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....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cảm biến áp suất MEMS silicon cho không gian Cảm biến áp suất MEMS silicon cho không gianCảm biến áp suất mới MEMs dựa trên áp điện trở silicon, được phát triển để đo từ 20Bartới trên 1000Bar cho những ứng dụng chuyển động trong không gian. Phần tử silicon códạng ống với vị trí ngoài và cầu điện trở được mở rộng với tính ổn định cao để phát hiệnáp suất do ứng suất mang lại, đã được xây dựng bởi chuẩn công nghệ silicon phẳng vàquá 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 trởCảm biến trên có triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực gia công thô. Ưu điểm của nó là cósự khác biệt các thuộc tính quan trọng như kích thước và khoảng cách nhỏ, mức độ cứngcủa kim loại, trục đối xứng, tín hiệu đầu ra lớn, đáp ứng nhiệt độ và áp suất nhanh, nhạygia tốc thấp. Hiệu ứng trễ cũng đã được giảm thiểu bằng cách loại bỏ vỏ gây ra ứng suấtbởi khoảng cách lớn giữa vùng cảm nhận và vùng chết, hoàn toàn chính xác trong phạmvi áp suất 700bar và dải nhiệt độ từ -70C tới 1350C là hơn 0,01%FS. Đặc điểm trễ và lặplại được đo tới ±10 ppm.1. Giới thiệu.Nhà sản xuất Presens tập trung chính vào công nghiệp hoá phù hợp cho những ứng dụngcho áp suất trung bình và cao như áp suất dầu và gas có yêu cầu về độ chính xác, ổn địnhlâu dài và khử độ rung. Hình 2: Sai số áp suất áp dụng cho áp suất và nhiệt độ khác nhau2. Công nghệ SiliconNguyên tắc đo lường được khai thác bởi Presens bao gồm sự hợp nhất cầu điện trở bênngoài trên một cấu trúc silicon dạng ống.Cho một ống thẳng ứng suất theo hướng ngang sẽ cao gấp đôi hướng trục. Sự khác biệtứng suất giữa hai phương sẽ tương ứng với áp suất và có thể được đo lường bởi áp điệntrở của cầu điện trở. Khi tác dụng áp lực bên ngoài đến phần tử ống là để đo ứng suất nénluôn 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 chuẩnquá 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 lớpnhôm. Hình dạng mặt cắt của điện trở phổ biến áp điện trở trong hình 1.b Hình 3: Vùng ổn định3. Dạng của phần tử cảm biếnCảm biến có triển vọng bởi có sự khác biệt các thuộc tính quan trọng vì khoảng cách vàkích thước nhỏ, tính chất cứng của kim loại cao và tín hiệu đầu ra lớn. Độ nhạy nằmtrong khoảng 10μV/V/bar tới 1mV/V/bar. Đặc trưng dải tín hiệu đầu ra được chọn trongdải 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 toànchính 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 tốithiểu kích thước vỏ đem lại ứng suất so với silicon cảm biến thông thường, khoảng cáchđó có thể theo thứ tự nhỏ hơn 10 lần. Việc đóng gói gây ra ứng suất là nhân tố quan trọngtạo 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 giacông thô là từ gia tốc và nhiệt độ trong thời gian ngắn. Đặc điểm sai lệch trong thời gianngắn tại 7500C/min khi dìm cảm biến vào trong nước đá đã đo được khoảng 0,2bar, giatốc 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 đểduy 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 sánhđầu ra cảm biến từ hai áp suất giống nhau và nhiệt độ cảm biến được đặt cùng một vị trítrong dầu. Việc so sánh đầu ra cảm biến đã được thực hiện khoảng 3 năm sau trong điềukiện lắp đặt áp suất và nhiệt độ tiếp xúc giống hệt nhau. Áp suất thay đổi trong giới hạnnhỏ hơn 0,05bar được chỉ ra trong hình 3. Từ cuộc kiểm tra đó, tính ổn định dài hạn đượcước lượng khoảng ± 0,003%FS/năm. Hình 4:4. Vỏ4.1 Môi trường được cách ly vỏKim loại vỏ cảm biến rõ ràng có rất nhiều ứng dụng. Vỏ cảm biến được làm từ titaniumvà thép nguyên chất có chất lượng.Cảm biến không gian, phần tử cảm nhận được bọc trong vỏ titanium bằng cách hàn tiaelectron. Trong điều kiện điện áp cao thủy tinh kim loại xuyên qua lỗ giữa khoang phầntử cảm biến được gây áp suất cao và phần mạch được ghép. Phần tử cảm biến được gắnbằng cách dính vào khối dây liên kết không nhạ ...