Czujniki ciśnienia MEMS: kompleksowy przewodnik po technologii, zastosowaniach i wyborze

Wprowadzenie do czujników ciśnienia MEMY

1.1 Jakie są Czujniki ciśnienia MEMY ?

Definicja i podstawowe zasady

Czujniki ciśnienia MEMY do urządzenia wykonane z mikrofabrykatu przeznaczone do pomiaru ciśnienia płynu (cieczy lub gazu). MEMS oznacza Systemy mikroelektromechaniczne , odnoszące się do technologii zminiaturyzowanych urządzeń budowanych przy użyciu technik mikrofabrykacji, podobnych do tych stosowanych w produkcji układów scalonych (jaC).

Podstawowa zasada polega na: a przepona (cienka, poddana mikroobróbce membrana, często wykonana z krzemu). odchyla się gdy poddawany jest różnicy ciśnień. To odchylenie jest następnie przekształcane na sygnał elektryczny przy użyciu różnych zasad wykrywania, najczęściej:

• Piezlubezystancyjny: Zmiany w elektryce opór rozproszonych lub wszczepionych tensometrów na membranie.
• Pojemnościowy: Zmiany w pojemność pomiędzy odchyloną membraną a stałą elektrodą odniesienia.

Zalety w plubównaniu z tradycyjnymi czujnikami ciśnienia

Czujniki ciśnienia MEMS oferują znaczące zalety w porównaniu z tradycyjnymi, większymi czujnikami ciśnienia (np. tymi, które wykorzystują tensometry foliowe lub membrany w skali makro):

• Miniaturyzacja i rozmiar: Są niewiarygodnie małe, często mniejsze niż milimetr, co pozwala na integrację z kompaktowymi urządzeniami i ciasnymi przestrzeniami.
• Masowa produkcja i niski koszt: Wykonane przy użyciu technik przetwarzania wsadowego półprzewodników (fotolitografia, trawienie itp.), co umożliwia duża objętość, niski koszt produkcja.
• Wysoka czułość i dokładność: Małe, wysoce kontrolowane struktury pozwalają na doskonałą rozdzielczość i precyzyjne pomiary.
• Niskie zużycie energii: jach niewielki rozmiar i zmniejszona masa zazwyczaj prowadzą do niższych wymagań dotyczących zasilania, co jest idealne w przypadku urządzeń zasilanych bateryjnie i przenośnych.
• Wysoki potencjał integracyjny: Można go łatwo zintegrować z obwodami na chipie (ASIC) w celu kondycjonowania sygnału, kompensacji temperatury i wyjścia cyfrowego, tworząc kompletny system w pakiecie (SiP).

1.2 Historyczny rozwój czujników ciśnienia MEMS

Kluczowe kamienie milowe i innowacje

Historia czujników ciśnienia MEMS jest ściśle powiązana z rozwojem technologii produkcji półprzewodników i technik mikroobróbki.

Okres czasu	Kluczowe kamienie milowe i innowacje	Opis
1954	Odkrycie efektu piezorezystancyjnego w krzemie	Odkrycie C.S. Smitha, że oporność elektryczna krzemu i germanu zmienia się znacząco pod wpływem naprężeń mechanicznych (efekt piezorezystancyjny), stało się podstawą pierwszej generacji czujników ciśnienia na bazie krzemu.
Lata 60	Pierwszy silikonowy czujnik ciśnienia	Zademonstrowano wczesne krzemowe czujniki ciśnienia, wykorzystując odkryty efekt piezorezystancyjny. Były nieporęczne, głównie używane mikroobróbka masowa .
Lata 80	Komercjalizacja i mikroobróbka	Pojawienie się wczesnych form mikroobróbka powierzchni oraz pierwsze komercyjne, krzemowe czujniki ciśnienia o dużej objętości (np. jednorazowe przetworniki ciśnienia krwi do użytku medycznego i czujniki ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (MAP) do sterowania silnikiem). Termin MEMS (Systemy mikroelektromechaniczne) również zostały formalnie wprowadzone w tej dekadzie.
Lata 90	Produkcja masowa i integracja	Postęp w produkcji, np Głęboko reaktywne trawienie jonowe (DRIE) (np. proces Boscha, opatentowany w 1994 r.), pozwolił na tworzenie złożonych struktur 3D o wysokich proporcjach. Doprowadziło to do masowej produkcji tanich, solidnych czujników dla motoryzacji (takich jak te w systemach poduszek powietrznych i wczesnym zarządzaniu silnikiem) i elektroniki użytkowej.
2000-obecnie	Miniaturyzacja i boom konsumencki	Skoncentrowano się na wysoce zminiaturyzowanych czujnikach (np. czujnikach barometrycznych) ze zintegrowanymi układami ASIC do przetwarzania sygnału i kompensacji temperatury, umożliwiając ich powszechne zastosowanie w smartfonach, urządzeniach do noszenia i Internet rzeczy (IoT) . Czujniki pojemnościowe i rezonansowe zyskały na znaczeniu wraz z technologią piezorezystancyjną, zapewniając lepszą stabilność i niższą moc.

Wpływ na różne branże

Przejście od tradycyjnych czujników wielkoskalowych do małych, produkowanych masowo czujników ciśnienia MEMS wywarło transformacyjny wpływ na wiele sektorów:

• Motoryzacja: Czujniki MEMS odegrały kluczową rolę w rozwoju nowoczesnego elektronicznego sterowania silnikiem (jednostki sterujące silnikiem, ECU ) i systemy bezpieczeństwa. Umożliwiły one obowiązkowe przyjęcie Systemy monitorowania ciśnienia w oponach (TPMS) ze względu na niski koszt i niewielkie rozmiary, znacznie poprawiają bezpieczeństwo pojazdów i oszczędność paliwa.
• Medyczne: Miniaturyzacja pozwoliła na stworzenie jednorazowe czujniki ciśnienia krwi do inwazyjnego monitorowania (cewniki), radykalnie poprawiając warunki sanitarne i ograniczając zanieczyszczenia krzyżowe w szpitalach. Są również niezbędne w przenośnych respiratorach, pompach infuzyjnych i urządzeniach do ciągłego monitorowania stanu zdrowia.
• Elektronika użytkowa: Czujniki ciśnienia barometrycznego MEMS mają takie funkcje, jak nawigacja wewnętrzna (wyznaczanie poziomu podłóg w budynkach) i dokładny pomiar wysokości możliwe w dronach i trackerach fitness. Jest to główny czynnik napędzający rozwój rynków urządzeń mobilnych i urządzeń do noszenia.
• Przemysłowe/IoT: Niski pobór mocy i niewielkie rozmiary to kluczowe czynniki umożliwiające Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT) , umożliwiając wdrażanie bezprzewodowych węzłów czujników ciśnienia w systemach automatyki przemysłowej, kontroli procesów i monitorowania środowiska. Zwiększa to wydajność i zapobiegawczą konserwację.

MCP-J10, J11, J12 Czujnik ciśnienia absolutnego

Technologia i zasady działania

2.1 Fizyka podstawowa

Czujniki ciśnienia MEMS przekształcają mechaniczne ugięcie membrany w mierzalny sygnał elektryczny przy użyciu różnych zasad fizycznych.

Efekt piezorezystancyjny

• Zasada: The efekt piezorezystancyjny stwierdza, że oporność elektryczna materiału półprzewodnikowego (takiego jak krzem) zmienia się pod wpływem naprężenia mechanicznego ( $\sigma$ ) jest stosowany.
• Mechanizm: W czujniku piezorezystancyjnym rezystory (często wykonane z domieszkowanego krzemu lub krzemu polikrystalicznego) są rozproszone lub wszczepione na powierzchnię krzemowej membrany. Kiedy ciśnienie powoduje ugięcie membrany, rezystory te ulegają naprężeniu ( $ϵ$ ), co prowadzi do zmiany ich oporu  ( $\Delta R$ ).
• Dane wyjściowe: Zazwyczaj cztery rezystory są rozmieszczone w a Most Wheatstone'a konfiguracja maksymalizująca czułość i zapewniająca kompensację temperatury, dając napięcie wyjściowe proporcjonalne do przyłożonego ciśnienia.

Wykrywanie pojemnościowe

• Zasada: Czujniki pojemnościowe mierzą ciśnienie w oparciu o zmianę napięcia elektrycznego pojemność ( $C$ ).
• Mechanizm: Czujnik składa się z dwóch równoległych elektrod: membrany wykrywającej ciśnienie i nieruchomej elektrody tylnej. Po przyłożeniu ciśnienia membrana ugina się, zmieniając odległość ( $d$ ) pomiędzy dwiema elektrodami. Ponieważ pojemność jest odwrotnie proporcjonalna do odległości ( $C\propto 1/d$ ), przyłożone ciśnienie mierzy się zmianą $C$ .
• Zalety: Generalnie oferty wyższa stabilność , mniejsze zużycie energii , i niższa wrażliwość na temperaturę w porównaniu z typami piezorezystancyjnymi, ale wymaga bardziej złożonego układu odczytu.

Wykrywanie rezonansowe

• Zasada: Czujniki rezonansowe mierzą ciśnienie na podstawie zmiany ciśnienia naturalna częstotliwość rezonansowa ( $f_0$ ) o strukturze mikromechanicznej (np. belce lub membranie).
• Mechanizm: Rezonator mikromechaniczny jest napędzany w celu oscylacji. Po przyłożeniu ciśnienia zmienia się naprężenie/odkształcenie w konstrukcji, co z kolei zmienia jej sztywność i rozkład masy. Ta zmiana właściwości mechanicznych powoduje zmianę częstotliwości rezonansowej, $f_0$ .
• Zalety: Niezwykle wysoki rozdzielczość i długoterminowa stabilność , ponieważ częstotliwość jest z natury cyfrowym i solidnym parametrem pomiarowym.

2.2 Proces produkcyjny

Czujniki ciśnienia MEMS produkowane są przy użyciu wysoce wyspecjalizowanych czujników mikroobróbka techniki zaadaptowane z przemysłu półprzewodników.

Techniki mikroobróbki (masowe a powierzchniowe)

• Mikroobróbka masowa:
  • Proces: Obejmuje selektywne trawienie większości płytki krzemowej w celu utworzenia struktur 3D, takich jak membrana wykrywająca ciśnienie i komora referencyjna.
  • Metody: Używa anizotropowych mokrych środków trawiących (np $\text{KO}$ or $\text{TMAH}$ ) lub techniki suchego trawienia, takie jak głębokie reaktywne trawienie jonowe (DRIE).
  • Wynik: Grubość membrany często zależy od głębokości wytrawienia w podłożu.
• Mikroobróbka powierzchniowa:
  • Proces: Polega na osadzaniu i modelowaniu cienkich warstw (polikrzemu, azotku krzemu itp.) na powierzchni płytki w celu utworzenia struktur mechanicznych. Nakładana jest warstwa protektorowa, a następnie selektywnie usuwana (trawiona) w celu uwolnienia struktury mechanicznej (np. ruchomej płytki w czujniku pojemnościowym).
  • Wynik: Konstrukcje są zazwyczaj cieńsze, mniejsze i wytwarzane z większą gęstością integracji, często stosowane w akcelerometrach, ale także w niektórych pojemnościowych czujnikach ciśnienia.

Zastosowane materiały (krzem, silikon na izolatorze)

• Krzem ( $\text{Si}$ ): Podstawowy materiał. Posiada doskonałe właściwości mechaniczne (wysoka wytrzymałość, niska histereza mechaniczna, podobnie jak stal), jest dobrym półprzewodnikiem (pozwalającym na domieszkowanie piezorezystancyjne), a procesy jego wytwarzania są wysoce zaawansowane i opłacalne.
• Izolator silikonowy ( $\text{SOI}$ ): Złożona struktura waflowa składająca się z cienkiej warstwy krzemu (warstwa urządzenia) na wierzchu warstwy izolacyjnej (pochowany tlenek, $\text{PUDEŁKO}$ ) na masowym podłożu silikonowym.
  • Zaleta: Zapewnia doskonałą wydajność w trudnych warunkach (wysoka temperatura, promieniowanie) i umożliwia precyzyjną kontrolę grubości membrany i izolacji elektrycznej, co jest kluczowe w przypadku czujników o wysokiej wydajności.

2.3 Rodzaje czujników ciśnienia MEMS

Czujniki ciśnienia są klasyfikowane na podstawie rodzaju mierzonego ciśnienia w stosunku do punktu odniesienia.

• Czujniki ciśnienia bezwzględnego:
  • Odniesienie: Zmierzyć ciśnienie względem a idealna próżnia (0 $\text{Tata}$ absolutne) zamknięte wewnątrz wnęki referencyjnej czujnika.
  • Przypadek użycia: Pomiar wysokości, ciśnienia barometrycznego w stacjach pogodowych i telefonach.
• Czujniki ciśnienia manometrycznego:
  • Odniesienie: Zmierzyć ciśnienie względem ciśnienie atmosferyczne otoczenia poza czujnikiem.
  • Przypadek użycia: Ciśnienie w oponach, układy hydrauliczne, poziomy zbiorników przemysłowych. (Przy stiardowym ciśnieniu atmosferycznym moc wyjściowa wynosi zero.)
• Czujniki różnicy ciśnień:
  • Odniesienie: Zmierz różnica pod ciśnieniem pomiędzy dwoma odrębnymi portami lub punktami.
  • Przypadek użycia: Pomiar natężenia przepływu (poprzez pomiar spadku ciśnienia na zwężeniu), monitorowanie filtra HVAC.
• Uszczelnione czujniki ciśnienia:
  • Odniesienie: Podzbiór Wskaźnik czujniki, w których wnęka odniesienia jest uszczelniona pod określonym ciśnieniem (zwykle standardowym ciśnieniem atmosferycznym na poziomie morza), co czyni je niewrażliwymi na zmiany lokalnego ciśnienia atmosferycznego.
  • Przypadek użycia: Tam, gdzie na wyjściu musi znajdować się stałe ciśnienie odniesienia, niezależnie od pogody i zmian wysokości.

Kluczowe parametry wydajności

3.1 Czułość i dokładność

Definicja wrażliwości i jej znaczenie

• Czułość jest miarą zmiany sygnału wyjściowego czujnika ( $\Delta \text{Wyjście}$ ) na jednostkę zmiany ciśnienia ( $\Delta \text{P}$ ). Zwykle wyraża się go w jednostkach takich jak mV/V/psi (miliwolty na wolt wzbudzenia na funt siły na cal kwadratowy) lub mV/Pa.
  • Formuła: $\text{Czułość}=\frac{\Delta \text{Wyjście}}{\Delta \text{P}}$
• Znaczenie: Wyższa czułość oznacza a większy sygnał elektryczny dla danej zmiany ciśnienia, co ułatwia pomiar, kondycjonowanie i rozdzielanie sygnału, szczególnie w zastosowaniach niskociśnieniowych.

Czynniki wpływające na dokładność

Dokładność określa, jak bardzo zmierzona moc czujnika odpowiada rzeczywistej wartości ciśnienia. Często jest to połączenie kilku źródeł błędów:

• Nieliniowość (NL): Odchylenie rzeczywistej krzywej wyjściowej od idealnej odpowiedzi liniowej.
• Histereza: Różnica w wydajności przy zbliżaniu się do tego samego punktu ciśnienia poprzez zwiększenie ciśnienia w porównaniu ze spadkiem ciśnienia.
• Błąd przesunięcia/punktu zerowego: Sygnał wyjściowy po zastosowaniu zerowego ciśnienia.
• Wpływ temperatury: Zmiany mocy wyjściowej spowodowane zmianami temperatury otoczenia (omówione w 3.3).

Techniki kalibracji

Aby zapewnić wysoką dokładność, czujniki poddawane są kalibracji:

• Przycinanie: Regulacja rezystorów wbudowanych (w przypadku piezorezystancji) lub wdrożenie cyfrowych tablic przeglądowych (w przypadku inteligentnych czujników), aby zminimalizować początkowe przesunięcie i zmiany czułości.
• Kompensacja temperatury: Pomiar reakcji czujnika w całym zakresie temperatur i zastosowanie algorytmu korekcji (często cyfrowo w zintegrowanym układzie ASIC) w celu skorygowania błędów wywołanych temperaturą.

3.2 Zakres ciśnienia i nadciśnienie

Wybór odpowiedniego zakresu ciśnienia

• The Zakres ciśnienia oznacza określony zakres ciśnienia (np. od 0 USD do 100 USD na psi), w zakresie którego czujnik jest przeznaczony do działania i spełnia swoje specyfikacje wydajności.
• Wybór: Idealny zasięg czujnika powinien odpowiadać maksymalnemu oczekiwanemu ciśnieniu roboczemu aplikacji plus margines bezpieczeństwa, aby zapewnić najwyższą rozdzielczość i najlepszą dokładność (ponieważ dokładność jest często określana jako procent pełnej skali wyjściowej, FSO ).

Zrozumienie limitów nadciśnienia

• Maksymalne ciśnienie robocze: Najwyższe ciśnienie, któremu czujnik może być stale poddawany, bez powodowania trwałej zmiany specyfikacji działania.
• Limit nadciśnienia (lub ciśnienie rozrywające): Maksymalne ciśnienie, bez którego czujnik może wytrzymać uszkodzenie fizyczne lub katastrofalna awaria (np. pęknięcie membrany).
  • Wybór czujnika o wysokim nadciśnieniu ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach, w których często występują skoki ciśnienia lub nagłe skoki ciśnienia, aby zapobiec awariom systemu.

3.3 Wpływ temperatury

Czułość temperaturowa i kompensacja

• Czułość temperaturowa: Wszystkie czujniki MEMS na bazie krzemu są z natury wrażliwe na zmiany temperatury. Powoduje to dwa główne skutki:
  • Współczynnik temperaturowy przesunięcieu (TCO): Wyjście przy zerowym ciśnieniu zmienia się wraz z temperaturą.
  • Współczynnik temperaturowy rozpiętości (TCS): Czułość czujnika zmienia się wraz z temperaturą.
• Kompensacja: Nowoczesne inteligentne czujniki MEMS wykorzystują zintegrowane ASIC (układy scalone specyficzne dla aplikacji) do pomiaru temperatury chipa i cyfrowego zastosowania algorytmów korekcji (kompensacji) do surowych danych dotyczących ciśnienia, w znacznym stopniu eliminując te błędy w całym zakresie temperatur roboczych.

Zakres temperatury roboczej

• Jest to zakres temperatur otoczenia (np. $-40^{\circ }\text{C}$ to $125^{\circ }\text{C}$ ), w ramach którego gwarantuje się, że czujnik spełnia wszystkie opublikowane specyfikacje wydajności, w tym dokładność z kompensacją.

3.4 Długoterminowa stabilność i niezawodność

Rozważania dotyczące dryfu i histerezy

• Dryft (dryft punktu zerowego): Zmiana wyjściowego ciśnienia zerowego czujnika w długim okresie czasu (np. miesięcy lub lat), nawet jeśli jest przechowywany w stałych warunkach. Ma to wpływ na długoterminową dokładność i może wymagać ponownej kalibracji.
• Histereza (histereza ciśnienia): Różnica wyjściowa w określonym punkcie ciśnienia po osiągnięciu go poprzez zwiększenie ciśnienia w porównaniu ze spadkiem ciśnienia. Wysoka histereza wskazuje na słabe zachowanie sprężyste materiału membrany lub naprężenie opakowania.

Czynniki wpływające na niezawodność długoterminową

• Naprężenie opakowania: Naprężenia mechaniczne wywołane materiałem opakowania czujnika (np. żywicą epoksydową, tworzywem sztucznym) lub procesem montażu mogą zmieniać się w czasie ze względu na cykle termiczne lub wilgoć, prowadząc do dryftu.
• Kompatybilność z mediami: Materiał czujnika musi być kompatybilny z mierzonym płynem („media”). Narażenie na media żrące lub zawierające wilgoć bez odpowiedniej ochrony (np. powłoki żelowej lub bariery metalicznej) szybko pogorszy działanie czujnika.
• Zmęczenie materiału: Powtarzające się cykle naprężeń spowodowane zmianami ciśnienia mogą prowadzić do zmęczenia materiału, co ostatecznie wpływa na właściwości mechaniczne i stabilność czujnika.

Zastosowania czujników ciśnienia MEMS

4.1 Przemysł motoryzacyjny

Czujniki ciśnienia MEMS to krytyczne komponenty nowoczesnych pojazdów, wspierające zarówno systemy wydajności, jak i bezpieczeństwa.

• Systemy monitorowania ciśnienia w oponach (TPMS): Czujniki ciśnienia wbudowane w trzpień zaworu każdej opony bezprzewodowo monitorują ciśnienie w oponach. Jest to istotne dla bezpieczeństwa (zapobieganie wydmuchom) i wydajności (optymalizacja zużycia paliwa).
• Czujniki ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (MAP): Mierzą one ciśnienie bezwzględne w kolektorze dolotowym silnika. Dane są przesyłane do jednostki sterującej silnika ( ECU ) do obliczenia gęstości powietrza wchodzącego do silnika, co pozwala na precyzyjne odmierzenie wtrysku paliwa i czasu zapłonu.
• Monitorowanie ciśnienia hamulców: Stosowany w hydraulicznych układach hamulcowych, szczególnie tych z elektroniczną kontrolą stabilności ( ESC ) i układy przeciwblokujące ( ABS ), aby dokładnie monitorować i kontrolować ciśnienie hydrauliczne wywierane na przewody hamulcowe.
• Recyrkulacja spalin (EGR) i filtry cząstek stałych (DPF/GPF): Czujniki różnicy ciśnień mierzą spadki ciśnienia na filtrach i zaworach w celu monitorowania systemów kontroli emisji, zapewniając zgodność z przepisami ochrony środowiska.

4.2 Urządzenia medyczne

Miniaturyzacja i niezawodność mają ogromne znaczenie w zastosowaniach medycznych, gdzie czujniki MEMS przyczyniają się do bezpieczeństwa pacjentów i diagnostyki.

• Monitorowanie ciśnienia krwi:
  • Inwazyjne: Czujniki z końcówką cewnika (często piezorezystancyjne) są używane na intensywnej terapii lub w chirurgii do pomiaru ciśnienia krwi bezpośrednio w tętnicach, zapewniając bardzo dokładne dane w czasie rzeczywistym.
  • Nieinwazyjne: Niezbędne elementy standardowych elektronicznych mankietów do pomiaru ciśnienia krwi i urządzeń do ciągłego monitorowania.
• Pompy infuzyjne: Czujniki ciśnienia monitorują ciśnienie w linii płynu, aby zapewnić dokładne podanie leku, wykryć potencjalne blokady lub potwierdzić, że linia jest otwarta.
• Urządzenia oddechowe (np. wentylatory, maszyny CPAP): Do pomiaru przepływu powietrza, kontrolowania ciśnienia i objętości powietrza dostarczanego do płuc pacjenta oraz monitorowania cykli wdechu/wydechu wykorzystywane są bardzo czułe czujniki różnicy ciśnień.

4.3 Automatyka przemysłowa

W warunkach przemysłowych czujniki MEMS zastępują tradycyjne, większe czujniki, aby poprawić precyzję, zmniejszyć koszty konserwacji i umożliwić zdalne monitorowanie.

• Kontrola procesu: Stosowany w rurociągach, reaktorach i zbiornikach magazynowych w celu utrzymania stałego poziomu ciśnienia, co ma kluczowe znaczenie w procesach produkcyjnych w przemyśle chemicznym, naftowym i gazowym oraz farmaceutycznym.
• Przetworniki ciśnienia: Elementy czujnikowe MEMS są zintegrowane z wytrzymałymi przetwornikami, które zapewniają znormalizowane cyfrowe lub analogowe sygnały wyjściowe do zdalnego monitorowania i integracji z rozproszonymi systemami sterowania ( DCS ).
• Systemy HVAC (ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja): Czujniki różnicy ciśnień monitorują spadki ciśnienia na filtrach powietrza, aby określić, kiedy wymagają one wymiany (poprawiając efektywność energetyczną) i mierzą prędkość przepływu powietrza w celu precyzyjnej kontroli klimatu.

4.4 Elektronika użytkowa

Czujniki MEMS umożliwiają korzystanie z wielu inteligentnych funkcji, z których użytkownicy korzystają w urządzeniach przenośnych.

• Czujniki ciśnienia barometrycznego w smartfonach: Zmierz ciśnienie atmosferyczne, aby zapewnić:
  • Śledzenie wysokości: Do aplikacji fitness i outdoorowych.
  • Nawigacja wewnętrzna (oś Z): Umożliwia mapom określenie poziomu piętra użytkownika w budynku wielopiętrowym.
  • Prognoza pogody: Służy do przewidywania lokalnych zmian pogody.
• Urządzenia do noszenia: Stosowany w smartwatchach i trackerach fitness, zapewnia dużą dokładność przyrost wysokości śledzenie podczas aktywności takich jak wędrówki lub wchodzenie po schodach.
• Drony: Czujniki barometryczne zapewniają dużą dokładność utrzymanie wysokości funkcjonalność, która ma kluczowe znaczenie dla stabilnego lotu i nawigacji.

Wybór odpowiedniego czujnika ciśnienia MEMS

5.1 Wymagania dotyczące aplikacji

Pierwszym krokiem jest dokładne zdefiniowanie środowiska operacyjnego i potrzeb pomiarowych.

Identyfikacja konkretnych potrzeb

• Typ ciśnienia: Określ wymagany rodzaj pomiaru: Absolutne (w stosunku do próżni), Wskaźnik (w stosunku do otaczającego powietrza), lub Mechanizm różnicowy (różnica między dwoma punktami).
• Zakres ciśnienia: Zdefiniuj Minimalne i Maksymalnie oczekiwane ciśnienia robocze. Pełny zakres czujnika powinien z łatwością obejmować te wartości, w tym potencjalne przejściowe impulsy (→ patrz Nadciśnienie).
• Dokładność and Resolution: Określ wymaganą dokładność (np. $\pm 0,5\%\text{FSO}$ ) i najmniejszą zmianę ciśnienia, którą należy wiarygodnie wykryć ( rozdzielczość ). Większa dokładność często oznacza wyższy koszt i większy rozmiar opakowania.
• Kompatybilność z mediami: Zidentyfikuj substancję (gaz, ciecz lub żrącą substancję chemiczną), której ciśnienie jest mierzone. Materiały zwilżane czujnika muszą być chemicznie kompatybilne z mediami, aby zapobiec korozji i awariom.

Warunki środowiskowe

• Zakres temperatury roboczej: Czujnik musi działać niezawodnie w oczekiwanych ekstremalnych temperaturach otoczenia i medium. Ma to kluczowe znaczenie przy doborze czujnika z odpowiednią kompensacją temperatury.
• Wilgotność i zanieczyszczenia: Sprawdź, czy czujnik nie jest narażony na działanie wilgoci, kurzu lub innych zanieczyszczeń. To dyktuje wymagane Stopień ochrony przed wnikaniem (IP). i whether a protected/sealed package is necessary.

5.2 Dane techniczne czujnika

Gdy znane są wymagania dotyczące zastosowania, należy zapoznać się z arkuszem danych producenta.

Ocena kluczowych parametrów

• Czułość and Linearity: Upewnij się, że czułość jest wystarczająca dla wymaganej rozdzielczości. Sprawdź liniowość, aby zagwarantować dokładne pomiary w całym zakresie ciśnienia.
• Całkowite pasmo błędów (TEB): Jest to najważniejszy parametr, ponieważ definiuje najgorsza dokładność w całym kompensowanym zakresie temperatur i obejmuje liniowość, histerezę i błędy termiczne. Daje realistyczny obraz wydajności.
• Ciśnienie próbne/ciśnienie rozrywające: Sprawdź, czy limit nadciśnienia czujnika bezpiecznie przekracza maksymalne oczekiwane ciśnienie, uwzględniając potencjalne wstrząsy hydrauliczne lub skoki ciśnienia.

Uwagi dotyczące zużycia energii

• Do urządzeń zasilanych bateryjnie, przenośnych lub IoT urządzenia, niskie zużycie energii ( $\mu \text{A}$ poziom) jest niezbędne. Czujniki pojemnościowe lub inteligentne czujniki z zaawansowanymi trybami wyłączania są często preferowane w porównaniu z typami piezorezystancyjnymi o mocy ciągłej.
• Wybór pomiędzy wyjściem analogowym i cyfrowym (np. ${\text{I}}^2\text{C}$ , $\text{SPI}$ ) wpływa również na zużycie energii i łatwość integracji systemu.

5.3 Pakowanie i montaż

Opakowanie czujnika ma kluczowe znaczenie dla ochrony matrycy MEMS i połączenia z aplikacją.

Dostępne opcje pakowania

• Urządzenia do montażu powierzchniowego (SMD/LGA/QFN): Małe, niedrogie pakiety do bezpośredniego lutowania na PCB , powszechne w urządzeniach konsumenckich i medycznych (np. czujnikach barometrycznych).
• Pakiety z portem/kolcem: Zestawy plastikowe lub ceramiczne z portami ciśnieniowymi (kolcami lub gwintami) do łączenia rurek, powszechne w zastosowaniach niskociśnieniowych i przepływowych.
• Obudowa modułu/przetwornika: Solidne, często metalowe obudowy z gwintowanymi portami i złączami do trudnych warunków przemysłowych, często zawierające izolację mediów (np. komora wypełniona olejem).

Uwagi dotyczące montażu w celu uzyskania optymalnej wydajności

• Minimalizowanie naprężeń mechanicznych: Pakiet czujnika jest wrażliwy na naprężenia zewnętrzne. Podczas montażu na PCB (szczególnie w przypadku śrub), należy unikać nadmiernego momentu obrotowego lub nierównomiernego naprężenia, ponieważ może to spowodować przesunięcie punktu zerowego ( offset ).
• Wentylacja: Czujniki ciśnienia względnego wymagają otworu odpowietrzającego do powietrza otoczenia. Odpowietrznik ten należy chronić przed cieczami i zanieczyszczeniami, co często wymaga specjalistycznego projektu opakowania lub membrany ochronnej (np. powłoki żelowej).
• Zarządzanie ciepłem: Umieść czujnik z dala od źródeł ciepła ( Procesory , komponenty mocy), aby zminimalizować gradienty temperatury, które mogłyby przekroczyć skompensowany zakres temperatur.

5.4 Rozważania dotyczące kosztów

Koszt jest zawsze czynnikiem, ale najniższa cena jednostkowa rzadko jest najlepszym rozwiązaniem długoterminowym.

Równowaga wydajności i kosztów

• Wyższa dokładność, szersza kompensacja temperatury i izolacja mediów zwiększają koszt jednostkowy. Unikaj nadmiernego określania; wybieraj tylko poziom wydajności, którego naprawdę wymaga aplikacja.
• Nieskompensowane a skompensowane: Surowa, nieskompensowana matryca czujnika jest tańsza, ale wymaga od użytkownika opracowania i wdrożenia złożonych, kosztownych algorytmów kalibracji i kompensacji temperatury we własnym systemie, co wydłuża czas rozwoju. Fabrycznie skalibrowany, skompensowany czujnik ( inteligentny czujnik ) ma wyższy koszt jednostkowy, ale znacznie obniża koszt integracji na poziomie systemu.

Długoterminowy koszt posiadania

• Należy wziąć pod uwagę całkowity koszt, w tym czas kalibracji, potencjalne roszczenia gwarancyjne z powodu dryftu lub awarii w trudnych warunkach oraz koszt wymiany lub ponownej kalibracji uszkodzonych jednostek. Solidniejszy i droższy czujnik, który zapewnia lepszą długoterminową stabilność i niezawodność, często wiąże się z niższym całkowitym kosztem posiadania.

Najnowsze innowacje i przyszłe trendy

6.1 Zaawansowane materiały i techniki produkcyjne

Innowacje koncentrują się na poprawie odporności, stabilności i czułości czujnika.

Zastosowanie nowych materiałów (np. węglika krzemu ( $\text{SiC}$ ), grafen, $\text{SOI}$ )

• Węglik krzemu ( $\text{SiC}$ ): Sprawdzany pod kątem zastosowań w trudnych warunkach środowiskowych (np. wiercenia odwiertów, turbiny gazowe, komory silnika) ze względu na jego zdolność do niezawodnej pracy w ekstremalnie wysokich temperaturach (przekraczających $300^{\circ }\text{C}$ ), gdzie konwencjonalne czujniki krzemowe zawiodłyby.
• Izolator silikonowy ( $\text{SOI}$ ): Coraz częściej stosowany w zastosowaniach wymagających wysokich wydajności i krytycznych dla bezpieczeństwa samochodowego (np. ADAS, monitorowanie przewodów hamulcowych), ponieważ zapewnia lepszą izolację elektryczną i stabilność termiczną w szerokim zakresie temperatur (do $150^{\circ }\text{C}$ ).
• Grafen: Trwają badania mające na celu wykorzystanie doskonałej wytrzymałości mechanicznej i właściwości elektronicznych grafenu do stworzenia bardzo czułych czujników o bardzo niskim poborze mocy i wyjątkowo cienkich.

Zaawansowane procesy mikroobróbki

• Przelotka silikonowa ( $\text{TSV}$ ): Umożliwia układanie w stosy 3D matrycy MEMS i układu ASIC, znacznie zmniejszając zajmowaną powierzchnię opakowania ( Wysokość Z ) i wzmacnianie zakłóceń elektromagnetycznych ( EMI ) odporność.
• Projekt belki-membrany-wyspy: Nowa konstrukcja membrany dla minutowych czujników różnicy ciśnień ( Wysokość Z ), oferując wyjątkowo wysoką czułość dla respiratorów medycznych i przepływomierzy przemysłowych.

6.2 Integracja z IoT i technologią bezprzewodową

Konwergencja czujników MEMS z łącznością jest głównym czynnikiem napędzającym rozwój przemysłu i konsumentów.

• Bezprzewodowe czujniki ciśnienia (LoRaWAN, $\text{NB-IoT}$ ): Czujniki ciśnienia MEMS są zintegrowane z modułami komunikacji bezprzewodowej (np $\text{LoRaWAN}$ dla dużego zasięgu/niskiej mocy lub $\text{NB-IoT}$ do łączności komórkowej), tworząc samodzielne bezprzewodowe przetworniki ciśnienia .
• Aplikacje do zdalnego monitorowania: Te węzły bezprzewodowe eliminują kosztowne okablowanie, umożliwiając szybkie wdrożenie gęstych sieci czujników w warunkach przemysłowych ( IIoT ) za konserwacja predykcyjna (monitorowanie subtelnych dryftów ciśnienia w celu przewidywania awarii sprzętu) i zdalna kontrola procesu .
• Edge AI i połączenie czujników: Nowoczesne „inteligentne” czujniki wykorzystują uczenie maszynowe ( ML ) rdzenie lub zintegrowane układy ASIC które mogą przetwarzać i analizować dane (np. kompensację temperatury, filtrowanie, autodiagnostykę) bezpośrednio na chipie (na „krawędzi”). Zmniejsza to transmisję danych, zmniejsza zużycie energii i umożliwia szybsze, zlokalizowane podejmowanie decyzji.

6.3 Miniaturyzacja i niskie zużycie energii

Miniaturyzacja pozostaje głównym czynnikiem konkurencyjności, zwłaszcza na rynkach konsumenckich i medycznych.

• Trendy w miniaturyzacji czujników: Ciągłe zmniejszanie rozmiaru matrycy i rozmiaru opakowania (do $<1{\text{mm}}^2$ w niektórych przypadkach) ułatwia integrację z mniejszymi urządzeniami do noszenia, aparatami słuchowymi i wszczepialnymi urządzeniami medycznymi.
• Projekty o bardzo niskim poborze mocy: Przejdź w stronę technologii wykrywania pojemnościowego i rezonansowego, które generalnie zużywają mniej energii niż typy piezorezystancyjne. Nowoczesne projekty osiągają prądy czuwania w pod- $2\text{µA}$ zasięg, krytyczny dla wydłużenia żywotności baterii IoT węzły końcowe.
• Integracja „Nacisk X”: Integracja czujnika ciśnienia z innymi funkcjonalnościami (np. temperaturą, wilgotnością, wykrywaniem gazu) w jednym systemie w pakiecie ( SiP ), aby zaoszczędzić miejsce i uprościć projekt.

Najlepsze produkty z czujnikami ciśnienia MEMS

Czujnik/seria	Producent	Aplikacja podstawowa	Kluczowa technologia/funkcja
Boscha BMP388	Bosch Sensortec	Konsument, dron, nadający się do noszenia	Bardzo dokładny pomiar ciśnienia barometrycznego/wysokości ( $\pm 0.08\text{hPa}$ względna dokładność); bardzo mały, o małej mocy.
Infineona DPS310	Technologie Infineon	Konsument, $\text{IoT}$ , Nawigacja	Czujnik pojemnościowy zapewniający wysoką stabilność i niski poziom hałasu; doskonała stabilność temperaturowa, przeznaczona do zastosowań mobilnych i pogodowych.
STMikroelektronika LPS22HB	STMicroelectronics	Konsument, Industrial, Wearable	Ultrakompaktowy czujnik ciśnienia bezwzględnego małej mocy z wyjściem cyfrowym (( ${\text{I}}^2\text{C}$ / $\text{SPI}$ )); często używany w wodoodpornych urządzeniach mobilnych.
TE Łączność MS5837	Łączność TE	Wysokościomierz, komputery nurkowe, wysoka rozdzielczość	Cyfrowy wysokościomierz/czujnik głębokości; wypełniona żelem, wodoodporna konstrukcja zoptymalizowana pod kątem trudnych mediów i zastosowań podwodnych.
Amfenol NovaSensor NPA-100B	Zaawansowane czujniki Amfenolu	Medyczne, przemysłowe, niskociśnieniowe OEM	Wysoce niezawodne, oparte na piezorezystancjach, niewielkie rozmiary, często stosowane w urządzeniach medycznych, takich jak CPAP i przepływomierze.
Seria Murata SCC1300	Murata Manufacturing Co.	Motoryzacja ( $\text{ADAS}$ , $\text{ABS}$ ), Przemysłowy	Wysoka wydajność, $3\text{D}$ Technologia MEMS z $\text{ASIL}$ ocena, znana z doskonałej stabilności w zastosowaniach krytycznych dla bezpieczeństwa.
Seria Honeywella ABPM	Honeywell	Przemysłowe, medyczne, bezwzględne/barometryczne	Bardzo dokładne, stabilne cyfrowe czujniki barometryczne/absolutne; znany z wysokiego całkowitego pasma błędów (TEB).
Pierwsza seria czujników HCE	Łączność TE (acquired First Sensor)	Medyczne (CPAP), Niska różnica ciśnień	Czujnik piezorezystancyjny, często używany do bardzo czułych pomiarów niskiego ciśnienia i przepływu w medycynie i HVAC.
Wszystkie czujniki serii DLHR	Wszystkie czujniki	Ultraniskie ciśnienie, medyczne	Czujniki niskiego ciśnienia o wysokiej rozdzielczości z ${\text{CoBeam}}^2$ Technologia zapewniająca doskonałą wydajność przy niskim ciśnieniu $\text{HVAC}$ i medical markets.
Seria Systemy czujników zasługi BP	Merit Sensor Systems	Surowe media, wysokie ciśnienie	Izolowana od mediów matryca czujnika ciśnienia do zastosowań motoryzacyjnych i przemysłowych o dużej objętości, wymagających kompatybilności z surowymi mediami.

Wniosek

8.1 Podsumowanie kluczowych punktów

• Technologia: Miniaturowe czujniki ciśnienia MEMS, produkowane seryjnie, wykorzystujące głównie piezorezystancyjny or pojemnościowy efekt pomiaru ciśnienia poprzez ugięcie membrany.
• Zalety: Oferują lepsze miniaturyzacja , niski koszt (ze względu na przetwarzanie wsadowe), niskie zużycie energii , i high potencjał integracyjny w porównaniu do tradycyjnych czujników.
• Kluczowe wskaźniki: Wybór zależy od parametrów takich jak Całkowite pasmo błędów (TEB) , Limit nadciśnienia , i kompatybilność z mediami , zapewniając niezawodne działanie w wymaganym zakresie ciśnienia i temperatury.
• Aplikacje: Stanowią one podstawę nowoczesnej technologii, umożliwiając realizację krytycznych funkcji w Motoryzacja (TPMS, MAPA), Medyczne (ciśnienie krwi, wentylatory), Przemysłowy (sterowanie procesem, HVAC) oraz Elektronika użytkowa (wysokość w smartfonach, dronach).

8.2 Perspektywy na przyszłość

Przyszłość czujników ciśnienia MEMS definiuje zaawansowana integracja, łączność i odporność:

• Inteligentne wykrywanie: Tendencja do integracji AI/ML na krawędzi będzie kontynuowana, umożliwiając czujnikom dostarczanie praktycznych informacji, a nie tylko surowych danych, co będzie napędzać dalszy rozwój IIoT .
• Trudne środowiska: Zastosowanie zaawansowanych materiałów, takich jak SiC i SOI, rozszerzy zastosowanie czujników na bardziej ekstremalne środowiska temperaturowe i ciśnieniowe, szczególnie w pojazdach elektrycznych ( EW ) zarządzanie ciepłem i wysokociśnieniowe procesy przemysłowe.
• Wszechobecność i redukcja kosztów: Ciągłe udoskonalanie technik produkcyjnych (TSV, zaawansowana mikroobróbka) doprowadzi do powstania coraz mniejszych, bardziej opłacalnych urządzeń, przyspieszając ich penetrację nowych rynków, takich jak inteligentne rolnictwo, pozyskiwanie energii i mikrorobotyka.