تستخدم مستشعرات الضغط الكهرومكانيكية الدقيقة (MEMS) على نطاق واسع في الفضاء ، والطيد الحيوي ، والتحكم الصناعي ، والمراقبة البيئية بسبب انخفاض استهلاك الطاقة ، وصغر حجمها ، وتكلفة منخفضة ، وتأثير منخفض على كائن القياس. في بعض الدراسات ، تم استخدام أجهزة استشعار ضغط MEMS piezoresistive أو capacitive لتحقيق قياسات الضغط العالي. ومع ذلك ، فإن كل من أجهزة الاستشعار ذات الضغط العالي المفرطة هذه piezoresistive و capacitive تفتقر إلى دقة كاملة المدى بسبب اضطرابات درجات الحرارة الحادة أو ضعف الخطية.
في الآونة الأخيرة ، طورت فريق البروفيسور جونبو وانغ في معهد الفضاء وابتكار المعلومات الفضائية ، الأكاديمية الصينية للعلوم (CAS) آلية حساسة للضغط المركبة التي تجمع بين الانحناء الحجمي وحجمها من أجل استشعار الضغط المصغرة الرنان لتحقيق قياسات عالية الدقة عالية الضغط ، وفقًا لتقرير من قبل McMasters. تم تصنيع المستشعر المصغر باستخدام تقنية micromachining ، وتظهر النتائج التجريبية أن الدقة الكاملة للمستشعر ± 0. بعنوان نتائج البحث ذات الصلة بعنوان "استشعار مستشعر عالي الضغط على الرنين يعتمد على آلية حساسة للضغط المركب لانحناء الحجاب الحاجز وضغط الحجم". تم نشر الضغط "في مجلة Microsystems & Nanoengineering.
كما هو مبين في الشكل أدناه ، يمكن أن تعكس حالة الإجهاد المتمثل في مرنان الرنين على السطح السفلي للتجويف الضغط الخارجي من خلال آلية مركبة. يمكن بناء التجويف الذي يحتوي على الرنان مع بنية مركبة مع الانحناء الحاجز وضغط الحجم. من خلال هذه الآلية المركبة ، طور الباحثون مستشعرًا جديدًا للضغط ذي الضغط العالي الرنان مع تجويف مصغرة يعزز بنية الحجاب الحاجز لمجموعة أكبر. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تحقيق دقة عالية من خلال استخدام تجاويف الرنين المزدوجة بعرض مختلف.
التصميم العام لمستشعر الجهد العالي الرنان
تم تحقيق اختيار المواد عن طريق وايفر SOI بوصة SOI (40 ميكرون لطبقة الجهاز ، 2 ميكرون لطبقة الأكسيد ، و 300 ميكرون لطبقة الركيزة) واثنين من السيليكون {4}} بوصة (1 مم وسمك 2 مم ، على التوالي). لتجنب إدخال الضغوط الحرارية الأخرى ولتحقيق عزل الإجهاد الحراري المستقر ، فإن مادة طبقة العزلة هي السيليكون من النوع N مع مستويات المنشطات المنخفضة و<100>توجيه. تشمل عمليات التصنيع الرئيسية حفر الأيونات التفاعلية العميقة (DRIE) ، وإطلاق الرنان ، وترسب البخار المادي (PVD) ، والترابط على مستوى الويفر.
عملية التصنيع من مستشعر الضغط العالي الرنان
تُظهر النتائج التجريبية أن مستشعر الضغوط المصغرة ذات الرنين المصنوع له دقة ± 0. 0 15 ٪ من النطاق الكامل على نطاق ضغط من 0. حساسية الضغط هي 261.10 هرتز/ميجا باسكال (~ 2،033 جزء في المليون/ميجا باسكال) في التردد التفاضلي. حساسية الضغط للتردد التفاضلي هي 261.10 هرتز/ ميجا باسكال (~ 2523 جزء في المليون/ ميجا باسكال) عند 20 درجة ، ودرجة حرارة درجة الحرارة من الرنانات المزدوجة هي 1.54 هرتز/ درجة (~ 14.5 جزء في المليون/ درجة) و 1.57 هرتز/ م (~ -15. الناتج التفاضلي له استقرار ممتاز في نطاق 0.02 هرتز في درجة حرارة ثابتة وضغط.
منصة تجريبية واختبار نتائج مستشعر الضغط العالي المصغر رنين
باختصار ، قام الباحثون بالتحقق من صحة الآلية الحساسة للضغط المركب لأجهزة استشعار الضغط المصغرة الرنانة من خلال تحقيق تحويل الضغط/الإجهاد بشكل فعال من خلال الجمع بين الانحناء الحاجز وضغط الحجم ، وتطوير جهاز استشعار مصغرة ذات ضغط عالية من الرنين. بالمقارنة مع آليتين واحد تقليدي ، يمكن أن تحقق آلية حساسة للضغط المركبة نطاق قياس مرتفع ودقة عالية على مدى درجة حرارة واسعة. يمكن تحقيق التصميم المتطابق للرنانات المزدوجة ذات حساسية الضغط الإيجابية والسلبية بسهولة من خلال التكيف والمزيج من آليتين واحد. يعمل الناتج التفاضلي على تحسين الحساسية ويدرك المعارضة الذاتية لدرجة الحرارة. التحقق من النتائج التجريبية التحقق من الأداء العالي لهذا المستشعر المصغر من حيث الدقة وعامل الجودة والحساسية والاستقرار. ومع ذلك ، فإن بنية الحجاب الحاجز الضعيفة للاستشعار الدقيقة بناءً على الآلية الحساسة للضغط المركبة يحد من التوسع في نطاق الضغط. قد يركز العمل المستقبلي على مزيد من التحسين لتجميع الفصل من حيث التوتر وشيخوخة المستشعر لتحسين ثبات تواتر كل مرنان للتطبيقات العملية في قياسات الضغط العالي.