Los sensores de presión de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) se usan ampliamente en aeroespacial, biomedicina, control industrial y monitoreo ambiental debido a su bajo consumo de energía, tamaño pequeño, bajo costo y bajo impacto en el objeto de medición. En algunos estudios, los sensores de presión MEMS piezoresistivos o capacitivos se han utilizado para realizar mediciones de alta presión. Sin embargo, estos sensores de alta presión en miniatura piezoresistiva y capacitiva carecen de precisión de rango completo debido a perturbaciones de temperatura graves o una linealidad deficiente.
Recientemente, el equipo del Prof. Junbo Wang en el Instituto de Innovación de Información del Espacio e Astronáutica, Academia de Ciencias de China (CAS) desarrolló un mecanismo compuesto sensible a la presión que combina la flexión del diafragma y la compresión de volumen para los sensores de presión en miniatura resonantes para lograr mediciones de alta presión de alta precisión, según un informe de los McMasters Consulting. El sensor en miniatura se fabricó utilizando tecnología de micromachina, y los resultados experimentales muestran que la precisión a gran escala del sensor es ± 0. 0 15% en el rango de presión de 0.1 ~ 100 MPa y el rango de temperatura de -10} ~ 50 grados. Los resultados de la investigación relacionados se titulan como "un microsensor resonante de alta presión basado en un mecanismo compuesto sensible a la presión de flexión de diafragma y compresión de volumen". Compression "se publicó en la revista Microsystems & Nanoengineering.
Como se muestra en la figura a continuación, el estado de estrés del resonador anclado a la superficie inferior de la cavidad puede reflejar la presión externa a través de un mecanismo compuesto. La cavidad que contiene el resonador se puede construir con una estructura compuesta con flexión de diafragma y compresión de volumen. A través de este mecanismo compuesto, los investigadores desarrollaron un nuevo sensor de alta presión en miniatura resonante con una cavidad miniaturizada que refuerza la estructura del diafragma para un mayor rango. Además, se puede lograr una alta precisión utilizando cavidades de resonador dual con diferentes anchos.
Diseño general del sensor de alto voltaje en miniatura resonante
La selección del material se logró mediante una oblea SOI 4- pulgada de pulgadas (40 μm para la capa del dispositivo, 2 μm para la capa de óxido y 300 μm para la capa de sustrato) y dos 4-} pulgadas de silicio de pulgadas (1 mm y 2 mm de grosores, respectivamente). Para evitar introducir otras tensiones térmicas y lograr un aislamiento de estrés térmico estable, el material de la capa de aislamiento es el silicio de tipo N con niveles bajos de dopaje y<100>orientación. Los principales procesos de fabricación incluyen grabado de iones reactivos profundos (DRIE), liberación de resonador, deposición física de vapor (PVD) y unión a nivel de obleas.
Proceso de fabricación del sensor de alta presión en miniatura resonante
Los resultados experimentales muestran que el sensor resonante de alta presión resonante fabricado tiene una precisión de ± 0. 0 15% de la escala completa en un rango de presión de 0. 1 a 100 MPa y un rango de temperatura de {{6} a 50 grados. La sensibilidad a la presión es 261.10 Hz/MPa (~ 2,033 ppm/mPa) a frecuencia diferencial. La sensibilidad a la presión de la frecuencia diferencial es 261.10 Hz/ MPa (~ 2523 ppm/ mPa) a 20 grados, y las sensibilidades de temperatura de los resonadores duales son 1.54 Hz/ grado (~ 14.5 ppm/ grado) y 1.57 Hz/ C (~ {{22}. 6 ppm/ grado) a una presión de 2 mps. La salida diferencial tiene una excelente estabilidad en el rango de 0.02 Hz a temperatura y presión constante.
Plataforma experimental y resultados de prueba del sensor de alta presión en miniatura resonante
En resumen, los investigadores validaron el mecanismo compuesto sensible a la presión de los sensores de presión en miniatura resonantes al realizar efectivamente la conversión de presión/estrés al combinar la flexión del diafragma y la compresión de volumen, y desarrolló un sensor de alta presión resonante multicavidad en miniatura con resonadores dobles. En comparación con dos mecanismos individuales convencionales, el mecanismo compuesto sensible a la presión puede realizar un alto rango de medición y una alta precisión en un amplio rango de temperatura. El diseño coincidente de resonadores duales con sensibilidad a la presión positiva y negativa puede realizarse fácilmente mediante la adaptación y la combinación de dos mecanismos individuales. La producción diferencial mejora aún más la sensibilidad y realiza la autocompensación de la temperatura. Los resultados experimentales validan el alto rendimiento de este sensor en miniatura en términos de precisión, factor de calidad, sensibilidad y estabilidad. Sin embargo, la estructura de diafragma débil del microsensor basada en el mecanismo de presión compuesto limita una mayor expansión del rango de presión. El trabajo futuro puede centrarse en una mayor optimización del ensamblaje de segregación en términos de estrés y envejecimiento del sensor para mejorar la estabilidad de frecuencia de cada resonador para aplicaciones prácticas en mediciones de alta presión.