MEMS Basınç Sensörü Nedir?
MEMS, Mikro Elektro Mekanik Sistemlerin yani mikroelektromekanik sistemlerin kısaltmasıdır. MEMS teknolojisi, 21. yüzyılın devrim niteliğindeki-yüksek teknolojilerinden biri olarak selamlanıyor ve kökleri 1950'lere kadar uzanıyor.
Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS) teknolojisi, mikron/nanometre malzemeleri tasarlama, üretme, ölçme ve kontrol etme teknolojisini ifade eder.
MEMS basınç sensörü, mikroelektronik teknolojisi ile mikro işleme teknolojisini (silikon toplu mikro işleme, silikon yüzey mikro işleme, birleştirme ve diğer teknolojiler dahil) birleştiren üretim süreciyle üretilen bir basınç sensörüdür. MEMS basınç sensörü boyut, doğruluk ve tepki hızı gibi çeşitli açılardan mükemmel performans sergiliyor.
MEMS Basınç Sensörlerinin Sınıflandırılması
Farklı çalışma prensiplerine dayalı olarak silikon malzemelere dayalı MEMS basınç sensörleri üç kategoriye ayrılabilir: silikon piezorezistif tip, silikon kapasitif tip ve silikon rezonans tipi.
Silikon Piezodirençli Basınç Sensörleri
Piezodirenç etkisi, bir yarı iletken malzeme strese maruz kaldığında enerji bandında değişikliklere, vadilerin enerji kaymasına neden olması ve dolayısıyla yarı iletken direncinin direncinin değişmesi olgusunu ifade eder.
Piezo dirençli basınç sensörü, piezo dirençli etkiden yararlanılarak tasarlanmış bir basınç sensörüdür. Küçük boyut, yüksek hassasiyet ve hızlı tepki özelliklerine sahiptir. Ancak üretim süreci karmaşıktır ve sıcaklık ve titreşimden kolayca etkilenir, dolayısıyla sıcaklık dengelemesi gerektirir.
Silikon Kapasitif Basınç Sensörleri
Silikon kapasitif basınç sensörü, algılama elemanları olarak silikon malzemeleri kullanan ve ölçülen miktardaki değişiklikleri kapasitans değişikliklerine dönüştüren bir tür basınç sensörüdür.
Kapasitörün elektrotlarından biri olarak genellikle dairesel bir metal film veya metal-kaplamalı bir film kullanılır. Film basınç etkisi altında deforme olduğunda film ile sabit elektrot arasında oluşan kapasitans değişir. Ölçme devresi aracılığıyla voltajla belirli bir ilişkisi olan bir elektrik sinyali çıkarılabilir.
Bu tip sensörün avantajları arasında yüksek hassasiyet, iyi stabilite ve geniş doğrusal aralık yer alır. Ancak maliyetinin nispeten yüksek olması, sıcaklık ve nemden kolay etkilenmesi dezavantajlarıdır.
Silikon Rezonans Basınç Sensörleri
Silikon rezonans basınç sensörü, silikon malzeme üzerindeki dış basınçtaki değişimin rezonatörün rezonans frekansında değişikliğe neden olması prensibine dayanarak ölçülen basınçtaki değişimi rezonans frekansındaki değişime dönüştüren bir basınç sensörü türüdür.
Silikon rezonans basınç sensörü, yüksek hassasiyet, yüksek çözünürlük, yüksek-parazit önleme yeteneği, uzun-mesafeli iletim için uygun olma ve dijital cihazlara doğrudan bağlanabilme özelliklerine sahiptir. Bununla birlikte, uzun bir üretim döngüsüne, yüksek maliyete sahiptir ve çıktı frekansı ile ölçülen miktar genellikle doğrusal olmayan bir ilişki içindedir.
Piezorezistif Basınç Sensörlerinin Çalışma Prensibi
MEMS piezo dirençli basınç sensörünün hassas elemanı, hassas bir çip ve destekleyici bir alt tabakadan oluşur. Hassas elemanın başlangıç karakteristik parametreleri, sensörün birden fazla temel parametre göstergesini sağlamlaştırır ve sensörün temelini oluşturur.
Silikon piezo dirençli basınca - duyarlı çip, hassas elemanın ve dönüştürme elemanının aynı tek - kristal silikon alt katmanı üzerine entegre edildiği hassas bir çiptir. Basıncı algılamaya yönelik hassas eleman, kapalı ve sabit bir çevreye sahip elastik silikon düzlemsel diyaframdır. Diyaframın arkasındaki silikon malzeme çıkarılarak ters dörtgen - piramit - şeklinde bir boşluk oluşturulur. Farklı kalınlıklara sahip silikon elastik diyaframlar, farklı basınç ölçüm aralıklarını, hassasiyetleri ve aşırı yük kapasitelerini belirler.
Diyaframın etrafındaki destekleyici yan duvarların gücünü, sert paketleme geriliminin izolasyonunu ve çip alt katmanının elektrik yalıtım performansını optimize etmek için çipin silikon alt katmanı, eşleşen termal genleşme özelliklerine sahip kalın bir cam alt katman üzerine lamine edilmelidir. Laminasyondan sonra, boşluğu ortamın atmosferik basıncıyla iletişim kuran çipler, gösterge basıncı ölçümü için kullanılabilirken, boşluğu ortamın atmosferik basıncından izole edilmiş olan çipler, mutlak basınç ölçümü için kullanılabilir.
Algılanan ölçülen basıncı elektrik sinyallerine dönüştüren dağınık silikon piezo dirençli dirençler, düz diyaframın üst yüzey katmanında bulunur. Geleneksel tasarım, piezo dirençli dirençleri düz diyaframın kenarına veya merkezine yakın yerleştirmektir. Düz diyafram, ölçülen basıncın etkisi altında deforme olduğunda, diyaframın küçük sapması (diyaframın merkezindeki maksimum sapma 500 mikrogerilimden çok daha azdır) varsayımı altında, piezodirenç direncindeki değişiklikten yararlanılarak, diyaframın sapması ile, yani basınçtaki değişiklikle doğrusal olarak değişen bir elektrik sinyali çıkışı sağlanır.
Hassas çipin ölçüm performansını optimize etmek için dört adet piezo dirençli hassas direnç, bir Wheatstone köprüsü oluşturacak şekilde düzlem üzerinde düzenlenmiştir. Ölçülen basınç uygulandığında, bir çift karşıt kolun direnci artarken diğer çift karşıt kolun direnci azalır, bu da Wheatstone köprüsünün dengesiz voltaj çıkışının ölçülen basınçla doğrusal olarak değişmesine neden olur.
Piezodirençli Basınç Sensörlerinin Uygulamaları
MEMS piezorezistif basınç sensörleri, havacılık, navigasyon, petrokimya endüstrisi, mekanik imalat ve otomasyon, su koruma ve hidroelektrik, endüstriyel gazlar, biyomedikal mühendisliği, meteoroloji, jeoloji, deprem ölçümü vb. gibi çeşitli endüstrilerde ve alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.