다. 압력을 감지하는 민감한 요소는 주변이 밀봉되고 고정된 탄성 실리콘 평면 다이어프램입니다. 다이어프램 뒷면의 실리콘 소재를 제거하여 역사각형 - 피라미드 - 모양의 캐비티를 형성합니다. 두께가 다른 실리콘 탄성 다이어프램은 다양한 압력 측정 범위, 감도 및 과부하 기능을 결정합니다.
다이어프램 주변 지지 측벽의 강도, 견고한 패키징 응력의 격리 및 칩 기판의 전기 절연 성능을 최적화하려면 칩의 실리콘 기판을 열팽창 특성과 일치하는 두꺼운 유리 기판에 적층해야 합니다. 적층 후 주변 대기압과 소통하는 캐비티가 있는 칩은 게이지 압력 측정에 사용할 수 있고, 주변 대기압과 격리된 캐비티가 있는 칩은 절대압 측정에 사용할 수 있습니다.
감지된 측정 압력을 전기 신호로 변환하는 확산된 실리콘 압저항 저항은 플랫 다이어프램의 상부 표면층에 위치합니다. 기존 설계는 압전 저항을 평평한 다이어프램의 가장자리나 중앙 근처에 배치하는 것입니다. 평탄한 다이어프램이 측정된 압력의 작용으로 변형되면 다이어프램의 작은 편향(다이어프램 중앙의 최대 편향은 500 마이크로스트레인 미만)을 전제로 압저항 저항률의 변화를 이용하여 다이어프램의 편향, 즉 압력 변화에 따라 선형적으로 변화하는 전기 신호를 출력합니다.
민감한 칩의 측정 성능을 최적화하기 위해 4개의 압저항 민감 저항기가 평면에 배열되어 휘트스톤 브리지를 형성합니다. 측정된 압력이 가해지면 반대쪽 암 한 쌍의 저항이 증가하고 반대쪽 암 쌍의 저항이 감소하여 휘트스톤 브리지의 불균형 전압 출력이 측정된 압력에 선형적으로 변화합니다.
압저항 압력 센서의 응용
MEMS 압저항 압력 센서는 항공우주, 항법, 석유화학 산업, 기계 제조 및 자동화, 수자원 보존 및 수력 발전, 산업용 가스, 생물 의학 공학, 기상학, 지질학, 지진 측정 등과 같은 다양한 산업 및 분야에서 널리 사용됩니다.