Mikroelektromekaanisia järjestelmiä (MEMS) paineantureita käytetään laajasti ilmailu-, biolääketiede-, teollisuusohjauksessa ja ympäristön seurannassa niiden pienen kulutuksen, pienen koon, alhaisten kustannusten ja alhaisen vaikutuksen vuoksi mittauskohteeseen. Joissakin tutkimuksissa on käytetty pietsoresisoivia tai kapasitiivisia MEMS-paineantureita korkeapaineisten mittausten toteuttamiseen. Sekä näillä pietsoresisoivilla että kapasitiivisilla pienoispaine-antureilla ei kuitenkaan ole täyden alueen tarkkuutta vakavien lämpötilahäiriöiden tai huonon lineaarisuuden vuoksi.
Äskettäin prof. Junbo Wangin avaruus- ja astronautisen tiedon innovaatioinstituutin tiimi, Kiinan tiedeakatemia (CAS) kehitti yhdistelmäpaineherkän mekanismin, jossa yhdistyivät resonanssien pienoispaine-anturit, jotka saavat korkean tarkkuuden korkeapainomittausten saavuttamaan korkean tarkkailun. Miniatyyri-anturi valmistettiin käyttämällä mikrohuollon tekniikkaa, ja kokeelliset tulokset osoittavat, että anturin täysimittainen tarkkuus on ± 0. 0 15% painealueella 0,1 ~ 100 MPa ja -10 ~ 50 asteen lämpötila-alue. Aiheeseen liittyvät tutkimustulokset ovat nimeltään "resonanssinen korkeapaineinen mikrosensori, joka perustuu komposiittipaine-herkän kalvojen taivutuksen ja tilavuuden puristuksen mekanismiin". Kompressio "julkaistiin lehdessä Microsystems & NanoEngineering.
Kuten alla olevassa kuviossa esitetään, ontelon alapintaan ankkuroitu resonaattorin jännitystila voi heijastaa ulkoista painetta komposiittimekanismin kautta. Resonaattorin sisältämä onkalo voidaan rakentaa komposiitirakenteella, jolla on kalvojen taivutus ja tilavuuden puristus. Tämän komposiittimekanismin avulla tutkijat kehittivät uuden resonanssin miniatyyrisen korkeapaine-anturin, jolla on miniatyrisoitu onkalo, joka vahvistaa kalvon rakennetta suuremmalle alueelle. Lisäksi korkea tarkkuus voidaan saavuttaa hyödyntämällä kaksoisresonaattori -onteloita, joilla on erilaiset leveydet.
Resonanssien miniatyyrisen korkeajänniteainorin suunnittelu
Materiaalin valinta saavutettiin 4- tuuman Soi -kiekkojen avulla (40 μm laitekerrokselle, 2 μm oksidikerrokselle ja 300 μm substraattikerrokselle) ja kahdella 4- tuuman piikkikohdoilla (1 mm ja 2 mm paksuus). Muiden lämpöjännitysten aiheuttamiseksi ja stabiilin lämpörasituksen eristyksen saavuttamiseksi eristyskerrosmateriaali on N-tyyppinen pii, jolla on alhaiset seostustasot ja<100>suunta. Tärkeimmät valmistusprosessit sisältävät syvän reaktiivisen ionin etsauksen (DRIE), resonaattorin vapautumisen, fyysisen höyryn laskeutumisen (PVD) ja kiekkotason sitoutumisen.
Resonanssien pienikokoisen korkeapaine -anturin valmistusprosessi
Kokeelliset tulokset osoittavat, että valmistetun resonanssien miniatyyri-korkeapaineanturin tarkkuus on ± 0. 0 15% koko asteikolla 0}. 1-100 mPa ja -10-50 asteen lämpötila-alue. Paineherkkyys on 261,10 Hz/MPa (~ 2 033 ppm/MPa) differentiaalitaajuudella. Differentiaalitaajuuden paineherkkyys on 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ MPa) 20 asteessa ja kaksoisresonaattorien lämpötilan herkkyys ovat 1,54 Hz/ astetta (~ 14,5 ppm/ aste) ja 1,57 Hz/ c (~ -15. 6 ppm/ astetta) paineessa 2 mPa. Differentiaalilähtöllä on erinomainen stabiilisuus 0,02 Hz: n alueella vakiona lämpötilassa ja paineessa.
Resonanssien pienikokoisen korkeapaine -anturin kokeellinen alusta ja testitulokset
Yhteenvetona voidaan todeta, että tutkijat validoivat resonanssien miniatyyripaineanturien komposiittipaineherkän mekanismin toteuttamalla tehokkaasti paineen/stressin muuntamisen yhdistämällä kalvojen taivutus ja tilavuuskompressio ja kehittivät monivuotisen all-silicon-resonanssin miniatyyri-korkeapaineanturin kaksoisresonaattoreissa. Verrattuna kahteen tavanomaiseen yksittäiseen mekanismiin, komposiittipaineherkkä mekanismi voi toteuttaa korkean mittausalueen ja suuren tarkkuuden laajalla lämpötila-alueella. Kaksoisresonaattorien vastaava suunnittelu positiivisella ja negatiivisella paineherkkyydellä voidaan helposti toteuttaa kahden yksittäisen mekanismin mukauttamalla ja yhdistämällä. Differentiaalilähtö parantaa herkkyyttä ja toteuttaa lämpötilan itsekompensaation. Kokeelliset tulokset validoivat tämän miniatyyri -anturin korkean suorituskyvyn tarkkuuden, laatutekijän, herkkyyden ja stabiilisuuden suhteen. Komposiittipaineherkän mekanismin perusteella mikrosensorin heikko kalvorakenne rajoittaa kuitenkin painealueen edelleen laajentumista. Tuleva työ voi keskittyä segregaatiokokoonpanon edelleen optimointiin stressin ja anturin ikääntymisen suhteen kunkin resonaattorin taajuuden stabiilisuuden parantamiseksi käytännöllisissä sovelluksissa korkeapaineiden mittauksissa.