Os sensores de pressão de sistemas microeletromecânicos (MEMS) são amplamente utilizados em aeroespacial, biomedicina, controle industrial e monitoramento ambiental devido ao seu baixo consumo de energia, tamanho pequeno, baixo custo e baixo impacto no objeto de medição. Em alguns estudos, os sensores de pressão Piezoresistive ou capacitiva MEMS têm sido usados para realizar medições de alta pressão. No entanto, esses sensores piezoresistivos e capacitivos em miniatura de alta pressão carecem de precisão de gama total devido a graves distúrbios da temperatura ou baixa linearidade.
Recentemente, a equipe do Prof. Junbo Wang no Instituto de Espaço e Inovação das Informações Astronáuticas, a Academia Chinesa de Ciências (CAS) desenvolveu um mecanismo composto de pressão que combina a flexão de diafragma e a compressão de volume para sensores de pressão de miniatura ressonante para obter medidas de alta pressão. O sensor em miniatura foi fabricado usando a tecnologia de micromaching, e os resultados experimentais mostram que a precisão em escala completa do sensor é ± 0. 0 15% na faixa de pressão de 0,1 ~ 100 MPa e a faixa de temperatura de -10 ~ 50 grau. Os resultados da pesquisa relacionados são intitulados como "um microssensor ressonante de alta pressão baseado em um mecanismo composto sensível à pressão de flexão de diafragma e compressão de volume". A compressão "foi publicada na revista Microsystems & Nanoengineering.
Como mostrado na figura abaixo, o estado de tensão do ressonador ancorado na superfície inferior da cavidade pode refletir a pressão externa através de um mecanismo composto. A cavidade que contém o ressonador pode ser construída com uma estrutura composta com flexão de diafragma e compressão de volume. Por meio desse mecanismo composto, os pesquisadores desenvolveram um novo sensor ressonante em miniatura de alta pressão com uma cavidade miniaturizada que reforçando a estrutura do diafragma para maior faixa. Além disso, a alta precisão pode ser alcançada utilizando cavidades de ressonador duplo com diferentes larguras.
Projeto geral do sensor de alta tensão em miniatura ressonante
A seleção de material foi alcançada por meio de uma bolacha SOI de 4- polegada (40 μm para a camada de dispositivo, 2 μm para a camada de óxido e 300 μm para a camada de substrato) e duas 4-} silício (1 mm e 2 mm de espessura, respectivamente). Para evitar a introdução de outras tensões térmicas e para obter isolamento estável de tensão térmica, o material da camada de isolamento é o silício do tipo n com baixos níveis de doping e<100>orientação. Os principais processos de fabricação incluem gravação de íons reativos profundos (DRIE), liberação de ressonador, deposição de vapor físico (PVD) e ligação no nível da wafer.
Processo de fabricação de sensor de alta pressão em miniatura ressonante
Resultados experimentais mostram que o sensor de alta pressão em miniatura ressonante fabricada tem uma precisão de ± 0. 0 15% da escala completa em uma faixa de pressão de 0}. 1 a 100 MPa e uma faixa de temperatura de -10 a 50 graus. A sensibilidade à pressão é de 261,10 Hz/MPa (~ 2.033 ppm/mpa) na frequência diferencial. A sensibilidade à pressão da frequência diferencial é de 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ mPa) a 20 graus, e as sensibilidades de temperatura dos ressonadores duplos são 1,54 Hz/ grau (~ 14,5 ppm/ grau) e 1,57 Hz/ C (~ de 22}. A saída diferencial tem excelente estabilidade na faixa de 0,02 Hz a temperatura e pressão constantes.
Resultados experimentais de plataforma e teste de sensor de alta pressão em miniatura ressonante
Em resumo, os pesquisadores validaram o mecanismo composto de pressão sensível à pressão de sensores de pressão em miniatura ressonante, realizando efetivamente a conversão de pressão/tensão, combinando dobragem de diafragma e compressão de volume e desenvolveu um sensor de alta pressão em ressonância multicavidade de multavidade. Comparado com dois mecanismos únicos convencionais, o mecanismo sensível à pressão composto pode realizar alta faixa de medição e alta precisão em uma ampla faixa de temperatura. O design correspondente de ressonadores duplos com sensibilidade à pressão positiva e negativa pode ser facilmente realizada pela adaptação e combinação de dois mecanismos únicos. A saída diferencial melhora ainda mais a sensibilidade e realiza a autocompensação da temperatura. Os resultados experimentais validam o alto desempenho desse sensor em miniatura em termos de precisão, fator de qualidade, sensibilidade e estabilidade. No entanto, a fraca estrutura de diafragma do microssensor com base no mecanismo sensível à pressão composto limita a expansão adicional da faixa de pressão. Trabalhos futuros podem se concentrar na otimização adicional da montagem da segregação em termos de estresse e envelhecimento do sensor para melhorar a estabilidade da frequência de cada ressonador para aplicações práticas em medições de alta pressão.