Senzorii de presiune a sistemelor microelectromecanice (MEMS) sunt utilizați pe scară largă în aerospațială, biomedicină, control industrial și monitorizarea mediului din cauza consumului scăzut de energie, a dimensiunilor mici, a costurilor reduse și a impactului scăzut asupra obiectului de măsurare. În unele studii, senzorii de presiune MEMS piezoresistive sau capacitive au fost folosiți pentru a realiza măsurători de înaltă presiune. Cu toate acestea, atât acești senzori piezoresistivi și capacitivi în miniatură înaltă presiune nu au o precizie completă din cauza tulburărilor severe de temperatură sau a liniarității slabe.
Recent, echipa prof. Junbo Wang la Institutul de Inovare a Informațiilor Astronautice și Astronautice, Academia Chineză de Științe (CAS) a dezvoltat un mecanism compus la presiunea, combinând îndoirea diafragmei și compresia volumului pentru senzori de presiune în miniatură rezonantă pentru a obține măsuri de înaltă presiune de înaltă presiune, potrivit unui raport de către McMasters Consulting. Senzorul în miniatură a fost fabricat folosind tehnologia micromachining, iar rezultatele experimentale arată că precizia pe scară largă a senzorului este ± 0. 0 15% în intervalul de presiune de 0,1 ~ 100 MPa și intervalul de temperatură de -10 ~ 50 grade. Rezultatele cercetării aferente sunt intitulate ca „un microsensor rezonant de înaltă presiune bazat pe un mecanism sensibil la presiunea compusă a îndoitării diafragmei și compresia volumului”. Compresie „a fost publicată în revista Microsystems & NanoEngineering.
Așa cum se arată în figura de mai jos, starea de stres a rezonatorului ancorată pe suprafața de jos a cavității poate reflecta presiunea externă printr -un mecanism compus. Cavitatea care conține rezonator poate fi construită cu o structură compozită cu îndoire a diafragmei și compresie de volum. Prin acest mecanism compus, cercetătorii au dezvoltat un nou senzor rezonant în miniatură rezonant, cu o cavitate miniaturizată care consolidează structura diafragmei pentru o rază de acțiune mai mare. În plus, o precizie ridicată poate fi obținută prin utilizarea cavităților de rezonator dual cu lățimi diferite.
Proiectarea generală a senzorului de înaltă tensiune în miniatură rezonantă
Selecția materialelor a fost obținută cu ajutorul unei wafer SOI 4- inch (40 μm pentru stratul dispozitivului, 2 μm pentru stratul de oxid și 300 μm pentru stratul de substrat) și două {4- inch Silicon (1 mm și, respectiv, grosimi de 2 mm). Pentru a evita introducerea altor tensiuni termice și pentru a obține o izolare a tensiunii termice stabile, materialul stratului de izolare este siliciu de tip N cu niveluri scăzute de dopaj și<100>orientare. Principalele procese de fabricație includ gravarea cu ioni reactivi profunde (DRIE), eliberarea rezonatorului, depunerea de vapori fizici (PVD) și lipirea la nivel de placă.
Proces de fabricație a senzorului rezonant în miniatură de înaltă presiune
Rezultatele experimentale arată că senzorul de înaltă presiune în miniatură rezonantă fabricată are o precizie de ± 0. 0 15% din scară completă pe un interval de presiune de 0. 1 până la 100 MPa și un interval de temperatură de -10} până la 50 grade. Sensibilitatea la presiune este de 261,10 Hz/MPa (~ 2.033 ppm/MPa) la frecvența diferențială. Sensibilitatea la presiune a frecvenței diferențiale este de 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ mPa) la 20 de grade, iar sensibilitățile de temperatură ale rezonatorilor duali sunt 1,54 Hz/ grad (~ 14,5 ppm/ grad) și 1,57 Hz/ c (~ {-15. 6 ppm/ grad) la presiunea de 2 MPA. Produsul diferențial are o stabilitate excelentă în intervalul de 0,02 Hz la temperatura și presiunea constantă.
Platforma experimentală și rezultatele testelor senzor rezonant în miniatură de înaltă presiune
În rezumat, cercetătorii au validat mecanismul sensibil la presiunea compus a senzorilor de presiune în miniatură rezonantă, realizând eficient conversia presiunii/stresului prin combinarea îndoitării diafragmei și a compresiei volumului și au dezvoltat un senzor de înaltă presiune cu rezonanță cu multicavitate cu silicon cu resonatoare duale. În comparație cu două mecanisme unice convenționale, mecanismul sensibil la presiunea compozită poate realiza un interval de măsurare ridicat și o precizie ridicată pe o gamă largă de temperatură. Proiectarea potrivită a rezonatorilor duali cu sensibilitatea la presiune pozitivă și negativă poate fi realizată cu ușurință prin adaptarea și combinația a două mecanisme unice. Produsul diferențial îmbunătățește în continuare sensibilitatea și realizează concompensarea de auto-temperatură. Rezultatele experimentale validează performanța ridicată a acestui senzor în miniatură în ceea ce privește precizia, factorul de calitate, sensibilitatea și stabilitatea. Cu toate acestea, structura slabă a diafragmei microsenzorului bazată pe mecanismul sensibil la presiunea compozită limitează extinderea ulterioară a intervalului de presiune. Lucrările viitoare se pot concentra pe optimizarea ulterioară a ansamblului de segregare în ceea ce privește stresul și îmbătrânirea senzorului pentru a îmbunătăți stabilitatea frecvenței fiecărui rezonator pentru aplicații practice în măsurători de înaltă presiune.