Cảm biến áp suất MEMS silicon cho không gian pptx

Cảm biến áp suất MEMS
silicon cho không gian

Cảm biến áp suất mới MEMs dựa trên áp điện trở silicon,
được phát triển để đo từ 20Bar tới trên 1000Bar cho những
ứng dụng chuyển động trong không gian.
Phần tử silicon có dạng ống với vị trí ngoài và cầu điện trở
được mở rộng với tính ổn định cao để phát hiện áp suất do
ứng suất mang lại, đã được xây dựng bởi chuẩn công nghệ
silicon phẳng và quá trình riêng MEMs, như là liên kết nóng
chảy silicon và thuật khắc điện tử.

Hình 1: a, Cảm biến hợp nhất và phần tử cảm biến silicon
dạng ống, b, mặt cắt ngang cầu điện trở
Cảm biến trên có triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực gia
công thô. Ưu điểm của nó là có sự khác biệt các thuộc tính
quan trọng như kích thước và khoảng cách nhỏ, mức độ cứng
của kim loại, trục đối xứng, tín hiệu đầu ra lớn, đáp ứng nhiệt
độ và áp suất nhanh, nhạy gia tốc thấp. Hiệu ứng trễ cũng đã
được giảm thiểu bằng cách loại bỏ vỏ gây ra ứng suất bởi
khoảng cách lớn giữa vùng cảm nhận và vùng chết, hoàn toàn
chính xác trong phạm vi áp suất 700bar và dải nhiệt độ từ -
70C tới 1350C là hơn 0,01%FS. Đặc điểm trễ và lặp lại được
đo tới ±10 ppm.
1. Giới thiệu.
Nhà sản xuất Presens tập trung chính vào công nghiệp hoá
phù hợp cho những ứng dụng cho áp suất trung bình và cao
như áp suất dầu và gas có yêu cầu về độ chính xác, ổn định

lâu dài và khử độ rung.

Hình 2: Sai số áp suất áp dụng cho áp suất và nhiệt
độ khác nhau
2. Công nghệ Silicon
Nguyên tắc đo lường được khai thác bởi Presens bao gồm sự
hợp nhất cầu điện trở bên ngoài trên một cấu trúc silicon
dạng ống.
Cho một ống thẳng ứng suất theo hướng ngang sẽ cao gấp
đôi hướng trục. Sự khác biệt ứng suất giữa hai phương sẽ
tương ứng với áp suất và có thể được đo lường bởi áp điện
trở của cầu điện trở. Khi tác dụng áp lực bên ngoài đến phần
tử ống là để đo ứng suất nén luôn chống lại những áp lực gây
hư hại.
Phần tử cảm biến được chế tạo bởi tiêu chuẩn công nghệ mặt
phẳng silicon và tiêu chuẩn quá trình gia công kích thước
nhỏ, giống như hỗn hợp liên kết silicon và khắc điện hoá.
Cầu điện trở được chế tạo bởi một lớp epitaxial silicon và kết
nối điện với chuẩn lớp nhôm. Hình dạng mặt cắt của điện trở
phổ biến áp điện trở trong hình 1.b

Hình 3: Vùng ổn định
3. Dạng của phần tử cảm biến
Cảm biến có triển vọng bởi có sự khác biệt các thuộc tính
quan trọng vì khoảng cách và kích thước nhỏ, tính chất cứng
của kim loại cao và tín hiệu đầu ra lớn. Độ nhạy nằm trong
khoảng 10μV/V/bar tới 1mV/V/bar. Đặc trưng dải tín hiệu
đầu ra được chọn trong dải 50mV/V do vốn sức mạnh từ
nhiễu điện.
Tín hiệu áp suất được bù thêm bởi cùng đo một nhiệt độ

trong cùng một lúc cầu điện trở, đầu đo trong thời gian cực kì
ngắn cho nhiệt độ bù không đổi của áp suất ra. Hoàn toàn
chính xác cho phạm vi áp suất 700bar và nhiệt độ từ từ -70C
tới 1350C là hơn 0,01%FS. Đặc điểm trễ và lặp lại cho phạm
vi áp suất 700bar trong yêu cầu ±10 mbar ( < ±10 ppm). Cam
kết được đo khoảng ± 1mbar ( 1-2 ppm).
Khoảng cách lớn tương đối của 3-4mm từ vùng chết tới vùng
cảm nhận giảm tới mức tối thiểu kích thước vỏ đem lại ứng
suất so với silicon cảm biến thông thường, khoảng cách đó có
thể theo thứ tự nhỏ hơn 10 lần. Việc đóng gói gây ra ứng suất
là nhân tố quan trọng tạo ra độ trễ và so lệch lâu dài.
Ảnh hưởng chính trong quá trình làm việc cảm biến áp suất
với điều kiện lĩnh vực gia công thô là từ gia tốc và nhiệt độ
trong thời gian ngắn. Đặc điểm sai lệch trong thời gian ngắn
tại 7500C/min khi dìm cảm biến vào trong nước đá đã đo
được khoảng 0,2bar, gia tốc cảm nhận đã được tính toán và
đo đạc trong yêu cầu 1mbar/g.
Đặc điểm này cho phép độ chính xác cao trong điều kiện
động, điều đó là cần thiết để duy trình độ chính xác của
phòng thí nghiệm trong điều kiện lĩnh vực gia công thô.
Tính ổn định lâu dài trong môi trường gia công thô đã được
phân tích bằng việc so sánh đầu ra cảm biến từ hai áp suất
giống nhau và nhiệt độ cảm biến được đặt cùng một vị trí
trong dầu. Việc so sánh đầu ra cảm biến đã được thực hiện
khoảng 3 năm sau trong điều kiện lắp đặt áp suất và nhiệt độ
tiếp xúc giống hệt nhau. Áp suất thay đổi trong giới hạn nhỏ
hơn 0,05bar được chỉ ra trong hình 3. Từ cuộc kiểm tra đó,
tính ổn định dài hạn được ước lượng khoảng ±
0,003%FS/năm.

Hình 4:
4. Vỏ
4.1 Môi trường được cách ly vỏ
Kim loại vỏ cảm biến rõ ràng có rất nhiều ứng dụng. Vỏ cảm
biến được làm từ titanium và thép nguyên chất có chất lượng.
Cảm biến không gian, phần tử cảm nhận được bọc trong vỏ
titanium bằng cách hàn tia electron. Trong điều kiện điện áp
cao thủy tinh kim loại xuyên qua lỗ giữa khoang phần tử cảm
biến được gây áp suất cao và phần mạch được ghép. Phần tử
cảm biến được gắn bằng cách dính vào khối dây liên kết
không nhạy cảm. Và kết nối điện được thực hiện bằng dây
liên kết.
Phần tử cảm biến được bảo vệ bởi vùng mà vùng đó được tạo
ra do màng ngăn chia làm 2 phần trong cùng một lúc sự ăn
mòn kim loại. Màng phân chia được hàn thành vỏ sử dụng kỹ
thuật hàn EB. Cuối cùng, lỗ hổng cảm biến được điền đầy
bằng silicon lỏng và được bịt kín bằng một bi được hàn điện
trở. Giảm áp lực trên màng ngăn được giới hạn tới 50ppm
của áp suất được áp dụng, áp suất bị khử bởi điều chỉnh trong
lúc bù. Nhìn một mặt cắt ngang của vùng đã tách khỏi vỏ
được chỉ ra trong hình số 4
Tổng trọng lượng cảm biến trong cảm biến không gian yêu
cầu 125gran. Phần mạch ghép được bịt kín, và giao diện điện
là do kết nối kín theo yêu cầu ESA. Cảm biến áp suất không
gian hoàn thành được biểu diễn trong hình 4b

Hình 5 : Đóng gói với kích thước nhỏ
4.2 Cảm biến đường kính nhỏ
Để bảo vệ những ứng dụng chất lỏng trơ của phần tử cảm
biến có thể được loại bỏ dẫn tới một quan điểm thay thế vỏ

được các phần tử silicon dạng ống có thể được sử dụng như
điện thông qua trực tiếp.
Những quan niệm vỏ thay thế là dựa trên gắn phần tử silicon
dạng ống vào một cái lỗ trên vách ngăn vỏ thép như được chỉ
ra ở hình 5. Lỗ kim loại đặc biệt phụ thuộc vào ứng dụng,
nhưng thủy tinh hoặc epoxy được cho là thích hợp.
Mẫu đầu tiên của phần tử cảm biến MEMs silicon thủy tinh
làm nóng chảy vào kim loại cứng được chỉ ra trong hình 6.
Đường kính kim loại cứng là 5mm và chiều dài đầy đủ 7mm,
cho phép kích thước nhỏ và gọn tích hợp của cảm biến vào
hệ thống. Sơ đồ cắt ngang của cảm biến đầy đủ với thủy tinh
được bịt kín được chỉ ra trong hình 6b. Việc lắp ráp các chi
tiết có thể hàn vào lỗ áp suất bằng công nghệ hàn tia electron,
laser hoặc điện trở. Toàn bộ khối lượng bắt đầu nhỏ hơn
30gram, phụ thuộc thực tế cấu hình mạch.

Hình 6: Phần tử cảm nhận
5. Mạch
5.1. Giao diện mạch tương tự.
Cảm biến bao gồm một mạch ghép cho ứng dụng và xác định
chương trình cụ thể. Sơ đồ 2 loại mạch như chỉ ra trong hình
7 cho phép đo lường chính xác của cảm biến điện áp ra cầu
và tổng trở cầu, cả hai biến đổi với từng áp suất và nhiệt độ.
Sự phối hợp khuyếch đại thiết bị đo thông thường với điều
biến của phần tín hiệu cầu được sử dụng cho sự ổn định cao.
Ảnh hưởng nhiệt độ tín hiệu áp suất là yêu cầu đầu tiên được
bù bằng cách sử dụng kích thích dòng điện không đổi. Mạng
điện trở màng mỏng được bao gồm bù các phần tử cảm biến
riêng và cảm biến độ nhạy biến đổi.
Yêu cầu đạt độ chính xác cao, tiến trình thêm vào và bù nhiệt

độ là cần thiết trong phần mềm hệ thống ngoài. Tín hiệu ra
cảm biến là 0-5V. Tổng số chính xác cho cảm biến hoàn
thành là hơn 0,1%FS.
Yếu tố chính hợp thành được sử dụng trong nguyên mẫu.
- Sự chính xác màng điện trở và mạng điện trở
- Sự chính xác quá trình khuyếch đại
- CMOS switch (Intersil HI9P303-P)
- Điều khiển tuyến tính(National LM117H)
- Nguồn MOSFET (Intersil IRFF9130)

Hình 7 : a, Giao điện mạch tương tự . b, Giao diện mạch số
5.2. Giao diện mạch số
Sự phát triển của ASIC số (mạch tích hợp ứng dụng riêng) đã
bắt đầu khi có sự gia tăng sản vật, được thúc đẩy bởi trọng
lượng và kích thước nhỏ, cải thiện chương trình, cải thiện độ
chính xác, cái thiện các sản phẩm logic do các thành phần ít
hơn.
Sự phát triển độ chính xác cao, giao diện mạch cảm biến số
khó phát xạ được dựa trên tồn tại tổ hợp tín hiệu bề mặt cảm
biến. Nhiệm vụ chính của người thiết kế là tăng hiệu quả
phân giải lên 14bit không ảnh hưởng giảm phát xạ.
Các sơ đồ khối của ASIC giao diện kỹ thuật số được thể hiện
trong hình 7b. Nó bao gồm các bộ dồn kênh tương tự, một bộ
ADC 14 bit và giao diện số song song hoặc nối tiếp. Điện áp
vào khác nhau Vs và Vr được chuyển thành một điện áp cuối
cùng một cách liên tục và được số hoác thông qua ADC.
Điện áp tham chiếu cầu có giá trị cao hơn từ năng lượng
nguồn cấp.
Với cảm biến này đã tạo nên một cuộc cạnh tranh về tăng độ
chính xác, giảm kích thước, trong lượng và tiết kiệm năng

lượng tại châu Âu. Cảm biến áp suất Presens sẽ được sản
xuất 100% tại châu Âu, giới thiệu bộ dồn kênh với đầu vào
tương tự có khả năng gồm nhiều hơn (2-3) phần tử cảm nhận
để đảm bảo yêu cầu sự dư thừa.
6. Kết luận
Độ chính xác cao cảm biến áp suất áp điện trở đã phát triển
thành công việc sử dụng các tiêu chuẩn áp điện trở. Do
những đặc điểm quan trọng như tín hiệu đầu ra lớn, gia tốc
cảm nhận thấp, đáp ứng áp suất và nhiệt độ nhanh, và khả
năng quá tải, cảm biến đó sẽ có khả năng duy trì độ chính xác
trong phòng thí nghiệm vào lĩnh vực thô. Ngoài ra, với các
ứng dụng chuyển động trong không gian là các mối hàn trong
cấu trúc vỏ titanium và giải pháp mạch trong điều kiện ghép
tương tự. Công nghệ này đang được tiếp tục với một cuộc
thẩm định cao tiến tới quá trình chế tạo ra một sản phẩm chất
lượng cho ngành công nghiệp vũ trụ.