Cảm biến áp suất MEMS silicon

Cảm biến áp suất mới MEMs dựa trên áp điện trở silicon, được phát triển để đo từ 20Bar tới trên 1000Bar cho những ứng dụng chuyển động trong không gian. Phần tử silicon có dạng ống với vị trí ngoài và cầu điện trở được mở rộng với tính ổn định cao để phát hiện áp suất do ứng suất mang lại, đã được xây dựng bởi chuẩn công nghệ silicon phẳng và quá trình riêng MEMs, như là liên kết nóng chảy silicon và thuật khắc điện tử. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cảm biến áp suất MEMS silicon Cảm biến áp suất MEMS silicon cho không gian Cảm biến áp suất mới MEMs dựa trên áp điện trở silicon, được phát triển để đo từ 20Bar tới trên 1000Bar cho những ứng dụng chuyển động trong không gian. Phần tử silicon có dạng ống với vị trí ngoài và cầu điện trở được mở rộng với tính ổn định cao để phát hiện áp suất do ứng suất mang lại, đã được xây dựng bởi chuẩn công nghệ silicon phẳng và quá trình riêng MEMs, như là liên kết nóng chảy silicon và thuật khắc điện tử. Hình 1: a, Cảm biến hợp nhất và phần tử cảm biến silicon dạng ống, b, mặt cắt ngang cầu điện trở Cảm biến trên có triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực gia công thô. Ưu điểm của nó là có sự khác biệt các thuộc tính quan trọng như kích thước và khoảng cách nhỏ, mức độ cứng của kim loại, trục đối xứng, tín hiệu đầu ra lớn, đáp ứng nhiệt độ và áp suất nhanh, nhạy gia tốc thấp. Hiệu ứng trễ cũng đã được giảm thiểu bằng cách loại bỏ vỏ gây ra ứng suất bởi khoảng cách lớn giữa vùng cảm nhận và vùng chết, hoàn toàn chính xác trong phạm vi áp suất 700bar và dải nhiệt độ từ - 70C tới 1350C là hơn 0,01%FS. Đặc điểm trễ và lặp lại được đo tới ±10 ppm. 1. Giới thiệu. Nhà sản xuất Presens tập trung chính vào công nghiệp hoá phù hợp cho những ứng dụng cho áp suất trung bình và cao như áp suất dầu và gas có yêu cầu về độ chính xác, ổn định lâu dài và khử độ rung. Hình 2: Sai số áp suất áp dụng cho áp suất và nhiệt độ khác nhau 2. Công nghệ Silicon Nguyên tắc đo lường được khai thác bởi Presens bao gồm sự hợp nhất cầu điện trở bên ngoài trên một cấu trúc silicon dạng ống. Cho một ống thẳng ứng suất theo hướng ngang sẽ cao gấp đôi hướng trục. Sự khác biệt ứng suất giữa hai phương sẽ tương ứng với áp suất và có thể được đo lường bởi áp điện trở của cầu điện trở. Khi tác dụng áp lực bên ngoài đến phần tử ống là để đo ứng suất nén luôn chống lại những áp lực gây hư hại. Phần tử cảm biến được chế tạo bởi tiêu chuẩn công nghệ mặt phẳng silicon và tiêu chuẩn quá trình gia công kích thước nhỏ, giống như hỗn hợp liên kết silicon và khắc điện hoá. Cầu điện trở được chế tạo bởi một lớp epitaxial silicon và kết nối điện với chuẩn lớp nhôm. Hình dạng mặt cắt của điện trở phổ biến áp điện trở trong hình 1.b Hình 3: Vùng ổn định 3. Dạng của phần tử cảm biến Cảm biến có triển vọng bởi có sự khác biệt các thuộc tính quan trọng vì khoảng cách và kích thước nhỏ, tính chất cứng của kim loại cao và tín hiệu đầu ra lớn. Độ nhạy nằm trong khoảng 10μV/V/bar tới 1mV/V/bar. Đặc trưng dải tín hiệu đầu ra được chọn trong dải 50mV/V do vốn sức mạnh từ nhiễu điện. Tín hiệu áp suất được bù thêm bởi cùng đo một nhiệt độ trong cùng một lúc cầu điện trở, đầu đo trong thời gian cực kì ngắn cho nhiệt độ bù không đổi của áp suất ra. Hoàn toàn chính xác cho phạm vi áp suất 700bar và nhiệt độ từ từ -70C tới 1350C là hơn 0,01%FS. Đặc điểm trễ và lặp lại cho phạm vi áp suất 700bar trong yêu cầu ±10 mbar ( < ±10 ppm). Cam kết được đo khoảng ± 1mbar ( 1-2 ppm). Khoảng cách lớn tương đối của 3-4mm từ vùng chết tới vùng cảm nhận giảm tới mức tối thiểu kích thước vỏ đem lại ứng suất so với silicon cảm biến thông thường, khoảng cách đó có thể theo thứ tự nhỏ hơn 10 lần. Việc đóng gói gây ra ứng suất là nhân tố quan trọng tạo ra độ trễ và so lệch lâu dài. Ảnh hưởng chính trong quá trình làm việc cảm biến áp suất với điều kiện lĩnh vực gia công thô là từ gia tốc và nhiệt độ trong thời gian ngắn. Đặc điểm sai lệch trong thời gian ngắn tại 7500C/min khi dìm cảm biến vào trong nước đá đã đo được khoảng 0,2bar, gia tốc cảm nhận đã được tính toán và đo đạc trong yêu cầu 1mbar/g. Đặc điểm này cho phép độ chính xác cao trong điều kiện động, điều đó là cần thiết để duy trình độ chính xác của phòng thí nghiệm trong điều kiện lĩnh vực gia công thô. Tính ổn định lâu dài trong môi trường gia công thô đã được phân tích bằng việc so sánh đầu ra cảm biến từ hai áp suất giống nhau và nhiệt độ cảm biến được đặt cùng một vị trí trong dầu. Việc so sánh đầu ra cảm biến đã được thực hiện khoảng 3 năm sau trong điều kiện lắp đặt áp suất và nhiệt độ tiếp xúc giống hệt nhau. Áp suất thay đổi trong giới hạn nhỏ hơn 0,05bar được chỉ ra trong hình 3. Từ cuộc kiểm tra đó, tính ổn định dài hạn được ước lượng khoảng ± 0,003%FS/năm. Hình 4: 4. Vỏ 4.1 Môi trường được cách ly vỏ Kim loại vỏ cảm biến rõ ràng có rất nhiều ứng dụng. Vỏ cảm biến được làm từ titanium và thép nguyên chất có chất lượng. Cảm biến không gian, phần tử cảm nhận được bọc trong vỏ titanium bằng cách hàn tia electron. Trong điều kiện điện áp cao thủy tinh kim loại xuyên qua lỗ giữa khoang phần tử cảm biến được gây áp suất cao và phần mạch được ghép. Phần tử cảm biến được gắn bằng cách dính vào khối dây liên kết không nhạy cảm. Và kết nối điện được thực hiện bằng dây liên kết. Phần tử cảm biến được bảo vệ bởi vùng mà vùng đó được tạo ra do màng ngăn chia làm 2 phần trong cùng một lúc sự ăn mòn kim loại. Màng phân chia được hàn thành vỏ sử dụng kỹ thuật hàn EB. Cuối cùng, lỗ hổng cảm biến được điền đầy bằng silicon lỏng và được bịt kín bằng một bi được hàn điện trở. Giảm áp lực trên màng ngăn được giới hạn tới 50ppm của áp suất được áp dụng, áp suất bị khử bởi điều chỉnh trong lúc bù. Nhìn một mặt cắt ngang của vùng đã tách khỏi vỏ được chỉ ra trong hình số 4 Tổng trọng lượng cảm biến trong cảm biến không gian yêu cầu 125gran. Phần mạch ghép được bịt kín, và giao diện điện là do kết nối kín theo yêu cầu ESA. Cảm biến áp suất không gian hoàn thành được biểu diễn trong hình 4b Hình 5 : Đóng gói với kích thước nhỏ 4.2 Cảm biến đường kính nhỏ Để bảo vệ những ứng dụng chất lỏng trơ của phần tử cảm biến có thể được loại bỏ dẫn tới một quan điểm thay thế vỏ được các phần tử silicon dạng ống có thể được sử dụng như điện thông qua trực tiếp. Những quan niệm vỏ thay thế là dựa trên gắn phần tử silicon dạng ống vào một cái lỗ trên vách ngăn vỏ thép như được chỉ ra ở ...