Οι αισθητήρες πίεσης μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS) χρησιμοποιούνται ευρέως στην αεροδιαστημική, τη βιοϊατρική, τον βιομηχανικό έλεγχο και την περιβαλλοντική παρακολούθηση λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, του μικρού μεγέθους, του χαμηλού κόστους και του χαμηλού αντίκτυπου στο αντικείμενο μέτρησης. Σε μερικές μελέτες, χρησιμοποιήθηκαν πιεζοηλεκτρικοί ή χωρητικοί αισθητήρες πίεσης MEMS για την πραγματοποίηση μετρήσεων υψηλής πίεσης. Ωστόσο, τόσο αυτοί οι πιεζοηλεκτρικοί όσο και οι χωρητικοί μικροσκοπικοί αισθητήρες υψηλής πίεσης δεν έχουν ακρίβεια πλήρους εμβέλειας λόγω σοβαρών διαταραχών θερμοκρασίας ή κακής γραμμικότητας.
Πρόσφατα, η ομάδα του καθηγητή Junbo Wang στο Ινστιτούτο Διαστημικής και Αστροναυτικής Πληροφορικής, η κινεζική Ακαδημία Επιστημών (CAS) ανέπτυξε έναν σύνθετο μηχανισμό που συνδυάζει τη διαμάχη και τη συμπίεση όγκου για τους αισθητήρες μικροσκοπικής πίεσης για την επίτευξη μετρήσεων υψηλής πίεσης υψηλής ακρίβειας, σύμφωνα με μια έκθεση από τη συμβουλευτική της MCMAS. Ο μικροσκοπικός αισθητήρας κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τεχνολογία μικρο-micromachining και τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η ακρίβεια πλήρους κλίμακας του αισθητήρα είναι ± {4}}. Τα σχετικά αποτελέσματα της έρευνας με τίτλο "Ένας μικροεισθητήρας υψηλής πίεσης υψηλής πίεσης που βασίζεται σε ένα σύνθετο μηχανισμό που έχει ευαίσθητη στην πίεση της συμπίεσης κάμψης διαφράγματος και συμπίεσης όγκου". Η συμπίεση "δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Microsystems & NanoEngineering.
Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, η κατάσταση τάσης του συντονιστή που είναι αγκυροβολημένη στην κάτω επιφάνεια της κοιλότητας μπορεί να αντικατοπτρίζει την εξωτερική πίεση μέσω ενός σύνθετου μηχανισμού. Η κοιλότητα που περιέχει τον συντονιστή μπορεί να κατασκευαστεί με σύνθετη δομή με κάμψη διαφράγματος και συμπίεση όγκου. Μέσα από αυτόν τον σύνθετο μηχανισμό, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν νέο αισθητήρα μικροσκοπικού μικροσκοπικού υψηλής πίεσης με μια μικροσκοπική κοιλότητα που ενισχύει τη δομή του διαφράγματος για μεγαλύτερη εμβέλεια. Επιπλέον, η υψηλή ακρίβεια μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση των κοιλοτήτων διπλού συντονιστή με διαφορετικά πλάτη.
Συνολικός σχεδιασμός του συντονιστικού μικροσκοπικού αισθητήρα υψηλής τάσης
Η επιλογή υλικού επιτεύχθηκε μέσω ενός πλακιδίου SOI (40 μm για το στρώμα της συσκευής, 2 μm για το στρώμα οξειδίου και 300 μm για το στρώμα υποστρώματος) και δύο {4}} ίντσες δισκογραφικές δισκίες (1 mm και πάχους 2 mm αντίστοιχα). Για να αποφευχθεί η εισαγωγή άλλων θερμικών τάσεων και για να επιτευχθεί σταθερή απομόνωση θερμικής καταπόνησης, το υλικό στρώματος απομόνωσης είναι πυρίτιο τύπου Ν με χαμηλά επίπεδα ντόπινγκ και<100>προσανατολισμός. Οι κύριες διεργασίες κατασκευής περιλαμβάνουν τη χάραξη βαθιάς αντιδραστικής ιόντων (DRIE), απελευθέρωση συντονιστή, εναπόθεση φυσικής ατμών (PVD) και συγκόλληση σε επίπεδο πλακιδίων.
Διαδικασία κατασκευής συντονισμένου μικροσκοπικού αισθητήρα υψηλής πίεσης
Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι ο κατασκευασμένος συντονισμένος μικροσκοπικός αισθητήρας υψηλής πίεσης έχει ακρίβεια ± 0. Η ευαισθησία πίεσης είναι 261,10 Hz/MPa (~ 2,033 ppm/mPa) σε διαφορική συχνότητα. Η ευαισθησία πίεσης της διαφορικής συχνότητας είναι 261,10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ mPa) σε 20 βαθμούς και οι ευαισθησίες θερμοκρασίας των διπλών αντηθμών είναι 1,54 Hz/ βαθμός (~ 14,5 ppm/ βαθμός) και 1,57 Hz/ C (~ {22} 6 ΡΡΜ/ βαθμός) σε πίεση 2 ΜΡΑ. Η διαφορική έξοδος έχει εξαιρετική σταθερότητα στην περιοχή 0,02 Hz σε σταθερή θερμοκρασία και πίεση.
Πειραματική πλατφόρμα και αποτελέσματα δοκιμών του συντονιστικού μικροσκοπικού αισθητήρα υψηλής πίεσης
Συνοπτικά, οι ερευνητές επικύρωσαν τον σύνθετο ευαίσθητο στον μηχανισμό των αισθητήρων μικροσκοπικής πίεσης με σύνθετη πίεση, πραγματοποιώντας αποτελεσματικά την μετατροπή πίεσης/στρες συνδυάζοντας την κάμψη του διαφράγματος και τη συμπίεση του όγκου και ανέπτυξε έναν πολυκεντρικό συντονιστικό μικροσκοπικό μικροσκοπικό αισθητήρα υψηλής πίεσης με διπλούς συντονιστές. Σε σύγκριση με δύο συμβατικούς μεμονωμένους μηχανισμούς, ο σύνθετος μηχανισμός ευαίσθητος στην πίεση μπορεί να πραγματοποιήσει υψηλή περιοχή μέτρησης και υψηλή ακρίβεια σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Ο αντιστοιχισμένος σχεδιασμός των διπλών αντηθμιστών με θετική και αρνητική ευαισθησία πίεσης μπορεί εύκολα να πραγματοποιηθεί από την προσαρμογή και τον συνδυασμό δύο μεμονωμένων μηχανισμών. Η διαφορική έξοδος βελτιώνει περαιτέρω την ευαισθησία και συνειδητοποιεί την αυτοσυγκέντρωση της θερμοκρασίας. Τα πειραματικά αποτελέσματα επικυρώνουν την υψηλή απόδοση αυτού του μικροσκοπικού αισθητήρα όσον αφορά την ακρίβεια, τον παράγοντα ποιότητας, την ευαισθησία και τη σταθερότητα. Ωστόσο, η ασθενής δομή διαφράγματος του μικροαισθητήρα με βάση τον μηχανισμό που ευαίσθητο σε σύνθετη πίεση περιορίζει την περαιτέρω επέκταση του εύρους πίεσης. Η μελλοντική εργασία μπορεί να επικεντρωθεί στην περαιτέρω βελτιστοποίηση της συναρμολόγησης διαχωρισμού όσον αφορά το στρες και τη γήρανση του αισθητήρα για τη βελτίωση της σταθερότητας της συχνότητας κάθε συντονιστή για πρακτικές εφαρμογές σε μετρήσεις υψηλής πίεσης.