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
Trang 1Cảm 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
Trang 2Hình 2: Sai số áp suất áp dụng cho áp suất và nhiệt độ khác nhau
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
Trang 3kích 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
Trang 44.1 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
Trang 5Mẫu 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
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
Trang 6- 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
Trang 7Độ 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
