I sensori di pressione dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) sono ampiamente utilizzati in aerospaziale, biomedicina, controllo industriale e monitoraggio ambientale a causa del loro basso consumo di energia, dimensioni ridotte, basso costo e basso impatto sull'oggetto di misurazione. In alcuni studi, i sensori di pressione MEMS piezoresistivi o capacitivi sono stati usati per realizzare misurazioni ad alta pressione. Tuttavia, sia questi sensori piezoresistivi e capacitivi in miniatura ad alta pressione mancano di precisione a tutta gamma a causa di gravi disturbi della temperatura o scarsa linearità.
Di recente, il team del Prof. Junbo Wang presso l'Institute of Space and Astronautical Information Innovation, Chinese Academy of Sciences (CAS) ha sviluppato un meccanismo sensibile alla pressione composita che combina la flessione del diaframma e la compressione del volume per i sensori di pressione in miniatura risonante per ottenere misurazioni ad alta pressione ad alta pressione, secondo un rapporto di McMasters. Il sensore in miniatura è stato fabbricato utilizzando la tecnologia di micromachining e i risultati sperimentali mostrano che l'accuratezza su larga scala del sensore è ± 0. 0 15% nell'intervallo di pressione di 0,1 ~ 100 MPA e l'intervallo di temperatura di -10 ~ 50 gradi. I risultati della ricerca correlati sono intitolati come "un microsensore ad alta pressione risonante basato su un meccanismo composito sensibile alla pressione di flessione del diaframma e compressione del volume". Compressione "è stata pubblicata sulla rivista Microsystems & Nanoingineering.
Come mostrato nella figura seguente, lo stato di sollecitazione del risonatore ancorato alla superficie inferiore della cavità può riflettere la pressione esterna attraverso un meccanismo composito. La cavità contenente il risonatore può essere costruita con una struttura composita con flessione del diaframma e compressione del volume. Attraverso questo meccanismo composito, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo sensore ad alta pressione in miniatura risonante con una cavità miniaturizzata che rafforza la struttura del diaframma per un intervallo maggiore. Inoltre, è possibile ottenere un'elevata precisione utilizzando cavità a doppia risonatore con larghezze diverse.
Progettazione complessiva del sensore ad alta tensione in miniatura risonante
La selezione del materiale è stata raggiunta per mezzo di un wafer SOI 4- pollici (40 μm per lo strato del dispositivo, 2 μm per lo strato di ossido e 300 μm per lo strato del substrato) e due wafer di silicio 4- pollici (spessi 1 mm e 2 mm, rispettivamente). Per evitare di introdurre altre sollecitazioni termiche e per ottenere un isolamento stabile a stress termico, il materiale dello strato di isolamento è silicio di tipo N con bassi livelli di doping e<100>orientamento. I principali processi di fabbricazione includono l'attacco a ioni reattivi profondi (Drie), il rilascio del risonatore, la deposizione di vapore fisico (PVD) e il legame a livello di wafer.
Processo di fabbricazione del sensore ad alta pressione in miniatura risonante
I risultati sperimentali mostrano che il sensore ad alta pressione in miniatura risonante fabbricato ha una precisione di ± 0. 0 15% di scala su tutta la pressione di 0. 1 a 100 MPa e una gamma di temperatura di -10 a 50 gradi. La sensibilità alla pressione è di 261,10 Hz/MPa (~ 2.033 ppm/MPa) alla frequenza differenziale. La sensibilità alla pressione della frequenza differenziale è 261,10 Hz/ MPA (~ 2523 ppm/ MPA) a 20 gradi e le sensibilità di temperatura dei doppi risulatori sono 1,54 Hz/ gradi (~ 14,5 ppm/ grado) e 1,57 Hz/ C (~ -15. 6 ppm/ gradi) a una pressione di 2 mpa. L'uscita differenziale ha un'eccellente stabilità nell'intervallo 0,02 Hz a temperatura e pressione costanti.
Piattaforma sperimentale e risultati dei test del sensore ad alta pressione in miniatura risonante
In sintesi, i ricercatori hanno convalidato il meccanismo composito sensibile alla pressione dei sensori di pressione in miniatura risonante realizzando efficacemente la conversione di pressione/stress combinando la flessione del diaframma e la compressione del volume e hanno sviluppato un sensore ad alta pressione risonante a miniatura a risonanza multiciciana con resontori doppi. Rispetto a due singoli meccanismi convenzionali, il meccanismo sensibile alla pressione composita può realizzare un intervallo di misurazione elevato e un'elevata precisione su un ampio intervallo di temperatura. La progettazione abbinata di doppi risonatori con sensibilità alla pressione positiva e negativa può essere facilmente realizzato dall'adattamento e dalla combinazione di due singoli meccanismi. L'output differenziale migliora ulteriormente la sensibilità e realizza l'auto-compensazione della temperatura. I risultati sperimentali convalidano le alte prestazioni di questo sensore in miniatura in termini di accuratezza, fattore di qualità, sensibilità e stabilità. Tuttavia, la debole struttura del diaframma del microsensore basato sul meccanismo sensibile alla pressione composita limita l'ulteriore espansione dell'intervallo di pressione. I lavori futuri possono concentrarsi su un'ulteriore ottimizzazione dell'assemblaggio di segregazione in termini di stress e invecchiamento del sensore per migliorare la stabilità di frequenza di ciascun risonatore per applicazioni pratiche nelle misurazioni ad alta pressione.