O que é sensor de pressão MEMS?
MEMS é a abreviatura de Micro Electro Mechanical Systems, ou seja, sistemas microeletromecânicos. A tecnologia MEMS é aclamada como uma das tecnologias de ponta revolucionárias-do século 21 e remonta à década de 1950.
A tecnologia de Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) refere-se à tecnologia de projeto, fabricação, medição e controle de materiais mícrons/nanômetros.
O sensor de pressão MEMS é um sensor de pressão fabricado pelo processo de fabricação que combina tecnologia microeletrônica e tecnologia de microusinagem (incluindo microusinagem em massa de silício, microusinagem de superfície de silício, ligação e outras tecnologias). O sensor de pressão MEMS apresenta excelente desempenho em vários aspectos, como tamanho, precisão e velocidade de resposta.
Classificação de sensores de pressão MEMS
Com base em diferentes princípios de funcionamento, os sensores de pressão MEMS baseados em materiais de silício podem ser divididos em três categorias: tipo piezoresistivo de silício, tipo capacitivo de silício e tipo ressonante de silício.
Sensores de pressão piezoresistivos de silício
O efeito piezoresistivo refere-se ao fenômeno de que quando um material semicondutor é submetido a tensões, provoca mudanças na banda de energia, o deslocamento de energia dos vales e, assim, altera a resistividade da resistência do semicondutor.
O sensor de pressão piezoresistivo é um sensor de pressão projetado utilizando o efeito piezoresistivo. Possui tamanho pequeno, alta sensibilidade e resposta rápida. Porém, seu processo de fabricação é complexo e é facilmente afetado por temperatura e vibração, necessitando, portanto, de compensação de temperatura.
Sensores de pressão capacitivos de silício
O sensor de pressão capacitivo de silício é um tipo de sensor de pressão que usa materiais de silício como elementos sensores e converte as alterações da quantidade medida em alterações de capacitância.
Geralmente emprega um filme de metal circular ou um filme revestido de metal como um eletrodo do capacitor. Quando o filme se deforma sob a influência da pressão, a capacitância formada entre o filme e o eletrodo fixo muda. Através do circuito de medição, pode ser emitido um sinal elétrico que tem uma certa relação com a tensão.
As vantagens deste tipo de sensor incluem alta sensibilidade, boa estabilidade e ampla faixa linear. No entanto, suas desvantagens são o custo relativamente alto e a facilidade de ser afetado pela temperatura e umidade.
Sensores de pressão ressonante de silício
O sensor de pressão ressonante de silício é um tipo de sensor de pressão que, baseado no princípio de que a mudança na pressão externa no material de silício causa a mudança na frequência ressonante do ressonador, converte a mudança na pressão medida na mudança na frequência ressonante.
O sensor de pressão ressonante de silício apresenta alta precisão, alta resolução, alta capacidade anti-interferência, sendo adequado para transmissão de longa-distância e podendo ser conectado diretamente a dispositivos digitais. No entanto, tem um ciclo de produção longo, alto custo e a frequência de saída e a quantidade medida muitas vezes estão em uma relação não linear.
Princípio de funcionamento de sensores de pressão piezoresistivos
O elemento sensível de um sensor de pressão piezoresistivo MEMS consiste em um chip sensível e um substrato de suporte. Os parâmetros característicos iniciais do elemento sensível solidificam vários indicadores de parâmetros-chave do sensor e são o núcleo do sensor.
O chip sensível à pressão piezoresistiva de silício - é um chip sensível no qual o elemento sensível e o elemento de conversão são integrados no mesmo substrato de silício cristalino - único. O elemento sensível para detecção de pressão é um diafragma plano de silicone elástico com periferia fixa e selada. O material de silício na parte traseira do diafragma é removido para formar uma cavidade quadrangular invertida em forma de - pirâmide -. Os diafragmas elásticos de silicone com diferentes espessuras determinam diferentes faixas de medição de pressão, sensibilidades e capacidades de sobrecarga.
A fim de otimizar a resistência das paredes laterais de suporte ao redor do diafragma, o isolamento da tensão da embalagem rígida e o desempenho do isolamento elétrico do substrato do chip, o substrato de silício do chip deve ser laminado em um substrato de vidro espesso com características de expansão térmica correspondentes. Após a laminação, os cavacos com a cavidade comunicante com a pressão atmosférica ambiente podem ser utilizados para medição de pressão manométrica, enquanto os cavacos com a cavidade isolada da pressão atmosférica ambiente podem ser utilizados para medição de pressão absoluta.
Os resistores piezoresistivos de silício difuso que convertem a pressão medida detectada em sinais elétricos estão localizados na camada superficial superior do diafragma plano. O projeto convencional consiste em colocar os resistores piezoresistivos próximos à borda ou ao centro do diafragma plano. Quando o diafragma plano se deforma sob a ação da pressão medida, sob a premissa de pequena deflexão do diafragma (a deflexão máxima no centro do diafragma é muito menor que 500 microdeformações), utilizando a mudança na resistividade piezoresistiva, um sinal elétrico que muda linearmente com a deflexão do diafragma, ou seja, com a mudança na pressão, é emitido.
Para otimizar o desempenho de medição do chip sensível, os quatro resistores sensíveis piezoresistivos são dispostos no plano para formar uma ponte de Wheatstone. Quando a pressão medida é aplicada, a resistência de um par de braços opostos aumenta, enquanto a resistência do outro par de braços opostos diminui, fazendo com que a saída de tensão desequilibrada da ponte de Wheatstone mude linearmente com a pressão medida.
Aplicações de sensores de pressão piezoresistivos
Os sensores de pressão piezoresistivos MEMS são amplamente utilizados em vários setores e campos, como aeroespacial, navegação, indústria petroquímica, fabricação e automação mecânica, conservação de água e energia hidrelétrica, gases industriais, engenharia biomédica, meteorologia, geologia, medição de terremotos e assim por diante.