Tlakové senzory mikroelektromechanických systémov (MEMS) sa široko používajú v leteckom priestore, biomedicíne, priemyselnej kontrole a monitorovaní životného prostredia z dôvodu nízkej spotreby energie, malej veľkosti, nízkych nákladov a nízkych vplyvov na objekt merania. V niektorých štúdiách sa na realizovanie vysokotlakových meraní použili piezorezistívne alebo kapacitné tlakové senzory MEMS. Avšak tieto piezorezistívne aj kapacitné miniatúrne vysokotlakové senzory nemajú presnosť v plnom rozsahu v dôsledku vážnych porúch teploty alebo zlej linearity.
Čínska akadémia vied (CAS) nedávno vyvinula tím Junbo Wang v Inštitúte vesmírnych a astronautických informačných inovácií, ktorý kombinuje kompresiu ohýbania a objemu objemu zloženého tlaku, ktorý kombinuje merania vysoko tlakového tlaku, podľa správy McMasters Consulting. Miniatúrny senzor bol vyrobený pomocou technológie mikromachiningu a experimentálne výsledky ukazujú, že presnosť senzora v plnom rozsahu je ± 0. Súvisiace výsledky výskumu sa nazývajú „rezonančný vysokotlakový mikrosenzor na základe zloženého tlakového mechanizmu ohýbania a kompresie bránice“. Kompresia “bola publikovaná v časopise Microsystems & NanoEngineering.
Ako je znázornené na obrázku nižšie, stresový stav rezonátora ukotveného k spodnému povrchu dutiny môže odrážať vonkajší tlak prostredníctvom kompozitného mechanizmu. Dutina obsahujúca rezonátor sa môže skonštruovať s kompozitnou štruktúrou s kompresiou membránového ohybu a objemom. Prostredníctvom tohto kompozitného mechanizmu vyvinuli vedci nový rezonančný miniatúrny vysokotlakový senzor s miniaturizovanou dutinou, ktorá posilňuje štruktúru bránice pre väčší rozsah. Okrem toho je možné dosiahnuť vysokú presnosť využitím duálnych rezonátorských dutín s rôznymi šírkami.
Celkový návrh rezonančného miniatúrneho senzora vysokého napätia
Výber materiálu sa dosiahol pomocou 4- palcovej sobetu (40 μm pre vrstvu zariadenia, 2 μm pre oxidovú vrstvu a 300 μm pre vrstvu substrátu) a dva {4- palcové kremíkové doštičky (1 mm a hrúbka 2 mm). Aby sa zabránilo zavedeniu iných tepelných napätí a na dosiahnutie stabilnej izolácie tepelného napätia, materiálom izolačnej vrstvy je kremík typu N s nízkymi hladinami dopingu a<100>orientácia. Medzi hlavné výrobné procesy patrí hlboké reaktívne leptanie iónov (DRIE), uvoľňovanie rezonátora, fyzická depozícia pár (PVD) a väzba na úrovni oblátok.
Výrobný proces rezonančného miniatúrneho vysokotlakového senzora
Experimentálne výsledky ukazujú, že vyrobený rezonančný miniatúrny vysokotlakový senzor má presnosť ± 0. Citlivosť na tlak je 261,10 Hz/MPa (~ 2 033 ppm/MPa) pri diferenciálnej frekvencii. Citlivosť tlaku diferenciálnej frekvencie je 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ MPa) pri 20 stupňoch a teplotná citlivosť duálnych rezonátorov je 1,54 Hz/ stupeň (~ 14,5 ppm/ stupeň) a 1,57 Hz/ C (~ {{{}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} Diferenciálny výstup má vynikajúcu stabilitu v rozsahu 0,02 Hz pri konštantnej teplote a tlaku.
Experimentálna platforma a výsledky testov rezonančného miniatúrneho vysokotlakového senzora
V súhrne vedci potvrdili kompozitný tlakový mechanizmus rezonančného senzoru miniatúrneho tlaku účinnou realizáciou konverzie tlaku/napätia kombináciou membránového ohýbania a kompresie objemu a vyvinuli multipuvity All-sikrons rezonančného miniatúrneho senzoru s duálnymi rezonátormi. V porovnaní s dvoma konvenčnými jedinými mechanizmami môže mechanizmus citlivý na kompozitný tlak realizovať vysoký rozsah merania a vysokú presnosť v širokom teplotnom rozsahu. Zodpovedajúci dizajn duálnych rezonátorov s pozitívnou a negatívnou citlivosťou na tlak sa dá ľahko realizovať prispôsobením a kombináciou dvoch jednotlivých mechanizmov. Diferenciálny výstup ďalej zlepšuje citlivosť a realizuje samopenzáciu teploty. Experimentálne výsledky potvrdzujú vysokú výkonnosť tohto miniatúrneho senzora z hľadiska presnosti, faktora kvality, citlivosti a stability. Slabá membrána štruktúra mikrosenzoru na základe mechanizmu citlivého na kompozitný tlak však obmedzuje ďalšie rozšírenie tlakového rozsahu. Budúca práca sa môže zamerať na ďalšiu optimalizáciu zostavy segregácie z hľadiska stresu a starnutia senzora s cieľom zlepšiť frekvenčnú stabilitu každého rezonátora pre praktické aplikácie pri meraniach vysokého tlaku.