Sensor tekanan mikroelektromekanis (MEMS) banyak digunakan dalam kedirgantaraan, biomedis, kontrol industri, dan pemantauan lingkungan karena konsumsi daya yang rendah, ukuran kecil, biaya rendah, dan dampak rendah pada objek pengukuran. Dalam beberapa penelitian, sensor tekanan MEMS piezoresistif atau kapasitif telah digunakan untuk mewujudkan pengukuran tekanan tinggi. Namun, kedua sensor tekanan tinggi piezoresistif dan kapasitif ini tidak memiliki akurasi jangkauan penuh karena gangguan suhu yang parah atau linearitas yang buruk.
Baru-baru ini, tim Prof. Junbo Wang di Institute of Space and Astronautical Information Innovation, Chinese Academy of Sciences (CAS) mengembangkan mekanisme sensitif tekanan gabungan yang menggabungkan bending diafragma dan kompresi volume untuk sensor tekanan miniatur resonansi untuk mencapai pengukuran tekanan tinggi akurasi tinggi, menurut laporan oleh McMasters. Sensor miniatur dibuat menggunakan teknologi micromachining, dan hasil eksperimen menunjukkan bahwa akurasi skala penuh dari sensor adalah ± 0. 0 15% dalam kisaran tekanan 0,1 ~ 100 MPa dan kisaran suhu {-10 ~ 50 derajat. Hasil penelitian terkait berjudul "mikrosensor tekanan tinggi resonansi berdasarkan mekanisme tekanan-sensitif komposit dari pembengkokan diafragma dan kompresi volume". Kompresi "diterbitkan dalam jurnal Microsystems & Nanoengineering.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, keadaan tegangan resonator berlabuh ke permukaan bawah rongga dapat mencerminkan tekanan eksternal melalui mekanisme komposit. Rongga yang mengandung resonator dapat dibangun dengan struktur komposit dengan bending diafragma dan kompresi volume. Melalui mekanisme gabungan ini, para peneliti mengembangkan sensor tekanan tinggi miniatur resonansi baru dengan rongga miniatur yang memperkuat struktur diafragma untuk rentang yang lebih besar. Selain itu, akurasi tinggi dapat dicapai dengan menggunakan rongga resonator ganda dengan lebar yang berbeda.
Desain keseluruhan sensor tegangan miniatur resonansi
Pemilihan material dicapai dengan menggunakan 4- inci wafer inci (40 μm untuk lapisan perangkat, 2 μm untuk lapisan oksida, dan 300 μm untuk lapisan substrat) dan dua 4- inci wafer silikon (masing -masing ketebalan 1 mm dan 2 mm,. Untuk menghindari memperkenalkan tegangan termal lainnya dan untuk mencapai isolasi tegangan termal yang stabil, bahan lapisan isolasi adalah silikon tipe-N dengan tingkat doping rendah dan<100>orientasi. Proses fabrikasi utama termasuk etsa ion reaktif dalam (DRIE), pelepasan resonator, deposisi uap fisik (PVD), dan ikatan tingkat wafer.
Proses fabrikasi miniatur resonansi sensor tekanan tinggi
Hasil eksperimental menunjukkan bahwa sensor tekanan tinggi resonansi resonansi memiliki akurasi ± 0. 0 15% dari skala penuh pada kisaran tekanan 0. 1 hingga 100 MPa dan kisaran suhu -10 hingga 50 derajat. Sensitivitas tekanan adalah 261,10 Hz/MPa (~ 2.033 ppm/MPa) pada frekuensi diferensial. Sensitivitas tekanan dari frekuensi diferensial adalah 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ MPa) pada 20 derajat, dan sensitivitas suhu resonator ganda adalah 1,54 Hz/ derajat (~ 14,5 ppm/ derajat) dan 1,57 Hz/ C (~ -15 6 ppm/ derajat) dan 17 Hz/ C (~ -15 6 ppm/ ppm) dan 1,57 Hz/ C (~ -15. 6 ppm/ ppm) dan 1,57 Hz/ C (~ -15. 6 ppm/ ppm/ 17 Hz/ C (~ {22}}. 6 ppm/ ppm/ 17 Hz/ C (~ -15. 6 ppm/ ppm/ Output diferensial memiliki stabilitas yang sangat baik dalam kisaran 0,02 Hz pada suhu dan tekanan konstan.
Platform eksperimental dan hasil uji sensor tekanan tinggi miniatur resonansi
Singkatnya, para peneliti memvalidasi mekanisme sensitif tekanan-sensitif komposit dari sensor tekanan miniatur resonansi dengan secara efektif mewujudkan konversi tekanan/tegangan dengan menggabungkan pembengkokan diafragma dan kompresi volume, dan mengembangkan sensor tekanan tinggi multicavity resonator dengan resonator ganda. Dibandingkan dengan dua mekanisme tunggal konvensional, mekanisme sensitif tekanan komposit dapat mewujudkan kisaran pengukuran yang tinggi dan akurasi tinggi pada kisaran suhu yang luas. Desain resonator ganda yang cocok dengan sensitivitas tekanan positif dan negatif dapat dengan mudah direalisasikan dengan adaptasi dan kombinasi dua mekanisme tunggal. Output diferensial lebih lanjut meningkatkan sensitivitas dan mewujudkan kompensasi diri suhu. Hasil eksperimen memvalidasi kinerja tinggi sensor miniatur ini dalam hal akurasi, faktor kualitas, sensitivitas dan stabilitas. Namun, struktur diafragma yang lemah dari mikrosensor berdasarkan pada mekanisme tekanan-sensitif komposit membatasi ekspansi lebih lanjut dari kisaran tekanan. Pekerjaan di masa depan dapat fokus pada optimalisasi lebih lanjut dari perakitan segregasi dalam hal stres dan penuaan sensor untuk meningkatkan stabilitas frekuensi masing -masing resonator untuk aplikasi praktis dalam pengukuran tekanan tinggi.